2 Определение основных параметров двигателя

При выполнении курсового проекта необходимо согласно заданию определить ряд параметров автомобильных двигателей, которые характеризуют как совершенство конструкции двигателя, так и эффективность его работы.

В качестве исходных данных берутся показатели технической характеристики двигателя, тип которого также принимается по заданию.

2.1 Техническая характеристика ад

Таблица 1 – Техническая характеристика двигателя

Наименование показателя	Значение показателя
Тип двигателя	Бензиновый
Число цилиндров i	4
Расположение цилиндров	Рядное
Диаметр цилиндра D , мм	82
Ход поршня S , мм	80
Степень сжатия ε	9,3
Номинальная (максимальная) эффективная мощность , кВт	59,5
Номинальная частота вращения коленчатого вала ,	5200
Максимальный крутящий момент ,	139
Порядок работы цилиндров	1-3-4-2
Масса двигателя сухая G , кг	122
Фазы газораспределения в град. поворота коленчатого вала:
- открытие впускного клапана до ВМТ	28
- закрытие впускного клапана после НМТ	60
- открытие выпускного клапана до НМТ	70
- закрытие выпускного клапана после ВМТ	20

2.2 Построение схемы чередования тактов рабочего цикла двигателя

Таблица 2 – Порядок работы цилиндров

Угол поворота коленчатого вала, град.	Номер цилиндра
	1	2	3	4
180	Раб. ход	Выпуск	Сжатие	Впуск
360	Выпуск	Впуск	Раб. ход	Сжатие
540	Впуск	Сжатие	Выпуск	Раб. ход
720	Сжатие	Раб. ход	Впуск	Выпуск

2.3 Исходные данные для расчёта, выбор расчётной схемы

Исходные данные: ; ; ; топливо – автомобильный бензин АИ – 92; ; ; . Давление и температура окружающей среды ; .

В качестве расчётной схемы цикла инжектороного двигателя принимаем цикл с подводом теплоты при постоянном объёме (изохорный цикл), показанный на рисунке 1.

Рисунок 1 – Расчётная схема цикла с подводом теплоты при

В расчётной схеме цикла карбюраторного двигателя имеется четыре процесса: адиабатный «ac», изохорный «cz» и «ba» и политропный «zb».

2.4 Термодинамический расчёт действительного цикла двигателя

Параметры рабочего тела в начале сжатия

Параметры рабочего тела в конце процесса выпуска (в ВМТ): давление (давление остаточных газов) и температуру (температура остаточных газов), а также давления газов в начале процесса сжатия определяют по эмпирическим соотношениям. Принимаем давление в начале сжатия:

Температуру в начале сжатия определяют как температуру смеси в киломолях свежего заряда и остаточных газов , количество которых характеризуют коэффициенты наполнения и остаточных газов .

Выполним необходимые вычисления.

Теоритически необходимое количество воздуха в киломолях для сгорания 1 кг бензина среднего состава ( и в 1 кг) определяется по формуле:

До начала сгорания горючая смесь в цилиндре карбюраторного двигателя состоит из воздуха и испарившегося бензина.

Тогда количество горючей смеси на 1 кг топлива составит:

где – молекулярная масса паров топлива.

Коэффициент наполнения определяется по формуле:

где – степень сжатия;

– подогрев свежего заряда от стенок;

– давление остаточных газов:

Отсюда имеем:

Коэффициент остаточных газов определяется по формуле:

где – температура остаточных газов (принимается по опытным данным).

Температура рабочего тела (рабочей смеси) в цилиндре двигателя в начале сжатия определяется по формуле:

Процесс сжатия

Принимаем по опытным данным показатель адиабаты сжатия . Давление газов в цилиндре в конце процесса сжатия определяется по уравнению:

Температура в конце процесса сжатия определяется по уравнению:

Процесс сгорания

Температуру газов в конце процесса сгорания (точка z цикла) найдём из уравнения изохорного процесса, в котором вся теплота, подведённая к рабочему телу, расходуется на изменение внутренней энергии на участке «cz» цикла:

где и – внутренняя энергия рабочего тела соответственно в точках «z» и «c» цикла.

После преобразования этого уравнения получим уравнение сгорания для расчётного цикла с подводом теплоты при :

где – коэффициент, учитывающий количество теплоты недовыделившейся при неполном сгорании ( );

– коэффициент использования теплоты при сгорании;

– низшая удельная теплота сгорания бензина среднего состава;

– количество свежего заряда;

– внутренняя энергия 1 киломоля свежего заряда в точке «c» цикла;

– коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси газов;

– внутренняя энергия 1 киломоля продуктов сгорания в точке «z» цикла.

Значение коэффициента определяется по выражению:

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси газов определяют по соотношению:

где – коэффициент молекулярного изменения свежей смеси, который определяется по соотношению:

где – количество продуктов сгорания:

Молярная внутренняя энергия свежего заряда при температуре определяется по выражению:

где – средняя молярная теплоёмкость свежего заряда (теплоёмкость, равная теплоёмкости воздуха) при температуре .

Определим левую часть уравнения (1) и тем самым найдём значение внутренней энергии 1 киломоля продуктов сгорания

Подставив найденные значения в формулу (1), получим:

Таким образом, имеем .

На рисунке 2 представлен график изменения внутренней энергии продуктов сгорания .

Рисунок 2 – График изменения внутренней энергии продуктов сгорания жидкого топлива при

Согласно данному графику значение температуры газов в цилиндре двигателя в конце сгорания будет равно:

Давление газов в цилиндре в конце процесса сгорания определяется по формуле (расчётное значение):

Разность давления газов в точке «z» расчётного и действительного циклов учитывается поправочным коэффициентом . Поэтому действительное максимальное давление газов в конце процесса горения будет равно:

Степень повышения давления в цилиндре определяют в соответствии с расчётной схемой цикла, по расчётному значению :

Процесс расширения

Принимаем по опытным данным показатель политропы расширения . Тогда давление газов в конце процесса расширения газов в цилиндре двигателя будет равно:

Температура газов в конце процесса расширения будет равна:

Индикаторные показатели цикла и двигателя

Среднее индикаторное давление цикла (расчётное) определяется по формуле:

Подставив известные значения, получим:

С учётом поправочного коэффициента:

Индикаторный КПД цикла двигателя определяется по формуле:

где – универсальная газовая постоянная.

Удельный индикаторный расход топлива составит величину:

Построение индикаторной диаграммы цикла

Индикаторная диаграмма действительного цикла бензинового двигателя строится с использованием данных расчёта рабочего процесса. Построение индикаторной диаграммы выполняем аналитическим методом.

Для построения диаграммы применяем следующие масштабы параметров цикла:

• масштаб хода поршня

• масштаб давления газов

Построение диаграммы приводится на рисунке 3.

В начале построения диаграммы на оси абсцисс откладываем отрезок , соответствующий рабочему объёму цилиндра, равный по величине ходу поршня в масштабе :

Отрезок , соответствующий объёму камеры сгорания определяется по соотношению:

Затем по данным термодинамического расчёта цикла ДВС на диаграмме откладываем в выбранном масштабе величины давлений газов в характерных точках:

Ординаты характерных точек равны:

Рисунок 3 – Индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя

Для построения кривых сжатия (адиабаты) и расширения (политропы) вычисляется ряд точек для промежуточных объёмов, расположенных между и и между и по уравнениям адиабаты и политропы

Адиабата сжатия:

где и – давление и объём в искомой точке процесса сжатия.

Отсюда:

где

Политропа расширения:

Отсюда:

Результаты расчёта точек кривых сжатия и расширения приведены в таблице 3.

Скругление индикаторной диаграммы осуществляется на основании расчёта положения точек, соответствующим фазам газораспределения двигателя, т.е. углам открытия и закрытия впускных и выпускниых клапанов ДВС.

В соответствии с принятыми фазами газораспределения (таблица 1) и углом опережения зажигания определяем положение точек , по формуле для перемещения поршня:

где – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

– угол поворота кривошипа коленчатого вала двигателя.

Расчёт положения точек газораспределения сведены в таблицу 4.

Таблица 3 – Результаты расчёта точек кривых сжатия и расширения

Номер точки	мм		Адиабата сжатия			Политропа расширения
					МПа				МПа
1	9,64	9,3	20,76	37,37 точка «c»	1,869 точка «c»		15,882	143 точка «z»	7,2 точка «z»
2	13	7,32	14,988	26,98	1,349		11,803	95,37	4,769
3	14,5	6,56	12,912	23,24	1,162		10,303	83,25	4,163
4	19,5	4,88	8,635	15,54	0,777		7,139	57,68	2,884
5	24	3,96	6,499	11,7	0,585		5,51	44,52	2,226
6	31,5	3,02	4,496	8,09	0,405		3,937	31,81	1,591
7	46,6	2,04	2,637	4,75	0,238		2,421	19,56	0,978
8	60,5	1,57	1,847	3,32	0,166		1,75	14,14	0,707
9	89,64	1	1	1,8 точка «а»	0,09 точка «a»		1	8,08 точка «b»	0,404 точка «b»

Таблица 4 – Расчёт положения точек газораспределения

Точки	Положение точек			Расстояние точек от ВМТ ( ), мм
	28° до ВМТ	28	0,152	6,08
	60° после НМТ	120	1,617	64,68
	70° до НМТ	110	1,48	59,2
	20° после ВМТ	20	0,079	3,16
	35° до ВМТ	35	0,232	9,28

Соединяя плавными кривыми точки цикла ДВС получим скруглённую действительную индикаторную диаграмму инжекторного двигателя ВАЗ 214-10.