Тепловой и динамический расчет двигателя

Тогда давление в конце впуска составит : Р_а = Р₀ - DР_а = 0,1- 0,0107 = 0,0893 (Мпа).

Коэффициент остаточных газов:

, при  Т_к=293 К; DТ = 10 С ; Р_r = 0,116 (Мпа); Т_r = 1000 K ;

 P_a= 0.0893 (Мпа);e = 8,2, получим: g_r = (293+10)/1000*0,116/(8,2*0,0893-0,116) =0,057. 

Коэффициент наполнения: (К). 

2. ПРОЦЕСС СЖАТИЯ

 

      Учитывая  характерные значения политропы  сжатия для заданных параметров двигателя примем средний показатель политропы n= 1,37 . Давление в конце сжатия:

Р_с = Р_а ×eⁿ = 0.0893× 8.2^1.37 =  1,595 (Мпа). Температура в конце сжатия: Т_с = Т_а×e^(n-1) = 340,6×8,2^0,37 = 741,918@ 742 (К).

      Средняя молярная теплоемкость в конце сжатия ( без учета влияния остаточных газов): mc_v^’ = 20,16+1,74×10^-3×Т_с = 20,16+1,74×10^-3×742 = 21,45 (Кдж/кмоль×град.)

Число молей остаточных газов: М_r = a×g_r×L₀ = 0,95×0,057×0,516=0,0279 (кмоль).

Число молей газов в конце сжатия до сгорания: М_с= М₁+М_r = 0,473+0,0279= 0,5(кмоль)

3. ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ

 

  Средняя молярная теплоемкость при постоянном объеме для продуктов сгорания жидкого  топлива в карбюраторном двигателе при (a<1): mc_в^’’ = (18,4+2,6×a)+(15,5+13,8×a)×10^-4×Т_z= 20,87+28,61×10^-4×Т_z = 20,87+0,00286×Т_z (Кдж/кмоль×К).

  Определим количество молей газов после сгорания: М_z = M₂+M_r = 0,5117+0,0279 = 0,5396 (кмоля). Расчетный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси находится по формуле : b = М_z / M_c = 0,5397/0,5 = 1,08 .

  Примем  коэффициент использования теплоты x_z = 0,8 , тогда количество теплоты , передаваемой на участке lz при сгорании топлива в 1 кг. : Q = x_z×(H_u-DQ_H) , где H_u - низшая теплотворная способность топлива равная 42700 (Кдж/кг)., DQ_H =119950×(1-a)× L₀ - количество теплоты , потерянное в следствии химической неполноты сгорания:

DQ_H = 119950×(1-0,95) ×0,516 = 3095 (Кдж/кг) , отсюда  Q = 0,8×(42700-3095) =31684 (Кдж/кг). Определим температуру в конце сгорания из уравнения сгорания для карбюраторного двигателя (a<1) :

                               , тогда получим:

                  1,08(20,87+0,00286*Т_z)*T_z = 36636/(0,95*0,516*(1+0,057))+21,45*742

                  22,4Т_z +0,003Т_z² = 86622     Þ      22,4 Т_z +0,003 Т_z² - 86622 = 0

  Максимальное  давление в конце процесса сгорания теоретическое: Р_z = P_c*b*T_z /T_c = 1,595*1,08*2810/742 = 6,524 (Мпа). Действительное максимальное давление в конце процесса сгорания: Р_zд = 0,85*Р_z = 0,85*6,524 =5,545 (МПа) . Степень повышения давления : l = Р_z / Р_с = 6,524/1,595 = 4,09 

4. ПРОЦЕСС РАСШИРЕНИЯ

 

  С учетом характерных значений показателя политропы расширения для заданных параметров двигателя примем средний  показатель политропы расширения n₂ = 1,25

Давление  и температура в конце процесса расширения:

6,524/13,876=0,4701(МПа). 2810/1,7=1653 К

Проверка  ранее принятой температуры остаточных газов :

1653/ 1,6 =  1037 К. Погрешность составит:

D= 100*(1037-1030)/1030 = 0,68% , эта температура удовлетворяет условия D< 1,7 . 

5. ИНДИКАТОРНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО ЦИКЛА

 

  Теоретическое среднее индикаторное давление определенное по формуле:

=1,163 (МПа). Для определения среднего индикаторного давления примем коэффициент полноты индикаторной диаграммы равным j_и = 0,96 , тогда среднее индикаторное давление получим : р_i = 0,96* р_i^’ = 0,96*1,163 = 1,116 (МПа).

Индикаторный  К.П.Д.:  h_i = p_i l₀ a / (Q_H r₀ h_v ) = (1,116 *14,957*0,9)/(42,7*1,189*0,763) = 0,388 , Q_н = 42,7 МДж/кг.

Индикаторный удельный расход топлива: g_i = 3600/ (Q_H h_i ) = 3600/(42,7*0,388) =217 г/КВт ч.  

6. Эффективные показатели двигателя

 

  При средней скорости поршня С_m = 15 м/с., при ходе поршня S= 75 мм и частотой вращения коленчатого вала  двигателя n=5400 об/мин., рассчитаем среднее давление механических потерь: Р_м = А+В* С_m , где коэффициенты А и В определяются соотношением S/D =0,75<1 , тогда А=0,0395 , В = 0,0113 , отсюда Р_м = 0,0395+0,0113*15 =0,209 МПа.

  Рассчитаем  среднее эффективное давление : р_е = р_i - p_м = 1,116-0,209= 0,907 МПа.

Механический  К.П.Д. составит : h_м = р_е / р_i = 0,907/ 1,116 = 0 ,812

Эффективный К.П.Д. и эффективный удельный расход топлива :

h_е=  h_i h_м = 0,388*0,812 = 0,315;  g_e = 3600/(Q_H h_е) = 3600/(42,7*0,315) = 268 г/КВт ч

  Основные  параметры цилиндра и двигателя.

1. Литраж двигателя : V_л = 30×t N_е / (р_е n) = 30*4*90/(0,907*5400) = 2,205 л.
2. Рабочий объем цилиндра : V_h = V_л / i = 2,205 / 6 = 0,368 л.
3. Диаметр цилиндра : D = 2×10³×Ö V_h(pS) = 2*10^3*(0,368/(3,14*75))^(0,5)= 2*10³*0,0395 = 79,05 мм.@ 80 мм.
4. Окончательно приняв S = 75 мм и D = 80мм. объем двигателя составит: V_л = pD²Si / (4*10⁶) = (3,14*6400*75*6)/(4000000)= 2,26 л.
5. Площадь поршня: F_п = pD² / 4 = 20096/4 = 5024 мм² = 50,24 (см²).
6. Эффективная мощность двигателя: N_е = р_е V_л n / 30t = (0,907*2,26*5400)/(30*4) = 92,24 (КВт.).
7. Эффективный крутящий момент : М_е = (3*10⁴ / p)(N_e /n) = (30000/3,14)*(92,24/5400) = 163,2 (н×м)
8. Часовой расход топлива: G_т = N_e ×g_e ×10^-3 = 92,24×268×10^-3 = 92,24*268*10^(-3)=24,72.
9. Удельная поршневая мощность: N_n = 4× N_e /i×p×D² = (4*92,24)/(6*3,14*80*80) =30,6

 

7. ПОСТРОЕНИЕ  ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ ДВИГАТЕЛЯ 

  Индикаторную  диаграмму строим для номинального режима двигателя, т.е. при N_e=92,24 кВт. И n=5400 об/мин.

Масштабы  диаграммы: масштаб хода поршня 1 мм.; масштаб давлений 0,05 МПа в мм.

Величины  соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:

АВ = S/M_s = 75/1,0 =75 мм. ; ОА = АВ / (e-1) = 75/(8,2-1) = 10,4 мм.

Максимальная  высота диаграммы точка Z :  р_z / M_p = 6,524/0,05 = 130,48 мм.

Ординаты  характерных точек:

р_а / М_р = 0,0893/0,05 = 1,786 мм. ; р_с / М_р = 1,595/0,05 = 31,9 мм.  ; р_в / М_р = 0,4701/0,05 = 9,402 мм. : р_r / М_р = 0,116/0,05 = 2,32 мм. ; р₀ / М_р = 0,1/0,05 = 2 мм. 
 

  Построение  политроп сжатия и расширения аналитическим  методом :

1. Политропа сжатия: Р_х = Р_а (V_а V_х )ⁿ¹ . Отсюда Р_х / М_р = (Р_а/М_р)(ОВ/ОХ)ⁿ¹ мм. , где ОВ= ОА+АВ= 75+10,4 = 85,4 мм. ; n₁ = 1,377 .

 

ТАБЛИЦА 2. Данные политропы сжатия:

                                                                                                                

 

ТАБЛИЦА 3. Данные политропы расширения:

Р_х / М_р = Р_в (V_в /V_х)ⁿ²  , отсюда Р_х / М_р = (р_в/М_р)(ОВ/ОХ)ⁿ² , где ОВ= 85,4 ; n₂ =1.25 

 

Рис.1. Индикаторная диаграмма. 
 
 
 

4. ДИНАМИЧЕСКИЙ  РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ 

 

  Кинематика кривошипно-шатунного механизма .

S_n = (R+a) - ( R cos.a+acos.b)= R[(1+1/l)-( cos.b+1/l cos.b)] , где l =R / a , тогда S_n = R[(1+ l/4)-( cos.a+ l/4 cos.2a)] , если a=180^о то S_n=S - ходу поршня , тогда : 75 = R[(1+l/4)-(-1+l/4)]  ; 75 = R[1.0625+0.9375]  ; 75 = 2R  Þ  R = 75/2 = 37.5 мм.=0,0375 м.

l=R/L_ш  Þ L_ш = R/l= 37,5/0,25 = 150 мм.=15 см. т.к. l= 0,25