Тепловой расчет ДВС

Температура и давление окружающей среды

Температура и  давление окружающей среды To и Po по заданию кафедры равны, соответственно, 285 К и 0,096 МПа.

Давление  избыточных газов

Давление  избыточных газов, pr, Мпа, определяется с учетом конструкции выпускной системы и давления среды, куда осуществляется выпуск. Для двигателей без наддува давление остаточных газов находится в пределах     pr = 0 - 0,125 МПа. Стоит отметить, что давление избыточных газов зависит, в основном, от частоты вращения коленчатого вала и может быть ориентировочно вычислена по формуле:

 

Pr = 0,112 Мпа.

Температура избыточных газов

Температура избыточных газов для дизелей без наддува  находится в пределах Tr=900-1100 К. У дизелей уменьшение коэффициента избытка воздуха приводит к росту Tr, поэтому приближенная формула имеет вид:

Ступень подогревания свежего  заряда на впуске

Для четырехтактных дизелей без наддува ∆Т = 20-40 К. Стоит помнить, что ступень подогревания зависит от параметров и конструкции двигателя, но

преимущественное  влияние на его величину оказывает  частота оборотов КВ и поэтому  ступень подогрева можно определить по формуле: 

Коэффициент сопротивления впускной системы

Коэффициент учитывает снижение скорости свежего заряда после входа его в цилиндр и гидравлическое сопротивление впускной системы двигателя. Для дизелей рекомендуется применять Свп = 2,8.

Средняя скорость свежего  заряда в проходном  сечении впускного  клапана

Средняя скорость свежего заряда при полном открытии впускного клапана для автотракторных двигателей находится в пределах Wкл = 50 - 150 м/с. Необходимо иметь ввиду, что она для данного типа двигателя, в основном, зависит от частоты вращения КВ и может быть определена по приблизительной зависимости:

Средний показатель политропы  сжатия

Для автотракторных двигателей этот показатель изменяется в пределах

n1 = 1.36 -1.40. Величина его зависит от теплообмена между рабочим телом и

стенками цилиндра. При уменьшении теплообмена n1 необходимо брать ближе к верхней границе. Теплообмен снижается с увеличением частоты вращения коленчатого вала, при уменьшении относительной поверхности цилиндра и повышении температуры охлаждающей жидкости.

Я принимаю значение n₁ = 1,36.

Ступень повышения давления при сгорании

Ступень повышения  давления необходимо принимать только в случае теплового расчета дизеля. Она зависит от типа смесеобразования, формы камеры сгорания и изменяется в таких пределах:

- для однокамерных  с объемным смесеобразованием λ = 1,8 - 2,2. Я выбираю λ = 1.8 по заданию кафедры.

При выборе λ  необходимо учитывать, что увеличение его значения ведет к повышению  нагрузки на детали КШМ, что, в свою очередь, приводит к уменьшению надежности работы двигателя.

Коэффициент эффективного теплоиспользования

Это параметр, который  учитывает потери теплоты в процессе горения. Величина ξ изменяется на номинальном  режиме работы в пределах:

- для дизелей  ξ = 0,70 - 0,85.

Рекомендуется при увеличении частоты оборотов КВ, ступени сжатия, использования воздушной системы охлаждения принимать ξ ближе к верхнему значению. Я принимаю ξ = 0,76.

Средний показатель политропы  расширения

Этот показатель изменяется в пределах:

- для дизелей  n2 = 1,18 - 1,26.

Необходимо учитывать, что он зависит от интенсивности теплообмена между рабочим телом и стенками цилиндра. В тех случаях, когда

увеличивается длительность догорания смеси, то есть снижается коэффициент эффективного теплоиспользования, снижается относительный 

теплообмен, что  приводит к снижению показателя уровня политропы

расширения n2.

Коэффициент полноты индикаторной диаграммы

Для дизелей  φi = 0.92  -0.95, я принимаю значение φi  = 0,93.

2.2. Методика  теплового расчета двигателя

Целью теплового  расчета является определение параметров состояния рабочего тела в характерных точках рабочего цикла для построения индикаторной диаграммы и определения мощностно-экономических показателей двигателя.

2.2.1. Расчет процесса  впуска

Целью расчета  процесса впуска является определение  параметров рабочего тела в конце процесса впуска и оценка эффективности протекания самого процесса. Давление свежего заряда в конце процесса впуска pa, МПа, определяют по формуле:

  где ρ0 – плотность воздуха, кг/м³, которая определяется по формуле:

  ρ0= p0/(R·T0),

  p0 – давление окружающей среды, Па,

  T0 – температура воздуха, который поступает в двигатель, К

  R=287 Дж/(кг·К) – газовая постоянная воздуха. 

Для четырехтактных двигателей без наддува  pa = (0,8 - 0,95)·p0, МПа.

Коэффициент остаточных газов для дизелей:

где ε-ступень  сжатия. Определяется согласно заданию. Коэффициент остаточных газов для  дизелей γ = 0,03 - 0,06.

Температура свежего  заряда, К, в конце процесса впуска определяется по формуле:

Для двигателей без наддува Ta = 310 - 350 К.

Коэффициент наполнения определяется из выражения:

Для дизельных  двигателей ηv = 0,8-0,9.

Объем цилиндра в конце процесса впуска, л, определяется по формуле: 
Va=Vc+Vh=1,439,

где

где D - диаметр поршня, м, определяется в задании,

S - ход поршня, м, определяют по формуле:

S = D · (S / D);

S = 0,12.

S/D = 1-отношение хода поршня к диаметру цилиндра, определяется согласно заданию.

Vc - объем камеры сжатия, л, определяется по формуле:

Vc= Vh/(ε-1);

Vc =0,082.

2.2.2. Расчет процесса  сжатия

Целью расчета  процесса сжатия является определение  параметров рабочего

 тела в  конце процесса сжатия.

Давление рабочей  смеси в конце процесса сжатия, МПа, определяется по формуле:

Для дизелей  pc = 3,5 - 6,5 МПа.

Температура рабочего тела в конце процесса сжатия, К, определяют из выражения:

Для дизельных  двигателей Tc=700-900 К.

Средняя молярная изохорная теплоемкость смеси определяется как теплоемкость воздуха, кДж/(кг·К), из выражения:

 

tc  = Tc - 273;

tc = 620,6 °C.

2.2.3. Расчет материального  баланса рабочего цикла

Целью расчета  является определение количества компонентов  рабочего

тела на разных этапах протекания рабочего цикла двигателя. Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива, кмоль/кг, определяется из выражения для жидких топлив:

;

L0=0,495,

Где С, Н, О –  массовые части компонентов жидких топлив.

Количество свежего заряда, кмоль/кг, определяется:

-для дизелей 

; M1=0,843,

Где α - коэффициент избытка воздуха, величина которого задана.

Количество компонентов  продуктов сгорания, кмоль/кг, определяется:

-для жидких  топлив при α≥1:

• Диоксид углерода                     Mco2 = C/12 = 0,0725,
• Водяной пар                               MH2О = H/2 = 0,063,
• Кислород воздуха                     MO2 = 0,21·(α - 1)·L0  = 0,0748,
• Азот воздуха                               MN2 = 0,79·α·L0 = 0,67,

Суммарное количество продуктов сгорания, кмоль/кг, определяется по

формуле:

M2=ΣMi;