Расчет автомобильных двигателей: методические указания к курсовому проекту. Ч.1: Тепловой расчет рабочего цикла двигателя

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Оренбургский государственный университет” Кафедра автомобильного транспорта

Н.Н. ЯКУНИН, Р.Ф. КАЛИМУЛЛИН, С.В. ГОРБАЧЕВ

РАСЧЕТ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЧАСТЬ 1 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДВИГАТЕЛЯ

Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом государственного образовательного учреждения “Оренбургский государственный университет”

Оренбург 2003 3

ББК 39.35 я 7 Я49 УДК 621.43.016.4(07)

Рецензент кандидат технических наук, доцент А.П. Пославский

Я49

Якунин Н.Н., Калимуллин Р.Ф., Горбачев С.В. Расчет автомобильных двигателей: методические указания к курсовому проекту, часть 1 – тепловой расчет рабочего цикла двигателя. - Оренбург: ГОУ ОГУ, 2003. - 50 с.

Методические указания содержат методики теплового расчета рабочего цикла двигателя и построения индикаторной диаграммы. Методические указания предназначены для выполнения курсового проекта по дисциплинам “Автомобильные двигатели” и “Рабочие процессы, конструкция и основы расчета тепловых двигателей и энергетических установок” для студентов специальностей 15.02.00, 23.01.00 и специализации 23.07.12 всех форм обучения.

Я

2203050000 6 Л 9 − 03

ББК 39.35 я 7

© Якунин Н.Н., 2003 © Калимуллин Р.Ф., 2003 © Горбачев С.В., 2003 © ГОУ ОГУ, 2003 4

Введение

Предметом изучения дисциплин “Автомобильные двигатели” и “Рабочие процессы, конструкция и основы расчета тепловых двигателей и энергетических установок” для студентов специальностей 15.02.00, 23.01.00 и специализации 23.07.12 являются автомобильные двигатели. Автомобильные двигатели – сложные технические устройства. В результате длительного периода развития они в настоящее время обладают высокой степенью совершенства и приемлемыми мощностными и экономическими показателями, а также достаточно надежны в работе. Однако необходимость повышения эффективности использования автомобилей требует дальнейшего совершенствования как самих автомобилей, так и их силовых установок. К автомобильным двигателям предъявляются следующие основные требования: 1) развитие необходимой мощности при различных скоростях движения автомобиля, хорошая приемистость при трогании автомобиля и изменении его рабочих режимов; 2) максимальная экономичность на всех режимах работы; 3) низкая себестоимость; 4) высокая удельная мощность; 5) удобство в эксплуатации, при техническом обслуживании и ремонте; 6) надежность работы; 7) низкая степень токсичности отработавших газов; 8) перспективность конструкции, позволяющая производить ее дальнейшую модернизацию. Учебные дисциплины “Автомобильные двигатели” и “Рабочие процессы, конструкция и основы расчета тепловых двигателей и энергетических установок” являются, согласно государственным образовательным стандартам по специальностям 15.02.00, 23.01.00 и специализации 23.07.12, специальной дисциплиной и формируют специальные знания будущего специалиста в области движущих элементов подвижного состава автомобильного транспорта. Учебные дисциплины знакомят студентов с основными типами двигателей для транспортных и транспортно-технологических средств; конструкцией и расчетом деталей и систем; компоновочными схемами; термодинамическими и действительными циклами; процессами газообмена и сжатия; эффективными и оценочными показателями двигателя; режимами и характеристиками работы ДВС и установок в зависимости от условий эксплуатации; мощностными, экономическими и экологическими показателями работы двигателей и установок, причинами их изменения; силовыми и термическими нагрузками на детали; принципами выбора типа двигателя для транспортных и транспортнотехнологических средств; требованиями к двигателям и их системам с учетом условий эксплуатации; принципами модернизации ДВС для применения альтернативных видов топлив. 5

Задачи изучения дисциплины определяются на основе требований к знаниям и умениям студента после изучения данного курса. Студент должен знать: 1) сущность и значение процессов, происходящих в цилиндре ДВС при реализации действительного цикла, закономерности и наиболее эффективные методы превращения химической энергии топлива в работу ДВС; 2) влияние основных конструктивных, эксплуатационных и атмосферно-климатических факторов на протекание процессов в ДВС и на формирование внешних показателей работы двигателя, современные методы улучшения технико-экономических показателей и характеристик двигателя, основные критерии работы ДВС и общепринятые характеристики; 3) тенденции и направления развития ДВС, диктуемые современными требованиями к подвижному составу автотранспорта. Настоящие методические указания помогут студентам закрепить, углубить и расширить знания, полученные на теоретических занятиях, приобрести умения и навыки по выполнению расчетов автомобильных двигателей и имеют целью оказать помощь студентам при выполнении курсового проекта по данным дисциплинам. Курсовой проект включает следующие разделы: 1) расчетную часть: - тепловой расчет; - динамический расчет; - расчет внешней скоростной характеристики; - оценка надежности проектируемого двигателя; - подбор автотранспортного средства к двигателю; - расчет систем двигателя. 2) графическую часть: - 1 лист – индикаторная диаграмма, характеристики автомобильного двигателя по результатам динамического расчета; - 2 лист – поперечный разрез двигателя с детальной проработкой основных механизмов и систем двигателя. 3) проверку полученных результатов на ПК. 1 Задание на курсовое проектирование

Курсовое проектирование – заключительная часть учебного процесса по дисциплинам “Автомобильные двигатели” и “Рабочие процессы, конструкция и основы расчета тепловых двигателей и энергетических установок”, раскрывающее степень усвоения необходимых знаний, творческого использования их для решения конкретных инженерных задач. Курсовое проектирование может служить одновременно начальным этапом самостоятельной работы молодого специалиста, сокращающим период его адаптации на производстве. Разработка и внедрение новой конструкции автомобильного ДВС – трудоемкие и дорогостоящие процессы. Средний срок от разработки новой конст6

рукции ДВС до ее внедрения составляет 5 лет, а экономически целесообразное время производства ДВС с учетом последующих модификаций, не затрагивающих основных корпусных деталей и не требующих коренного переоборудования производства, зависит от объема последнего и составляет 10…15 лет. Поэтому уже на стадии проектирования в конструкцию ДВС должны быть заложены решения, отвечающие тенденциям развития не только автомобилестроения, но и политике общества в вопросах экономии сырьевых и энергетических ресурсов, а также охране окружающей среды. Расчетно-пояснительная записка должна соответствовать требованиям ЕСКД к текстовым документам и содержать следующие элементы: 1) титульный лист; 2) содержание проекта; 3) введение, в котором должны быть обозначены общие проблемы двигателестроения; актуальность, цель и задачи курсового проектирования; 4) основную расчетную часть, проведенную по предлагаемой ниже методике; 5) заключение, в котором необходимо дать краткую характеристику проделанной работы и проанализировать полученные результаты; 6) список использованных источников. Рукописный текст записки должен размещаться на листах белой бумаги формата А4 (с одной стороны листа) и быть разборчивым для чтения и аккуратным по написанию. Текст записки может быть отпечатан на машинке или на ПК в соответствии с СТП 101-01 “Стандарт предприятия. Общие требования и правила оформления выпускных квалификационных работ, курсовых проектов (работ), отчетов по РГР, по УИРС, по производственной практике и рефератов”. Все страницы записки должны быть пронумерованы последовательно, включая иллюстрации, таблицы и другие материалы. Счет страниц начинается с титульного листа (номер страницы на титульном листе не ставится). Составные части расчетно-пояснительной записки располагаются в порядке, указанном ранее. Графическая часть проекта – это комплекс чертежей, отображающих основное содержание и результаты курсового проектирования. Чертежи индикаторной диаграммы и результирующие графики динамического расчета выполняются простым карандашом на листе миллиметровой бумаги формата А1, поперечный разрез двигателя выполняется на листе чертежной бумаги формата А1 в соответствии с ЕСКД в масштабе 1:1 или 1:2. Задание на курсовое проектирование определяется по таблице 1.1 в соответствии с номером варианта, указанным руководителем проекта. Таблица 1.1 - Задание на курсовое проектирование Параметры двигателя

7

Параметры двигателя

Номер варианта

1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Тип 2 дК вигателя К

Д Д Д К К Д Д Д К К К Д Д Д К К К Д Д Д К К К Д Д Д К К

Давле3 ние р-k , МПа

0,16 0,17 0,18 0,18 0,19 0,21 -

Номи4 нальная 20 мощность 54 Nе, кВт

130 185 60 40 100 115 200 142 24 80 125 150 240 160 45 85 200 165 220 230 50 78 90 145 310 270 55 62

Номинальная 5 частота 4300вращ ения 2700 nе, мин-1

Число 6 цилинд4 ров 6, i

Степень 7 сжатия, 6,4

Охлажде8 нВ ие

8 8 4 4 8 6 8 6 4 4 8 8 8 6 4 6 8 8 10 8 4 4 8 8 8 12 4 4

7,0 18,4 15,8 17,5 9,4 7,1 16,8 15,2 17,2 9,7 8,5 7,0 16,9 15,4 17,0 8,6 6,8 9,2 16,0 16,7 16,9 8,7 8,4 7,3 17,4 15,5 16,6 8,8 7,4

Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж В В Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж

5 3400 2250

6 8 6

7 7,2 16,8

8 Ж Ж

2600 2400 2900 5100 3000 2400 2000 2100 5400 4400 3100 2500 2100 2200 5200 2900 4200 2500 2300 2200 5400 4200 3300 2200 2100 2000 5500 4600

Продолжение таблицы 1.1 1 31 32 8

2 К Д

3 -

4 95 135

33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Д Д К К К Д Д Д К К К Д Д Д К К К Д Д Д К К К Д Д Д К К К Д Д Д К К К Д Д Д

0,17 0,20 0,18 0,19 0,17 0,17 0,18 0,20 0,17 0,18 0,19 0,18 0,19

225 275 60 70 235 230 310 190 30 75 105 60 370 185 57 58 95 178 190 205 38 68 140 115 240 235 54 60 110 95 205 285 25 55 115 120 250 265

2050 2200 5100 4600 4400 2400 1950 2600 4500 4700 3100 4700 2100 2400 5800 2800 3400 2150 2500 2200 4800 4650 3300 2700 2450 2000 5550 2900 3200 2100 2050 1950 4500 3900 3250 2500 2200 1900

8 8 4 4 8 10 12 8 4 4 8 4 12 6 4 6 8 8 8 6 4 4 8 6 8 6 4 6 8 4 8 6 4 4 8 6 8 6

15,6 16,4 8,9 8,4 9,4 16,8 15,0 17,6 6,6 8,5 6,9 15,0 15,2 17,8 8,7 7,1 6,9 16,6 16,0 17,6 6,9 6,6 7,4 17,4 17,0 17,2 9,5 6,8 7,0 17,8 15,6 17,3 6,7 6,8 7,3 17,0 15,8 15,4

Ж Ж Ж Ж Ж В Ж Ж В Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж В Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж В Ж Ж Ж Ж Ж

5 4600

6 4

7 6,9

8 В

Продолжение таблицы 1.1 1 71

2 К

3 -

4 30

9

72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100

К К Д Д Д К К К Д Д Д К К К Д Д Д К К К Д Д Д К К К Д Д Д

0,21 0,22 0,18 0,19 0,16 0,20 0,18

60 205 168 240 245 52 82 92 148 320 275 58 88 100 138 230 280 64 74 180 235 290 200 35 82 115 65 390 190

2900 4350 2550 2500 2400 5450 4300 3350 2300 2000 1900 5600 3000 3300 2300 2100 2400 5200 4800 4200 2300 2000 2700 4600 4800 3200 4800 2200 2500

6 8 8 10 8 4 4 8 8 8 12 4 6 8 6 8 8 4 4 8 10 12 8 4 4 8 4 12 6

7,5 9,4 16,5 17,0 17,4 8,7 8,6 7,5 17,8 15,8 17,3 8,8 7,1 7,6 17,2 16,0 16,7 9,1 9,0 9,3 17,4 15,6 17,8 7,0 8,7 7,4 16,8 15,4 17,6

Ж Ж Ж В В Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж Ж В Ж Ж В Ж Ж Ж Ж Ж

2 Тепловой расчёт рабочего цикла двигателя

В соответствии с заданием на курсовое проектирование, выбранным по таблице 1.1, необходимо выполнить тепловой расчёт рабочего цикла четырёхтактного двигателя на номинальном режиме работы, то есть на режиме максимальной мощности, которую развивает данный двигатель. Выбранный расчетный режим соответствует наиболее тяжелым условиям работы деталей двигателя в отношении показателей их прочности и долговечности. На основании теплового расчёта с достаточной для практики точностью можно построить индикаторную диаграмму, позволяющую определить величину давления газов в цилиндре в зависимости от переменного объема пространства над поршнем. Эти данные необходимы для расчёта деталей двигателя на прочность, выявить экономичность процесса, определить основные параметры 10

двигателя.

2.1 Рабочее тело и его свойства

Рабочим телом называется вещество, при помощи которого осуществляется действительный рабочий цикл двигателя. Для двигателей внутреннего сгорания рабочее тело состоит из атмосферного воздуха, топлива и продуктов его сгорания. 2.1.1 Топливо Теплота, необходимая для осуществления рабочего цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания, выделяется при химических реакциях сгорания топлива непосредственно в цилиндре двигателя. Физико-химические свойства топлив, применяемых в автомобильных двигателях, должны отвечать определенным требованиям, зависящим от типа двигателя, особенностей его конструкции, параметров рабочего процесса и условий эксплуатации. Состав топлива и его параметры в соответствии с заданием принимаются по таблицам 2.1 и 2.2. Таблица 2.1 – Зависимость октанового числа бензина от степени сжатия автомобильного двигателя Степень сжатия Октановое число бензина

5,5…6,5 6,6…7,0 7,1…7,5 7,6…8,5 8,6…9,5 66…72

73…76

77…80

81…90

91…100

до 12 более 100

Таблица 2.2 – Химический состав автомобильных топлив Топливо Бензин

Содержание в 1 кг Углерода С Водорода Н Кислорода О 0,855 0,145 –

Молекулярная масса mТ, г/моль 110…120 11

Дизельное топливо

0,870

0,126

0,004

180…200

Выбранный состав топлива отвечает условию С + Н + О = 1 кг.

(2.1)

При тепловом расчёте ДВС пользуются значением низшей теплоты сгорания топлива, под которой понимается количество теплоты, выделяемое при полном сгорании топлива без учета теплоты конденсации водяных паров. Низшая теплота сгорания Нu в кДж/кг определяется по формуле Д.И. Менделеева

(2.2) где S и W – массовые доли серы и влаги в топливе. В расчетах принимается S = 0, W = 0. 2.1.2 Горючая смесь Для приготовления горючей смеси используется топливо и воздух. В двигателях с искровым зажиганием горючая смесь, приготовленная из мелкораспыленного топлива и воздуха в карбюраторе, поступает в цилиндр в процессе впуска. В дизеле топливовоздушная смесь образуется в камере сгорания за время впрыска топлива в конце процесса сжатия и в течение процесса сгорания. Для полного сгорания топлива необходимо определенное количество воздуха, которое называется теоретически необходимым, и определяется по элементарному составу топлива в кг возд/кг топл

(2.3) или в кмоль возд/кг топл

12

(2.4) В зависимости от условий работы двигателя на каждую единицу топлива приходится количество воздуха, большее или меньшее теоретически необходимого. Отношение действительного количества воздуха, участвующего в сгорании 1 кг топлива, к теоретически необходимому количеству воздуха называется коэффициентом избытка воздуха. Действительное количество воздуха L в кмоль возд/кг топл определяется по формуле

(2.5) где α - коэффициент избытка воздуха. Значение коэффициента α зависит от типа смесеобразования, условий воспламенения и сгорания топлива, а также от режима работы двигателя. Для различных двигателей при номинальной мощности принимаются следующие значения α: - карбюраторные двигатели 0,85…0,98; - дизельные двигатели 1,3…1,7; - дизели с наддувом 1,5…2,0. Уменьшение коэффициента избытка воздуха двигателей до возможных пределов уменьшает размеры цилиндра и, следовательно, повышает литровую мощность дизеля, но одновременно с этим значительно возрастает теплонапряжённость двигателя, особенно деталей поршневой группы, увеличивается дымность отработавших газов. Количество горючей смеси М1 в кмоль гор.см/кг топл определяется по формуле

(2.6) где mТ – молекулярная масса паров топлива, г/моль. Величина mТ выбирается по таблице 2.2.

13

2.1.3 Продукты сгорания Количество продуктов сгорания для карбюраторных двигателей определяется по формуле (2.7), а для двигателей с воспламенением от сжатия по формуле (2.13). При неполном сгорании топлива (при α < 1,0) продукты сгорания представляют собой смесь оксида углерода СО, углекислого газа СО2, водяного пара Н2О, свободного водорода Н2 и азота N2. Общее количество продуктов М2 неполного сгорания в кмоль пр.сг/кг топл определяется по формуле

(2.7) Количество отдельных составляющих продуктов кмоль пр.сг/кг топл определяются по следующим формулам:

,

(2.9)

(2.10)

,

14

в

(2.8)

,

,

сгорания

(2.11)

.

где

(2.12)

– константа, зависящая от отношения количества водо-

рода и оксида углерода в продуктах сгорания; для бензинов = 0,45…0,5. При полном сгорании топлива (при α > 1,0) продукты сгорания состоят из углекислого газа СО2, водяного пара Н2О, избыточного кислорода О2 и азота N2. Общее количество продуктов полного сгорания М2 в кмоль пр.сг/кг топл определяется по формуле

(2.13) Количество отдельных составляющих продуктов кмоль пр.сг/кг топл определяются по следующим формулам:

сгорания

в

,

(2.14)

,

(2.15)

15

,

.

(2.16)

(2.17)

Для жидкого топлива количество молей продуктов сгорания всегда больше, чем количество молей горючей смеси. Это происходит вследствие химических реакций распада молекул топлива при сгорании и образования новых молекул. Изменение количества молей рабочего тела при сгорании в ∆М в кмоль /кг топл определяется по формуле

(2.18) Относительное изменение количества молей при сгорании горючей смеси характеризуется химическим коэффициентом молекулярного изменения го-

рючей смеси

, который определяется по формуле

µо =

М2 . М1

(2.19)

2.2 Процесс впуска

Процесс впуска является одним из наиболее важных процессов, определяющим мощностные показатели двигателя. За период процесса впуска осуществляется наполнение цилиндра свежим зарядом. 2.2.1 Давление и температура окружающей среды При работе двигателя без наддува в цилиндр поступает воздух из атмо16

сферы. В этом случае при расчёте рабочего цикла двигателя давление и темпе-

и ратура окружающей среды принимаются равными соответственно. При работе автомобильных двигателей с наддувом воздух поступает в цилиндр из компрессора (нагнетателя), где он предварительно сжимается. В соответствии с этим давление и температура окружающей среды при расчёте рабочего цикла двигателя с наддувом принимается равной давлению рк и температуре Тk воздуха на выходе из компрессора. В курсовом проекте величина рk задана в таблице 1.1. Температура воздуха за компрессором Тk в градусах Кельвина (К) определятся по формуле

(2.20) где nк – показатель политропы сжатия в компрессоре (нагнетателе), принимается nк = 1,4…2,0. 2.2.2 Давление и температура остаточных газов В цилиндре двигателя перед началом процесса наполнения всегда содержится некоторое количество остаточных газов, находящихся в объёме Vc камеры сгорания. Величина давления остаточных газов устанавливается в зависимости от числа и расположения клапанов, сопротивлений впускного и выпускного трактов, фаз газораспределения, характера наддува, быстроходности двигателя, нагрузки, системы охлаждения и других факторов. Для автомобильных двигателей без наддува, а также с механическим

наддувом давление остаточных газов

в МПа принимают равным

Большие значения рr принимаются для двигателей с высокой частотой 17

вращения коленчатого вала. Для двигателей с газотурбинным наддувом давление остаточных газов

в МПа принимают равным

. В зависимости от типа двигателя, степени сжатия, частоты вращения и коэффициента избытка воздуха выбираются значения температуры Тr остаточных газов из следующих пределов: - для карбюраторных двигателей 900…1100 К; - для дизельных двигателей 600…900 К. При установлении величины Тr необходимо иметь в виду, что при увеличении степени сжатия и обогащении рабочей смеси температура остаточных газов снижается, а при увеличении частоты вращения – возрастает. 2.2.3 Степень подогрева заряда В процессе наполнения температура свежего заряда несколько увеличивается на величину ∆Т благодаря подогреву от нагретых деталей двигателя. Величина ∆Т зависит от расположения и конструкции впускного трубопровода, системы охлаждения, скоростного режима, нагрузки, размеров цилиндра. С увеличением числа оборотов величина ∆Т при неизменном крутящем моменте двигателя уменьшается приблизительно линейно. Повышение температуры улучшает процесс испарения топлива, но снижает плотность заряда, и таким образом, отрицательно влияет на наполнение двигателя. В зависимости от типа двигателя значения ∆Т принимают из следующих пределов: - для карбюраторных двигателей 0…20 К; - для дизелей без наддува 10…40 К; - для дизелей с наддувом (-5)…10 К. В двигателях с наддувом величина подогрева свежего заряда снижается, при повышении температуры наддувочного воздуха возможны и отрицательные значения ∆Т.

18

2.2.4 Давление в конце впуска Величина давления в конце впуска ра в МПа может быть определена по формулам: - для двигателей с наддувом

(2.21) - для двигателей без наддува

(2.22)

где

– потери давления во впускном трубопроводе, МПа.

Потери давления во впускном трубопроводе ляются по формуле

в МПа опреде-

(2.23)

где

- коэффициент затухания скорости заряда в цилиндре;

- коэффициент, учитывающий гидравлическое сопротивле19

ние впускного тракта;

- средняя скорость движения заряда при максимальном открытии клапана, м/с;

- плотность заряда на впуске, кг/м3. При средней скорости заряда ωвп от 50 до 130 м/с величину (ξвп+β2) принимают в пределах от 2,5 до 4,0.

Плотность заряда на впуске вом определяют по формуле

в кг/м3 для двигателей с надду-

(2.24)

Для двигателей без наддува плотность заряда на впуске кг/м определяют по формуле

в

3

(2.25) где Rв – удельная газовая постоянная воздуха, Дж/(кг · град); Rв = 287 Дж/(кг · град) . 2.2.5 Коэффициент остаточных газов Величина коэффициента остаточных газов γr характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания. С увеличением γr уменьшается коли20

чество свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя в процессе впуска. Коэффициент остаточных газов γr для четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания определяется по формуле

(2.26)

2.2.6 Температура в конце впуска Температуру в конце впуска Та в градусах Кельвина (К) определяют по формуле

(2.27)

2.2.7 Коэффициент наполнения Наиболее важным параметром, характеризующим процесс впуска, является коэффициент наполнения. Он представляет собой отношение действительного количества свежего заряда, поступившего в цилиндр, к тому количеству, которое могло бы поместиться в рабочем объёме цилиндра при условии, что температура и давление в нём равны температуре и давлению среды, из которой поступает свежий заряд. Для четырёхтактных двигателей без учёта продувки и дозарядки коэф-

фициент наполнения

определяется по формуле

(2.28) Величина коэффициента наполнения в основном зависит от тактности 21

двигателя, его быстроходности и совершенства системы газораспределения. Рассчитанные параметры процесса впуска необходимо сравнить со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 2.3. Таблица 2.3 – Значения параметров процесса впуска Параметры Та, К

Тип двигателя

Карбюраторный Дизельный без наддува Дизельный с наддувом

0,07…0,12 0,03…0,06 0,02…0,03

340…400 310…340 320…400

0,75…0,9 0,8…0,9 0,8…0,97

2.3 Процесс сжатия

В период процесса сжатия в цилиндре двигателя повышается температура и давление рабочего тела, что обеспечивает надёжное воспламенение и эффективное сгорание топлива. При выполнении курсового проекта условно принимается, что процесс сжатия в действительном цикле происходит по политропе с постоянным показателем n1. Расчет параметров процесса сжатия сводится к определению показателя политропы сжатия n1, давления рс и температуры Тс в конце сжатия, а

также теплоёмкости рабочего тела в конце сжатия

.

2.3.1 Показатель политропы сжатия Величина n1 устанавливается по опытным данным в зависимости от частоты вращения, степени сжатия, материала поршня и цилиндра, теплообмена и других факторов. Учитывая, что теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра за процесс сжатия незначителен, то величину n1 можно оценить по среднему показателю адиабаты сжатия k1 по следующим формулам: - для карбюраторных двигателей 22

(2.29) - для дизельных двигателей

(2.30) Значение k1 определяется в зависимости от температуры Та и степени сжатия ε по формуле

(2.31) 2.3.2 Давление и температура конца процесса сжатия Давление рс в МПа и температура Тс в градусах Кельвина (К) в конце процесса сжатия определяются из уравнения политропы с постоянным показателем n1

,

(2.32)

(2.33)

2.3.3 Средняя мольная теплоёмкость рабочей смеси Рабочая смесь состоит из свежей смеси и остаточных газов.

23

Температура конца процесса сжатия tc

в градусах Цельсия (оС) -

.

Средняя мольная теплоёмкость свежей смеси в конце сжатия принима-

ется равной теплоёмкости воздуха

в кДж/(кмоль·град) и определя-

ется по формуле

(2.34) Средняя мольная теплоёмкость остаточных газов в конце сжатия

в кДж/(кмоль·град) определяется по следующим формулам: - для карбюраторных двигателей

(2.35) - для дизельных двигателей

(2.36)

Средняя

мольная

теплоёмкость

кДж/(кмоль·град) определяется по формуле

24

рабочей

смеси

в

(2.37) Рассчитанные параметры процесса сжатия необходимо сравнить со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 2.4.

Таблица 2.4 – Значения параметров процесса сжатия Тип двигателя

Карбюраторный Дизельный без наддува Дизельный с наддувом

1,27…1,40 1,38…1,42 1,38…1,42

Параметры рс, МПа

Тс, К

0,9…2,0 3,5…5,5 4,5…10,0

600…800 700…1000 800…1100

2.4 Процесс сгорания

Процесс сгорания – основной процесс рабочего цикла двигателя, в течении которого теплота, выделяющаяся вследствии сгорания топлива, идёт на повышение внутренней энергии рабочего тела и на совершение механической работы. С целью упрощения термодинамических расчётов ДВС принимают, что процесс сгорания в двигателях с воспламенением от искры происходит по циклу с подводом теплоты при постоянном объеме (V = const), а в двигателях с воспламенением от сжатия при постоянном объеме (V = const) и давлении (p = const), то есть по циклу со смешанным подводом теплоты. Целью расчёта процесса сгорания является определение температуры и давления в конце видимого сгорания.

25

2.4.1 Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси Изменение объёма при сгорании рабочей смеси учитывает коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси, который определяется по формуле

(2.38) 2.4.2 Температура конца видимого сгорания Температура газа Тz в конце видимого сгорания определяется на основании первого закона термодинамики

(2.39) где dQ – количество затраченной теплоты, Дж; dU – повышение внутренней энергии рабочего тела, Дж; dL – внешняя работа, совершаемая рабочим телом, Дж. Применительно к автомобильным двигателям уравнение сгорания имеет вид: - для карбюраторных двигателей

(2.40) - для дизельных двигателей

( )

ξz ⋅ Hu +  mcv' M 1 (1 + γ r ) 

tc to

( )

+ 8,315 λ  ⋅ tc + 2270 (λ − µ ) = µ  mcv''  

tz to

+ 8,315  ⋅ t z , (2.41) 

где - коэффициент использования низшей теплоты сгорания на участке видимого сгорания, который принимается из следующих интервалов значений: для карбюраторных двигателей 0,8…0,95; для дизелей 0,7…0,88; ∆Hu - потеря теплоты вследствие химической неполноты сгорания, кДж/кг, 26

при α < 1

;

(2.42)

при α ≥ 1, ∆Нu = 0; λ - степень повышения давления цикла, которая для дизелей устанавливается по опытным данным в зависимости от количества топлива подаваемого в цилиндр, формы камеры сгорания и способа смесеобразования, и выбирается из таблицы 2.5; tz – температура в конце видимого сгорания, о С;

- средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания при постоянном объёме, кДж/(кмоль·град), которая определяется по следующей формуле

(mc ) '' v

tz to

(

=

1 M2

+ M H 2 mc v''H

где

2

)

(

 ''  M CO 2 mc vCO 2 tz to

(

+ M O2 mc v''O

,

) 2

(

tz

+ M CO mc v''CO

to

)

tz to

,

(

+ M N 2 mc v''N

) 2

tz to

)

(

+ M H 2O mc v''H

 , to  tz

,

2O

)

tz to

+

(2.43)

,

,

–средние мольные теплоёмкости продуктов сгорания при изменении температуры в диапазоне 1501…2800 оС, которые могут быть выражены в зависимости от температуры tz следующими формулами:

,

(2.44)

27

,

(2.45)

,

(2.46)

,

(2.47)

,

(2.48)

.

(2.49)

После подстановки всех величин в уравнение сгорания получается квадратное уравнение вида

(2.50) где А, В, С – числовые значения известных величин

Из формулы (2.50) выражается температура Цельсия (оС)

в градусах

(2.51) 28

Температура Тz в градусах Кельвина (К) определяется как

(2.52)

2.4.3 Степень повышения давления цикла Степень повышения давления цикла λ для дизелей задается в предыдущем пункте. Для карбюраторных двигателей λ определяется по формуле

.

(2.53)

2.4.4 Степень предварительного расширения Степень предварительного расширения для дизелей определяется по формуле

(2.54) Степень предварительного расширения для карбюраторных двигателей

. 2.4.5 Максимальное давление сгорания

29

Величина давления по формуле

в МПа в конце сгорания определяется

(2.55) Рассчитанные параметры процесса сгорания необходимо сравнить со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 2.5.

Таблица 2.5 – Значения параметров процесса сгорания Параметры рz , МПа

Тип двигателя

Карбюраторный Дизельный без наддува Дизельный с наддувом

3,2…4,2 1,7…2,2 1,4…1,8

1,0 1,4…1,6 1,2…1,4

3,5…7,5 7,0…12,0 10,0…14,0

Тz , К

2400…2900 1800…2300 1800…2200

2.5 Процесс расширения

В результате осуществления процесса расширения происходит преобразование тепловой энергии топлива в механическую работу. В реальных двигателях расширение протекает по сложному закону, зависящему от теплообмена между газами и окружающими стенками, утечки газов через неплотности, уменьшения теплоёмкости продуктов сгорания вследствие понижения температуры при расширении, уменьшения количества газов в связи с началом выпуска. 2.5.1 Показатель политропы расширения 30

Так же как и при рассмотрении процесса сжатия для упрощения расчётов кривую процесса расширения принимают за политропу с постоянным показателем n2. С возрастанием коэффициента использования теплоты, интенсивности охлаждения, отношения хода поршня к диаметру цилиндра средний показатель политропы расширения увеличивается и, наоборот, уменьшается с ростом нагрузки и линейных размеров цилиндра. Средний показатель политропы расширения n2 незначительно отличается от показателя адиабаты k2 и может быть определён по следующим формулам: - для карбюраторного двигателя

,

(2.56)

(2.57) - для дизельного двигателя

,

(2.58)

(2.59)

2.5.2 Давление и температура конца процесса расширения

Значения давления в МПа и температуры в градусах Кельвина (К) в конце процесса расширения определяется по формулам: - для карбюраторных двигателей 31

,

(2.60)

,

(2.61)

,

(2.62)

- для дизельных двигателей

(2.63) где δ - степень последующего расширения, которая определяется по формуле

.

(2.64)

Рассчитанные параметры процесса расширения необходимо сравнить со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 2.6. Таблица 2.6 – Значения параметров процесса расширения Тип двигателя Карбюраторный Дизельный без наддува Дизельный с наддувом

32

n2 1,23…1,30 1,15…1,28 1,15…1,25

Параметры рь , МПа 0,35…0,6 0,2…0,5 0,5…0,8

Ть , К 1200…1700 1000…1200 1000…1200

2.6 Процесс выпуска

За период процесса выпуска из цилиндра двигателя удаляются отработавшие газы. Процесс выпуска начинается в момент открытия выпускного клапана, который происходит за 40…70о угла поворота кривошипа до прихода поршня в нижнюю мёртвую точку. Предварительное открытие клапана необходимо для качественной очистки цилиндра двигателя от продуктов сгорания и уменьшения работы, необходимой для выталкивания газов. Закрытие выпускного клапана происходит через 10…40о после прохода поршнем верхней мёртвой точки, что улучшает качество очистки цилиндра двигателя.

Точность выбора температуры остаточных газов Кельвина (К) определяется по формуле

в градусах

(2.65)

При расхождении между принятой величиной Тr в пункте (2.2.2) и рассчитанной по формуле (2.65) более 10 % параметры теплового расчёта необходимо пересчитать.

33

2.7 Индикаторные показатели рабочего цикла

2.7.1 Среднее индикаторное давление Среднее теоретическое индикаторное давление – это условное среднее давление, действующее на поршень и равное теоретической работе газов за цикл, отнесённой к рабочему объёму цилиндра.

Среднее теоретическое индикаторное давление деляется по формулам: - для карбюраторного двигателя

в МПа опре-

(2.66) - для дизельного двигателя

(2.67)

Среднее индикаторное давление действительного цикла в МПа отличается от теоретического на величину уменьшения работы газов действительного цикла против работы газов теоретического цикла (пропорционально уменьшению расчётной индикаторной диаграммы за счёт скругления) и определяется по формуле

(2.68) 34

где ϕu – коэффициент полноты индикаторной диаграммы. Значения коэффициента ϕu принимаются из следующих интервалов зна-

чений: - для карбюраторных двигателей ϕu = 0,94…0,97; - для дизельных двигателей ϕu = 0,92…0,95.

2.7.2 Индикаторные КПД и удельный расход топлива Индикаторный КПД характеризует степень использования теплоты топлива для получения полезной работы в действительном цикле, то есть индикаторный КПД учитывает все тепловые потери действительного цикла.

Индикаторный КПД

определяется по формуле

(2.69) где рi – среднее индикаторное давление, МПа;

– теоретически необходимое количество воздуха, кг возд/кг топл;

α – коэффициент избытка воздуха; Нu – низшая теплота сгорания, кДж/кг; ρk – плотность заряда на впуске, кг/м3; ηv – коэффициент наполнения.

Индикаторный удельный расход топлива ляется по формуле:

.

в г/(кВт·ч) опреде-

(2.70)

35

2.8 Эффективные показатели двигателя

Эффективные показатели характеризуют работу двигателя и отличаются от индикаторных показателей на величину механических потерь. 2.8.1 Давление механических потерь К механическим потерям относятся все потери на преодоление различных сопротивлений, таких как трение, привод вспомогательных механизмов, газообмен, привод компрессора. Давление механических потерь – это условное давление, равное отношению работы механических потерь к рабочему объёму цилиндра двигателя.

Величину давления механических потерь средней скорости поршня по формуле

в МПа оценивают по

(2.71) где аm и bm – экспериментальные коэффициенты, величины которых приведены в таблице 2.7; Un.cp – средняя скорость поршня в м/с, которая для различных типов двигателей выбирается в следующих пределах: - карбюраторные двигатели легковых автомобилей 12…15; - карбюраторные двигатели грузовых автомобилей 9…12; - дизельные двигатели 6…12.

Таблица 2.7 – Значения коэффициентов аm и bm Тип двигателя Карбюраторный с числом цилиндров (i ≥ 8) и отношением хода поршня к его диаметру (S/D ≤ 1,0) 36

аm

bm

0,039

0,0132

Карбюраторный с числом цилиндров (i ≤ 6) и отношением хода поршня к его диаметру (S/D ≤ 1,0) Дизельный: - с неразделёнными камерами - с разделёнными камерами

0,034

0,0113

0,089 0,105

0,0118 0,0138

2.8.2 Среднее эффективное давление

Среднее эффективное давление

в МПа определяется по фор-

муле

.

(2.72)

2.8.3 Механический КПД

Механический КПД

определяется по формуле

.

(2.73)

2.8.4 Эффективный КПД Отношение количества теплоты, эквивалентной полезной работе на валу двигателя, к общему количеству теплоты, внесённой в двигатель с топливом,

называется эффективным КПД

, который определяется по формуле 37

(2.74) 2.8.5 Эффективный удельный расход топлива

Эффективный удельный расход топлива ляется по формуле:

в г/(кВт·ч) опреде-

(2.75) Рассчитанные эффективные показатели двигателя необходимо сравнить со значениями этих показателей современных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 2.8. Таблица 2.8 – Значения эффективных показателей двигателей Показатели

Тип двигателя ре, МПа

Карбюраторный Дизельный без наддува Дизельный с наддувом

0,6…1,1 0,55…0,85 0,7…2,0

0,25…0,33 0,35…0,40 0,35…0,40

0,70…0,9 0,70…0,85 0,80…0,90

, г/(кВт·ч) 250…325 210…310 210…310

2.9 Основные параметры и показатели двигателя

Рабочий объём цилиндра 38

- это объем пространства, освобо-

ждаемого поршнем при перемещении его от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, и определяется в дм3 по формуле

(2.76) где τ – тактность рабочего процесса двигателя, для четырёхтактного процесса (τ = 4); Nе – мощность двигателя по заданию, кВт; n – номинальная частота вращения по заданию, мин-1; i – число цилиндров двигателя по заданию. Определение размеров цилиндра двигателя производится на основе выбора отношения хода поршня S к диаметру цилиндра D. Отношение линейных размеров цилиндра S/D находится в следующих пределах: - для карбюраторных двигателей 0,86…1; - для дизельных двигателей 0,9…1,2. Для карбюраторных двигателей это отношение часто меньше единицы, что позволяет увеличить наполнение цилиндра двигателя из-за возможности увеличения размеров впускных клапанов, понизить средние скорости поршня, что оказывает заметное влияние на механические потери в двигателе. Диаметр цилиндра двигателя D в мм определяется по формуле

.

(2.77)

Ход поршня двигателя S в мм определяется по формуле

(2.78) Полученные значения S и D округляются в большую сторону до чисел чётных или кратных пяти.

39

Окончательная средняя скорость поршня по формуле

в м/с определяется

(2.79) Расхождение между рассчитанным значением по формуле (2.79) и принятым значением средней скорости поршня при оценке механических потерь в пункте (2.8.1) не должно превышать 5 %. В противном случае производится перерасчет средней скорости поршня по полученному значению. По принятым значениям D и S определяют окончательные основные параметры и показатели двигателя.

в дм3 определяется по

Рабочий объём одного цилиндра формуле

(2.80)

Литраж двигателя

в дм3 определяется по формуле

.

Объём камеры сгорания 40

в дм3 определяется по формуле

(2.81)

.

Полный объём цилиндра

(2.82)

в дм3 определяется по формуле

.

Мощность двигателя

(2.83)

в кВт определяется по формуле

(2.84)

Поршневая мощность двигателя формуле

в кВт/дм2 определяется по

(2.85)

Эффективный крутящий момент

в Н·м определяется по фор-

муле 41

(2.86)

Часовой расход жидкого топлива формуле

в кг/ч определяется по

(2.87)

42

2.10 Тепловой баланс двигателя

Для определения характера теплоиспользования и путей его улучшения при расчете двигателя необходимо определить составляющие теплового баланса. Уравнение теплового баланса имеет вид:

(2.88) где Qo – общее количество теплоты, введённое в цилиндр, Дж/с; Qe – теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя, Дж/с; Qохл – теплота, отданная окружающей среде, Дж/с; Qr – теплота, уносимая из двигателя с отработавшими газами, Дж/с; Qн.с – теплота, потерянная при неполном сгорании топлива, Дж/с; Qост – неучтённые потери теплоты, Дж/с.

Общее количество теплоты

в Дж/с определяется по формуле

(2.89)

Теплота деляется по формуле

, эквивалентная эффективной работе, в Дж/с опре-

(2.90)

43

Теплота , отданная окружающей среде, в Дж/с определяется по формулам: при жидкостном охлаждении: - карбюраторных двигателей

(2.91) - дизельных двигателей

(2.92) где D – диаметр цилиндра, см; с – коэффициент пропорциональности, который принимается из интервала с = 0,45…0,53; m – показатель степени, который принимается из интервала m = 0,6…0,7; при воздушном охлаждении:

.

(2.93)

, унесённая из двигателя с отработавшими газами, в Теплота Дж/с определяется по формуле

(2.94)

44

где tr – температура остаточных газов, оС;

.

– теплоёмкость остаточных газов в кДж/(кмоль·град), которую можно определить по формуле (2.35) для карбюраторных двигателей и по формуле (2.36) для дизельных двигателей при подстановке в данную формулу значения температуры остаточных газов tr;

– теплоёмкость свежего заряда в кДж/(кмоль·град), которую можно определить по формуле (2.34) при подстановке в данную формулу значения температуры to = 20 0C.

, потерянная при неполном сгорании топлива, в Теплота Дж/с определяется по формуле

.

Неучтённые потери теплоты

(2.95)

в Дж/с определяются по форму-

ле

.

(2.96) 45

Если значение (

< 0), то необходимо пересчитать величину

, уменьшив значения коэффициента с и (или) показателя m. Тепловой баланс определяется также в процентах от всего количества введённой теплоты по следующим формулам:

,

(2.97)

,

,

(2.98)

(2.99)

,

(2.100)

.

(2.101)

Очевидно, что должно выполняться условие

(2.102)

46

Рассчитанные значения составляющих теплового баланса необходимо сравнить со значениями у современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 2.9. Таблица 2.9 – Значения составляющих теплового баланса в процентах Тип двигателя Карбюраторный Дизельный без наддува

qe 21…28 29…42

qохл 12…27 15…35

qr 30…55 25…45

qн.с 0…45 0

qост 3…10 2…5

Дизельный с наддувом

35…45

10…25

25…40

0

2…5

47

3 Построение индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма строится с использованием результатов теплового расчета. Определяется отрезок АВ в мм, соответствующий рабочему объёму двигателя Vh, по величине равный ходу поршня S в масштабе µs = S/AB в мм/мм Масштаб µs принимают равным 1,0; 1,5 или 2,0. При этом длина отрезка АВ = S/µs должна войти в рекомендуемый диапазон 70…100 мм. Отрезок ОА в мм соответствует объёму камеры сгорания Vc, и определяется из выражения ОА = АВ/(ε - 1). На оси абсцисс в соответствии с рисунком 1 откладываются отрезки ОА и АВ.

Рисунок 1 – Пример построения индикаторной диаграммы карбюраторного двигателя аналитическим методом 48

По оси ординат откладывается отрезок ОД, соответствующий максимальному давлению сгорания, в масштабе µр=рz /ОД в МПа/мм так, чтобы отношение ОД/АВ = 1,2…1,7, а масштаб давления принимал одно из рекомендуемых значений µр=0,02; 0,025; 0,04; 0,05; 0,07; 0,10. Затем по данным теплового расчета на диаграмме откладывают в масштабе µр величины давлений pа, pc, pz, pb, pr, соответствующих характерным точкам: а; с; z; b; r. Между точками А и В проводятся прямые линии, параллельные оси абсцисс, ординаты которых соответствуют давлениям pа, pr, p0. Отрезок z z′ в мм для дизелей определяется из выражения z z′ = ОА(ρ-1). Построение политроп сжатия и расширения проводится аналитическим методом. Для этого вычисляется ряд промежуточных точек (от 8 до 12) для интервала объёмов (Vc … Va) и (Vz … Vb) по уравнению политропы pVn = const.

Для политропы сжатия

откуда определяется давление

в МПа по формулам:

,

(2.103)

(2.104) где px и Vx – давление и объём в расчетной точке процесса сжатия; ОВ – отрезок, соответствующий полному объему цилиндра, мм; ОХ – абсцисса расчетной точки, мм. Аналогично для политропы расширения определяется давление

в МПа по формулам:

(2.105)

49

(2.106) Результаты расчета заносятся в таблицу 2.10. Таблица 2.10 - Результаты расчетов политроп сжатия и расширения № точки

ОХ, мм

рx/µр, мм

рx/µр, мм

1 2 . 10

рz ОА ε рс OA+zz′ δ рz′ . . . . . . рb OB 1 рa Действительная индикаторная диаграмма отличается от теоретической (расчетной) aczbra, т.к. в реальном двигателе за счет опережения зажигания или впрыска топлива рабочая смесь воспламеняется до прихода поршня в ВМТ и повышает давление в конце хода сжатия. Процесс видимого сгорания происходит при изменяющемся объёме. Открытие выпускного клапана до прихода поршня в НМТ снижает давление в конце хода расширения. Действительное макcимальное давление цикла рzд карбюраторного двигателя в МПа определяется по формуле рzд = 0,85 рz.

(2.107)

Принимаются характерные углы:

20

о

лей

50

- угол опережения начала впрыска топлива для дизелей или угол опережения зажигания для карбюраторных

з

= 35о;

= двигатев

- продолжительность периода задержки воспламенения

и

= 8о

о для дизелей или и = 5 для карбюраторных двигателей; - значения фаз газораспределения выбираются либо близкими к значениям современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания, либо из статистического диапазона в соответствии с таблицей 2.11.

Таблица 2.11 – Фазы газораспределения различных двигателей Тип двигателя

Впускной клапан начало открыполное закрытия до ВМТ тие после НМТ

Выпускной клапан полное закрыначало открытия до НМТ тие после ВМТ

о.в,

з.вп о.вп

, град.

, град.

ВАЗ-2106 ЗМЗ-53-11 ЗИЛ-508.10 ЯМЗ-236М КАМАЗ-740 Существующие

12 36 31 20 13 10…30

з.в,

град. град.

40 52 83 46 49 40…80

42 70 67 66 66 40…70

10 18 47 20 10 10…50

Далее в соответствии с принятыми значениями угла опережения зажигания или угла опережения впрыска топлива, периодом задержки воспламенения и значениями фаз газораспределения определяют углы поворота коленчатого

вала

в градусах, соответствующие характерным точкам:

- f – начало впрыска топлива или подача искры

(f) = 360 –

51

или

в

(f) = 360 –

з;

(c') =360 -

- с′ - начало видимого сгорания

+

или

и

(c') =360 –

в

з

+

и;

- b' – начало открытия выпускного клапана

(b') =540 -

о.в ;

- r' – начало открытия впускного клапана

о.вп ;

52

(r') =720 -

- а" – полное закрытие впускного клапана

(a") =180 +

з.вп;

- a' – полное закрытие выпускного клапана

(а') =

з.в .

Определяется положение характерных точек по формуле для перемещения поршня

(2.108)

где

– отношение радиуса кривошипа R к длине шатуна Lш.

либо выбираются по таблице 2.12 близкими к знаЗначения чениям у современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания, либо

53

принимаются

=0,285

для

карбюраторных

двигателей

и

=0,270 для дизельных двигателей.

Таблица 2.12 – Величина параметра

различных двигателей

Тип двигателя

ВАЗ-2106 ЗМЗ-53-11 ЗИЛ-508.10 ЯМЗ-236М КАМАЗ-740

0,296 0,256 0,257 0,264 0,270

Давление в точке с″, характеризующей момент достижения поршня ВМТ, определяется по формуле рс″ = (1,15…1,25) рс.

(2.109)

Точку b″ располагают между точками b и а. Соединение плавными кривыми точек r a′ а a" f c' c" zд b' b" r' r позволяет получить cкругленную действительную диаграмму. По индикаторной диаграмме для проверки теплового расчета и правильности построения диаграммы определяется среднее индикаторное давление в МПа

pi =

Fi µ p AB

.

(2.110)

где Fi – площадь скругленной индикаторной диаграммы, мм2. Величина рi, полученная планиметрированием индикаторной диаграммы, не должна отличаться от величины рi, полученной в тепловом расчете, более чем на 10%.

54

Список использованных источников

1 Автомобильные двигатели. /Под ред. М.С. Ховаха. - М.: Машиностроение, 1977. – 591 с. 2 Двигатели внутреннего сгорания: В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов. /Под ред. В.Н. Луканина. - М.: Высшая школа, 1995. – 368 с. 3 Железко Б.Е. Расчет и конструирование автомобильных и тракторных двигателей. – Минск: Вышэйшая школа, 1987. – 247 с. 4 Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. – М.: Высшая школа, 2000. – 400 с. 5 Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей. /Под ред. А.С. Орлина. – М.: Машиностроение, 1983.– 376 с. 6 Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания. /Под ред. Н.Х. Дьяченко. – М.: Машиностроение, 1979. – 392 с. 7 Попык К.Г. Конструирование и расчет автомобильных и тракторных двигателей. – М.: Высшая школа, 1973. – 400 с.

55

Приложение А (обязательное) Пример расчета автомобильного двигателя

1 Задание на курсовое проектирование

Номер варианта

Таблица 1.1 - Задание на курсовое проектирование

9

Тип двигателя

Давление рk , МПа

Д

0,17

Параметры двигателя Число Номинальная Номинальная частота вра- цилиндров мощность щения Nе, i -1 nе, мин кВт

200

2000

8

Степень сжатия,

Охлаждение

14,8

Ж

2 Тепловой расчёт рабочего цикла двигателя 2.1 Рабочее тело и его свойства 2.1.1 Топливо Топливом для рассчитываемого двигателя служит дизельное топливо. Элементарный состав топлива: С = 0,870; Н = 0,126; О = 0,004. Низшая теплота сгорания Нu в кДж/кг

2.1.2 Горючая смесь Теоретически необходимое количество топлива l0 в кг возд/кг топл 1 8  lo =  ⋅ 0,870 + 8 ⋅ 0,126 − 0,004  = 14,45; 0,23  3  и L0 в кмоль возд/кг топл

1  0,870 0,126 0,004  + −   = 0,5. 0,208  12 4 32  Коэффициент избытка воздуха α=1,7. Lo =

56

Действительное количество воздуха L в кмоль возд/кг топл

Молекулярная масса топлива mт = 200 кг/кмоль. Количество горючей смеси М1 в кмоль гор.см/кг топл

2.1.3 Продукты сгорания Продукты сгорания состоят из углекислого газа СО2, водяного пара Н2О, избыточного кислорода О2 и азота N2. Количество отдельных составляющих продуктов сгорания в кмоль пр.сг/кг топл:

Общее количество продуктов сгорания жидкого топлива М2 в кмоль пр.сг/кг топл

Изменение количества молей рабочего тела при сгорании ∆М в кмоль пр.сг/кг топл

Химический коэффициент молекулярного изменения горючей смеси

57

2.2 Процесс впуска 2.2.1 Давление и температура окружающей среды Давление за компрессором рk = 0,17 МПа. Принимаем показатель политропы сжатия в компрессоре nк = 1,5. Тогда температура воздуха за компрессором Тk в градусах Кельвина (К)

2.2.2 Давление и температура остаточных газов Поскольку двигатель с наддувом и с наличием газовой турбины на вы-

пуске, то давление остаточных газов

в МПа принимаем рав-

ным Температура Тr остаточных газов принимаем Тr = 900 К. 2.2.3 Степень подогрева заряда Степень подогрева заряда принимаем ∆Т = 10 К.

2.2.4 Давление в конце впуска Принимаем (ξвп+β2) = 3; средняя скорость движения заряда при макси-

58

мальном открытии клапана

= 90 м/с.

Плотность заряда на впуске

в кг/м3

Потери давления во впускном трубопроводе

в МПа

Давления в конце впуска ра в МПа

2.2.5 Коэффициент остаточных газов Коэффициент остаточных газов γr

2.2.6 Температура в конце впуска Температуру в конце впуска Та в градусах Кельвина (К)

59

2.2.7 Коэффициент наполнения Коэффициент наполнения

Рассчитанные параметры процесса впуска приведены в таблице 2.2 в сравнении со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей. Таблица 2.2 – Значения параметров процесса впуска Тип двигателя

Дизельный с наддувом Рассчитываемый двигатель 2.3 Процесс сжатия

Параметры Та, К

0,02…0,03 0,029

320…400 378

0,8…0,97 0,86

2.3.1 Показатель политропы сжатия Средний показатель адиабаты сжатия k1

Показатель политропы сжатия 2.3.2 Давление и температура конца процесса сжатия Давление ра в МПа и температура Та в градусах Кельвина (К) в конце процесса сжатия

60

2.3.3 Средняя мольная теплоёмкость рабочей смеси Температуру конца процесса сжатия tc

в градусах Цельсия (оС)

.

Средняя

мольная

теплоёмкость

свежей

смеси

в конце сжатия

в кДж/(кмоль·град)

Средняя мольная теплоёмкость остаточных газов в конце сжатия

в кДж/(кмоль·град)

Средняя

мольная

теплоёмкость

рабочей

смеси

в

кДж/(кмоль·град)

61

Рассчитанные параметры процесса сжатия приведены в таблице 2.3 в сравнении со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей. Таблица 2.3 – Значения параметров процесса сжатия Параметры Тип двигателя рс, МПа

Дизельный с наддувом Рассчитываемый двигатель 2.4 Процесс сгорания

1,38…1,42 1,36

4,5…10,0 5,86

Тс , К

800…1100 997

2.4.1 Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

2.4.2 Температура конца видимого сгорания Принимаем следующие параметры: коэффициент использования низшей

теплоты сгорания на участке видимого сгорания = 0,8; степень повышения давления цикла λ =1,7. Средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания при постоянном

объёме

(mc )

в кДж/(кмоль·град)

1 [0,0725 ⋅ (39,123 + 0,003343 t z ) + 0,063 ⋅ (26,67 + 0,004438 t z ) + 0,881 + 0,0728 ⋅ (23,723 + 0,001457 t z ) + 0,673 ⋅ (21,951 + 0,001457 t z )] = 23,85 + 0,00182 t z . '' t z v to

62

=

Уравнение сгорания 0,8 ⋅ 42440 + [23,045 + 8,315 ⋅ 1,7] ⋅ 724 + 2270(1,7 − 1,029) = 1,029[23,855 + 0,00182t z + 8,315] ⋅ t z . 0,855(1 + 0,029)

Получаем квадратное уравнение вида 0,00187tz2 + 33,103tz – 66672 = 0.

Температура

в конце видимого сгорания в градусах Цельсия

о

( С)

Температура Тz в градусах Кельвина (К)

2.4.3 Степень повышения давления цикла Степень повышения давления цикла принята λ=1,7. 2.4.4 Степень предварительного расширения Степень предварительного расширения

2.4.5 Максимальное давление сгорания

Максимальное давление

в МПа в конце сгорания 63

Рассчитанные параметры процесса сгорания приведены в таблице 2.4 в сравнении со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей. Таблица 2.4 – Значения параметров процесса сгорания Тип двигателя

Дизельный с наддувом Рассчитываемый двигатель

Параметры рz , МПа

1,4…1,8 1,7

1,2…1,4 1,26

10,0…14,0 9,96

2.5 Процесс расширения 2.5.1 Показатель политропы расширения Средний показатель адиабаты расширения

Показатель политропы расширения

2.5.2 Давление и температура конца процесса расширения Степень последующего расширения

64

Тz , К

1800…2200 2083

Давление в МПа и температура Кельвина (К) в конце процесса расширения

в градусах

Рассчитанные параметры процесса расширения приведены в таблице 2.5 в сравнении со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей.

Таблица 2.5 – Значения параметров процесса расширения Тип двигателя Дизельный с наддувом Рассчитываемый двигатель

n2 1,15…1,25 1,22

Параметры рь , МПа 0,5…0,8 0,5

Ть , К 1000…1200 1210

2.6 Процесс выпуска

Расчетное значение температуры остаточных газов сах Кельвина (К)

в граду-

(2.65) Расхождение между принятой величиной Тr и рассчитанной Тrрасч

65

2.7 Индикаторные показатели рабочего цикла 2.7.1 Среднее индикаторное давление

Среднее теоретическое индикаторное давление рi' =

в МПа

5,86  1,7 ⋅1,26  1 1  1   ( ) − + − − − 1 , 7 1 , 26 1 1 1     = 1,1816 .  14,8 − 1  1,22 − 1  11,751, 22 −1  1,36 − 1  14,81,36 −1  Коэффициент полноты индикаторной диаграммы принимаем ϕu =0,85.

Среднее индикаторное давление действительного цикла МПа

2.7.2 Индикаторные КПД и удельный расход топлива Индикаторный КПД

Индикаторный удельный расход топлива

66

в г/(кВт·ч)

в

2.8 Эффективные показатели двигателя 2.8.1 Давление механических потерь Принимаем: экспериментальные коэффициенты аm = 0,089 и bm= 0,0118; средняя скорость поршня Un.cp = 9 м/с.

Давление механических потерь

в МПа

2.8.2 Среднее эффективное давление

Среднее эффективное давление

в МПа

2.8.3 Механический КПД Механический КПД

2.8.4 Эффективный КПД Эффективный КПД

67

2.8.5 Эффективный удельный расход топлива

Эффективный удельный расход топлива

в г/(кВт·ч)

Рассчитанные эффективные показатели двигателя расширения приведены в таблице 2.6 в сравнении со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей. Таблица 2.6 – Значения эффективных показателей двигателей Показатели

Тип двигателя ре , МПа

, г/(кВт·ч) Дизельный с наддувом 0,7…2,0 0,35…0,40 0,80…0,90 210…310 Рассчитываемый двигатель 0,927 0,370 0,826 230 2.9 Основные параметры и показатели двигателя

Рабочий объём цилиндра

в дм3

Принимаем отношение линейных размеров цилиндра S/D = 1. Диаметр цилиндра двигателя D в мм 68

Ход поршня двигателя S в мм: Полученные значения S и D округляем в большую сторону до четного числа: D = 130 мм; S = 130 мм.

в м/с

Окончательная средняя скорость поршня

Расхождение между рассчитанным значением и принятым значением средней скорости поршня при оценке механических потерь

Рабочий объём одного цилиндра

Литраж двигателя

в дм3

в дм3

69

Объём камеры сгорания

Полный объём цилиндра

Мощность двигателя

70

в дм3

в дм3

в кВт

Поршневая мощность двигателя

в кВт/дм2

Эффективный крутящий момент

в Н·м

Часовой расход жидкого топлива

в кг/ч

2.10 Тепловой баланс двигателя

Общее количество теплоты

Теплота

в Дж/с

, эквивалентная эффективной работе, в Дж/с

Принимаем с = 0,5 и m = 0,65. Тогда теплота лаждающей жидкостью, в Дж/с

, отводимая ох-

71

Теплота

, унесённая из двигателя с отработавшими газами, в

Дж/с

Неучтённые потери теплоты

в Дж/с

Тепловой баланс в процентах от всего количества введённой теплоты:

;

;

; Рассчитанные значения составляющих теплового баланса приведены в таблице 2.7 в сравнении со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей. Таблица 2.7 – Ориентировочные значения составляющих теплового баланса в процентах Тип двигателя Дизельный с наддувом Рассчитываемый двигатель

72

qe 35…45

qохл 10…25

qr 25…40

qн.с 0

qост 2…5

37

21

34,5

0

7,5

3 Построение индикаторной диаграммы Масштаб хода поршня µs = 2 мм/мм. Отрезок, соответствующий рабочему объему цилиндра, АВ =130/2 =75 мм. Отрезок, соответствующий объему камеры сгорания, ОА = 75/(14,8 - 1) = 5,4 мм. Отрезок, соответствующий полному объему цилиндра, ОВ = 5,4 + 75 = 80,4 мм. Масштаб давления µр = 0,1 МПа/мм. Отрезок, соответствующий максимальному давлению, ОД = 9,96/0,1 = 99,6 мм. Величины давлений в мм: pа = 0,15/0,1 = 1,5 мм; pc = 5,86/0,1 = 58,6 мм; pz = 9,96/0,1 = 99,6 мм; pb = 0,5/0,1 = 5 мм; pr = 0,153/0,1 = 1,53 мм; p0 = 0,1/0,1 = 1,0 мм; Отрезок z z′ = 5,4(1,26 - 1)= 1,4 мм. Результаты расчетов политроп сжатия и расширения занесены в таблицу 3.1. Таблица 3.1 - Результаты расчетов политроп сжатия и расширения № точки

ОХ, мм

1 2 3 4 5 6 7 8 9

5,4 6,8 15 25 35 45 55 65 80,4

рx/µр, мм

14,8 11,8 5,4 3,2 2,3 1,8 1,5 1,2 1,0

5,86 4,32 1,47 0,73 0,46 0,33 0,25 0,20 0,15

58,6 43,2 14,7 7,3 4,6 3,3 2,5 2,0 1,5

рx/µр, мм

13,49 9,96 3,88 2,08 1,38 1,01 0,79 0,65 0,50

134,9 9,96 38,8 20,8 13,8 10,1 7,9 6,5 5,0

Принимаем: 73

- угол опережения начала впрыска топлива

о

в

= 20о;

- продолжительность периода задержки воспламенения

и

8;

=

- фазы газораспределения представлены в таблице 3.2. Таблица 2.9 – Фазы газораспределения рассчитываемого двигателя Впускной клапан начало открытия до полное закрытие поВМТ сле НМТ

о.вп ,

Выпускной клапан начало открытия до полное закрытие поНМТ сле ВМТ

з.вп ,

о.в,

град.

град.

град.

13

49

66

10

в градусах, соот-

Определим углы поворота коленчатого вала ветствующие характерным точкам:

f – начало впрыска топлива;

с′ - начало видимого сгорания;

(f) = 360 – 20 = 340;

(c') =360 - 20 + 8 = 348;

b' – начало открытия выпускного клапана; 474; 74

з.в,

град.

(b') =540 – 66 =

r' – начало открытия впускного клапана;

а" – полное закрытие впускного клапана;

(r') =720 – 13 = 707;

(a") =180 + 49 =

229;

a' – полное закрытие выпускного клапана;

Выбираем отношение

Lш

(а') = 10.

радиуса кривошипа R к длине шатуна

=0,270. Определяем положение характерных точек АХ в мм

75

Давление в точке с″ в МПа: рс″ = 1,2·5,86 = 7; или в мм: рс″ =7/0,1 = 70. Точку b″ располагаем между точками b и а. Площадь скругленной индикаторной диаграммы Fi = 860 мм2. Среднее индикаторное давление в МПа, полученное планиметрированием индикаторной диаграммы 860 ⋅ 0,1 pi = = 1,147. 75 Расхождение между полученной величиной рi и величиной рi, полученной в тепловом расчете 1,147 − 1,112 ∆pi′ = ⋅100% = 2,2% < 10%. 1,147

76