Розділ 2. Тепловий розрахунок двигуна

Розрахунок ведемо в порядку здійснення процесів робочого циклу: впуск, стискування, згоряння, розширення та випуск відпрацьованих газів (ВГ).

Процес впуску

У двигунах без наддуву Параметри заряду перед впускними органами двигуна – тиск Рк і температура Тк на впуску: Рк = Ро = _______ МПа; та Тк = То = _______ °К.

У двигунах з наддувом Ступінь підвищення тиску у компресорі приймаємо λк = ________. Показник політропи стиску компресора приймаємо nк = ________. Параметри заряду перед впускними органами двигуна – тиск Рк і температура Тк на впуску: Рк = λк∙Р0 = ___________________ = _______ МПа; Тк = Т0∙λк(nк-1)/nк = ______________________ =_______ °К.

Густина повітря на впуску ρ_к:

, = ______________ = ________кг/м³

де R_в = 287 Дж/(кг∙град) – питома газова стала повітря.

Параметри відпрацьованих газів

Приймаємо: тиск ВГ Р_r :

Р_r = ________ МПа,

температуру ВГ Т_r:

Т_r = _______ ˚К.

Тиск в кінці впуску Р_а:

Р_а = Р_к – ∆Р_а = ______________ = _______ МПа,

де ∆Р_а = ______ МПа – втрати тиску на впуску.

Приймаємо підігрів заряду на впуску ∆Т:

∆Т = _________˚К.

Розраховуємо коефіцієнт залишкових газів γ_r,

= ----------------------- = ___________.

де ε – ступінь стиску двигуна згідно з вихідними даними.

Визначаємо температуру в кінці впуску Т_а

= ------------------------- = ________ ˚К.

Обчислюємо коефіцієнт наповнення η_v

= ---------------------------- = _________.

Процес стиску

Показник політропи стиску визначаємо за формулою Петрова:

n₁ = 1,41 – 100/n = _________________ = _______,

де n_l – показник політропи стиску;

n – частота обертання колінчастого валу двигуна у об/хв.

Тиск в кінці стискування Р_с:

Р_с = Р_а·εⁿ¹ = __________ = ______ МПа.

Температура в кінці стискування Т_с:

Т_с = Т_а∙ε^(n1-1) = _____________ = ________˚К.

Процес горіння

Теоретично необхідна кількість повітря L_о для згоряння одного кілограма палива з складом С, Н, О (згідно з прийнятими вихідними даними):

= ( ____/12 + _____/4 + ____/32)/0,21 = _______ кмоль/кг

де 0,21 – вміст кисню в повітрі по об'єму.

Фактично необхідна кількість повітря L_од для згоряння одного кілограма палива:

L_од = α∙L_o = _________ = _______ кмоль/кг,

де α – прийнятий коефіцієнт надлишку повітря.

Кількість паливно-повітряної суміші М_l, що одержують з 1кг палива:

М₁ = α∙L₀ + 1/ μ_т = _____________ = ________ кмоль/кг,

де μ_т – молекулярна маса палива, кг/кмоль.

Кількість М₂ продуктів згоряння:

при α > 1

= _________________ = ______ кмоль/кг.

при α < 1

= ___________________ = _____ кмоль/кг

Хімічний коефіцієнт молекулярної зміни β₀:

β₀ = М₂/М₁ = ______/_______ = _______.

Дійсний коефіцієнт молекулярної зміни β:

β = (β₀ + γ_r)/(1 + γ_r) = (____+____)/( 1 + ___) = ______.

Рівняння процесу згоряння має вигляд:

ВИБРАТИ!

для карбюраторних двигунів при α ≥ 1

для карбюраторних двигунів при α < 1

для дизелів

де μС_vz і μС_рz – мольні теплоємності продуктів згоряння при постійному об'ємі і постійному тиску, відповідно, у кДж/(кмоль∙град)

μС_vc – мольна теплоємність суміші газів в кінці стиску, кДж/(кмоль∙град);

λ = Р_z/Р_c – ступінь підвищення тиску в процесі згоряння; Для дизеля! приймаємо λ =__________;

Т_z і P_z – температура (˚К) і тиск (МПа) в кінці згоряння;

Q_н – нижча теплота згоряння палива у кДж/кг;

ζ – коефіцієнт використання тепла, приймаємо ______; (див. вст. 5)

∆Q_н – втрати частини теплоти через хімічну неповноту згоряння при α < 1.

Мольна теплоємність суміші газів у кінці стискування:

μС_vс = 20,16 + 1,74·10^-3·Т_с = _______________ кДж/(кмоль·град)

Мольна теплоємність продуктів згоряння:

ВИБРАТИ!

для карбюраторних двигунів

μСvz = (18,4 + 2,6·α) + (15,5 + 1З,8·α)·10-4·Тz = ___А___+___В___10-4·Тz

для дизелів

μСpz = 8,314 + (20,2 + 0,92/α) + (15,5 + 1З,8/α)·10-4·Тz = = ___А___+___В___10-4·Тz

Після підстановки даних і вирішення рівняння згоряння відносно Т_z одержуємо температуру в кінці згоряння:

Т_z = ___________ ˚К.

Для карбюраторних двигунів
Тиск у кінці згоряння Рz: Рz = Pc·β·Тz /Тс = __________________ = ____ МПа. Дійсне значення тиску в кінці згоряння : = 0,85·Рz = ____ МПа. Ступінь підвищення тиску λ: λ = Рz/Pс = ____________.

Процес розширення

Для дизелів
Ступінь попереднього розширення ρ: ρ = Vρ/Vс = (β·Тz)/(λ·Тс) = (_______)/(______) = _____. (для карбюраторного двигуна ступінь попереднього розширення ρ = 1) Ступінь остаточного розширення δ: δ = ε/ρ = ____/____ = _______. (ступінь остаточного розширення для карбюраторного двигуна δ = ε/ρ = ε)

Показник політропи розширення n₂

n₂ = 1,22 + 130/n = ____________ = ________.

дизельний	карбюраторний
Тиск в кінці розширення, МПа - Рb :
Pb = Pz/δn2 __________ = _________ МПа	Pb = Pz/εn2 __________ = _________ МПа
Температура в кінці розширення, ˚К - Тb :
Tb = Tz/δ(n2 -1) __________ = _________˚К	Tb = Tz/ε(n2 -1) __________ = _________˚К

Процес випуску

Розраховуємо температуру ВГ:

= ------------------- = ______ ˚К

Проводимо порівняння розрахункової температури з прийнятою на початку розрахунку

∆ = |( – Т_r)/ | = (____–_____)/_____ =

Будуємо індикаторну діаграму в координатах р-V (рис. 1).

По осі абсцис відкладаємо об'єм циліндра над поршнем, який може змінюватися у межах від V_с до V_а. За одиницю виміру вибираємо значення V_с = ____ мм.

Вибираємо масштаб тиску 0,04 МПа/мм і по осі ординат наносимо шкалу тиску у МПа.

Після побудови шкал наносимо характерні точки індикаторної діаграми.

Для дизеля:

r(V_с,Р_г), а(V_а,Р_а), с(V_с,Р_с), z'(V_c,Р_z), z(V_ρ,Р_z) і b(V_а,Р_b).

Для карбюраторного двигуна:

r(V_c,Р_г), а(V_a,P_a), с(V_c,Р_c), z(V_c,P_z ), z'(V_c,Р'_z) і b(V_a,Р_b)

Для побудови політроп обчислюємо координати проміжних точок, які заносимо до таблиці 1:

Таблиця 1

Розрахунок проміжних точок політроп стиску і розширення

№№ пп	Координата Vx точки по осі абсцис, мм	Величина тиску, МПа
		Стиск	Розширення
1

Побудовані точки з'єднуємо тонкими лініями, зображаючи процеси впуску, випуску та згоряння. Після побудови політроп виконуємо скруглення індикаторної діаграми в характерних точках.

Рис. 2. Індикаторна діаграма в координатах Р-V

Площа між політропами стиску і розширення (заштрихована) пропорційна роботі, виконаній робочим тілом за один цикл. Відношення цієї роботи до робочого об’єму циліндра називають середнім індикаторним тиском.