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

15 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

13602. Государство растит людей: прекрасное – хороших, противоположное – дурных 19.45 KB
  Государство растит людей: прекрасное хороших противоположное дурных Сократ Выбранное мною высказывание затрагивает проблему связанную с пониманием того как государственный строй политическая система связаны с воспитанием нравственных гражданских качеств....
13603. Прекращение юридического лица 158 KB
  В данной работе акцентируется внимание на прекращение юридического лица, а именно её реорганизацию и ликвидацию. Если человек умирает, то после его смерти, остаются о нем только воспоминания, и его смерть ни как не причиняет имущественного вреда посторонним лицам.
13604. Политология. «Государство растит людей: прекрасное - хороших, противоположное - дурных» 18.41 KB
  Политология. Государство растит людей: прекрасное хороших противоположное дурных. Сократ Тема выбранная мною раскрывает проблему того как государственные порядки устои влияют на формирование нравственных качеств. Человечество издревле волновал вопрос
13605. Лозунг истинной демократии - не «Пусть это сделает правительство», а «Дайте нам сделать это самим» 32.5 KB
  Лозунг истинной демократии не Пусть это сделает правительство а Дайте нам сделать это самим. Д. Эйзенхауэр Выбранное мною высказывание затрагивает вопрос о сущности демократии задачах демократического правления. Данная тема крайне актуальна в современном
13606. Деспотизм не может существовать в стране до тех пор, пока не уничтожена свобода прессы, подобно тому, как ночь не может наступить, пока солнце не зашло 34 KB
  Деспотизм не может существовать в стране до тех пор пока не уничтожена свобода прессы подобно тому как ночь не может наступить пока солнце не зашло. Ч. Колтон Выбранное мною высказывание роль и значение свободы печати как гарантию сохранения демократических поря...
13607. Истинное равенство граждан состоит в том, чтобы они все одинаково были подчинены законам 13.62 KB
  Истинное равенство граждан состоит в том чтобы они все одинаково были подчинены законам. Ж. Даламбер Выбранное мною высказывание связано с пониманием сущности и значимости равенства граждан перед законом. Данный вопрос представляется мне чрезвычайно значимым и акт...
13608. Лозунг демократии – не «Пусть это сделает государство», а «Дайте нам сделать это самим» 18.07 KB
  Лозунг демократии не Пусть это сделает государство а Дайте нам сделать это самим. Д. Эйзенххауэр Выбранное мною высказывание посвящено роли народа при демократическом режиме проблема политической деятельности и активности принятой в обществе и ее соотнесен...
13609. Швебель В. О будущем демократического общества не нужно узнавать по звездам, его можно прочесть на лицах избирателей 35.5 KB
  О будущем демократического общества не нужно узнавать по звездам его можно прочесть на лицах избирателей. В. Швебель Выбранное мною высказывание связано с проблемой роли избирателей в демократическом обществе. Данная тема крайне актуальна в современном мире а особ...
13610. Политика слишком серьезное дело, чтобы ей занимались одни политики 14.87 KB
  Политика слишком серьезное дело чтобы ей занимались одни политики. Шарль де Голль Выбранное мною высказывание посвящено вопросу о том кто и в какой мере должен заниматься политикой в стране: только ли это дело политиков или всех граждан в целом Данная проблема явля