Тепловой расчет Двигатели внутреннего сгорания

 

Содержание 

    Теория ………………………………………………………………..…..…2 

    Постановка  задачи……………………………………………….…………5

    Решение задачи………………………………………………………...…...6

    Исходные  данные для расчета в программе  Термодинамика…….….......8

    Результаты  расчета………………………………………………….……...9

    Графические зависимости……………………………………….….……10

    Заключение……………………………………………………….…….…13

    Список  используемой литературы……………………………….……...14 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Теория

    Двигатели внутреннего сгорания

    В настоящее   время   существует   большое   количество  устройств, использующих тепловое расширение газов.  К таким устройствам относится карбюраторный двигатель, дизели, турбореактивные двигатели и т.д. тепловые двигатели могут быть разделены на две основные группы. 

  1. Двигатели  с  внешним сгоранием - паровые машины,  паровые турбины, двигатели Стирлинга и   т.д. 
  2. Двигатели  внутреннего  сгорания

    В  качестве энергетических установок  автомобилей наибольшее распространение  получили двигатели  внутреннего  сгорания,  в которых процесс  сгорания топлива с выделением теплоты и превращением ее в  механическую  работу происходит  непосредственно  в  цилиндрах.  На большинстве современных автомобилей установлены двигатели внутреннего сгорания. Наиболее экономичными    являются поршневые   и   комбинированные двигатели внутреннего сгорания. Они  имеют  достаточно  большой  срок службы,  сравнительно  небольшие габаритные размеры и массу.  Основным недостатком этих двигателей следует  считать  возвратно-поступательное движение поршня,  связанное  с  наличием  кривошипно-шатунного  механизма, усложняющего  конструкцию  и  ограничивающего  возможность   повышения частоты вращения, особенно при значительных размерах двигателя.

    Влияние подогрева воздуха  на работу двигателя  внутреннего сгорания

    Тепловой  баланс процесса сгорания 1 кг топлива в условиях полного сгорания и использования всего тепла для нагрева продуктов сгорания определяется уравнением:

    

    Где,

     - низшая  теплота сгорания топлива, ккал/(кг град)

         - средняя теплоёмкость топлива от 0 до , ккал/(кг град)

         - объем воздуха, поступающий для сжигания 1 кг топлива, кг

         - температура поступающего воздуха

     - суммарный  объём неразбавленных воздухом  продуктов сгорания 1 кг топлива,  кг

    Спр.сг. - средневзвешенная теплоёмкость неразбавленных воздухом продуктов сгорания, ккал/(кг град)

    VBизб  - объём избыточного воздуха, содержащегося в продуктах сгорания, кг

    СBизб - средняя теплоёмкость избыточного воздуха от 0 до tкал, ккал/(кг град)

    tкал - калориметрическая температура горения.  

    В соответствии с уравнением теплового баланса калориметрическую температуру горения можно определить по формуле:

    

    Температуру нагрева воздуха ( ), необходимую для достижения заданной калориметрической температуры горения, можно установить по формуле: 

    

    Из  формулы видно, что при повышении  температуры поступающего воздуха ( ), калориметрическая температура горения tкал повышается. 

    Определение расчётной температуры  горения

    Расчётную температуру горения с учётом диссоциации продуктов сгорания, подогрева воздуха и топлива и содержания в продуктах сгорания избыточного воздуха можно рассчитать по формуле:

    

    Расчётную температуру горения можно определить также на основе калориметрической  температуры горения с введением  поправочного коэффициента f

    

    Определение потерь тепла с  уходящими газами

    При сжигании топлива его потенциальное  тепло преобразуется в физическое или располагаемое тепло продуктов  сгорания. Физическое тепло продуктов сгорания используется в установках (Q1) и частично теряется с уходящими газами в окружающую среду (Q2)

    Физическое  тепло продуктов сгорания определяется по формуле:

    

     - суммарный  объём продуктов сгорания, кг

    tпр.сг.- температура продуктов сгорания

    Cпр.сг - средняя теплоемкость продуктов сгорания от 0 до tпр.сг, ккал/(кг град).

    В большинстве случаев потери тепла  с уходящими газами определяют по разности между физическим теплом уходящих газов и физическим теплом воздуха, поступающего в установку.

    

    Подсчёт по формуле обычно упрощают, приравнивая  объёмы и теплоёмкости уходящих газов  и воздуха, то есть принимая

    

    Из  последней формулы видно, что  количество тепла, которое теряется с уходящими газами тем меньше, чем меньше разность между температурами уходящих газов и поступающего воздуха. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Постановка  задачи 

    Влияние подогрева воздуха на работу дизельного ДВС. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Решение задачи

    Определение эквивалентной формулы  для окислителя

Содержание азота N2 – 79%, содержание кислорода О2 – 21%. 

    Определение мольных долей вещества в смеси: 

rN2 = 0.79 моль; rO2 = 0,21 моль.

    Атомный вес:

                    Азот                                                                    Кислород

μN2 = 2∙14,0067 = 28,013 кг/моль;                                 μО2 = 2∙16 = 32 кг/моль;

μN2 = 28,013 кг/моль;                                                      μО2 = 32 кг/моль; 

μвозд = 28,8526 кг/моль; 

    Весовые доли:

                   Азот                                                                      Кислород 

    Количество  атомов в эквивалентной формуле:   

                Азот                                                                        Кислород

 

Таким образом, эквивалентная формула воздуха:

N57.761 O14.557 

Определение эквивалентной формулы для дизельного топлива

     Эквивалентная  молярная масса:

    mэ=1000 (г/моль)

     Весовые  доли:

    gc=0,872

    gн=0,178

     Атомный  вес:

    mс=12,01 (г/моль)

    mн=1,008 (г/моль)

     Эквивалентное  число атомов компонентов:

    bi= gi × mэ/mi

    bc= 0,872 × 1000/12,01=72,6001

    bн=0,178 × 1000/1,008=126,9841

     Эквивалентная  формула дизельного топлива C72,6001H126,9841 

Определение энтальпия окислителя

Энтальпия окислителя является функцией температуры:

I = I(T)

Где ср = 1,005 кДж/(кгК) – теплоемкость при постоянном давлении;

Изменение температуры Т = 298…358 ˚К;

При решение  расчет будем вести через каждые 4 ˚К;

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Исходные  данные для расчета  в программе Термодинамика 

Параметры в камере сгорания:

    Р = 10МПа.- давление;

    alfa = 1 – коэффициент избытка воздуха; 

Горючее (Fuel):

    Углерод (С) = 72,6;

    Водород (Н) = 126,984;

    Энтальпия (I) = -1500; 

Окислитель (Oxydizer):

    Азот (N) = 57,761;

    Кислород (О) = 14,557;

    Энтальпия: 

T, ˚К 298 302 306 310 314 318 322 326 330 334 338 342 346 350 354 358
I(T), КДж/К 0 4,02 8,04 12,06 16,08 20,1 24,12 28,14 32,16 36,18 40,2 44,22 48,24 52,26 56,28 60,3
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Результаты  расчета 

T (воздух), ˚К  I (энтальпия), Дж/кг Tг (темп. в камере сгор.), К μ (моляр. масса), г/моль Количество  содержания токсичных газов RT
NO CO
298 0.000 2312,56 28,8954 1,3343227E-003 4,1019594E-003 665419,8
302 4.020 2314,82 28,8947 1,3465241E-003 4,1401368E-003 666086,3
306 8.040 2317,09 28,894 1,3587660E-003 4,1784442E-003 666755,6
310 12.060 2319,35 28,8933 1,3711138E-003 4,2170854E-003 667422,1
314 16.080 2321,61 28,8926 1,3835338E-003 4,2559555E-003 668088,6
318 20.100 2323,87 28,8919 1,3960261E-003 4,2950545E-003 668755,2
322 24.120 2326,12 28,8911 1,4085907E-003 4,3343828E-003 669421,2
326 28.140 2328,37 28,8904 1,4212278E-003 4,3739405E-003 670085
330 32.160 2330,62 28,8897 1,4339374E-003 4,4137277E-003 670748,8
334 36.180 2332,87 28,8889 1,4467196E-003 4,4537448E-003 671414,9
338 40.200 2335,11 28,8882 1,4595745E-003 4,4939918E-003 672075,9
342 44.220 2337,36 28,8875 1,4725021E-003 4,5344689E-003 672739,7
346 48.240 2339,6 28,8867 1,4855024E-003 4,5751763E-003 673403,1
350 52.260 2341,83 28,886 1,4985756E-003 4,6161141E-003 674061,3
354 56.280 2344,07 28,8852 1,5117216E-003 4,6572824E-003 674724,7
358 60.300 2346,3 28,8844 1,5249406E-003 4,6986815E-003 675385,3
 
 
 
 
 
 

Графические зависимости 

    На  рисунках 1, 2, 3, 4 представлены зависимости  определенных параметров в камере сгорания от температуры воздуха. 
 

 

Рис.1. Зависимость температуры  горения от температуры  воздуха. 
 
 

 

Рис. 2. Зависимость молярной массы от температуры  воздуха. 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Рис. 3. Зависимость количество содержания NО от температуры воздуха. 
 
 
 

 

Рис. 4. Зависимость количество содержания СО от температуры воздуха. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

    Максимально возможная работа, увеличится на (𝑅𝑇1−𝑅𝑇2)/𝑅𝑇1∗100%=1.49%  

    при увеличении температуры поступающего воздуха на 60 К. 
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     

Заключение 

    Температура в камере сгорания увеличивается пропорционально температуре воздуха согласно с формулой для определения расчетной температуры горения, следовательно, увеличивается диссоциация, что в свою очередь ведет к уменьшению молярной массы.

    Повышается количество содержания токсичных веществ CO и NO. Образование окиси углерода происходит вследствие диссоциации углекислого газа при высокой температуре, образование окиси азота определяется максимальной температурой в зоне реакции.

    Максимально возможная работа, увеличится на (𝑅𝑇1−𝑅𝑇2)/𝑅𝑇1∗100%=1.49%  

при увеличении температуры поступающего воздуха  на 60 К. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  используемой литературы 

  1. Термодинамические и теплофизические  свойства продуктов  сгорания: Справочник в 10 томах /В.Е.Алемасов, А.Ф.Дрегалин, А.П.Тишин, В.А.Худяков; Под  ред. В.П.Глушко. - М.: ВИНИТИ, 1971 - 80. - Т. 1 - 10.
  2. Луканин В.Н. ДВС. Теория рабочих процессов. М.: Высшая школа. 1995.
  3. Орлин А.С.  Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение, 1983.