Курсовая работа: Тепловой расчет автомобильных газовых двигателей

2.6 Проверка точности выбора температуры остаточных газов

Расчетная температура остаточных газов в градусах Кельвина (К) определяется по формуле:

Ошибка между принятой величиной Т_r в пункте (2.2.2) и рассчитанной по формуле (2.48) в процентах определяется по формуле:

Если > 10%, то параметры теплового расчёта необходимо пересчитать с пункта 2.2.2, приняв за новое значение Т_r рассчитанное значение .

Если ? 10 %, то расчет продолжается с учетом прежнего значения .

2.7 Индикаторные показатели рабочего цикла

2.7.1 Среднее индикаторное давление

Среднее теоретическое индикаторное давление - это условное среднее давление, действующее на поршень и равное теоретической работе газов за цикл, отнесённой к рабочему объёму цилиндра.

Среднее теоретическое индикаторное давление в МПа определяется по формуле:

Среднее индикаторное давление действительного цикла в МПа отличается от теоретического на величину уменьшения работы газов действительного цикла против работы газов теоретического цикла (пропорционально уменьшению расчётной индикаторной диаграммы за счёт ее скругления) и определяется по формуле:

где - коэффициент полноты индикаторной диаграммы.

Значения коэффициента ?_u принимаются из интервала значений 0,94…0,97.

2.7.2 Индикаторный КПД

Индикаторный КПД характеризует степень использования теплоты топлива для получения полезной работы в действительном цикле, то есть индикаторный КПД учитывает все тепловые потери действительного цикла.

Для газовых двигателей значения Н_и относят к 1 м³ топлива при стандартных условиях, поэтому и М₁ необходимо отнести к 1 м³ топлива, тогда индикаторный КПД ?_i определяется по формуле:

где кДж/(кмоль · К) - универсальная газовая постоянная.

2.7.3 Индикаторный удельный расход топлива

Для газовых двигателей индикаторный удельный расход топлива в м³/(кВт·ч) определяется по формуле:

Теплота сгорания различных газообразных топлив сильно отличается, что не позволяет сравнивать по экономичность рабочих циклов двигателей при их работе на разных топливах. Более удобным и универсальным является метод сравнения их экономичности по удельному расходу теплоты в кДж/(кВт·ч), который можно определить по формуле:

Рассчитанные индикаторные показатели двигателя сравниваются со значениями этих показателей современных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 2.5.

Таблица 2.5 - Значения индикаторных показателей двигателей

2.8 Эффективные показатели двигателя

Эффективные показатели характеризуют работу двигателя и отличаются от индикаторных показателей на величину механических потерь.

2.8.1 Давление механических потерь

К механическим потерям относятся все потери на преодоление различных сопротивлений, таких как трение, привод вспомогательных механизмов, газообмен, привод компрессора. Давление механических потерь - это условное давление, равное отношению работы механических потерь к рабочему объёму цилиндра двигателя. Величину давления механических потерь в МПа оценивают по средней скорости поршня по формуле:

где - экспериментальныекоэффициенты,величиныкоторых приведены в таблице 2.6.

- средняя скорость поршня, м/с, .

Таблица 2.6 - Значения коэффициентов а_м и b_м

2.8.2 Среднее эффективное давление

Среднее эффективное давление в МПа определяется по формуле:

2.8.3 Механический КПД

Механический КПД определяется по формуле:

2.8.4 Эффективный КПД

Отношение количества теплоты, эквивалентной полезной работе на валу двигателя, к общему количеству теплоты, внесённой в двигатель с топливом, называется эффективным КПД ?_е , который определяется по формуле:

2.8.5 Эффективный удельный расход топлива

Эффективный удельный расход топлива в м³/(кВт·ч) определяется по формуле:

Так как теплота сгорания газового топлива колеблется в широких пределах, для газовых двигателей используется показатель - удельный эффективный расход теплоты q_е в кДж /(кВт·ч), который можно определить по формуле:

Рассчитанные эффективные показатели двигателя сравниваются со значениями этих показателей современных двигателей внутреннего сгорания, которые представлены в таблице 2.7.

Таблица 2.7 - Значения эффективных показателей двигателей

2.9 Основные параметры и показатели двигателя

Рабочий объём цилиндра в дм³ определяется по формуле:

где - коэффициенттактностирабочегопроцессадвигателя,для четырёхтактного процесса (? = 4);

Отношение хода поршня S к диаметру цилиндра D (показатель S/D) принимается из предела (0,86…1,07).

Диаметр цилиндра D в мм определяется по формуле:

Ход поршня двигателя S в мм определяется по формуле:

Полученные значения S и D округляются в большую сторону до целых чисел чётных или кратных пяти.

Расчетная средняя скорость поршня в м/с определяется по формуле:

Ошибка между принятой величиной в пункте (2.8.1) и рассчитанной по формуле (2.63) в процентах определяется по формуле:

Если , то необходимо пересчитать с пункта 2.8.1, приняв за новое значение рассчитанное значение . Если , то расчёт продолжается с учётом прежнего значения .

По принятым значениям D и S определяют окончательные основные параметры и показатели двигателя.

Рабочий объём одного цилиндра V_h в дм³ определяется по формуле:

Литраж двигателя V_л в дм³ определяется по формуле:

Объём камеры сгорания V_с в дм³ определяется по формуле:

Полный объём цилиндра V_а в дм³ определяется по формуле:

Мощность двигателя в кВт определяется по формуле:

Поршневая мощность двигателя N_n в кВт/дм² определяется по формуле:

Эффективный крутящий момент определяется по формуле:

Часовой расход газообразного топлива в м³/ч определяется по формуле:

2.10 Тепловой баланс

Для анализа характера теплоиспользования и путей его улучшения при расчете двигателя определяются составляющие теплового баланса.

2.10.1 Уравнение теплового баланса

Уравнение теплового баланса имеет вид:

где - общее количество теплоты, введённое в цилиндр, Дж/с;

Q_e - теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя, Дж/с;

Q_охл - теплота, отданная охлаждающей среде, Дж/с;

Q_r - теплота, уносимая из двигателя с отработавшими газами, Дж/с;

Q_н.с - теплота, потерянная при неполном сгорании топлива, Дж/с;

Q_ост - неучтённые потери теплоты, Дж/с

2.10.2 Общее количество теплоты

Общее количество теплоты в Дж/с определяется по формуле:

2.10.3 Теплота, эквивалентная эффективной работе

Теплота , эквивалентная эффективной работе, в Дж/с определяется по формуле:

2.10.4 Теплота, отданная охлаждающей среде

Теплота , отданнаяохлаждающейсредеприжидкостном охлаждении в Дж/с определяется по формуле:

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

m - показатель степени, m = 0,6…0,7;

D - диаметр цилиндра, мм

2.10.5 Теплота, унесённая из двигателя с отработавшими газами

Теплота , унесённая из двигателя с отработавшими газами, в Дж/с определяется по формуле:

где - температура остаточных газов, ^оС; .

- теплоёмкость остаточных газов в кДж/(кмоль ·град), которую можно определить по формуле (2.29) при подстановке в данную формулу значения температуры остаточных газов ;

- теплоёмкость свежего заряда в кДж/(кмоль ·град), которую можно определить по формуле (2.28) при подстановке в данную формулу значения температуры t_o = 20 ⁰C.

2.10.6 Неучтённые потери теплоты

Неучтённые потери теплоты Q_ост в Дж/с определяются по формуле:

Если значение , то то необходимо пересчитать величину , уменьшив значения коэффициента с и (или) показателя m.

2.10.7Относительные значения составляющих теплового баланса

i. Тепловой баланс определяется также в процентах от всего количества введённой теплоты по следующим формулам:

ii.

iii.

iv.

v.

Очевидно, что должно выполняться условие

Рассчитанные значения составляющих теплового баланса сравниваются со значениями у современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 2.8.

Таблица 2.8 - Значения составляющих теплового баланса в процентах

Если значение не входят в указанные диапазоны, то необходимо пересчитать величину ( ) изменив значения коэффициента с и (или) показателя m.

А.1 Задание на тепловой расчет

Вариант 2

Тип двигателя - газовый с наддувом;

Давление за компрессором р₀ = 0,2 МПа;

Номинальная мощность N_e=200 кВт;

Номинальная частота вращения n=2200 мин^-1;

Число цилиндров i = 8;

Степень сжатия ? = 11,5;

Охлаждение - жидкостное;

А.2 Тепловой расчёт рабочего цикла

А.2.1 Рабочее тело и его свойства

А.2.1.1 Топливо

Топливом для рассчитываемого двигателя служит компримированный (сжатый) природный газ. Элементный состав топлива представлен в таблице А.2.1.

Таблица А.2.1 - Химический состав природного газа

Проверка условия ?С_n Н_mО_r+ N₂=1 м³: 0,88+0,04+0,01+0,005+0,006+0,009+0,05=1 м³.

Низшая теплота сгорания Н_u в кДж/ м³ составит

? кДж/ м³

А.2.1.2 Горючая смесь

Теоретически необходимое количество воздуха L₀ в м³ возд./м³ топлива:

Коэффициент избытка воздуха принимаем ?=1,6.

Действительное количество воздуха L в м³ воздуха / м³ топлива

Количество горючей смеси М₁ в м³ гор.см. / м³ топлива

А.2.1.3 Продукты сгорания

Продукты сгорания состоят из углекислого газа СО₂, водяного пара Н₂О,

избыточного кислорода О₂ и азота N₂.

Количествоотдельныхсоставляющихпродуктовсгоранияв кмоль м³ прод.сгор. / м³ топлива:

ОбщееколичествопродуктовсгоранияжидкоготопливаМ₂в м³ прод.сгор. / м³ топлива:

.

Изменениеколичествамолейрабочеготелаприсгорании?Мв м³ раб.тела / м³ топлива

.

Химический коэффициент молекулярного изменения горючей смеси

А.2.2 Процесс впуска

А.2.2.1 Давление и температура окружающей среды Атмосферные условия: МПа; К.

Температура воздуха за компрессором в градусах Кельвина (К)

А.2.2.2 Давление и температура остаточных газов