Тепловой расчет и тепловой баланс двигателя

Произвести расчет четырехтактного карбюраторного двигателя
или дизеля без наддува или с турбонаддувом р_к, МПа. Эф­фективная номинальная мощность N_e, кВт при частоте вра­щения коленчатого вала , мин^-1, числе i и расположении цилиндров, форме камеры сгорания и способе смесеобразования. Система охлаждения: жидкостная или воздушная. Степень сжатияε.

Процесс впуска

Процессы выпуска отработанных газов (очистка цилиндра) и впуска свежего заряда (наполнение) называют процессами газо­обмена. Изменение давления в процессе впуска и выпуска в двигателе без наддува приведено на рисунке 1, а, а в двигателе с надувом – на рисунке 1, б.

Процесс впуска в двигателях предназначен для наполнения цилиндра горючей смесью воздуха с топливом или одним возду­хом.

Основная задача расчета процесса впуска – определение па­раметров, характеризующих состояние рабочего тела (давле­ние р_а и температура Т_а) в конце впуска и параметров, харак­теризующих совершенство протекания процесса наполнения цилиндра свежим зарядом – коэффициента наполнения η_ν.

На параметры процесса впуска, а, следовательно, и напол­нение цилиндра свежим зарядом существенное влияние оказыва­ют:

– потери давления Δp_а на впуске в двигателе за счет сопротивления

впускной и выпускной системы (рисунок 1);

– коэффициент остаточных газов – характеризующий каче­ство

очистки цилиндра от продуктов сгорания от предыдущего цикла;

– температура подогрева свежего заряда ΔТ от стенок системы впуска и стенок цилиндра.

а)

б)

а – без надува; - впуск; - выпуск; б – с газотурбинным наддувом;

Рисунок 1 – Диаграмма выпуска и впуска в четырехтактном двигателе

Поэтому определению параметров конца наполнения p_а и Т_а предшествует выбор параметров начала впуска p_о (p_к) и Т_о (Т_к), остаточных газов и , выбор величины подогрева свежего заряда на впуске ΔТ и определение коэффициента остаточных газов . Параметры остаточных газов и , и величину ΔТ обычно в начале процесса впуска не рассчитывают, а принимают на основании имеющихся экспериментальных (литературных) данных с учетом особен­ностей конструкции двигателя. Точность выбора величины дав­ления и температуры остаточных газов Δ проверяется по формулам (69) и (70).

3.1.1 Давление p_о и температура Т_о окружающей среды

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

В двигателях с наддувом воздух поступает в цилиндр из компрессора (нагнетателя, где он предварительно сжимается.) Поэтому в них температура окружающей среды принимается равной давлению р_к (МПа) и температура Т_к (К) воздуха на выходе из компрессора (рисунок 1, б). Поэтому для двигателей с наддувом вместо величины Т_о и р_о берутся соответственно

величины р_к и Т_к .

В зависимости от степени наддува принимаются следующие значения давления р_к наддувочного воздуха:

– при низком наддуве – 1,5 р_о;

– при среднем наддуве – (1,5 ….2,2) р_о;

– при высоком наддуве – (2,2…2,5) р_о и более.

В настоящее время реальными являются средний наддув и выше.

Температура воздуха за компрессором

(1)

где n_к – показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре (нагнетателе).

Величину n_к принимают по опытным данным в зависимости от наддувочного агрегата и степени охлаждения:

Для поршневых нагнетателей n_к = 1,4…1,6; для объемных нагнетателей – n_к = 1,55...1,75; для осевых и центробежных нагнетателей с охлаждаемым корпусом n_к = 1,4…1,9, а с неохлаждаемым корпусом – n_к = 1,8…2,0.

Температуру Т_к можно определить также по выражению:

(2)

где η_ад.к = 0,66…0,8 – адиабатический к.п.д. компрессора;

к = 1,4 – показатель адиабаты воздуха.

3.1.2 Давление p_r (МПа) и температура Т_r (К) остаточных газов

Давление остаточных газов p_r (МПа) всегда выше давления окружающей среды p_о вследствие сопротивления выпускной системы.

(3)

где Δ p_r – возрастание давления за счет сопротивления выпускной системы.

В расчетах принимают сопротивление на выпуске и впуске примерно равными, т.е. Δp_r = Δp_a. Величину p_r обычно выбирают на основании экспериментально-статического (литературного) материала (таблица 1) [1], [8].

Таблица 1

Практические значения основных параметров рабочего тела процессов газообмена (впуска и выпуска) четырехтактных двигателей.

Параметр	Дизели	Карбюраторные двигатели
без наддува	с наддувом *
Давление остаточных газов (в конце выпуска) pr, МПа	0,105-0,125	(0,75-1,0)рк	0,105-0,125
Температура остаточных газов (в конце выпуска) Тr, К	600-900	750-1000	900-1100
Температура подогрева свежего заряда ΔТ, ºС	20-40	(-5)-(+10)	0-20
Коэффициент остаточных газов γr, К	0,03-0,06	0,02-0,05	0,06-0,08
Температура в конце впуска Та, К	310-340	320-400	340-400
Давление в конце впуска ра, МПа	0,08-0,09	(0,90-0,96)рк	0,08-0,09
Коэффициент наполнения ηv	0,8-0,94	0,8-0,97	0,70-0,90
Примечание – *При давлении наддува рк ≤ 0,22 МПа и без промежуточного охлаждения воздуха. Для карбюраторных и дизельных двигателей воздушного охлаждения без наддува ΔТ = 30…60 ºС.

Для автомобильных и тракторных двигателей без наддува, а также с наддувом и выпуском в атмосферу давление остаточных газов должно находиться в пределах

p_r = (1,05…1,25)p_о. (4)

Большие значения p_r принимаются для высокооборотных двигателей.

Для двигателей с наддувом и наличием газовой турбины на выпуске

p_r = (0,75…1,0)p_к. (5)

Температура остаточных газов Т_r обычно выбираются на основе экспериментально - статических (литературных) данных в зависимости от типа двигателя, степени сжатия, частоты вращения и коэффициента избытка воздуха (таблица 1).

3.1.3 Температура подогрева свежего заряда ΔТ (К)

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

При тепловом расчете двигателя ΔТ принимают на основании имеющихся экспериментальных данных и косвенных расчетов (таблица 1).

3.1.4 Давление в конце впуска p_а

Давление в конце впуска p_а (МПа) – основной фактор, определяющий количество свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя. В двигателях p_а всегда ниже давления окружающей среды p_о (без наддува) вследствие сопротивления впускной системы.

р_а = р_о - Δр_а (без наддува) или р_а =р_к - Δр_а= р_к - Δр_к (с наддувом) (6)

Потери давления Δp_а (МПа) за счет сопротивления впускной системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре при некотором допущении можно определить из уравнения Бернулли:

(7)

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

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

ω_вп – средняя скорость движения в наименьшем сечении впускной системы ( как правило, в клапане или в продувочных окнах);

ρ_о – ρ_о – плотность заряда на впуске соответственно при наддуве и без него (при p_к=p_о и ρ_к= ρ_о).

По опытным данным в современных высокооборотных двигателях при полном открытии клапана на номинальном режиме (β² + ξ_вп) = 2,5…4,0 и ω_вп = 50…130 м/с.

Плотность заряда ρ_о на впуске в двигателях

(кг/м³) (8)

где R_в – удельная газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/(кг·К).

У четырехтактных двигателей величина Δp_а (МПа) колеблется в пределах:

– для карбюраторных двигателей – (0,05…0,20)p_о;

– для дизелей без наддува – (0,03….0,18) p_о;

– для дизелей с наддувом – (0,03…0,10) p_к.

У современных четырехтактных двигателей практические значения p_а (МПа) приведены в таблице 2.

Таблица 2

Пределы изменения параметров рабочего тела в конце сжатия в современных двигателях .

Параметр	Дизели	Карбюраторные двигатели
без наддува	с наддувом
Средний показатель политропы сжатия n1	1,31-1,38	1,35-1,38	1,34-1,37
Давление в конце сжатия рс, МПа	2,9-6,0	До 8,0	0,9-1,3
Температура в конце сжатия Тс, К	700-900	До 1000	600-700

3.1.5 Коэффициент остаточных газов γ_r

Величина остаточных газов характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания.

Величину γ_r. для четырехтактных двигателей определяют из выражения:

(9)

где ε – степень сжатия.

Практические значения коэффициента остаточных газов γ_r для двигателей разных типов приведены в таблице 1.

3.1.6 Температура в конце впуска Т_а

Температура Т_а (К) с достаточной степенью точности определяется на основании уравнения баланса теплоты, составленного на линии впуска от точки r до точки а (рисунок 1).

Величина Т_а в основном зависит от температуры рабочего тела Т_о (Т_к) на впуске, коэффициента остаточных газов γ_r, степени подогрева заряда ΔТ и в меньшей степени от температуры остаточных газов Т_r. С учетом этих факторов величина Т_а определяется из уравнения

(10)

Примерные расчетные значения температур Т_а рабочего тела в конце

впуска приведены в таблице 1.

3.1.7 Коэффициент наполнения η_v

Наиболее важной величиной, характеризующей процесс впуска, является коэффициент наполнения η_v, представляющий собой отношение действительного количества свежего заряда, к тому количеству свежего заряда, которое теоретически могло бы поместиться в рабочем объеме v_h цилиндра при давлении и температуре окружающей среды, на которой поступает свежий заряд. Величина η_v позволяет оценивать степени совершенства наполнения цилиндров свежими зарядами (совершенства процесса впуска) рациональность и совершенства конструкции впускной системы.

Коэффициент наполнения определяют из уравнения:

(11)

Практические значения коэффициента наполнения η_v для двигателей разных типов при работе их с полной нагрузкой приведены в таблице 1.

После определения параметров конца впуска, переходят к расчету процесса сжатия.

Процесс сжатия

В период процесса сжатия в цилиндре двигателя повышаются температура Т_с и давление рабочего тела p_с, что обеспечивает надежное воспламенение и эффективное сгорание топлива (рисунок 2).

Цель расчета процесса сжатия сводится к определению среднего показателя политропны сжатия n₁, параметров конца сжатия (давление р_с и температура Т_с) и средней мольной теплоемкости рабочей смеси в конце сжатия (t_с – температура рабочей смеси в конце сжатия, ºС).

Величина n₁ устанавливается по опытным данным в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя, степени сжатия, размеров цилиндра, материалов поршня и цилиндра, теплообмена и других факторов.

Пределы изменения параметров процесса сжатия (давление р_с и температура Т_с) и показателя n₁ при номинальных режимах для четырехтактных двигателей приводятся в таблице 2.

Кроме того, для ориентировочного определения n₁ можно применять эмпирическую формулу, предложенную В.А. Петровым.

Карбюраторные двигатели

(12)

Дизели

(13)

где n_Nе – частота вращения коленчатого вала номинальной мощности, мин^-1.

Рисунок 2 – Изменение давления в процессе сжатия

Давление р_с, (МПа) и температура Т_с, (К) в конце процесса сжатия определяются из уравнения политропны с постоянным показателем n₁ считая, что процесс сжатия протекает в течение всего хода поршня от нижней до верхней мертвой точки.

(14)

(15)

где ε – степень сжатия двигателя.

При тепловом расчете двигателя обычно пользуются средними мольными теплоемкостями.

В двигателях сжимаемая рабочая смесь состоит из свежей смеси, поступившей в цилиндр за процесс впуска и остаточных продуктов сгорания (газов).

Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси , (кДж/кмоль·град)

(свежая смесь + остаточных газов) в конце сжатия определяется по уравнению

(16)

В карбюраторных двигателях и дизелях средняя мольная теплоемкость свежей смеси (воздуха) , ( ) в конце сжатия принимается равной теплоемкости воздуха и может быть определена в интервале температур t_о = 0…1500 ºС из выражения

(17)

где t_с = Т_с-273 ºС.

Средняя мольная теплоемкость остаточных газов в конце сжатия , ( ) может быть определена непосредственно по таблице 3 для бензина или по таблице 4 для дизельного топлива методом интерполяции.

Таблица 3

Средняя мольная теплоемкость остаточных газов в конце сжатия для бензина (карбюраторного двигателя)

Температура tс (tr), ºС	, кДж/ (кмоль·град) при α
0,8	0,85	0,9	0,95	1,0
	22,776	22,921	23,055	23,973	23,293
	22,143	23,303	23,450	23,586	23,712
	23,534	23,707	23,867	24,014	24,150
	23,929	24,113	24,284	24,40	24,586
	24,328	24,523	24,702	24,868	25,021
	24,715	24,919	25,107	25,280	25,441
	25,092	25,304	25,500	25,680	25,847

Таблица 4

Средняя мольная теплоемкость остаточных газов в конце сжатия для дизельного топлива (дизеля)

Температура tс (tr), ºС	, кДж/ (кмоль·град) при
1,3	1,4	1,5	1,6	1,8	2,0
	22,858	22,745	22,647	22,560	22,415	22,3
	23,249	23,128	23,022	22,93	22,774	22,648
	23,662	23,533	23,421	23,322	23,157	23,023
	24,073	23,937	23,819	23,716	23,54	23,401
	24,484	24,342	24,218	24,109	23,927	23,780
	24,879	24,731	24,602	24,488	24,298	24,144

Коэффициент избытка воздуха в таблицах 3 и 4 принимается, с учетом задания в зависимости от типа двигателя, способа смесеобразования, типа камеры сгорания. (Выбор смотри в следующем параграфе 3.3 – процесс сгорания).

После определения параметров конца сжатия переходим к расчету процесса сгорания.

Процесс сгорания

Процесс сгорания – основной процесс рабочего цикла двигателя, в течение которого теплота, выделяющаяся вследствие сгорания топлива, идет на повышение внутренней энергии рабочего тела и на совершение механической работы.

В термодинамических расчетах в целях упрощения принимают, что процесс сгорания в двигателях с принудительным зажиганием протекает при постоянном объеме v = соnst, т.е. по изохоре (прямая сс''z на рисунке 3), а в двигателях с воспламенением от сжатия по смешанному циклу – при v = соnst и р = соnst (прямая сс''z и z'z на рисунке 4).

Целью расчета процесса сгорания является определение давления р_z и температуры Т_z в конце видимого сгорания (точки z и z_Д), а для дизеля – и объема v_z.

Рисунок 3 – Изменение давления в процессе сжатия в карбюраторном двигателе с воспламенением от искры

Рисунок 4 – Изменение давления в процессе сжатия с воспламенением в дизеле

Кривые с'f сс''z_Д схематически показывают действительное изменение давления в цилиндрах двигателей в процессе сгорания. В реальных двигателях процесс сгорания, точнее - догорание топлива, продолжается и за точкой z_Д на линии расширения.

Расчет процесса сгорания можно разделить на два этапа:

– термохимический расчет процесса сгорания;

– термодинамический расчет процесса сгорания.