Тепловой баланс дизельного двигателя

1. По формулам (15), кмоль, и (16), кг, рассчитываем теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

 кмоль;

 кг.

2. Действительное количество воздуха, участвующее в сгорании 1 кг топлива, с учетом коэффициента избытка воздуха a согласно (18):

α М₀ =1,6 ×0,499 = 0,794 кмоль;

α т₀ = 1,6 ×14,45 = 23,1 2 кг.

3. Определим по (25) количество, кмоль, продуктов сгорания, образующихся при сгорании 1 кг топлива:

Теоретический коэффициент молекулярного изменения по (37)

4. Рассчитаем параметры процесса впуска.

Примем атмосферные условия: р₀ = 0,10 МПа; Т₀ = 293 К.

Поскольку двигатель с наддувом,  p_k = 0,17 МПа - по заданию.

Температура на входе в цилиндр:

Т_к=Т₀(р_к/р₀)⁽ⁿk^{-1)/ n}k =293(0,17/0,/1)^{(1,65-1)/1,65}=361 K,

где n_k – показатель политропы сжатия (для центробежного нагнетателя с охлаждаемым корпусом принят n_k=1,65).

Температура подогрева DТ = 10°С (задаемся).

Плотность заряда (воздуха) на впуске

r_к = (р_кm)/(R×T_к) = (1,7×10⁵×29) /(8314 ×361) = 1,643 кг/м³.

В соответствии со скоростным режимом двигателя (n=2500 об/мин) и c учетом небольших гидравлических сопротивлений во впускной системе можно принять:

  и ,

где β -коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра; ξ_вп - коэффициент сопротивления впускной системы,
отнесенный к наиболее узкому сечению; w_вп - средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы.

Тогда давление в конце впуска по (2) при р_к и r_к

Задаемся параметрами остаточных газов

р₆ = 0,90×р_к = 0,90×0,17 =0,153 МПа; Т₆ =800 К.

Тогда коэффициент остаточных газов по (6)

Температура в конце впуска по (5) при Т_к = Т₀

Величина коэффициента наполнения по (7):

 5. Рассчитаем параметры процесса сжатия. Найдем величину показателя политропы сжатия (8)

Давление в конце процесса сжатия согласно (9)

р₂ = р₁×eⁿ¹ = 0,159×15,9^1,37 = 7,04 МПа.

Температура в конце процесса сжатия определяется по формуле (10)

T₂  =  T₁·ε^n1-1 = 384×15,9^1,37-1 = 1069 К.

6. Рассчитаем параметры процесса сгорания. Воспользуемся уравнением (47) процесса сгорания в дизельном двигателе

Коэффициент использования теплоты: для современных дизелей с нераздельными камерами сгорания и хорошо организованным струйным смесеобразованием можно принять для двигателя с наддувом в связи с повышением теплонапряженности двигателя и созданием более благоприятных условий для протекания процесса сгорания  величину коэффициента теплоиспользования x(V) = 0,85. Согласно формуле (20) М_т = aM₀ .

Действительный коэффициент молекулярного изменения m_q определится из выражения (46):

Тогда первый член уравнения процесса сгорания будет равен

Внутренняя энергия 1 кмоля заряда без учета остаточных газов в конце процесса сжатия U₂ = mс_vmt₂, где mс_vm - средняя мольная теплоемкость воздуха (кДж/кмоль×град) при постоянном объеме в интервале температур от 0 до температуры t₂ = 796 °С (1069 К) находится по табл. П2 приложения.

Для t₂ = 796 °С mC_vm = 22,701 кДж/(кмоль×град). Тогда

Внутренняя энергия U”₂ продуктов сгорания при температуре t₂ , кДж/кмоль.

Мольная теплоемкость продуктов сгорания (mC_vm )_пс при a =1,6 согласно табл. П3 приложения. при t₂ = 796 °С равна 24,472 кДж/(кмоль×К). Тогда

кДж/кмоль.

Второе слагаемое уравнения процесса сгорания

кДж/кмоль.

Степень повышения давления в дизеле в основном зависит от величины подачи топлива. С целью снижения газовых нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма целесообразно иметь максимальное давление сгорания не выше 11-12 МПа. В связи с этим целесообразно принять для дизеля с наддувом λ=1,5

Тогда третье слагаемое уравнения процесса сгорания

Сумма всех трех слагаемых левой части уравнения сгорания

= 44022 + 18114 + 13331 = 75467 кДж/кмоль.

Следовательно,

Или, учитывая, что m_q = 1,04,

Величина U”₄ зависит от температуры сгорания, поэтому последнее уравнение решаем методом подбора, пользуясь табл. П3 приложения.

Примем температуру в конце процесса сгорания t₄= 2000 °С (2273 К), тогда a = 1,6 мольная теплоемкость продуктов сгорания mС_vm =
= 27,743 кДж/кмоль, тогда

Следовательно,

U”₄ + 8,314Т₄ = 55486 + 8,314×2273 = 74383 кДж/кмоль,

что несколько больше, чем 72564 кДж/кмоль. Поэтому принимаем температуру в конце процесса сгорания Т₄ = 2173К (t₄ = 1900 ^оС) и снова повторяем расчет:

U”₄ + 8,314Т₄ = 52292 + 8,314×2173 = 70358 кДж/кмоль,

Теперь полученная величина несколько меньше, чем 72564 кДж/кмоль. Значит, искомая температура меньше. Задаемся значением температуры Т₄ и т.д. Получаем, что t₄ = 1960 °С (2233 К) (приняв линейную зависимость U" = f(T) в пределах изменения t от 1900 до 2000 °С).

По формуле (52) рассчитаем максимальное давление в процессе сгорания

 МПа.

7. Определим параметры процесса расширения. Примем показатель политропы процесса расширения n₂ = 1,27 (см. табл. 5, стр.33).

Температура в конце процесса расширения согласно (55) равна

Степень предварительного расширения

Тогда

Давление в конце процесса расширения согласно (54) равно

Проверяем правильность ранее принятого значения температуры остаточных газов (погрешность не должна превышать 10% для всех скоростных режимов работы двигателя).

8. Определяем среднее индикаторное давление цикла по (64):

Среднее индикаторное давление действительного цикла с учетом скругления диаграммы (принимаем коэффициент скругления  j _i= 0,95)

Р _i =Р_ipj _i = 1,312×0,95 = 1,246 МПа.

9. Рассчитаем показатели экономичности цикла. Оценим долю индикаторного давления, затраченного на трение и привод вспомогательных механизмов (73), полагая камеру сгорания неразделенной,  А = 0,089, В = 0,0118.

Р_м = 0,089 + 0,0118С_m.

Средняя скорость поршня (74)

С_m = S×n/30 = 0,12×2500/30 = 10 м/с,                                                

где S = 0,12 м– ход поршня, м; ориентировочно принимается по данным прототипа. Поскольку прототип в примере не задан, примем ход поршня
ориентировочно. Тогда

Р_м = 0,089 + 0,0118×10 = 0,207 МПа.

Среднее эффективное давление цикла по (72)

P_e=P_i – P_м = 1,246 – 0,207 = 1,039 МПа.

Механический КПД по (71)

Удельный индикаторный расход топлива, выраженный через основные параметры, согласно формулы (69), равняется

или

Удельный эффективный расход топлива, приходящийся на единицу эффективной работы, найденный по (77), равен

Определим величину индикаторного КПД, используя удельный индикаторный расход топлива, выраженный в кг/МДж, по (68):

Величина эффективного КПД цикла, выраженного через найденные значения индикаторного и механического КПД , согласно формулы (76) равна

Секундный расход топлива для двигателя мощностью 160 кВт составляет

10. Определение основных параметров цилиндра и удельных параметров двигателя

Исходя из величин эффективной мощности, частоты вращения коленчатого вала, среднего эффективного давления и числа цилиндров определяем литраж двигателя, (78):

V_л = 30∙t∙N_e / (p_e ∙n)  = 30×4×85×10³ / (1,039×10⁶× 2500)  = 0,003927 м³  = 3,927 л,

где t = 4  - тактность двигателя;

  n = 2500 мин^-1 – частота вращения;

 N_е= 85 кВт – заданная эффективная мощность двигателя.

Определяем рабочий объем одного цилиндра(79):

V_h = V_л / i = 0,003927 /4 = 0,000982 м³ = 0,982 л,

где i = 4 – число цилиндров.

Определяем диаметр цилиндра, (80):

.                                                                            

Ход поршня S  предварительно принят 0,12 м. 

Основные параметры и показатели двигателя (81)определяем по окончательно принятым значениям  D = 0,1 м и S = 0,12 м:

V_л = л.                                                                              

Определяем площадь поршня:

м².                                                                

Определяем эффективную мощность(83):

N_е = р_е × V_л ×n / (30 × t) = 1,039×10⁶×0,003768×2500/(30×4) = 81600 Вт = 81,6 кВт.             

Определяем эффективный крутящий момент (84):

М_е = 30× N_е / (p× n) = 30×81600/(3,14×2500) = 312 Н×м .      

Определяем литровую мощность двигателя (85):

N_л = N_е / V_л = 81,6/3,768 = 21,65 кВт/ л.

11. Сравниваем полученное значение мощности с заданным значением(86), делаем выводы о правильности проведенного теплового расчета. Расхождение в значении мощности не должно превышать 10%.                 

Мы поможем в написании ваших работ!