Розділ 2 Тепловий розрахунок двигуна

Тепловий розрахунок виконується з метою визначення параметрів (тиску і температури) суміші газів у циліндрі двигуна в будь який довільний момент часу (фази робочого циклу). На основі теплового розрахунку можна досить точно визначити навантаження на деталі двигуна від дії газів і температурні умови роботи цих деталей. Іншими словами, можна визначити деякі вихідні дані для вибору матеріалів та розрахунку деталей на міцність. Крім того, можна вирахувати конструктивні розміри двигуна по заданій потужності або обчислити потужність при заданих розмірах, оцінити показники роботи двигуна: економічність, матеріалоємність, питому потужність, розрахувати характеристики двигуна.

Вихідні дані для теплового розрахунку означені в розділі 1.

Розрахунок ведуть по порядку здійснення процесів робочого циклу: впуск, стискування, згоряння, розширення (робочий хід) та випуск відпрацьованих газів (ВГ). У курсовому проекті виконують розрахунок найбільш поширених на тракторах і автомобілях чотиритактних поршневих двигунів.

2.1. Процес впуску (наповнення циліндра)

Температура і тиск заряду в кінці впуску залежить від багатьох факторів (частоти обертання колінчастого валу, температури деталей, форми каналів системи впуску і т.д.), які на стадії проектування, як правило, невідомі. В процесі впуску тиск і температура заряду в циліндрі постійно змінюються, змінюється і швидкість руху заряду по каналах системи впуску. При наявності креслень системи впуску і розмірів циліндрово-поршневої групи для визначення параметрів заряду може бути застосований метод, що ґрунтується на використанні рівнянь Бернуллі [1, 6]. В курсовому проекті значення параметрів заряду в кінці процесу впуску визначається наближено за відомими статистичними даними. При цьому вважається, що тиск газів у циліндрі на протязі всього процесу залишається незмінним, рівним його кінцевому значенню. Такий підхід дає незначне погіршення точності при суттєвому спрощенні розрахунків.

2.1.1. Параметри заряду перед впускними органами двигуна (на впуску) залежать від конструкції двигуна. У двигунів з вільним впуском, тобто без наддуву, тиск і температура на впуску (Р_к і Т_к, відповідно) дорівнюють тиску і температурі повітря навколишнього середовища:

Р_к = Р_о і Т_к = Т_о.

У двигунах з наддувом повітря до впускної системи подається компресором з надлишковим тиском Р_к. Попередній стиск повітря супроводжується його нагріванням до температури Т_к.

Тиск повітря Р_к, що дає компресор, залежить від будови компресора і прийнятої схеми наддуву, які діляться на системи низького (Р_к ≤ 1,5Р₀), середнього (І,5Р₀ ≤ Р_к ≤ 2,2Р₀) та високого наддуву (2,2Р₀ ≤ Р_к ≤ 2,5Р₀). Для автотракторних двигунів середній наддув використовують досить рідко, а високий не застосовують взагалі. Відношення λ_к = Р_к/Р_о називають ступінню підвищення тиску у компресорі. Для автотракторних двигунів з наддувом ступінь підвищення тиску λ_к слід приймати у межах 1,5...1,6. Тоді:

Р_к = λ_к∙Р₀, мПа (2.1)

Температура повітря після компресора Т_к обчислюється як для політропного процесу стиску:

Т_к = Т₀∙λ_к^(nк-1)/nк, °К (2.2)

де n_к – показник політропи стиску компресора, значення якого приймається в залежності від типу компресора:

n_к = 1,40...1,60 – для поршневих компресорів,

n_к = 1,55...1,75 – для роторних об'ємних компресорів,

n_к = 1,50...2,00 – для відцентрових турбокомпресорів.

Густина повітря на впуску ρ_к:

, кг (2.3)

де R_в = 287 Дж/(кг∙град) – питома газова стала повітря.

2.1.2. Тиск і температура ВГ, які лишаються в камері згоряння від попереднього циклу і впливають на параметри заряду в кінці процесу впуску, залежать від будови випускної системи і визначаються на стадії проектування методом подібності.

Тиск ВГ Р_r приймають на основі експериментальних даних у межах:

Р_r = (1,05...1,10)∙Р_к – для тракторних дизелів БН,

Р_r = (1,10...1,15)∙Р_к – для двигунів вантажних автомобілів БН,

Р_r = (1,15...1,25)∙Р_к – для двигунів легкових автомобілів,

Р_r = (0,75...0,98)∙Р_к – для дизелів з газотурбінним наддувом.

Температуру ВГ Т_r також приймають, орієнтуючись на експериментальні дані:

Т_r = (900...1100) ˚К – для карбюраторних двигунів,

Т_r = (700...900) ˚К – для дизелів.

У В А Г А !

В кінці теплового розрахунку буде обчислено розрахункове значення температури ВГ Т_r. В разі розбіжності між прийнятим і обчисленим значеннями більше 5% необхідно повернутися до пункту 2.1.2., прийняти уточнене значення Т_r, рівне розрахунковому, і повторити всі розрахунки при новому прийнятому значенні Т_r – виконати уточнений розрахунок. Такий прийом називають методом послідовних наближень (ітерацією). Він дозволяє суттєво підвищити точність інженерних розрахунків, але при виконанні їх без ЕОМ потребує значних затрат часу. Програма для перевірки курсового проекту після завершення всіх розрахунків 2-го розділу виконує ітерацію по температурі Т_г з виводом результатів для подальшого їх використання.

2.1.3. Тиск в кінці впуску Р_а визначають, враховуючи втрати тиску на впуску ∆Р_а:

Р_а = Р_к – ∆Р_а, МПа. (2.4)

Втрати тиску на впуску ∆Р_а приймають в залежності від типу проектованого двигуна:

∆Р_а = (0,05...0,20)∙Р_к – для карбюраторних двигунів,

∆Р_а = (0,03...0,18)∙Р_к – для дизелів БН,

∆Р_а = (0,03...0,10)∙Р_к – для дизелів з наддувом.

Тиск у кінці впуску змінюється при зміні режиму роботи двигуна, при зміні його технічного стану, температури і тиску навколишнього повітря та інших факторів.

Розрахований для номінального режиму тиск кінця впуску повинен знаходитися у межах (за даними випробувань ДВЗ):

Р_а = 0,078...0,093 МПа – для карбюраторних двигунів,

Р_а = 0,083...0,095 МПа – для дизелів БН,

Р_а = 0,130...0,180 МПа – для дизелів з наддувом.

2.1.4. Підігрів заряду на впуску має місце через контакт газів з нагрітими деталями впускної системи. Для карбюраторних двигунів підігрів сприяє випаровуванню бензину і покращує сумішоутворення. При випаровуванні бензину температура заряду зменшується. Для дизелів підогрів має лише негативні наслідки – зменшується густина і маса заряду в кінці впуску, що зменшує потужність двигуна. Для підвищення потужності на дизелях з наддувом застосовують проміжне охолодження (ПО) повітря між компресором і впускною системою.

Величина підігріву заряду ∆Т приймається при проектуванні в залежності від типу двигуна у межах:

∆Т = (–5...25)˚К – для карбюраторних двигунів,

∆Т = (20...40)˚К – для дизелів БН,

∆Т = (5...10)˚К – для дизелів з наддувом,

∆Т = (–5...+5)˚К – для дизелів з наддувом і ПО.

2.1.5. Коефіцієнт залишкових газів γ_r, являє собою відношення маси відпрацьованих газів у заряді циліндра в кінці впуску до маси свіжого заряду. Чим менший коефіцієнт γ_r тим краще наповнення циліндра і більша потужність двигуна. При проектуванні значення коефіцієнта залишкових газів обчислюється за формулою:

, (2.5)

де ε – ступінь стиску двигуна згідно з вихідними даними.

Обчислені значення коефіцієнта залишкових газів повинні знаходитися у межах:

γ_r = 0,04...0,10 – для двигунів при ε < 10 (карбюраторних),

γ_r = 0,03...0,06 – для двигунів при ε > 10 (дизелів).

2.1.6. Температура в кінці впуску Т_а знаходиться при вирішенні рівняння теплового балансу газів процесу впуску [23,26], яке дає кінцеву розрахункову формулу:

, ˚К. (2.6)

2.1.7. Коефіцієнтом наповнення η_v називають відношення дійсної кількості свіжого заряду в кінці впуску до кількості свіжого заряду, що могла б поміститися в робочому об'ємі циліндра V_h при тиску і температурі, рівним тиску і температурі на впуску (тобто, за умови Р_а = Р_к і Т_а = Т_к).

Через підігрів заряду та наявність опору впускної системи коефіцієнт наповнення для автотракторних двигунів завжди менший від одиниці і розраховується при проектуванні за формулою:

(2.7)

Орієнтовні значення коефіцієнта наповнення для автотракторних двигунів:

η_v = 0,75...0,85 – для карбюраторних двигунів,

η_v = 0,80...0,90 – для дизелів БН,

η_v = 0,85...0,95 – для дизелів з наддувом.

Існують способи збільшення коефіцієнта наповнення до значень, що перевищують одиницю (наприклад, резонансні наддув і очистка циліндрів).