Пример теплового расчета

Принятые обозначения:

Ø Коэффициент наполнения………………………….

Ø >> избытка воздуха…………………….

Ø >> использования тепла……………….

Ø >> неполноты диаграммы……………..

Ø Степень повышения давления……………………..

Ø Температура окружающей среды, К………………

Ø >> подогрева воздуха от стенок……….

Ø >> остаточных газов …………………...

Ø Давление окружающей среды, МПа……………….

Ø >> остаточных газов в начале впуска……..

Ø >> в конце впуска…………………………..

Ø Показатель политропы сжатия……………………..

Ø >> >> расширения……………….

Задание: провести тепловой расчет двигателя (дизельного или карбюраторного). По данным расчета определить основные параметры двигателя, предполагаемую экономичность, построить индикаторную диаграмму и скоростную характеристику.

Сравнить полученные результаты с характеристиками прототипа.

Выбрав прототип для теплового расчета, необходимо указать его исходные данные: номинальную мощность двигателя – Nе (кВт), частоту вращении вала – n (об/с), число цилиндров – i, степень сжатия – ε, коэффициент избытка воздуха – α, химический состав 1 кг топлива (содержание углерода – С, водорода – Н, кислорода – O_Т), низшую теплоту сгорания топлива – Нu. Значение низшей теплоты сгорания топлива можно проверить по формуле Д. И. Менделеева:

. (2.8)

Принимаем содержание серы S =0 и содержание влаги в топливе W =0; С, Н, O_Т – соответственно количество углерода, водорода, кислорода в 1 кг топлива (по исходным данным).

Химический состав топлива и коэффициент избытка воздуха могут быть определены по табл. 3.

Далее переходят непосредственно к расчету, который начинают с процесса газообмена. Параметры данного процесса приведены в табл. 4.

Коэффициент остаточных газов

. (2.9)

Температура в конце впуска, К

. (2.10)

Коэффициент наполнения

. (2.11)

Таблица 3. Химический состав топлива, коэффициент избытка воздуха

Двигатель	Марка топлива	Химический состав топлива	Ни, кДж/кг	Коэффициент избытка воздуха, α	Молекулярный вес, mT
С	Н	0Т
Дизельный	ДЗ, ДЛ, ДТ, ГОСТ 305-82	0,87	0,126	0,004		1,2–1,7	180–200
Карбюраторный	А-80, А92, А-95	0,855	0,145			0,85–0,95	110–120

Таблица 4. Параметры процесса газообмена

Параметры	Тип двигателя
дизельный	карбюраторный
Подогрев воздуха от стенок цилиндра , К	10–25	10–40
Температура остаточных газов , К	700–900	900–1100
Давление остаточных газов , МПа	0,105–0,120	0,105–0,125
Давление в конце впуска , МПа	0,75–0,95	0,7–0,9

Процесс сжатия.

Давление в конце сжатия, МПа

. (2.12)

Температура конца сжатия, К

. (2.13)

Процесс сгорания.

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кмоль/кг топл.

. (2.14)

Для дизельного двигателя действительное количество воздуха и свежего заряда, кмоль/кг топл.

. (2.15)

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания для дизельного двигателя, кмоль/кг топл.:

Ø углекислого газа

; (2.16)

Ø водяного пара

; (2.17)

Ø кислорода

; (2.18)

Ø азота

. (2.19)

Общее количество продуктов сгорания

. (2.20)

Количество горючей смеси для карбюраторного двигателя, кмоль/кг топл.:

. (2.21)

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания:

Ø доля углерода топлива, сгорающая в СО

; (2.22)

Ø количество СО₂

; (2.23)

Ø количество СО

; (2.24)

Ø количество

; (2.25)

Ø количество

. (2.26)

Общее количество продуктов сгорания

. (2.27)

Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси для дизельного двигателя

. (2.28)

Изменение количества моль при сгорании для карбюраторных двигателей, кмоль/кг топл.

. (2.29)

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

. (2.30)

Средняя мольная теплоемкость горючей смеси в конце сжатия в интервале температур 273 … 1800 К, кДж/кмоль·град:

. (2.31)

Средняя мольная теплоемкость продуктов в конце сгорания в интервале температур 1800 … 3000 К, кДж/кмоль·град:

– для дизельного двигателя при постоянном давлении

+ 8,314.

Подставляем полученные цифровые значения в уравнение сгорания для смешанного цикла

, (2.32)

где ζ = 0,8 (для дизельного двигателя).

В результате подстановки получаем квадратное уравнение, решая которое, определяем величину

– для карбюраторного двигателя

.

Количество тепла, потерянное вследствие неполноты сгорания, кДж/кг

. (2.33)

Подставляем цифровые значения в уравнение сгорания и получаем квадратное уравнение, решая которое определяем величину

, (2.34)

где ζ = 0,9 (для карбюраторного двигателя).

Давление газов в цилиндре в конце сгорания:

Ø дизельного двигателя, МПа

. (2.35)

Степень предварительного расширения

; (2.36)

Ø карбюраторного двигателя, МПа

. (2.37)

Степень повышения давления

. (2.38)

Процесс расширения.

Для дизельного двигателя степень последующего расширения

. (2.37)

Давление в конце расширения, МПа

. (2.38)

Температура в конце расширения, К

. (2.39)

Для карбюраторного двигателя , МПа.

Температура газов, К

. (2.40)

Параметры, характеризующие цикл и работу двигателя

Среднее индикаторное расчетное давление:

Ø дизельного двигателя

; (2.41)

Ø карбюраторного

. (2.42)

Действительное среднее индикаторное давление

. (2.43)

Значение коэффициента полноты индикаторной диаграммы для четырехтактных двигателей следует принять 0,9 … 0,97. Для карбюраторных двигателей имеет более высокие значения, чем для дизелей.

Индикаторный КПД

. (2.44)

Индикаторный удельный расход топлива, г/(кВт·ч)

. (2.45)

Среднее давление, затрачиваемое на трение и привод вспомогательных агрегатов:

Ø дизель

; (2.47)

Ø карбюраторный двигатель

. (2.48)

Среднее эффективное давление

. (2.49)

Механический КПД

. (2.50)

Эффективный КПД

. (2.51)

Эффективный удельный расход топлива, г/(кВт·ч)

. (2.52)

Основные размеры двигателя. Литраж двигателя, л

. (2.53)

Задаваясь числом цилиндров двигателя i, определим рабочий объем одного цилиндра

. (2.54)

Диаметр цилиндра, мм

, (2.55)

где , – ход поршня и диаметр цилиндра соответственно (по технической характеристике двигателя-прототипа – табл. 1, 2 Приложений).

Ход поршня, мм.

. (2.56)