1.Тепловой расчет двигателя

При тепловом расчете вновь проектируемого двигателя предварительно рассчитывают параметры действительного цикла, строят индикаторную диаграмму и определяют основные размеры: диаметр и ход поршня.

Исходными данными для расчета являются: Р_е - мощность (номинальная),

n_н - частота вращения (номинальная),  - степень сжатия.

В ходе расчета необходимо задаваться некоторыми коэффициентами, принимая во внимание данные по существующим двигателям. Причем, следует обратить внимание, что результаты расчета двигателя значительно зависят от совершенства оценки принятых коэффициентов, учитывающих особенности проектируемого двигателя. Порядок расчета следующий.

1.1. Процессы впуска и выпуска

а). Задаются значениями: Т_о; р_о ; Т_r ; р_r; Т; р_а.

Температура Т_о и давление р_о окружающей среды принимаются в соответствии со стандартными атмосферными условиями: Т_о=273+25=298К; р_о=0,1 МПа.

Температура Т_r и давление р_r остаточных газов зависят от частоты вращения и нагрузки двигателя, сопротивления выпускного тракта, способа наддува.

Для двигателей со свободным впуском:

р_r=(1,05…1,20)р_o ,

для двигателей с высокой частотой вращения принимаются большие значения р_r.

Для двигателей с газотурбинным наддувом:

р_r=(0,75…0,95)р_к ,

давление наддувочного воздуха р_к для существующих двигателей:

р_к=(1,5…2,2)р_о.

Температура остаточных газов зависит в основном от коэффициента избытка воздуха , степени сжатия , частоты вращения коленчатого вала, нагрузки.

В существующих двигателях значения Т_r соответствуют:

для бензиновых и газовых двигателей-----900…1100 К;

для дизелей------600…900 К.

Большие значения Т_r выбираются для высокооборотных двигателей и двигателей с низкой степенью сжатия.

Т- степень подогрева свежего заряда во впускном тракте зависит от частоты вращения, наличия наддува и принимается в следующих пределах:

для бензиновых и газовых двигателей --------10…30;

для дизелей без наддува ------------------------ 10…20;

для двигателей с наддувом ---------------------- 0…10.

Давление в конце впуска р_а принимается из следующих соотношений:

р_а= р_к - р_а ; для двигателей без наддува - р_а = р_о - р_а.

У двигателей потери давления р_а за счет сопротивления впускного тракта находятся в пределах (большие значения принимаются для высокооборотных двигателей):

для бензиновых и газовых двигателей - (0,05…0,2)р_о;

для дизелей без наддува - (0,03…0,18)р_о;

для дизелей с наддувом - (0,03…0,1)р_к.

б). Определяют величины: _r (коэффициент остаточных газов), Т_a (температура конца наполнения) и _v (коэффициент наполнения) по следующим формулам:

. (1)



(3)

Для двигателей без наддува в уравнениях (1), (2), (3) Т_к = Т_о; р_к = р_о.

Температура воздуха за компрессором:

, (4)

где n_к - показатель политропы сжатия в компрессоре, принимается в пределах 1,4…2.

Для достоверности результатов расчета процесса впуска необходимо ориентироваться на следующие рекомендации.

Коэффициент остаточных газов  _r находится в следующих пределах:

для бензиновых и газовых двигателей - 0,06…0,12;

для дизелей без наддува и с наддувом - 0,03…0,06.

Значения Т_а для современных двигателей находятся в пределах:

для бензиновых и газовых двигателей – 320…380 К;

для дизелей без наддува – 310…350 К;

для дизелей с наддувом – 320…400 К.

Значения _v находятся в пределах:

для бензиновых и газовых двигателей – 0,75…0,85;

для дизелей без наддува – 0,8…0,9;

для дизелей с наддувом – 0,8…0,95.

в). В зависимости от принятого значения коэффициента избытка воздуха  определяют массу свежего заряда, введенного в цилиндры двигателя (ориентировочно):

М₁ =  l_о / 29, кмоль,

где l_o = 14,5 кг. воздуха / кг. топлива – для дизеля;

l_o = 15 кг. воздуха/ кг. топлива – для бензинового двигателя.

Масса воздуха в кмолях: L_o =l_o/29. (29 –масса 1 кмоль воздуха).

Для принятия значения  необходимо учесть способ смесеобразования в соответствии с рекомендациями табл. 1.

Таблица 1

Расчетные значения  в зависимости от способа смесеобразования

Коэфф. избытка воздуха	Дизели					Бензиновые и газовые двигатели
	Способ смесеобразования
	Объемн.	Объемно-пленочн.	Пленочн.	С разделен камерой сгорания	С наддувом (для всех способов смесеобра зования)	Карбюра-торные (газовые)	Инжекто-рные
	1,4…1,6	1,3…1,4	1,15…1,2	1,2…1,25	1,7…2,0	0,9..0,95 (1,1..1,3)	1,05

2. Процесс сжатия

Определяют параметры процесса сжатия: n₁; р_с; Т_с; М_с.

а). Показатель политропы сжатия п₁ определяется из соотношения:

n₁ = 1,41 – 100/n_н, (5)

где n_н – номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя.

б). Давление конца сжатия:

. (6)

в). Температура конца сжатия:

 (7)

г). Масса рабочей смеси в конце сжатия:

, кмоль. (8)

д). Теплоемкость рабочей смеси в конце сжатия:

С_v.c=20,16+1,7410 ^-3Т_с , кДж/(кмоль.град). (9)

2. Процесс сгорания

а). Определяют массу продуктов сгорания в цилиндрах двигателя.

1,0; , (10)

 1, , (11)

где С = 0,855; 0,87; Н = 0,145; 0,125 – соответственно элементарный состав топлива для бензина и дизтоплива (ориентировочно).

б). Определяют температуру газов в цилиндре в конце процесса сгорания из уравнений:

для бензинового двигателя , (12)

для дизеля  (13)

где С_{v z} – теплоемкость продуктов сгорания при постоянном объеме:

С_vz =(18,4+2,6) + (15,5 + 13,8)10 ^{– 4} Т_z , (14)

С_z – теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении:

С_z =(20,2 + 0,92/) + (15,5 + 13,8/) 10 ^–4 Т_z + 8,314 , (15)

 -коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси в ходе сгорания =, (значения  находятся в пределах 1,01…1,1)

 - коэффициент использования теплоты в ходе сгорания,

для бензиновых двигателей - =0,85… 0,95;

для дизелей - =0,7…0,9.

(для инжекторных двигателей и дизелей с разделенной камерой сгорания принимаются большие значения ).

Н_u- низшая теплотворная способность топлива:

для бензина -44; для дизтоплива -;

 H_u - потери теплоты вследствие неполноты сго­рания при  < 1:

. (16)

Для инжекторных двигателей Н_u = 0.

Уравнения (10) и (11) после подстановки соответствующих значений решаются как квадратные уравнения:

А Т_z² + В Т_z + C =0,

T_z =.

в). Определяют максимальное давление газов в цилиндре по формулам:

для дизелей - р_z =   р_c , (17)

степень повышения давления принимается:

для дизелей с неразделенной камерой сгорания - 1,8…2,2;

для дизелей с разделенной камерой сгорания - 1,4…1,6;

для дизелей с пленочным смесеобразованием - 1,5…1,8;

(для дизелей с наддувом принимаются меньшие значения );

для бензиновых двигателей - . (18)

Степень повышения давления для бензиновых и газовых двигателей:

 = р_z / р_с. (19)

2. Процесс расширения

Определяют параметры процесса расширения: n₂; р_b; Т_b.

а). Показатель политропы расширения n₂ определяется из соотношения:

n₂ = 1,22 + 130 / n_н. (20)

б). Давление и температура конца расширения:

для бензиновых двигателей - ; (21)

; (22)

для дизелей - ; (23)

 (24)

где - степень последующего расширения,

- степень предварительного расширения.

Полученные расчетные значения термодинамических параметров процессов цикла необходимо сопоставить с данными табл. 2.

Таблица 2

Предельные значения параметров процессов цикла

Тип двигателя	pc , МПа	pz,, МПа	Тс, К	Тz,К	Тb, К
Дизели с неразделенной камерой сгорания	3…6	8…12	700…900	1800..2300	1000…1400
Дизели с пленочным смесеобразованием	2,8…5	6,5…8,5	700…850	1750…2100	900…1100
Дизели с разделенной камерой сгорания	3…5,5	6…7	600…900	1700..2000	950…1100
Бензиновые и газовые двигатели	0,9…2,2	3…5,5	600…800	2400…2900	1400…1700
Двигатели с наддувом	6…8	10…15	1000	1900…2800	1100…1200

5. Индикаторные показатели цикла

а). Определяют среднее индикаторное давление (теоретическое) газов:

для дизеля -  (25)

для бензинового и газового двигателей -

. (26)

б). Определяют среднее индикаторное давление (действительное) газов: p_i = _п р₁¹,

где _п – коэффициент полноты индикаторной диаграммы, учитывающий ее скругление в ВМТ и НМТ, как результат наличия фаз газораспределения, угла опережения впрыскивания топлива или зажигания, а также скорости сгорания топлива. Значения _п принимаются для дизелей 0,9…0,96, для бензиновых и газовых двигателей 0,94…0,97.

в). Определяют индикаторный КПД цикла:

, (27)

для двигателей с наддувом: Т_о = Т_к, р_о = р_к.

г). Определяют индикаторный удельный расход топлива:

. (28)

5. Эффективные показатели двигателя

а). Определяют среднее давление механических потерь:

, (29)

где - средняя скорость поршня, принимается по двигателю-прототипу (у существующих двигателейс_п= 8…15 ),

и - эмпирические коэффициенты, приведенные в табл. 3.

Таблица 3

Значения коэффициентов и

Тип двигателя
Дизели с неразделенной камерой сгорания	0,105	0,012
Дизели с разделенной камерой сгорания	0,105	0,0138
Бензиновые и газовые двигатели,	0,05	0,0155
Бензиновые и газовые двигатели,	0,04	0,0135

б). Определяют среднее эффективное давление газов:

. (30)

в). Определяют механический КПД двигателя:

. (31)

г). Определяют эффективный КПД двигателя:

. (32)

д). Определяют удельный эффективный расход топлива:

. (33)

Полученные расчетные значения индикаторных и эффективных показателей необходимо сопоставить с данными табл.4.

Таблица 4

Предельные значения индикаторных и эффективных показателей современных поршневых двигателей

Тип двигателя	pi, МПа	i	bi, г/кВт.ч	pe, МПа	e	be, г/кВт.ч
Бенз. и газов. двигатели	0,9…1,2	0,3…0,4	270…205	0,75…0,85	0,25…0,35	320…230
Дизели без наддува	0,75…1,05	0,42…0,5	200…170	0,65…0,8	0,36…0,42	220…200
Дизели с наддувом	0,8…2	0,42…0,5	200…170	0,7…1,8	0,38…0,45	210…175

5. Определение основных размеров двигателя

а). Определяют рабочий объем одного цилиндра по заданным значениям мощности, частоты вращения и расчетному значению среднего эффективного давления газов (р_е):

, л , (34)

где - число цилиндров двигателя (принимается с учетом литража двигателя и установившейся тенденции в двигателестроении),- тактность двигателя (=2; 4).

б). Выбирают отношение хода (S) поршня к диаметру (D) по прототипу двигателя или задаются :

для дизелей – 0,9…1,4; для бензиновых двигателей – 0,7…1,0; (для быстроходных двигателей принимаются меньшие значения), и определяют:

, мм; S = (S/D)  D. (35)

Результаты теплового расчета необходимо свести в табл. 5 и выполнить краткий анализ с точки зрения соответствия показателей рассчитываемого двигателя показателям двигателей, приведенных в приложении (табл П.1.1….П.1.4.)

Таблица 5

Характеристика двигателей

Параметры двигателя	Ре, кВт	nн,		D, мм	S, мм		Vл, Л	Рл,	bе,
Прототип
Проектир.