Тепловой расчет и тепловой баланс двигателя ваз-2101
Производится расчет четырехтактного
карбюраторного двигателя, предназначенного
для легкового автомобиля. Двигатель
двухцилиндровый (
)
. Степень сжатия
.
Расчет выполняется для бензинового
двигателя с эффективной мощностью
кВт при частоте вращения коленчатого
вала
об/мин. Диаметр цилиндра
мм.
Тепловой расчет
Тепловые расчеты последовательно
проводятся для нескольких скоростных
режимов: при
,
3200, 5800, 6000 об/мин.
Топливо. В соответствии с заданной
степенью сжатия топлива
можно использовать бензины марок АИ-92,
АИ-93, Премиум-95.
Средний элементарный состав и молекулярная масса топлива
,
,
кг/кмоль..
Низшая теплота сгорания топлива
Параметры рабочего тела. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива равно
Коэффициент избытка воздуха.
Стремление получить двигатель достаточно
экономичный и с меньшей токсичностью
продуктов сгорания, которая достигается
при
,
позволяет принять
на основных режимах, а на режиме
минимальной частоты вращения
.
Количество горючей смеси
при
:
при
:
Количество отдельных компонентов
продуктов сгорания при
и принятых скоростных режимах:
при
.
При
.
Общее количество продуктов сгорания равно
при
при
Параметры окружающей среды и остаточные газы. Атмосферные условия
,
.
Давления окружающей среды для дизелей
,
Температура окружающей среды для дизелей
.
Температура и давление остаточных
газов. При постоянном значении степени
сжатия
температура остаточных газов практически
линейно возрастает с увеличением
скоростного режима при
,
но уменьшается при обогащении смеси.
Учитывая, что при
,
а при
принимается
|
|
1000 |
3200 |
5800 |
6000 |
|
|
900 |
1000 |
1060 |
1070 |
,
об/мин
,
K
Давление остаточных газов
за счет расширения фаз газораспределения
и снижения сопротивлений при конструктивном
оформлении выпускного тракта
рассчитываемого двигателя можно получить
при номинальном скоростном режиме
.
Тогда
,
Из последнего равенства тогда получим
|
|
1000 |
3200 |
5800 |
6000 |
|
|
0,1039 |
0,1079 |
0,1180 |
0,1190 |
,
об/мин
,
МПа
Процесс впуска. Температура подогрева
свежего заряда. С целью получения
хорошего наполнения двигателя на
номинальном скоростном режиме принимается
.
Тогда
,
.
Далее получим
|
|
1000 |
3200 |
5800 |
6000 |
|
|
20,8 |
14,9 |
8,0 |
7,5 |
,
об/мин
,
0С
Плотность заряда на впуске
,
где
- удельная газовая постоянная для
воздуха.
Потери давления на впуске в двигателе:
,
,
где
и
м/с приняты в соответствии со скоростным
режимом двигателя и при условии
качественной обработки внутренней
поверхности впускной системы.
Отсюда получим
при
,
при
,
при
,
при
.
Давление в конце впуска
.
|
|
1000 |
3200 |
5800 |
6000 |
|
|
0,0996 |
0,0954 |
0,0850 |
0,0839 |
,
об/мин
,
МПа
Коэффициент остаточных газов. При
определении
для двигателя без наддува принимается
коэффициент очистки
,
а коэффициент дозарядки на номинальном
скоростном режиме
,
что вполне можно получить при подборе
угла опаздывания закрытия впускного
клапана в пределах 30-600. При этом
на минимальном скоростном режиме
(
об/мин)
возможен обратный выброс в пределах
5%, т.е.
.
На остальных режимах значения
можно получить, приняв линейную
зависимость
от скоростного режима. Тогда
.
При
,
при
,
при
,
при
.
Температура в конце впуска
.
При
,
при
,
при
,
при
.
Коэффициент наполнения
.
При
,
при
,
при
,
при
.
Процесс сжатия. Средний показатель
адиабаты сжатия
при
и рассчитанных значениях
определяется по графику, а средний
показатель политропы сжатия
принимается несколько меньше
.
|
|
1000 |
3200 |
5800 |
6000 |
|
|
343 |
338 |
337 |
337 |
|
|
1,3768 |
1,3771 |
1,3772 |
1,3772 |
|
|
1,37 |
1,376 |
1,377 |
1,377 |
,
об/мин
,
К
Давление и температура в конце сжатия:
,
.
При
,
,
при
,
,
при
,
,
при
,
.
Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:
а) свежей смеси (воздуха):
,
где
.
|
|
1000 |
3200 |
5800 |
6000 |
|
|
483 |
484 |
481 |
481 |
|
|
21,8742 |
21,8768 |
21,8689 |
21,8689 |
,
об/мин
,
0С
,
кДж/(кмоль град)
б) остаточных газов (определяется методом экстраполяции по таблице):
при
и
находим
;
;
при
и
находим
;
;
при
и
находим
.
в) рабочей смеси:
.
при
,
при
,
при
,
при
.
Процесс сгорания. Коэффициент
молекулярного изменения горючего
и рабочей смеси
:
при
,
;
при
,
;
при
,
;
при
,
.
Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания топлива:
.
При
,
при
.
Теплота сгорания рабочей смеси
.
При
,
при
,
при
,
при
Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания равна
При
При
где средние мольные массы отдельных компонентов продуктов сгорания определены по формулам таблицы в интервале температур 1501 -28000 С.
Коэффициент использования теплоты
при изменении скоростного режима
ориентировочно принимается в пределах,
которые имеют место у работающих
карбюраторных двигателей:
|
|
1000 |
3200 |
5800 |
6000 |
|
|
0,82 |
0,92 |
0,91 |
0,89 |
,
об/мин
Температура в конце видимого процесса сгорания
.
При
или
,
откуда
,
.
При
или
,
откуда
,
.
При
или
,
откуда
,
.
При
или
,
откуда
,
.
Максимальное давление сгорания
теоретическое
.
При
,
при
,
при
,
при
.
Максимальное давление сгорания
действительное
:
|
|
1000 |
3200 |
5800 |
6000 |
|
|
5,8108 |
6,2223 |
5,4960 |
5,3458 |
,
об/мин
,
МПа
Степень повышения давления
.
|
|
1000 |
3200 |
5800 |
6000 |
|
|
3,6598 |
4,0277 |
4,0035 |
3,9430 |
,
об/мин
Процесс расширения и выпуска. Средний
показатель адиабаты расширения
определяется по номограмме при
и вычисленных значениях
и выбранных значениях
.
Средний показатель политропы расширения
оценивается по величине среднего
показателя адиабаты:
|
|
1000 |
3200 |
5800 |
6000 |
|
|
0,86 |
0,96 |
0,96 |
0,96 |
|
|
2539 |
2875 |
2847 |
2804 |
|
|
1,2605 |
1,2515 |
1,2518 |
1,2522 |
|
|
1,260 |
1,251 |
1,251 |
1,252 |
,
об/мин
,
К
Давление и температура в конце расширения равны
,
.
При
,
,
при
,
,
при
,
,
при
,
Проверка ранее принятой температуры остаточных газов:
.
При
,
,
при
,
,
при
,
,
при
,
.
На всех скоростных режимах температура остаточных газов принята в начале расчета достаточно удачно, т.к. ошибка не превышает 1,56%.
Индикаторные параметры рабочего цикла. Теоретическое среднее индикаторное давление
При
,
при
,
при
,
при
.
Среднее индикаторное давление
,
где коэффициент полноты диаграммы
принят
.
|
|
1000 |
3200 |
5800 |
6000 |
|
|
1,0827 |
1,2098 |
1,0664 |
1,0315 |
,
об/мин
,
МПа
Индикаторный КПД
и индикаторный удельный расход топлива
.
При
,
,
при
,
,
при
,
,
при
,
.
Эффективные показатели двигателя.
Среднее давление механических потерь
для карбюраторных двигателей с числом
цилиндров до шести и отношением
.
Предварительно приняв ход поршня
мм, получим
.
Тогда
,
а на различных скоростных режимах
получим:
|
|
1000 |
3200 |
5800 |
6000 |
|
|
2,4 |
7,68 |
13,92 |
14,4 |
|
|
0,0611 |
0,1208 |
0,1913 |
0,1967 |
,
об/мин
,
м/с
,
МПа
Среднее эффективное давление и механический КПД
,
.
|
|
1000 |
3200 |
5800 |
6000 |
|
|
1,0827 |
1,2098 |
1,0664 |
1,0315 |
|
|
1,0216 |
1,0890 |
0,8751 |
0,8347 |
|
|
0,9436 |
0,9002 |
0,8206 |
0,8093 |
,
об/мин
,
МПа
,
МПа
Эффективный КПД и эффективный удельный расход топлива
, 
.
|
|
1000 |
3200 |
5800 |
6000 |
|
|
0,3060 |
0,3623 |
0,3339 |
0,3241 |
|
|
0,2887 |
0,3261 |
0,2740 |
0,2623 |
|
|
284 |
251 |
299 |
312 |
,
об/мин
,
г/кВт ч
Основные параметры цилиндра и двигателя.
Литраж двигателя и рабочий объем одного
цилиндра определяются по принятым
значениям
и
:
,
,
площадь сечения поршня
,
, 
, 
.
|
|
1000 |
3200 |
5800 |
6000 |
|
|
1,0216 |
1,0890 |
0,8751 |
0,8347 |
|
|
5,8743 |
20,0371 |
29,1858 |
28,7984 |
|
|
56,1243 |
59,8242 |
48,0767 |
45,8573 |
|
|
1,6683 |
5,0293 |
8,7266 |
8,9851 |
,
об/мин
,
МПа
,
кВт
,
Нм
,
кг/ч
Литровая мощность двигателя
.
Построение индикаторной диаграммы.
Индикаторную диаграмму строят для
номинального режима работы двигателя,
т.е. при
кВт и
об/мин.
Масштаб диаграммы: масштаб хода поршня
мм в мм; масштаб давлений
МПа в мм.
Приведенные величины, соответствующие рабочему процессу цилиндра и объему камеры сгорания:
,
.
Максимальная высота диаграммы (точка
)
.
Ординаты характерных точек:
,
,
, 
,
.
Построение политроп сжатия и расширения аналитическим методом:
-
Политропа сжатия
.
Отсюда
,
где
.
-
Политропа расширения
.
Отсюда
.
Результаты расчета точек политроп приведены в таблице.
-
№ точек
,мм
,
ммПолитропа сжатия
Политропа расширения
,
мм
,
МПа
,
мм
,
МПа1
9,500
8,50
19,006
32,301
1,615 c
14,545
129,317
6,466 z
2
10,06
8,00
17,484
29,716
1,486
13,482
119,872
5,994
3
11,50
7,00
14,550
24,728
1,236
11,408
101,431
5,072
4
13,42
6,00
11,769
20,002
1,000
9,407
83,641
4,182
5
16,10
5,00
9,158
15,564
0,778
7,489
66,583
3,329
6
20,13
4,00
6,737
11,449
0,572
5,665
50,365
2,518
7
26,83
3,00
4,534
7,706
0,385
3,953
35,142
1,757
8
40,25
2,00
2,595
4,411
0,221
2,380
21,161
1,058
9
53,67
1,50
1,747
2,969
0,148
1,661
14,765
0,738
10
80,50
1,00
1,000
1,700
0,085 a
1,000
8,891 b
0,445