И. Ф. Дьяков, Р.А. Зейнетдинов Проектирование автотракторных двигателей учебное пособие

20

Рис.2.2. Номограмма определения показателя адиабаты расширения k2 для карбюраторного двигателя

21

Рис.2.3. Номограмма определения показателя адиабаты расширения k2 для дизеля

Значения давления pb и температуры Tb в конце процесса расширения для современных автомобильных и тракторных двигателей лежат в пределах (для номинальной нагрузки):

Аналитический расчет параметров газа в процессе выпуска значительно затруднен вследствие сложности взаимодействия факторов, определяющих данный процесс. В связи с этим значения давления и температуры газов в конце выпуска ( pr ,Tr ) при термодинамическом анализе рабочего цикла принимаются на основании экспериментальных исследований процесса выпуска реальных двигателей внутреннего сгорания.

Правильность ранее (при анализе процесса впуска) сделанного выбора параметров процесса выпуска pr и Тr можно проверить по формуле профессора Е.К. Мазинга

Значение температуры в исходных данных и полученное расчетом по данной формуле не должны отличаться более чем на 5 % , при большем расхождении тепловой расчет двигателя приходится переделывать, задавшись температурой, средней между упомянутыми.

2.5. Индикаторные показатели цикла

Среднее индикаторное давление нескругленной (теоретической) индикаторной диаграммы − piHC, МПа:

для дизелей

для карбюраторных двигателей (ρ =1, δ = ε)

где ϕпд − коэффициент полноты индикаторной диаграммы: для карбюратор-

При проведении расчетов потери на газообмен учитываются в работе, затрачиваемой на механические потери. С этим принимают, что среднее индикаторное давление pi отличается от piHC только на коэффициент полноты диаграммы:

При работе на полной нагрузке величина pi (МПа) достигает:

Индикаторный коэффициент полезного действия двигателей, работающих

где pi − выражено в МПа; l0 − теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания топлива в кг/кг топл.; HU – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг; ρк − плотность топливовоздушной смеси на впуске в двигатель (для карбюраторных двигателей принимают свежий заряд, как и для

дизеля, состоящий из воздуха), кг/м3 ; ρK ≈1,22 мкг3 − плотность воздуха при

p0 и Т0 (p0 = 0,1 МПа и Т0 = 293 К).

Индикаторный КПД для автотракторных двигателей, работающих на газообразном топливе

где M1′ = αl'0 − количество горючей смеси, кмоль гор. см./кмоль топл.; Тк −

температура воздуха за компрессором (без него Тк = Т0), К; pi и pк(p0) − в МПа; H′u – в МДж/м3топл.

В современных автотракторных двигателях, работающих на номинальном

24

2.6. Эффективные показатели двигателя

Среднее давление механических потерь, МПа, можно определить по сле-

дующим эмпирическим формулам в виде pm = a +b Cп.ср :

для карбюраторных двигателей с числом цилиндров до шести и отноше-

для карбюраторных двигателей с числом цилиндров восемь и отношением

У современных автотракторных двигателей при частоте вращения коленчатого вала, соответствующей номинальной мощности двигателя средняя скорость поршня Cп.ср (м/с) варьирует в следующих пределах:

Значения среднего давления механических потерь измеряются в следую-

Примерные значения механического КПД ηм для различных двигателей на

2.7.Основные размеры цилиндра двигателя

По заданным значениям эффективной мощности Pе, частоты вращения коленчатого вала n, тактности двигателя τ и расчетному значению pе определяется рабочий объем всех цилиндров (литраж двигателя) Vл , л

где τ − коэффициент тактности ( τ = 4 − для четырехтактных двигателей, τ = 2 − для двухтактных двигателей).

26

После определения Vh , рассчитываются, с учетом предварительно принятого значения параметра m = S/D, диаметр цилиндра D(мм) и хода поршня

S(мм):

Полученные значения D и S округляют до целых чисел, нуля или пяти. Величина диаметра D(мм) цилиндра современных автотранспортных дви-

Увеличение диаметра цилиндра у двигателя с искровым зажиганием при данном октановом числе топлива ведет к снижению степени сжатия ε для обеспечения бездетанационной работы, у дизельного двигателя при данном цетановом числе топлива – к ухудшению смесеобразования.

По окончательно принятым значениям D и S определяют основные пара-

При расхождении между ранее принятой величиной Спср и полученной по формуле (2.83) более 3−4% необходимо пересчитать эффективные параметры двигателя.

2.8. Показатели напряженности двигателя

27

Литровая мощность двигателя, кВт/л

где D − диаметр поршня, дм.

Значения удельной поршневой мощности находятся в пределах:

Важными удельными показателями двигателя являются удельная масса в килограммах на 1 кВт мощности и литровая масса в килограммах на 1 литр

где Gc − сухая масса двигателя, кг.

Примерные значения удельной и литровой масс лежат в пределах:

По результатам теплового расчета проводится технико-экономический анализ полученных основных показателей и параметров, для чего производятся:

1)сопоставление величины pе у проектируемого двигателя с величинами pе

упрототипа и однотипных двигателей (по литературным данным);

2)аналогичное сопоставление gе и ηе;

3)аналогичное сопоставление величины максимального давления pz. Анализ должен завершаться выводами о преимуществах и недостатках

проектируемого двигателя.

2.9. Построение индикаторной диаграммы

По результатам теплового расчета необходимо построить индикаторную диаграмму цикла на листе миллиметровой бумаги формата А4.

28

Построение индикаторной диаграммы четырехтактного двигателя с ис-

кровым зажиганием (рис.2.4.а) проводится следующим образом. В координатах p − V по оси абсцисс (ось V) откладывается объем камеры сжатия Vc, масштабное значение которого обычно находится в пределах 15 … 20 мм.

Тогда полный объем цилиндра на чертеже будет

Vа = εVс или Vа = Vс + Vh,

где Vh = (ε − 1)Vс, мм − рабочий объем.

Значение величины Vа также откладывается от начала координат. Через концы отрезков Vc и Vа проводят вертикальные линии, характеризующие верхнюю мертвую точку (ВМТ) и нижнюю мертвую точку (НМТ)

Для получения нормальной конфигурации индикаторной диаграммы рекомендуется принимать масштабы диаграммы с таким расчетом, чтобы отношение высоты диаграммы к ее ширине было близко к 1,5. Тогда масштаб давлений при вышеуказанном значении Vc выбирается обычно в пределах mp

=0,02…0.04 МПа/мм.

Всоответствии с принятой величиной mp размечается шкала давления по оси ординат и на линиях ВМТ и НМТ наносятся основные точки индикаторной диаграммы r, a, c, z, b, положение которых соответствует величинам дав-

ления pr, pa, pc, pz, pb (см. тепловой расчет). Кроме этого наносится линия атмосферного давления pо.

Так как при рекомендуемых значениях mp величины pа, pb и pr графически очень близки друг к другу, то допускается условно откладывать на диа-

грамме значения pa и pr на 1,0…1,5 мм соответственно выше и ниже линии атмосферного давления pо.

После этого проводится построение линий политропы сжатия и расширения. Для построения линии политропы сжатия предварительно выбирается несколько промежуточных точек, расположенных на оси абсцисс между объ-

ёмами Va и Vc со значениями V1 = 1,2 Vс; V2 = 1,5 Vс; V3 = 2 Vс и т.д. Рекомендуется принимать 6-8 промежуточных точек.

Через концы этих полученных точек, проводятся вверх тонкие вертикальные линии, на которых откладываются значения давления pх1, pх2, px3 и т.д.

Эти значения определяются из уравнения политропы сжатия, в котором отношение Va / Vi изменяется в пределах от 1 до ε , т.е. pх1 = pа(Va/V1)n1; pх2 = pа(Va/V2)n1; pх3 = pа(Va/V3)n1 и т.д.

Полученные точки, а также точки a и с соединяются плавной линией. Для построения политропы расширения определяются давления при тех же

промежуточных объемах V1, V2, V3 и т.д., находимых из уравнения полит-

ропы расширения:

pó1 = pb (Vа/V1)n2; pó2 = pb (Vа/V2)n2; pó3 = pb (Vа/V3)n2 и т.д.

Значения давлений py1, py2, py3 и т.д. откладываются на соответствующих вертикальных линиях. Полученные точки, а также точки z и в соединяются лекальной кривой.

Теоретическая (нескругленная) индикаторная диаграмма (raczbr) затем округляется в точках с, z, b. Положение точки С1 определяют углом опереже-

29

ния зажигания, а положение точки С11 ориентировочно может быть найдено из выражения

pc’’ = (1,15...1,25)pc.

Действительное давление в конце видимого сгорания

pz’ = 0,85pz .

Положение точки z' должно быть смещено вправо от линии (ВМТ) на 10...15% поворота коленного вала. Точка b1 должна соответствовать моменту открытия выпускного клапана. Точка b11 обычно располагается на половине расстояния между точками a и b. Затем проводят линию атмосферного давления (po) , линию впуска ra и линию выпуска b1r.

Индикаторная диаграмма цикла дизеля (рис.2.4.б) строится аналогично диаграмме карбюраторного двигателя, за исключением следующих отличий:

1)масштабное значение объема Vс принимается равным Vс = 10 мм;

2)масштаб давления выбирается впределах mр = 0,03…0,05 МПа/мм;

3)действительное максимальное давление цикла pz’ = pz,

4)линия политропы расширения строится не из точки z', а и из точки z.

а - двигатель с искровым зажиганием ; б - дизель; r ’-начало открытия впускного клапана; a”-конец закрытия впускного клапана; b’-начало открытия выпускного клапана; a’-конец закрытия выпускного клапана.

Положение точки z на индикаторной диаграмме определяется степенью предварительного расширения ρ:

Vz = ρVc.

Далее находятся объемы в промежуточных точках линии расширения:

V1 = 1,2Vz ; V2 = 1,5Vz; V3 = 2 Vz и т.д.

Давления для этих объемов находят также из уравнения политропы рас-

ширения: pb1 = pb (Vа/V1)n2; pb2 = pb (Vа/V2)n2; pb3 = pb (Vа/V3)n2 и т.д.