The heat balance of the engine.

The heat Q of the hour consumption G_m fuel is partially converted into work, some of the heat and Q_охл lost through the cylinder wall into the cooling system, the heat Q_выхл. lost due to incomplete combustion. The equation giving the relationship between the heat expended and consumed on individual objects, is called the thermal balance:

Q = Q_э + Q_охл + Q_вых + Q_н.с. + Q_ост. Kcal / hour.

where

Q – heat the fuel consumed in the engine

Q_э - heat, transformed into an efficient work;

Q_охл – heat lost by the cooling system;

Q_вых – heat is lost with the exhaust gases;

Q_н.с. – the heat is not used due to incomplete combustion;

Q_ост – so-called tail gas, represents the amount of loss that can not be addressed individually.

The amount spent per hour of heat:

Где – удельный расход в г/л.с.ч.

Количество тепла эквивалентное полезной, эффективной работе равно

Количество тепла теряемое с охлаждением, равняется

Где часовой расход охлаждающей воды в кг/час - разность температур воды на входе в двигатель и на выходе.

В том случае, если охлаждение воздушное

- теплоемкость 1 кг воздуха при постоянном объеме в

– часовой расход охлаждающего воздуха в kg/hour

На одну лошадиную силу в час отводится в систему охлаждения 600….1000 ккал, большее количество тепла отводится в карбюраторных двигателях, у которых температура процесса выше.

Количества тепла

Где - часовой расход топлива кг/час.

Учитывая, что второй член правой части уравнения (79) в несколько раз меньше первого члена и что незначительно отличается от , можно без большой погрешности считать

Тепло -теряемое из-за неполноты сгорания при α 1 равняется

Где

При α количество равно нулю.

Остаточный член включает в себя потери тепла лучеиспусканием в окружающею среду, потери тепла в следствие несовершенства рабочей смеси, неодинакового состава смеси по цилиндрам, а также из-за догорания по линии расширения. Эти последние потери трудно определить. По величине они относительно невелики.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 1

Произвести тепловой расчет дизеля с камерой завихрения, мощность 50 л.с. Число оборотов 1600 в минуту.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ.

Состав топлива по весу;

С – 0,856 кг/кг

Н -0,136 кг/кг

О -0,008 кг/кг

Теплотворная способность................................... = 10000 ккал/кг

Степень сжатия……………………………………ε = 17

Давление окружающего воздуха………………..Р₀ = 1,033 кг/см²

Температура окружающего воздуха……………Т₀ = 288⁰К

Температура остаточных газов…………………..Т_r = 750⁰К

Коэффициент выделения тепла при сгорании…..ξ= 0,8

Коэффициент избытка воздуха……………………α= 1,3

ПРОЦЕСС ВСАСЫВАНИЯ.

Учитывая подогрев воздуха DТ=12⁰, будем иметь температуру свежего заряда =Т₀ + DТ=300⁰.

Давление Р_а конца процесса всасывания определяем по эмперической формуле

=1,033(1- 0,55 *10^-4 1600)= 0,9 кг/см²

Коэффициент наполнения подсчитывается по формуле

Величина может быть определена из выражения

= 1,1 кг/см².

= )

Коэффициент остаточных газов:

g = =

Температура конца процесса всасывания:

= 288

ПРОЦЕСС СЖАТИЯ.

Средний показатель политропы сжатия определяется по эмпирической формуле

Давления конца сжатия:

= 0,9*17^1,33 = 38,97 кг/см²

lg P_c = lg 0,9 +1,33 lg17= 1,954 + 1,33*1,23=1,584

Температура конца сжатия:

= 328*17^0,33 =835⁰

ПРОЦЕСС ГОРЕНИЯ

Теоретическое необходимое количество воздуха:

= = 0,5моли/кг

Действительное количество воздуха: L =a = 1,3 * 0,5= 0,65 молей/кг

Число молей продуктов сгорания a

= a + =0,65 + = 0,684 моли/кг

Действительный коэффициент m молекулярного изменения:

m = , где

m = =1,05

Температура T _z конца горения определяется из уравнения

+ (1,985 l + (m )_{T c} ) T _c = m ( m c _p )_{T z} T _z

В этом уравнении l= . В дизелях с камерой завихрения давления в конце горения = 50…60 кг/см². Если принять = 59 кг/см², то l= .

Мольная теплоемкость m свежего заряда для процесса v=const равняется

(m = 4,815 + 0,415*10^-3 , то (m = 4,815 + 0,415*10^-3 *835 =4,02 ккал/моль град

Мольная теплоемкость (m c _p) продуктов сгорания при a равняется

(m c _p) = 1,985 + (4,8+ ) + (3,7 + ) *10^-4 = 6,955+6,25 *10^-4

Тогда

= 1,05(6,955 + 6,25 * 10^-4 )

11740 + (2,98 + 5,268) *850 = 7,3 + 6,56 *10^-4

6,56 *10^-4 + 7,3 - 18750 = 0 Корень уравнения второй степени

ах²+ bx +c=0 имеем выражение

Поэтому

= =2170⁰

Величина предварительного расширения определяется из выражения:

= =1,82

ПРОЦЕСС РАСШИРЕНИЯ

Средний показатель политропы расширения определяется из эмпирической формулы

n₂ = 1.22 + -0,02= 1.22

Давление = ( ⁿ² = 59 * ^1,28 = 3,4 кг/см²

Температура = ( ^{n – 1} = 2170 ( ^0,28 = 1160⁰

СРЕДНЕЕ ИНДИКАТОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ

Среднее индикаторное давление теоретической индикаторной диаграммы равно:

= {l ( r -1)+ [1-( )^n-1]- ( 1- )}

= {1,5(1,82-1) + ^1,22-1] - = 2,4{1,23 + 12,4[ 1- 0,61] – 3,03(1-0,39)}= 2,4{1,23 + 4,83 -1,84} = 10,1 кг/см²

Действительное среднее индикаторное давление равняется:

где = 1,1-0,9 = 0,2 кг/см².

Коэффициент округления диаграммы j = 0,94.

0.94 * 10,1 – 0,2 = 9,29 кг/см².

Среднее эффективное давление:

где та часть индикаторного давления, которая расходуется на преодоление трения внутри двигателя и на привод вспомогательных агрегатов (водяная помпа, вентилятор, топливный насос и др.)

Согласно экспериментальным данным можно считать, что

0,9 + 0,15 c _m кг/см².

где c _m - средняя скорость поршня будет иметь величину порядка 5-7 м/сек. Принимая c _m = 6 м/сек получим:

= 0,9 + 0,15*6 = 1,8 кг/см².

Тогда среднее эффективное давление

= 9,29 – 1.8 = 7,49 кг/см².

Механический коэффициент полезного действия

= 0,81

Удельный расход на 1 индикаторную лошадиную силу в час:

г /л.с.ч., где - теоретически необходимое количество воздуха в кг. для сгорания 1кг.топлива: так как вес одной моли воздуха равняется 28,95кг. то = 28,95

= 28,95* 0,5 = 14,475 кг/кг

Объемный вес воздуха = 1,188 кг/м³ ,

167 г/ л.с.ч.

Удельный расход топлива на 1эффективную лошадиную силу в час

= 206 г/ л.с.ч.

Индикаторный коэффициент полезного действия:

= 0,38.

Эффективный коэффициент полезного действия:

= 0,38 * 0,81 = 0,31

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ЦИЛИНДРА.

Литраж четырехтактного дизельного двигателя определяется из выражения:

= = 3,8 л.

При четырех цилиндрах объем одного цилиндра:

= 0,95 л.

Задаваясь отношением S/D = 1,1 определим диаметр цилиндра из выражения:

D= 1,084 0,96 дм = 96 мм.

Ход поршня S = 1,1 * 96 = 105 мм.

Средняя скорость поршня = 5,6 м/сек.

То есть незначительное отклонение от принятого значения при определении среднего давления на трение.