Тепловой расчёт автомобильного ДВС

Тепловой расчёт автомобильного ДВС

(расчёт действительного цикла)

Учебное пособие для выполнения курсовой работы по дисциплине «Теория рабочих процессов и моделирование ДВС»

Составители: доцент кафедры теплотехники Ковылов Ю.Л.,

Доцент кафедры теплотехники Крашенинников С.В.

СГАУ 2012

Содержание

Введение………………………………………………………………………3

I. Исходные данные для расчёта…………………………………….……….8

II. Выбор расчётных режимов………………………………..………………8

III. Тепловой расчёт………………………………………………..………….9

1. Низшая теплота сгорания топлива……………………………………..9

2. Параметры рабочего тела……………………………………….………9

3. Параметры окружающей среды и остаточные газы……………...….11

4. Процесс впуска…………………………………………………………11

5. Процесс сжатия…………………………………………………..…….13

6. Процесс сгорания…………………………………………..…………..14

7. Процессы расширения и выпуска…………………………………….16

8. Индикаторные показатели двигателя…………………………..…….17

9. Эффективные показатели двигателя…………………………………17

10. Основные параметры цилиндра и двигателя……………………….18

IV. Построение индикаторной диаграммы………………………………...21

V. Расчет теплового баланса………………………………………………..25

VI. Построение внешней скоростной характеристики (ВСХ)……………28

Список литературы…………………………………………………………..31

Приложения…………………………………………………………………..32

Введение

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются наиболее распространенными тепловыми двигателями. Благодаря компактности, экономичности и долговечности эти двигатели находят массовое применение во всех отраслях мирового хозяйства.

Успешное применение ДВС, разработка новых конструкций, повышение мощностных, экономических и экологических показателей стали возможны в значительной степени благодаря исследованиям и разработке теории рабочих процессов ДВС. В 1906 г. профессор Московского высшего технического училища В. И. Гриневецкий впервые разработал метод теплового расчета двигателя. Этот метод был развит и дополнен в первой половине ХХ века российскими учеными Н. Р. Брилингом, Е. К. Мазингом, Б. С. Стечкиным.

Тепловой расчет позволяет аналитическим путем определить основные параметры вновь проектируемого двигателя или проверить степень совершенства действительного цикла реально работающего двигателя.

В первом случае на основе заданной эффективной мощности двигателя Ne проводят расчет, результатом которого являются основные конструктивные (S, D, рабочий объем двигателя V_H), экономические (удельный расход топлива g_е, эффективный КПД η_е) и энергетические (среднее эффективное давление р_е, удельная мощность Nуд) параметры двигателя.

Во втором случае, задавшись известными конструктивными размерами двигателя (S, D, V_H), в результате расчета находят эффективную мощность Ne, а также перечисленные выше экономические и энергетические параметры работы.

По результатам теплового расчета строят индикаторную диаграмму. Параметры, полученные в тепловом расчете, используются при построении внешней скоростной характеристики и являются исходными при проведении динамического и прочностных расчетов, расчетов систем двигателя (смазки, охлаждения, топливопитания).

Основные положения, необходимые для выбора исходных параметров, которые используются при выполнении теплового расчета, следующие.

Мощность двигателя и частота оборотов коленчатого вала. При расчете двигателя обычно задаются величиной номинальной мощности. В автомобильных двигателях номинальная мощность равна максимальной мощности при номинальной частоте оборотов коленчатого вала. Выбор номинальной мощности определяется прежде всего назначением двигателя (обеспечение требуемых характеристик автомобиля), его типом (двигатель с искровым зажиганием (ДсИЗ), дизель), условиями эксплуатации. Мощность современных автомобильных ДВС находится в широких пределах – от 40 до 600 кВт.

Частота оборотов коленчатого вала является другим важнейшим показателем работы двигателя, характеризующим его тип и динамические качества. На протяжении всего ХХ века существовала тенденция повышения частоты оборотов коленчатого вала. Результатом этого являлось снижение основных размеров и массы двигателя. В то же время с увеличением частоты оборотов свыше определенной величины снижается экономичность ДВС, ухудшается экологичность, повышается износ деталей и узлов двигателя. Поэтому в настоящее время рост частоты оборотов существенно уменьшился, а для отдельных типов ДВС прекратился. У современных автомобильных ДсИЗ частота оборотов составляет 4000 – 7000 мин^-1, дизелей 3000 – 5000 мин^-1.

Число и расположение цилиндров. Выбор числа цилиндров и их расположение зависят от мощностных, динамических и конструктивных факторов и определяется, главным образом, рабочим объемом (литражом) двигателя. Наибольшее распространение получили автомобильные двигатели с числом цилиндров 4 и 6. В случае значительных рабочих объемов (более 6 – 8 дм ³) двигатели имеют 8 или 12 цилиндров. С увеличением числа цилиндров возрастает уравновешенность и плавность работы двигателя, в то же время повышаются механические потери и ухудшаются экономические показатели. Рабочий объем четырехцилиндрового ДсИЗ обычно составляет 1 – 2,5 дм ³, четырехцилиндрового дизеля – 1,5 – 8 дм ³ , шестицилиндрового ДсИЗ – 2,5 – 6 дм ³, шестицилиндрового дизеля до 20 дм ³.

Современные автомобильные двигатели имеют рядное, V-образное и, что значительно реже, оппозитное расположение цилиндров. Массовое применение получили четырехцилиндровые рядные двигатели, как наиболее дешевые в производстве и эксплуатации. По сравнению с рядными, V-образные двигатели имеют лучшие массогабаритные показатели. Двигатели с оппозитным расположением цилиндров отличаются возможностью более выгодного расположения на автомобиле.

Размеры цилиндра и скорость поршня. Размеры цилиндра – диаметр D и ход поршня S – являются основными конструктивными параметрами двигателя. Величина диаметра цилиндра современных автомобильных ДВС в основном зависит от типа и назначения двигателя и находится в диапазоне 60 – 110 мм у ДсИЗ, 80 – 130 мм у дизеля.

Ход поршня обычно характеризуется относительной величиной S/D, непосредственно связанной со скоростью поршня. В зависимости от величины S/D различают двигатели короткоходные (S/D < 1) и длинноходные (S/D > 1). При переходе к короткоходным двигателям снижается высота двигателя и его масса, уменьшается скорость поршня и износ деталей двигателя. В то же время снижение величины S/D приводит к более высокому давлению газов на поршень и увеличению габаритной длины двигателя. У современных ДВС величина S/D = 0,7 – 1,2 и в большинстве случаев близка к единице.

Средняя скорость поршня V_{П. СР.} является критерием быстроходности двигателя. В зависимости от величины V_{П. СР.} двигатели подразделяются на тихоходные (V_{П. СР.} < 6,5 м/с) и быстроходные (V_{П. СР.} > 6,5 м/с). Все автомобильные ДВС являются быстроходными.

С увеличением скорости поршня возрастают механические потери, повышается тепловая напряженность деталей, сокращается срок службы двигателя. В связи с этим, увеличение средней скорости поршня неразрывно связано с необходимостью повышения долговечности деталей, применения более совершенных конструкционных материалов и улучшения качества моторных масел.

В современных автомобильных двигателях средняя скорость поршня на номинальном рабочем режиме обычно находится в пределах: ДсИЗ – 12 – 20 м/с, дизель – 8 – 15 м/с.

Степень сжатия. Величина степени сжатия ε является одним из важнейших конструктивных параметров двигателя. С ростом степени сжатия увеличивается экономичность и удельная мощность двигателя. Выбор степени сжатия в первую очередь зависит от типа двигателя и рода топлива. Кроме того, степень сжатия выбирают с учетом наличия или отсутствия наддува, быстроходности двигателя, системы охлаждения и прочих конструктивных факторов.

Для ДсИЗ выбор степени сжатия прежде всего определяется детонационной стойкостью применяемого топлива (см. приложение 2а). При определенном сорте топлива возможно добиться повышения степени сжатия за счет: а) выбора оптимальной формы камеры сгорания и расположения свечи на равном удалении от стенок камеры сгорания; б) размеров цилиндра (уменьшение диаметра цилиндра повышает степень сжатия вследствие сокращения пути пламени и увеличения относительной поверхности охлаждения); в) повышения частоты оборотов коленвала двигателя (увеличение частоты оборотов повышает степень сжатия за счет сокращения времени пребывания топливовоздушной смеси в камере сгорания); г) выбора системы охлаждения (жидкостная система охлаждения допускает более высокие значения степени сжатия, чем воздушная); д) применения обедненной топливовоздушной смеси (α > 1).

В современных ДсИЗ ε = 8 – 12. Повышение степени сжатия выше 12 ограничивается возможностью самовоспламенения смеси и возникновением детонации в процессе сгорания. В настоящее время величина степени сжатия большинства ДсИЗ без наддува составляет 10 – 11.

У дизелей минимальная степень сжатия должна обеспечить в конце процесса сжатия достижения температуры, необходимой для самовоспламенения впрыскиваемого топлива. Учитывая, что впрыск топлива происходит раньше завершения процесса сжатия и с повышением температуры сжатия сокращается период задержки воспламенения, в дизелях без наддува минимальная степень сжатия – 14, в дизелях с наддувом – 11.

В современных автомобильных дизелях ε = 14 – 24. Рост степени сжатия выше 24 ограничен прочностью конструкции двигателя.

В данном учебном пособии приводится порядок теплового расчета четырехтактных автомобильных ДВС двух типов: двигателя с искровым зажиганием и дизеля. Наполнение двигателей происходит из атмосферы, двигатели работают на жидком топливе. В настоящее время такой тип ДВС является наиболее распространенным.

В приложении находятся справочные материалы, позволяющие выполнить тепловой расчет, не прибегая к использованию дополнительной литературы.

I. Исходные данные для расчёта

-Эффективная (номинальная) мощность Ne (кВт) при номинальной частоте оборотов коленчатого вала n_N (мин^-1);

-рабочий объём двигателя V_H (дм³);

-число цилиндров i;

-коэффициент избытка воздуха (состава смеси) a;

-степень сжатия e;

-степень повышения давления λ (для дизеля);

-ход поршня S (мм), или диаметр цилиндра D (мм), или их отношение S/D;

-давление р₀ (МПа) и температура Т₀ (К) окружающей среды;

-вид топлива.

Образец задания для расчета см. в приложении 1.

II. Выбор расчётных режимов

При проведении теплового расчета выбирают несколько скоростных режимов. Для автомобильных ДВС такими режимами обычно являются:

1) режим минимальной частоты оборотов при работе двигателя под нагрузкой ;

2) режим максимального крутящего момента ;

3) режим максимальной (номинальной) мощности при (см. исходные данные);

4) режим максимальной частоты оборотов (только для ДсИЗ) .

В дальнейшем расчёт ведётся для каждого выбранного режима.

III. Тепловой расчёт

Параметры рабочего тела

2.1 Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива (стехиометрический коэффициент):

- мольный: , кмоль возд./кг топл.

- массовый , кг возд./кг топл.

2.2 Количество горючей смеси

, ,

где

a - принимается по заданию или по графической зависимости (см. приложение 3) в зависимости от выбранного расчетного режима.

m_Т- молекулярная масса топлива, находится по известному элементарному составу или по справочным данным (см. приложение 2).

2.3 Количество отдельных компонентов продуктов сгорания, кмоль/кг топл.:

- при a ≥ 1:

;

;

.

- при a < 1:

Где К – постоянная величина, для бензина К= 0,45… 0,50.

2.4 Общее количество продуктов сгорания, кмоль пр.сг./кг топл

- при a≥ 1:

+ + + =

- при a < 1:

+ + + + =

В случае правильного расчёта левая и правая части уравнения должны совпасть.

Процесс впуска

4.1 Температура подогрева свежего заряда:

, К;

где ,

-ДсИЗ: ∆Т_N=5…10 К,

-дизель: ∆Т_N=5…20 К.

4.2 Плотность заряда на впуске

, кг/м³

где R_в=287 Дж/кг∙к- газовая постоянная воздуха.

4.3 Потери давления на впуске

, МПа

Где - гидравлическое сопротивление впускной системы двигателя,

ω_вп=50-130 м/с- средняя скорость движения топливной смеси (воздуха) в наименьшем сечении впускной системы на номинальном режиме. Увеличивается с ростом n_N.

4.4 Давление в конце впуска

.

4.5 Коэффициент остаточных газов

.

Где φ_оч=1- коэффициент очистки для двигателя без наддува,

φ_доз=0,33∙10^-4∙n+0,917- коэффициент дозарядки, имеет примерно линейную зависимость от n.

4.6 Температура в конце впуска

.

4.7 Коэффициент наполнения

Процесс сжатия

5.1 Средний показатель политропы сжатия

-ДсИЗ: n₁=k₁-(0,00...0,04);

-дизель: n₁=k₁±(0,00...0,02);

Где k₁- средний показатель адиабаты сжатия, определяется по специальной номограмме в зависимости от величины e и Т_а (см. приложение 5).

5.2 Давление в конце сжатия

.

5.3 Температура в конце сжатия:

, .

5.4 Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:

5.4.1 свежей смеси:

,

где .

5.4.2 Остаточных газов

;

Средние мольные теплоёмкости отдельных компонентов остаточных газов определяются по формулам для интервала температур 0…1500 ⁰С (см. приложение 6).

5.4.3 Рабочей смеси (свежая смесь и остаточные газы)

Процесс сгорания

6.1 Коэффициент молекулярного изменения

- горючей смеси: m₀=М₂/М₁;

- рабочей смеси: m=(m₀+g_r)/(1+g_r).

6.2 Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания топлива (только для расчётных режимов с a < 1)

кДж/кг.

6.3 Теплота сгорания рабочей смеси

кДж/кмоль раб. см.

6.4 Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/кмоль∙К

+ + +

+ + ],

Средние мольные теплоёмкости отдельных компонентов продуктов сгорания определяются по формулам для интервала температур

1500…2800 ⁰С (см. приложение 6).

После подстановки формул уравнение сводится к виду:

6.5 Коэффициент использования теплоты

Величина принимается в зависимости от расчётного режима (n) по графической зависимости (см. приложение 7).

6.6 Температура в конце видимого процесса сгорания t_z, ⁰С

Температура t_zнаходится решением квадратичного уравнения, получаемого из уравнения сгорания:

- ДсИЗ:

-дизель:

где средняя изобарная мольная теплоёмкость продуктов сгорания,

λ - степень повышения давления, принимается согласно задания или выбирается из диапазона l=1,6…2,5, так чтобы 12 МПа.

После подстановки в уравнение сгорания числовых значений всех известных параметров и последующих преобразований, оно принимает вид уравнения второго порядка:

Аt²_z+Bt_z-C=0,

Где А, В, С- числовые значения известных величин.

Откуда:

⁰С, Т_z=t_z+273, К.

6.7 Максимальное давление сгорания

6.7.1 Теоретическое:

-ДсИЗ: ;

-дизель: .

6.7.2 Действительное:

-ДсИЗ: ;

-дизель: .

6.8 а) Степень повышения давления (для ДсИЗ):

.

6.8 б) Степень предварительного расширения (для дизеля):

.

V. Расчет теплового баланса

1. Общее количество теплоты, введенное в двигатель с топливом (здесь и далее Дж/c)

;

2. Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1 с.

;

3. Теплота, передаваемая охлаждающей среде

;

где

с – коэффициент пропорциональности (для 4-х тактных ДВС с=0,45…0,53)

I – число цилиндров

D – диаметр цилиндра, см

n – частота оборотов коленчатого вала,

m – показатель степени (для 4-х тактных ДВС m=0,6…0,7)

4. Теплота, унесенная с отработавшими газами

;

где

- теплоёмкость остаточных газов

- теплоёмкость свежей смеси (воздуха)

Формулы для определения теплоёмкостей см. раздел III, п 5.4.

5. Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива

;

6. Неучтённые потери теплоты

;

Составляющие теплового баланса представляются в в виде графика и таблицы для всех расчетных режимов:

Пример зависимости составляющих теплового баланса от частоты вращения коленчатого вала.

Список литературы

1. Основная литература

1.1 Двигатели внутреннего сгорания / под ред. Луканина В.Н. – М.: Высшая школа, 2005. –311 с.;

1.2 КОЛЧИН А.И., ДЕМИДОВ В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: Учебное пособие для вузов – М.: Высшая школа, 2002. – 400 с.

2. Дополнительная литература

2.1 Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей / под ред. Орлина А.С. – М.: Машиностроение, 1983. – 372 с.

2.2 ЛУКАЧЕВ С.В. Основы рабочего процесса и характеристики двигателей внутреннего сгорания: Учебное пособие – Куйбышев: КуАИ, 1987. – 76 с.

2.3 РАЙКОВ И.Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания – М.: Высшая школа, 1975. – 320 с.

2.4 ЗВОНОВ В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания – М.: Машиностроение, 1981. – 160 с.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Элементарный состав и молярная масса жидких топлив

топливо	Содержание, кг вещества/кг топлива	Молярная масса, mт (кг/кмоль)
С	Н	О
Бензин	0,855	0,145	---	110-120
Дизельное топливо	0,870	0,126	0,004	180-200
Метанол СН3ОН	0,375	0,125	0,500
Этанол С2Н5ОН	0,520	0,130	0,350

Приложение 1а. Выбор октанового числа топлива для ДсИЗ без наддува

Степень сжатия ε	Менее 8,5	8,5 – 9,9	10,0 – 10,9	11,0 – 12,0
Октановое число по исследовательскому методу

Приложение 2. Состав топливовоздушной смеси

(коэффициент избытка воздуха)

а) двигатель с искровым зажиганием

б) дизельный двигатель

Приложение 3. Температура остаточных газов

а) двигатель с искровым зажиганием

б) дизельный двигатель

Приложение 4. Номограмма для определения показателя адиабаты сжатия k₁

Приложение 5. Формулы для определения средних мольных теплоемкостей отдельных газов при постоянном объеме

Приложение 6. Коэффициент использования теплоты

а) двигатель с искровым зажиганием

б) дизельный двигатель

Приложение 7. Номограмма определения показателя адиабаты

расширения k₂

а) двигатель с искровым зажиганием

Примечание: Определение k₂ по номограмме производится следующим образом. По имеющимся значениям e и Т_Z определяют точку, которой соответствует значение k₂ при a = 1. Для нахождения значения k₂ при заданном a необходимо полученную точку перенести по горизонтали на вертикаль, соответствующую a = 1, и далее параллельно вспомогательным кривым до вертикали, соответствующей заданному значению a.

б) дизельный двигатель

Примечание: Определение k₂ по номограммам производится следующим образом. По имеющимся значениям d и Т_Z определяют точку, которой соответствует значение k₂ при a = 1. Для нахождения значения k₂ при заданном a необходимо полученную точку перенести по горизонтали на вертикаль, соответствующую a = 1, и далее параллельно вспомогательным кривым до вертикали, соответствующей заданному значению a.

Тепловой расчёт автомобильного ДВС

(расчёт действительного цикла)

Учебное пособие для выполнения курсовой работы по дисциплине «Теория рабочих процессов и моделирование ДВС»