Тепловой баланс карбюраторного двигателя

Уравнение теплового баланса (87) имеет вид:

Q = Q_e + Q_охл + Q_г + Q_н.с. + Q_ост ,

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 (88)

Q = G_тQ^н = 0,005579 ∙ 43,930 ×10³ =245,085 кВт.

Теплота, превращенная в полезную работу (89),

Q_e = N_е = 65 кВт.

Теплота, передаваемая охлаждающей среде, определится
по эмпирической формуле (90):

кВт,

где с - коэффициент пропорциональности, с = 0,45…0,53 для четырехтактных двигателей; примем с = 0,5

i = 4 - число цилиндров;

D - диаметр цилиндра, см; D = 8,6 см;

n = 5200 - частота вращения коленчатого вала двигателя, мин^-1;

m - показатель степени, m = 0,5…0,7 для четырехтактных двигателей, примем m = 0,65.

Теплота, теряемая с отработавшими газами (92):

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

= 0,005579{0,5006 ×[25,036+8,314]×779 – 0,461 ×[20,771 + 8,314]×15}=

= 53,34 кВт,

где G_т = 0,005579 кг/с — расход топлива;

М_пс = 0,5006 и aМ₀ = 0,461— расходы продуктов сгорания и воздуха в расчете на 1 кг топлива, кмоль/кг;

t_г= t₅= (Т₅ – 273) =1052 - 273 = 779 ^оС и t₀ = (Т₀ – 273) = 203 – 273 = 15 ^оС — температуры отработавших газов и поступающего воздуха;

(mc_v )_пс = 25,036 кДж/(кмоль⋅град) - средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания (определяется из приложения табл. 4 для бензиновых двигателей при температуре t₅);

(mc_v )_в= 20,771 - 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);

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

Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива при α=0,9 (93):

Q_н.с. = (ΔQ^Н)_химG_т = 5837 × 0,005579= 32,56 кВт.

Остаточный член теплового баланса (94)

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

=245,08 – 65 – 42,87– 53,34 – 32,56 = 51,31 кВт.

Таблица 10 - Основные величины теплового баланса двигателя

Составляющие теплового баланса	Q, кВт	q, %
Количество располагаемой (введенной) теплоты	245,08	100
Теплота, превращенная в полезную работу	65	26,55
Теплота, потерянная с охлаждающим агентом	42,87	17,49
Теплота, потерянная с отработавшими газами	53,34	21,75
Теплота, теряемая вследствие неполного сгорания топлива	32,56	13,28
Остаточный член теплового баланса	51,31	20,93

4.4. Тепловой расчет двигателя с распределенным впрыском
топлива

Произвести расчёт четырёхтактного двигателя с распределенным впрыском топлива предназначенного для легковых автомобилей. Двигатель четырехцилиндровый (i = 4). Система охлаждения жидкостная закрытого типа.

Исходные данные:

- мощность двигателя при n = 4000 об/мин, N_е – 59 кВт;

- степень сжатия ε = 10;

- коэффициент избытка воздуха α =1,0;

- топливо - бензин (С = 0,855; Н = 0,145; Н/С=0,17);

- молекулярная масса μ_т = 115;

- плотность топлива (жидк.) ρ_ж = 594 кг/м³.

Определить:

- количество воздуха, участвующего в сгорании 1 кг топлива;

- количество (кмоль) свежей смеси и продуктов сгорания;

- параметры (р и Т) процессов впуска, сжатия, сгорания и расширения;

- среднее эффективное давление цикла;

- механический, индикаторный и эффективный КПД;

- индикаторный, эффективный и секундный расходы топлива.

Рассчитать тепловой баланс.

Решение:

Низшая теплота сгорания Q^Н = 33,913С + 102,995Н – 10,885(О – S) – 2,512d = 33,913×0,855 + 102,995×0,145 = 43,930 МДж/кг = = 43930 кДж/кг.

1. Рассчитаем теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива (15-16)

2. С учетом = 1определим по формулам действительное количество воздуха, участвующего в сгорании 1 кг топлива (18). При коэффициенте избытка воздуха α < 1 расчет горения производится аналогично расчету для карбюраторного двигателя.

α·п₀ = 14,96 кг,

α·М_о = 0,512 кмоль.

3. По формуле (19) определим суммарное количество кмоль горючей смеси, участвующей в сгорании 1 кг топлива:

.

Суммарное количество горючей смеси в килограммах будет равно:

G_T =1 + 14,96 = 15,96 кг.

4. Определим суммарное количество продуктов сгорания, которое получается при сгорании этой горючей смеси:

М_ПС = М_СО + М_СО2 + М_Н2 + М_Н2О + М_N₂.

Количество отдельных составляющих продуктов сгорания рассчитываем по (29-33), подставляя a = 1,

Изменение количества молей смеси

кмоль.

Теоретический коэффициент молекулярного изменения μ₀ (34)

5. Расчет параметров процесса впуска

Определяем давление остаточных газов для номинального режима работы p_5н= (1,05…1,25)р₀ = 0,1×0,1 = 0,110 МПа.

Для заданного скоростного режима работы инжекторного двигателя давление остаточных газов определится по формуле [5]

где

n - частота вращения коленчатого вала двигателя, n = 4000 мин^-1;

p₅_H - давление остаточных газов на номинальном режиме, МПа;

n_н - номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя, поскольку в расчете конкретный двигатель не задан, примем n_н  = 7000 мин^-1.

Температуру остаточных газов Т₅ примем равной 1000 К.

С целью получения хорошего наполнения двигателя на номинальном скоростном режиме принимается примем приращение температуры в процессе подогрева заряда ∆Т _н= 6°С.

Принимаем температуру подогрева свежего заряда для номинального скоростного режима

Для заданного скоростного режима работы двигателя температура подогрева свежего заряда определится по формуле [5]

где

В соответствии со скоростным режимом двигателя (n=4000 об/мин) и при условии качественной внутренней поверхности впускной системы можно принять суммарный коэффициент, учитывающий гашение скорости и сопротивление впускной системы, отнесенный к минимальному сечению,
(β²+ζ) =2,5.

Примем скорость движения заряда в сечении клапана w_в_n= 95 м/с. Так как воздух в систему впуска забирается из атмосферы (наддув отсутствует), то р_к = р_о= 0,1 МПа, Т_к = Т₀ = 293 К. Определим плотность заряда на впуске

Определяем потери давления на впуске

где

Найдем давление в конце впуска:

Рассчитаем коэффициент остаточных газов:

где j_оч = 1, коэффициент очистки, принят с учетом продувки цилиндра;

j_доз = 1,055 – коэффициент дозарядки, определяемый по номограмме
рисунка 8.

Рисунок 8 – Параметры для теплового расчета двигателя с
распределенным впрыском топлива

Определим температуру конца впуска:

Найдем величину коэффициента наполнения:

6. Рассчитаем параметры процесса сжатия. Показатель политропы сжатия в зависимости от числа оборотов n (8):

.

Давление в конце процесса сжатия:

Температура в конце процесса сжатия:

7. Определим параметры в конце процесса сгорания. Вычислим действительный коэффициент молекулярного изменения (46)

Определим не выделившуюся теплоту вследствие неполного сгорания топлива (28). Поскольку a = 1,

Найдем температуру в конце процесса сгорания (T₃). Для этого воспользуемся уравнением сгорания (48):

Примем коэффициент теплоиспользования согласно опытным данным для двигателей равным 0,96 (график рисунка 8).

Внутренняя энергия 1 кмоля свежей смеси в конце процесса сжатия:

где (μс_νm)- средняя мольная теплоемкость при постоянном объеме в интервале температур от 0 до температуры t₂ , берут из таблицы П2 приложения, считая, что теплоемкость свежей смеси равна теплоемкости воздуха. Для t₂=535°С находим (μс_νm) =21,89 кДж/(кмоль·К).

Тогда U₂ = 21,89 · 535 = 11710 кДж/кмоль.

Внутренняя энергия 1 кмоля продуктов сгорания в конце процесса сжатия где

(μс_νm)_пс - мольная теплоемкость продуктов сгорания.

Используя данные таблицы П4 приложения, по температуре t₂ = 535°С находим значение (μс_vm)_пспри коэффициенте избытка воздуха a = 1, применяя линейную интерполяцию в интервале температур от 500°С до 600°С,(μс_vm)_пс = 24,385 кДж/(кмоль·К).

Тогда: U^”₂= 24,299 ·535 = 13000 кДж/кмоль

Подставляя найденные значения в уравнение сгорания, получим

Следовательно,

Воспользуемся табличными данными и найдем температуру t₃методом подбора. Для бензина при α = 1 и t₃ ⁼ 2800°С табличное значение
(μс_vm)_пс = 30,440 кДж/(кмоль·К). Тогда: U^”₃= 30,440 ·2800 = 85232 кДж/кмоль, что несколько меньше, чем найденное значение U^”₃= 85561 кДж/кмоль. Значит, искомая температура лежит между 2800 и 2900 °С. Принимая линейную зависимость теплоемкости от температуры, примем при температуре 2900°С (μс_vm)_пс = 30,600 кДж/(кмоль·К) и получаем U^”₃= 30,600 ·2900 =
= 88740 кДж/кмоль, что больше найденного. Путем интерполяции получаем t₃ = 2810 ^oС(Т₃ = 3083 К).

Рассчитаем давление в конце процесса сгорания (51)

Степень повышения давления

Действительное максимальное давление в цикле (53)

р₃_q = 0,9 ·10,14 = 9,13 МПа.

8. Рассчитаем параметры процесса расширения. Примем показатель политропы расширения n₂ = 1,25(см. табл. 5, стр.33). Давление в конце процесса (56):

Температура в конце процесса расширения (57):

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

9. Определим среднее индикаторное давление цикла (65)

Принимая коэффициент скругления индикаторной диаграммы φ_i = 0,96, получаем действительное среднее индикаторное давление (66)

P_i = 0,96 · 1,611 = 1,547 МПа;

10. Рассчитаем показатели экономичности цикла. Определим долю индикаторного давления, затраченного на трение и привод вспомогательных механизмов (73), примем S=0,071 м, тогда средняя скорость поршня (74)

С_m = м/с:

Р_м = А + ВС_m,

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

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

Р_м = 0,034 + 0,0113С_m = 0,034 + 0, 0113×9,5= 0,141 МПа.

Тогда среднее эффективное давление цикла

Р_e = P_i - Р_м= 1,547 - 0,141 = 1,406 МПа.

Определим механический КПД (76)

Вычислим удельный индикаторный расход топлива (69)

Тогда удельный эффективный расход топлива (77)

Найдем величину индикаторного КПД

Эффективный КПД цикла (76)

η_е = η_i·η_M = 0, 464·0,909 = 0,422.

Определим секундный расход топлива

G = q_e ∙ N_e= 0,194 ∙ 59 =11,45 кг/ч=0,00318 кг/с.

11.Основные параметры цилиндра и двигателя

Определяем литраж двигателя (77):

V_л = 30∙t∙N_e / (p_e ∙n),

где t = 4 - тактность двигателя;

N_е- эффективная мощность двигателя, кВт.

V_л= 30 ∙ 4 ∙ 59∙10³/ (1,406∙10⁶∙ 4000) = 0,001259 м³ = 1,259 л.

Определяем рабочий объем одного цилиндра (79):

V_h= V_л / i = 0,001259 / 4= 0,000315 м³.

Определяем диаметр цилиндра. Так как ход поршня S предварительно был принят 84 мм то (80):

Окончательно принимаем D = 0,076 м и S = 0,070 м.

Основные параметры и показатели двигателя определяем по окончательно принятым значениям D и S (81)

V_л= л.

Определяем площадь поршня (82):

м² .

Определяем эффективную мощность(83):

N_е= р_е× V_л×n / (30 × t) = 1,406∙10⁶×0,00129 ×4000/(30×4) = 60450 Вт = 60,4 кВт.

Определяем эффективный крутящий момент (84):

М_е= 30∙N_е/ (p× n) = 30×60,4∙10³/ (3,14 × 4000) = 144,27 Н×м.

Литровая мощность двигателя (85):

N_л = N_е / V_л = 60,4/ 1,29 = 46,8 кВт/ л.

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

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 718; Мы поможем в написании вашей работы!
Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 6 789 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!