Теорія теплових двигунів

 

 

 

 

 

кОНТРОЛЬНА робота

з дисципліни: “Теорія теплових двигунів”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Завдання

на виконання розрахункової  роботи (проекту) з дисципліни: “Автомобільні двигуни”

Тема розрахункової  роботи (проекту):  тепловий розрахунок двигуна внутрішнього згорання з параметрами:

Потужність  –  60 кВт

Паливо      –   бензин

Ступінь стиску   –  8,5

Частота обертання колінчатого  валу   –  3150 об/хв

 

Зміст

ТЕПЛОВИЙ РОЗРАХУНОК ДВИГУНА НА ЕОМ 1. Робочі процеси і характеристики двигуна Паливо і хімічні реакції Процес впуску Процес стискання Процес згоряння Процес розширення Індикаторні параметри робочого циклу Ефективні показники двигуна Основні розміри циліндра двигуна Побудова індикаторної діаграми 2.            Література

3 5 5 7 10 10 11 11 12 13 14 17

 

 

ТЕПЛОВИЙ РОЗРАХУНОК ДВИГУНА НА ЕОМ

 

Початкові дані двигуна			Потужність	60	кВт	Число циліндрів
			Частота	3150	хв-1	i=	4
Характеристика  палива
Масова частка вуглецю			С	0,855	кг/кг
Масова частка водню			Н	0,145	кг/кг	Молярна маса палива
Масова частка кисню			О	0	кг/кг	mт=	116
Характеристика  навколишнього середовища
Температура			То	288	К
Тиск			Ро	0,101325	МПа
Вибір величин для теплового розрахунку
Ступінь стиску			e	8,5
Коефіцієнт надлишку повітря			a	0,9
Підвищення температури				5	о
заряду в період впуску
Розрахунок  процесу випуску
Коефіцієнт пропорційності			y	1,1
Тиск в кінці  випуску			Pr	0,1114575	МПа
Температура в  кінці випуску			Tr	700	К
Вибір деяких показників і коефіцієнтів
Показник політропи стиску			n1	1,36
Показник політропи  розширення			n2	1,23
Коефіцієнт використання теплоти			x	0,9
Ступінь підвищ тиску за згорання			l	4,057887954
Коеф скруглення діаграми			f	0,95
Відношен. ходу до діаметра циліндра			s/d	0,9
Розрахунок  кількості повітря, свіжого заряду і продуктів згорання
Кількість повітря, необхідна			Lo	0,511904762	кмоль/кг
для згорання 1 кг палива			lo	14,95652174	кг/кг
Кількість свіжого  заряду			M1	0,469334975	кмоль/кг
Кількість продуктів  згорання			M2	0,507714286	кмоль/кг
Розрахунок  процесу впуску
Сумарний коефіцієнт			b+x	2,6
Середня швидкість  руху заряду			w	100	м/с
Газова стала  повітря			Rв	286	Дж/(кг К)
Густина заряду			r	1,230150058	кг/м3
Тиск в кінці  впуску			Pa	0,085333049	МПа
Коефіцієнт залишкових газів			g	0,07599763
Температура в  кінці впуску			Ta	321,7463788	К
Коефіцієнт наповнення			h	0,794009722
Розрахунок  процесу стиску
Тиск в кінці  стиску			Pc	1,567209313	МПа
Температура в  кінці стиску			Tc	695,1915441	К

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Розрахунок  процесу згорання
Низча теплота  згорання			hн	44	МДж/кг
Невикористана теплота згорання			Dhа	6,142857143	МДж/кг
Активна теплота  згорання			hа	37,85714286	МДж/кг
Коефіцієнт молекулярної зміни			mo	1,081773813
Коефіцієнт молекулярної зміни			m	1,075998135	Dhа	6,142857
Внутрішня енергія  заряду за стиску			Uc	10,77017169	Мдж/кмоль	44
Внутрішня енергія  при згоранні			Uz	72,71193216	Мдж/кмоль	37,85714
Температура кінця  згорання			tz	2348,760486	K
Температура кінця згорання			Tz	2621,760486	К
Тиск в кінці  згорання			pz	6,359559792	МПа
Ступінь попереднього розширення			r	1
Ступінь подальшого розширення			d	8,5
Ступінь підвищення тиску			l	4,057887954
Розрахунок  процесу розширення
Тиск в кінці  розширення			Pb	0,457342726	МПа
Температура в  кінці розширення			Tb	1602,605618	К
Індикаторні показники двигуна
Середній індикаторний тиск циклу
	розрахункового		Pi роз	1,121321662	МПа
	дійсного		Pi	1,065255579	МПа
Індікаторна потужність			Ni	74,03987451	кВт
Індикаторний  ККД			hi	0,333649398
Питома індикаторна  витрата палива			gi	0,245222027	кг/(кВт год)
Ефективні показники двигуна
Експериментальні  коефіцієнти			a	0,04
			b	0,0135
Середня швидкість  поршня			c	12	м/с
Середній тиск механічних втрат			Pm	0,202	МПа
Середній ефективний тиск			Pe	0,863255579	МПа
Механічний ККД			hm	0,810374145
Ефективна потужність			Ne	60	кВт
Ефективний ККД			he	0,270380846
Питома витрата  палива			ge	0,302603469	кг/(кВт год)
Розрахунок основних розмірів двигуна
Літрова потужність			Nл	22,66045895	кВт/л
Робочий об'єм двигуна			Vл	2,647783972	л
Робочий об'єм циліндра			Vh	661,9459929	см3	Приймаєм
Діаметр циліндра			D	98	мм	76	мм
Хід поршня			S	90	мм	70	мм
			lш	0,25
Радіус кривошипа			R	45	мм	35	мм
Довжина шатуна			lш	180	мм
Перерахунок потужності двигуна
Робочий об'єм циліндра			Vh	317,5521854	см3
Робочий об'єм двигуна			Vл	1,270208742	л
Потужність двигуна			Ne	28,78351305	кВт
Годинна витрата  палива			Gт	8,709990899	кг/год
Середня швидкість  поршня			Vп.ср.	7,35
Похибка			%	38,75	%
Визначення  сил інерції в КШМ
Маса поршня і шатуна			mп	100	кг/м2	mш	150	кг/м2
Складова сил  інерції мас, що
рухаються поступально			K	0,69093766	МПа
Сила інерції мас, що обертаються			Pjo	0,531960853	МПа

 
РОБОЧІ ПРОЦЕСИ ТА ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГУНА

1.1. Паливо  та хімічні реакції

 

Для бензинових палив с достатньою точністю можна прийняти наступний  ваговий склад:

С=0,8555; Н=0,145.

Для повного згоряння палива необхідно конкретна кількість повітря, яка називається теоретично необхідним та визначається за елементарним складом палива:

,   або  ,

де  - теоретично необхідна кількість повітря (в кг) для згоряння 1 кг палива;

- теоретично необхідна кількість  повітря (в моль) для згоряння 1 кг палива.

0,232 – масовий вміст кисню  в 1 кг повітрі;

0,208 – об’ємний вміст кисню  в 1 моль повітря.

кг

кмоль/кг

Відношення дійсної  кількості повітря  , яке приймає участь у згорянні 1 кг палива, до теоретично необхідній кількості повітря є коефіцієнт НАДЛИШКУ кисню

(для бензинових двигунів)

Приймаємо =0,9

Кількість горючої суміші:

,

 

де  - молекулярна маса парів палива (для бензину =110...120 кг/моль)

Приймаємо = 115 кг/моль.

кмоль/кг

Кількість окремих компонентів  продуктів неповного згоряння палива ( <1)

- вуглекислого газу (СО₂/кг палива)

;  = 0,0492

- окису вуглецю (кмоль  СО/кг палива)

;  ;

- водяної пари (кмоль  Н₂О/кг палива)

;   ;

- водню (кмоль Н₂/кг палива)

;   =0,01;

- азоту (кмоль N₂/кг палива)

;   ;

де К=0,45...05. Приймаємо К=0,46

Загальна кількість продуктів  неповного згоряння палива (кмоль  на кг палива):

Зміна кількостей молів робочого тіла при згорянні визначається як різниця кількості пальної суміші і загальної кількості продуктів  повного чи неповного згоряння палива (кмоль/кг палива)

;    .

  Відносна зміна  обсягу при згорянні характеризується  величиною хімічного коефіцієнту  молекулярної зміни палючої суміші  , що являє собою відношення кількості молів продуктів згоряння до кількості молів палючої суміші.

;  .

Зміна об’єму при згорянні робочої суміші враховує дійсний  коефіцієнт молекулярної зміни робочої  суміші, що являє собою відношення загальної кількості молей газів у циліндрі після згоряння до числа молів до згоряння:

;

де  - коефіцієнт залишкових газів при повному навантаженні.

Для бензину: =0,03...0,096. Приймаємо =0,057012

При визначенні теплоти згоряння паливно-повітряної суміші Н_р.сум необхідно враховувати, що в процесі згоряння бере участь не пальна суміш, а робоча суміш і залишкові гази.

Якщо  , то

;  = ,

де  - нижча теплота згоряння палива. =44 МДж/кг – для бензину.

= - витрата тепла при неповному згорянні палива. =6,14.

 

1.2. Процес  впуску.

 

P₀ = 0,101325 Мпа;  Т₀ = 288К

Значним резервом підвищення потужності двигуна є застосування примусового наддуву робочої  суміші за допомогою турбокомпенсаторів.

Тиск наддувного повітря Р_к (змінюється в межах 0,12...0,22МПа). Приймаємо Р_к = 0,2Мпа.

Температура за компресором  Т_к визначається:

,

де  - показник політропи стиску повітря в компресорі ( =1,4...2). Приймаємо =1,7.

У циліндрі двигуна перед  початком впуску завжди міститься деяка  кількість залишкових газів, тиск яких визначається:

         = 0,111458Мпа.

Температура залишкових газів лежить у межах:

- для карбюраторних  двигунів:   

Приймаємо 900К.

Тиск наприкінці впуску - основний фактор, що визначає кількість робочого тіла, що надходить у циліндр двигуна.

,    Мпа,

де  - втрати тиску за рахунок опору впускної системи і згасання швидкості руху заряду в циліндрі можна визначити з рівняння:

,

де  - вираз, що враховує згасання швидкості руху заряду й опір впускної системи.

Приймаємо ;

= 50...130 м/с – середня швидкість  руху заряду в найменшому перетині  впускного колектору.

Приймаємо =70м/с;

- щільність заряду на впуску. кг/м³,

де  = 286 Дж/кг град - - газова стала для повітря.

Коефіцієнт залишкових газів  характеризує якість очищення циліндра від продуктів згоряння:

,

,

де  - підвищена температура заряду.

Приймаємо .

Температура наприкінці стиску:

.

Найбільш важливою величиною, що характеризує процес впуску є коефіцієнт наповнення:

=0,882018,

де  - дійсна кількість свіжого заряду;

- теоретично можлива кількість  свіжого заряду, що може вміститися в робочому обсязі циліндра;

 - підігрів заряду від стінок  впускного колектора.

 

1.3. Процес  стискання.

 

; Мпа.

; =1,335 1,415

Приймаємо = 1,36;

.

1.4. Процес  згоряння.

 

Ціллю розрахунку процесу  згоряння є визначення температури і тиску в кінці видимого згоряння.

Для двигунів, працюючих  за циклом з підводом тепла при V=const, рівняння згоряння має вигляд:

,

де  - середня мольна теплоємність робочої суміші в кінці процесу стиску;

- середня мольна теплоємність  продуктів згоряння.

. Приймаємо  .

= ;

= ,

де 

= ,

.

Приймаємо  за таблицею 2 =27,7.

=

=

[0.0492(39.1+0.034 )+0.0221(22.49+0.0014 )+0.0623(26.67+0.004 )+

+0.01(23.72+0.0016

)+0.348(21.95+0.0015 )]=24.32+0.002 .

^;

65763+10571=25,8

+0,0021 ;

0,0021

+25,8 -76334=0;

=

.

МПа.

Ступінь підвищення тиску:

.

 

1.5. Процес  розширення.

 

Для двигунів, працюючих  по циклах з підводом теплоти при  сталому об’ємі: