Контрольная работа “Термодинамика, теплопередача и двигатели внутреннего сгорания” (20 часов)

Контрольная работа выполняется в 6 семестре. Итоговый контроль – защита.

Цель контрольной работы:

- закрепление практических навыков использования основных законов и зависимостей термодинамики в практике расчёта и анализа термодинамических циклов тепловых машин;

- закрепление знаний и приобретение практических навыков в области исследования теплового состояния элементов энергетического оборудования на основе пройденного курса.

5.1. СОДЕРЖАНИЕ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

5.1.1. Расчёт частоты вращения вала и мощности, развиваемой двигателем автомобиля, движущегося с заданной скоростью (марка автомобиля задаётся).

5.1.2. Расчёт для найденных частоты вращения и мощности двига­теля его рабочего цикла и построение индикаторной диаграммы.

5.1.3. Расчёт теплового баланса двигателя.

5.2. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

5.2.1. Прежде чем приступать к выполнению расчётов, необходимо:

1) ознакомиться с содержанием задания;

2) проработать теоретический материал по теме контрольной работы (см. список рекомендуемой литературы);

3) ответить на все контрольные вопросы, приведённые в конце данных методических указаний.

5.2.2. Вариант работы определяется порядковым номером, под которым фамилия студента записана в кафедральном журнале. Исходные данные для расчёта выбираются изтаблицы 1.

5.2.3. Расчёты производить, пользуясь, системой единиц СИ.

5.2.4. Выполненная и оформленная курсовая работа должна содер­жать:

1) номер варианта и исходные данные для расчёта;

2) расчётные формулы, использованные при расчёте и подробный ход решения;

3) сводную таблицу результатов расчёта (см. табл. 2);

4) рисунки и графики, требуемые заданием.

5.2.5. Контрольную работу необходимо оформлять в соответствии с требованиями ГОСТ 7.32-81 (образец оформления работы вывешен в лаборатории теплотехники).

5.2.6. Работа в полностью оформленном виде должна быть сдана на проверку преподавателю и защищена в сроки, установленные кафедрой.

При защите студент должен:

1) уметь изложить весь ход расчёта;

2) свободно владеть теоретическим материалом по теме контрольной работы.

5.3. УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

5.3.1. Частота вращения коленчатого вала двигателя при извест­ном передаточном числе коробки перемены передач (КПП) и главной передачи связаны со скоростью движения автомобиля соотношением:

(1)

где w_a - скорость движения автомобиля, м/с;

i_к - передаточное число К.П.П.;

i₀ – радиус колеса автомобиля, м.

Радиус колеса определяется по уравнению

(2)

где d – внутренний диаметр шины, м;

- коэффициент, учитывающий вертикальную деформацию шин (принимается обычно равным 0,8 – 0,9);

h – высота профиля шины, м;

(значения d и h шин приведены в табл. 1).

Таблица 1

Таблица 2

вариант

Марка авто­моби­ля

Скорость движения Wa, км/ч

Тип дви­га­теля

Мощность двигате­ля   Nw, кВт

КПП перед. Число i к

Часто-та враще-ния ко-лен. вала n w, 1/с

Параметры цикла

Индикат. показат.

Pa, МПа

Ta, K

--

P c, МПа

Tc, К

Pz, МПа

Tz, К

Pb, МПа

Tb , К

TГ , К

Pi , МПа

Ni, кВт

gi, г/кВт∙ч

--

.

Эффективные показатели

Составляющие теплового баланса

Pe МПа

N кВт

--

ge г/кВт∙ч

G т кг/ч

Q кДж/с

q %

Qe кДж/с

qe %

Q охл кДж/с

q охл %

Q Г кДж/с

q Г %

Q нс кДж/с

q нс %

Q ост кДж/с

q ост %

Подсчитанное значение n_w используется для определения мощнос­ти, развиваемой двигателем. Предполагается, что двигатель рабо­тает при полном открытии дроссельной заслонки.

Для этого предварительно строят внешнюю скоростную характе­ристику двигателя, используя единую относительную внешнюю харак­теристику, построенную по данным таблицы 3 и 4.

Таблица 3

5.3.2. Рекомендуется следующий порядок определения мощности, развиваемой двигателем:

1) используя относительную внешнюю скоростную характеристику, построить внешнюю скоростную характеристику двигателя данного автомобиля;

2) с помощью построенной характеристики определить мощ­ность двигателя N_w при соответствующей частоте вращения вала n_w (рассчитана в пункте 5.3.1).

Таблица 4

5.4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РАСЧЁТУ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДВИГАТЕЛЯ

5.4.1. Исходные данные.

Расчёт рабочего цикла проводится для режима работы двигателя, обеспечивающего заданную скорость движения автомобиля, т.е. при N=N _w и n=n _w.

Давление окружающей среды принимается равным P ₀=0,1 МПа, а температура T ₀ = 293 К. Необходимые для расчёта характеристики двигателей приведены в табл. 4.

При работе двигателя по внешней скоростной характеристике коэффициент избытка воздуха для карбюраторных двигателей принимается равным 0,95 - 0,98, а для дизельных двигателей без наддува - 1,4 – 1,5.

Маркатоплива и его элементарный состав приведены в табл. 5.

Таблица 5

5.4.2. Потребное количество воздуха и состав продуктов сгорания. Параметры рабочего тела.

1). Теоретически необходимое количество воздуха (в ) определяется по уравнению

(3)

где С, Н, О - массовые дели соответственно углерода, водорода и кислорода в топливе (кг/кг толива, см. табл. 5)

0,21 - объёмная доля кислорода в воздухе.

2). Определяется количество свежего заряда, (в )

(4)

где m_т - молекулярная масса топлива;

- коэффициент избытка воздуха.

3). Рассчитывается количество и состав продуктов сгорания.

При ≥ I количество продуктов сгорания (в ) определяется по уравнению:

(5)

где

При < 1 имеет место неполное сгорание жидкого топлива, поэто­му количество и состав продуктов сгорания (в ) рассчитывают по приведённым ниже формулам:

, (6)

где

Коэффициент К - соотношение между H₂ и СО в продуктах неполного сгорания. Для бензина можно принять

4). Определяется теоретическое значение коэффициента мо­лекулярного изменения при сгорании

(7)

5.4.3. Процесс впуска.

1). Давление в цилиндре в конце впуска принимать равным (МПа)

(8)

2). Определяется коэффициент остаточных газов , который характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сго­рания и представляет собой отношение числа киломолей остаточных газов к числу киломолей свежего заряда.

Для 4-х тактных двигателей без учёта продувки и дозарядки коэффициент остаточных газов определяется по уравнению:

, (9)

где P _Г – давление остаточных газов;

- степень сжатия;

T _Г – температура остаточных газов, которая обычно имеет следующие значения:

для карбюраторных двигателей – 900 – 1100 К;

для дизеля – 600 – 900 К.

Давление остаточных газов P _Г для автомобильных двигателей с выпуском отработавших газов в атмосферу принимается согласно экспериментальным данным:

(10)

3). Определяется температура в конце впуска (К)

, (11)

где - подогрев свежего заряда в процессе впуска за счёт теплообмена с нагретыми деталями двигателя. Величина подогрева зависит от конструктивных особенностей двигателя, системы охлаждения, быстроходности и ряда других факторов.

Величина AT определяется по следующей приближённой формуле:

(12)

где

- соответственно величина подогрева свежего заряда и час­тота вращения коленчатого вала при номинальном режиме работы двигателя.

Величина при номинальном режиме работы может принимать сле­дующие значения:

для карбюраторных двигателей - 0 - 20 К;

для дизелей без наддува - 10 - 40 К.

4). Определяется коэффициент наполнения , который представляет собой отношение действительного количества свежего заряда, поступившего в цилиндр, к тому количеству, кото­рое могло бы поместиться в нём при температуре и давлении окружа­ющей среды, из которой поступает свежий заряд. Для 4-х тактных двигателей коэффициент наполнения рассчитывается по уравнению:

(13)

5.4.4. Процесс сжатия

1). При тепловом расчёте процесс сжатия условно представ­ляется в виде политропного процесса с постоянным показателем по­литропы n ₁. Расчёт процесса заключается в определении давления P _С, температуры T _С и теплоёмкости рабо­чего тела в конце сжатия.

2). Давление в конце сжатия определяется (в МПа) по

формуле:

, (14)

где - степень сжатия;

n ₁ - показатель политропы сжатая, который определяется по эмпирическим формулам:

для карбюраторных двигателей n ₁=1,497 – 590/ n _w;

для дизелей n ₁=1,41-100/ n _w,

где n _w - частота вращения коленчатого вала, мин.^-1.

3). Температура в конце процесса сжатия рассчитывается по формуле:

. (15)

4). Средняя мольная изохорная теплоёмкость рабочей смеси (свежая смесь + остаточные газы) определяется по формуле:

, (16)

где , , - соответственно мольная изохорная теплоёмкость рабочей смеси, свежей сме­си и остаточных газов.

Средняя мольная изохорная теплоемкость свежей смеси в конце сжатия принимается равной теплоёмкости воздуха и определяется по таблице 6.

Средняя мольная изохорная теплоёмкость остаточных газов определяется по формуле:

(17)

Средние мольные теплоёмкости отдельных компонентов продуктов сгорания в формуле (17) определяются из таблицы 6.

5.4.5. Процесс сгорания.

1). Процесс сгорания - важнейший процесс рабочего цикла двигателя, в течение которого теплота, выделяющаяся вследствие сгорания топлива, идёт на повышение внутренней энергии рабочего тела и совершение работы.

Целью расчёта процесса сгорания является определение темпера­туры (Т _z) и давления (P _z) в конце видимого сгорания.

2). Температура газа Т _z в конце видимого сгорания опреде­ляется из уравнения первого закона термодинамики, которое при­менительно к двигателям внутреннего сгорания записывается в следующем виде:

для карбюраторного двигателя -

(18)

для дизеля -

(19)

где - коэффициент использования теплоты на участке видимого сгорания;

- теплота сгорания рабочей смеси;

- средняя мольная теплоёмкость рабочей смеси в конце процесса сжатия;

, - соответственно изохорная и изобарная средние мольные теплоёмкости продуктов сгорания;

- коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси;

- степень повышения давления.

3). Теплота сгорания рабочей смеси (горючая смесь + остаточные газы) , определяется в зависимости от коэффициента избытка воздуха по следующим уравнениям:

при (20)

при , (21)

где - низшая теплота сгорания топлива;

М ₁ - число молей свежего заряда;

- коэффициент остаточных газов;

- потери теплоты из-за химической неполноты сгорания топлива.

Величина определяется по формуле (в кДж/кг):

(22)

4). Коэффициент использования теплоты показывает какая доля теплоты сгорания рабочей смеси используется на повыше­ние внутренней энергии газа и совершение работы на участке види­мого сгорания. Его величина принимается на основе экспериментальных данных:

для карбюраторных двигателей = 0,85 - 0,90;

для дизелей = 0,70 - 0,85.

5). Средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания () определяется по формуле:

(23)

Мольная теплоёмкость компонентов продуктов сгорания подставляет­ся в формулу (23) в виде двучлена , конкретный вид которого для СО₂, СО, Н₂О, H₂ и N₂ приведён в таблице 7.

6). Действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси , представляет собой отношение количества газов в цилиндре двигателя после сгорания (продуктов сгорания M ₂ и остаточных газов предыдущего цикла М _Г) к количеству рабочей смеси перед сгоранием (свежего заряда М ₁ и остаточных газов предыдущего цикла М _Г). Он вычисляется по формуле:

(24)

7). Давление р _z (МПа) в конце сгорания определяется:

для карбюраторных двигателей

(25)

где - коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси;

для дизелей p _z (МПа):

(26)

где - степень повышения давления. Для дизелей =1,4-2,2.

5.4.6. Процесс расширения.

1). Также как и процесс сжатия при тепловом расчёте процесс расширения условно принимается политропным. Целью расчёта про­цесса расширения является определение температуры Т _В (К) и давления p _В (МПа) в конце процесса.

2). Давление в конце процесса расширения определяется по уравнению:

для карбюраторного двигателя:

(27)

для дизеля:

, (28)

где - степень предварительного расширения в дизеле.

Таблица 6

Таблица 7

Наименование газа	Формулы для определения средних мольных теплоёмкостей отдельных газов при постоянном объёме, кДж/(кмоль∙К), для температур
от 0 до 1500 ºС	от 1501 до 2800 ºС
Воздух   Кислород   Азот   Водород   Окись углерода   Углекислый газ   Водяной пар

Определяется уравнению:

; (29)

где n ₂ - показатель политропы расширения.

Величина п ₂, определяется по эмпирическим формулам:

для карбюраторного двигателя

; (30)

для дизеля

(31)

где - частота вращения коленчатого вала, мин^-1:

3). Температура рабочего тела в конце расширения рассчиты­вается по уравнению:

для карбюраторного двигателя

, (32)

для дизеля

(33)

5.4.7. Процесс выпуска.

На данном этапе теплового расчёта проводится только проверка правильности выбора значений р _Г и Т _Г. Проверка осуществляется по формуле

(34)

В случае расхождения найденного значения Т _Z с ранее принятым более чем на 18 % проводят корректировку исходного значения с последующим перерасчётом цикла.

5.4.8. Индикаторные показатели рабочего цикла.

Совершенство процессов, происходящих в цилиндрах двигателя, оценивается с помощью индикаторных показателей, к которым отно­сятся: среднее индикаторное давление (p_i), индикаторная мощ­ность (N_i) и индикаторный к.п.д. ().

1). Среднее индикаторное давление - это условно-постоянное давление на поршень, которое в течение одного его хода совершает работу, равную индикаторной работе газов за весь цикл. Теоретическое среднее индикаторное давление определяется по уравнениям:

для карбюраторного двигателя

(35)

для дизеля

(36)

Действительное среднее индикаторное давление цикле, определяется по формуле:

(37)

где - поправочный коэффициент (коэффициент полноты индикаторной диаграммы), учитывающий отличие действительного цикла от теоретического. Анализ экспериментальных данных позволяет заключить, что величина находится в следующих пределах:

для карбюраторных двигателей - 0,94 - 0,97;

для дизелей - 0,92 – 0,93.

2). Индикаторная мощность двигателя Ni - работа, совер­шаемая газами внутри цилиндра в единицу времени (кВт).

Для многоцилиндрового двигателя

(38)

где p_i - среднее индикаторное давление, МПа;

- рабочий объём одного цилиндра, л (дм³);

i - число цилиндров;

, частота вращения коленчатого вала, мин^-1;

- тактноcть двигателя.

3). Индикаторный к.п.д. характеризует степень использования в действительном цикле теплоты топлива для получения полезной рабо­ты и представляет собой отношение теплоты, эквивалентной индикатор­ной работе цикла, ко всему количеству теплоты, внесённой в ци­линдр с топливом.

Для автомобильных двигателей, работающих на жидком топливе индикаторный к.п.д., определяется по формуле:

(39)

где - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания одного кг топлива (кг/кг.топлива);

определяется по уравнению:

(40)

- коэффициент избытка воздуха;

- плотность заряда на впуске, кг/м³;

- коэффициент наполнения.

4). Помимо индикаторного к.п.д. для оценки экономичности действительного цикла используется величина индикаторного удельного расхода топлива (г/кВт∙ч).

Для автомобильных двигателей, работающих на жидком топливе индикаторный удельный расход топлива определяется по уравнению:

(41)

5.4.9. Эффективные показатели двигателя.

1). С вала двигателя снимается мощность, меньшая, чем т.к. часть индикаторной мощности, развиваемой в цилиндрах двига­теля, расходуется в самом двигателе и не может быть полезно ис­пользована. Эта мощность, затрачиваемая на преодоление различных сопротивлений внутри двигателя, называется мощностью механических потерь . Для двигателей без наддува она складывается, в основном, из следующих составляющих: мощности, затрачиваемой на преодоление трения между деталями двигателя; мощности, затрачи­ваемой на преодоления трения между движущимися деталями и воздухом (например, движении шатунов, вращение коленчатого вала и махови­ка и т.п.); мощности, затрачиваемой на приведение в действие вспо­могательных агрегатов и устройств двигателя; мощности, расходуе­мой на осуществление процессов впуска и выпуска (насосные потери). Мощность, снимаемая с вала двигателя, называется эффективной N _e, она равна

N _e = N_i – N _M. (42)

2). Мощность механических потерь, по аналогии с индикатор­ной мощностью, может быть выражена через среднее давление меха­нических потерь p _м.

Среднее давление механических потерь (МПа) определяется по следующим эмпирическим формулам:

для карбюраторных двигателей

; (43)

для дизелей

, (44)

где - средняя скорость поршня, м/с. Средняя скорость поршня определяется по уравнению

(45)

где S - ход поршня (приведен в табл. 4), м;

- частота вращения коленчатого вала двигателя, мин^-1.

3). Определяется среднее расчётное эффективное давление, которое представляет собой величину условного постоянного давле­ния в цилиндрах двигателей, при котором работа, произведённая в них за один такт, равнялась бы эффективной работе (удельной эф­фективной работе) на валу двигателя:

, (46)

4). Определяется действительное среднее эффективное дав­ление по уравнению:

, (47)

где, - мощность, развиваемая двигателем на расчётном режиме, кВт;

- рабочий объём цилиндра, л (дм³) (приведён в табл.4);

- частота вращения коленчатого вала двигателя, мин^-1;

i - число цилиндров;

- тактность двигателя.

Тепловой расчёт считается выполненным с удовлетворительной точ­ностью, если значение p _e, рассчитанное по уравнению (46) отличается от не более, чем на 15 %. В случае большого рас­хождения значений p _e и необходимо уточнить значения величин, принимаемых в расчёте по опытным данным и провести перерасчёт.

5). Механические потери в двигателях характеризуются ме­ханическим к.п.д. , который определяется как отношение сред­него эффективного давления к индикаторному:

(48)

6). Параметрами, характеризующими экономичность работы двига­теля являются эффективный к.п.д. и эффективный удельный рас­ход топлива .

Эффективный к.п.д. представляет собой отношение теплоты, преобразованной в полезную эффективную работу на валу двигателя, к теплоте, внесённой в двигатель с топливом:

(49)

Для определения эффективного к.п.д. может быть использовано следующее уравнение:

. (49)

7). Эффективный удельный расход топлива (г/(кВт∙ч)), т.е. расход топлива для получения единицы эффективной мощности, опре­деляется по уравнению, аналогичному уравнению для определения ин­дикаторного расхода жидкого топлива:

(50)

8). Определяется часовой расход топлива (кг/ч)

(51)

5.5. ПОСТРОЕНИЕ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ ЦИКЛА

Индикаторная диаграмма строится аналитическим методом с использованием данных теплового расчёта на миллиметровой бумаге формата А4. При построении диаграммы её масштабы рекомендуется выбирать такими, чтобы высота диаграммы получилась равной 1,5-1,7 её основания.

Порядок построения:

1) На оси абсцисс (рис. 1) откладывается отрезок (мм), соответствующий объёму камеры сгорания в масштабе , который в зависимости от величины хода поршня может быть принят 1:1, 1,5:1, 2:1;

2) в таком же масштабе откладывается отрезок AВ, соответствую­щий рабочему объёму цилиндра , по величине равный ходу порш­ня S;

3) по оси ординат в масштабе откладывается давление в харак­терных точках цикла: а, с, z', z, b, r;

Рис. 6.1

4) строятся политропы расширения и сжатия. Для построения политроп используется уравнение политропы которое для политропы сжатия будет иметь вид:

, (52)

а для политропы расширения

. (53)

Давление в искомых точках (берётся 8-10 точек) процесса сжатия (расширения) находится из уравнений:

(54)

процесс расширения

(55)

гдз V _x - объём в искомой точке процесса.

Действительная индикаторная диаграмма (рис. 1) отличается от расчётной, т.к. в реальном двигателе за счёт опе­режения зажигания (точка ) рабочая смесь воспламеняется до прихода поршня в В.М.Т. и повышает давление в конце процесса сжатия (точка ). Процесс видимого сгорания происходит при изменяющемся объёме и протекает по кривой , а не по прямой cz. Открытие выпускного клапана до прихода поршня в Н.М.Т. (точка ) снижает давление в конце расширения - точка . Эта точка обычно располагается между точками b и a. Положение точки определяется из выражения

, (56)

действительное давление сгорания

Максимальное давление сгорания достигается ориентировочно через 10° после В.М.Т.

5.6. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ

В общем виде уравнение внешнего теплового баланса имеет вид:

(57)

где Q - располагаемая теплота (кВт); определяется по низшей теплоте сгорания и расходу топлива.

(58)

Q_e - теплота, эквивалентная эффективной работе за 1 с (кВт)

Q _е = N _e, (59)

Q _охл - теплота, передаваемая охлаждающей среде (кВт). У 4-х тактных двигателей с жидкостным охлаждением Q _охл определяют по эмпирической формуле:

(60)

где i - число цилиндров;

c = (0,45 – 0,53)∙l0^-3 - коэффициент пропорциональности; D - диаметр цилиндра, см;

n_w - частота вращения коленчатого вала, мин^-1;

m = 0,6 - 0,7 - показатель степени;

Q _г - теплота, теряемая с отработанными газами (кВт):

(61)

где M ₂, M ₁ - соответственно количество продуктов сгорания и свежего заряда, кмоль;

- теплоёмкость остаточных газов (кДж/(кмоль∙К));

определяется по уравнению, аналогичному уравнению 17;

- теплоёмкость свежего заряда, определяется из табл. 6 для воздуха, кДж/(кмоль∙К);

t _Г, t ₀ - соответственно температура остаточных газов и свежего заряда, °С;

Q _нс - теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива (кВт):

(62)

Q _ост - неучтённые потери теплоты (кВт):

(63)

Абсолютные значения составляющих теплового баланса, а также их относительное значение в процентах по отношению к располагаемой теплоте Q ( ; ) заносятся в таблицу 2.

Список рекомендуемой литературы

1. Железко Б.Е., Адамов В.М., Есьман "Термодинамика, теплопередача и двигатели внутреннего сгорания. Высшая шк. 1985, 272 с.

2. Колчни А. И., Демидов В.П. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей: Высш. шк. I980, 400 с.