ВЫБОР ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ РАСЧЁТА
Выбор исходных данных производится исходя из задания в соответствии с указанным прототипом и содержит: тип двигателя, номинальная эффективная мощность Ne, кВт, номинальная частота вращения n н , мин-1.
На основании справочных статистических данных перед выполнением работы необходимо уточнить другие конструктивные параметры двигателя:
Число цилиндров – i, расположение цилиндров, тактность двигателя τ, степень сжатия ε, коэффициент избытка воздуха α.
Параметры заряда на впуске в двигатель:
в качестве параметров исходного состояния заряда на впуске для двигателей без надува принимается давление окружающей среды равное: p о = 0,1013 МПа, а температура T о , К- принимается самостоятельно.
РАСЧЁТ ПРОЦЕССОВ ГАЗООБМЕНА
Процессы газообмена включают очистку цилиндра от продуктов сгорания и наполнения цилиндра свежим зарядом.
Для расчёта рабочего цикла параметры остаточных газов (давление и температура) в конце процесса впуска в точке «r» выбирают на основании статических данных о других двигателях подобного типа.
Давление остаточных газов pr определяется давлением среды, в которую происходит выпуск отработавших газов, зависит от числа и расположения клапанов, сопротивления выпускного тракта, фаз газораспределения, частоты вращения, нагрузки и других факторов. Для двигателей без наддува определяют рr по эмпирической формуле:
Р r =р0(1+0,55∙10-4∙ n н ) (1.1)
где р0 – нормальное давление окружающей среды, МПа;
n н – номинальная частота вращения коленчатого вала, мин-1.
Для двигателей с газотурбинным наддувом:
Рr=(0,08…0,95)рк (1.2)
В двигателях с наддувом соответствующее давление равно:
рк =(1,05…1,25) p 0 (1.3)
Температура остаточных газов Тr зависит от ряда факторов. В частности, при увеличении степени сжатия и обогащения смеси температура, снижается, а при увеличении частоты вращения возрастает. При работе на номинальном режиме величина температуры отработавших газов изменяется в следующих пределах:
для дизельных двигателей Т r = 600…900 К,
для бензиновых Т r = 900…1100 К
Температура подогрева свежего заряда 
T зависит от конструкции впускного трубопровода, наличия специального устройства для подогрева, частоты вращения, надува и других факторов. При номинальном режиме работы для дизельных двигателей с наддувом T = 5…100. для дизельных двигателей без наддува T = 15…200, для бензиновых T = 20…300
Давление заряда в конце впуска p а является основным фактором, определяющим количество свежего заряда, поступающего в цилиндр. Потери давления Δр по сравнению с давлением окружающей среды определяются гидравлическим сопротивлением воздушного фильтра рф, впускного трубопровода Δр mp, впускного клапана ркл , охладителем надувочного воздуха p охл, и возможно, других устройств:
∆ p = p ф + pmp + p кл + p охл + … (1.4)
Сопротивление воздушного фильтра определяется по графику (рисунок 1) в зависимости от пылеёмкости:
Пф = 
в · t (1.5)
φв - запылённость, г/м3
t - срок службы, ч.
Рисунок 1
Применяется следующая классификация запылённости:
· Пониженная - φв < 0,0005
· Малая - φв = 0.0005 – 0,002
· Повышенная - φв= 0,002 – 0,01
· Максимальная - φв =0,01 – 0,8
· «Нулевая» видимость - φв =0,8 - 1
Величины других сопротивлений обычно соответствуют
pmp = p кл = 0,001…0,0015 МПа
Тогда: p а = p 0 - Δ p (1.6)
Давление в конце впуска p а зависит от гидравлического сопротивления впускного тракта, быстроходности двигателя и изменяется в пределах:
для дизелей без наддува p а =(0,85…0,95) p 0 ;
для дизелей с наддувом p а =(0,90…0,95) p к ;
для бензиновых p а =(0,80…0,90) p 0
Коэффициент остаточных газов γ характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания и может быть определён по формуле:
γ= (( T 0 + T )·р r ) / ( Tr (ε· pa - pr )) (1.7)
Для двигателей с наддувом принимается
T к = To , а вместо p 0 берётся p к
На номинальном режиме работы величина γ находится в пределах от 0,02 до 0,05 для дизельных двигателей.
Температура в точке «а» определяется по формуле:
Т a = ( T 0 + T + 
∙ Tr )/(1+ ) ,. К (1.8)
Определение коэффициента наполнения η v представляет собой отношение действительного количества свежего заряда, к тому количеству, которое могло бы поместиться в рабочем объёме цилиндра при условии, что температура и давление в нём равны температуре и давлению среды на впуске. Повышению данного коэффициента способствует уменьшение гидравлических сопротивлений системы впуска. Повышение давления pa в конце впуска, уменьшение количества остаточных газов и их давления, снижение температуры подогрева рабочей смеси. Величина η v для четырёхтактных двигателей может быть определена по формуле:
η v = ((ε∙ pa – pr )∙Т o ) / ((ε- 1) ( T 0 + T ) ∙ р0) (1.9)
РАСЧЁТ ПРОЦЕССА СЖАТИЯ
Основными характеристиками процесса являются параметры заряда в конце сжатия; давление p с, температура T с и средний показатель политропы сжатия n 1.
Основной величиной, выбираемой для расчёта процесса является показатель n 1, характеризующий теплообмен между зарядом и стенками камеры сгорания. Факторы, увеличивающие отвод теплоты от заряда, снижают значение n 1 и показатели цикла. Например, износ двигателя, охлаждение цилиндра, снижение нагрузки, частоты вращения двигателя уменьшают n 1.
Для дизельных двигателей с неразделенными камерами n 1 = 1,3 - 1,4; для карбюраторных ДВС n 1=1,34-1,37. Температура в конце сжатия Тс=600-800К-для карбюраторных ДВС, Тс=800-900К-дизели без наддува, Тс=900-1000К-дизели с наддувом.
p с = pa ·ε n 1 , МПа (1.10)
T с = Ta ·ε n 1-1 , К (1.11)
РАСЧЁТ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ
1.4.1 Термохимический расчёт процесса сгорания
Количество воздуха теоретически необходимого для сгорания топлива:
Lo = ((C/12)+(H2/4)-(O2/32))/0.208, кМоль (1.12)
Lo = ((8/3C)+(8H2)-(O2))/0.23, кг (1.13)
где для дизеля C - доля углерода в топливе- 0,870,кг;
H2 - доля водорода в топливе –0,126,кг;
O2- доля кислорода в топливе-0,04,кг;
для бензина C - доля углерода в топливе- 0,855,кг;
H2 - доля водорода в топливе –0,145,кг;
0,23-массовое содержание кислорода в воздухе;
0,208-объемное содержание кислорода в воздухе.
Количество свежего заряда:
M 1 = α · Lo, кМоль (1.14)
Количество остаточных газов:
M г =γ· M 1 = α ·γ· Lo, кМоль (1.15)
Количество продуктов сгорания топлива, кМоль/кг:
α >1 M 2 =( C /12)+( H 2 /2)+( α -0,208)* Lo, (1.16)
α <1 M 2 =( C /12)+( H 2 /2)+0,792*α* Lo, (1.17)
Количество газов после сгорания:
Mz = M г + M 2 , кМоль/кг (1.18)
Коэффициент молярного изменения количества смеси:
(1.19)
Для карбюраторных ДВС μД=1,08-1,12. Для дизелей μД=1,03-1,04
1.4.2 Термодинамический расчет процесса сгорания
Основой расчёта является уравнение теплового баланса для процесса сгорания. Например для бензиновых и газовых двигателей оно имеет вид:
(1.20)
где Qz и Qc- теплота заряда в точках «z» и «c»;
Qcz- теплота, подведённая к заряду в процессе сгорания.
Уравнение можно преобразовать:
для дизельных двигателей
(1.21)
Для бензиновых ДВС:
(1.22)
Теплоёмкость свежего заряда C VC в конце процесса сжатия определяется в зависимости от температуры Tc , кДж/Моль·град:
(1.23)
где А1=20,16 и В1=1,738·10-3 - постоянные коэффициенты.
Теплоёмкость продуктов сгорания CVZ определяется по эмпирическим формулам:
(1.24)
При α < 1 
, 
,
При α>1 
, 
.
(1.25)
Низшая теплота сгорания HU, зависит от элементарного состава топлива. Для дизельного топлива HU = 42500(43030-зимнее) кДж/кг, для бензина HU = 44000 кДж/кг.
Потери теплоты из-за химической неполноты сгорания богатых смесей (α<1), кДж/кг:
(1.26)
Коэффициент использования ξ теплоты учитывает потери теплоты за счёт физической неполноты сгорания топлива, несвоевременности сгорания, через стенки камеры сгорания, диссоциации и других факторов.
Значение ξ на номинальном режиме работы для дизельных двигателей находится в пределах от 0,70 до 0,88, для карбюраторных от 0,85 до 0,95. Для дизелей при расчете сгорания дополнительно задаются степенью повышения давления в процессе λр= р z : рс. Для дизелей с неразделенными камерами сгорания и объемным смесеобразованием λр=1,6…2,5, с разделенными , λр=1,1…1,4.
После подстановки перечисленных величин в исходное уравнение, оно может быть преобразовано к квадратичному виду:
(1.27)
и решено относительно Т z, К:
(1.28)
где
(1.29)
При номинальном режиме для дизеля величина Tz = 1800…2300К, для карбюраторных Т Z=2400…2900К.
Для дизельных двигателей давление газов в конце сгорания р Z , МПа, определяется с учетом выбранного ранее значения λр :
(1.30)
Для бензиновых ДВС:
(1.31)
а затем действительное максимальное давление:
(1.32)
где φ = 0,85-0,88 - коэффициент скругления (или полноты индикаторной диаграммы), учитывающий уменьшение максимального давления вследствие движения поршня и увеличения объема камеры к концу процесса сгорания.
При номинальном режиме величина pz = 6,0…9,0МПа
ПРОЦЕСС РАСШИРЕНИЯ
В результате процесса расширения происходит преобразование тепловой энергии заряда в механическую работу.
Основными характеристиками процесса является давление p в, температура Тв в конце процесса и средний показатель политропы расширения n 2 (для дизелей n 2 =1,23…1,3, для бензиновых n 2 =1,18…1,28).
Для упрощения расчёта допускают, что расширение происходит по политропному процессу со средним показателем политропы n 2 . Значение n 2 возрастает с увеличением коэффициента использования теплоты, отношения хода поршня S к диаметру цилиндра D, интенсивности охлаждения, при снижении нагрузки и росте частоты вращения.
Давление p в, МПа и температура Т B , К, конца расширения определяется для точки «в» по уравнению политропного процесса:
для бензиновых
и 
(1.33) и (1.34)
для дизельных двигателей:
и 
(1.35) и (1.36)
где 
на номинальном режиме, (1.37)
где степень предварительного расширения:
, (1.38)
При номинальном режиме в дизелях ТВ=1000…1250К и p в=0,20…0,60МПа, в бензиновых ДВС ТВ=1200…1500К и p в=0,20…0,60МПа.
ПРОВЕРКА РАСЧЕТОВ
Процесс расширения завершает расчет параметров рабочего тела в характерных точках цикла. Правильность выбора исходных температуры и давления остаточных газов проверяется по формуле, К:
(1.39)
Значение расчётной температуры остаточных газов может отличаться от выбранной ранее не более чем на 5% при расчёте на ЭВМ и на 10% при ручном расчете.
Погрешность расчётов:
(1.40)
При большей погрешности следует изменить самостоятельно выбранные в ходе расчета параметры.
Дата: 2019-02-02, просмотров: 350.
