Расчет параметров, характеризующих работу двигателя

 

Индикаторные показатели

Действительный цикл двигателя характеризуется индикаторными и эффективными показателями.

Индикаторные показатели характеризуют совершенство осущест­вляемого цикла по использованию теплоты топлива. По их величинам можно судить о качестве организации термодинамических процессов цикла. Эффективные показатели учитывают дополнительно потери на реализацию процессов газообмена,  тре­ние и привод вспомогательных механизмов.

На рисунке 5 изображены расчетная (нескругленная) 1-2-3-4 и дейст­вительная (скругленная) 1-2’-3’-4’ индикаторные диаграммы цикла двигателя с принудительным зажиганием и аналогичные диаграммы  1-2-3-4-5 и
1-2’-3’-4’-5’ цикла дизе­ля без наддува. Площади, ограниченная кривой
1-2’-3’-4’ и  1-2’-3’-4’-5’, эквива­лентны индикаторной работе циклов L_i.

 

                       а                                                           б

          

 

Рисунок 5 – Расчетная и действительная индикаторные диаграммы:

а - двигатель с принудительным зажиганием; б - дизель

 

 

Для нескругленной расчетной диаграммы индикаторная работа цикла дизеля

 

L_i = L_3-4 + L_4-5 – L_1-2.                                                            (57)

Работа в процессе 3-4 (р = const)

 

L_3-4 = p₄V₄ – p₃V₃.                                                                     (58)

 

Поскольку V₃ = V₂, а , то L_3-4 = p₄V₂(ρ - 1), или, учитывая, что , т. е. p₄  = p₃ = p₂·λ

 

L_3-4 = p₂V₂ ·λ (ρ - 1).                                                             (59)

 

 

Работа в процессе политропного расширения 4-5

 

                                                    (60)

 

Умножив и разделив правую часть этого уравнения на V₂ и, учитывая, что V₄/V₃ = ρ, V₅ = V₁, V₃ = V₂ ,

 

 а p₄ = p₂·λ,

 

можно записать

 

                                                      (61)

 

Работа в процессе политропного сжатия

 

                                     (62)

 

Подставляя (59), (61), (62) в (57), получаем

 

                (63)

 

Запишем это уравнение так:

 

L_i = P_ip·V_h,

где P_ip - среднее индикаторное давление за цикл. Под средним индика­торным давлением понимают такое условно постоянное избыточное дав­ление, которое, действуя на поршень в течение его хода от в.м.т. до н.м.т., совершает работу, равную L_i.

    (64)

 

с учетом того, что V₂/V_h = 1/(ε – 1), а p₂ = p₁·εⁿ¹.

Для цикла двигателя с подводом теплоты при V = const (ρ = 1)

 

               (65)

 

Индикаторная работа скругленного цикла меньше, чем нескругленного. Отклонение действительного значения Р_i от расчетного Р_ip оце­нивается коэффициентом скругления (полноты) диаграммы φ_i. Среднее индикаторное давление действительного цикла

 

Р_i = φ_i · Р_ip.                                                                               (66)

 

По опытным данным φ_i = 0,92 - 0,97, причем меньшее значение ха­рактерно для дизелей, а большее - для двигателей искровым зажиганием. Ниже приведены значения P_i, МПа, при работе двигателей с полной на­грузкой:

 

Четырехтактный с искровым зажиганием:

на жидком топливе............................. 0,8-1,2

на газовом топливе............................. 0,5-0,7

Четырехтактный дизель:

без наддува.......................................0,75-1,05

с наддувом........................................ до 2,2

 

По мере уменьшения нагрузки давление Р_i снижается. Мощность, раз­виваемая рабочими газами внутри цилиндров двигателя, называется инди­каторной мощностью, Вт:

 

                                                                     (67)

где i - число цилиндров в двигателе,

n - число оборотов коленчатого вала в секунду;

τ - число, показывающее, за сколько оборотов вала совершается один цикл (для четырехтактного двигателя τ = 2, для двухтактного τ = 1);

P_i подставляется в Па, a V_h, в м³.

Индикаторным КПД (η_i) называется отношение количества теплоты, превращенного в механическую работу, к затраченному количеству те­плоты

 

   

где G_т - масса сгоревшего топлива, кг. Учитывая, что расход топлива, приходящийся на единицу индикаторной мощности (работы), есть удель­ный расход топлива q_i, запишем

 

   

 

Формулу индикаторного КПД можно записать:

 

                                                                                 (68)

 

Выражая массу сгоревшего топлива через основные параметры, по­лучим
q_i кг/МДж:

 

                                                                        (69)

где P_i подставляется в МПа, m₀

 

Эффективные показатели

 

Мощность двигателя, снимаемую с коленчатого вала, называют эф­фективной (N_e). Эффективная мощность меньше индикаторной N_i на ве­личину мощности, затрачиваемой на механические потери в узлах и вспо­могательных механизмах двигателя.

К мощности, затрачиваемой на механические потери, относят мощ­ность на преодоление трения между движущимися деталями двигателя,
на приведение в действие агрегатов и узлов двигателя (топливного, масляно­го и водяного насосов, вентилятора, генератора и т.д.).

Эффективная мощность, развиваемая двигателем на валу,

 

                                                (70)

где η_м - механический КПД двигателя, зависящий от его конструкции, его состояния и нагрузки.

Механический КПД можно определить из выражения

 

                                                                               (71)

где P_е - среднее эффективное давление.

 

P_e=P_i – P_м,                                                                           (72)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

где Р_м - среднее давление механических потерь, МПа, которое можно оценить по формуле:

 

Р_м = А + ВСm,                                                                  (73)

где А и В - коэффициенты, зависящие от кон­структивных особенностей двигателя.

 А = 0,049, В = 0,0152 для бензиновых двигателей с числом цилиндров до   шести и отношением S/D>1;

А = 0,039, В = 0,0132 для бензиновых восьмицилиндровых двигателей с отношением S/D<1;

А = 0,034, В = 0, 0113 для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением S/D≤1;

 А = 0,024, В = 0,0053 для высокофорсированных бензиновых двигателей с впрыском топлива и электронным управлением;

А = 0,089, В = 0,0118 для дизелей с неразделенными камерами сгорания;

А = 0,089, В = 0,0135 для дизелей с разделенными камерами сгорания.  

С_m средняя скорость поршня, м/с

С_m = S×n/30,                                                                        (74)

где S – ход поршня, м; ориентировочно принимается по данным прототипа (табл. );

  n – заданное число оборотов, 1/мин.

Для сравнения различных двигателей эффективную мощность отно­сят к единице объема. Мощность, приходящаяся на 1 литр рабочего объе­ма
двигателя, называется литровой мощностью (N_л, Вт/л)

 

                                                                           (75)

 

Часто литровую мощность оценивают в лошадиных силах
(N_л) л.с.=1,36N_л.

Показателями экономичности работы двигателя служат эффектив­ный КПД (η_e) и удельный эффективный расход топлива (q_e).

Эффективный КПД представляет собой отношение количества теп­лоты, превращенного в эффективную работу (L_e ) на валу двигателя, к затраченному количеству теплоты:

 

                                                 (76)

 

Расход топлива, приходящийся на единицу эффективной работы, называется удельным эффективным расходом топлива, кг/Дж,

 

                                                (77)

 

 

Порядок величин η_i, η_e, q_i и q_e при номинальном режиме работы двигателей приведен в табл. 6.

 

Таблица 6 – Показатели работы двигателей в номинальном режиме

Двигатели	ηi	ηe	qi кг/(кВт-ч)	qe кг/(кВт-ч)
С искровым зажиганием на жидком топливе	0,28-0,39	0,25-0,33	0,245-0,30	0,30-0,325
Дизели	0,42-0,48	0,35-0,40	0,175-0,205	0,217-0,238

3.4. Определение основных параметров цилиндра и удельных
параметров работы двигателя

Исходя из величин эффективной мощности, частоты вращения коленчатого вала, среднего эффективного давления и числа цилиндров определяем рабочий объем одного цилиндра

Определяем литраж двигателя:

V_л = 30∙t∙N_e / (p_e ∙n),                                                                  (78)

где t  - тактность двигателя;

  n – частота вращения, 1/мин;

  N_е- эффективная мощность двигателя, кВт.

Определяем рабочий объем одного цилиндра:

V_h = V_л / i .                                                                                 (79)

Определяем диаметр цилиндра:

.                                                                               (80)

Ход поршня S,  предварительно принят в соответствии с прототипом двигателя.

Окончательно принимаем  D, округляя до целого.

Основные параметры и показатели двигателя определяем по окончательно принятым значениям D и S :

V_л =                                                                         (81)

Определяем площадь поршня:

                                                                               (82)

Определяем эффективную мощность:

N_е = р_е × V_л ×n / (30 × t).                                                               (83)

Определяем эффективный крутящий момент:

М_е = 30N_е / (p× n).                                                                           84)

Определяем литровую мощность двигателя, кВт/ л:

N_л = N_е / V_л.                                                                               (85)

Сравниваем полученное значение мощности с заданным значением, делаем выводы о правильности проведенного теплового расчета. Расхождение в значении мощности не должно превышать 10%.

 

                                                                   (86)

 

Тепловой баланс двигателя

Из анализа рабочего цикла двигателя следует, что только часть теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, используется на полезную работу, остальная же часть составляет тепловые потери. Распределение теплоты, полученной при сгорании вводимого в цилиндр топлива, называют тепловым балансом. Уравнение теплового ба­ланса имеет вид:

Q = Q_e + Q_охл + Q_г + Q_н.с. + Q_ост ,                                            (87)

где Q — теплота топлива, введенная в двигатель; Q_е — теплота, превращенная в полезную работу; Q_охл — теплота, потерянная с охлаждающим агентом (водой или воздухом); Q_г — теплота, поте­рянная с отработавшими газами; Q_н.с. — теплота, теряемая вследствие неполного сгорания топлива; Q_ост — остаточный член баланса, который равен сумме всех неучтенных потерь.

Количество располагаемой (введенной) теплоты (кВт)

 

Q = G_тQ^н.                                                                            (88)

 

Теплота (кВт), превращенная в полезную работу,

 

Q_e = N_е.                                                                                (89)

 

Теплота, передаваемая охлаждающей среде, определится по формуле:

- для двигателей с искровым зажиганием

, кВт;                                   (90)

- для дизелей

 кВт,                                             (91)

где с - коэффициент пропорциональности, с = 0,45…0,53 для четырехтактных двигателей;

 i - число цилиндров;

D - диаметр цилиндра, см;

n - частота вращения коленчатого вала двигателя, мин^-1;

m - показатель степени, m = 0,5…0,7 для четырехтактных двигателей.

Теплота (кВт), теряемая с отработавшими газами:

Q_г =G_т{М_пс×[(mc_v )_пс + R]×t_г – aМ₀×[(mc_v )_в + R]×t_в},                     (92)

где G_т = q_e×N_e — расход топлива, кг/с;

М_пс и aМ₀ — расходы продуктов сгорания и воздуха в расчете на 1 кг топлива, кмоль/кг;

(mc_v )_пс - средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания (определяется из приложения по табл. П3 для дизелей и табл. П4 для двигателей с искровым зажиганием);

(mc_v )_в  - средняя мольная теплоемкость свежего заряда при постоянном объеме. Определяется методом интерполяции, исходя из следующих значений: - при температуре t₀  = 0°С (mc_v )_в  = 20,759 кДж/(кмоль⋅град);

  - при температуре t₀ = 100°С = 20,839 кДж/(кмоль⋅град);

  t₆ = (Т₆ – 273) и t₀ = (Т₀ – 273) — температуры отработавших газов и воздуха, ^оС;

  R = 8,314 кДж/(кмоль·град) – универсальная газовая постоянная.

Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива, определится по формуле

 

Q_н.с. = (ΔQ^Н)_химG_т.                                                                     (93)

 

Остаточный член теплового баланса (кВт)

 

Q_ост = Q – (Q_e + Q_охл + Q_г + Q_н.с.).                                            (94)

 

Составляющие теплового баланса сводятся в таблицу и приводятся в расчетно-пояснительной записке.

 

Таблица 7 - Основные величины теплового баланса двигателя

Составляющие теплового баланса	N, кВт	q, %
Количество располагаемой (введенной) теплоты
Теплота, превращенная в полезную работу
Теплота, потерянная с охлаждающим агентом
Теплота, поте­рянная с отработавшими газами
Теплота, теряемая вследствие неполного сгорания топлива
Остаточный член теплового баланса

 

Тепловой баланс можно составить в процентах от всего количества введенной теплоты, тогда уравнение баланса примет вид

 

100 % = q_e + q_охл + q_г + q_н._c. + q_ост,                                                    (95)

где q_e = (Q_e/Q) 100%; q_охл = (Q_охл/Q) 100%; q_г = (Q_г/Q) 100% и т. д.

 

---

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 493; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!