Параметры окружающей среды и остаточные газы

Задание на курсовую работу

 

Произведем расчет четырехтактного дизеля, предназначенного для грузового автомобиля. Прототипом рассчитываемого двигателя является ЯМЗ-236. Номинальная мощность двигателя N_е=132.4 кВт при частоте вращения коленчатого вала n=2100 об/мин. Двигатель шестицилиндровый, i=6 с V-образным расположением цилиндров. Степень сжатия e =16,5.

Тепловой расчет и тепловой баланс дизеля

 

Исходные данные

 

Техническая характеристика двигателя прототипа ЯМЗ-236. Характеристику двигателя прототипа представим в виде таблицы.

 

Таблица 1.

1	Номинальная мощность	Nе	132.4
2	Частота вращения	n	2100
3	Диаметр цилиндра	D	130
4	Ход поршня	S	140
5	Отношение хода поршня к диаметру цилиндра	S/D	1.077
6	Литраж двигателя		11.14
7	Степень сжатия		16.5
8	Средняя скорость поршня		9.8
9	Литровая мощность		11.89
10	Максимальный крутящий момент		667
11	Частота вращения коленчатого вала при максимальном крутящем моменте		1500
12	Среднее эффективное давление при номинальной мощности		0.679
13	Среднее эффективное давление при максимальном крутящем моменте		0.752
14	Минимальный удельный расход топлива		238

 

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:

Н_и=33,91С+125,60Н-10,89 (О-S) - 2,51 (9Н + W) =33,91·0,870 + 125,60·0,126-10,89·0,004-2,51·9·0,126=42,44 МДж/кг = 42440 кДж/кг.

 

Параметры рабочего тела

 

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

 

L₀= (С/12+Н/4-О/32) /0, 208= (0,87/12+0,126/4-0,004/32) /0, 208=0,500 кмоль возд/кг топл;

l₀= (8С/3+8Н-О) /0,23= (8·0,87/3+8·0,126-0,004) /0,23=14,452 кг возд/кг топл.

Коэффициент избытка воздуха. Уменьшение коэффициента избытка воздуха α 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 α=1,4-1,5. В связи с этим можно принять: α =1,4 - для дизеля без наддува.

Количество свежего заряда:

при α =1,4 М = α L =1,4·0,5=0,7 кмоль св. зар/кг топл.; Количество отдельных компонентов продуктов сгорания

 

=C/12=0,87/12=0,0725 кмоль СО₂/кг топл;

=Н/2=0,126/2=0,063 кмоль Н₂О/кг топл.

При α =1,4  =0, 208 ( -1) L =0, 208· (1,4-1) ·0,5=0,0416 кмоль О /кг топл.;

 

=0,792αL₀=0,792·1,4·0,5=0,5544 кмоль N₂/кг топл;

Общее количество продуктов сгорания

 

= + + + _.

При α =1,4 М₂=0,0725+0,063+0,0416+0,5544=0,7315 кмоль пр. сг/кг топл.

 

Параметры окружающей среды и остаточные газы

Давление и температура окружающей среды при работе дизеля без наддува р_k=p₀=0,1 МПа и T_k=Т₀=293 К.

Температура и давление остаточных газов. Достаточно высокое значение e=16,5 дизеля без наддува снижает температуру и давление остаточных газов, а повышенная частота вращения коленчатого вала несколько увеличивает значения T_r и p_r. Можно принять для дизелей:

без наддува T_r=750 К, p_r =1,05,p₀ =1,05·0,1=0,105 МПа.

 

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 0 С. Поэтому принимаем для дизелей: без наддува ∆Т =20 ⁰С.

Плотность заряда на впуске

 

r_К=р_К10⁶/ (R_ВT_К);

без наддува r_К =0,1·10⁶/ (287·293) = 1,189 кг/м^3,где Rв=287 Дж/кг·град - удельная газовая постоянная для воздуха.

Потери давления на впуске в двигателе

 

без наддува Dp_a= (b²+x_вп) w²_впr_k·10^-6/2=2,7·70²·1,189·10^-6/2=0,008 МПа.

 

где (b²+x_вп) =2,7 и w_вп=70 м/с 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

 

p_a=p_к-Dp_a;

без наддува p_а=0,1-0,008=0,092 МПа.

Коэффициент остаточных газов.

 

g_r=p_r (T_к+DT) / (T_r (ep_a-p_r)).

Без наддува g_r= (293+20) ·0.105/ ( (16,5·0,092-0,105) 750) =0,03101.

 

Температура в конце впуска

 

T_a= (T_к+DT+g_rT_r) / (1+g_r).

без наддува Т_а= (293+20+0,03·750) / (1+0,03101) =325,41 К.

 

Коэффициент наполнения

 

h_V=T_к (ep_a-p_r) / ( (T_к+DT) (e-1) p_к);

без наддува h_V=293 (16,5·0,092-0,105) / ( (293+20) · (16,5 - 1) ·0,1) =0,853.

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, который определяется по номограмме (см. рис.4.4) [1]:

для дизеля без наддува при e=16,5 и T_a=325,41 К

 

n₁ k₁= 1,3705

 

Давление в конце сжатия

 

p_c=p_ae , без наддува p_c=0,092·16,5^1,3705=4,283 МПа.

 

Температура в конце сжатия

 

T_c=T_ae ^-1,без наддува T_c=325,41 ·16,5^1,3705-1=919,4 К.

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:

а) воздуха

 

=20,6+2,638·10^-3 t_c:

для дизеля без наддува =20,6+2,638·10^-3·646,4=22,305 кДж/ (кмоль·град),

 

где t_c=T_c-273 = 919,4-273=646,4 ⁰С;

б) остаточных газов

 - определяется методом интерполяции по табл.3.9 [1]:

для дизеля без наддува при a=1.4 и t_c=646,4 ⁰С

 

=23,937+ (24,342-23,937) · =24,123 кДж/ (кмоль·град)

 

где 23,937 и 24,342 - значения теплоемкости продуктов сгорания при 600 и 700 ⁰С соответственно и α=1,4, взятые по табл.3.9 [1].

 

=24,123 кДж/ (кмоль·град);

 

в) рабочей смеси

= (1/ (1+g_r)) * ( +g_r* );

 

для дизеля без наддува

 

= (1/ (1+0.03) (22,305+0,03·23,937) =22,351 кДж/ (кмоль·град);

 

Процесс сгорания

Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси в дизелях:

 

без наддува m₀=M₂/M₁=0,7315/ 0,7=1,045;

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси в дизелях:

 

без наддува m= (m₀+g_r) / (1+g_r) = (1,045+0,03101) / (1+0,03101) =1,0436;

Теплота сгорания рабочей смеси в дизелях:

 

без наддува H_{раб. см} = Н_и / (М₁ (1+g_r)) =42440/ (0,7 (1+0,03101)) =58805 кДж/кмоль раб. см;

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания в дизелях:

= (1/ ) [ + + + ] ;  = +8,315;

без наддува = (1/0,7315) [0,0725 (39,123+0,003349 t_z) +0,063 (26,67+0,004438 t_z) +0,0416 (23,723+0,00155 t_z) +0,5544 (21,951+0,001457 t_z)] =24,160+0,00191 t_z;

=24,160+0,00191 t_z+8,315=32,475+0,00191 t_z;

Коэффициент использования теплоты для современных дизелей с хорошо организованным струйным смесеобразованием можно принять для двигателей без наддува x_z=0.82.

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 λ=2,0.

Температура в конце видимого процесса сгорания

x_zH_{раб. см}+ [ +8.315λ] t_c +2270 (λ-m) =m t_z:

без наддува 0,82·58805+ [22.351+8.315·2] 646+2270· (1-1,044) =1,044 (32,475+0,00191 tz) tz или 0,001994 tz2+33,904 tz-73732=0,откуда tz= (-33,904+√ (33,9042+4·0,001994·73732)) / (2·0,001994) =1949⁰С

ТZ= tz+273=1949+273=2222 К.

Максимальное давление сгорания для дизелей:

без наддува pz=λ pc=2,0·4,283=8,556 МПа.

 

Степень предварительного расширения для дизелей:

 

без наддува ρ= m Tz / (λ Tc) =1,044·2222/ (2,0·919,4) =1,2616.