Материал: 1524
Глава 4. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ,
РАБОТАЮЩЕГО НА СЖИЖЕННОМ ГАЗЕ
Произвести расчет четырехтактного двигателя, предназначенного для грузового автомобиля, имеющего следующие исходные данные:
эффективная мощность Ne1 = 115 кВт;
частоту вращения коленчатого вала nN = 3200 об/мин;
число цилиндров i = 8;
применяемое топливо – 50 % пропана и 50 % бутана;
низшая теплотворность топлива Hu = 45,41 МДж/кг;
молекулярная масса пропана mi = 44, бутанаmi = 58;
степень сжатия ε = 8,5;
коэффициент избытка воздуха примаксимальной мощности N =0,95.
4.1.Определение параметров рабочего тела
Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива:
для пропана
Lo |
= |
1 |
|
(n + |
|
m |
)MC3H8 |
= |
1 |
|
(3+ |
8 |
)0,5 = 0,2705 кмоль; |
||||
0,21mT |
|
4 |
0,21 44 |
|
4 |
||||||||||||
для бутана |
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|||||
Lo |
= |
1 |
|
(n + |
)MC H |
= |
|
1 |
|
(4+ |
|
)0,5 =0,2668 кмоль; |
|||||
|
|
0,21mT |
|
4 |
|
4 10 |
|
|
0,21 58 |
|
4 |
|
|||||
mT молекулярная масса пропана; mT молекулярная масса бутана;
n число атомов углерода у пропана; n число атомов углерода у бутана; m число атомов водорода у пропана; m число атомов водорода у бутана.
Lо = L о + L о = 0,2705 + 0,26668 = 0,5373 кмоль.
Коэффициент избытка воздуха для различных скоростных режимов
|
|
|
n |
2,36 |
|
= – 0,78 |
|
0,7 |
|
||
|
|||||
|
|
. |
|||
|
|
|
nN |
||
Действительный расход воздуха для номинального режима
L Lo=0,95 0,5373=0,5104 кмоль.
Средняя молекулярная масса топлива
mT MC3H8mT + MC4H10mT =0,5 44 + 0,5 58 = 51.
Количество свежего заряда
M1 |
L + |
1 |
= 0,5104 + |
1 |
= 0,53 кмоль/кг топл. |
mT |
|
||||
|
|
51 |
|||
Количество каждого компонента, входящего в состав продуктов сгорания, полученных при сгорании 1 кг топлива:
MCO = 0,42(1 )( |
Lo |
|
|
|
|
Lo |
) = 0,42(1 0,95) |
||||
1 K |
|
K |
|||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|||||
( |
0,2705 |
|
|
0,2668 |
) = |
0,00742 кмоль, |
|||||
|
|
||||||||||
1 0,53 |
1 0,51 |
|
|
|
|
||||||
здесь K и K соответственно отношение числа молей водорода к числу молей окиси углерода в отработавших газах, образовавшихся в результате неполного сгорания пропана и бутана при 1;
МСО |
n MC |
H |
|
|
1 |
|
n MC H |
1 |
MCО |
||
8 mT |
|
||||||||||
2 |
3 |
|
4 10 mT |
||||||||
3 0,5 |
|
1 |
4 0,5 |
1 |
|
0,00742 0,0616кмоль; |
|||||
44 |
58 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
MH |
MCO (K K )/2 0,00742(0,53 0,51)/2 0,00386 кмоль; |
||||||||||||||||||||
|
2 |
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
1 |
|
|
m |
|
|
1 |
|
|
||
|
MH |
O |
MC |
H |
|
|
MC H |
|
M |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
2 |
|
2 |
|
3 |
|
8 mT |
2 |
4 10 |
|
mT |
H2 |
|||||||
|
|
8 |
0,5 |
1 |
|
|
10 |
0,5 |
1 |
0,00386 0,0847кмоль; |
|||||||||||
|
|
44 |
|
|
|
||||||||||||||||
|
2 |
|
|
|
2 |
|
58 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
MN2 0,79 Lo= 0,79 0,95 0,5373 = 0,4032 кмоль.
Общее количество продуктов сгорания
M2 MCO MCO2 MH2 MH2O MN2 0,00742+0,0616+
+0,00386+0,0847+0,4032 = 0,5608 кмоль.
Химический коэффициент молекулярного изменения
M 2 = 0,5608= 1,0581. M1 0,53
4.2. Процесс впуска
Параметры окружающей среды: Ро= 0,1 МПа, То = 293 К, степень
подогрева свежего заряда Т = 20 , средняя скорость поршня СN = 9,6 м/с. Плотность воздуха, поступающего в двигатель
|
Р 106 |
|
0,1 106 |
3 |
|||
о |
о |
|
= |
|
|
= 1,189 кг/м . |
|
R |
Bj |
T |
287 293 |
|
|||
|
|
o |
|
|
|
|
|
Ход поршня при номинальной частоте вращения коленчатого вала
Sp 30CN /nN = 30 9,6/3200 = 0,09 м.
Отношение площади поршня к проходному сечению впускного клапана
Fn / fкл = 5,0.
Максимальная скорость свежего заряда в проходном сечении клапана
Wвп 0,05433 SpnN Fn / fкл= 0,05433 0,09 3200 5,0=78,235 м/с.
Сопротивление впускной системы с учетом коэффициента затухания скорости ( 2 )= 3,4.
Давление в цилиндре двигателя в конце впуска
Ра Ро ( 2 )W 2вп о /(2 106)= 0,1 3,4 78,2352 1,189/(2 106)=0,0876 МПа.
Давление остаточных газов на номинальной мощности
PrN 0,098 0,539 10 5nN 0,098 0,539 10 5 3200 0,1152МПа.
Температура остаточных газов на номинальном режиме Тr=1070 К. Давление и температуру остаточных газов для различных
скоростных режимов можно определять по формулам:
Pr 1,035Ро (РrN 1,035Ро)( n )2 ; nN
Tr 370( n )0,333 10( n ) (TrN 360). nN nN
Степень подогрева свежего заряда на номинальном режиме принимаем равной 20 , а коэффициент дозарядки Ν =1,06. Для различных скоростных режимов степень подогрева свежего заряда и коэффициент дозарядки можно определить по формулам:
T T |
110 0,0125n |
; |
|
д |
( |
|
0,18) 0,18( |
n |
). |
|
|
|
|||||||
N 110 0,0125nN |
|
|
N |
|
nN |
||||
Коэффициент остаточныхгазов
r |
To T |
|
|
Pr |
|
|
|
|
|
|
= |
293 20 |
|
0,1152 |
|
0,05. |
|||||||
Tr |
|
|
|
|
|
|
|
|
1070 |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
Pa N Pr |
|
0,0876 8,5 1,06 0,1152 |
|||||||||||||||||||
Температура рабочего тела в конце наполнения |
|
|
|||||||||||||||||||||
|
T |
To T r Tr |
|
= |
293 20 1,1 0,05 1070 |
354К. |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
a |
|
|
1 r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 0,05 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Коэффициент наполнения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
То |
|
|
|
|
Р а N Ре |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|||
|
|
|
|
|
Т |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
Т |
|
|
Р ( 1) |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|||
|
|
|
= |
293 |
|
|
|
0,0876 8,5 1,06 0,1152 |
0,84. |
||||||||||||||
|
|
|
293 20 |
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,1(8,5 1) |
|
|
|||||||
4.3. Процесс сжатия
Показатель адиабаты сжатия определяем на основании значений теплоемкостей рабочего тела в начале и в конце сжатия. Показатель политропы сжатия получаем путем уменьшения показателя адиабаты на 0,02, так как теплоемкость газовоздушной смеси больше теплоемкости воздуха.Температуру рабочего тела в конце сжатия принимаем tc = 490 С.
Теплоемкость воздуха в конце сжатия
(mcv)c=21,475+0,00306(tc 400)=
=21,475+0,00306(490 400)=21,7504 кДж/кмоль.
Теплоемкость продуктов сгорания в конце сжатия
(mcv)c=[MCO(20,234+0,0031tc)+MCO 2(29,643+0,01323 tc)+MH 2 (20,619+ +0,00063 tc)+MH 2O(24,615+0,0054 tc)+MN 2 (20,129+0,00264 tc)] /M2=
= 0,00742(20,234+0,0031 490)+0,0616(29,643+0,01325 490)+ +0,00386(20,619+0,00063 490)+0,0847(24,615+0,0054 490)+ +0,4032(20,129+0,00284 490) /0,5608=23,9188 кДж/кмоль.
Теплоемкость рабочей смеси в конце сжатия
(mc |
|
) |
CМ |
= |
1 |
(mc ) |
+ |
(mc ) |
= |
1 |
21,7504+ |
v |
c |
|
|
||||||||
|
|
1 r |
v c |
r |
v c |
|
1 0,05 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
+0,05 23,9188 = 21,8536 кДж/кмоль.
Теплоемкость воздуха в начале сжатия
(mcv) с= 20,759+0,0008ta= 20,759+0,0008 81= 20,8238 кДж/кмоль.
Теплоемкость остаточных газов в начале сжатия
(mcv)a= MCO (20,808+0,00055ta)+MCO 2 (27,545+0,0255ta)+ +MН2 (20,302+0,00318ta) MH2O (25,184+0,0024ta) M N2(20,704+0,00029ta) /M2 = 0,00742(20,808+0,00055 81)+ +0,0616(27,545+0,02552 81)+0,00386(20,302+0,00318 81)+
+0,0847(25,184+0,00242 81)+0,4032(20,704+ +0,00029 81) /0,5608 = 22,4058 кДж/(кмоль град).
Теплоемкость смеси в начале сжатия
(mcv )aCM 1 1 r (mcv)a r(mcv)a =
= 1 20,8238 0,05 22,4058= 20,8991 кДж/(кмоль град). 1 0,05
Показатель адиабаты сжатия |
|
|
|
|
|||
K1 1 8,315 |
tc |
ta |
|
= |
|||
|
|
|
|
||||
|
|
(mcv)cCM tc (mcv)aCM ta |
|||||
= 1+8,315 |
|
490 81 |
|
|
1,3772. |
||
21,8536 490 20,8991 81 |
|||||||
|
|
|
|||||
Показатель политропы сжатия
n1 = К1 0,02 = 1,3772 0,02 = 1,3572.
Температура рабочего тела в конце сжатия
Tc Ta n1 -1 = 354 8,51,3572-1 = 760 K.
Ошибка в выборе температуры
tc (Tc 273) tc 100 (760 273) 490 100 0,616%. |
|
Tc 273 |
760 273 |
Если не учитывать теплоемкость остаточных газов, при определении температуры рабочего тела в конце сжатия, то ошибка в расчетах составляет не более 0,4 %. Для упрощения расчетов теплоемкость смеси можно приравнять к теплоемкости воздуха.
Давление в конце сжатия
Pc Pa n1 = 0,0876 8,51,3572 1,599 МПа.