Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ имени первого Президента РФ Б.Н. Ельцина

Кафедра: "Турбин и двигателей"

Курсовая работа

Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания

по дисциплине "Теория поршневых и комбинированных двигателей"

Екатеринбург 2009 г

1. Исходные данные

Тип двигателя дизельный;

Мощность двигателя N_e=125 кВт;

Частота вращения n=2600 мин^-1;

Количество цилиндров i=8;

Степень сжатия ξ=17;

Коэффициент избытка воздуха α=2,1;

Давление перед впускными органами p_k=2,76 кг/см²;

Наличие турбокомпрессора да;

Наличие охладителя надувочного воздуха да;

Адиабатический КПД компрессора η_ка=0,73;

Отношение S/D=1,0;

Максимальное давление сгорания p_z=8 МПа;

Коэффициент избытка продувочного воздуха φ_к=1,03;

Тактность двигателя 4;

Выбор расчетных параметров

Характеристика дизельного топлива для двигателей внутреннего сгорания приведена в табл.1.

Таблица 1

Давление и температура окружающей среды: Р_о=1,03 кг/см² , t_o=20°C.

Сопротивление охладителя наддувочного воздуха Δр_x: Δр_x= 0,04 кг/см². Понижение температуры воздуха в охладителе надувочного воздуха: ΔT_x=80. Показатель политропы сжатия в компрессоре для центробежных компрессоров: K=1,4.

Температура остаточных газов:Т_г=800.

Коэффициент использования теплоты в точке z:ξ_z=0,7.

Коэффициент использования теплоты в точке в:ξ _в=0,7.

Механический КПД:η_м=0,9.

2. Расчет рабочего цикла

Параметры рабочего тела

Стехиометрическое количество воздуха на 1 кг топлива:

кмоль;

Количество свежего заряда на 1 кг топлива:

кмоль;

Количество продуктов сгорания при условии, что сгорание 1 кг топлива происходит с

α =1

кмоль;

Количество продуктов сгорания 1 кг топлива при заданном:

кмоль,

Отношение количества продуктов сгорания при α=1 к количеству их при заданном α:

;

Объемная доля избыточного воздуха в продуктах сгорания:

Сумма объемных долей продуктов сгорания при α=1 и избыточного воздуха тождественно равна единице:

Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси:

.

дизельный топливо двигатель политропа

Параметры процесса газообмена

Давление в выходном патрубке компрессора:

кг/см²,

где р_к - давление перед впускными органами двигателя;

Δp_x- сопротивление охладителя наддувочного воздуха.

Температура воздуха в выходном патрубке компрессора:

К,

где T₁^* - температура заторможенного потока воздуха на входе в компрессор,

T₁^*=t₀+273;

π_к - степень повышения давления в компрессоре π_к=p_k^’/p₀.

Температура воздуха во впускном патрубке двигателя:

К,

где ΔT_к- понижение температуры воздуха в охладителе наддувочного

воздуха.

Давление в начале сжатия:

р_а=0,94р_к=0,94·2,76=2,6 кг/см².

Давление остаточных газов в цилиндре в конце выпуска:принимаем , откуда кг/см², следовательно

кг/см².

Коэффициент наполнения

где ξ_с.з. - коэффициент дозарядки;

ξ_оч - коэффициент очистки, учитывающий уменьшение остаточных газов при продувке;

ξ - коэффициент, учитывающий различия в теплоемкостях рабочей смеси при температуре Т_а и остаточных газов при Т_r;

ΔТ - величина подогрева свежего заряда. Принимаем ξ_с.з.=ξ= 1.

,

где φ_к - коэффициент избытка продувочного воздуха.

Величина подогрева свежего заряда ΔTнаходится в пределах 0...20 К. Принимаем ΔT=8 К.Коэффициент остаточных газов

,

где Т_r- температура остаточных газов.

Температура в начале сжатия:

К.

Коэффициент продувки:

.

Сжатие

Показатель политропы сжатия n₁ и температуру в конце сжатия Т_с определяют из системы уравнений.

где и_с.з. - внутренняя энергия 1 кмоль свежего заряда при температуре соответствующей точки цикла, указанной в индексе; и₀ - внутренняя энергия 1 кмоль продуктов сгорания при α= 1 и температуре соответствующей точки цикла, указанной в индексе.

Коэффициенты:

;

.

При t_a=86⁰C,

1) Пусть

2) Пусть

Из диаграммы принимаем .

Тогда Т_с=933К=660⁰С.

Давление в цилиндре в конце сжатия:

кг/см².

Сгорание

Степень повышения давления:

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

Температура конца сгорания определяется из уравнения:

графическим методом.

Внутреннюю энергию u_{с с.з}и u_{с с.п} при температуре сжатия t_cнаходим по табл.2.

1) Пусть Т_z=1700⁰С

12503=14596

2) Пусть Т_z=1400⁰С.

12503=11787

Из диаграммы принимаем t_z=1475⁰C.

Степень предварительного расширения:

Расширение

Степень последующего расширения:

Показатель политропы расширения n₂ и температуру в конце расширения t_вопределяем из системы уравнений:

Принимаем n₂=1,2, тогда

.

1) Принимаем n₂=1,15, тогда

Принимаем n₂=1,2.

Давление в конце расширения:

.

Параметры, характеризующие рабочий цикл

Расчетное среднее индикаторное давление дизеля, кг/см²,

Действительное среднее индикаторное давление, кг/см ,

где φ_n- коэффициент полноты диаграммы, учитывающий уменьшение

площади диаграммы:

принимаем φ_n=0,92.

Индикаторный КПД:

.

Удельный индикаторный расход топлива:

кг/л.с.-ч.

Среднее эффективное давление:

кг/см.

Эффективный КПД двигателя:

.

Удельный эффективный расход топлива:

кг/л.с.-ч.

Основные размеры цилиндра

Рабочий объем цилиндра:

л.

Диаметр цилиндра:

дм,

Из отношения S/D, определяем ход поршня:

дм.

3. Построение индикаторной диаграммы

Зная параметры характерных точек расчетного цикла, можно построить индикаторную диаграмму в функции от рабочего объема.

По оси абсцисс откладываем отрезок АВ=68 мм, соответствующий рабочему объему цилиндра (V_h=6,78 л), а отрезок ОА=АВ/(ε-1)=68/12,5 ≈ 5,5 мм. Далее по данным теплового расчета на диаграмме откладываем в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках.

Построение политропы сжатия и расширения может быть выполнено аналитически путем использования уравнения политропы pVⁿ=const.

Для кривой сжатия ac

.

Для кривой расширения zb

В данных выражениях отношение объемов может быть заменено отношением отрезков, тогда

и

Задавая значения l_i в диапазоне изменения отрезка от точки А до точки В, подсчитываем величины давлений в промежуточных точках политроп сжатия и расширения.

Значения и порядок определения процессов сжатия и расширения показаны в таблице 1.

Таблица 1

По данным таблицы построим линии сжатия и расширения; линии давлений впуска ra и выпуска br условно принимаются неизменными на протяжении их процессов.

Производится округление диаграммы на различных участках. В конце процесса сжатия имеют место потери части полезной площади в результате более плавного перехода линии сжатия в линию сгорания. Задаемся величиной угла опережения зажигания (точка d). В точке с', расположенной примерно по середине участка dc, начинается период видимого сгорания. Положение точки c'' ориентировочно определяется по выражению

кг/см².

Вследствие конечного значения скоростей горения действительная линия сгорания отклоняется от теоретической, а процесс сгорания, начинаясь за 25…30 ^оС до прихода поршня в ВМТ, заканчивается через 10…15 ^оС после его прихода. При этом максимальное давление p_z цикла снижается примерно на 15% и полезная площадь диаграммы также уменьшается.

В конце процесса расширения выпускной клапан открывается в точке b₁ за 40…70 ^оС до прихода поршня в НМТ. Это необходимо для лучшей очистки цилиндров от отработавших газов и уменьшения работы, затрачиваемой на их удаление. Скругление участка выпуска производится таким образом, чтобы точка b₁ располагалась примерно на середине отрезка ba (теряется часть полезной площади диаграммы).Кроме этого часть индикаторной работы затрачивается на осуществление процессов впуска и выпуска. Насосные потери эквивалентны площади индикаторной диаграммы, заключенной между линиями впуска и выпуска.Политропа расширения строится из точки z. Положение точки определяется степенью предварительного расширения. Отрезок