Расчёт двигателя внутреннего сгорания. Расчет внешней скоростной характеристики дизеля. Кинематика кривошипно-шатунного механизма

работе дизеля на номинальном режиме можно с достаточной степенью точности принять показатель политропы сжатия приблизительно равным показателю адиабаты, который определяется по номограмме (рисунок 25)[1]:

при ε = 16,5 и Т= 378 К

k₁ =1,363, а n₁ =1,363.

Давление и температура в конце сжатия

, МПа                                            (1.10)

, МПа 

, К                                              (1.11)

, К

, ºС                                             (1.12)

, ºС

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия, кДж/(кмоль· К):

Воздуха:

                                     (1.13)

, кДж/(кмоль· К)

Остаточных газов:

Определяется по таблице 8 методом интерполяции для дизеля с наддувом при =1,7 и t_c = 773 °С

, кДж/(кмоль· К)

Рабочей смеси:

                                  (1.14)

, кДж/(кмоль· К)

Процесс сгорания

Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси в дизелях:

                                                  (1.15)

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси в дизелях:

                                                (1.16)

Теплота сгорания рабочей смеси в дизелях:

                                          (1.17)

, кДж/кмоль раб. смеси

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания в дизелях:

   (1.18)

                                           (1.19)

Температура в конце видимого процесса сгорания

                (1.20)

где ξ – коэффициент использования теплоты, ξ = 0,86

λ – степень повышения давления, λ = 1,5

 или

,°С

, К

Максимальное давление сгорания для дизелей, МПа.

                                                 (1.21)

, МПа.

Степень предварительного расширения для дизелей:

                                                 (1.22)

Процесс расширения.

Степень последующего расширения

                                                   (1.23)

Средние показатели адиабаты и политропы расширения для дизелей выбираются следующим образом. На номинальном режиме можно принять показатель политропы расширения с учетом достаточно больших размеров цилиндра, несколько меньше показателя адиабаты расширения, который определяется по номограмме (рис. 30)[1] для дизелей:

при δ=11,3; Т_z,= 2216,3 К и α = 1,7

k₂= 1,2788, а n₂ = 1,268.

давление и температура в конце расширения для дизелей:

                                                   (1.24)

, МПа

                                                   (1.25)

, К

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов для дизелей:

                                                       (1.26)

 что допустимо.

Индикаторные параметры рабочего цикла.

Теоретическое среднее индикаторное давление, МПа

                 (1.27)

, МПа

Среднее индикаторное давление для дизелей, МПа

                                                 (1.28)

где φ_и – коэффициент полноты диаграммы, φ_и = 0,95

, МПа.

Индикаторный к.п.д. для дизелей

                                                (1.29)

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

                                                  (1.30)

, г/(кВт·ч)

Эффективные показатели двигателя.

Среднее давление механических потерь, МПа:

                                      (1.31)

где v_п.ср – средняя скорость поршня предварительно принимается для тракторных двигателей в пределах 5,5 – 10,5, v_п.ср = 6,9 м/с

, МПа

Среднее эффективное давление и механический к.п.д. для дизелей:

, МПа                                           (1.32)

, МПа

                                                   (1.33)

Эффективный к.п.д. и эффективный удельный расход топлива для дизелей:

                                                    (1.34)

, г/(кВт ч)                                         (1.35)

, г/(кВт·ч)

Основные параметры цилиндра и двигателя.

Литраж двигателя, л:

                                                  (1.36)

, л.

Рабочий объем цилиндра, л:

                                                    (1.37)

, л.

Принимаем S/D = 1

Определяем диаметр цилиндра, мм:

                                               (1.38)

, мм.

Принимаем D = S = 115 мм

По окончательно принятым значениям D и S определяются основные параметры и показатели двигателя:

,л                                               (1.39)

, л

,мм²                                             (1.40)

мм² = 113,81см²

, м/с                                           (1.41)

, м/с что достаточно близко (ошибка <2%) к ранее принятому значению           v_n.ср = 6,9 м/с;

, кВт                                             (1.42)

, кВт

, Н·м                                         (1.43)

, Н·м

, кг/ч                                               (1.44)

, кг/ч

, кВт/дм³                                                                     (1.45)

, кВт/дм³

Построение индикаторной диаграммы дизеля с наддувом.

Масштабы диаграммы (рисунок 1):

масштаб хода поршня М_S  =  1,0 мм в мм;

масштаб давлений М_P = 0,08 МПа в мм.

Приведенные величины рабочего объема цилиндра и объема камеры сгорания соответственно:

АВ= S/М_S= 115/1,0 = 115 мм;                                (1.46)

ОА = АВ/( ε – 1) = 115/(16,5 – 1) =7,5 мм.                     (1.47)

Максимальная высота диаграммы (точки z’ и z) и положение точки z по оси абсцисс

, мм                                      (1.48)

, мм                              (1.49)

Ординаты характерных точек:

,мм                                            (1.50)

,мм                                          (1.51)

,мм                                         (1.52)

,мм                                           (1.53)

,мм                                         (1.54)

,мм                                         (1.55)

Построение политроп сжатия и расширения проводится графическим методом а) для луча ОС принимаем угол α = 15°;

б);

в) используя лучи 0D и ОС, строим политропу сжатия, начиная с точки с.

г) ,

д) используя лучи ОЕ и ОС, строим политропу расширения, начиная с точки z .

Теоретическое среднее индикаторное давление

, МПа                                       (1.56)

где F^/ - площадь диаграммы асz’zbа.

что очень близко к величине Р =1,339 МПа, полученной в тепловом расчете.

Скругление индикаторной диаграммы.

Ориентировочно устанавливаются следующие фазы газораспределения:

впуск - начало (точка r‘) за 25° до в.м.т. и окончание (точка а”) - 60° после н.м.т.;

выпуск - начало (точка b’) за 60° до н.м.т. и окончание (точка а’) - 25° после в.м.т.

угол опережения впрыска 20° (точка с’) и продолжительность периода задержки воспламенения ∆φ₁ = 8° (точка f).

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения впрыска определяется положение точек b’, r’, a’, а”, с’ и f по формуле для перемещения поршня:

АХ=(АВ/2)[(1 - соsφ) + (λ/4)(1 – соs2φ)], мм                     (1.57)

где λ - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, ориентировочно  устанавливаем λ = 0,270.

Результаты расчета ординат точек b’, r’, a’, а”, с’ и f приведены в таблице 1.

Таблица 1

Положение точки с” определяют из выражения

р_С″ =(1,15…1,25) р_С , МПа                                  (1.58)

р_С″ =1,15 · 7,715 =8,879 МПа

 мм                                           (1.59)

2 Тепловой баланс

Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом, Дж/с:

                                                (2.1)

, Дж/с

Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1с, для дизелей, Дж/с:

                                               (2.2)

, Дж/с

Теплота, передаваемая охлаждающей среде, для дизелей, Дж/с:

                                        (2.3)

где С - коэффициент пропорциональности (для четырехтактных двигателей С= 0,45 + 0,53), С=0,5;

m - показатель степени (для четырехтактных двигателей m = 0,б-О,7), m=0,66

 Дж/с

                              (2.4)

где =кДж/(кмоль·К)

=23,322 кДж/(кмоль·К) – определено по таблице 8[1], при α=1,7 и t_r =T_r – 273=518,2ºC

= кДж/(кмоль·К)

=23,322 кДж/(кмоль·К) – определено по таблице 5[1], графа “воздух” при t_к =T_к – 273=518,2ºC

Дж/с

Неучтенные потери теплоты

                                    (2.5)

, Дж/с.

Составляющие теплового баланса представлены в таблице 2.

Таблица 2

3 Расчет внешней скоростной характеристики дизеля.

На. основании теплового расчета, проведенного для режима номинальной мощности, получены следующие параметры, необходимые для расчета и построения внешней скоростной характеристики дизеля: Все расчетные данные заносятся в таблицу 3

Таблица 3

Мощность в расчетных точках, кВт:

                           (3.1)

Эффективный крутящий момент, Н м

                                          (3.2)

Среднее эффективное давление, МПа

                                              (3.3)

Средняя скорость поршня, м/с

                                               (3.4)

Среднее давление механических потерь, МПа

                                       (3.5)

Среднее индикаторное давление, МПа

                                               (3.6)

Индикаторный крутящий момент, Н м

                                             (3.7)

Удельный эффективный расход топлива для дизелей, г/(кВт ч)

                                (3.8)

Часовой расход топлива, кг/ч

                                               (3.9)

Коэффициент избытка воздуха. Принимаем для дизелей:

                                             (3.10)

Соединяя точки α_{n min} и α_N прямой линией, получим значения α_x для всех