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

    1. Паливо і хімічні реакції
    2. Процес впуску
    3. Процес стискання
    4. Процес згоряння
    5. Процес розширення
    6. Індикаторні параметри робочого циклу
    7. Ефективні показники двигуна
    8. Основні розміри циліндра двигуна
    9. 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 Нр.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 Рк (змінюється в межах 0,12...0,22МПа). Приймаємо Рк = 0,2Мпа.

Температура за компресором  Тк 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:

;
Мпа, де
;

 Приймаємо 

; 
.

 

1.6. Індикаторні  параметри робочого циклу.

 

Для карбюраторних двигунів, що працюють за циклом підводу тепла  при сталому об’ємі, теоретичний  середній тиск:

;
Мпа.

Середній індикаторний тиск відрізняється від на коефіцієнт повноти діаграми:

;

=0,94...0,97. Приймаємо   = 0,95.


Мпа.

Індикаторна потужність:

,

де  - робочий об’єм одного циліндра (дм),

- кількість циліндрів,

- частота обертання колінчатого вала,

- тактність двигуна.

кВт.

Індикаторний ККД:

; 
,

де  = 44 МДж/кг.

При відомому значення індикаторного  ККД , індикаторна питома витрата рідкого палива:

;  
кг/(кВт год).

 

1.7. Ефективні  показники двигуна.

 

При визначенні ефективних показників механічні утрати, що характеризуються наступними співвідношеннями:

Для карбюраторних двигунів з кількістю циліндрів до 6 і відношенням ходу поршня до діаметру циліндра :

,

де  - середня швидкість поршня;  = 9...15. Приймаємо =12 м/с

.

 В розрахунках середній  ефективний тиск  визначається по середньому індикаторному тиску:

;  
.


Механічний ККД:

;  
.

Ефективна потужність може бути визначена за індикаторною потужністю через механічний ККД:

=55,89121 кВт;

  Ефективний ККД  двигуна:

; 
.

Питома ефективна витрата  рідкого палива:

;
кг/(кВт год);

 

1.8. Основні  розміри циліндрів двигуна.

 

За ефективною потужністю, частотою обертання колінчастого вала та ефективним тиском визначається літраж (л) двигуна:

;
  = 4,115873  (л).

Робочий об”єм одного циліндра, (л):

 

;
  0.68598 (л).

Примаємо відношення 0,8

 

Діаметр циліндра:

;
104 = 104мм.

Хід поршня:

; 
84 = 84мм;

Літраж двигуна:

;
  4,28 (л).

Ефективна потужність:

; 
114,4242 (кВт)

 


Годинна витрата палива (кг/год):

 

; 
15,01424 кг/год.

Середня швидкість поршня:

; 
12.1  м/с.

Похибка:

;
  1,111 %.

 

1.9. Побудова  індикаторної діаграми.

 

Індикаторна діаграма двигуна  внутрішнього згоряння будується з  використанням даних розрахунку робочого процесу. На початку побудови на осі абсцис відкладається відрізок АВ, що відповідає робочому обсягу циліндра Vh, а по величині рівній ходу поршня в масштабі Мs, відрізок ОА (мм), що відповідає обсягу камери згоряння Vc:

, Vc= ОА = 0,01.

Побудова політропи  стиску і розширення можна робити аналітичним методом. При цьому  обчислюється ряд точок для проміжних  обсягів, розташованих між  Vc і Vа та між Vz і Vb по рівнянню політропи РV n = соnst;.

Для політропи стиску:                ,

де  Рx і Vx – тиск  і об'єм у шуканій точці процесу стиску.

Аналогічно для політропи  розширення:   

  Для карбюраторних  двигунів відношення Vd/ Vx змінюється в інтервалі (1- ε ). При аналітичному методі побудови діаграми визначення ординат розрахункових точок політроп стиску і розширення зручно робити в табличній формі.

 По індикаторній діаграмі для перевірки теплового розрахунку і правильності побудови діаграми визначаємо


,

де F - площа діаграми.

Робочий об'єм циліндра

  

Vh

317,5521854

см3

80,76923

1

1

Ступінь стиску

  

e

8,5

        

Oб'єм камери  згорання

  

Vc

42,34029139

см3

10,76923

0,133333

0,133333

Хід поршня

    

S

90

мм

70

мм

  

Змінний об"єм

  

Vз

275,211894

    

0,866667

0,866667

k1=

      

3,931598486

    

0,086667

27,52119

                 
                 
                 
   

0

0

0

        

0

0

0,133333

10,7692308

42,34029139

0,064553

0,083883

    

1

0,1

0,22

17,7692308

69,86148079

0,127554

0,155303

    

2

0,2

0,306667

24,7692308

97,3826702

0,200386

0,233668

    

3

0,3

0,393333

31,7692308

124,9038596

0,281109

0,317363

    

4

0,4

0,48

38,7692308

152,425049

0,368543

0,40544

    

5

0,5

0,566667

45,7692308

179,9462384

0,461876

0,497271

    

6

0,6

0,653333

52,7692308

207,4674278

0,56051

0,592401

    

7

0,7

0,74

59,7692308

234,9886172

0,66398

0,690486

    

8

0,8

0,826667

66,7692308

262,5098066

0,771915

0,791255

    

9

0,9

0,913333

73,7692308

290,030996

0,884007

0,894487

    

10

1

1

80,7692308

317,5521854

1

1

    
                 

Тиск в кінці  впуска

  

0,08533305

МПа

        

Тиск в кінці  стиска

  

1,56720931

МПа

        

Тиск в кінці  згорання

  

6,35955979

МПа

        
       

Pстиск

Pстиск1

Pрозш

    

0

0

0

0

0

0

0

    
                 

0,133333

7,5

15,49114

11,9213477

1,321906028

1,567209

6,35956

0,101168

  

0,22

4,545455

7,839803

6,43902487

0,668994302

0,793138

3,434961

0,101168

  

0,306667

3,26087

4,990378

4,27956982

0,42584419

0,504867

2,282978

0,101168

  

0,393333

2,542373

3,55734

3,15097004

0,30355867

0,359889

1,680916

0,101168

  

0,48

2,083333

2,713388

2,46645546

0,231541681

0,274508

1,315755

0,101168

  

0,566667

1,764706

2,165082

2,01097638

0,184753059

0,219037

1,072775

0,101168

  

0,653333

1,530612

1,78409

1,6880456

0,152241801

0,180493

0,900504

0,101168

  

0,74

1,351351

1,506069

1,44825483

0,128517458

0,152366

0,772586

0,101168

  

0,826667

1,209677

1,29548

1,2638152

0,110547235

0,131061

0,674195

0,101168

  

0,913333

1,094891

1,131212

1,11795919

0,0965298

0,114443

0,596386

0,101168

  

0,999999

1,000001

1,000001

1,00000123

0,085333165

0,101168

0,53346

0,101168

  
       

МПа

МПа

МПа

    

 


Індикаторна  діаграма  двигуна

 

ЛІТЕРАТУРА

  1. www/decort.kiev.ua/article.htm
  2. Автомобільні двигуни/ І.І. Тимченко, Ю.Ф. Гутаревич, К.Є. Долгунов, М.Р. Муждобаєв; за ред. І.І. Тимченка. – Х.: Основа, 1995. – 464с.
  3. Теорія теплових двигунів: Конспект лекцій./ О.В. Кулініч. – К.: НАУ. 2005 – 92с.
  4. Теорія та конструкція теплових двигунів/ О.В. Кулініч, А.А. Воробйов, А.В. Гончаренко. – К.: НАУ, 2002. – 72с.
  5. Теорія двигунів внутрішнього згоряння. Методичні вказівки по курсовому проектуванню / І.Ф. Скопенко, В.І Салій. – К.: КІІЦА, 1993. – 43с.
  6. Конструкція поршневих двигунів/ І.Ф. Скопенко. – К: КІІЦА, 1979. – 72 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Теорія теплових двигунів