Процесс впуска и газообмена

Описание процессов, происходящих в одном цикле ДВС

1.1. Процесс впуска

2.2. Процесс сжатия

3.3. Процесс сгорания и расширения

4.4. Процесс выпуска

2. Расчет параметров одного цикла

2.1. Процесс впуска и газообмена

2.2. Процесс сжатия

2.3. Процесс сгорания

2.4. Процесс расширения

2.5. Построение индикаторной диаграммы

3. Расчет индикаторных и эффективных показателей ДВС

3.1. Индикаторные показатели

3.2. Эффективные показатели

4. Расчет размеров цилиндра и средней скорости поршня

5. Тепловой баланс ДВС

6. Расчет и построение внешней скоростной характеристики двигателя

7. Кинематический и динамический расчет КШМ

7.1. Кинематика КШМ

7.2. Динамика КШМ

7.3. Суммарные силы и моменты, действующие в КШМ

8. Построение диаграммы фаз газораспределения

9. Определение основных размеров и проектирование поршневой, шатунной группы и газораспределительного механизма

9.1. Поршневая группа

9.2. Шатунная группа

9.3. Механизм газораспределения

9.3.1. Построение профиля кулачка

10. Оформление курсового проекта

Список литературы

Приложение 1

Приложение 2

Введение

Описание процессов, происходящих в одном цикле ДВС

В первом разделе пояснительной записки необходимо привести подробное описание процессов, происходящих на различных стадиях рабочего цикла четырехтактного двигателя внутреннего сгорания (процесс впуска, сжатия, сгорания и расширения, выпуска).

Расчет параметров одного цикла

Действительный цикл четырехтактного двигателя совершается за два оборота коленчатого вала и состоит из следующих процессов:

· впуска и газообмена – впуск свежего заряда и выпуск отработавших газов

· сжатия топливовоздушной смеси (воздуха);

· сгорания;

· расширения.

При этом последовательность протекания процессов зависит от места приготовления топливовоздушной смеси – вне цилиндра (двигатели с внешним смесеобразованием), или непосредственно в цилиндре (двигатель с внутренним смесеобразованием).

К двигателям с внешним смесеобразованием и воспламенением от искры относятся все карбюраторные и газовые двигатели, а также двигатели с впрыском топлива во впускной трубопровод.

К двигателям с внутренним смесеобразованием относятся все дизели с самовоспламенением топливовоздушной смеси от сжатия (в том числе газодизели), а также двигатели с впрыском легкого топлива непосредственно в цилиндр.

Расчет действительного цикла двигателя заключается в определении параметров, определяющих состояние рабочего тела в характерных точках процесса.

Процесс впуска и газообмена

Процесс впуска и газообмена практически состоит из трех различных периодов:

· в первый период, от момента открытия впускного клапана (точка r′) до момента закрытия выпускного клапана (точка a′) (рис. 1) происходит одновременное наполнение цилиндра свежим зарядом, выпуск отработавших газов и их смешение. В этот период происходит наиболее интенсивный процесс газообмена;

· второй период – от точки a′ до точки a при движении поршня к н.м.т. происходит дальнейший впуск свежего заряда, продолжение смешения его с отработавшими газами, выравнивание их совместного давления и температуры;

· в третий период при движении поршня от н.м.т. (точка a) до точки a″ происходит одновременно завершение процесса наполнения цилиндра (дозарядка или начало сжатия смеси.

Рис. 1. Изменение давления в процессе впуска в четырехтактном двигателе

Параметры процесса впуска и газообмена можно разделить на две группы:

1) параметры, определяющие состояние рабочего тела в характерных точках процесса;

2)параметры, характеризующие совершенство процесса наполнения и очистки цилиндров в целом.

К первой группе относятся:

· ρ₀ – плотность заряда на впуске соответственно при отсутствии наддува и с наддувом;

· р₀, Т₀ – давление и температура окружающей среды;

· p_r, T_r – давление и температура остаточных газов;

· ΔT – подогрев заряда от нагретых деталей;

· p_a – давление в конце впуска;

· Δp_a – потери давления за счет сопротивления впускной системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре;

· T_a – температура в конце впуска.

Ко второй группе относятся:

· γ_r – коэффициент остаточных газов;

· η_V – коэффициент наполнения.

При проведении расчетов протекание процесса впуска принимается от точки r до точки a (см. рис. 1), причем предполагается мгновенное изменение давления в в.м.т. по линии rr″ , а в дальнейшем давление принимается постоянным (прямая r″a).После расчетов и получения координат точек r, r″ и a производится ориентировочное скругление по кривой ra′.

Плотность заряда ρ₀, (кг/м³) на впуске без наддува

ρ₀ = p₀10⁶/(R_BT₀) (2.1)

где R_B – удельная газовая постоянная воздуха:

R_B = R_У/μ_B = 8315/28,96 = 287 Дж/(кг·град),

R_У = 8315 Дж/(кмоль·град) – универсальная газовая постоянная,

T₀ – температура окружающей среды (К).

При работе двигателя без наддува в цилиндр поступает воздух из атмосферы. При этом при расчете рабочего цикла двигателя давление окружающей среды принимается равным р₀ = 0,1 МПа, а температура окружающей среды Т₀ = 293 К.

В цилиндре двигателя перед началом процесса наполнения всегда содержится некоторое количество остаточных газов, находящихся в объеме камеры сгорания.

Давления остаточных газов p_r (МПа) на номинальном режиме работы двигателя равно (для двигателей без наддува),

p_r = (1,05 – 1,25)p₀. (2.2)

Большее значение принимаются для двигателей с высокой частотой вращения коленчатого вала. Меньшие значения характерны для двигателей с непосредственным впрыском и электронной системой управления системой питания.

Температура остаточных газов T_r (К) зависит от степени сжатия, частоты вращения и коэффициента избытка воздуха. Для двигателей с воспламенением от искры она равна 900÷1100 К, для дизелей – 600÷900 К.

При выборе величины необходимо иметь в виду, что при увеличении степени сжатия и обогащении рабочей смеси температура остаточных газов снижается, а при увеличении частоты вращения – возрастает.

В процессе наполнения цилиндра температура свежего заряда увеличивается благодаря подогреву от нагретых деталей двигателя.

Температура подогрева свежего заряда ΔT в зависимости от типа двигателя принимается:

для двигателей с воспламенением от искры – 0÷20 К

для дизелей без наддува – 10÷40 К

Давление в конце впускаp_a (МПа) в двигателях без наддува

p_a = p₀ – Δp_a, (2.3)

Давление в конце впуска определяет количество заряда, поступающего в цилиндр.

Потери давления Δp_a (МПа) за счет сопротивления впускной системы и затухания скорости движения для двигателей без наддува

Δp_a = (β² + ξ_вп)( /2)ρ₀·10^-6, (2.4)

где β – коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра;

ξ_вп – коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому сечению;

V_вп – средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы (как правило, в клапане).

В расчетах параметры (β² + ξ_вп) и V_вп назначаются на основании опытных данных. На номинальном режиме (β² + ξ_вп) = 2,5÷4,0 и V_вп = 50÷130 м/с. Для двигателей с электронным впрыском значения (β² + ξ_вп) принимаются пониженными в связи с отсутствием карбюратора.

У четырехтактных двигателей без наддува величина Δp_a колеблется в пределах:

для двигателей с воспламенением от искры (0,05÷0,20)p₀

для дизелей без наддува (0,03÷0,18)p₀

Температура в конце впуска T_a (K) определяется на основании уравнения баланса теплоты, составленного по линии впуска от точки r до точки a

T_a = (T₀+ΔT+γ_rT_r)/(1+γ_r) (2.5)

У современных двигателей температура в конце впуска изменяется в пределах:

для бензиновых двигателей………………………… 320÷370 К

для дизелей………………………………………….. 310÷350 К

для четырехтактных двигателей с наддувом……… 320÷400 К

Коэффициент остаточных газов γ_r характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания. С увеличением γ_r уменьшается количество свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя в процессе впуска.

Коэффициент остаточных газов для четырехтактных двигателей:

без продувки и дозарядки (φ_оч = φ_доз = 1)

, (2.6)

где ε – степень сжатия.

Величина γ_r изменяется в пределах:

Для бензиновых двигателей без наддува……… 0,04÷0,10

Для дизелей без наддува………………………… 0,02÷0,05

При наддуве величина коэффициента остаточных газов снижается.

Коэффициент наполнения η_V представляет собой отношение действительного количество свежего заряда, поступающего в цилиндр, к тому количеству, которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при условии, что температура и давление в нем равны температуре и давлению среды из которой поступает свежий заряд:

η_V = G_д/G₀ = V_д/V₀ = M_д/M₀, (2.7)

где G_д, V_д, M_д, – действительное количество свежего заряда, поступившего в цилиндр двигателя в процессе впуска, соответственно в кг, м³, моль;

G₀, V₀, M₀ – количество заряда, которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при р₀ и Т₀ (или при p_k и T_k), соответственно в кг, м³, моль.

Для четырехтактных двигателей без учета продувки и дозаправки цилиндра (φ_оч = φ_доз = 1)

. (2.8)

Значение коэффициента наполнения η_V для различных типов автомобильных и тракторных двигателей при работе их с полной нагрузкой изменяются в пределах:

для двигателей с электронным впрыском………….. 0,80÷0,96

для карбюраторных двигателей…………………….. 0,70÷0,90

для дизелей без наддува……………………………... 0,80÷0,94

для дизелей с наддувом……………………………… 0,80÷0,97

Процесс сжатия

К параметрам процесса сжатия определяющим состояние рабочего тела в характерных точках относятся:

· p_c – давление в конце процесса сжатия;

· T_c – температура в конце процесса сжатия.

Давление (МПа) и температура (К) в конце процесса сжатия определяются из уравнений политропы с постоянным показателем n₁:

, (1.9)

. (1.10)

Учитывая, что процесс сжатия протекает достаточно быстро (0,015÷0,005 с на номинальном режиме), суммарный теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра за процесс сжатия получается незначительным и величину n₁ можно оценить по среднему показателю адиабаты k₁. Значение показателя адиабаты k₁ выбирается по номограмме (рис. 2) для соответствующих значений ε и T_a.

Значение показателей политропы сжатия n₁ в зависимости от k₁ устанавливается в следующих пределах:

для бензиновых двигателей…………..(k₁ – 0,00)÷(k₁ – 0,04)

для дизелей…………………………….(k₁ + 0,00)÷(k₁ – 0,02)

В современных автомобильных и тракторных двигателях давление и температура в конце сжатия изменяются в пределах:

для двигателей с электронным впрыском…… p_c = 1,0÷2,5 МПа,

T_c = 600÷800 К

для карбюраторных двигателей……………… p_c = 0,9÷2,0 МПа

T_c = 600÷800 К

для быстроходным дизелей без наддува… p_c = 3,5÷5,5 МПа

T_c = 700÷900 К

Рис. 2. Номограмма для определения показателя адиабаты сжатия k₁

Процесс сгорания

С целью упрощения термодинамических расчетов автомобильных и тракторных двигателей принимают, что процесс сгорания в двигателях с воспламенением от искры происходит при V = const, т.е. по изохоре, а двигателях с воспламенением от сжатия – при V = const и р = const, т.е. по циклу со смешенным подводом теплоты (рис. 3).

Состояние рабочего тела в процессе сгорания характеризуют:

р_z – давление в конце видимого сгорания;

T_z – температура в конце видимого сгорания;

V_z – объем, освобождаемый поршнем в процессе предварительного расширения, м³ (для дизеля).

Давление в конце видимого сгорания р_z зависит от характера осуществления цикла.

Для двигателей, работающих с подводом теплоты при V = const, давление р_z (МПа)

р_z = p_cµT_z/T_c, (2.11)

где µ – действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси (см. прил.).

Степень повышения давления

λ = р_z/p_c. (2.12)

Для бензиновых двигателей λ = 3,2÷4,2.

Для двигателей, работающих по циклу со смешанным подводом теплоты (дизели)

р_z = λ p_c, (2.13)

а степень предварительного расширения

. (2.14)

Для дизелей ρ = 1,2÷1,7.

Объем, освобождаемый поршнем в процессе предварительного расширения V_z

V_z – V_c = V_c(ρ – 1) (2.15)

Температура газа T_z (К) в конце видимого сгорания определяется на основании первого закона термодинамики.

Для двигателей, работающих по циклу с подводом теплоты при V = const, уравнение сгорания имеет вид:

, (2.16)

где ξ_z – коэффициент использования теплоты на участке видимого сгорания cz

Н_раб.см – теплота сгорания рабочей смеси (МДж/кмоль раб см);

– средняя мольная теплоемкость рабочей смеси в конце процесса сжатия, кДж/(кмоль·град);

– средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(кмоль·град);

Теплота сгорания рабочей смеси определяется:

при α ≥1

Н_раб.см = Н_и/[М₁(1 + γ_r)], (2.17)

при α <1

Н_раб.см = (Н_и – ΔН_и)/[М₁(1 + γ_r)], (2.18)

где Н_и – низшая теплота сгорания топлива (МДж/кг). Для бензина Н_и = 44 МДж/кг, для дизельного топлива Н_и = 42,5 МДж/кг; М₁ – количество горючей смеси (кмоль гор. см/кг топл.) (см. прил.)

ΔН_и – потеря теплоты (МДж/кг) из-за неполного сгорания топлива

ΔН_и = 119,95(1 – α)L₀. (2.19)

Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси (свежая смесь + остаточные газы) определяется по уравнению

, (2.20)

где – средняя мольная теплоемкость свежей смеси в конце сжатия [кДж/(кмоль·град)] принимается равной теплоемкости воздуха и определяется по формуле из табл. П.2;

– средняя мольная теплоемкость остаточных газов в конце сжатия [кДж/(кмоль·град)] определяется по табл. П.3 для бензина или по табл. П.4 для дизельного топлива.

Для двигателей, работающих по циклу со смешенным подводом теплоты при V = const и р = const уравнение сгорания имеет вид

, (2.21)

где λ = p_z/p_c – степень повышения давления; 2270 = 8,315·273.

Для дизелей с неразделенными камерами сгорания и объемным смесеобразованием λ =1,6÷2,5;

Для вихрекамерных и предкамеерных дизелей, а также для дизелей с неразделенными камерами сгорания и пленочным смесеобразованием λ =1,2÷1,8.

В уравнения сгорания (2.16) и (2.21) входят две неизвестные величины: температура в конце видимого сгорания t_z и теплоемкость продуктов сгорания при постоянном объеме или постоянном давлении при той же температуре t_z. Используя для определения и формулы табл. П.2, уравнения сгорания после подстановки в них числовых значений всех известных параметров и последующих преобразований можно привести к уравнениям второго порядка

At_z² + Bt_z – C = 0, (2.22)

где А, В и С – числовые значения известных величин.

Откуда

, °С и T_z = t_z + 273, K

Значения температуры и давления в конце сгорания для автомобильных и тракторных двигателей при работе с полной нагрузкой изменяются в следующих пределах:

для бензиновых двигателей………………. T_z = 2400÷3100 К

p_z = 3,5÷7,5 МПа

p_zд = 3,0÷6,5 МПа

для дизелей…………………………………. T_z = 1800÷2300 К

p_z = p_zд = 5,0÷12,0 МПа

Процесс расширения

Параметрами, характеризующими состояние рабочего тела в процессе расширения, являются (рис. 4):

p_b – давление в конце процесса расширения, МПа;

T_b – температура в конце процесса расширения, К.

Рис. 4. Изменение давления в процессе расширения:

а – бензиновый двигатель; б – дизель

Значения давления и температуры в конце процесса расширения определяются по формулам политропического процесса.

Для двигателей, работающих с подводом теплоты при постоянном объеме

, (2.23)

; (2.24)

для двигателей, работающих по циклу со смешенным подводом теплоты при V = const и р = const

, (2.25)

, (2.26)

где δ= ε/ρ – степень последующего расширения.

Показатель политропы расширения n₂ незначительно отличается от показателя адиабаты k₂ для соответствующих значений ε (или δ), α и T_z.

Показатель адиабаты k₂ определяется по номограммам (рис. 1.5 и 1.6). Определение k₂ по номограммам производится следующим образом: по имеющимся значениям ε (или δ для дизеля) и T_z определяют точку, которой соответствует значение k₂ при α = 1. Для нахождения значения k₂ при заданном α необходимо полученную точку перенести по горизонтали на вертикаль, соответствующую α = 1, и далее параллельно вспомогательным кривым до вертикали, соответствующей заданному значению α.

Рис. 5. Номограмма определения показателя адиабаты расширения k₂ для бензинового двигателя

Средние значения величины n₂ при номинальной нагрузке для автомобильных и тракторных двигателей изменяются в пределах:

для бензиновых двигателей………………… 1,23÷1,30

для дизелей…………………………………… 1,18÷1,28

Значения давления p_b и температуры T_b для автомобильных и тракторных двигателей на номинальном режиме лежат в пределах:

для бензиновых двигателей……………… p_b = 0,35÷0,60 МПа

T_b = 1200÷1700 К

для дизелей……………………………….. p_b = 0,25÷0,50 МПа

T_b = 1000÷1200 К

За период выпуска из цилиндра двигателя удаляются отработавшие газы.

Рис. 6. Номограмма определения показателя адиабаты расширения k₂ для дизеля

Изменение давления в процессе выпуска в цилиндре четырехтактного двигателя без наддува и с наддувом показано на рис. 7. Кривые b′b″r′da′ схематически показывают действительное изменение давления в цилиндре двигателя в процессе выпуска. Точки b′ и a′ на этих кривых соответствуют моментам открытия и закрытия выпускных клапанов. Прямые bl и lr являются расчетными прямыми процесса выпуска.

Рис. 7. Изменение давления в процессе выпуска

Точность выбора величины давления и температуры остаточных газов проверяется по формуле

. (2.27)

Параметры p_r и T_r задаются при расчете процесса впуска (см. раздел «Процесс впуска и газообмена»).