Расчет и конструирование автомобильного двигателя

.

 

1.7 Общее количество  продуктов неполного сгорания  жидкого топлива, кмоль пр.сг./кг  топл.:

1.8 Относительное изменение объема при сгорании характеризуется величиной химического коэффициента молекулярного изменения горючей смеси, который представляет собой отношение количества молей продуктов сгорания к количеству молей горючей смеси:

 

1.9 Давление и температура окружающей среды при работе двигателей без наддува р_k=р₀=0,1 МПа и Т_k=Т₀=293 К.

 

1.10 Температура остаточных газов  принимается в зависимости от  n и α для расчетных режимов по графикам рисунка 1.

При n_N = 5500 мин^-1

Т_r = 1060 К.

 

1.11 Давление остаточных газов при номинальном скоростном режиме n_N:

МПа

 

Давление остаточных газов р_r, МПа при остальных скоростных режимах:

,

Где ;

При n_N = 5500 мин^-1:

 

Этап 2 Процесс  впуска

 

2.1 Температура подогрева  свежего заряда для ДсИЗ принимается  в пределах ∆Т = 0 … 20⁰С. С целью получения хорошего наполнения двигателей на номинальных скоростных режимах принимается ∆Т_N=8⁰С для карбюраторного двигателя.

Тогда на остальных режимах значение ∆Т рассчитывается по формуле:

Где

 

2.2 Плотность заряда на впуске, кг/м³:

Где R_В = 287 Дж/(кг∙град) – удельная газовая постоянная для воздуха.

 

2.3 Потери давления за счет  сопротивления впускной системы  и затухания скорости заряда  в цилиндре при средней скорости  заряда в клапанной щели рассчитывается  по формуле:

Где β – коэффициент затухания  скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра; ζ_вп – коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенной к наиболее узкому ее сечению; ω_вп – средняя скорость движения заряда в клапанной щели.

По опытным данным в современных  автомобильных двигателях на номинальном режиме (β²+ζ_вп) = 2,5 … 4,0; ω_вп = 50 … 130 м/с.

При n = n_N = 5500 мин^-1 и качественной обработке внутренней поверхности впускной системы можно принять (β²+ζ_вп) = 2,8; ω_вп = 95 м/с.

 

2.4 Давление в конце впуска, МПа:

;

При n = n_N = 5500 мин^-1

р_а=0,1-0,0150=0,0850.

 

2.5 Коэффициент остаточных  газов, характеризующий качество  очистки цилиндра от продуктов  сгорания:

Где φ_оч = 1,0 – коэффициент очистки для ДсИЗ без наддува; φ_доз – коэффициент дозарядки, определяемый по рисунку 1 в зависимости от скоростного режима n.

При n = n_N = 5500 мин^-1 φ_доз = 1,10.

При наддуве величина коэффициента остаточных газов снижается.

 

2.6 Температура в конце  впуска:

.

 

2.7 Коэффициент наполнения  для четырехтактовых двигателей:

,

При работе с полной нагрузкой  для автомобилей карбюраторных  двигателей коэффициент наполнения изменяется в пределах 0,70 … 0,90.

 

 

Этап 3 Процесс сжатия

 

3.1 Условно принимается,  что процесс сжатия в действительном  цикле происходит по политропе  с переменным показателем политропы n₁, но для расчетов принимается показатель политропы постоянным со средним значением n₁=const, несколько меньшим, чем средний показатель адиабаты сжатия k₁ для карбюраторных двигателей.

Средний показатель адиабаты сжатия определяется в зависимости  от ε и Т_а по номограмме на рисунке 2.

При ε = 7,5 и Т_а = 342 К находим k₁ = 1,3781. Принимаем n₁ = 1,378.

 

3.2 Давление в конце сжатия:

 

3.3 Температура в конце  сжатия:

.

 

 

 

Рисунок 2 – Номограмма для определения показателя адиабаты сжатия k_1.

 

3.4 Средние мольные теплоемкости, кДж/(кмоль∙град), в конце сжатия для температур от 0 до 1500⁰С рассчитываются по формулам:

а) свежей смеси (воздуха):

где t_с = Т_с – 273⁰C – температура смеси в конце сжатия.

t_с = 732 – 273 = 459

Б) остаточных газов  - определяется методом интерполяции по таблице 3.

 Таблица 3 – Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания кДж/(кмоль∙град) бензина.

 

где 23,586 и 23,712 – значения теплоемкостей  при 400⁰С соответственно для α = 0,95 и α = 1,00.

где 24,014 и 24,150 – значения теплоемкостей при 500⁰С соответственно для α = 0,95 и α = 1,00.

в) Рабочей смеси:

 

Этап 4 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.

4.1 Коэффициент молекулярного  изменения рабочей смеси:

 

4.2 Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания из-за недостатка кислорода, кДж/кг:

.

 

4.3 Теплота сгорания  рабочей смеси, кДж/кмоль:

 

4.4 Средняя мольная  теплоемкость продуктов сгорания, кДж/кмоль град:

 

Средние мольные теплоемкости отдельных газов (СО₂, СО и т.д.) рассчитываются по эмпирическим следующим формулам для интервала температур от 1501 до 2800⁰С.

Углекислый газ СО₂:

 

4.5 Коэффициент использования теплоты ξ_z выбирается по экспериментальным зависимостям от скоростного режима для соответствующего типа двигателя:

При n = n_N = 5500 мин^-1 по рисунку 1 ξ_z = 0,910.

 

4.6 Температура в конце  видимого процесса сгорания определяется  из уравнения сгорания топлива с подводом теплоты при V=const:

которое приводится к  уравнению второго порядка вида где А, В и С – числовые значения известных величин.

 

4.7 Максимальное давление сгорания  теоретическое, МПа:

 

4.8 Максимальное давление сгорания  действительное, МПа:

 

4.9 Степень повышения давления:

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

 

Этап 5 Процесс  расширения и впуска

 

5.1 Для упрощения расчетов кривая  процесса расширения принимается  за политропу с показателем  n₂=const. Величина n₂ незначительно в меньшую сторону отличается от показателя адиабаты k₂. Поэтому n₂ оценивается по k₂ для соответствующих значений ε, α и Т_z.

Определяется k₂ по номограмме на рисунке 3: по ε и Т_z определяют точку, которой соответствует значение k₂ при α =1,0. Чтобы найти значение k₂ при заданном α, необходимо полученную точку перенести по горизонтали на вертикаль, соответствующую α=1,0. Далее параллельно вспомогательным кривым перенести ее до вертикали, соответствующей заданному значению α.

При ε = 7,5, α = 0,96, Т_z = 2820 К по рисунку 3 определено k₂ = 1,2516.

Принимаем n₂ = 1,251.

 

5.2 Давление и температура  в конце процесса расширения:

 

 

Рисунок 3 – Номограмма для определения показателя адиабаты расширения k₂ для бензинового двигателя.

 

5.3 Проверка ранее принятой (п.1.10) температуры газов Т_r (погрешность расчета).

где - расчетная температура остаточных газов, К.

 

Этап 6 Индикаторные показатели расчетного цикла

 

6.1 Теоретическое среднее  индикаторное давление двигателя, работающего по циклу с подводом теплоты при V = const, МПа:

.

 

6.2 Коэффициент полноты  диаграммы, учитывающей уменьшение  площади расчетной диаграммы  за счет скругления с точках  с, z, в, принимается по рекомендации для карбюраторных двигателей φ_u=0,94 …0,97.

Принимаем φ_u=0,97.

 

6.3 Среднее индикаторное  давление:

 

6.4 Индикаторный КПД,  учитывающий все тепловые потери  действительного цикла:

В современных автомобильных карбюраторных двигателях

η_i = 0,30 …0,40.

 

6.5 Индикаторный удельный  расход топлива:

В современных автомобильных  карбюраторных двигателях в номинальном  режиме g_i = 210 … 275 г/(кВт∙ч).

 

Этап 7 Эффективные  показатели двигателя

 

7.1 Для современных  бензиновых двигателей рекомендуется  отношение S/D = 0,8 … 1,1, где S – ход поршня, D – диаметр поршня. Для бензиновых ДВС легковых автомобилей рекомендуется D = 60 … 100 мм, грузовых D = 70 … 110 мм.

Критерий быстроходности автомобильных двигателей v_Пср≥6,5 – средняя скорость поршня, м/с. Рекомендуется [1] для бензиновых легковых двигателей v_Пср = 12 … 20 м/с.

Принимаем для двигателей с числом цилиндров i ≤ 6 отношение S/D ≤ 1 и ход поршня S = 78 мм.

7.2 Средняя скорость  поршня:

 

7.3 Средняя давление  механических потерь при i ≤ 6, S/D ≤ 1:

7.4 Средняя эффективное  давление:

 

7.5 Механический КПД:

По опытным данным механический КПД для бензиновых двигателей, работающих на номинальном режиме, изменяется в следующих пределах: 0,75 – 0,92.

 

7.6 Эффективный КПД:

Эффективный КПД двигателя  при номинальном режиме для бензиновых двигателей изменяется в пределах 0,25 – 0,38.

 

7.7 Эффективный удельный  расход топлива:

Для современных автомобильных  и тракторных карбюраторных двигателей эффективный удельный расход топлива  при номинальной нагрузке имеет  значения 230 – 310 г/(кВт∙ч).

 

Этап 8 Основные параметры цилиндра и двигателя

 

8.1 Литраж двигателя:

 

8.2 Рабочий объем одного  цилиндра:

 

8.3 Диаметр цилиндра:

Принимаем D = 78 мм и S = 78 мм.

 

8.4 Основные параметры и показатели двигателя по окончательно принятым значениям D и S представлены в таблице 4.

Таблица 4 – Расчетные  параметры и показатели двигателя

Параметры		Расчетная формула	Значение
Частота вращения	n, мин-1	n=nN	5500
Площадь поршня	FП, см2	πD2/(4∙100)	47,76
Литраж поршня	Vл, л	πD2Si/(4∙106)	1,490
Мощность двигателя	Nе, кВт	peVлn/30τ	56,87
Литровая мощность двигателя	Nл, кВт/л	Ne/Vл	38,17
Крутящий момент	Ме, Н∙м	3∙104Nе/πn	98,8
Часовой расход топлива	GТ, кг/ч	Nege∙10-3	17,743

 

Этап 9 Построение индикаторной диаграммы

 

Индикаторная диаграмма  ДсИЗ строится по данным расчета рабочего процесса. Масштаб диаграммы следует  выбирать по соотношения высоты к  основанию 1,2:1,0 для карбюраторных  двигателей.

На оси абсцисс откладывается  отрезок АВ, соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня S в масштабе M_S. Рекомендуется M_S = 1,0; M_S = 1,5; M_S = 2,0 мм/мм.