Тепловой расчет и тепловой баланс двигателя ЯМЗ-238 (дизельное топливо)
Учитывая достаточную быстроходность рассчитываемого дизеля и величину наддува, ориентировочно устанавливаются следующие фазы газораспределения: впуск — начало (точка r') за 25° до в.м.т. и окончание (точка а") — 60° после н.м.т.; выпуск — начало (точка b') за 60° до н.м.т., и окончание (точка a') — 25° после в.м.т. Средний показатель адиабаты расширения k2 определяется по номограмме, при заданной… Читать ещё >
Тепловой расчет и тепловой баланс двигателя ЯМЗ-238 (дизельное топливо) (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Министерство образования РФ государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Пермский государственный технический университет Кафедра «Автомобили и технологические машины»
Курсовой проект
по дисциплине «Двигатели внутреннего сгорания»
Тема: «Тепловой расчет и тепловой баланс двигателя ЯМЗ-238 (дизельное топливо)»
Выполнил студент Соловьев П.А.
Проверил: Щелудяков А.М.
Пермь 2013
ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАССЧЕТА ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ ДВИГАТЕЛЯ Топливо Параметры рабочего тела Параметры окружающей среды и остаточные газы Процесс впуска Процесс сжатия Процесс сгорания Процесс расширения и выпуска Индикаторные параметры рабочего цикла Эффективные показатели двигателя Основные параметры цилиндра и двигателя Построение индикаторной диаграммы Скругление индикаторной диаграммы ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ ВЫВОД СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАССЧЕТА
Произвести расчет четырехтактного дизельного V — образного двигателя ЯМЗ-238, предназначенного для грузовых автомобилей. Эффективная мощность дизельного двигателя Ne=232 кВт при частоте вращения коленчатого вала n=2250 мин-1. Двигатель 8 цилиндровый (i=8). Система охлаждения жидкостная закрытого типа. Степень сжатия е=15,3.
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ ДВИГАТЕЛЯ
Топливо
В соответствии с заданием типом двигателя принимаем дизельное топливо (для работы в летних условиях — марки Л, для работы в зимних условиях — марки З). В соответствии с ГОСТ 305–82 цетановое число не менее 45.
Средний элементарный состав и молекулярная масса топлива:
С = 0,870;Н = 0,126;О=0,004;
Низшая теплота сгорания топлива (1/стр.55):
Нu = 33,91С + 125,60Н — 10,89(О — S) — 2,51(9Н + W)=33,9· 0,870 + 125,6· 0,126 — 10,89· 0,004 — 2,51· 9·0,126 = 42,44 МДж/кг =42 440 кДж/кг.
Параметры рабочего тела
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания одного килограмма топлива (1/стр.48):
В соответствии с заданием принимаем, где — коэффициент избытка воздуха. Количество свежего заряда (1/стр.50):
Количество отдельных компонентов продуктов сгорания (1/стр.51):
Общее количество продуктов сгорания (1/стр.52):
Параметры окружающей среды и остаточные газы
Атмосферные условия:
P0 = 0,1 МПа; Tk = T0 = 2930 K.
Давление окружающей среды при наддуве:
Pk = 0,17 МПа
Температура окружающей среды при наддуве:
где nk — показатель политропы сжатия (для центробежного нагнетателя с охлаждаемым корпусом принят nk = 1,65
Температура остаточных газов.
Высокое значение е = 15,3 снижает температуру и давление остаточных газов, а повышенная частота вращения коленчатого вала и наддув повышают Тr и рr, поэтому можно принять (1/стр.65):
Tr=800 K, pr=0,95· pk=0,95·0,17=0,162 МПа.
Процесс впуска
Принимаем температуру подогрева свежего заряда
Плотность заряда на впуске (1/стр.68):
где RВ = 287 Дж/кг град — удельная газовая постоянная для воздуха.
Потери давления на впуске (1/стр.68):
где
;
принимаем в соответствии со скоростным режимом работы двигателя и с учетом небольших гидравлических сопротивлений во впускной системе.
Давление в конце впуска (1/стр.67):
Коэффициент остаточных газов (1/стр.69):
Температура в конце впуска (1/стр.69):
Коэффициент наполнения (1/стр.70):
Процесс сжатия
При работе дизеля на средних режимах можно с достаточной точностью принять показатель политропы сжатия равным показателю адиабаты, который определяется по номограмме:
При е=15,3 и Та=384,7 К принимаем k1=1,359, n1=1,36
Давление в конце сжатия (1/стр.72):
Температура в конце сжатия (1/стр.72):
Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия таблица 3.7 (1/стр.59):
а) воздуха где б) остаточных газов (находим методом интерполяции по табл. 3.9 (1/ стр.60))
в) рабочей смеси (1/стр.74):
Процесс сгорания
Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси (1/стр.53):
Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси (1/стр.54):
Теплота сгорания рабочей смеси (1/стр.57):
Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания (1/стр.59):
Величина коэффициента использования теплоты для дизелей с неразделенными камерами сгорания и хорошо организованным смесеобразованием лежит в пределах (1/стр.76). При наддуве в связи с повышением теплонапряжённости двигателя и созданием более благоприятных условий для протекания процессов сгорания принимается .
Степень повышения давления в дизеле: с целью снижения газовых нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма принимаем для дизеля с наддувом л=1,5.
Температура в конце видимого процесса сгорания (1/стр.77):
Максимальное давление сгорания (1/стр.78):
Определим степень предварительного расширения (1/стр.78):
Процесс расширения и выпуска
Степень последующего расширения (1/стр.84):
Средний показатель адиабаты расширения k2 определяется по номограмме, при заданной е = 15,3 для соответствующих значений б=1,6 и Тz=2200,5 К, а средний показатель политропы расширения n2 оцениваем по величине среднего показателя адиабаты k2=1,277. Показатель политропы n2 принимаем несколько меньшим n2=1,26.
Давление и температура в конце процесса расширения (1/стр.84):
Проверка ранее принятой температуры остаточных газов (1/стр.85):
что допустимо;
где — погрешность расчета.
Индикаторные параметры рабочего цикла
Теоретическое среднее индикаторное давление (1/стр.87):
Среднее индикаторное давление (1/стр.88):
где коэффициент полноты индикаторной диаграммы принят .
Индикаторный КПД и индикаторный удельный расход топлива (1/стр.89):
Эффективные показатели двигателя
Среднее давление механических потерь (1/стр.91).
Принимаем предварительно среднюю скорость поршня vп. ср.=10,7 м/с получаем:
Среднее эффективное давление и механический КПД (1/стр.92):
Эффективный КПД и удельный эффективный расход топлива (1/стр.94):
Основные параметры цилиндра и двигателя
Литраж двигателя (1/стр.95):
Рабочий объем одного цилиндра (1/стр.95):
Диаметр цилиндра и ход поршня (1/стр.95).
Согласно заданию принимаем S/D=1,087.
S = 1,08D = 1,8 122 = 132,614 мм Принимаем величины D = 122 и S = 133.
Основные параметры и показатели двигателя определяются по принятым выше значениям S и D.
Литраж двигателя (1/стр.77):
Площадь поршня:
Средняя скорость поршня (1/стр.96):
погрешность составляет менее 3% что допустимо.
Эффективная мощность (1/стр.77):
Эффективный крутящий момент (1/стр.96):
Часовой расход топлива (1/стр.96):
Литровая мощность двигателя:
Построение индикаторной диаграммы
Индикаторную диаграмму строим для номинального режима работы двигателя, т. е. при Nе = 231,9 кВт и и n=2250 об/мин, графическим методом.
Масштабы диаграммы: масштаб хода поршня Ms=1 мм в мм; масштаб давлений Мр=0,05 МПа в мм.
Величины в приведенном масштабе, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:
АВ=S/МS=133/1= 133 мм;
ОА = АВ/(е-1)= 133/(15,3−1)=9,3 мм.
Максимальная высота диаграммы (точка z, максимальное давление сгорания):
рz/Мр= 9,75/0,05 = 195 мм.
Ординаты характерных точек:
р0/Мр=0,1/0,05 = 2,0 мм;(атмосферное давление)
рк/Мр=0,17/0,05 = 3,4 мм;(при наддуве)
рr/Мр= 0,162/0,05 = 3,2 мм;(давление остаточных газов)
pa/Mp= 0,159/0,05 = 3,2 мм; (давление конца впуска)
рс/Мр= 6,5/0,05 = 130 мм; (давление конца сжатия)
рв/Мр= 0,515/0,05 = 10,3 мм. (давление конца расширения)
Положение точки z по оси абсцисс (1/стр.96):
z’z=ОА (с-1)=9,3 (1,483−1)=4,5 мм.
Построение политроп сжатия и расширения проводим графическим методом (1/стр.97):
а) Для луча ОС принимаем угол ;
б)
в) используя лучи OD и OC, строим политропу сжатия, начиная с точки c;
г)
д) используя лучи ОЕ и ОС, строим политропу расширения, начиная с
точки z.
Теоретическое среднее индикаторное давление (1/стр.98)
pi =F'Mp/AB =2700 0,05/133 = 1,015 МПа,
что очень близко к величине = 1,271 МПа, полученной в тепловом расчёте. (F' - площадь диаграммы acz’zba).
Скругление индикаторной диаграммы
Учитывая достаточную быстроходность рассчитываемого дизеля и величину наддува, ориентировочно устанавливаются следующие фазы газораспределения: впуск — начало (точка r') за 25° до в.м.т. и окончание (точка а") — 60° после н.м.т.; выпуск — начало (точка b') за 60° до н.м.т., и окончание (точка a') — 25° после в.м.т.
С учетом быстроходности дизеля принимается угол опережения впрыска 20° (точка с') и продолжительность периода задержки воспламенения (точка f).
В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения впрыска топлива определяют положение точек r', a', a'', c', f и b' по формуле для перемещения поршня:
где л— отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, предварительно принимаем л=0,27.
Таблица 1 — Результаты расчета ординат точек
Обознач. точек | Положения точек | Расстояние точек от в.м.т.(AX), мм | |||
r' | 25° до в.м.т. | 0,122 | 8,1 | ||
a' | 25° после в.м.т. | 0,122 | 8,1 | ||
a" | 60° после н.м.т. | 1,601 | 106,5 | ||
c' | 20° до в.м.т | 0,076 | 5,1 | ||
f | (20° - 8°) до в.м.т. | 0,038 | 2,5 | ||
b' | 60° до н.м.т. | 1,601 | 106,5 | ||
Положение точки с" определяется из выражения:
Соединяя плавными кривыми точки и кривой расширения и далее c получим скругленную индикаторную диаграмму (см рис.1).
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ
дизельный двигатель сгорание грузовой
Тепловой баланс в общем виде (1/стр.140):
общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом.
Теплота эквивалентная эффективной работе за 1 сек. (1/стр.140):
Теплота, передаваемая окружающей среде (1/стр.140):
где:
C — коэффициент пропорциональности (для четырехтактных двигателей) принимаем С=0,48;
m — показатель степени (для четырехтактных двигателей)
принимаем m=0,67.
Теплота, потерянная с отработавшими газами:
находим методом интерполяции по таблице 3.9 при, (1/стр.60):
находим методом интерполяции по таблице 3.6 при, (1/стр.60):
Неучтенные потери тепла:
Таблица 2 — Cоставляющие теплового баланса
Составляющие теплового баланса | Q Дж/с | q % | |
Теплота эквивалентная эффективной работе | 36,3 | ||
Теплота, передаваемая окружающей среде | 147 314,7 | ||
Теплота, унесенная с отработавшими газами | 184 681,5 | 28,9 | |
Неучтенные потери теплоты | 74 943,3 | 11,7 | |
Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом | 638 839,9 | ||
Таблица 3 — Сравнение показателей проектируемого двигателя с показателями заданного прототипа
Параметр | n, об/мин | см2 | л | кВт/л | S/D | кВт | Нм | ||
Прототип | 132,66 | 14,86 | 15,2 | 18,9 | 1,078 | 997,88 | |||
Расчетный ДВС | 116,84 | 12,43 | 15,3 | 18,66 | 1,087 | 231,9 | 984,71 | ||
ВЫВОД
В спроектированном двигателе из-за увеличения степени сжатия с 15,2 до 15,3 уменьшилась литровая мощность на 1,27%. Также из-за уменьшения мощности двигателя на 1,32% уменьшился эффективный крутящий момент на 1,32%. Степень сжатия увеличена за счет уменьшения объема двигателя.
1. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. Пособие для вузов./ А. И. Колчин, В. П. Демидов — 3-е изд. Перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 2003.
2. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн.1. Теория рабочих процессов: Учебник для вузов/ В. Н. Луканин и др. — 2-е изд. Перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 2005.