РАСЧЁТ РАБОЧЕГО ЦИКЛА И ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ

ВЫБОР ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ РАСЧЁТА

Выбор исходных данных производится исходя из задания в соответствии с указанным прототипом и содержит: тип двигателя, номинальная эффективная мощность N_e, кВт, номинальная частота вращения n_н, мин^-1.

На основании справочных статистических данных перед выполнением работы необходимо уточнить другие конструктивные параметры двигателя:

Число цилиндров – i, расположение цилиндров, тактность двигателя τ, степень сжатия ε, коэффициент избытка воздуха α.

Параметры заряда на впуске в двигатель:

в качестве параметров исходного состояния заряда на впуске для двигателей без надува принимается давление окружающей среды равное: p_о = 0,1013 МПа, а температура T_о, К- принимается самостоятельно.

РАСЧЁТ ПРОЦЕССОВ ГАЗООБМЕНА

Процессы газообмена включают очистку цилиндра от продуктов сгорания и наполнения цилиндра свежим зарядом.

Для расчёта рабочего цикла параметры остаточных газов (давление и температура) в конце процесса впуска в точке «r» выбирают на основании статических данных о других двигателях подобного типа.

Давление остаточных газов p_r определяется давлением среды, в которую происходит выпуск отработавших газов, зависит от числа и расположения клапанов, сопротивления выпускного тракта, фаз газораспределения, частоты вращения, нагрузки и других факторов. Для двигателей без наддува определяют р _r по эмпирической формуле:

Р_r=р₀(1+0,55∙10^-4∙n_н) (1.1)

где р₀ – нормальное давление окружающей среды, МПа;

n_н – номинальная частота вращения коленчатого вала, мин^-1.

Для двигателей с газотурбинным наддувом:

Р _r =(0,08…0,95)р_к (1.2)

В двигателях с наддувом соответствующее давление равно:

р_к =(1,05…1,25)p₀ (1.3)

Температура остаточных газов Т_r зависит от ряда факторов. В частности, при увеличении степени сжатия и обогащения смеси температура, снижается, а при увеличении частоты вращения возрастает. При работе на номинальном режиме величина температуры отработавших газов изменяется в следующих пределах:

для дизельных двигателей Т _r = 600…900 К,

для бензиновых Т _r = 900…1100 К

Температура подогрева свежего заряда T зависит от конструкции впускного трубопровода, наличия специального устройства для подогрева, частоты вращения, надува и других факторов. При номинальном режиме работы для дизельных двигателей с наддувом T = 5…10⁰. для дизельных двигателей без наддува T = 15…20⁰, для бензиновых T = 20…30⁰

Давление заряда в конце впуска p_а является основным фактором, определяющим количество свежего заряда, поступающего в цилиндр. Потери давления Δр по сравнению с давлением окружающей среды определяются гидравлическим сопротивлением воздушного фильтра р_ф, впускного трубопровода Δр_mp, впускного клапана р_кл, охладителем надувочного воздуха p_охл, и возможно, других устройств:

∆p = p_ф + p_mp+ p_кл + p_охл + … (1.4)

Сопротивление воздушного фильтра определяется по графику (рисунок 1) в зависимости от пылеёмкости:

П_ф = в · t (1.5)

φ_в - запылённость, г/м³

t - срок службы, ч.

Рисунок 1

Применяется следующая классификация запылённости:

· Пониженная - φ_в < 0,0005

· Малая - φ_в = 0.0005 – 0,002

· Повышенная - φ_в = 0,002 – 0,01

· Максимальная - φ_в =0,01 – 0,8

· «Нулевая» видимость - φ_в =0,8 - 1

Величины других сопротивлений обычно соответствуют

p_mp = p_кл = 0,001…0,0015 МПа

Тогда: p_а = p₀ - Δp (1.6)

Давление в конце впуска p_а зависит от гидравлического сопротивления впускного тракта, быстроходности двигателя и изменяется в пределах:

для дизелей без наддува p_а=(0,85…0,95) p₀;

для дизелей с наддувом p_а=(0,90…0,95) p_к;

для бензиновых p_а=(0,80…0,90) p₀

Коэффициент остаточных газов γ характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания и может быть определён по формуле:

γ= ((T₀ + T)·р_r) / (T_r(ε·p_a - p_r)) (1.7)

Для двигателей с наддувом принимается

T_к =T_o, а вместо p₀ берётся p_к

На номинальном режиме работы величина γ находится в пределах от 0,02 до 0,05 для дизельных двигателей.

Температура в точке «а» определяется по формуле:

Т_a = (T₀ + T + ∙ T_r)/(1+ ),^. К (1.8)

Определение коэффициента наполнения η_v представляет собой отношение действительного количества свежего заряда, к тому количеству, которое могло бы поместиться в рабочем объёме цилиндра при условии, что температура и давление в нём равны температуре и давлению среды на впуске. Повышению данного коэффициента способствует уменьшение гидравлических сопротивлений системы впуска. Повышение давления p_a в конце впуска, уменьшение количества остаточных газов и их давления, снижение температуры подогрева рабочей смеси. Величина η_v для четырёхтактных двигателей может быть определена по формуле:

η_v = ((ε∙p_a – p_r)∙Т_o) / ((ε- 1) (T₀ + T) ∙ р₀) (1.9)

РАСЧЁТ ПРОЦЕССА СЖАТИЯ

Основными характеристиками процесса являются параметры заряда в конце сжатия; давление p_с, температура T_с и средний показатель политропы сжатия n₁.

Основной величиной, выбираемой для расчёта процесса является показатель n₁, характеризующий теплообмен между зарядом и стенками камеры сгорания. Факторы, увеличивающие отвод теплоты от заряда, снижают значение n₁ и показатели цикла. Например, износ двигателя, охлаждение цилиндра, снижение нагрузки, частоты вращения двигателя уменьшают n₁.

Для дизельных двигателей с неразделенными камерами n₁ = 1,3 - 1,4; для карбюраторных ДВС n₁ =1,34-1,37. Температура в конце сжатия Т_с =600-800К-для карбюраторных ДВС, Т_с =800-900К-дизели без наддува, Т_с =900-1000К-дизели с наддувом.

p _с = p_a ·εⁿ¹, МПа (1.10)

T_с = T_a ·ε^n1-1, К (1.11)

РАСЧЁТ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ

1.4.1 Термохимический расчёт процесса сгорания

Количество воздуха теоретически необходимого для сгорания топлива:

Lo = ((C/12)+(H₂/4)-(O₂/32))/0.208, кМоль (1.12)

Lo = ((8/3C)+(8H₂)-(O₂))/0.23, кг (1.13)

где для дизеля C - доля углерода в топливе- 0,870,кг;

H₂ - доля водорода в топливе –0,126,кг;

O₂- доля кислорода в топливе-0,04,кг;

для бензина C - доля углерода в топливе- 0,855,кг;

H₂ - доля водорода в топливе –0,145,кг;

0,23-массовое содержание кислорода в воздухе;

0,208-объемное содержание кислорода в воздухе.

Количество свежего заряда:

M₁ = α · Lo, кМоль (1.14)

Количество остаточных газов:

Mг =γ·M₁ = α·γ· Lo, кМоль (1.15)

Количество продуктов сгорания топлива, кМоль/кг:

α >1 M₂ =(C/12)+(H₂/2)+(α -0,208)* Lo, (1.16)

α <1 M₂ =(C/12)+(H₂/2)+0,792*α* Lo, (1.17)

Количество газов после сгорания:

M_z = Mг + M₂, кМоль/кг (1.18)

Коэффициент молярного изменения количества смеси:

(1.19)

Для карбюраторных ДВС μ_Д =1,08-1,12. Для дизелей μ_Д =1,03-1,04

1.4.2 Термодинамический расчет процесса сгорания

Основой расчёта является уравнение теплового баланса для процесса сгорания. Например для бензиновых и газовых двигателей оно имеет вид:

(1.20)

где Q_z и Q_c - теплота заряда в точках «z» и «c»;

Q_cz - теплота, подведённая к заряду в процессе сгорания.

Уравнение можно преобразовать:

для дизельных двигателей

(1.21)

Для бензиновых ДВС:

(1.22)

Теплоёмкость свежего заряда C_VC в конце процесса сжатия определяется в зависимости от температуры T_c, кДж/Моль·град:

(1.23)

где А₁ =20,16 и В₁ =1,738·10^-3 - постоянные коэффициенты.

Теплоёмкость продуктов сгорания C_VZ определяется по эмпирическим формулам:

(1.24)

При α < 1 , ,

При α>1 , .

(1.25)

Низшая теплота сгорания H_U, зависит от элементарного состава топлива. Для дизельного топлива H_U = 42500(43030-зимнее) кДж/кг, для бензина H_U = 44000 кДж/кг.

Потери теплоты из-за химической неполноты сгорания богатых смесей (α <1), кДж/кг:

(1.26)

Коэффициент использования ξ теплоты учитывает потери теплоты за счёт физической неполноты сгорания топлива, несвоевременности сгорания, через стенки камеры сгорания, диссоциации и других факторов.

Значение ξ на номинальном режиме работы для дизельных двигателей находится в пределах от 0,70 до 0,88, для карбюраторных от 0,85 до 0,95. Для дизелей при расчете сгорания дополнительно задаются степенью повышения давления в процессе λ_р= р_z: р_с. Для дизелей с неразделенными камерами сгорания и объемным смесеобразованием λ_р =1,6…2,5, с разделенными, λ_р =1,1…1,4.

После подстановки перечисленных величин в исходное уравнение, оно может быть преобразовано к квадратичному виду:

(1.27)

и решено относительно Тz, К:

(1.28)

где

(1.29)

При номинальном режиме для дизеля величина T_z = 1800…2300К, для карбюраторных Т_Z =2400…2900К.

Для дизельных двигателей давление газов в конце сгорания р_{Z ,} МПа, определяется с учетом выбранного ранее значения λ_р:

(1.30)

Для бензиновых ДВС:

(1.31)

а затем действительное максимальное давление:

(1.32)

где φ = 0,85-0,88 - коэффициент скругления (или полноты индикаторной диаграммы), учитывающий уменьшение максимального давления вследствие движения поршня и увеличения объема камеры к концу процесса сгорания.

При номинальном режиме величина p_z = 6,0…9,0МПа

ПРОЦЕСС РАСШИРЕНИЯ

В результате процесса расширения происходит преобразование тепловой энергии заряда в механическую работу.

Основными характеристиками процесса является давление p_в, температура Т_в в конце процесса и средний показатель политропы расширения n₂ (для дизелей n₂=1,23…1,3, для бензиновых n₂ =1,18…1,28).

Для упрощения расчёта допускают, что расширение происходит по политропному процессу со средним показателем политропы n₂. Значение n₂ возрастает с увеличением коэффициента использования теплоты, отношения хода поршня S к диаметру цилиндра D, интенсивности охлаждения, при снижении нагрузки и росте частоты вращения.

Давление p_в, МПа и температура Т_B, К, конца расширения определяется для точки «в» по уравнению политропного процесса:

для бензиновых

и (1.33) и (1.34)

для дизельных двигателей:

и (1.35) и (1.36)

где на номинальном режиме, (1.37)

где степень предварительного расширения:

, (1.38)

При номинальном режиме в дизелях Т_В =1000…1250К и p_в =0,20…0,60МПа, в бензиновых ДВС Т_В =1200…1500К и p_в =0,20…0,60МПа.

ПРОВЕРКА РАСЧЕТОВ

Процесс расширения завершает расчет параметров рабочего тела в характерных точках цикла. Правильность выбора исходных температуры и давления остаточных газов проверяется по формуле, К:

(1.39)

Значение расчётной температуры остаточных газов может отличаться от выбранной ранее не более чем на 5% при расчёте на ЭВМ и на 10% при ручном расчете.

Погрешность расчётов:

(1.40)

При большей погрешности следует изменить самостоятельно выбранные в ходе расчета параметры.

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: