1.1 Тепловой расчет карбюраторного двигателя и двигателя с распределенным впрыском топлива

Производится расчет карбюраторного двигателя и двигателя с системой распределенного впрыска топлива и электронным управлением системой питания и зажигания, предназначенных для легковых автомобилей. Эффективная мощность (N_e) карбюраторного двигателя равняется 56 кВт, а двигателя с впрыском топлива - 61 кВт при частоте вращения коленчатого вала (n) соответственно 5600 мин ^-1 и 4800 мин ^-1.

Двигатели четырехцилиндровые, с рядным расположением цилиндров. Система охлаждения жидкостная закрытого типа. Степень сжатия (ε) – 9,8 для карбюраторного двигателя и 9,8 для двигателя с распределенным впрыском топлива.

При проведении теплового расчета для нескольких скоростных режимов обычно выбирают 3 – 4 основных режима. Для данных двигателей такими режимами являются:

1) режим минимальной частоты вращения, обеспечивающей устойчивую работу двигателя, n_xx = 600…1000 мин ^-1;

2) режим максимального крутящего момента, при n_М =(0,4…0,6)·n_N;

3) режим максимальной (номинальной) мощности при n_N;

4) режим максимальной скорости движения автомобиля при n_max =

= (1,05…1,2)·n_N;

С учетом приведенных рекомендаций и заданий тепловые расчеты последовательно проводятся для режимов: карбюраторного двигателя при частоте вращения коленчатого вала (n) равной 950, 3400, 5600 и 6000 мин ^-1; двигателя с впрыском топлива при частоте вращения коленчатого вала (n)

равной 850, 3000, 4800 и 5800 мин ^-1;

Средний элементарный состав и молекулярная масса бензина [2;48]: углерода (С) содержится 0,855 кг, водорода (Н) - 0,145 кг; кислорода (О) – не -содержится и молекулярная масса паров бензина (m_T) равняется 115 кг/кмоль.

Низшая теплота сгорания топлива.

Под низшей теплотой сгорания понимается количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива, но без учета теплоты конденсации водяного пара.

Если известен элементарный состав жидкого топлива, то значение низшей теплоты сгорания топлива определяется по формуле Д.И Менделеева

H_и = , МДж/кг (1)

H_и = =

= 43,9295МДж/кг.

1.1.1 Расчет параметров рабочего тела, окружающей среды и остаточных газов

В поршневых двигателях внутреннего сгорания рабочее тело состоит из окислителя, топлива и продуктов его сгорания. Окислителем для большинства двигателей служит атмосферный воздух, содержащий 21 % (по объему) кислорода и 79 % инертных газов, в основном азота. При реализации цикла рабочее тело претерпевает физические и химические изменения. В зависимости от типа двигателя, в период впуска в цилиндр поступает либо воздух, либо горючая смесь, состоящая из газообразного или жидкого топлива и воздуха. Воздух или горючую смесь, поступающие в цилиндр и остающиеся в нем к моменту начала сжатия, называют свежим зарядом. В процессе сжатия в цилиндре находится смесь свежего заряда с остаточными газами, которая называется рабочей. В процессе расширения и выпуска рабочим телом являются продукты сгорания топлива.

Для полного сгорания массовой или объемной единицы топлива необходимо вполне определенное количество воздуха, которое называется теоретически необходимым и определяется по элементарному составу топлива.

Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания массовой или объемной единицы топлива определяется по следующим формулам:

, (2)

, (3)

где l₀ – теоретически необходимое количество воздуха в кг для сгорания 1 кг топлива, кг возд./кг топл.;

L₀ – теоретически необходимое количество воздуха в кмоль для сгорания 1 кг топлива, кмоль возд. /кг топл.;

0,230 – массовое содержание кислорода в 1 кг воздуха;

0,208 – объемное содержание кислорода в 1 кмоль воздуха.

кг возд./кг топл.; = 0,5168 кмоль возд./кг топл.

Далее непосредственный числовой расчет будет, проводиться только для режимов максимальной мощности, а для остальных режимов окончательные значения рассчитываемых параметров будут проводиться в табличной форме.

Горючая смесь (свежий заряд) в двигателях с воспламенением от искры состоит из воздуха и испарившегося топлива и определяется величиной

M₁ = , (4)

где M₁ – количество горючей смеси (кмоль гор. см./кг топл);

m_T – молекулярная масса паров топлива, кг/кмоль;

α – коэффициент избытка воздуха [2;105];

Для автомобильных бензинов m_T = 110÷120 кг/кмоль, принимается 115 кг/кмоль.

Количество горючей смеси (M₁):

а) для карбюраторного двигателя

M₁ == 0,96 · 0,5168 + 1/115 = 0,5049 кмоль гор. см/кг топл.;

б) для двигателя с впрыском топлива M₁ = 1,017·0,5168 +1/115 =

= 0,5343 кмоль гор.см./кг топл.;

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания жидкого топлива при α < 1:

углекислого газа (кмоль СО₂/кг топлива)

;

оксида углерода (кмоль СО/кг топлива)

;

водяного пара (кмоль H₂O/кг топлива)

; (5)

водорода (кмоль H₂/кг топлива)

;

азота (кмоль N₂/кг топлива)

;

где К – постоянная величина, зависящая от отношения количества водорода к оксиду углерода, содержащихся в продуктах сгорания (для бензина К =

= 0,45÷0,5).

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания жидкого топлива для карбюраторного двигателя:

углекислого газа

=

= 0,0655 кмоль СО₂/кг топлива;

оксида углерода

=

= 0,0057 кмоль СО/кг топлива;

водяного пара

=

= 0,0696 кмоль H₂O/кг топлива;

водорода

=

= 0,0029 кмоль H₂/кг топлива;

азота

= 0,3930 кмоль N₂/кг топлива;

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания жидкого топлива при α 1:

углекислого газа (кмоль СО₂/кг топлива)

;

водяного пара (кмоль H₂O/кг топлива)

;

кислорода (кмоль O₂/кг топлива) (6)

азота (кмоль N₂/кг топлива)

;

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания жидкого топлива для двигателя с впрыском топлива:

углекислого газа

= 0,855/12 = 0,0713 кмоль СО₂/кг топлива;

оксида углерода

0;

водяного пара

= 0,145/2 = 0,0725кмоль H₂O/кг топлива;

водорода

0;

азота

0,4163 кмоль N₂/кг топлива;

кислорода

0,0018 кмоль O₂/кг топлива;

Общее количество продуктов сгорания жидкого топлива:

; (7)

Общее количество продуктов сгорания жидкого топлива:

для карбюраторного двигателя 0,0655 +

+ 0,0057+ 0,0696 + 0,0029 + 0,3930 = 0,5367 кмоль пр. сг./кг топл.;

для двигателя с впрыском топлива 0,0713 +

+ 0,0725 + 0,0018 + 0,4163 = 0,5619 кмоль пр. сг./кг топл.;

Значения параметров рабочего тела для всех четырех принятых расчетных режимов приводятся в таблице 1.

Давление и температура окружающей среды при работе двигателя без наддува p_К = p₀ = 0,1МПа и Т_к = Т_о = 293 К.

Параметры рабочего тела. Таблица 1.

Параметры	Единицы измерения	Карбюраторный двигатель
n	об/мин	950	3400	5600	6000
α		0,80	0,96	0,96	0,96
M1	кмоль гор. см./кг топл	0,4222	0,5049	0,5049	0,5049
MCO2	кмоль СО2/кг топлива	0,0426	0,0655	0,0655	0,0655
MCO	кмоль СО/кг топлива.	0,0287	0,0057	0,0057	0,0057
MH2O	кмоль H2O/кг топлива	0,0582	0,0696	0,0696	0,0696
MH2	кмоль H2/кг топлива	0,0143	0,0029	0,0029	0,0029
MN2	кмоль N2/кг топлива	0,3275	0,3930	0,3930	0,3930
M2	кмоль пр. сг/кг топл	0,4712	0,5367	0,5367	0,5367
Параметры	Единицы измерения	Двигатель с впрыском топлива
n	об/мин	850	3000	4800	5800
α		0,967	1,0083	1,017	1,017
M1	кмоль гор. см./кг топл	0,5085	0,5298	0,5343	0,5343
MCO2	кмоль СО2/кг топлива	0,0665	0,0713	0,0713	0,0713
MCO	кмоль СО/кг топлива.	0,0047	0	0	0
MH2O	кмоль H2O/кг топлива	0,0701	0,0725	0,0725	0,0725
MH2	кмоль H2/кг топлива	0,0024	0	0	0
MN2	кмоль N2/кг топлива	0,3958	0,4127	0,4163	0,4163
MO2	кмоль O2/кг топлива	0	0,0009	0,0018	0,0018
M2	кмоль пр. сг/кг топл	0,5396	0,5574	0,5619	0,5619

Остаточные газы. В цилиндрах двигателя перед началом процесса наполнения (впуска) всегда содержится некоторое количество остаточных газов, остающихся от пре­дыдущего цикла. Учитывая уже определенные значения частоты вращения коленчатого вала (n) и коэффициента избытка воздуха (α), можно принять значения температуры этих газов (Т_г) для расчетных режимов карбюраторного двигателя по рис.5.1[2;106], а для двигателя с распределенным впрыском топлива – по рис.5.2[2;107]. При номинальных режимах Т_г = 1060К для карбюраторного двигателя и Т_г = 1021К для двигателя с впрыском топлива.

Давление остаточных газов на номинальном режиме работы двигателей без наддува определяется из выражения:

р_{г N} = (1,05 – 1,25)·p₀; (8)

На номинальном режиме принимаются следующие значения давления остаточных газов (р_{г N}):

для карбюраторного двигателя р_{г N} = 1,19·p₀ =1,19 · 0,1 =0,119МПа;

для двигателя с распределенным впрыском топлива р_{г N} = 0,108МПа;

Величины давлений остаточных газов на остальных режимах работы двигателя можно подсчитать по формуле:

p_г = p₀ , (9)

где А_Р = ;

При n _N =5600 мин ^-1 А_Р = = 0,4943.

При n _N =4800 мин ^-1 А_Р = = 0,1953.