СГАУ ФЭЭО ЭОП

Тепловой расчёт двигателя.
I. Расчёт параметров рабочего тела, процессов впуска и сжатия.
Произвести расчёт параметров процессов впуска и сжатия автомобильного
карбюраторного двигателя.
Исходные данные:
номинальная мощность Ne =85 кВт;
номинальное число оборотов nн =4200 об/мин;
число и расположение цилиндров i  4 р ;
степень сжатия ε=7,8;
коэффициент избытка воздуха α=0,9;
топливо - бензин А-76 с химическим составом: C=0,855, Н2=0,145, О2=0;
низшая теплота сгорания топлива Hи=44 МДж/кг.
СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011
Изм. Лист
№ докум.
Разраб.
ЗУБОВ Д.А.
Провер.
ЭФЕНДИЕВ А.М.
Реценз.
Н. Контр.
Утверд.
Подпись Дата
Тепловой
расчёт
двигателя ГАЗ-24Д
Лит.
Лист
Листов
1
13
Кафедра «ЭОП АПК»
1. Расчёт параметров рабочего тела
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг. топлива:
l0 
1 8
1 8

 1 8

   C  8  H  OT  =
   C  8  H  OT 
   0,855  8  0,145  0   14,9565кг ;
0, 23  3
 0, 23  3
 0, 23  3

или в молях:
L0 
1  C H OT 
1  0,855 0,145 0 
  


   0,512кмоль .

0, 21  12 4 32  0, 21  12
4
32 
Действительное количество воздуха, участвующего в сгорании 1кг. топлива
при α=0,9:
l Д    l0  0,9 14,96  13, 46кг;
LД    L0  0,9  0,512  0, 46кмоль.
Суммарное количество свежей смеси:
G1  1    l0  1  13, 46  14, 46кг. ;
M1 
1
Т
   L0 
1
 0, 46  0, 469кмоль.
114
Здесь µт- молярная масса топлива; µт=114.
Общее количество продуктов сгорания при α<1. Продукты сгорания состоят из
СО, СО2, Н2, Н2О, N2. Количество отдельных составляющих продуктов сгорания:
M co  0, 42 
1
1  0,9
 L0  0, 42 
 0,512  0, 0143кмоль.
1 K
1  0,5
Тут К 
М Н2
М со
, по опытным данным для бензинов, у которых Н/С=0,17-0,19,
отношение К=0,45-0,5; если Н/С=0,13, тогда К=0,3. Для А-76 Н/С=0,17. Поэтому
принимаем К=0,5.
СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
2
С
0,855
 М со 
 0, 0143  0, 057 кмоль;
12
12
М н2  К  М со  0,5  0, 0143  0, 0072кмоль;
М со2 
Н
0,145
 М н2 
 0, 0072  0, 0653кмоль;
2
2
 0, 79    L0  0, 79  0,9  0,512  0,364кмоль.
М н2о 
М N2
Суммарное количество продуктов сгорания:
М 2  М со  М со2  М н2  М н2о  М N2  0, 0143  0, 057  0, 0072  0, 0653  0,364  0,508кмоль.
Приращение объёма ΔМ и теоретический коэффициент молекулярного
изменения:
М  М 2  М 1  0,508  0, 469  0, 039кмоль;
М0 
М 2 0,508

 1, 08.
М 1 0, 469
2.Расчёт процесса впуска.
Для расчёта параметров процесса впуска примем:
приращение температуры в процессе подогрева заряда от стенок впускной
системы ΔТ=20 оС;
температура остаточных газов Тг=1050 оК;
давление остаточных газов pг=0,115 Мпа/м2 =1,15 кг/см2;
суммарный коэффициент, учитывающий гашение скорости движения потока
топливо-воздушной смеси во впускной системе и сопротивление этой системы,
отнесённое к сечению в клапане β2+ ξ=3;
скорость движения заряда в сечении клапана υкл=90м/с;
в карбюраторном двигателе без наддува впуск воздуха происходит из атмосферы,
тогда pк=p0=0,1 Мпа/м2 ≈ 1,03 кг/см2, Тк=Т0=293 оК.
Плотность заряда на впуске:
СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
3
0 
p0
0,1  28,97

 1, 21кг / м3 ;
R  T0 8314  293
для воздуха Rв=8314/µв; µв=28,97.
Давление в конце впуска:
pa  p0  2   2    
vкл2
3  902 1, 21
 0  0,1106 
 85299 Н / м 2  0, 085МПа.
2
2
Коэффициент остаточных газов:
 ост 
Т 0  Т
рГ
293  20
0,115



 0, 059  6% .
ТГ
  ра  рГ
1050 7,8  0, 085  0,115
Температура конца впуска:
Та 
Т 0  Т   ост  Т Г 293  20  0, 06 1050

 350 о К .
1   ост
1  0, 06
Коэффициент наполнения:
v  1 

pa
T0
7,8 0,085
293

 1


 0,753;
  1 p0 Ta  1   ост 
7,8  1 0,1 350  (1  0,06)

при отсутствии продувки и дозарядки двигателя принимаем   1  1.
По формуле только для четырёхтактных двигателей:
v 
Т0
1    ра рГ 
293
1
 7,8  0,085 0,115 






 0,755.

Т 0  Т   1  р0
р0  293  20 7,8  1 
0,1
0,1 
Принимаем v =0,75.
3. Расчёт параметров сжатия.
Задаёмся показателем политропы сжатия n1=1,34.
Давление в конце сжатия:
рс  ра   n1  0, 085  7,81,34  1, 4МН / м 2  14кг / см 2 .
СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
4
Температура в конце сжатия:
Т с  Т а   n1 1  350  7,80,34  713о К .
СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
5
II. Расчёт параметров процессов сгорание - расширение.
1. Параметры процесса сгорания.
Параметры конца процесса сгорания. Уравнение сгорания для карбюраторного
двигателя при α<1:
 z   Н и  Н и  U c   ост U "с

  U "z .
(1   ост )  М1
1   ост
Здесь:

М 2  М1   ост 0,508  0,06  0, 469

 1,08;
М1  1   ост 
0, 469  1  0,06 
где М2- количество продуктов сгорания, кмоль; М1- количество свежего заряда,
кмоль; µ- действительный коэффициент молекулярного изменения; ΔНи- не
выделившаяся теплота вследствие неполноты сгорания при α<1:
Ни  1, 2 105  1     L0  1, 2 105  1  0,9   0,512  6144кДж.
В уравнении сгорания ξz – коэффициент теплоиспользования, примем ξz=0,86;
Uc – внутренняя энергия 1 моля свежей смеси в конце процесса сжатия:
Uc   cv с  tc  21,596  440  9502кДж / кмоль;
где (µсv)c – теплоёмкость свежей смеси при температуре tc. tc=Tc-273=713-273=440
о
С. По табличным данным (µсv)c=21,596 кДж/(кмоль∙град.) при tc=440оС.
Внутренняя энергия 1 кмоля продуктов сгорания в конце процесса сжатия:
U "с   с "v c  tc ,
СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011
Изм. Лист
№ докум.
Разраб.
ЗУБОВ Д.А.
Провер.
ЭФЕНДИЕВ А.М.
Реценз.
Н. Контр.
Утверд.
Подпись Дата
Тепловой
расчёт
двигателя ГАЗ-24Д
Лит.
Лист
Листов
6
13
Кафедра «ЭОП АПК»
где (µс " v)с – теплоёмкость продуктов сгорания в конце процесса сжатия.
Теплоёмкость смеси равна сумме произведений теплоёмкостей отдельных
компонентов продуктов сгорания на их объёмные доли. Для принятого
элементарного состава топлива при α=0,9 объёмные доли отдельных компонентов
продуктов сгорания составят:
rco 
rco2 
rн2 
rн2о 
rN2 
М со 0, 0143

 0, 028;
М2
0,508
M co2
M2
М н2

М2
М н2о
М2
M N2
M2
0, 057
 0,112;
0,508

0, 0072
 0, 014;
0,508

0, 0653
 0,129;
0,508

0,364
 0, 717.
0,508
Используя табличные данные при t=tc:
 с "v c  0, 028  21,598  0,112  35, 464  0, 014  20,896  0,129  26,991  0, 717  21, 291 
 23, 617кДж / (кмоль  град.).
U "с  23,617  440  10391кДж / кмоль.
Тогда, подставив значения в левую часть уравнения сгорания, получим:
0,86   44000  6144  9502  0, 06 10391

   U "z ;
1  0, 06
1  0, 06   0, 469
75058   U "z ;
U "z 
75058


75058
 69498кДж / кмоль.
1, 08
Примем, что tz=2300
о
С. По таблице найдём значения теплоёмкостей
компонентов продуктов сгорания при t=2300 оС.
СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
7
(  с "v )со  25, 791кДж / ( кмоль  град);
(  с "v )со2  46,829кДж / ( кмоль  град);
(  с "v ) н2  23, 743кДж / ( кмоль  град);
(  с "v ) н2о  36,940кДж / (кмоль  град);
(  с "v ) N2  25,326кДж / (кмоль  град);
t  2300
  с " z t  0
 0, 028  25, 791  0,112  46,829  0, 014  23, 743  0,129  36,940  0, 717  25,326 
 29, 223кДж / (кмоль  град).
Внутренняя энергия продуктов сгорания при температуре tz=2300 оС.
U "z  ( сv ) z  t z  2300  29, 223  67213кДж / кмоль.
Определим U "z при tz=2400 оС. По таблице при α=0,9 находим теплоёмкость
продуктов сгорания бензина –  с "v  =29,393 кДж/(кмоль∙град).
t  2400
Тогда (U "z )t 2400   c "v  t 0  tz  29,393  2400  70543кДж / кмоль.
Искомое значение температуры сгорания, соответствующее полученному
значению U "z  69498кДж / кмоль , находится в интервале температур 2300<tz<2400.
Принимая, что при изменении температуры от 2300 до 2400 оС U "z  f (t ) меняется
линейно, построив график, находим значения tz=2369оС или Tz=2642оК.
Расчётное давление конца сгорания:
pz 
  Tz  pc
Tc
 5, 6МПа / м 2 .
Степень повышения давления:

pz 5, 6

 4.
pc 1, 4
Максимальное давление цикла с учётом скругления диаграммы:
pz  0,85  pz  0,85  5, 6  4, 76 МПа / м 2 .
СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
8
2. Параметры процесса расширения.
Давление конца расширения рв:
рв 
рz

n2

5, 6
 0, 41МПа / м 2 .
1,25
7,8
Температура конца расширения:
Tв 

Tz
n2 1

2642
 1566о К .
7,80,25
n2- показатель политропы расширения, которым задаёмся по табличным
данным. Принимаем n2=1,25.
СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
9
III. Определение индикаторных и эффективных показателей двигателя.
Расчёт среднего индикаторного давления цикла:
 pi н.с.  pa 

n
 
1 
1 
1 
7,81,34
4
1 


 1  n 1  
 1  n 1   0, 085 

 1 

  1 n2  1    n1  1   
7,8  1 1, 25  1  7,80,25 
1
2
1
1 
1 
 1 
 1МПа / м 2 .
0,34  7,80,34 
Примем коэффициент скругления индикаторной диаграммы i  0,95 , тогда
действительное среднее индикаторное давление:
pi  0,95   pi н.с  0,95 1  0,95МПа / м2 .
Основные показатели цикла.
Доля
индикаторного
давления,
затраченного
на
трение
и
привод
вспомогательных механизмов:
Рм  4 104  1,35 104  Сп  4 104  1,35 104 13  0, 21МПа / м 2 .
Приняли среднюю скорость движения поршня Сп=13м/с.
Среднее эффективное давление цикла:
Ре  Рi  Рм  0,95  0, 21  0, 74МПа / м 2 .
Механический КПД:
м 
Ре 0, 74

 0, 78.
Рi 0,95
Удельный индикаторный расход топлива:
СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011
Изм. Лист
№ докум.
Разраб.
ЗУБОВ Д.А.
Провер.
ЭФЕНДИЕВ А.М.
Реценз.
Н. Контр.
Утверд.
Подпись Дата
Тепловой
расчёт
двигателя ГАЗ-24Д
Лит.
Лист
Листов
10
13
Кафедра «ЭОП АПК»
gi  3600 
0 v
1, 21 0, 753
 3600 
 256г / (кВт  ч).
Pi    l0
0,95  0,9 14,96
Удельный эффективный расход топлива:
ge 
gi
м

256
 241г / (кВт  ч).
0, 78
Индикаторный КПД цикла gi и Ни:
i 
3600
3600

 0,32.
gi  H И 256  44
Эффективный КПД цикла:
е  i  м  0,32  0, 78  0, 25.
Часовой расход топлива:
GT  g e  N e  241103  85  27,8кг / ч.
СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
11
IV. Определение основных размеров и удельных показателей двигателя.
Рабочий объём двигателя:
30  N e   30  85  7,8

 6,39 л.
pe  n
0, 74  4200
iVh 
Рабочий объём одного цилиндра:
Vh 
iVh 6,39

 0, 79 л.
i
8
Обозначим отношение хода поршня S к диаметру цилиндра D; S/D=K, где Кпоказатель короткоходности или длинноходности двигателя. Для карбюраторных
двигателей S/D=K=0,8-1. Принимаем К=0,88. Тогда:
D
3
4 Vh
4  0, 79
3
 106 мм;
 K
3,14  0,88
S  K  D  0,88 106  93 мм.
Принимаем:
D=100мм;
S=88мм;
Vh=0,79л;
iVh=6,39л.
Проверим среднюю скорость поршня:
Сп 
S  n 0, 088  4200

 11, 73 м / с.
30
30
11,73<13.
СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011
Изм. Лист
№ докум.
Разраб.
ЗУБОВ Д.А.
Провер.
ЭФЕНДИЕВ А.М.
Реценз.
Н. Контр.
Утверд.
Подпись Дата
Тепловой
расчёт
двигателя ГАЗ-24Д
Лит.
Лист
Листов
12
13
Кафедра «ЭОП АПК»
Площадь поршня:
Fп 
  D2
4
3,14 1002

 7850 мм2 .
4
Эффективный крутящий момент:
М к  9550 
Ne
85
 9550 
 193,3Н  м.
n
4200
Литровая мощность двигателя:
Nл 
Ne
85

 12,31кВт / л.
iVh 6,39
Поршневая мощность двигателя:
Nп 
4  Ne
4  85

 25,8кВт / дм 2 .
2
2
  D  i 3,14 1  4
СГАУ ФЭЭО ЭОП-401.011
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
13