82583

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Курсовая

Производство и промышленные технологии

Отношением площади поперечного сечения цилиндра к проходному сечению впускного клапана следует задаться из конструктивных соображений, имея в виду, что: для тихоходных двигателей при одном всасывающем клапане; для быстроходных двигателей при двух всасывающих клапанах.

Русский

2015-02-28

264.5 KB

7 чел.

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Основные исходные параметры 4-х тактного дизеля

Эффективная мощность       Ne  кВт=110

Номинальная частота вращения      n мин-1  =1500

Число цилиндров        z=6

Средняя скорость поршня       Сm  м/с

Степень сжатия         ε 14

Давление конца горения       Pz  Мпа 5.5

Отношение площади поршня к площади сечения клапана  F/f=5

Топливо дизельное со средним составом:     С86.3%; Н12.3% ; О1.1%

Низшая теплота сгорания топлива      Qн кДж/кг=42.654x10

Дополнительные исходные параметры

Давление окружающей среды      P0 = 1.015МН/м2

Температура окружающей среды      T0 = 297 К

Коэффициент избытка воздуха      α 1.9

Коэффициент использования теплоты     ξ 

Показатель политропы сжатия      n1 1.38

Показатель политропы расширения     n2 1.29

Механический КПД        ηm 0.8

Приращение температуры воздуха при нагреве горячими деталями  ΔT15  К

Температура остаточных газов      Tг К

Коэффициент остаточных газов      γг 2,45

Давление выпуска        Рr  МН/м2

Поправка на полноту диаграммы      φ 0,95

Необходимо также задаться значением среднего эффективного давления ре, величина которого для 4-х тактных дизелей без наддува находится в пределах 0,52÷0,65 МН/м2. В быстроходных двигателях ре, как правило, несколько выше, чем в тихоходных. Величина ре оказывает весьма существенное влияние на рабочий процесс двигателя, а поэтому к выбору ее значения следует подходить осторожно. Так, например, излишне высокое значение ре будет не оправдано, т.к. создать такое давление в реальном двигателе без помощи наддува будет невозможно. С другой стороны, при слишком малом ре для обеспечения проектной мощности двигателя (при заданном числе оборотов) потребуется увеличение линейных размеров двигателя.

1. Расчёт параметров наполнения рабочего цилиндра 

1.1. Определяем среднюю скорость воздуха во всасывающем клапане по формуле:

                     =50   ,    м/с. (1)    (где Сm = S n/30  м/с.- ср. скорость поршня.)

Отношением площади поперечного сечения цилиндра к проходному сечению впускного клапана следует задаться из конструктивных соображений, имея в виду, что:

 - для тихоходных двигателей при одном всасывающем клапане;

 - для быстроходных двигателей при двух всасывающих клапанах.

Правильный выбор отношения  оказывает существенное влияние на качество протекания процесса наполнения цилиндра свежим зарядом.

1.2. Температура воздуха в момент поступления в цилиндр:

Т0' = T0 + ΔТ583, К.     (2)

где ΔТ=15°— повышение температуры воздуха за счет нагревания о стенки всасывающего тракта.

Величину степени сжатия e следует принять по практическим соображениям, имея в виду, что с увеличением быстроходности двигателя ε несколько повышается.

Не рекомендуется выходить за пределы значения ε=13,0÷15,5.

1.3. Определяем температуру смеси свежего заряда с остаточными газами к моменту начала сжатия:

, К   (3)

=0,04

Для 4-х тактных дизелей Та =310° - 340° К, γr=0,03÷0,05.

1.4. Определяем абсолютное давление в цилиндре в начале сжатия по формуле

Ра = 98066 – KC22 =(98066-1/3x1/125.1)x10=0.07 , МН/м2     (4)

где  К=1,3 принимаем коэффициент, учитывающий гидравлическое сопротивление.

С2 — наибольшая скорость протекания воздуха при открытии клапана.

 =1,57x0,12x10=0,088  , м/с.     (5)

Давление ра должно находиться в пределах 0,085÷0,095 МН/м2.

1.5. Коэффициент наполнения:

 = 0,96     (6)

2. Расчёт параметров процесса сжатия

2.1. Определяем абсолютную температуру, в конце процесса сжатия:

=751,3, К     (7)

n1 =1,37

Для дизелей Тс = 750°÷850°, которой должно быть вполне достаточно для надёжного самовоспламенения топлива при всех режимах работы дизеля.

2.2. Определяем давление газа в конце процесса сжатия:

 =0,07x13=3,8 , МН/м2     (8)

Для дизелей рс = 3,2÷4,5 МН/м2.

3. Расчёт параметров процесса сгорания

3.1. Теоретически определяем необходимое количество молей воздуха для сгорания 1 кг топлива по формуле:

  =0,428, кмоль/кг    (9)

Задаваясь, значением коэффициента избытка воздуха, определяем действительное количество воздуха в молях, необходимое для сгорания 1 кг топлива заданного состава.

3.2. Действительное количество воздуха, необходимое для сгорания топлива:

= 0,81 , кмоль/кг    (10)

Значение коэффициента избытка воздуха находится в пределах α=1,9 С увеличением быстроходности, двигателя рекомендуется принимать меньшие значения α. Следует иметь в виду, что чрезмерное увеличение α ведет к увеличению объема цилиндра, а избыточный воздух, не участвуя в горении, - к излишним тепловым потерям.

3.3. Определяем количество молей смеси воздуха и остаточных газов в конце сжатия до момента начала горения:

 =0,84 , кмоль/кг    (11)

3.4. Количество молей в конце горения с учётом остаточных газов:

 =0,89 , кмоль/кг   (12)

3.5. Тогда действительный коэффициент молекулярного изменения:

=1,045       (13)

Значение β должно находиться в пределах 1,028÷1,045. Чем меньше коэффициент избытка воздуха, тем  большей величины достигает β.

3.6. Задаваясь значением давления газа в конце сгорания, определяем степень повышения давления:

=2,46       (14)

рz =5,5 МН/м2 

В данном случае целесообразно использовать технические параметры прототипа. Полученное значение λ не должно выходить за пределы

λ = 1,3÷2,0 — для тихоходных дизелей;

λ = 1,5÷2,5 — для быстроходных дизелей.

3.7. Находим среднюю молярную изохорную теплоёмкость сухого воздуха в конце сжатия:

Cv' = 19,3 + 0.0025 Тс  21,17 кДж/(кмоль·К)   (15)

3.8. Определяем количество двухатомных газов в продуктах сгорания 1 кг топлива в молях

m(R)=m(O2)+m(N2)=21,17     (16)

3.9. Определяем среднюю мольную изобарную теплоемкость смеси продуктов сгорания 1 кг топлива

=1,05 (17)

3.10. Пользуясь уравнением сгорания для дизелей, определяем абсолютную температуру газа в конце процесса сгорания

=0.85     (18)

Коэффициент использования тепла при сгорании ξ может быть принят в пределах значения:

ξ = 0,85 - 0,90 — для тихоходных дизелей;

ξ = 0,65 - 0,85 — для быстроходных дизелей.

После подстановки значений всех членов, входящих в уравнение сгорания (18), оно примет вид полного квадратного уравнения, при решении которого получится два корня, один из которых будет иметь oотрицательное значение. Этот корень следует опустить, т.к. совершенно очевидно, что температура Tz не может быть отрицательной.

Температура Тг находится в пределах 1750÷2200 K. Полученное значение максимальной температуры цикла должны соответствовать допустимым пределам.

3.11. Определяем коэффициент наполнения рабочего цилиндра

=0,79      (19)

Для четырехтактных дизелей ηн=0,75÷0,88, причем меньшие значения относятся к быстроходным двигателям.

3.12. Определяем коэффициент остаточных газов

 0.03      (20)

Коэффициент остаточных газов для четырехтактных дизелей обычно лежит в следующих пределах γr=0,03÷0,05.

В результате нескольких последовательных приближений получаем температуру сгорания  Tz=1950

4. Расчёт параметров процесса расширения

4.1. Определяем степень предварительного расширения:

1.38        (21)

4.2. Тогда степень последующего расширения δ может быть определена из соотношения для степени сжатия ε:

,        (22)

=8,9        (23)

4.3. Определяем абсолютную температуру газа в конце расширения

 1150 , К       (24)

Для дизелей Тв=900÷1200 К. Меньшие значения относятся к тихоходным дизелям, а большие – к быстроходным.

4.4. Определяем давление газа в конце процесса расширения

=1,29  , МН/м2      (25)

Значение показателя политропы расширения п2 находится в пределах 1,23÷1,32. Меньшие значения относятся к быстроходном двигателям.

Для дизелей рв=2,5÷4,5 МН/м2. Меньшие значения относятся к тихоходным двигателям, а большие - к быстроходным. Полученные значения параметров должны соответствовать допустимым пределам для двигателей данного типа.

5. Расчёт индикаторных и эффективных показателей цикла и его экономичности

5.1. Определяем среднее теоретическое индикаторное давление расчетного цикла по формуле:

=0,59 , МН/м2  (26)

φ=0,95

5.2. Таким образом, величина расчетного среднего индикаторного давления будет равна:

=0,66  , МН/м2     (27)

5.3. Определяем среднее эффективное давление расчетного цикла:

ре = ηm рi 0,44   , МН/м2     (28)

ηm =0,80

Полученные значения параметров должны соответствовать допустимым значениям для двигателей данного типа.

5.4. Индикаторный удельный расход топлива определяем по формуле:

 =0,140, кг/(кВт·ч)    (29)

5.5. Эффективный удельный расход топлива:

 =0,165  , кг/(кВт·ч)     (30)

Величина gе является основным показателем степени экономичности двигателя. Поэтому не трудно заметить, насколько важен правильный подход к выбору значения механического к.п.д.

Эффективный удельный расход топлива для дизелей с однокамерным  смесеобразованием находится в пределах 0,155÷0,235 кг/(кВт·ч), что должно соответствовать допустимым значениям для двигателей данного типа.

5.6. Определяем величину индикаторного КПД двигателя

0,40,      (31)

5.7. Определяем величину эффективного КПД двигателя:

ηе = ηi · ηm= 0,40, ,      (32)

Экономические показатели должны соответствовать показателям аналогичного дизеля и находится на уровне норм для двигателей данного класса. Для дизелей ηe =0,34÷0,42.

6. Расчёт основных размеров рабочего цилиндра

6.1. Определяем среднюю скорость поршня.

  7,5 , м/с     (33)

Для определения диаметра цилиндра в соответствии с требованиями ГОСТа, производим подсчет нескольких вариантов при постоянном значении ре. Подсчет удобно производить в табличной форме. Приведем конкретный цифровой пример. Предположим, что было принято ре = 0,54 МН/м2 и т - 1,45. В этом случае таблица вариантов может иметь следующий вид, где m=S/D.

Таблица 2

№ варианта

ре (МН/м2)

т

D (мм)

S (мм)

Ст (м/сек)

1

2

3

0,54

0,54

0,54

1,45

1,50

1,60

344

340

330

500

510

528

5,0

5,1

5,3

В соответствии с ГОСТ 4393-70 примем второй вариант, в котором диаметр цилиндра и ход поршня имеют округленные значения.

6.2. При средней скорости поршня Сm = 7,5    м/с ,

и при частоте вращения  n = 1500  мин-1, ход поршня:

 0,15 , м     (34)

6.3. Диаметр цилиндра определяют из формулы эффективной мощности, кВт:

,    (35)

откуда

  , м    (36)

В соответствии с ГОСТ 4393-70 принимаем D =  0,14       ≈ 0,15      м.

6.4. Погрешность вычисления диаметра составляет

                                   (DD0 / D) 100% = 2,3 %                                             (37)  

Полученные данные соответствуют прототипу двигателя: (указать марку).

II ЭТАП

7. Построение расчетной теоретической индикаторной диаграммы

7.1. Построение следует начинать с выбора масштабов давлений и объемов. Принимаем, что полный объем цилиндра будет равен :

Va = Vs + Vc = A   , мм     (38)

А=200 мм

1 МН/м2 = b мм. По указанным выше соображениям, при  МН/м2

b = 1 МН/м2 =26,92 мм.                                                                     7.2.     П Vа=200 мм масштаб ординат m = 1 МН/м2 = 25 мм. Поэтому высота диаграммы будет 100÷250 мм. Отношение длины диаграммы и ее высоты  должно соответствовать рекомендуемому значению.

7.3. Объем камеры сжатия определится из выражения

 =14,28  , мм     (39)

7.4. Так как степень сжатия ε =14     , то

   , мм     (40)

7.5. Тогда                =14,24 , мм     (41)

7.6. Для определения положения точки z необходимо воспользоваться соотношением , откуда мм. При степени предварительного расширения ρ =1,08     имеем:  4,7  , мм     (42)

7.7. Откладываем по оси абсцисс значения Vc, Vs, Vz.

0,1 МН/м2 =2,692

7.8. Ординаты величин Pa, Pc, Pz, Pb в масштабе следующие

Pa = 0,07 · 26,92 = 1,8 мм,

Pc = 2,35 · 26,92 = 63 мм,

Pz = 4,7 · 26,92 = 126 мм,

Pb = 0,189 · 26,92 = 5,08 мм.

7.9. Для построения политропы сжатия воспользуемся ее уравнением в виде

,     (43)

откуда    , МН/м2    (44)

Рекомендуется подставлять десять промежуточных значений V, разделив весь объем Vа на десять равных частей. В этом случае вычисление ординат р значительно упрощается. Придавая величине V различные значения в пределах от V =Vа  до V=Vc и умножая на масштаб b, получим ряд соответствующих ординат давлений, которые соединяем плавной кривой.

  1.  Принимаем промежуточные значения объёмов в таком порядке:

0,9 Va = 0,9 ·   мм,              0,4 Va = 0,4 ·   мм,

0,8 Va = 0,8 ·    мм,              0,3 Va = 0,3 ·   мм,

0,7 Va = 0,7 ·  мм,              0,2 Va = 0,2 ·   мм,

0,6 Va = 0,6 ·   мм,              0,15 Va = 0,15 ·   мм,

0,5 Va = 0,5 ·   мм,              0,1 Va = 0,1 ·   мм.

Наносим эти значения на ось абсцисс.

  1.  Определяем промежуточные значения Р' для каждой части объёма по уравнению:                 , мм      (45)

Таблица 3

Тогда при

мм

V = 0,5 Va

 

V = 1 Va

 

V = 0,4 Va

 

V = 0,9 Va

V = 0,3 Va

 

V = 0,8 Va

 

V = 0,2 Va

 

V = 0,7 Va

 

V = 0,15 Va

 

V = 0,6 Va

 

V = 0,1 Va

 

Отложив ординаты Р' вверх из соответствующих делений, находим точки, через которые проводим политропу сжатия.

  1.  Построение линии расширения производится аналогично. Из уравнения политропы расширения имеем

,      (46)

откуда      , МН/м2   (47)

Величине V следует придавать те же значения, что и в первом случае. Для построения политропы расширения принимаем промежуточные значения объёмов в таком чередовании:

  мм,                                 мм,                                  мм.

и далее:

0,3 Va;                         0,5 Va;                               0,7 Va;                        0,9 Va;

0,4 Va;                         0,6 Va;                               0,8 Va;                         1 Va .

  1.  Определяем промежуточные значения P'' для принятых частей объёма по уравнению:    

,    (48)

Таблица 4

Тогда при

мм

V = 0,5 Va

 

V = 1 Va

 

V = 0,4 Va

 

V = 0,9 Va

 

V = 0,3 Va

 

V = 0,8 Va

 

V = 0,21 Va

 

V = 0,7 Va

 

V = 0,16 Va

 

V = 0,6 Va

 

V = 0,132 Va

 

7.14.        По полученным ординатам строим кривую расширения.

  1.  Проверяем погрешность построения диаграммы. Перенеся диаграмму на миллиметровую бумагу планиметрируем площадь acz'zba диаграммы и, вычисляем площадь полезной работы: f =     мм2.
    1.  Определяем среднее индикаторное давление по формуле

                           , МН/м2                                                                                   (49)

7.17. Расхождение с вычисленным ранее значением среднего индикаторного давления  составит

  ,      (50)

Расхождение не должно выходить за пределы ±3%. Погрешность составляет:

Следовательно, построенную индикаторную диаграмму можно использовать для динамического расчёта данного двигателя.

Масштаб: Va=200 мм  1 МН/м2=26,92 мм                  (51)


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

56520. Я + Я = КОМАНДА 31 KB
  Мета: активізувати учасників групи підвищити їх емоційний настрій. Вправа Очікування Мета: виявити що чекають від заняття мобілізувати пізнавальні процеси. Вправа Правила групи...
56521. Тренінг «Моделі самоврядування» 189.5 KB
  Мета: прийняти правила для продуктивної роботи групи під час тренінгу. Хід вправи: Учасникам тренінгу пропонується назвати правила які на їхню думку потрібні для ефективної роботи під час тренінгу.
56522. TRICKY JOBS 58.5 KB
  Well, now I am sure that you can easily guess the subject of our today’s lesson. Yes, you are right; we are going to talk about jobs. If to be precise we are going to focus on tricky jobs.
56523. Тригонометричні підстановки в показникових рівняннях 151 KB
  Як література розвиває емоції взаєморозуміння так математика розвиває спостережливість уяву і розум. Представники кожної із чотирьох груп заздалегідь заготували на дошці запис...
56524. Решение простейших тригонометрических уравнений 782 KB
  Решить уравнение Решение. Решить уравнение Решение. Решить уравнение Решение. Ответ: уравнение не имеет решений Учащиеся уровня А заполняют карточки с подсказками.
56525. Урок по алгебре форме игры «Счастливый случай» 208.5 KB
  Тригонометрические функции числового аргумента. Тригонометрические функции двойного и половинного аргумента. Обратные тригонометрические функции их определения. Какие явления напоминает график синусоиды или косинусоиды Составление кроссвордов друг другу...
56526. Урок Тригонометричні функції числового аргументу 268 KB
  Мета уроку: повторити, систематизувати й узагальнити знання учнів з теми; розвивати логічне мислення, пізнавальну діяльність, вміння застосовувати властивості тригонометричних функцій до побудови графіків...
56527. Розв’язування тригонометричних рівнянь 2.9 MB
  Розглянемо такі тригонометричні рівняння. Рівняння які зводяться до квадратних відносно тригонометричної функції. Рівняння які розв’язуються за допомогою рівності однойменних тригонометричних функцій. Лінійні рівняння відносно синуса і косинуса.
56528. Тригонометричні функції гострого кута прямокутного трикутника 83 KB
  Мета: формування поняття тригонометричних функцій гострого кута прямокутного трикутника дослідницько-евристичним методом; розвивати уміння учнів узагальнювати результати досліджень, спостережливість, прийоми аналізу і синтезу...