Методические указания

К выполнению расчета двигателя для студентов по специальности «Техническое обслуживание и ремонт автомобилей» по предмету «Автомобили»

Основные параметры рабочего тела

Количество свежей горючей смеси (кмоль/кг топлива),поступившей в цилиндр двигателя:

М₁=αL₀+1/m₁ – для бензиновых двигателей;

М₁= αL₀ – для дизелей;

М₁=1+ αL₀- для двигателей с газобаллонными установками.

где m₁ – молекулярная масса паров бензина, кг/кмоль; α – коэффициент избытка воздуха; L₀- количество воздуха, кмоль, теоретически необходимого для сгорания 1 кг топлива.

Величина L₀ для различных двигателей определяется следующим образом:

L₀ - для карбюраторных двигателей:

• В учебнике значительное внимание расчетам вновь создаваемых двигателей. В связи с этим приводятся основные данные, необходимых для выбора исходных параметров, которые используются при выполнении как теплового, так и динамического расчетов.

Необходимо иметь ввиду, что в тепловом расчете подробно даны примеры определения основных параметров аналитических зависимостей, рассматриваемых на режиме номинальной (максимальной) мощности двигателя, и с учетом уже приобретенного опыта по тепловому расчету проводится динамический расчет на примере выбранного двигателя.

Примерами расчета являются: рядный 6 – цилиндровый бензиновый двигатель с номинальной мощностью N_e=77,2 кВт при n_e=2800 об/мин, и его модификация для работы сжатом газе, а также экспериментальный образец рядного дизеля с мощностью N_e=66,2 кВт при n_e=2000 об/мин, . Указанные двигатели предназначены для установки на опытных образцах грузовых а/м малой и средней грузоподъемности, планируемых к применению в промышленно-коммерческой сфере эксплуатации.

При проведении теплового расчета определяются основные параметры действительного цикла, среднее и индикаторное и эффективное давление, значения КПД и показатели расходов топлива. Исходя из этого, тепловой расчет начинается с характеристики основных параметров рабочего тела двигателя и расчета его рабочего цикла на режиме работы при номинальной мощности.

где С,Н,О – соответственно содержание углерода, водорода и кислорода;

где С_nH_m – химическая формула газового топлива;

Сжиженный газ содержит 52% пропана C₃Н₈ (n=3, m 8) и 48% бутана С₄Н₁₀ (n=4, m=10).

Основным компонентом сжатого газа является метан СН₄, для которого n=1, m=4.

Численные значения основных составляющих параметров рабочего тела даны на примерах расчета рабочих циклов рассматриваемых двигателей, при этом исходя из условий нормальной работы двигателей, параметры окружающей среды принимаются: давление p_o=0.1013 МПа, температура воздуха, поступающего из атмосферы, Т_о=288 К.

Наряду с этим в процессе наполнения цилиндров температура свежего заряда несколько увеличивается вследствие прогрева его от нагретых двигателей. Повышение температуры улучшает процесс испарения топлива, но снижает плотность заряда, что отрицательно влияет на его наполнение цилиндров. Эти два фактора должны быть учтены при определении величины Т. Численные значения подогрева Т, К (С^о), лежат в пределах: для бензиновых двигателей 0…20, для газовых 10…20, для дизелей 10…40.

Расчет рабочего цикла бензинового двигателя

На основе анализа технической характеристики прототипа проектируемого двигателя, для проведения теплового расчета принимаем следующие исходные данные: номинальная мощность N_e=77,2 кВт; частота вращения коленчатого вала n_e=2800 об/мин; степень сжатия =7; число цилиндров i=6; коэффициент избытка воздуха a=0.93; коэффициент наполнения _v=0.77.

Топливо: бензин А-80 состава С=88.5%, Н=14.5%; молекулярная масса паров бензина m_т=114 кг/моль; коэффициент выделения теплоты =0,90; температура отработавших газов Т_r=-1000 К.

Процесс пуска (газообмена). В процессе впуска происходит частичное удаление из цилиндров отработавших газов и наполнение его свежим зарядом.

Основными параметрами процесса являются: давление и коэффициент остаточных газов, плотность свежего заряда при впуске, давление и температура рабочей смеси, коэффициент наполнения цилиндров свежим зарядом.

Учитывая принятую частоту вращения коленчатого вала двигателя, отсутствие устройств для подогрева и стремление получить при этом лучшее, наполнение цилиндров свежим зарядом, принимаем температуру подогрева свежей смеси в начале впуска =5^о.

Давление остаточных газов:

_.

Коэффициент остаточных газов:

= .

Плотность рабочей смеси при впуске:

Где R=287 Дж/(кг*К) – газовая постоянная для воздуха.

Давление рабочее смеси в конце впуска, МПа, являются основным фактором, определяющим количество рабочего заряда, поступающего в цилиндр двигателя:

Где p – потеря давления на преодоление сопротивлений впускной системы:

=

Здесь _вп – скорость заряда во впускном газопроводе, определяемая по эмпирической формуле

Следовательно

м/с

Уменьшение гидравлических потерь в газопроводах обеспечивается увеличением их проводных сечений с обработкой внутренних поверхностей, а также приданием обтекаемой формы клапанам.

Суммарный коэффициент сопротивления впускного тракта и затухания колебаний в нем

По экспериментальным данным а=2,00…3,25, причем меньшее значение берется для двигателей с частотой вращения n_e более 3000 об/мин.

В соответствии со скоростным режимом работы двигателя и в предположении, что внутренняя поверхность впускной системы будет обрабатываться, принимаем а=2,75, тогда:

В карбюраторных двигателях и дизелях значения К_с и _вп лежат в следующих пределах:

Следовательно, потери давления в пуске

Откуда

Ориентировочно в четырехтактных двигателях численное значения давлений впуска лежат в пределах p_a =(0,83…0,9) р_о.

В двигателях с сравнительно высокими степенями сжатия ( 8,5) давление впуска р_а, МПа, с достаточной точностью можно определить по формуле:

Температура рабочей смеси в конце впуска:

Для различных типов двигателей при работе их с полной нагрузкой коэффициент наполнения изменяется в пределах: для бензиновых и газовых двигателей _v=0,70…0,85; для дизелей без наддува _v=0,80…0,90. Он характеризует степень совершенства процесса впуска, зависит от ряда конструктивных, нагрузочных и регулировочных параметров двигателя. При расчете коэффициента наполнения можно пользоваться формулой:

В данном случае расчетный коэффициент наполнения соответствует принятому в исходных данных, что отвечает требованиям руководящих технических материалов по выбору этого параметра. Для сопоставления полученных данных рекомендуется пользоваться табл. 22.1, в которой приведены пределы справочных значений основных параметров и коэффициентов рабочего цикла рассматриваемых двигателей.

Процесс сжатия. В процессе сжатия происходит повышение давления и температуры рабочего тела, что должно обеспечивать надежность воспламенения и эффективность сгорания свежего заряда.

Давление в конце процесса сжатия :

Где n₁ – показатель политропы сжатия, n₁=1,41-120/n_е, откуда n₁₌1,41-120/2800=1,37.

Таким образом:

табл. 22.1

Основные параметры рабочего цикла двигателей

Температура в конце сжатия:

Т_c=Т_аℇ^n1-1= 361*7^0,37 = 741 К.

Процесс сгорания. Теоретически необходимое количество воздуха L₀ в молях для сгорания 1 кг бензина

L₀= =0,512 кмоль/кг топлива.

Количество молей свежей смеси

М₁= αL₀ + кмоль/кг.

Состав продуктов сгорания определяется по формулам:

М_СО=0,42 L₀(1-α)=0,42*0,512(1-0,93) = 0,0151 кмоль/кг;

М_{СО2. =} С/12 – 0,42 L₀(1-α) = 0,855/12 – 0,0151=0,0562 кмоль/кг;

М_N2 = 0,79αL₀ =0,79*0,93*0,512= 0,3762 кмоль/кг;

М_Н20=Н/2 = 0,145/2 = 0,0725 кмоль/кг.

Количество молей продуктов сгорания определяется по формуле:

М₂=М_со+М_со2+М_N2+М_Н2О=0,0151 +0,0562 +0,3762 + 0,0725 =0,52 кмоль/кг топлива.

Химическим (теоретическим) коэффициентом молекулярного изменения называется отношение количества молей продуктов сгорания к количеству молей свежего заряда

µ₀=М_г/М₃=0,52/0,485=1,072.

где М_г, М₃ - масса соответственно продуктов сгорания и свежего заряда.

Действительным коэффициентом молекулярного изменения рабочей смеси называется отношение общего числа молей газов в цилиндре после сгорания к числу молей газов в цилиндре до сгорания и определяется по формуле:

µ=

Средняя молярная теплоемкость свежего заряда для карбюраторных двигателей

mc_Vср =20,16 + 1,74*10^-3Т_с.

Подставляя значения температуры сжатия для данного типа двигателя, получим

mc_Vср= 20,16 + 1,74*10^-3*741=21,45 Дж/(моль*К).

Средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания для бензиновых двигателей

mc_Vr=(18,42 +2,6 ) + (1,55 + 1,38 ) 10^-3Т_ζ.

Подставляя числовые значения коэффициента избытка воздуха, а=0,93, получим:

mc_Vr =(18,42 + 2,6*0,93) + (1,55 + 1,38*0,93)10^-3Т_ζ=20,84 + 2,83*10^-3Т_ζ.

Зная элементарный состав жидкого топлива, можно определить его низшую теплотворность:

Н_и=4,2 =4,2 =43 905 кДЖ/кг,

где С, Н,W и S – процентное (по массе) содержание соответственно углерода, водорода, влаги, кислорода и серы в топливе.

При расчетах W обычно не учитывается из-за практически малого значения.

В процессе расширения на режиме n_emax происходит значительное догорание рабочей смеси, что снижает величину коэффициента использования теплоты , но применение на данном режиме обогащенной смеси (а = 0,93) повышает скорость сгорания, тем самым снижая процесс догорания. Исходя из этого, можно принять

Количество теплоты, потерянной вследствие химической неполноты сгорания на

∆Н_о=119 600(1-α) L_о=119 600(1-0,93)0,512 = 4 286 кДЖ/кг.

С учетом этого уравнение сгорания принимает вид

+ mc_Vср Т_ζ=µ mc_Vср Т_ζ.

Основе реакций окисления углерода:

В это уравнение входят две неизвестные величины: температура конца сгорания Т_z, К, и теплоемкость продуктов сгорания mc при той же температуре.

При определении mc_Vr уравнение сгорания после подстановки в него числовых значений принимает вид квадратного уравнения следующего типа:

АТ_ζ²+ВТ_ζ-С=0

где А, В, С – численные значения известных величин, откуда

Т_ζ= .

Таким образом, подставляя числовые значения, получим

*Т_ζ) Т_ζ,

и после преобразования имеем квадратное уравнение

3,02*10^-3Т_ζ²+22,23Т_ζ- 84 605 = 0.

Решая квадратное уравнение относительно Т_z определим температуру в конце сгорания:

= =2 770 К.

Давление в конце сгорания р_г зависит от характера осуществляемого цикла. Для двигателей, работающих по циклу с подводом теплоты при V = const, давление в конце сгорания

р_г =

Степень повышения давления λ = р_ζ/р_с = 5,2/1,28 = 4,06.

Процесс расширения. Давление в конце процесса расширения

р_d = р_ζ /ℇⁿ².

Здесь n₂ – показатель политропы расширения, n₂ = 1.22 + 130/n_е, где n_е – частота вращения коленчатого вала, об/мин: n₂ = 1,22 + +130/2 800- 1,22 + 0,046 – 1,266.

Следовательно,

р_b = 5,2/7^4,266= 0,443 МПа.

Температура в конце расширения

Т_b=т_ζ/ℇ^n2-1= 2 770/7^0,266=1 650 К.