Тепловой расчёт двигателя. I. Расчёт параметров рабочего тела, процессов впуска и сжатия. Произвести расчёт параметров процессов впуска и сжатия автомобильного карбюраторного двигателя. Исходные данные: номинальная мощность Ne =85 кВт; номинальное число оборотов nн =4200 об/мин; число и расположение цилиндров i 4 р ; степень сжатия ε=7,8; коэффициент избытка воздуха α=0,9; топливо - бензин А-76 с химическим составом: C=0,855, Н2=0,145, О2=0; низшая теплота сгорания топлива Hи=44 МДж/кг. СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011 Изм. Лист № докум. Разраб. ЗУБОВ Д.А. Провер. ЭФЕНДИЕВ А.М. Реценз. Н. Контр. Утверд. Подпись Дата Тепловой расчёт двигателя ГАЗ-24Д Лит. Лист Листов 1 13 Кафедра «ЭОП АПК» 1. Расчёт параметров рабочего тела Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг. топлива: l0 1 8 1 8 1 8 C 8 H OT = C 8 H OT 0,855 8 0,145 0 14,9565кг ; 0, 23 3 0, 23 3 0, 23 3 или в молях: L0 1 C H OT 1 0,855 0,145 0 0,512кмоль . 0, 21 12 4 32 0, 21 12 4 32 Действительное количество воздуха, участвующего в сгорании 1кг. топлива при α=0,9: l Д l0 0,9 14,96 13, 46кг; LД L0 0,9 0,512 0, 46кмоль. Суммарное количество свежей смеси: G1 1 l0 1 13, 46 14, 46кг. ; M1 1 Т L0 1 0, 46 0, 469кмоль. 114 Здесь µт- молярная масса топлива; µт=114. Общее количество продуктов сгорания при α<1. Продукты сгорания состоят из СО, СО2, Н2, Н2О, N2. Количество отдельных составляющих продуктов сгорания: M co 0, 42 1 1 0,9 L0 0, 42 0,512 0, 0143кмоль. 1 K 1 0,5 Тут К М Н2 М со , по опытным данным для бензинов, у которых Н/С=0,17-0,19, отношение К=0,45-0,5; если Н/С=0,13, тогда К=0,3. Для А-76 Н/С=0,17. Поэтому принимаем К=0,5. СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 2 С 0,855 М со 0, 0143 0, 057 кмоль; 12 12 М н2 К М со 0,5 0, 0143 0, 0072кмоль; М со2 Н 0,145 М н2 0, 0072 0, 0653кмоль; 2 2 0, 79 L0 0, 79 0,9 0,512 0,364кмоль. М н2о М N2 Суммарное количество продуктов сгорания: М 2 М со М со2 М н2 М н2о М N2 0, 0143 0, 057 0, 0072 0, 0653 0,364 0,508кмоль. Приращение объёма ΔМ и теоретический коэффициент молекулярного изменения: М М 2 М 1 0,508 0, 469 0, 039кмоль; М0 М 2 0,508 1, 08. М 1 0, 469 2.Расчёт процесса впуска. Для расчёта параметров процесса впуска примем: приращение температуры в процессе подогрева заряда от стенок впускной системы ΔТ=20 оС; температура остаточных газов Тг=1050 оК; давление остаточных газов pг=0,115 Мпа/м2 =1,15 кг/см2; суммарный коэффициент, учитывающий гашение скорости движения потока топливо-воздушной смеси во впускной системе и сопротивление этой системы, отнесённое к сечению в клапане β2+ ξ=3; скорость движения заряда в сечении клапана υкл=90м/с; в карбюраторном двигателе без наддува впуск воздуха происходит из атмосферы, тогда pк=p0=0,1 Мпа/м2 ≈ 1,03 кг/см2, Тк=Т0=293 оК. Плотность заряда на впуске: СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 3 0 p0 0,1 28,97 1, 21кг / м3 ; R T0 8314 293 для воздуха Rв=8314/µв; µв=28,97. Давление в конце впуска: pa p0 2 2 vкл2 3 902 1, 21 0 0,1106 85299 Н / м 2 0, 085МПа. 2 2 Коэффициент остаточных газов: ост Т 0 Т рГ 293 20 0,115 0, 059 6% . ТГ ра рГ 1050 7,8 0, 085 0,115 Температура конца впуска: Та Т 0 Т ост Т Г 293 20 0, 06 1050 350 о К . 1 ост 1 0, 06 Коэффициент наполнения: v 1 pa T0 7,8 0,085 293 1 0,753; 1 p0 Ta 1 ост 7,8 1 0,1 350 (1 0,06) при отсутствии продувки и дозарядки двигателя принимаем 1 1. По формуле только для четырёхтактных двигателей: v Т0 1 ра рГ 293 1 7,8 0,085 0,115 0,755. Т 0 Т 1 р0 р0 293 20 7,8 1 0,1 0,1 Принимаем v =0,75. 3. Расчёт параметров сжатия. Задаёмся показателем политропы сжатия n1=1,34. Давление в конце сжатия: рс ра n1 0, 085 7,81,34 1, 4МН / м 2 14кг / см 2 . СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 4 Температура в конце сжатия: Т с Т а n1 1 350 7,80,34 713о К . СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 5 II. Расчёт параметров процессов сгорание - расширение. 1. Параметры процесса сгорания. Параметры конца процесса сгорания. Уравнение сгорания для карбюраторного двигателя при α<1: z Н и Н и U c ост U "с U "z . (1 ост ) М1 1 ост Здесь: М 2 М1 ост 0,508 0,06 0, 469 1,08; М1 1 ост 0, 469 1 0,06 где М2- количество продуктов сгорания, кмоль; М1- количество свежего заряда, кмоль; µ- действительный коэффициент молекулярного изменения; ΔНи- не выделившаяся теплота вследствие неполноты сгорания при α<1: Ни 1, 2 105 1 L0 1, 2 105 1 0,9 0,512 6144кДж. В уравнении сгорания ξz – коэффициент теплоиспользования, примем ξz=0,86; Uc – внутренняя энергия 1 моля свежей смеси в конце процесса сжатия: Uc cv с tc 21,596 440 9502кДж / кмоль; где (µсv)c – теплоёмкость свежей смеси при температуре tc. tc=Tc-273=713-273=440 о С. По табличным данным (µсv)c=21,596 кДж/(кмоль∙град.) при tc=440оС. Внутренняя энергия 1 кмоля продуктов сгорания в конце процесса сжатия: U "с с "v c tc , СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011 Изм. Лист № докум. Разраб. ЗУБОВ Д.А. Провер. ЭФЕНДИЕВ А.М. Реценз. Н. Контр. Утверд. Подпись Дата Тепловой расчёт двигателя ГАЗ-24Д Лит. Лист Листов 6 13 Кафедра «ЭОП АПК» где (µс " v)с – теплоёмкость продуктов сгорания в конце процесса сжатия. Теплоёмкость смеси равна сумме произведений теплоёмкостей отдельных компонентов продуктов сгорания на их объёмные доли. Для принятого элементарного состава топлива при α=0,9 объёмные доли отдельных компонентов продуктов сгорания составят: rco rco2 rн2 rн2о rN2 М со 0, 0143 0, 028; М2 0,508 M co2 M2 М н2 М2 М н2о М2 M N2 M2 0, 057 0,112; 0,508 0, 0072 0, 014; 0,508 0, 0653 0,129; 0,508 0,364 0, 717. 0,508 Используя табличные данные при t=tc: с "v c 0, 028 21,598 0,112 35, 464 0, 014 20,896 0,129 26,991 0, 717 21, 291 23, 617кДж / (кмоль град.). U "с 23,617 440 10391кДж / кмоль. Тогда, подставив значения в левую часть уравнения сгорания, получим: 0,86 44000 6144 9502 0, 06 10391 U "z ; 1 0, 06 1 0, 06 0, 469 75058 U "z ; U "z 75058 75058 69498кДж / кмоль. 1, 08 Примем, что tz=2300 о С. По таблице найдём значения теплоёмкостей компонентов продуктов сгорания при t=2300 оС. СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 7 ( с "v )со 25, 791кДж / ( кмоль град); ( с "v )со2 46,829кДж / ( кмоль град); ( с "v ) н2 23, 743кДж / ( кмоль град); ( с "v ) н2о 36,940кДж / (кмоль град); ( с "v ) N2 25,326кДж / (кмоль град); t 2300 с " z t 0 0, 028 25, 791 0,112 46,829 0, 014 23, 743 0,129 36,940 0, 717 25,326 29, 223кДж / (кмоль град). Внутренняя энергия продуктов сгорания при температуре tz=2300 оС. U "z ( сv ) z t z 2300 29, 223 67213кДж / кмоль. Определим U "z при tz=2400 оС. По таблице при α=0,9 находим теплоёмкость продуктов сгорания бензина – с "v =29,393 кДж/(кмоль∙град). t 2400 Тогда (U "z )t 2400 c "v t 0 tz 29,393 2400 70543кДж / кмоль. Искомое значение температуры сгорания, соответствующее полученному значению U "z 69498кДж / кмоль , находится в интервале температур 2300<tz<2400. Принимая, что при изменении температуры от 2300 до 2400 оС U "z f (t ) меняется линейно, построив график, находим значения tz=2369оС или Tz=2642оК. Расчётное давление конца сгорания: pz Tz pc Tc 5, 6МПа / м 2 . Степень повышения давления: pz 5, 6 4. pc 1, 4 Максимальное давление цикла с учётом скругления диаграммы: pz 0,85 pz 0,85 5, 6 4, 76 МПа / м 2 . СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 8 2. Параметры процесса расширения. Давление конца расширения рв: рв рz n2 5, 6 0, 41МПа / м 2 . 1,25 7,8 Температура конца расширения: Tв Tz n2 1 2642 1566о К . 7,80,25 n2- показатель политропы расширения, которым задаёмся по табличным данным. Принимаем n2=1,25. СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 9 III. Определение индикаторных и эффективных показателей двигателя. Расчёт среднего индикаторного давления цикла: pi н.с. pa n 1 1 1 7,81,34 4 1 1 n 1 1 n 1 0, 085 1 1 n2 1 n1 1 7,8 1 1, 25 1 7,80,25 1 2 1 1 1 1 1МПа / м 2 . 0,34 7,80,34 Примем коэффициент скругления индикаторной диаграммы i 0,95 , тогда действительное среднее индикаторное давление: pi 0,95 pi н.с 0,95 1 0,95МПа / м2 . Основные показатели цикла. Доля индикаторного давления, затраченного на трение и привод вспомогательных механизмов: Рм 4 104 1,35 104 Сп 4 104 1,35 104 13 0, 21МПа / м 2 . Приняли среднюю скорость движения поршня Сп=13м/с. Среднее эффективное давление цикла: Ре Рi Рм 0,95 0, 21 0, 74МПа / м 2 . Механический КПД: м Ре 0, 74 0, 78. Рi 0,95 Удельный индикаторный расход топлива: СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011 Изм. Лист № докум. Разраб. ЗУБОВ Д.А. Провер. ЭФЕНДИЕВ А.М. Реценз. Н. Контр. Утверд. Подпись Дата Тепловой расчёт двигателя ГАЗ-24Д Лит. Лист Листов 10 13 Кафедра «ЭОП АПК» gi 3600 0 v 1, 21 0, 753 3600 256г / (кВт ч). Pi l0 0,95 0,9 14,96 Удельный эффективный расход топлива: ge gi м 256 241г / (кВт ч). 0, 78 Индикаторный КПД цикла gi и Ни: i 3600 3600 0,32. gi H И 256 44 Эффективный КПД цикла: е i м 0,32 0, 78 0, 25. Часовой расход топлива: GT g e N e 241103 85 27,8кг / ч. СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 11 IV. Определение основных размеров и удельных показателей двигателя. Рабочий объём двигателя: 30 N e 30 85 7,8 6,39 л. pe n 0, 74 4200 iVh Рабочий объём одного цилиндра: Vh iVh 6,39 0, 79 л. i 8 Обозначим отношение хода поршня S к диаметру цилиндра D; S/D=K, где Кпоказатель короткоходности или длинноходности двигателя. Для карбюраторных двигателей S/D=K=0,8-1. Принимаем К=0,88. Тогда: D 3 4 Vh 4 0, 79 3 106 мм; K 3,14 0,88 S K D 0,88 106 93 мм. Принимаем: D=100мм; S=88мм; Vh=0,79л; iVh=6,39л. Проверим среднюю скорость поршня: Сп S n 0, 088 4200 11, 73 м / с. 30 30 11,73<13. СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011 Изм. Лист № докум. Разраб. ЗУБОВ Д.А. Провер. ЭФЕНДИЕВ А.М. Реценз. Н. Контр. Утверд. Подпись Дата Тепловой расчёт двигателя ГАЗ-24Д Лит. Лист Листов 12 13 Кафедра «ЭОП АПК» Площадь поршня: Fп D2 4 3,14 1002 7850 мм2 . 4 Эффективный крутящий момент: М к 9550 Ne 85 9550 193,3Н м. n 4200 Литровая мощность двигателя: Nл Ne 85 12,31кВт / л. iVh 6,39 Поршневая мощность двигателя: Nп 4 Ne 4 85 25,8кВт / дм 2 . 2 2 D i 3,14 1 4 СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 13