Тепловой расчет и тепловой баланс двигателя без наддува - Совершенствование энергетической установки дорожного катка

Как отмечал А. И. Колчин и В. П. Демидов [ ] тепловой расчет позволяет с достаточной степенью точности аналитическим путем определить основные параметры вновь проектируемого двигателя, а также проверить степень совершенства действительного цикла реально работающего двигателя.

Исходные данные

Произвести расчет четырехтактного дизеля Д-243, предназначенного для дорожного катка ДУ-50. Дизель четырехцилиндровый (i=4) с неразделенными камерами сгорания, объемным смесеобразованием, частотой вращения коленчатого вала при максимальной мощности и степенью сжатия, рабочим объемом-4,75 литра, диаметр цилиндра -110 мм. Расчет выполнить для дизеля без наддува, с эффективной мощностью Ne=92 кВт. Коэффициент избытка воздуха б=1,6.Степень повышения давления в дизеле л=1,4.Коэффициент использования теплоты о=0,8

Топливо. В соответствии с ГОСТ 305-82 для рассчитываемого двигателя принимаем дизельное топливо (для работы в летних условиях - марки Л и для работы в зимних условиях - марки З). Цетановое число топлива - не менее 45.

Средний элементный состав дизельного топлива

С=0,870; Н = 0,126; О=0,004.

Низшая теплота сгорания топлива, НU, кДж/кг, определяется по формуле,

(1)

Где: С, Н,О - средний элементный состав дизельного топлива, приведенный выше

Параметры рабочего тела. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

(2)

Где 1/0,28 коэффициент избытка воздуха.

(3)

Коэффициент избытка воздуха. Уменьшение коэффициента избытка воздуха б до возможных пределов уменьшает размеры цилиндра и, следовательно, повышает литровую мощность дизеля, но одновременно с этим значительно возрастает теплонапряженность двигателя, особенно деталей поршневой группы, увеличивается дымность выпускных газов. Лучшие образцы современных дизелей без наддува со струйным смесеобразованием устойчиво работают на номинальном режиме без существенного перегрева при б=1,4--1,5 а с наддувом при б=1,6 - 1,8.

Количество свежего заряда б, св. зар/кг топл, определяется по формуле:

(4)

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания

(5)

(6)

При

Б=1,5

(7)

(8)

Общее количество продуктов сгорания, определяется по формуле

(9)

При

Б=1,5

Параметры окружающей среды и остаточные газы. Атмосферные условия

Давление окружающей среды для дизелей:

Без наддува

Температура окружающей среды для дизелей:

Без наддува

Температура и давление остаточных газов. Достаточно высокое

Значение дизеля без наддува снижает температуру и давление

Остаточных газов, а повышенная частота вращения коленчатого

Вала несколько увеличивает значения При наддуве тем-

Пературный режим двигателя повышается и увеличивает значения

. Поэтому можно принять для дизелей без наддува

Процесс впуска. Температура подогрева свежего заряда. Рассчитываемый двигатель не имеет специального устройства для подогрева свежего заряда. Однако естественный подогрев заряда в дизеле без наддува может достигать ? 15 - 20 °С, а при наддуве за счет уменьшения температурного перепада между деталями двигателя и температурой наддувочного воздуха величина подогрева сокращается. Поэтому принимаем для дизелей: без наддува AT-20 °С.

Плотность заряда на впуске сК, кг/м 3, определяется по формуле

(10)

Где:pК - давление окружающей среды для дизелей, МПа;

RВ - Температурный перепад, с 0;

TК - температура окружающей среды для дизелей, К

Потери давления на впуске в двигателе:

Где: и приняты в соответствии со скоростным режимом двигателей и с учетом небольших гидравлических сопротивлений во впускной системе дизеля с наддувом и без наддува.

Давление в конце впуска

(11)

Где pК - давление окружающей среды для дизелей, МПа;

- потери давления, МПа

Коэффициент остаточных газов

(12)

Где: - температура окружающей среды, К;

- разность температур, К;

- давление остаточных газов, МПа;

- температура остаточных газов, К;

- степень сжатия;

- давление в конце впуска, МПа

Температура в конце впуска

(13)

Где: - коэффициент остаточных газов, приведенный выше

Коэффициент наполнения

(14)

Процесс сжатия. Средние показатели адиабаты и политропы сжатия. При работе дизеля на номинальном режиме можно с достаточной степенью точности принять показатель политропы сжатия приблизительно равным показателю адиабаты:

Для дизеля без наддува при

Давление и температура в конце сжатия

(15)

Параметры, входящие в формулу приведены выше по тексту.

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:

А) воздуха (16)

Где:

Б) остаточных газов;

При б= 1,6 и

В) рабочей смеси

(17)

Процесс сгорания. Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси в дизелях, определяется по формуле:

(18)

Где: - общее количество продуктов сгорания, кмоль/кг;

- количество свежего заряда, кмоль/кг.

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси в дизелях:

(19)

Параметры входящие в формулу приведены выше по тексту

Теплота сгорания рабочей смеси в дизелях, кДж/кмоль, определяется по формуле:

(20)

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания в дизелях:

(21)

(22)

Коэффициент использования теплоты для современных дизелей с неразделенными камерами сгорания и хорошо организованным струйным смесеобразованием можно принять для двигателей без наддува.

Степень повышения давления в дизеле в основном зависит от величины цикловой 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 без наддува

Температура в конце видимого процесса сгорания

(23)

Откуда

Максимальное давление сгорания для дизелей, МПа, определяется по формуле:

(20)

Где: - степень повышения давления;

- давление в конце сжатия

Степень предварительного расширения для дизелей:

(21)

Процесс расширения. Степень последующего расширения для дизелей:

(22)

Где - степень сжатия;

- давление

Средние показатели адиабаты и политропы расширения для дизелей выбираются следующим образом. На номинальном режиме можно принять показатель политропы расширения с учетом достаточно больших размеров цилиндра, несколько меньше показателя адиабаты расширения, который определяется по номограмме. Для дизелей:

При

Давление и температура в конце расширения для дизелей, МПа, определяется по формуле:

(23)

Где: - давление в начале расширения, МПа;

- степень расширения

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов для дизелей:

(24)

Индикаторные параметры рабочего цикла. Теоретическое среднее индикаторное давление

Среднее индикаторное давление для дизелей:

Где коэффициент полноты диаграммы принят

Индикаторный КПД для дизелей

(25)

Параметры, входящие в формулу приведены выше по тексту

Индикаторный удельный расход топлива для дизелей:

Эффективные показатели двигателя. Среднее давление механических потерь

(26)

Где, средняя скорость поршня предварительно принята

Среднее эффективное давление и механический КПД для дизелей, определяются по формулам:

(27)

Где - среднее индикаторное давление, МПа;

- среднее давление механических потерь, МПа

(28)

Эффективный КПД и эффективный удельный расход топлива для дизелей:

Без наддува

Основные параметры цилиндра и двигателя. Литраж двигателя, л, определяется по следующей формуле:

(29)

Где: - тактность двигателя;

- эффективная мощность, кВт

Рабочий объем цилиндра, , л, определяется по формуле:

(30)

Где: - количество цилиндров двигателя

Диаметр и ход поршня дизеля, как правило, выполняются с отношением хода поршня к диаметру цилиндра. Однако уменьшение для дизеля, так же как и для карбюраторного двигателя, снижает скорость поршня и повышает. В связи с этим целесообразно принять :

Окончательно принимаем D=S= 114 мм.

По окончательно принятым значениям D и S определяются основные параметры и показатели двигателя:

Что достаточно близко (ошибка <2%) к ранее принятому значению

Построение индикаторной диаграммы дизеля без наддува

Масштаб хода поршня - МS = 2 мм в мм; масштаб давлений - MP = 0,04 МПа в мм.

Приведенные величины рабочего объема цилиндра и объема камеры сгорания соответственно:

Максимальная высота диаграммы (точки z 1 и z) и положение точки z по оси абсцисс

Ординаты характерных точек:

Построение политроп сжатия и расширения проводится графическим методом (см. рисунок 1):

А) для луча ОС принимаем угол б = 15О; Б) В) используя лучи OD и ОС, строим политропу сжатия, начиная с точки с; Г) Д) используя лучи ОЕ и ОС, строим политропу расширения, начиная с точки z.

Теоретическое среднее индикаторное давление

Что очень близко к величине, полученной в тепловом расчете ( - площадь диаграммы acz'zbа).

Скругление индикаторной диаграммы. Учитывая достаточную быстроходность рассчитываемого дизеля и величину наддува, ориентировочно устанавливаются следующие фазы газораспределения:

Впуск - начало (точка r1) за 25° до в. м.т. и окончание (точка а") - 60° после н. м.т.;

Впуск - начало (точка b') за 60° до н. м.т. и окончание (точка а') - 25° после в. м.т.

С учетом быстроходности дизеля принимается угол опережения впрыска 20° (точка с1) и продолжительность периода задержки воспламенения (точка f)

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения впрыска определяется положение точек b', r ', a', a", c' и f по формуле для перемещения поршня:

Где л - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна. Выбор величины л производится при проведении динамического расчета, а при построении индикаторной диаграммы ориентировочно устанавливаем л =0,270.

Результаты расчета ординат точек b', r ', а', а", с' и f приведены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты расчета

Обозначение точек

Положение точек

Расстояние AX точек от в. м.т., мм

R '

С'

60О до н. м.т. 25О до в. м.т. 25О после в. м.т. 60О после н. м.т. 20О до в. м.т. (20-8О) до в. м.т.

120 25 25 120 20 12

1,601 0,122 0,122 1,601 0,076 0,038

66 5 5 66 3,1 1,5

Положение точек с" определяют из выражения

Точка лежит на линии ориентировочно вблизи точки z.

Нарастание давления от точки с" до составляет 11,307 - 8,669 = 2,638 МПа или 2,638/10=0,264 МПа/град п. к.в., где 10 - положение точки по оси абсцисс, град.

Соединяя плавными кривыми точки r с а', с' с f и с" и далее с и кривой расширения b' с b" (точка b" располагается между точками b и а) и далее с r ' и r, получаем скругленную индикаторную диаграмму r а' a c' f c" b' b'' r.

Тепловой баланс. Общее количество теплоты,,Дж/с, введенной в двигатель с топливом для дизелей, определяется по формуле:

(31)

Параметры, входящие в формулу, определены выше по тексту

Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1 с, для дизелей:

Теплота, передаваемая охлаждающей среде, для дизелей:

Где: С - коэффициент пропорциональности (для четырехтактных двигателей С = 0,45 ч 0,53); i - число цилиндров; D - диаметр цилиндра, см; m - показатель степени (для четырехтактных двигателей m = 0,6 ч 0,7); n - частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1.

Теплота, унесенная с отработавшими газами (в дизеле с наддувом часть теплоты отработавших газов используется в газовой турбине),

Где:;

- определено по таблице методом интерполяции при б = 1,6 и

;

- определено по таблице (графа "Воздух") при.

Неучтенные потери теплоты

(32)

Параметры, входящие в формулу, приведены выше по тексту

Составляющие теплового баланса представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Составляющие теплового баланса

Составляющие теплового баланса	Дизель без наддува
Q, Дж/с	Q, %
Теплота, эквивалентная эффективной работе	85200	20,1
Теплота, передаваемая охлаждающей среде	52856	19
Теплота, унесенная с отработавшими газами	285866	27,1
Неучтенные потери теплоты	220030	33,8
Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом	643952	100

Расчет внешней скоростной характеристики дизеля

На основании теплового расчета, проведенного для режима номинальной мощности, получены следующие параметры, необходимые для расчета и построения внешней скоростной характеристики дизеля:

Эффективная мощность Ne = 92 кВт; частота вращения коленчатого вала при максимальной мощности nN = 2200 мин-1, тактность двигателя ф = 4; литраж VЛ = 4,75 л; ход поршня S = 114 мм; теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива = 14,452 кг возд/кг топл.; плотность заряда на впуске = 1,641 кг/м 3; коэффициент избытка воздуха aN = 1,6; удельный эффективный расход топлива.

Расчетные точки скоростной характеристики. Принимаем: nMin = 500 мин-1; nX1 = 1200 мин-1; далее через каждые 500 мин-1 и nN = 2200 мин-1.

Все расчетные данные заносятся в таблицу 3.

Таблица 3 - Расчетные данные

Частота вращения коленчатого вала, мин-1	Параметры внешней скоростной характеристики
600 1200 1700 2200	89,1 181,4 302,7 386,3	1330 1465 1529 1522	0,395 0,435 0,454 0,452	3,5 7 10,5 14	0,130 0,172 0,213 0,254	0,525 0,607 0,667 0,706	1768 2044 2246 2378	554 481 430 404	54 103,3 144,5 180,2	1,40 1,44 1,49 1,52	1,035 1,018 0,983 0,938