МУ Энергетические установки
.pdfМинистерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Дальневосточный государственный университет путей сообщения»
Кафедра «Строительные и путевые машины»
В.В. Литвинчук, С.В. Шадрин
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЁТА ТЕПЛОВЫХ МАШИН
Методические указания по выполнению расчѐтно-графических работ
Хабаровск Издательство ДВГУПС
2012
УДК 621.43: 621.87 (075.8)
ББК Н6-5-04 я73
Л 641
Рецензент – доцент кафедры «Тепловозы и тепловые двигатели» ДВГУПС, кандидат технических наук, доцент
Я.А. Новачук
Литвинчук, В.В.
Л 641 Физические основы проектирования и расчѐта тепловых машин : метод. указания по выполнению расчѐтно-графических работ / В.В. Литвинчук, С.В. Шадрин. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2012.
– 16 с.: ил.
Методические указания соответствуют ГОС ВПО направления подготовки дипломированных специалистов 190200 «Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы» специальности 19020565 «Подъ- ѐмно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование».
Изложена методика теплового расчѐта дизельных двигателей внутреннего сгорания.
Предназначено для студентов 4-го курса дневной и заочной форм обучения, изучающих дисциплину «Физические основы проектирования и расчѐта тепловых машин».
УДК 621.43: 621.87 (075.8)
ББК Н6-5-04 я73
© ДВГУПС, 2012
2
1. СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ «ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ»
В расчѐтно-графической работе «Основные понятия о двигателях внутреннего сгорания» студенту необходимо ответить на теоретический вопрос. При ответе на вопрос необходимо в полной мере отразить информацию, дающую представление о поставленной задаче с использованием рисунков и пояснений к ним. Содержание расчѐтно-графической работы «Основные понятия о двигателях внутреннего сгорания» представляет собой ответ на теоретический вопрос, отражающий в зависимости от задания:
1)подробное описание конструкции узла или механизма двигателя внутреннего сгорания, его принцип работы и параметры;
2)подробное описание процесса, происходящего в процессе работы двигателя внутреннего сгорания;
3)подробное описание влияния эксплуатационных материалов на процессы, происходящие в процессе эксплуатации двигателя внутреннего сгорания.
Номер варианта для расчѐтно-графической работы «Основные понятия о двигателях внутреннего сгорания» выбирается:
1)для студентов очной формы обучения – по заданию преподавателя;
2)для студентов заочной формы обучения – по сумме двух последних цифр учебного шифра студента.
Варианты заданий для расчётно-графической работы «Основные понятия о двигателях внутреннего сгорания»
1.Крейцкопфные механизмы. Особенности конструкции, достоинства и недостатки.
2.Бесконтактные системы зажигания. Особенности конструкции, достоинства и недостатки.
3.Тепловой зазор, способы регулировки, его влияние на работу двигателя.
4.Способы нейтрализации отработанных газов ДВС.
5.Способы уравновешивания крутильных колебаний коленчатых валов
ДВС.
6.Форма рабочей поверхности поршня различных типов ДВС. Ее влияние на процессы в камере сгорания.
7.Особенности термодинамических процессов двухтактных дизельных двигателей.
8.Особенности термодинамических процессов двухтактных бензиновых двигателей.
3
9.Механизмы газораспределения с двумя распределительными валами. Достоинства, особенности конструкции.
10.Акустические показатели работы двигателя.
11.Влияние неустановившегося характера внешней нагрузки на работу двигателя.
12.Влияние смазочных материалов на работоспособность двигателя.
13.Методика подбора двигателей по внешним характеристикам.
14.Альтернативные виды топлива для двигателей.
15.Механические потери в двигателе и способы их снижения.
16.Конструктивные исполнения турбокомпрессоров в ДВС.
17.Способы смесеобразования и их влияние на работу двигателя.
18.Двигатели с раздельными камерами сгорания.
2.СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ «РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ»
В расчѐтно-графической работе «Расчѐт основных показателей двигателя» необходимо произвести расчет основных параметров дизельного двигателя в соответствии с заданными исходными данными, построить индикаторную диаграмму рабочего цикла, а также дать оценку мощности и экономичности двигателя.
Содержание расчѐтно-графической работы «Расчѐт основных показателей двигателя» представляет собой тепловой расчѐт двигателя внутреннего сгорания для определения параметров рабочего процесса и построение индикаторной диаграммы ДВС по расчѐтным параметрам.
Номер варианта для расчѐтно-графической работы «Расчѐт основных показателей двигателя» выбирается:
1)для студентов очной формы обучения – по заданию преподавателя;
2)для студентов заочной формы обучения – по сумме трѐх последних цифр учебного шифра студента (варианты заданий приведены в прил. 1).
2.1.Расчёт количества воздуха и продуктов сгорания
Принимаем средний элементарный состав 1 кг дизельного топлива: угле-
род C = 0,870; водород H = 0,126; кислород O = 0,004.
Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива, кмоль/кг
|
|
1 |
|
|
|
C |
|
H |
|
O |
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
(1) |
|
|
|
|
|
|
||||||||
0 |
|
0,21 |
|
12 |
|
4 |
|
32 |
|
|
|||
где 0,21 – объѐмное содержание кислорода в 1 кмоль воздуха.
4
Действительное количество воздуха, кмоль/кг |
|
M1 1L0, |
(2) |
где 1 – коэффициент избытка воздуха для сгорания топлива, 1 = 1,8÷2,1. Суммарное количество продуктов сгорания, кмоль/кг
M |
|
L |
|
H |
|
O |
. |
(3) |
||||
2 |
|
|
|
|||||||||
|
|
1 |
0 |
4 |
32 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Изменение объѐмов продуктов сгорания, кмоль/кг |
|
|||||||||||
|
|
M M2 M1. |
(4) |
|||||||||
Коэффициент молекулярного изменения |
|
|||||||||||
|
|
|
0 |
|
M 2 |
. |
|
|
|
(5) |
||
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
M1 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
2.2. Расчёт параметров процесса наполнения
Давление в конце наполнения для четырѐхтактных двигателей, МПа
|
P 0,9 0,96 P . |
(6) |
|||
|
1 |
|
В |
|
|
|
Давление в конце наполнения для двухтактных двигателей, МПа |
||||
|
P 0,9 1, 05 P . |
(7) |
|||
|
1 |
|
В |
|
|
|
Температура в конце процесса наполнения, К |
|
|||
|
T |
TВ T гTг |
, |
(8) |
|
|
|
||||
|
1 |
|
1 г |
|
|
|
|
|
|
||
где T – подогрев свежего заряда от стенок цилиндра и поршня, T = 5÷25 К; |
|||||
Tг |
– температура остаточных |
газов, для четырѐхтактных |
двигателей |
||
Tг = 700÷900 К, для четырѐхтактных двигателей Tг = 700÷800 К; г – коэф- |
|||||
фициент остаточных газов, для |
|
четырѐхтактных двигателей |
с наддувом |
||
г |
= 0,01÷0,03, для четырѐхтактных двигателей без наддува г |
= 0,08÷0,12, |
|||
для двухтактных двигателей с наддувом г = 0,03÷0,07. Коэффициент наполнения
5
|
|
|
|
|
P T |
1 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
В |
|
|
. |
||
|
|
1 P |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
T 1 |
г |
||||||||
|
|
|
|
|
В |
1 |
|
|
|
||||
2.3. Расчёт параметров процесса сжатия |
|
|
|||||||||||
Давление в конце процесса сжатия, МПа |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
P |
|
P n1 |
, |
|
|
||||
|
|
|
|
С |
|
|
1 |
|
|
|
|||
где n1 – показатель политропы сжатия, n1 = 1,32 ÷ 1,38. Температура в конце сжатия, К
T |
T n1 1. |
С |
1 |
2.4. Расчёт параметров процесса сгорания
Действительный коэффициент молекулярного изменения:
0 г . 1 г
Степень повышения давления при сгорании:
Pmax ,
PС
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
где Pmax – максимально допустимое давление рабочего цикла, МПа. Рекомендуемые значения Pmax = 6,0 ÷ 13,0 МПа; = 1,4 ÷ 2,0. Решение уравнения сгорания
|
4Hu |
|
|
|
" |
|
|
|
|
|
' |
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
8,314 t |
|
c |
|
8,314 t 2270 , |
(14) |
|||||
1L0 1 |
г |
max |
m |
||||||||||||
|
m |
|
|
|
|
|
С |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
где 4 – коэффициент эффективного выделения теплоты в точке 4, |
4 = |
||||||||||||||
= 0,70÷0,85; |
Hu – |
низшая |
теплота |
сгорания |
дизельного топлива, |
Hu = |
|||||||||
= 42500 кДж/кг; c" m – средняя мольная теплоѐмкость продуктов сгорания при постоянном объѐме и соответствующая максимальной температуре рабочего цикла, кДж/(кмоль∙К); c' m – средняя мольная теплоѐмкость возду-
ха при постоянном объѐме и соответствующая температуре конца процесса сжатия, кДж/(кмоль∙К); tmax – максимальная температура цикла, °C,
6
( tmax Tmax 273 °C); tС – температура в конце процесса сжатия, °C
( tС TС 273 °C).
После подстановки известных значений получается постоянная величина
|
|
|
1 |
|
4Hu |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
D |
|
|
|
|
|
|
' |
|
|
8,314 |
|
2270 |
|
, |
(15) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
t |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
L 1 |
г |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
1 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
а уравнение сгорания принимает вид |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
tmax |
|
|
|
|
|
|
D |
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
(16) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
" |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
8,314 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
" |
|
|
|
|
' |
являются функцией температур tmax и tС , |
|||||||||||||||||||
|
Теплоѐмкости c m |
и |
c m |
||||||||||||||||||||||||
а их значения приведены в табл. 1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
Средние мольные теплоёмкости |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Темпера- |
Теплоемкость |
|
Теплоемкость |
|
Темпера- |
|
Теплоемкость |
Теплоемкость |
|
|||||||||||||||||
|
|
продуктов |
|
|
|
|
продуктов |
|
|||||||||||||||||||
|
тура, |
воздуха, |
|
|
|
|
|
|
тура, |
|
|
воздуха, |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
сгорания, |
|
|
|
|
|
|
|
|
сгорания, |
|
||||||||||||
|
°C |
кДж/(кмоль∙К) |
|
|
|
|
|
°C |
|
кДж/(кмоль∙К) |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
кДж/(кмоль∙К) |
|
|
|
кДж/(кмоль∙К) |
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
0 |
20,758 |
|
|
|
|
22,190 |
|
|
|
|
1300 |
|
|
|
24,018 |
|
|
|
27,298 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
100 |
20,833 |
|
|
|
|
22,525 |
|
|
|
|
1400 |
|
|
|
24,250 |
|
|
|
27,633 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
200 |
20,984 |
|
|
|
|
22,902 |
|
|
|
|
1500 |
|
|
|
24,459 |
|
|
|
27,884 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
300 |
21,206 |
|
|
|
|
23,320 |
|
|
|
|
1600 |
|
|
|
24,682 |
|
|
|
28,177 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
400 |
21,474 |
|
|
|
|
23,739 |
|
|
|
|
1700 |
|
|
|
24,863 |
|
|
|
28,428 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
500 |
21,780 |
|
|
|
|
24,200 |
|
|
|
|
1800 |
|
|
|
25,003 |
|
|
|
28,638 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
600 |
22,090 |
|
|
|
|
24,618 |
|
|
|
|
1900 |
|
|
|
25,167 |
|
|
|
28,889 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
700 |
22,408 |
|
|
|
|
25,079 |
|
|
|
|
2000 |
|
|
|
25,326 |
|
|
|
29,089 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
800 |
22,713 |
|
|
|
|
25,498 |
|
|
|
|
2100 |
|
|
|
25,474 |
|
|
|
29,308 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
900 |
23,006 |
|
|
|
|
25,874 |
|
|
|
|
2200 |
|
|
|
25,611 |
|
|
|
29,517 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
1000 |
23,283 |
|
|
|
|
26,293 |
|
|
|
|
2300 |
|
|
|
25,745 |
|
|
|
29,584 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
1100 |
23547 |
|
|
|
|
26,628 |
|
|
|
|
2400 |
|
|
|
25,870 |
|
|
|
29,852 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
1200 |
23,794 |
|
|
|
|
27,005 |
|
|
|
|
2500 |
|
|
|
25,992 |
|
|
|
30,019 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Решение уравнения сгорания сводится к определению величины tmax . Это уравнение является квадратным относительно величины и решается методом последовательных приближений (методом подбора). Задаваясь
7
значением температуры tmax из интервала 1400÷2000 °C, определяют соот-
ветствующее значение c" m и подставляют в уравнение сгорания. Если значение правой части уравнения оказалось больше левой, то задаются меньшей величиной tmax и выбирают соответствующее значение c" m и так да-
лее, до равенства обеих частей уравнения (допускается расхождение 1,5 %). Степень предварительного расширения
|
|
|
|
|
|
|
|
Tmax |
. |
|
|
|
|
|
|
|
(17) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
TС |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.5. Расчёт параметров процесса расширения |
|
|
|
|
||||||||||||||||
Степень последующего расширения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
(18) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Решение уравнения процесса расширения |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
4 |
H |
u |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8,314 |
|
t |
|
|
. |
|
|
5 |
|
|
c5 |
t |
c" |
t |
|
|
|
|
|
t |
(19) |
||||||
L 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
г |
m 5 |
m max |
|
n2 1 |
|
max |
5 |
|
|
|||||||||||
1 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
После преобразования уравнение процесса расширения принимает вид
|
|
4 |
H |
u |
|
|
|
|
|
|
|
8,314 |
|
t |
|
|
, |
|
|
5 |
|
|
c" |
t |
|
c5 |
t |
|
|
|
t |
(20) |
|||||
L 1 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
г |
m |
max |
m 5 |
|
n2 1 |
|
max |
5 |
|
|
||||||||
1 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где 5 – доля теплоты, которая затрачена на изменение внутренней энергии и совершение работы расширения от окончания подвода теплоты до конца процесса расширения, 5 = 0,82÷0,92; c5 m – средняя мольная теплоѐмкость
продуктов сгорания при постоянном объѐме и соответствующая температуре в конце процесса расширения, кДж/(кмоль∙К); t5 – температура продук-
тов сгорания в конце процесса расширения, °C; n2 – показатель политропы расширения, n2 = 1,20÷1,28.
Из уравнения процесса расширения методом последовательных приближений определяются значения t5 и n2 . Рекомендуемые значения температу-
ры в конце процесса расширения T5 = 900÷1100 К (t5 T5 273 °C). Давление в конце процесса расширения, МПа
8
P P |
1 |
. |
(21) |
|
|||
5 max n2 |
|
||
2.6. Построение индикаторной диаграммы
Индикаторная диаграмма строится в координатах P – V (давление – объѐм). Рабочий объѐм цилиндра, л
V |
103 d 2 |
S . |
(22) |
|||||
|
|
|
||||||
h |
4 |
|
|
|
|
|
||
Объѐм камеры сгорания для четырѐхтактного двигателя, л |
|
|||||||
V |
|
|
Vh |
. |
|
(23) |
||
|
|
|
||||||
С |
|
1 |
|
|||||
|
|
|
|
|
||||
Объѐм камеры сгорания для двухтактного двигателя, л |
|
|||||||
V |
|
Vh |
, |
(24) |
||||
|
||||||||
|
С |
|
|
с 1 |
|
|||
|
|
|
|
|
||||
где ñ – номинальная (геометрическая) степень сжатия, определяемая по выражению
с |
|
|
|
1 |
1, |
(25) |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
1
где – доля потерянного объѐма цилиндра, = 0,15÷0,20.
Построение индикаторной диаграммы начинают с выбора длины отрезка, равного объѐму Vh , с учѐтом масштаба. С учѐтом этого масштаба определя-
ется длина отрезка, соответствующего объѐму VС . Данные отрезки отклады-
вают в координатах P – V (V по оси абсцисс, а P – по оси ординат). Далее из концов отрезков возводят перпендикуляры, на которых в масштабе откладывают значения давлений в характерных точках (точки 1, 2, 3, 4, 5).
Точки: 1 – начало процесса сжатия; 2 – конец процесса сжатия; 3 – начало предварительного расширения; 4 – начало последующего расширения; 5
– конец процесса расширения. Данным точкам соответствуют следующие объѐмы V и давления P (от начала координат):
1) точке 1 |
– V V |
V , |
P P |
; |
||||
|
1 |
С |
|
h |
1 |
|
В |
|
2) точке 2 |
– V |
V |
, |
P P |
; |
|
|
|
|
2 |
С |
|
2 |
С |
|
|
|
3) точке 3 |
– V |
V |
, |
P P |
|
P ; |
||
|
3 |
С |
|
3 |
max |
|
C |
|
4) точке 4 |
– V |
V |
, P |
P |
|
P ; |
||
|
4 |
С |
|
4 |
|
max |
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
5) точке 5 – V |
V |
V |
V |
, P |
P |
1 |
. |
|
|||||||
5 |
1 |
С |
h |
5 |
max n2 |
||
Значения давлений P для политропы сжатия 1–2 определяются по за-
CX
висимости
P |
P ( |
V1 |
)n1 , |
(26) |
|
|
|||||
CX |
1 V |
X |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где VX – текущее значение объѐма от V1 до V2 .
Значения давлений PPX для политропы расширения 4–5 определяются по зависимости
P |
P ( |
V5 |
)n2 , |
(27) |
||
|
||||||
PX |
5 |
V |
X |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где VX – текущее значение объѐма от V5 до V4 .
Для расчѐта политроп необходимо взять 5…8 промежуточных точек. Результаты расчѐта рекомендуется свести в форму, представленную в табл. 2. Вид расчѐтных индикаторных диаграмм четырѐхтактного и двухтактного двигателей внутреннего сгорания приведѐн на рис. 1.
Таблица 2
Расчётные значения давлений на линиях сжатия и расширения
Текущее значение объема,
VX , мм
Расчетное значение давления на линии сжатия, PCX
, мм
Расчетное значение давления на линии расширения
PPX , мм
2.7. Расчёт индикаторных показателей рабочего процесса
Расчѐтное среднее индикаторное давление, МПа
10