Avtomobilnye_dvigateli_Kursovoe_proektirovanie
.pdf2. Определение количества свежей смеси.
Количество воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания топлива, рассчитывается на основании сведений о массовом составе топлива:
1 / |
1 / о |
|
Л |
/п =0,23\ |
V-3 0,872+8 0,128 / =14,56; |
||
1 (gc , 8н goT |
/ 0,872 |
0,128 |
= 0,498 кмоль/кг. |
— |
+— |
||
А> =0,211 12 4 32 у |
0,21\ 12 |
^ |
/ |
Количество свежей смеси
МХ = ALQ = 1,45 • 0,498 = 0,723 кмоль/кг.
3. Определение состава и количества продуктов сгорания. Расчет выполняется в киломолях на 1 кг топлива:
Мсо |
=J?c = M Z 2 =0,0727 кмоль/кг; |
|
2 |
12 |
1 2 |
МС02 = — = ^li^i = 0,0640 кмоль/кг;
MN2 = 0,79а/^ =0,79 1,45 0,498 = 0,570 кмоль/кг;
М02 = 0,21(а- IJZq = 0,21 • (1,45-1)• 0,498 = 0,047 кмоль/кг.
Суммарное количество продуктов сгорания в киломолях на 1 кг топлива
М2 = МС 02 + МН2О + + М02 =
=0,0727 + 0,064+0,57+0,0470 = 0,7537 кмоль/кг.
4.Определение молярных (или объемных) долей компонентов продуктов сгорания:
ссь |
= |
^ |
= ^ = 0 , 0 9 7 ; |
^ = |
^ |
о = т |
|
= 0,085; |
|
М2 |
0,7537 |
Н20 |
М2 |
0,7537 |
|
||
|
мщ |
_ 0,570 |
|
М02 |
_ 0,047 |
|
|
|
'N2 = |
М2 |
0,7537 = 0,756; |
Го. = |
М2 |
0,7537 |
= 0,062. |
||
Проверка: J/-, = 1.
5. Определение теоретического коэффициента молярного изменения:
М2 _ 0,7537 М, ~ 0,723
Давление рабочего тела в конце такта впуска ра=р0-Ара = 0,10 - 0,0105 = 0,0895 МПа.
4. Определение коэффициента остаточных газов:
|
Т0 + АТ |
pr |
= 298+15 |
0,12 |
= Q Q 2 7 |
У |
Тг |
гра-рг |
850 |
19,5 0,0895-0,12 |
' |
5. Определение температуры заряда в конце такта впуска:
_ Tq + AT + щдТ г = |
298 +15 +1,01 - 1,03• 0,027• 850= 3 2 ? |
1 + 7Ф, |
1 + 0,027 1,03 |
6. Определение коэффициента наполнения.
Коэффициент наполнения г|у рассчитывается по заданным значениям 7J), е, АТ, ф, и по рассчитанным значениямра, 7^, у:
Рог-\Та(\ |
+ ухч) |
0,1 19,5-1 327 (1 + 1,03 0,027)= 0,862. |
Расчет процесса сжатия
1. Выбор показателя политропы сжатия я, (табл. П20.4).
|
|
|
Т а б л и ц а П20.4 |
Параметр |
Размерность |
Диапазон |
Выбранное |
допустимых |
числовое |
||
|
|
значений |
значение |
Показатель политро- |
— |
1,36... 1,39 |
1,36* |
|
|
|
|
пы сжатия щ |
|
|
|
* Выбор числового значения я, здесь обусловлен противоположным влиянием двух основных факторов: высокой частоты вращения и относительно высокой степени сжатия (причем считаем, что влияние второго фактора преобладает).
2. Определение параметров рабочего тела в конце процесса сжатия:
Рс=Ц\Рс£Пх =1,03-0,0895-19,5й6 = 5,24 МПа;
Тс = Таг"Н = 327 -19,50'36 = 953 К = 680 °С.
Расчет процесса сгорания
1. Исходные данные для расчета процесса сгорания приведены в табл. П20.5.
|
|
Диапазон |
Выбран- |
|
|
Размер- |
ное |
||
Параметры |
возможных |
|||
ность |
числовое |
|||
|
значений |
|||
|
|
значение |
||
|
|
|
||
Низшая теплота сгорания топлива Ни МДж/кг |
|
42,6 |
||
Коэффициент выделения теплоты |
— |
0,70...0,85 |
0,75* |
|
|
|
|
||
на участке видимого сгорания |
|
|
|
|
Степень повышения давления при |
— |
1^7• •• 2^2 |
1,8** |
|
|
|
|
||
сгорании X
*Выбор числового значения ^ в данном случае обусловлен влиянием относительно высокой частоты вращения п двигателя (т. е. сокращением времени, отводимого на сгорание топлива) и повышенной степенью сжатия е (т. е. увеличением потерь теплоты в стенки при сгорании топлива).
**Выбор числового значения X в данном случае обусловлен влиянием организации процессов топливоподачи и смесеобразования, что обеспечивает сокращение периода задержки воспламенения и плавное нарастание давления при сгорании топлива.
2.Определение теплоты сгорания рабочей смеси:
Нс |
= — ^ — = |
— |
= 57,37 МДж/кмоль. |
см |
1 + у) |
0,723 (1 + 0,027) |
|
3. Определение действительного значения коэффициента молярного изменения рабочей смеси:
|
1043 + 0,027 |
* 1 + Y |
1 + 0,027 |
4. Определение максимальной температуры рабочего цикла.
Запишем уравнение первого закона термодинамики для процесса сгорания в ДсИЗ, приведенное к рабочему виду:
LH u |
^с + УU'с + 8 з 14Х,!Гс. 10-6 = \i(U"+ 8 3147^ • Ю-6), |
(1) |
М,(1 + у) |
1 + у |
|
где Uc — внутренняя энергия одного киломоля воздуха при температуре Тс\ |
|
|
U" — внутренняя энергия одного киломоля продуктов сгорания при темпе- |
|
|
ратуре Тс\ U" — внутренняя энергия одного киломоля продуктов сгорания |
|
|
при температуре Tz. |
|
|
Размерность величин Uc, U"9 U" — МДж/кмоль, а размерность Ни — |
|
|
МДж/кг. |
|
|
Определение максимальной температуры цикла Tz сводится к решению |
|
|
уравнения (1). Для применения аналитического метода решения необходи- |
|
|
мо найти числовые значения Uc9 U'c\ U". |
|
|
7 Шатров |
1 9 3 |
|
Используем линейные аналитические зависимости средних молярных теплоемкостей при постоянном объеме компонентов продуктов сгорания от температуры t, которые имеют следующий вид, кДжДкмоль • К):
|
|
Ixcvi = at |
+ bf. |
|
|
|
|
|
|
Значения коэффициентов at и bt для различных газов приведены в прил. 2 |
|
||||||||
для двух различных интервалов температур. Интервал температур от 0 до |
|
||||||||
1 500 °С используется для вычисления |
Uc и |
Щ, а интервал температур от |
|
||||||
1500 до 2 800 °С — для вычисления U'v |
|
|
|
|
|
|
|
||
В аналогичном виде представим среднюю молярную теплоемкость смеси |
|
||||||||
продуктов сгорания с учетом объемных долей компонентов, кДжДкмоль • К): |
|
||||||||
|
|
Iicv = А + Bt. |
|
|
|
(2) |
|
||
Здесь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t = tc или t = tz\ |
|
|
|
|
|
|
|
Л = £ ( а л ) = аС02гС02 +%2о>н2о |
|
|
+ *н2'н2; |
(3) |
|
||||
в = |
) •= *СО >СО + ^О'н.О + £N |
>N |
|
+ b0ir0l + Z>H2/H2 • |
( |
4 |
) |
||
|
2 |
2 |
2 |
|
2 |
|
|
|
|
Сначала вычислим левую часть уравнения (4), обозначив ее FXi МДж/кмоль:
F |
|
+ u c+yVc'+ 8 3 l 4 X T |
1 |
Мх( 1 + у) |
1 + у |
для чего предварительно определим значение внутренней энергии воздуха при температуре tc, используя значения коэффициентов а и b из прил. 2 для диапазона температур 0... 1500 °С:
Uc= (а + btc)tc = (20,53 + 2,705 • 10"3 - 680) • 680 • 10"3 = 15,21 МДж/кмоль.
Для определения внутренней энергии продуктов сгорания при температуре tc необходимо найти коэффициенты AviBm уравнения (2) по выражениям (3) и (4) с использованием значений коэффициентов a u b m прил. 2 также в диапазоне температур 0... 1500 °С:
А= 30,08 • 0,097 + 24,83 • 0,085 + 20,42 • 0,756 + 20,90 • 0,062 =
=21,76 кДжДкмоль • К);
В= (10,58 • 0,097 + 5,275 • 0,085 + 2,348 • 0,756 + 4,071 • 0,062) • 10"3 =
=3,502 • 10"3 кДжДкмоль • К2).
Теперь найдем значение внутренней энергии продуктов сгорания при температуре tc:
U'c'= (А + Btc)tc = (21,76 + 3,502 • 10"3- 680) • 680 • 10"3 = 16,416 МДж/кмоль, после чего вычислим значение Fx по формуле
F, |
+ U<+'lU" |
+Ъ,ЪШТС |
=0,75-57,37+ |
|
|
|
1 + у |
|
|
|
|
15,21+0,027 16,416 |
t 0 |
|
_ |
, |
|
1+0,027 |
'—+8314 |
1,8-953 10"6 |
=72,53 МДж/кмоль. |
||
После этого определяем значение внутренней энергии продуктов сгорания при температуре tzi кДж/кмоль:
и; = (л + Btz)tv
Уравнение (3) примет вид, кДж/кмоль,
|
OF,/ц) • 103 = Btz2 + Atz + 8,314(/г + 273), |
(5) |
|
или |
|
|
|
Btz2 |
+ (А + 8,314)tz - [(/Уц) • 103 - 8,314 • 273] = 0. |
|
|
Обозначив АХ |
= {А + 8,314) и D = [(F{/\х) |
• 103 - 8,314 • 273], приведем урав- |
|
нение (5) к виду |
|
|
|
|
Bt2 + A\tz - D |
= 0. |
(6) |
Коэффициенты An В уравнения (5), необходимые для определения температуры tv найдем по выражениям (3) и (4) с использованием значений коэффициентов а и £ из прил. 2, но уже в диапазоне температур 1500... 2 800 °С:
А= 39,123 • 0,097 + 26,67 • 0,085 + 21,951 • 0,756 + 23,723 • 0,062 =
=24,128 кДж/(кмоль • К);
В= (3,349 • 0,097 + 4,438 • 0,085 + 1,457 • 0,756 + 1,550 • 0,062) • 10"3 =
= 1,900 • 10"3 кДжДкмоль • К2).
Теперь найдем А1 = (А + 8,314) = 24,128 + 8,314 = 32,442 кДж/(кмоль • К);
D = [(F,Ai) - 2,27]-103 = [(72,41/1,042) • 103 - 8,314 • 273] = = 67,336 • 103 кДж/кмоль.
Решив уравнение (6), найдем значение температуры tz\
_ - A + y j A 2 +4BP |
= |
-32,442+д/32,4422 +4-l,9-lQ-3 -67,336"1(Р _ |
2В |
~ |
2 1,9 10"3 |
|
|
= 1871 °С = 2144 К. |
Определим степень предварительного расширения:
К Я, 71 1,8 953
Степень последующего расширения
V |
V |
|
е |
19 5 |
5 = —=—£ |
- = - = —1— = 14,98=== 15. |
|||
Vz |
КР |
Р |
1,302 |
|
5. Определение максимального давления рабочего цикла:
=1,8 5,24 = 9,432 МПа.
Расчет процесса расширения
При расчете процесса расширения для дизеля считают, что он протекает в течение хода поршня от начала последующего расширения, которое начинается в точке z, до его прихода в НМТ. При этом исходное положение поршня определяется объемом надпоршневого пространства Vz = pVc. Сам процесс расширения условно считают политропным с постоянным показателем политропы п2.
1. Выбор показателя политропы расширения п2 (табл. П20.6).
|
|
|
Т а б л и ц а П20.6 |
|
|
Размер- |
Диапазон |
Выбранное |
|
Параметр |
возможных |
числовое |
||
ность |
||||
|
значений |
значение |
||
|
|
|||
Показатель политро- |
— |
1,18... 1,26 |
1,20* |
|
|
|
|
||
пы расширения п2 |
|
|
|
* Выбор числового значения п2 в данном случае обусловлен влиянием высокой частоты вращения двигателя, что определяет затягивание процесса сгорания и, следовательно, приводит к меньшим значениям п2.
2. Определение параметров рабочего тела в конце процесса расширения:
р |
D |
=9 432= о,366 МПа; |
||
УЬ |
б"* |
|
151'20 |
|
Т - |
Тz |
|
- 2144 |
- 1 247 К |
~ б"2-1 |
~ 151'20"1 |
|
||
Характерные для дизелей без наддува значения рь = 0,20...0,40 МПа,
Ть= 1000... 1300 к.
3. Проверка правильности выбора параметров остаточных газов. Проверку правильности выбора величины значений давления рг и тем-
пературы достаточных газов выполняем по формуле
1247
з(0,366
0,12
Отклонение расчетного значения температуры остаточных газов Т* от ее заданного значения Тг= 850 К составляет 1,2 %, т.е. находится в допустимых пределах (3... 4 %).
Определение индикаторных показателей двигателя
1. Выбор исходных параметров двигателя (табл. П20.7).
|
|
|
Т а б л и ц а П20.7 |
|
|
Размер- |
Диапазон |
Выбранное |
|
Параметр |
возможных |
числовое |
||
ность |
||||
|
значений |
значение |
||
|
|
|||
Коэффициент полноты |
— |
0,90...0,93 |
0,92* |
|
индикаторной диаграммы <рп д |
|
|
|
* Выбор числового значения в данном случае обусловлен высокой степенью организации рабочего процесса, что уменьшает отличия расчетной и действительной индикаторных диаграмм, несмотря на высокую частоту вращения двигателя.
2. Определение расчетного и действительного среднего индикаторного давления.
Определение расчетом давлений в характерных точках рабочего цикла позволяет построить расчетную индикаторную диаграмму за два хода поршня (сжатия и расширения). Такая диаграмма включает в себя условные политропные процессы сжатия и расширения, изохорный и изобарный процессы подвода теплоты, а также изохорный процесс отвода теплоты.
Определяем расчетное среднее индикаторное давление:
PlHC |
Ар |
1 |
\ |
1 |
|
1 \ + MP-D |
|
е - 1 « 2 - 1 |
я, -1 |
пх -1 |
|
|
|
||
|
\ 6"; |
У |
|
|
|
||
5,24 |
1,81,3 ( |
1 |
|
1 |
1 |
1 |
+ 1,8(1,3-1) |
19,5-1 |
1,20-1V |
151,20-1 |
1,36-И |
19,51'364 |
|||
= 1,022 МПа.
Соответствующее уменьшение действительного среднего индикаторного давления /?, по сравнению с расчетным pt нс учитывается с помощью коэффициента полноты индикаторной диаграммы фп д. В соответствии с выбранным значением фп д = 0,92 получим
Pi = Р( „ сФп д = 1,022 • 0,92 = 0,94 МПа.
3. Определение среднего эффективного давления и механического КПД. Среднее эффективное давление ре определяется по среднему индикатор-
ному давлению р, и среднему давлению потерь рм п:
ре = Pi -Рм.п = 0,94 - 0,246 = 0,694 МПа.
Характерные для дизелей без наддува значения ре = 0,60... 0,70 МПа. Механический КПД найдем по формуле
А = 0 6 9 4 ,м Pi 0,940
Характерные для дизелей без наддува значения г\е = 0,70...0,82.
4. Определение эффективного КПД и удельного эффективного расхода топлива.
Эффективный КПД це определяется по значениям индикаторного КПД г|, и механического КПД г|м:
Це = Л/Лм = 0,462 • 0,74 = 0,342. Удельный эффективный расход топлива
— = 7 ^ = 247 г/(кВт ч).
Лм 0,74
Характерные для дизелей без наддува значения находятся в следующих пределах: х\е = 0,32... 0,40; ge = 210... 260 г/(кВт • ч).
Часовой расход топлива
GT = geNe 10"3 = 247-110-10"3 = 27,17 кг/ч.
Определение размеров цилиндра
Размеры цилиндра определяются исходя из заданной эффективной мощности Ne, заданного скоростного режима пном и рассчитанного значения среднего эффективного давления ре.
1. Выбор исходных параметров.
Предварительному выбору подлежит коэффициент короткоходности
двигателя К = S/D (табл. П20.9). |
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а П20.9 |
|
Параметр |
Размер- |
Диапазон |
Выбранное |
|
допустимых |
числовое |
|||
ность |
||||
|
значений |
значение |
||
|
|
|||
Коэффициент короткоходно- |
— |
0,90... 1,20 |
1,0* |
|
|
|
|
||
сти двигателя К - S/D |
|
|
|