Расчет двигателя. 2

Содержание.

Введение...........................................................................................................................................................................................................3

1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ Д-120….....................................................................................................4

     1.1 Параметры рабочего тела.........................................................................................................................................4

     1.2 Параметры окружающей среды и  остаточные газы..............................................................................5

     1.3 Процесс впуска...................................................................................................................................................................5

     1.4 Процесс сжатия................................................................................................................................................................6

     1.5 Процесс сгорания............................................................................................................................................................7

     1.6 Индикаторные параметры рабочего  цикла двигателя.......................................................................8

     1.7 Эффективные показатели двигателя..............................................................................................................9

     1.8 Основные размеры цилиндра и удельные параметры двигателя...............................................10

     1.9 Построение и расчет индикаторной  диаграммы.....................................................................................11

     1.10 Выводы..................................................................................................................................................................................14 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

\ 

     Введение

     Двигатели внутреннего сгорания относятся  к наиболее распространенным тепловым машинам.

     Двигатель внутреннего сгорания – тепловой поршневой двигатель, в котором топливо сжигается непосредственно внутри цилиндра. При этом химическая энергия топлива преобразуется в механическую работу.

     В настоящее время многие отечественные  и зарубежные ученые успешно разрабатывают вопросы теории двигателей внутреннего сгорания. Современные моторостроительные заводы, научно-исследовательские и учебные институты ведут работу по совершенствованию конструкции двигателей, улучшению удельных показателей и эксплуатационных качеств, по повышению моторесурса.

     При разработке конструкций дизелей, которые, обладая на момент начала производства современными показателями, в то же время были бы достаточно перспективными, то есть имели бы возможность для  дальнейшего форсирования, руководствовались следующими принципами: обеспечение высокой степени унификации между всеми моделями двигателей; применение непосредственного впрыска топлива; применение четырехтактного цикла; обеспечение высоких конструктивных, рабочих и эксплуатационных показателей.

     Применение  унифицированных двигателей позволит организовать специализированное производство и, как следствие этого, удешевить  и повысить качество дизелей; снизить  расход материалов; повысить производительность агрегатов вследствии единообразия в системе уходов и ремонта; упростить и удешевить эксплуатацию в результате сокращения номенклатуры деталей.

     В этом состоит главная задача конструкторов, проектирующих новые двигатели  или модернизирующих уже существующие модели. 
 
 
 
 
 
 

Тепловой  расчет тракторного дизеля Д-120. 

     В качестве исходных данных для теплового  расчета двигателя задаются следующие.

     Тип двигателя – четырехтактный, двухцилиндровый, однорядный, однокамерный дизель без наддува.

     Номинальная мощность дизеля N_сном=22 .кВт; номинальная частота вращения n_ном=2000 мин^-1; степень сжатия ε=16,5 ; коэффициент тактности τ_д=4 ; коэффициент избытка воздуха α=1,45. Дизельное топливо «Л» (ГОСТ 305-82); низшая удельная теплота сгорания топлива Q_н=42500 кДж/кг; средний элементный состав: C=0,857 ; H=0,133 ; O=0,01 .

     Расчет  ведем для условий сгорания 1 кг топлива. При выполнения расчета  задаемся рядом параметров с учетом пределов их изменения и значений, характерных для двигателя прототипа. 

Параметры рабочего тела. 

     Теоретическое необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:

      =1/0,23´(8/3´0,857+8´0,133-0,01)=14,519 кг

     Или

      14,519/28,96=0,501 кмоль

     Количество  свежего заряда:

      1,45´0,501=0,727 кмоль 
 

     Общее количество продуктов сгорания:

      =1,7´0,501+0,133/4+0,01/32=0,760 кмоль 

Параметры окружающей среды  и остаточные газы. 

     Принимаем атмосферные условия: p₀=0,1 МПа; T₀=288 К. Давление окружающей среды p_к=p₀=0,1 МПа. Температура окружающей среды T_к= Т₀=288 К.

     Давление  и температура остаточных газов: p_r=1,1´р₀=1,1´0,1=0,11МПа; Принимаем T_r=760 К. 

Процесс впуска. 

       Принимаем температуру подогрева  свежего заряда ∆Т=15град. Плотность заряда на впуске:

      0,1´10⁶/(287´288)=1,078 кг/м³

     где R_в=287 Дж/(кг град) – удельная газовая постоянная для воздуха.

     Принимаем

     (β²+ξ_вн) = 3,3 и ω_вп = 75 м/с.

     Тогда потери давления на впуске в двигатель:

      3,3´75²´1,078´10⁶/2=0,01001 МПа

     Давление  в конце впуска:

      0,1-0,01001=0,090 МПа 
 
 

     Коэффициент остаточных газов:

[(288+10)/760]´[0,08/(16,5´0,090-0,08)]=0,02533

     Температура в конце впуска:

      (288+10+0,02533´760)/(2+0,02533)=348 К

     Коэффициент наполнения:

      288(16,5´0,090-0,08)/[(288+10)´(16,5-12)´0,1]=0,866 

Процесс сжатия. 

     Принимаем n₁=1,39 .

     Тогда давление в конце сжатия:

      0,090´16,5^1,39=4,431 МПа

     Температура в конце сжатия:

      348´16,5^1,39-1=1040 К

     Средняя молярная теплоемкость заряда (воздуха) в конце сжатия без учета влияния  остаточных газов:

      ´1040=21,969кДж/(кмоль´град)

     Число молей остаточных газов:

      1,7´0,02533´0,501=0,018 кмоль

     Число молей в конце сжатия до сгорания:

      0,727+0,018=0,745 кмоль 
 

     Процесс сгорания. 

     Средняя молярная теплоемкость при постоянном давлении для продуктов сгорания жидкого топлива в дизеле:

(20,2+0,92/1,7)+

+(15,5+13,8/1,7)´10^-4´Т_Z+8,314=29,15+25,02´10^-4´Т_Z кДж/(кмоль´град)

     Число молей газов после сгорания:

      0,760+0,018=0,779 кмоль

     Расчетный коэффициент молекулярного изменения  рабочей смеси:

      0,779/0,745=1,045

     Принимаем коэффициент использования теплоты ξ=0,8 . Тогда количество теплоты, передаваемой газом на участке сz¢z при сгорании 1 кг топлива.:

      0,8´42500=36100 кДж

     Принимаем степень повышения давления λ=1,716. Температуру в конце сгорания определяем из уравнения:

     Температуру в конце сгорания определяют из уравнения:

      ;

     Решаем  уравнение относительно T_z:

     1,045´(29,15+25,02´10^-4´Т_Z)´T_Z=

     =0,8´42500/[1,7´0,501(1+0,02533)]+1040´(21,9692+8,314´1,716);

     0,003´Т_Z²+30,46´Т_Z-83296=0

     T_Z=(-30,46+Ö30,46²+4´0,003´83296)/(2´0,003)=2286 К

     Давление  в конце сгорания:

      =4,431´1,716=7,60 МПа 
 

     Степень предварительного расширения:

      =3,3´2286/(1,716´1040)=1,34 

Процесс расширения 

     Степень последующего расширения:

      16,5/1,34=12,32

     Принимаем n₂=1,25. Тогда:

      =7,60/12,32^1,25=0,33 МПа

      =2286/12,32^1,25-12=1220 К

     Проверим  правильность ранее принятой температуры остаточных газов (T_r принято 720К.):

      =1220/(0,33/0,08)^1/3=761 К

     D= =100´(760-761)/760=-0,1698%(допустимое значение D=5%) 

Индикаторные  параметры рабочего цикла двигателя. 

     Среднее индикаторное давление цикла для  нескругленной индикаторной диаграммы:

=4,431/(16,5-1)´[1,716´(1,34-

-1)+1,716´1,34/(1,25-1)´(1-1/12,32^1,25-1)-1/(1,39-1)´(1-1/16,5^1,39-1)]=0,904 МПа

     Принимаем коэффициент полноты индикаторной диаграммы ν=0,92 .

     Тогда среднее индикаторное давление цикла для скругленной индикаторной диаграммы:

      =0,904´0,92=0,832 МПа

     Индикаторный  К.П.Д.:

      =0,832´1,45´14,519/42500´1,078´0,866=0,441

     Индикаторный  удельный расход топлива:

      =3,6´10³/42500´0,463=182,988 г/(кВт´ч) 

Эффективные показатели двигателя. 

Принимаем предварительно среднюю скорость поршня W_п.ср.= 8,00м/с.  

Среднее давление механических потерь: p_м.р.=a+bW_п.ср=0,105+0,012´8,00= 0,201 МПа. 

     Среднее эффективное давление:

      0,832-0,201=0,631 МПа 

     Механический  К.П.Д.:

      =0,631/0,832=0,758

     Эффективный К.П.Д.: 

      =0,441´0,758=0,334 

     Эффективный удельный расход топлива:

      =3,6´10³/42500´0,334=224 г/(кВт´ч) 

Основные  размеры цилиндра и удельные параметры  двигателя. 

     Литраж  двигателя:

      (30´4´22)/(0,631´2000)=2,17 л.

     Рабочий объем цилиндра:

      2,09/2 = 1,047 л.

     Задаемся ρ=S/D= 1,143 Тогда диаметр цилиндра:

      100´Ö4´1,047/(3,14´1,143) = 108 мм.

     Ход поршня:

      108´1,143=123 мм.

     Площадь поршня:

      3,14´108²/4=9158 мм² =92 см²

     Средняя скорость поршня:

      123´2000/(3´10⁴)=8,00 м/с

     W_п.ср соответствует принятой при определении среднего давления механических потерь.

     Эффективный крутящий момент:

      9550´22/2000 = 105 Н´м

     Часовой расход топлива:

      22´224/1000 = 4,9кг/ч

     Литровая  мощность:

      22/2,09 = 10,5 кВт/л.

     Удельная  поршневая мощность:

       22´4/(2´3,14´1,10²) = 12,0 кВт/дм²

     Если  принять массу сухого (незаправленного) двигателя с вспомогательным  оборудованием по прототипу Д-120 G_сух= 264 кг, то литровая масса

       264/(1,047´2) = 126 кг/л.

     и удельная масса:

       264/22 = 12,00 кг/кВт.

     По  данным теплового расчета, можно  сделать вывод, что диаметр цилиндра, ход поршня и рабочий объем  получились большими, чем у прототипа  двигателя. Соответственно литровая мощность проектируемого дизеля меньше чем у прототипа, то есть двигатель получился менее форсированным. Литровая мощность для современных двигателей без надува составляет 12-15 кВт/л

     Построение  и расчет индикаторной диаграммы.

     Индикаторную  диаграмму поршневого двигателя  строят по результатам теплового расчета для номинального режима его работы аналитическим или графическим методом. Широко применяют аналитический метод, так как он дает более точные результаты.

     В соответствии с техническими данными  дизеля принимаем:

     N_{е ном} = 22 кВт; n_ном = 2000 мин^-1; e = 16,5; l = 1,716.

     В результате теплового расчета получены давления в характерных точках диаграммы: р_а = 0,090 МПа; р_r = 0,08МПа; р_с = 4,431 МПа; р_z = 7,60 МПа; р_b = 0,31 МПа; значения политроп сжатия и расширения: n₁ = 1,39; n₂ = 1,25; степень предварительного расширения r = 1,34; степень последующего расширения d = 12,32; среднее индикаторное давление по нескругленной индикаторной диаграмме р_i = 0,904МПа.