Тепловой расчет. Степень сжатия. Тепловой расчет двигателя

1.  Тепловой расчет.

1.1.  Степень сжатия.

Основные исходные данные для теплового расчета: номинальная эффективная мощность N_е = 285 кВт  при частоте вращения коленчатого вала  n_е = 3200 об/мин, двигатель-прототип  ЯМЗ-40.

Степень сжатия дизельного двигателя выбирают с учетом принятого типа смесеобразования и формы камеры сгорания. При этом ориентируются в основном на показатели двигателя-прототипа (). С повышением степени сжатия улучшаются пусковые качества дизеля, но увеличиваются нагрузки на детали двигателя.

Степень сжатия проектируемого двигателя принимаем равной .

Состав смеси.

Тепловой расчет двигателя выполняют для номинального режима работы. Дизельные двигатели работают на бедных смесях. Для номинального режима работы состав смеси можно принять = 1,4-1,5.

Для дизельного двигателя теоретически необходимое количество воздуха для сгорания одного килограмма дизельного топлива L₀=0, 500 кмоль.

Молекулярная масса дизельного топлива m_т=190 кг/кмоль.

1.3.Свежая смесь и продукты сгорания.

Количество свежей смеси, получающейся из 1кг топлива,

.

При полном сгорании дизельного топлива продуктами сгорания являются СО₂, Н₂О, О₂, N₂. Составляющие следующие,

;

;

;

.

Общее количество продуктов полного сгорания,

.

Химический коэффициент молекулярного изменения,

.

1.4. Процесс впуска.

Атмосферные условия: давление = 0,1 МПа, температура   = 288 ^оК  (15 ºС).

Давление в конце процесса впуска, 

, где  - потери давления на впуске.

Температура рабочего тела в цилиндре в конце впуска,

, где  - температура подогрева заряда на впуске;

- коэффициент остаточных газов; - температура остаточных газов.

Определяем коэффициент наполнения,

.

По опытным данным давление остаточных газов принимаем,

.

1.5.  Процесс сжатия.

Определяем давление  (р_с)  и температуру  (Т_с) в конце сжатия,

,

, где  - средний показатель политропы сжатия.

Полученные значения давления и температуры конца сжатия соответствуют показателям  современных двигателей.

1.6.  Процесс сгорания.

Уравнение сгорания для дизельных двигателей,

.

Подставляем известные и выбранные величины: = 42500 кДж/кг – низшая теплота сгорания дизельного топлива;  = 0,84 – коэффициент использования теплоты при сгорании (выбираем по опытным данным для дизельного двигателя);  = 2,0 – степень повышения давления при сгорании (выбираем).

Подсчитываем среднюю мольную теплоемкость рабочей смеси при постоянном объеме,

=.

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении,

.   

Остальные величины:  известны из предыдущих расчетов.

Подставляем все данные в уравнение сгорания:

После упрощений получаем квадратное уравнение,

.

Решаем уравнение (находим положительный корень) и получаем температуру в конце процесса сгорания,

.

Давление в конце сгорания,

.

Сравниваем полученные в результате расчета показатели с показателями современных двигателей и делаем заключение, что качество протекания процесса сгорания проектируемого двигателя хорошее.

1.7.  Процесс расширения.

Определяем степень предварительного расширения и степень последующего расширения,

,

.

Давление в цилиндре в конце процесса расширения,

= .

Температура рабочего тела в конце расширения,

, где  n₂ = 1,26 - средний показатель политропы расширения (выбираем).

Полученные в результате расчета параметры процесса расширения проектируемого двигателя свидетельствуют о нормальном протекании процесса.

1.8.Индикаторные показатели цикла.

Расчетное среднее индикаторное давление,

 =

.

Действительное среднее индикаторное давление, МПа,

 , где   0,95 – коэффициент полноты индикаторной диаграммы (принимаем по опытным данным).

Индикаторный коэффициент полезного действия,

 = .

где  l₀ - теоретически необходимое количество воздуха (кг) для сгорания одного килограмма топлива;

 - плотность заряда на впуске, где В=287 Дж/(кг*град) – удельная газовая постоянная.

Индикаторный удельный расход топлива, г/кВт×ч:

 = .

1.9. Эффективные показатели двигателя.

Для расчета эффективных показателей требуется сначала определить механические потери в двигателе. Величина этих потерь зависит в основном от средней скорости поршня. Средняя скорость поршня в значительной степени определяет износы основных деталей двигателя и его надежность. Средняя скорость поршня прототипа = 9,8м/с

Принимаем предварительно  = 10,7 м/с. Тогда среднее давление механических потерь,

.

Среднее эффективное давление, МПа,

.

Механический К.П.Д.,

.

Эффективный К.П.Д.,

.

Эффективный удельный расход топлива, г/кВт×ч:

 = .

Рабочий объем цилиндра,

 = , где   и  - мощность и частота вращения коленчатого вала на номинальном режиме работы двигателя ;  - коэффициент тактности;          i = 12 - число цилиндров двигателя.

Выбираем отношение хода поршня к диаметру цилиндра .

Диаметр цилиндра,

  = .

Принимаем  D=130 мм. 

Средняя скорость поршня на номинальном режиме, м/с,

.

Находим отклонение полученной скорости поршня от принятой скорости (11 м/с) при определении механических потерь,

.

Сходимость результатов хорошая (отклонение меньше 5%).

Окончательно подсчитываем основные показатели двигателя:  рабочий объем цилиндра,

;

литраж двигателя, дм³,

;

эффективная мощность,

 ;

округляем полученную мощность в большую сторону до целого числа