Тепловой расчет реального цикла двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия и наддувом

Содержание

1         Общие положения              3

2         Таблица 1 Варианты индивидуальных заданий по расчету двигателя              4

3              Расчетная часть

3 Шыбор и расчет исходных параметров              5

3 2 Термохимичесий расчет и параметры наполнения              5

3 3 процессов сжатия, сгорания и расширения              6

3 4 Индикаторные и эффективные показатели двигателя              8

3 5 Определение размеров цилиндров двигателя              8

3 6 Построение индикаторных диаграмм двигателя              9

4         Составление схемы теплового баланса двигателя внутреннего сгорания              К)

5         Таблица 2 Координаты точек индикаторной диаграммы              14
6   Индикаторная диаграмма

7 Список литературы              16

1. Общие положения

Курсовая работа «Тепловой расчет реального цикла двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия и наддувом» выполнена студентами после изучения теоретического курса «Теплотехника» и представляется к защите в сроки, предусмотренные учебными графиками.

Выполнение курсовой работы ставит своей целью углубление знания студентов в области процессов, протекающих в двигателях внутреннего сгорания на жидком топливе, применяемых в качестве силовых механизмов и оборудования в различных установках, передвижных агрегатах и транспортных средствах при бурении, разработке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений.

Выполнение курсовой работы должно способствовать повышению качества подготовки специалиста, в частности:

научить студента самостоятельно работать с теоретическим материалом курса, научить студента самостоятельно работать с технической литературой, справочными материалами; научить студента анализировать получаемые данные;

научить, грамотно и сжато, техническим языком, излагать суть вопроса с выводами, схемами, таблицами и диаграммами.

1.1    Цель и содержание работы.

Задачами теплового расчета реального цикла двигателя внутреннего сгорания являются определения показатели цикла, характеризующих экономичность и эффективность рабочего процесса, а также определение максимального давления в цилиндре и переменных давлений в зависимости от хода поршня, необходимых для последующих прочностных и конструктивных расчетов деталей и узлов двигателя. На основании теплового расчета с достаточной точностью строится индикаторная диаграмма, и по заданной мощности и числу цилиндров определяются их размеры.

В работе требуется произвести следующее: 1 Выбор и расчет основных параметров. 2.Термохимический расчет процессов сгорания топлива. 3 Расчет рабочего цикла двигателя

4.Расчет индикаторных и эффективных показателей работы двигателя. 5 Определение основных размеров цилиндра.

6.Построение индикаторных диаграмм рассчитанного двигателя с нанесением линий средних индикаторных давлений. 7Выполнение принципиальной схемы двигателя и указание порядка работы цилиндров.

Исходные данные для расчета берутся из таблицы 1.

1.2.Оформление работы.

Выполненная работа оформляется в соответствии с требованиями ЕСКД, представляется в сброшюрованном виде и должна содержать: 1. Условия задания со всеми исходными данными.

2.Расчет в системе СИ с необходимыми обоснованиями и пояснениями. Вычисления приводятся в развернутом виде.

3.Графическое изображение рассчитанного теоретического и действительного циклов двигателя в P-V диаграмме с нанесенными линиями теоретического Р,т и действительного Р, индикаторных давления. (Приводятся на отдельном листе в масштабе с таблицей расчета координат характерных и промежуточных точек линий процессов сжатия и расширения).

4.Схему расположения цилиндров рассчитанного двигателя с указанием порядка их работы. 5.Анализ полученных результатов в сравнении с аналогичными выполненными конструкциями двигателей внутреннего сгорания, выводы, а также список использованной литературы.

2.Расчет двигателя внутреннего сгорания.

Тепловой расчет рабочего цикла производится для режима, соответствующего заданной номинальной мощности при номинальном числе оборотов.

Так как действительные процессы, происходящие в реальных двигателях внутреннего сгорания, отличаются большой сложностью, быстротечностью и зависят от некоторых факторов, не достаточно учитываемых расчетом, поэтому при выполнении расчета необходимо сопоставлять получаемые данные с аналогично выполненными конструкциями, близкими к рассчитываемому двигателю по степени сжатия и наддува, тактности, мощности и числу цилиндров.

Вариант-26 2.1.Выбор и расчет исходных параметров

При выборе исходных параметров для расчета коэффициента избытка воздуха а, давления и температуры в начале сжатия Ра, Та, давления и температуры остаточных газов Р,, Тг, необходимо учитывать число оборотов, степень наддува и тип нагнетателя, применение охлаждения воздуха после нагнетателя.

1 Коэффициент избытка воздуха принимается:

для дизеля с наддувом    = 1,7 - 2,2.

Берём=1,9

2.Давление и температура окружающей среды:

Ро= 760 мм.рт.ст.=1,013 бар,

То= 288 К.

3.Давление надувочного воздуха рассчитывается по соотношению

Рк= 1,7-1,013=1,722 бар,

4.Давление (для дизелей с наддувом а ) в начале сжатия Ра:

Ра=(0,8-1,1)-Рк

Ра=(0,95> 1,722 =1,636 бар,

5. Давление остаточных газов Рг:

для дизелей с наддувом и газовой турбиной на выпуске Р, = (0,75-1,0)-Рк

Рг=(0,9> 1,722 =1,550 бар,

6.Температура остаточных газов Тг

для дизеля с наддувом   Тг= 700 -1000 К.

Т, = 85ОК.

7.              Подогрев заряда от соприкосновения с горячими стенками цилиндраТ:

для дизеля с наддувомТ = 0-10К.

Т = 7К,

8.              Температура наддувочного воздуха после нагнетателя :

Тк=288«( 2,026 /1,013 )(1'9 1 К9)=370,299 К

9.Показатель политропы сжатия воздуха в нагнетателе ппв зависимости от типа нагнетателя и степени охлаждения :

-  для объемных ротативных mn= 1,55 -1,75 ;

-  для центробежных с неохлаждаемым корпусом mn= 1,8 -2,0;

-  для центробежных с охлаждаемым корпусом тп~ 1,4-1,8.

Принимаем mn=l,9

10. Температура воздуха перед двигателем при применении промежуточного холодильника и снижении температуры наТокл :

Т'  = Т  -   Т

-i к        1к     ' охл

Т'к = 370,299 -75=295,299 К 2.2.Термохимичесий расчет и параметры наполнения.

11.Теоретически необходимое количество воздуха на 1кг топлива:

, кмоль/ кг

=0,495 кмоль/ кг

12              Количество свежего заряда на 1кг топлива

, кмоль/ кг

Мо= 1,9 «0,495=0,941 кмоль/ кг

13              Количество продуктов полного сгорания топлива

, кмоль/ кг

М=+ (1,9 -0,21)«0,495=0,973 кмоль/ кг

14              Приращение количества молей при сгорании

, кмоль/ кг

=0,033 кмоль/ кг

15              Химический коэффициент молекулярного изменения

= 1,034

16              Коэффициент остаточных газов

=0,023

17              Действительный коэффициент молекулярного изменения

= 1,034

18              Температура начала сжатия

,К

=314,693 К

19              Коэффициент наполнения

= 0,931

2.3.Расчет процессов сжатия, сгорания и расширения.

20.Давление в конце процесса сжатия:

Рс = 1,636«15,5иб=68,019 бар 21.Температура в конце процесса сжатия:

, К

ТС=295,299Ч5,51'36"1=844,123 К 22.Температура в конце процесса сгорания:

T2=tz +273,15, К Температура определяется из уравнения сгорания для дизелей:

=49900,786

Значения средних мольных теплоемкостей определяются: для свежего заряда

кДж/кмоль К

кДж/кмоль К для продуктов сгорания

, кДж/кмольК

=28,622+22,689* 1(Ит,= кДж/кмольК

Уравнения сгорания решаются методом подбора,

= 49900,786кДж/кмоль

Решению удовлетворяют два корня:

tz=1528,496 °C    Htz= -14614,03 8"С(не подходит) Принимаем:

tz=l 528,496 "С

Т2=273,15+1528,496 =1787,289 К

23              Максимальное давление в цилиндре в конце процесса сгорания.

Р7 = 1,34-38,019=91,146 бар

24              Степень предварительного расширения:

р==1,634

25.Степень последующего расширения:

=9,486 26.Давление в конце процесса расширения:

=5,118 бар 27.Температура в конце процесса расширения:

=951,951К

2.4.Индикаторные и эффективные показатели двигателя

28.Расчетное среднее индикаторное давление:

, бар

=12,958 бар

29.Действительное среднее индикаторное давление:

, бар

=11,921 бар 30.Индикаторный к.п.д. цикла:

=0,678

31 Среднее эффективное давление:

бар

Ре = 0,87* 11,921 = 10,371 бар 32.Эффективный к.п.д. двигателя:

33.Удельный индикаторный расход топлива:

, кг/кВт ч

=0,124 кг/кВт ч

34.Удельный эффективный расход топлива:

, кг/кВт ч

=0,142 г/кВт ч 35.Индикаторная мощность двигателя:

кВт

= 172,414 кВт

36.Часовой расход топлива:

, кг/ч

В= 0,142-150=21,294 кг/ч

2.5.Определение размеров цилиндров двигателя

37.Рабочий объем цилиндра:

,ДМ3

= 1,446 дм3

38.Диаметр цилиндра:

,дм

-1,071 дм

где е- отношение хода поршня к его диаметру D, для быстроходных двигателей принимается е=1,7 - 1,3, для тихоходных е— 1,3 - 2,0

Принимаем е=1,5 39.Ход поршня:

, ДМ

S= 1,5 «1,071 = 1,606 дм 40.Средняя скорость поршня:

, м/с

= 10,709 м/с

41              Литровая мощность двигателя

кВт/л

= 17,286 кВт/л

2.6.Построение индикаторных диаграмм двигателя

42              Для расчета координат точек теоретической индикаторной диаграммы вычисляются
значения характерных объемов рассчитанного двигателя, объема камеры сжатия VL
,полного объема цилиндра Va, объема конца изобарного подвода тепла   Vz

Объем камеры сжатия Vc

дм3

=0,100 м3

Полный объем цилиндра Va

, ДМ3

Vd = 0,100+ 1,446 =1,546 дм3

Объем в конце изобарного подвода тепла Vz

, дм3

V?= 1,634*0,100=0,163 дм3 Для построения линиии политропного сжатия и расширения рассчитываются координаты промежуточных точек не менее трех на каждой линии по соотношению

-  для линии политропного сжатия

-  для линии политропного расширения

где Vx- значение текущего объема принимаются в долях полного объема цилиндра

-для линии сжатия Vxi = — Va, VX2 = — Va, Vxs = — Va,

3              2              4

1              1              3

-              для линии расширения VX4 = — Vd, VX5 = — Va, V4e = — Va,

Vxi=Vx4= 1/3 Vd = 1,546 /3=0,515 дм'

Vx2= Vx5= 1/2 Va= 1,546 / 2= 0,773 дм3

Vx3= Vx6= 3/4 Va = 1,546 «3/4=1,160 дм3

Координаты всех рассчитанных точек теоретической индикаторной диаграммы сводятся

в   таблицу 2.

Примечание к таблице 2.

При внесении в таблицу 2   расчетных формул для давления Ра  и Р, проставляются

значения принятые в расчете величин коэффициентов. По координатам точек таблицы 2

в масштабе на отдельном листе строится теоретическая индикаторная диаграмма.

43.Для построения линий действительной индикаторной диаграммы на теоретической индикаторной диаграмме производятся скругления в точках C,Z',Z",a,b и наносится линия процессов очистки и зарядки в-г и г-а.

44.На построенные индикаторные линии наносятся линии средних индикаторных давлений - теоретического Р;т и действительного Р;.

Таблица 2 Координаты точек индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма

Задание 2. Составление схемы, теплового баланса двигателя внутреннего сгорания

4.1 Теоретические основы и порядок расчёта

Распределение теплоты, полученной при сгорании вводимого в цилиндр топлива, называют тепловым балансом. Тепловой баланс обычно определяется экспериментальным путём. Уравнение теплового баланса имеет вид;

Q=Qe+Qoxn+Qr+QHc. +Qoct

где Q-теплота топлива, введённая в двигатель; Qe- теплота, превращенная в полезную работу ; С)охл-теплота, потерянная при охлаждении двигателя; Q, - теплота, унесённая отработавшими газами; QH.C.- теплота, теряемая вследствие неполного сгорания топлива; Qoci-остаточный член баланса, который равен сумме всех неучтённых потерь. Тепловой баланс можно составить в процентах от всего количества введённой теплоты

Че+Яохл+Чг+Чост= 1 00%

rfleqe=(Qe/Q)-100;       qOxn=((WQ)-100;       qr=(Qr/Q>100;        qocT=(QocT/Q)-100; Количество располагаемой (введённой) теплоты в течение секунды находится по формуле:

Q=21,294 -43000/3600=254,345 кДж/с

Где В-расход топлива(расчётные данные), кг/с; (3Рн-низшая теплота сгорания топлива (исходные данные),кДж/кг. Теплота, превращенная в полезную работу, находится по формуле

Где Ne-эффективная мощность двигателя (исходные данные),кВт. Теплота, потерянная с охлаждающейсредой (кДж/с) рассчитывается по формуле:

кДж/с

Где С=0,41-0,47-коэффициент пропорциональности; i-число цилиндров (принимаем С=0,45 ); D-диаметр цилиндра, см; n-частота вращения вала, об/мин; а- коэффициент избытка воздуха ; h-показатель степени, выбирается в диапазоне 0,6-0,7(принимаем h=0.65 );

Где В-расход топлива, кг/с; М-количествопродуктов сгорания топлива газа, кмольтрад; Мо- количество свежего заряда ,кмоль/кг; ср,- средняя мольная изобарная теплоёмкость продуктов сгорания, рассчитывается , как теплоёмкость смеси, кДж/(кмольтрад), сз-средняя мольная изобарная теплоёмкость свежего заряда, кДж/(кмоль -град) выбирается по таблице 3 ; tp-температура продуктов сгорания, °С и га-температура свежего заряда,°С.

Для смеси газов средняя мольная изобарная теплоёмкость продуктов сгорания ср, -при температуре t, определяется по формуле

Где Ср'-средняя мольная изобарная теплоёмкость i-ro компонента продукта сгорания (выбирается по таблице 3), Mi-количество i-ro компонента продукта сгорания. В состав продуктов сгорания (выхлопных газов) входит углекислый газ, водяные пары, кислород, азот. Количество отдельных компонентов продуктов сгорания (кмоль/кг) определяется по формулам:

Таблица 3-средняя мольная теплоемкость газов при постоянном давлении

Срг,кДж/кмоль град

Сз=29,146 кДж/(кмоль град)

=31,662Дж/(кмоль трад)

0.974

Остаточный член теплового баланса Q0Ci включает в себя потери теряемые вследствие неполного сгорания топлива, потери рассеиваемые внешней поверхностью двигателя в окружающую среду, потери тепла на нагрев смазочного масла во всех трущихся деталях и т.д.

qe=(Qe/Q)-100;

qOM,=((WQ)-100;

qr=(Q./Q)-100;

qocT=(Qoo/Q)-100;

qe=(l 50/254,345)-100%=59 % Яохл=(23,214 /254,345)-100%= 9,1% qr=(17,764/254,345)-100%=7% qOCT=(63,367/254,345)-100%=24,9% qe+qoxn+qi+qocr=59 +9,1+7+24,9=100%,

ВАРИАНТЫ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ ПО РАСЧЕТУ ДВИГАТЕЛЯ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 .Нигматуллин И.Н и др. Тепловые двигатели,-М.: Высшая школа, 1974.-323 с.

2.0рлин А.С. и др. Двигатели внутреннего сгорания, М.:

Машиностроение. 1971.-400 с.

3.Двигатели внутреннего сгорания./Под редакцией А.С.Орлина, М.Г.Круглова,

М.: Машиностроение,1983.-378 с.

4.Дизели: Справочник ./Под редакцией В.О.Ванштейна, М.:

Машиностроение, 1964.-180с

5.Могильницкий И.П. Двигатели внутреннего сгорания в нефтяной и газовой

промышленности. М.: Недра, 1974.-282 с