Тепловой и динамический расчет двигателей внутреннего сгорания
.pdf
Для бензиновых двигателей коэффициенты оч 1 , доз 1,1. Для двигателей с распределенным впрыском оч 1, а коэффициент доз
выбирается из графика (рисунок 1). Для дизелей коэффициенты оч 1 ,
доз 1.
Рисунок 1 - Параметры процесса впуска двигателя с распределенным впрыском топлива.
Величина коэффициента остаточных газов r изменяется в пределах: -для бензиновых и газовых двигателей r = 0,06…0,12;
- для двигателей с распределенным впрыском топлива r = 0,04…0,08 -для роторных двигателей r = 0,025…0,040;
-для дизелей r = 0,02…0,06.
Температура в конце впуска
T |
T0 T r Tr |
|
|
|
|
||
a |
1 |
r |
|
|
(3) |
||
|
|
|
|
В современных двигателях температура в конце впуска бывает: -для бензиновых двигателей Tа = (320…360);
-для двигателей с распределенным впрыском топлива Tа = (310…350);
-для дизелейTа = (310…350).
Коэффициент наполнения
V |
|
|
T0 |
|
1 |
|
|
1 |
( pa pr ) |
|
T0 |
T |
1 |
p0 |
|||||||
|
|
|
|
(4) |
||||||
|
|
|
11 |
|
|
|
|
|
|
|
Величина коэффициента наполнения изменяется в пределах: -для бензиновых и газовых двигателей v = 0,70…0,85;
- для двигателей с распределенным впрыском топлива v = 0,95…0,97 -для роторных двигателей v = 0,88…0,96;
-для дизелей v = 0,80…0,90;
-для дизелей с наддувом v = 0,95…0,98.
1.2 Процесс сжатия |
|
|
Давление в конце сжатия |
|
|
p p n1 |
(5) |
|
c |
a |
|
Температура в конце сжатия |
|
|
T T n1 1 |
(6) |
|
c |
a |
|
В этих формулах n1 – показатель политропы сжатия, который для автотракторных двигателей находится в пределах n1 = 1,34…1,42.
Для автотракторных двигателей давление и температура в конце сжатия изменяются в пределах, приведенных в таблице 1.
Таблица 1- Значения показателей процесса сжатия
Тип двигателя |
|
|
|
|
|
|
|
pc, МПа |
|
Тс, К |
||
Бензиновые и газовые |
|
|
|
|
|
1,2…3,0 |
|
550…750 |
||||
Дизели без наддува |
|
|
|
|
|
3,5…5,5 |
|
800…950 |
||||
Дизели с наддувом |
|
|
|
|
7,0 – 9,0 (и бо- |
|
900…1100 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лее) |
|
|
Роторные |
|
|
|
|
|
|
|
|
1,4…1,9 |
|
650…800 |
|
Бензиновые с распределѐн- |
|
|
|
1,25..3,8 |
|
590..800 |
||||||
ным впрыском |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.3 Процесс сгорания. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Теоретически необходимое количество воздуха (в кмоль) |
для сгорания |
|||||||||||
1 кг жидкого топлива |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
g |
|
g |
g |
|
|||||
L |
|
( |
c |
|
|
|
Н |
|
o |
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
0 |
0,21 12 |
|
4 |
|
32 |
|
|
|||||
|
|
|
|
(7) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12 |
|
|
|
|
||
Теоретически необходимое количество воздуха (в кмоль) для сгорания 1 кмоль газообразного топлива
|
|
|
1 |
|
|
m |
|
r |
|
|
|
|
|
L0 |
|
|
n |
|
|
|
CnHmOr , |
|
(8) |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
0,21 |
|
4 |
|
2 |
|
|
|
|
гдеn,m,r– количество атомов углерода, водорода и кислорода. Средний |
|||||||||||
элементарный состав топлива принимают: |
|
|
|
||||||||
-для бензина gc = 0,85; gН = 0,15; |
|
|
|
|
|
||||||
-для дизельного топлива gc = 0,86; gН = 0,13; go = 0,01; |
|
||||||||||
-для |
природного |
газа |
|
H2=0,00…0,3; |
CH4=82,27…98,27; |
||||||
C2H6=0,17…5,80; |
C3H8=0,00…2,1; |
|
C4H10=0,00…1,00; |
N2=1,0…9,3; |
|||||||
CO2=0,00…0,89.
Количество свежего заряда (кмоль) для бензиновых двигателей
M |
|
L |
1 |
, |
(9) |
1 |
|
||||
|
0 |
mt |
|
|
|
|
|
|
|
|
где mt – молекулярная масса топлива (для бензинов mt =110…120
кг/кмоль). |
|
Количество свежего заряда (кмоль): |
|
-для газовых двигателей |
|
М 1 1 L0 |
(10) |
-для дизелей количество свежего заряда (кмоль) |
|
М1 L0 |
(11) |
Количество продуктов сгорания при работе двигателей на жидком топливе при 1
M |
2 |
|
gc |
|
g H |
0,21 L |
(12) |
||||||
|
|
|
|
||||||||||
|
12 |
|
|
|
2 |
|
0 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
а при <1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M |
2 |
|
gc |
|
g H |
0,79 L |
|
(13) |
|||||
|
|
|
|||||||||||
|
12 |
|
2 |
0 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Количество продуктов сгорания (кмоль) при сгорании 1кмольгазообразного топлива для α= 1. (для газовых двигателей α= 1,0…1,3)
13
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
M 2 n |
|
|
|
|
|
CnHmOr 0,79 |
L0 N 2 |
(14) |
||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Для 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
|
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
(15) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
M 2 |
4 2 |
|
1 |
|
CnHmOr |
|
1 |
|
L0 |
|
||||||||
Теоретический коэффициент молекулярного изменения |
|
|
||||||||||||||||
|
0 |
M 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
(16) |
|||||||
|
|
M1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Действительный коэффициент молекулярного изменения |
|
|
||||||||||||||||
|
1 0 1 |
|
|
|
|
|
(17) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
r |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Величина изменяется в пределах:
-для бензиновых двигателей = 1,02…1,12;
-для дизелей = 1,01…1,06.
Для газовых двигателей количество продуктов сгорания может быть меньше количества свежего заряда. Тогда теоретический коэффициент молекулярного изменения μ0 будет меньше 1. Для роторных двигателей
= 1,02…1,12;
Низшую теплоту сгорания топлива принимают: -для бензина Hu = 44000 кДж/кг;
-для дизельного топлива Нu = 42500 кДж/кг,
-для газовых двигателей Hu=31000…36000кДж/м3.
Для карбюраторных бензиновых двигателей, работающих с <1, подсчитывается потеря теплоты вследствие неполноты сгорания
Hu 119600 1 L0 |
(18) |
Для двигателей с распределенным впрыском топлива вследствие =1
Hu 0 .
Средняя мольная теплоемкость свежего заряда для трех типов двигателей определяется по формуле
mc |
20,16 1,74 10 3 T |
(19) |
VC |
C |
|
Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания: -для бензиновых и газовых двигателей
mcVZ 18,42 2,60 1,55 1,38 10 3 TZ (20)
-для дизелей
14
|
|
|
0,92 |
|
|
1,38 |
|
|
3 |
|
||
mc 20,10 |
|
|
|
1,55 |
|
|
|
10 |
|
T |
||
|
|
|
|
|||||||||
VZ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Z |
||
|
|
|
|
|
|
(21) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Значения коэффициента использования теплоты для различных типов двигателей при работе их на номинальном режиме определяются:
-бензиновые карбюраторные двигатели |
; |
|
-бензиновые с распределенным впрыском топлива |
; |
|
-роторные двигатели |
= 0,6…0,80; |
|
-дизели |
= 0,65…0,85; |
|
-газовые двигатели = 0,8…0,85.
Максимальная температура сгорания определяется из уравнения: -для бензиновых двигателей
-для дизелей |
|
||
|
Hu |
|
mcVC |
|
M1 1 r |
||
|
|
||
Hu Hu mcVC Tc mcVZ TZ M1 1 r
8,314 k TC mcVZ 8,314 TZ )
(22)
(23)
При определении максимальной температуры для газовых двигателей в уравнении сгорания низшая теплотворная способность топлива должна быть отнесена не к 1кг жидкого топлива, а к 1 кмоль газообразного топлива. Поэтому в формулу (22) вводится объем кмоля, равный 22,4 м3 при 0оС и давлении 0,1 МПа. Нuпринимается в кДж/м3.
Уравнение сгорания будет иметь вид:
22,4 Hu Tc mcV„ mcVZ TZ M 1 1 r
Степень повышения давления
k pzT pC
(24)
(25)
Величину степени повышения давления для дизелей выбирают в следующих пределах:
-для дизелей с неразделенными камерами сгорания и объемным смесеобразованием k = 1,6…2,5;
-для вихрекамерных и предкамерных дизелей, а также для дизелей с неразделенными камерами сгорания и пленочным смесеобразованиемk =
1,2…1,8.
Степень повышения давления для бензиновых и газовых двигателей
2…4, для роторных 3,5…3,9.
15
В уравнения сгорания (22), (23) и (24) входят две неизвестные величины: температура конца сгорания Tz и теплоемкость продуктов сгорания mcvz при этой же температуре. Если для определения mcvz используются табличные значения, то уравнения сгорания решаются относительно Tz методом последовательных приближений (подбором значений Tz).
При использовании для определения mcvz приближенных формул (20) и (21) уравнения сгорания, после подстановки в них числовых значений известных параметров и последующих преобразований, принимают вид квадратного уравнения
A T 2 |
B T C 0 |
|
|||
Z |
|
Z |
|
||
T |
B |
B2 4 A C |
, |
(26) |
|
|
|
||||
Z |
|
2 A |
|
||
|
|
|
|
||
где A, B, C – численные значения известных величин.
Величина теоретического максимального давления цикла для бензиновых и газовых двигателей
p/ |
|
TZ |
p |
C |
, |
(27) |
|
||||||
zT |
|
TC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Действительное давление -для бензиновых и газовых двигателей
|
p |
zd |
0,85 p/ |
(28) |
|
|
|
|
zT |
|
|
-для дизелей p/ |
k p , |
p |
p/ |
|
|
zT |
c |
zd |
zT |
|
|
Значения температуры и давления конца сгорания изменяются в пределах, приведенных в таблице 2.
Таблица 2- Показатели процесса сгорания
Тип двигателя |
Tz, K |
pz, |
|
|
МПа |
Двигатели с искро- |
|
|
вым зажиганием: |
2300…2800 |
3,0…5,5 |
бензиновые |
2200…2500 |
2,5…4,5 |
газовые |
|
|
Дизели |
1800…2300 |
5…10 |
|
|
|
Роторные |
2300…2700 |
4,5…6,0 |
|
16 |
|
1.4Процессрасширения
Степень предварительного расширения -для дизелей
Tz k Tc
-для бензиновых и газовых двигателей ρ=1; Степень последующего расширения:
-для дизелей
-для бензиновых и газовых двигателей . Температура в конце расширения:
Tb Tz
n2 1
Давление в конце расширения:
p/
pb nzT2
(29)
(30)
(31)
(32)
Величину среднего показателя политропы расширения выбирают в следующих пределах:
-для бензиновых и газовых двигателей n2 = 1,23…1,34; -для дизелей n2 = 1,15…1,28.
Примерные значения pb и Тb для автотракторных двигателей приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Значения показателей процесса расширения
Тип двигателя |
pb,МПа |
Тb, К |
Бензиновыеи газовые |
0,35…0,50 |
1200…1700 |
Дизели без наддува |
0,20…0,40 |
1000…1200 |
Роторные |
0,4…0,6 |
1500…1800 |
1.5Процессвыпуска
Параметрами процесса выпуска (pr и Тr) задаются в начале расчета процесса впуска (см. п. 1.1). Правильность предварительного выбора величин pr иТr проверяется по формуле проф. Е. К. Мазинга:
17
T |
|
Tb |
|
(33) |
|
|
|
|
|||
r |
|
pb |
|
|
|
3 |
|
|
|
||
|
pr |
|
|
||
Расхождение между принятой величиной Тr и вычисленной по формуле (33) не должно превышать 10%; в противном случае тепловой расчет необходимо уточнить.
1.6Индикаторныепоказатели
Среднее индикаторное давление теоретического цикла для бензиновых, газовых и дизельных двигателей подсчитывается по формулам:
|
|
|
|
|
|
|
p/ |
|
p |
c |
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
1 |
|
|
|
n |
1 |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
1 |
n |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
n |
1 |
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
(34) |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
p |
c |
|
k |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
p/ |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
k 1 |
|
|
|
|
||||||||
1 |
n |
|
|
n2 1 |
|
n |
1 |
n1 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
i |
2 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Среднее индикаторное давление действительного цикла |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
pi п pi/, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(35) |
|||||||||||
где п – коэффициент полноты диаграммы, который принимается для двигателей с искровым зажиганием п = 0,94…0,97; для роторных двига-
телей п = 0,75…0,87; для дизелей п = 0,92…0,95.
Величинаpiдляразличных двигателей изменяетсявследующихпределах: -для бензиновых четырехтактных двигателей pi = 0,8…1,18 МПа,
(8,0…12 кг/см2);
-для дизелей без наддува pi = 0,75…1,05 МПа, (6,5…10 кг/см2); -для дизелей с наддувом до 2,2 МПа, (22 кг/см 2);
-для бензиновых двухтактных двигателей с кривошипно-камерной про-
дувкой pi = 0,25…0,45 МПа, (2,5…4,5 кг/см2);
-для газовых четырехтактных pi = 0,5…0,7 МПа, (5…7 кг/см2). Индикаторный КПД для бензинового и дизельного двигателей подсчи-
тывается по формуле
18
|
8,314 |
M1 |
pi T0 |
(36) |
|
|
|||
i |
|
Hu V p0 |
|
|
|
|
|
||
Для газового двигателя индикаторный КПД при подстановке Нuв МДж/м3 , М1 в кмоль, piи p0в МПа подсчитывается по формуле
|
(37) |
||
371,1510 6 |
|
M1 T0 pi |
|
|
|||
i |
|
Hu v p0 |
|
|
|
||
Удельный индикаторный расход жидкого топлива определяется по
уравнению (Нuв кДж/кг) |
|
|
|
|
|
|
|
|
g |
|
|
3600 103 |
|
|
(38) |
||
i |
Hu i |
|
||||||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|||
Удельный индикаторный расход газового топлива в м3/кВт∙час |
||||||||
gi 9700 |
v p0 |
|
(39) |
|||||
M1 T0 |
|
|
||||||
|
|
|
|
pi |
||||
Величина индикаторного КПД для автотракторных двигателей имеет следующие значения:
-для бензиновых двигателей i = 0,25…0,40; -для газовых двигателей i = 0,28…0,33;
-для дизелей i = 0,40…0,53.
Удельный индикаторный расход топлива:
-для бензиновых двигателей gi = 253…340 г/кВт∙ч; -для дизелей gi = 163…220 г/кВт∙ч;
-для газовых двигателей следует определять удельный индикаторный
расход теплоты |
|
|
|
|
|
|
g |
iT |
9700 |
v p0 |
Hu |
(40) |
|
|
pi |
|||||
|
|
M1 |
T0 |
|
||
|
|
|
|
|||
Величина удельного индикаторного расхода теплоты имеет следующие значения:giT =12,8…10,8 МДж/кВт∙ч
1.7 Эффективные показатели
Задаемся величиной механического КПД двигателя исходя из следующих характерных значений:
-для бензиновых двигателей м = 0,70…0,85;
19
-для роторных двигателей м = 0,80…0,90; -для газовых двигателей м = 0,75…0,85; -для дизелей без наддува м = 0,70…0,80; Для дизелей с наддувом м = 0,92…0,98. Тогда среднее эффективное давление
|
|
|
pe |
pi м |
(41) |
|||
а эффективный КПД |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(42) |
|||
e |
|
i |
|
м |
||||
|
|
|
||||||
Удельный эффективный расход жидкого топлива |
|
|||||||
ge |
|
3600 |
|
103 |
(43) |
|||
|
|
|||||||
|
|
Hu e |
|
|||||
Удельный расход топлива для газовых двигателей в м3/кВт∙ч |
|
|||||||
ge 9700 |
v p0 |
|
(44) |
|||||
M1 |
T0 pe |
|||||||
|
|
|
|
|||||
Удельный эффективный расход теплоты для газовых двигателей в МДж/кВт∙ч
|
|
g |
eT |
9700 |
v p0 Hu |
|
(45) |
|||
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
M1 |
T0 pe |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||
Эффективные показатели двигателей приведены в таблице 4. |
||||||||||
Таблица 4- Значения эффективных показателей двигателей |
||||||||||
Двигатели |
|
|
ηe |
|
|
pe |
ge |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Мпа |
г/кВт ч |
|
|
Четырехтакт- |
0,27…38 |
|
|
1,1…1,3 |
215…300 |
|
||||
ные |
с искро- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вым |
зажигани- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Четырехтакт- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ные дизели: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
без наддува |
0,36…0,42 |
|
|
0,65…0,85 |
210…235 |
|
||||
с наддувом |
0,38…0,46 |
|
|
1,2…2,2 |
185…220 |
|
||||
Двухтактные |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
двигатели: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
без наддува |
0,33 – 0,38 |
|
|
0,4 – 0,6 |
257 – 223 |
|
||||
с наддувом |
0,35 – 0,41 |
|
|
0,8 – 1,3 |
248 - 223 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Роторные |
0,25…0,30 |
|
|
0,8…1,15 |
230…320 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
20 |
|
|
|