1524
.pdfФедеральное агентство по образованию
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)
П.Л. Шевченко
ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ
АВТОМОБИЛЬНЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ
Учебное пособие
Омск Издательство СибАДИ
2006
УДК 621.43 ББК 39.35 Ш 37
Рецензенты:
кафедра «Тракторы, автомобили и ЭМТП» Омского государственного аграрного университета;
д-р техн. наук, профессор кафедры «Авиа- и ракетостроение» Омского государственного технического университета В.И. Кузнецов; д-р техн. наук, профессор кафедры «Теплоэнергетика»
Омского государственного университета путей сообщения В.Р. Ведрученко
Работа одобрена редакционно-издательским советом Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии в качестве учебного пособия для студентов специальности 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство».
Ш 37 Шевченко П.Л.
Тепловые расчеты автомобильных двигателей: Учебное пособие.
Омск: Изд-во СибАДИ, 2006. 187 с.
Приведены примеры тепловых расчетов автомобильных двигателей. Для каждого двигателя приведена схема составления программы и, кроме того, в пособии приведены готовые отлаженные программы.
Пособие может быть использовано при выполнении студентами курсового или дипломного проекта по автомобильным двигателям.
Табл.16. Ил. 11. Библиогр.: 6 назв.
П.Л. Шевченко
ВВЕДЕНИЕ
Знание алгоритмических языков и умение их применять для практических расчетов расширяет возможность для более глубокого изучения специальных дисциплин, а также способствует закреплению знаний в области программирования. Электронные вычислительные машины позволяют выполнять большое количество расчетов за короткий промежуток времени, а поэтому имеется возможность предоставить результаты расчетов, в виде удобном для анализа влияния различных факторов на показатели работы двигателя.
Выполнение теплового расчета на электронной вычислительной машине дает возможность оптимизировать рабочий процесс двигателя по различным показателям, позволяет получить уточнение ряда принимаемых параметров (Τr,n1,n2 и т.д.) и представить результаты расчета в виде
характеристик.
Использование стандартных тепловых расчетов позволяет составить программу для номинального режима работы двигателя. Кроме этого, в процессе выполнения тепловых расчетов возникает необходимость использования таблиц теплоемкостей и внутренних энергий рабочего тела для различных значений температур и коэффициентов избытка воздуха. Это затрудняет составление программы теплового расчета даже для одного режима работы двигателя. В учебном пособии этот пробел, в некоторой
степени, |
восполнен, т.е. |
представлены математические зависимости: |
f (n), |
Ρr f (n), Τ |
f (n), f (n) и другие, которые позволяют сос- |
тавить программу теплового расчета двигателя для различных скоростных режимов. Уравнения получены на основании обработки экспериментальных зависимостей, представленных в учебной и научной литературе.
На основании таблиц теплоемкостей и внутренних энергий для заданных интервалов температур, в которые укладываются температуры рабочего тела в характерных точках индикаторной диаграммы, получены уравнения теплоемкостей и внутренних энергий в зависимости от температуры. Для карбюраторных двигателей учитываются значения коэффициента избытка воздуха. Полученные уравнения значительно
упрощают составление программ, а также позволяют составить программы тепловых расчетов двигателя для различных скоростных режимов, для различных значений давлений и температур окружающей среды, для различных степеней сжатия и других параметров.
В пособии представлены примеры тепловых расчетов карбюраторного двигателя, двигателя, работающего на сжиженном газе, на сжатом газе, дизельного двигателя без наддува и с наддувом, газодизельного двигателя.
Учебное пособие составлено таким образом, чтобы студент имел возможность научиться составлять программу теплового расчета двигателя с минимальными затратами труда и времени, а поэтому в пособии приведены примеры кодирования параметров, написание формул с учетом кодирования, представлены схемы алгоритмов и программы тепловых расчетов на алгоритмическом языке «Фортран» для каждого двигателя. Примеры тепловых расчетов выполнены на номинальном режиме работы двигателя. При выполнении студентом теплового расчета имеется возможность сравнить определяемые параметры с ориентировочными значениями их по таблице 2.
Выполнение программы теплового расчета на ЭВМ дает возможность выполнить расчеты для различных скоростных режимов и при различных значениях принимаемых параметров (Pо,To, , и др.). Кроме того, разработанные программы позволяют уточнить некоторые параметры
(n1,Tr,n2 и др.).
Основные принятые обозначения
Nе эффективная мощность.
nN частота вращения коленчатого вала при номинальной мощности.
nчастота вращения коленчатого вала. i число цилиндров.
mT молекулярная масса топлива.
Hu низшая теплотворная способность топлива.
степень сжатия.
N коэффициент избытка воздуха при номинальной мощности.
коэффициент избытка воздуха.
Po давление окружающей среды.
PkN давление наддува при номинальной мощности.
Lo теоретический расход воздуха, необходимый для сгорания 1 кг топлива.
L действительный расход воздуха при сгорании 1 кг топлива.
М1 количество свежего заряда.
М2 количество продуктов сгорания.
химический коэффициент молекулярного изменения.
действительный коэффициент молекулярного изменения.o плотность воздуха окружающей среды.
To температура окружающей среды.
Ro газовая постоянная воздуха.
Tk температура воздуха после компрессора. nk показатель политропы сжатия компрессора.
Pk давление воздуха после компрессора.
S p ход поршня.
CN средняя скорость поршня.
Wвп скорость свежего заряда в проходном сечении впускного клапана. ( 2 ) общий коэффициент сопротивления впускной системы.
PrN давление остаточных газов на номинальном режиме.
Pr давление остаточных газов.
Tr температура остаточных газов.
TrN температура остаточных газов на номинальном режиме работы двигателя.
T степень подогрева свежего заряда.r коэффициент остаточных газов.
Ta температура рабочего тела в конце впуска.
V коэффициент наполнения. n1 показатель политропы сжатия.
Tс температура рабочего тела в конце сжатия.
Pc давление рабочего тела в конце сжатия.
коэффициент использования теплоты.
N коэффициент использованиятеплоты приноминальноймощности.
TZ температура рабочего тела в конце сгорания.
PZ давление рабочего тела в конце сгорания.
степень предварительного расширения.степень последующего расширения. n2 показатель политропы расширения.
Tb температура рабочего тела в конце расширения.
Pb давление рабочего тела в конце расширения.
Pi среднее теоретическое индикаторное давление.
Pi среднее индикаторное давление.
коэффициент скругления индикаторной диаграммы.
коэффициент полноты насосных потерь.
i индикаторный коэффициент полезного действия. gi индикаторный удельный расход топлива.
Pм среднее давление механических потерь.
Pe среднее эффективное давление.
м механический коэффициент полезного действия.
e эффективный коэффициент полезного действия. ge эффективный удельный расход топлива.
Ni индикаторная мощность двигателя.
Dц диаметр цилиндра двигателя.
Vh рабочий объем цилиндра двигателя.
Mе крутящий момент двигателя.
GТ часовой расход топлива.
Q общее количество теплоты, выделенное при сгорании часового расхода топлива.
Qe количество теплоты, используемой на полезную работу.
Qм количество теплоты, расходуемой на механические потери.
Qог количество теплоты, унесенной с отработавшими газами.
Qн количество теплоты, потерянное за счет неполноты сгорания топлива при 1.
Qw количество теплоты, унесенное с охлаждающей жидкостью.
Qs количество теплоты, расходуемой на неучтенные потери.
Глава 1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ЗАВИСИМОСТИ, ПОЛУЧЕННЫЕ НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ, ПРИВЕДЕННЫХ В УЧЕБНОЙ И НАУЧНОЙ ЛИТЕРАТУРЕ
1.1. Для двигателей легкого топлива с воспламенением рабочей смеси от электрической искры
1. Коэффициент избытка воздуха.
При уменьшении скоростного режима на 30 % от максимального значения, коэффициент избытка воздуха практически не изменяется. При дальнейшем уменьшении скоростного режима изменение коэффициента избытка воздуха можно определить по формуле
|
|
|
|
n |
2,36 |
|
|
N |
0,78 |
0,7 |
. |
||
|
||||||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
nN |
||
2. Давление остаточных газов
Pr 1,035Pо (PrN 1,035Pо)( n )2. nN
3. Температура остаточных газов
|
n |
0,333 |
|
n |
|
TrN |
360 . |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|||||||
Tr 370 |
|
|
10 |
|
|
|||
nN |
nN |
|
|
|||||
4. Степень подогрева свежего заряда
110 0,0125nT TN 110 0,0125nN .
5. Коэффициент дозарядки цилиндров двигателя
n
д ( N 0,18) 0,18 .
nN
6. Коэффициент использования теплоты
|
|
n |
0,4 |
|
n |
|
N |
0,51 . |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
||||||||
|
|
|
0,49 |
|
|
||||
|
nN |
nN |
|
|
|||||
1.2.Для дизельных двигателей без наддува
1.Коэффициент избытка воздуха
|
|
|
n |
|
|
|
n |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
N |
|
|
|
|
|
|
. |
||||
|
|
|
|
|
|||||||
|
1,672 1 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
nN |
|
nN |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Изменение давления остаточных газов
Pr 1,035Pо (PrN 1,035Pо)( n )2. nN
3. Температура остаточных газов
|
|
|
|
|
n |
|
|
0,42 |
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Tr |
trN |
0,766 |
|
0,4 |
|
|
|
0,4 |
|
273. |
||||
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
0,955 |
|
|
|
||||||
|
|
|
nN |
|
|
|
nN |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4. Степень подогрева свежего заряда
110 0,0125nT TN 110 0,0125nN .
5. Коэффициент использования теплоты
|
|
|
n |
|
|
|
n |
1,5 |
|
|
|
|
|
|
|||||
N |
|
|
|
|
|
|
|
||
1,24 1 |
|
|
|
|
. |
||||
|
|
|
nN |
|
nN |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.3.Для дизельных двигателей с наддувом
1.Коэффициент избытка воздуха
N 0,6 |
|
n |
|
0,75 |
|
n |
|
|
|
|
0,3 |
|
|
0,3 |
|
||||
|
|
||||||||
|
|
|
0,2357 |
|
. |
||||
|
nN |
|
|
nN |
|
|
|||
2. |
Давление воздуха после компрессора |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Pk tkN 0,056 0,112 |
|
|
0,5 . |
|||||||
|
|
|
|
|
nN |
|
|
||||
3. |
Температура воздуха после компрессора |
|
|
||||||||
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
273. |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Tk tkN 56 112 |
|
|
0,5 |
|||||||
|
nN |
|
|
|
|
|
|
|
|||
4. |
Давление остаточных газов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,2 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Pr PrN 0,056 0,07 |
|
|
. |
|||||||
5. |
Температура остаточных газов |
|
|
nN |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
0,5 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Tr trN 45 90 |
|
|
273. |
|||||||
|
nN |
|
|
|
|
|
|
||||
6. |
Степень подогрева свежего заряда |
|
|
|
|
|
|
|
|||
110 0,0125n
T TN 110 0,0125nN .
7. Коэффициент использования теплоты
N 0,2 |
|
n |
|
0,75 |
|
n |
|
|
|
|
0,3 |
|
|
0,3 |
|
||||
|
|
||||||||
|
|
|
0,807 |
|
. |
||||
|
nN |
|
|
nN |
|
|
|||
1.4. Теплоемкость, внутренняя энергия воздуха и продуктов сгорания для двигателей с воспламенением рабочей смеси от электрической искры
Использование таблиц теплоемкостей и внутренних энергий, приведенных в учебной литературе, представляет некоторые трудности при составлении программ теплового расчета двигателей. Учитывая, что известны интервалы температур рабочего тела в точках А, С, Z, B, R – индикаторной диаграммы на основании таблиц, приведенных в учебной литературе, выведены уравнения теплоемкостей и внутренних энергий рабочего тела в заданных интервалах температур для точек А, С, Z, B, R. Полученные уравнения учитывают изменения коэффициента избытка воздуха.
Таблица 1
Теплоемкость воздуха, кДж/кмоль
ta1= 0 C |
(mcv)'a1 = 20,759 |
(mcv)'а = 20,759+0,0008tа |
tа2 = 100 C |
(mcv)'а2 = 20,839 |
Δ(mcv)'а = 0,0008 |
tc1 = 400 C |
(mcv)'c1 = 21,475 |
(mcv)'с = 21,475+0,00306(tс-400) |
tc2 = 500 C |
(mcv)'c2 = 21,781 |
Δ(mcv)'а = 0,00306 |
Теплоемкость продуктов сгорания, кДж/кмоль |
||
|
|
|
|
|
(mcv)''1r = 23,8859+0,003671(tr - tr1) |
tr1=700 C |
(mcv)''r1 =23,8859 |
(mcv)''r = (mcv)''r1+Ar2,9[4,965(α-0,7)- |
1,75 |
||
|
Ar=(mcv)''1r / (mcv)''r1 |
-2,906(α-0,7) ] |
tb1=1400 C |
(mcv)''b1 =26,1738 |
(mcv)''1b = 26,1738+0,002664(tb - tb1) |
(mcv)''b = (mcv)''1b+Ab1,7[6(α-0,7- |
||
tz1=2300 C |
Ab=(mcv)''1b /(mcv)''b1 |
-3,516(α-0,7)1,75] |
(mcv)''z1 =28,1099 |
(mcv)''1z = 28,1099+0,003172(tz - tz1) |
|
|
Az=(mcv)''1z / (mcv)''z1 |
|
|
(mcv)''z = (mcv)''1z+Az1,1[6,75(α-0,7)- |
|
|
|
-3,95(α-0,7)1,75] |
Внутренняя энергия воздуха, МДж/кмоль |
||
|
|
|
tc1 = 400 C |
U'c1=8,591 |
U'c = 8,591+0,02299(tc - tc1) |
tc2 = 500 C |
U'c2=10,89 |
U'c = 0,02299 |
Внутренняя энергия продуктов сгорания, МДж/кмоль
tc1 |
= 400 C |
U''c1 = 9,1123 |
|
Ac = U''1c / U''c1 |
|||
tz1=2300 C |
U''z1 = 64,6528 |
||
Az = U''1z / U''z1 |
|||
|
|
||
|
|
|
|
U''1c = 9,1123+0,02459(tc - tc1)
U''c = U''1c+Ac1,25[1,69(α-0,7)- -0,9565(α-0,7)1,65]
U''1z = 64,6528+0,03207(tz - tz1)
U''z = U''1z+Az[16(α-0,7)-9,075(α-0,7)1,65]
Пояснения к таблице 1: (mcv)'a1 – теплоемкость воздуха для 0 C; (mcv)'a2 – теплоемкость воздуха для 100 C; Δ(mcv)'а – изменение теплоемкости воздуха на 1 C в интервале температур от 0 до 100 C; (mcv)'c1 – теплоемкость воздуха для 400 C; (mcv)'c2 – теплоемкость воздуха для 500 C; (mcv)'с изменение теплоемкости воздуха на 1 C в интервале температур от 400 до 500 C; (mcv)''r1 – теплоемкость продуктов сгорания для 700 C и при коэффициенте избытка воздуха α=0,7; (mcv)''1r – теплоемкость продуктов сгорания для заданной температуры отработавших газов при α=0,7; (mcv)''r – теплоемкость продуктов сгорания для заданной температуры отработавших газов и для принятого коэффициента избытка воздуха; (mcv)''b1 – теплоемкость продуктов сгорания в конце расширения для 1400 C; (mcv)''1b – теплоемкость продуктов сгорания для расчетной температуры рабочего тела в конце расширения; (mcv)''b – теплоемкость продуктов сгорания в конце расширения и принятого коэффициента избытка воздуха; (mcv)''z1 – теплоемкость продуктов сгорания при температуре 2300 C и α=0,7; (mcv)''1z – теплоемкость продуктов сгорания для расчетной температуры рабочего тела в конце сгорания и при α=0,7; (mcv)''z – теплоемкость продуктов сгорания для расчетной температуры рабочего тела в конце сгорания и принятого коэффициента избытка воздуха; U'c1 – внутренняя энергия воздуха при температуре 400 C; U'c2 – внутренняя энергия воздуха при температуре 500 C; U'c – изменение внутренней энергии воздуха на 1 C в интервале температур от 400 до 500C; U''c1 – внутренняя энергия продуктов сгорания при 400 C и коэффициенте избытка воздуха α=0,7; U''1с – внутренняя энергия продуктов сгорания для расчетной температуры рабочего тела в конце сжатия при α=0,7; U''с – внутренняя энергия продуктов сгорания для расчетной температуры рабочего тела в конце сжатия и принятого коэффициента избытка воздуха; U''z1 – внутренняя энергия продуктов сгорания при температуре рабочего тела 2300 C и коэффициенте избытка воздуха α=0,7; U''1z – внутренняя энергия продуктов сгорания для расчетной температуры рабочего тела в конце сгорания и α=0,7; U''z –