МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР

Тульский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт

КАФЕДРА АВТОМОБИЛИ И АВТОМОБИЛЬНОЕ ХОЗЯЙСТВО

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по выполнению курсового проекта “Автомобильные двигатели” для студентов специальности 17.05.

Тула, 1999.

Введение

Тепловой расчёт выполняется на основании индивидуального задания по курсовому проекту “Автомобильные двигатели”. В каждом задании даётся мощность двигателя и число оборотов, соответствующие расчётному режиму работы двигателя, степень сжатия, число цилиндров и указывается двигатель-прототип.

Тепловой расчёт является первым и наиболее важным этапом проектирования, на основании которого базируются все другие расчёты.

Цель теплового расчёта

Цель теплового расчёта – определение параметров рабочего процесса (среднее индикаторное давление в цилиндре двигателя и индикаторный КПД двигателя), характеризующие мощностные и экономические показатели двигателя; определение основных размеров двигателя (диаметр цилиндра и ход поршня); определение удельного и часового расходов топлива.

Тепловой расчёт производится для следующих скоростных режимов работы двигателя:

· · минимальных оборотов устойчивой работы двигателя;

· · скоростного режима, соответствующего максимальному крутящему моменту;

· · скоростного режима, соответствующего максимальной скорости.

Порядок проведения теплового расчёта следующий :

после обоснования исходных параметров определяют последовательно параметры рабочего процесса в конце тактов впуска, сжатия, в конце процесса горения процесса расширения и выпуска. Затем определяют общие индикаторные и эффективные показатели рабочего цикла (среднее индикаторное и эффективное давление, удельный расход топлива, механический КПД и т.д.).

При выполнении расчёта задаёмся рядом параметров с учётом пределов их изменений, а также их значений для двигателей, принятых в качестве прототипов.

Тепловой расчёт основывается на использовании большого числа эмпирических коэффициентов, выбор которых в процессе расчёта необходимо кратко обосновать.

По результатам теплового расчёта строят индикаторную диаграмму.

Порядок проведения теплового расчёта

Процесс впуска

Расчёт действительных циклов целесообразно начать с процесса впуска. При этом задаются следующими исходными данными.

В двигателе воздух в цилиндры поступает из атмосферы, а при расчёте давление окружающей среды принимается равным :

р_о = 0,1 МПа ,

а температура Т_о = 293 К.

Перед началом процесса наполнения в объёме V_c камеры сгорания всегда содержится некоторое количество остаточных газов. Их давление зависит от числа и расположения клапанов, сопротивления впускного и выпускного трактов, фаз газораспределения, частоты вращения и нагрузки двигателя и т.д.

Для автотракторных двигателей при выпуске в атмосферу давление остаточных газов :

р_r = (1,05…1,25)р_о.

Для двигателей с высокой частотой вращения принимаем большие значения р_r.

Ориентировочные пределы значений р_r для четырёхтактных автотракторных двигателей следующие :

1. 1. для карбюраторных двигателей – 0,102…0,120 МПа;

2. 2. для дизелей – 0,105…0,125 МПа.

Температура остаточных газов Т_r в зависимости от конструкции двигателя и режимов работы для четырёхтактных двигателей принимается в следующих пределах :

1. 1. для карбюраторных двигателей – 900…1100 К;

2. 2. для дизелей – 600…900 К;

3. 3. для газовых двигателей – 750…1000 К;

4. 4. для двухтактных дизелей с прямоточной продувкой – 600…900 К.

Выбирая значение Т_r следует учитывать, что при увеличении частоты вращения температура остаточных газов возрастает, а при увеличении степени сжатия и угла опережения зажигания – снижается.

Под давлением в конце впуска р_а подразумевают среднее значение давления за процесс впуска. Давление р_а для двигателей всегда ниже атмосферного.

Теоретическое определение р_а затруднено.

По экспериментальным данным давление впуска равно :

1. 1. для карбюраторных двигателей, работающих в номинальном режиме :

р_а = 0,07…0,09 МПа;

2. 2. для двухтактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой р_а принимают равным атмосферному;

3. 3. для двухтактных двигателей с прямоточной продувкой р_а = (0,85…1,05) р_к.

Давление в конце впуска может быть приближённо определено :

или .

Потери давления D р_а за счёт сопротивления впускной системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре приближённо определяют из уравнения Бернулли :

По опытным данным для современных автомобильных двигателей на номинальном режиме :

b ²+ x _вп = 2,5…4

w _вп = 50…130 м/с – средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы (клапан, продувочное окно).

Плотность заряда на впуске (кг/м³) :

или

где : R_в = 287 Дж/(кг*град.) – удельная газовая постоянная воздуха.

r _о – плотность заряда на впуске (при р_к = р_о и r _к = r _о).

У четырёхтактных двигателей значение D р_а находится в пределах :

1. 1. для карбюраторных двигателей – (0,05… 0,2)р_о;

2. 2. для дизелей – (0,03…0,18)р_о.

Температура в конце впуска с некоторым приближением определяется :

D Т учитывает подогрев заряда от нагретых деталей двигателя. Повышение D Т улучшает процесс испарения топлива, но снижает плотность заряда.

Для четырёхтактных двигателей значение D Т принимают :

1. 1. для карбюраторных двигателей – -5…+25;

2. 2. для дизелей – +20…+40;

3. 3. для двухтактных дизелей с прямоточной продувкой – +5…+10.

Для двигателей без наддува Т_к = Т_о .

Значение Т_а у современных двигателей :

1. 1. для карбюраторных – 320…380 К;

2. 2. для дизелей – 310…350 К.

g _r – коэффициент остаточных газов.

1. 1. для бензиновых и газовых двигателей – 0,04…0,08;

2. 2. для дизелей – 0,03…0,06;

3. 3. для двухтактных дизелей – 0,04…0,10.

Коэффициент наполнения определяется :

Для четырёхтактных двигателей h _v равно :

1. 1. для карбюраторных – 0,75…0,85;

2. 2. для дизелей – 0,8…0,9;

3. 3. для двухтактных дизелей – 0,75…0,85.

Коэффициент остаточных газов :

Для двигателей без наддува р_к = р_о и Т_к = Т_о .

Процесс сжатия

Ориентировочные значения степени сжатия для современных автотракторных двигателей :

1. 1. для карбюраторных – e = 6…9;

2. 2. для дизелей – e = 16…20;

3. 3. для отдельных высокофорсированных автомобильных карбюраторных двигателей – e = 11.

В реальном двигателе процесс сжатия протекает по сложному закону, с переменным показателем политропы сжатия.

На практике параметры процесса сжатия упрощённо рассчитывают принимая постоянное среднее значение политропы.

Давление и температура в конце сжатия определятся :

Для современных двигателей :

1. 1. для карбюраторных (при полном открытии дросселя) – n₁ = 1,34…1,39; р_с = 0,9…1,6 МПа; Т_с = 650…800 К.

2. 2. для дизелей – n₁ = 1,38…1,42; р_с = 3,5…5 МПа; Т_с = 700…900 К.

Средняя молярная теплоёмкость для свежего заряда в конце сжатия (без учёта влияния остаточных газов) :

Число молей остаточных газов :

Число молей газов в конце сжатия до сгорания :

Процесс сгорания

Состав топлива задаётся массовым или объёмным содержанием основных элементов : углерода С, водорода Н и кислорода топлива О_т.

Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания массовой или объёмной единицы топлива определяется по его элементарному составу.

Для жидких топлив :

где : 0,23 – массовое содержание кислорода в 1 кг воздуха.

Это же количество воздуха в киломолях :

где : m _в = 28,96 кг/кмоль – масса 1 кмоля воздуха.

Коэффициент избытка воздуха :

где : ℓ , L – действительное количество воздуха;

ℓ_о, L_о – теоретически необходимое количество воздуха.

Значение a для ДВС на номинальном режиме работы :

1. 1. для карбюраторных – 0,75…0,95;

2. 2. для дизелей :

o o с неразделённой камерой и объёмным смесеобразованием – 1,5…1,8;

o o с плёночным смесеобразованием - 1,48…1,65;

o o для вихрекамерных и предкамерных – 1,25…1,45.

Количество свежего заряда :

где : m _т – молекулярная масса паров топлива.

m _т = 110…120 кг/моль – для автомобильных бензинов;

m _т = 180…200 кг/моль – для дизтоплива.

Общее количество продуктов сгорания тепловоздушной смеси :

при a < 1

при a ³ 1.

Химический коэффициент молекулярного изменения горючей смеси :

Средняя молекулярная теплоёмкость при постоянном объёме для продуктов сгорания жидкого топлива в карбюраторном двигателе (при a < 1) :

Число молей газов после сгорания :

Действительный (расчётный) коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси :

b = 1,05…1,08 – для карбюраторных ДВС;

b = 1,01…1,05 – для дизелей.

Количество теплоты, передаваемое газами при сгорании 1 кг топлива :

где : x – коэффициент использования теплоты на участке видимого сгорания.

_x = 0,85…0,95 – для карбюраторных двигателей;

x = 0,7…0,9 – для дизелей;

Q_н – удельная низшая теплота сгорания топлива.

кДж/кг – потеря части теплотворности из-за химической неполноты сгорания топлива при a < 1.

Температуру в конце сгорания определяют из уравнения :

при a < 1.

Решаем уравнение относительно Т_z .

Максимальное давление в конце сгорания (теоретическое) :

Максимальное давление в конце сгорания (действительное) :

Степень повышения давления :

Значения максимальной температуры и давления цикла для современных ДВС :

1. 1. Т_z = 2400…2900 К; р_z = 3,5…7 МПа; р_zА = 3…5 МПа – для карбюраторных;

2. 2. Т_z = 1800…2300 К; р_z = р_zА = 3…12 МПа – для дизелей;

3. 3. Т_z = 2200…2600 К; р_z = 3…5 МПа; р_zА = 2,6…4 МПа – для газовых.

Процесс расширения

Процесс расширения протекает по политропе с переменным показателем. В расчётах обычно принимают условный процесс расширения со средним показателем n₂.

Значения n₂ для современных ДВС :

1. 1. для карбюраторных – 1,23…1,3;

2. 2. для дизелей – 1,18…1,23;

3. 3. для газовых – 1,25…1,35.

При этом меньшие значения n₂ берут для высокооборотных дизелей с высоким наддувом.

Значения давления р_в и температуры Т_в газов в конце процесса расширения :

1. 1. для карбюраторных двигателей :