Авто-двигатели

Введение

На наземном транспорте наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания. Эти двигатели отличаются компактностью, высокой экономичностью, долговечностью и применяются во всех отраслях народного хозяйства.

В настоящее время особое внимание уделяется уменьшению токсичности выбрасываемых в атмосферу вредных веществ и снижению уровня шума работы двигателей.

Специфика технологии производства двигателей и повышение требований к качеству двигателей при возрастающем объеме их производства, обусловили необходимость создания специализированных моторных заводов. Успешное применение двигателей внутреннего сгорания, разработка опытных конструкций и повышение мощностных и экономических показателей стали возможны в значительной мере благодаря исследованиям и разработке теории рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания.

Выполнение задач по производству и эксплуатации транспортных двигателей требует от специалистов глубоких знаний рабочего процесса двигателей, знания их конструкций и расчета двигателей внутреннего сгорания.

Рассмотрение отдельных процессов в двигателях и их расчет позволяют определить предполагаемые показатели цикла, мощность и экономичность, а также давление газов, действующих в над поршневом пространстве цилиндра, в зависимости от угла поворота коленчатого вала. По данным расчета можно установить основные размеры двигателя (диметр цилиндра и ход поршня) и проверить на прочность его основные детали.

1.Принятие и выбор исходных данных:

Исходные данные:

Масса снаряженного транспортного средства: = 3230 кг

Полезный вес,кг или количество пассажиров вместе с водителем: n = 9

Максимальная скорость: = 44.44м/с

Коэффициент сопротивления качению: = 0.016

1.1 Полная масса автомобиля:

кг

Где:

- масса снаряженного автомобиля ,кг, указывается в исходных данных(приложение 1)

- тоннаж или грузоподъемность автомобиля, кг, указывается в исходных данных (приложение 1)

масса пассажиров вместе с водителем определяется выражением:

,кг

Тоннаж для легковых автомобилей и автобусов можно принять из следующих условий:

- для легковых автомобилей.

1.2 Механический КПД трансмиссии автомобиля

Принимаю =0,93

1.3 Фактор обтекаемостиавтомобиля kF

Для автомобилей среднего и большого класса kF = 0,9

1.4 Максимальная мощность для движения автомобиля

Где:

где

(1.4)

1.5 Частота вращения коленчатого вала на максимальной мощности

(1.5)

(1.6)

= (1,1…1,2)∙=1,1∙753,66=805,933 (1.7)

=70…80 принимаю – 70 (1.8)

1.6 Эффективная максимальная мощность двигателя

== (1.9)

Где:

1.7 Число тактов двигателя τ= 4

1.8 Количество и расположение цилиндров i = 8, V –образный

1.9 Диаметр цилиндра Dдля автотракторных двигателей изменяется в пределах от 60…150 мм и зависит от типа двигателя.ПринимаюD = 95мм.

1.10Ход поршня S

1.11Средняя скорость поршня

=

1.12Величина =R/

Величина=R/(R – радиус кривошипа, мм и )принимается для двигателей легковых автомобилей в пределах , для двигателей грузовых автомобилей

Принимаю

1.13 Рабочий объем цилиндра

1.14 Литровая мощность двигателя

=

Ориентировочные значения:

1.15 Степень сжатия

Степень сжатия ε

Принимаю = 8

1.16 Коэффициент избытка воздуха λ

Принимаю λ=0,9

2……………………Впускного процесса

В этой модели расчета применяются следующие основные гипотезы:

· Свежий заряд и остаточные газы считаются идеальными газами

· После поступления в цилиндре, кинетическая энергия свежего заряда превращается полностью в тепло

2.1Первоначальные условия состояния

Давление и температура свежего заряда на входе в двигатель, в случае работы без наддува, являются давление и температура окружающей среды и ,которые для стандартизированных условий имеют следующие значения: .

Для двигателей с наддувом ,давление и температура на входе в двигатель являются давление температура ,на выходе из компрессора. В случае присутствия промежуточного холодильника, воздух из нагнетателя поступает в него, а затем в цилиндр двигателя. В этом случае давление и температура на входе в двигатель являются давление за холодильником.

2.2Давление остаточных газов .

Давление остаточных газов устанавливается в зависимости от числа и расположение клапанов, газодинамических сопротивлений во впускном и выпускном коллекторах, в том том числе и сопротивления глушителя, фаз газораспределения, характера наддува, быстроходности двигателя, нагрузки, системы охлаждения и других факторов.

На номинальном режиме без наддува давление остаточных газов определяется выражением:

МПа (2.8)

МПа

2.2.2 Температура остаточных газов .

Температура остаточных газов зависит от типа двигателя, степени сжатия, коэффициента избытка воздуха и частоты вращения.

Принимаю .

2.3.Температура подогрева свежего заряда .

Подогрев свежего заряда происходит при его контакте со стенками впускного тракта и цилиндра, а также из-за остаточных газов. Величина зависит от расположения и конструкции впускного коллектора, системы охлаждения, быстроходности двигателя и вида наддува. Повышение температуры улучшает процесс испарения топлива, но снижает плотность заряда, что отрицательно влияет на наполнение.

Таблица подогрева свежего заряда .

Принимаю , K

2.4. Давление свежего заряда в конце впуска .

Давление свежего заряда в конце впуска является основным фактором, определяющий количество рабочего тела, поступающего в цилиндр двигателя.

2.4.1. Коэффициент газодинамических сопротивлений на впуске и средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы .

принимаю

принимаю .

2.4.2.Плотность свежего заряда .

Плотность свежего заряда определяется выражением для двигателей без наддува:

,кг/(2.10)

Где: R= 287 Дж/кгK

,

2.4.3. Потери давления .

Потери давления вследствие газодинамического сопротивления на впуске определяется выражением для двигателей без наддува:

, МПа (2.11)

,МПа

Где : - коэффициент затухания скорости движения заряда в минимальном сечении впускной системы;

- коэффициент газодинамического сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому сечению.

2.4.4. Давление свежего заряда в конце пуска .

Давление свежего заряда в конце впуска определяется выражением для двигателей без наддува:

,МПа (2.12)

,МПа

2.5.Коэффициент остаточных газов .

Коэффициент остаточных газов характеризует качество отчистки цилиндра от продуктов сгорания. С увеличением уменьшается количество свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя в процессе впуска. Коэффициент остаточных газов определяется для двигателей без наддува выражением:

(2.13)

Где: коэффициент дозарядки;

коэффициент отчистки;

Таблица коэффициента остаточных газов.

2.6. Температура свежего заряда в конце впуска .

Температура свежего заряда в конце впуска определяется для двигателей без наддува выражением:

, К (2.14)

,К

Величина зависит от температуры рабочего тела, коэффициента остаточных газов, степени подогрева заряда и в меньшей степени от температуры остаточных газов.

Таблица температуры свежего заряда в конце впуска .

2.7. Коэффициент наполнения .

Коэффициент наполнения или КПД наполнения определяется отношением действительного количества свежего заряда, поступившего 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.

Коэффициент наполнения определяется для двигателей без наддува выражением:

(2.15)

Таблица коэффициента наполнения .

3. Параметры процесса сжатия

В период процесса сжатия в цилиндр двигателя повышается температура и давление рабочего тела, что обеспечивает надежное воспламенение и эффективное сгорание топлива.

3.1. Коэффициент политропы сжатия .

Коэффициент политропы сжатия воздействован взначительной мере частотой вращения коленчатого вала двигателя, степенью сжатия, размеров и материала деталей кривошипно- шатунного механизма, теплообмена между рабочим телом и стенок цилиндра и т.д. Вследствие обработки значительного числа экспериментальных данных литература указывает для коэффициента политропы сжатия следующие значения:

Таблица коэффициента политропы сжатия.

Принимаю:

3.2. Давление смеси в конце процесса сжатия .

Давление смеси в конце процесса сжатия определяется выражением:

,МПа (3.1)

,МПа

3.3.Температура смеси в конце процесса сжатия .

Температура смеси в конце процесса сжатия определяется выражением:

,К (3.2)

,К

Таблица давления и температурысмеси в конце процесса сжатия.

3.4. Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси в конце процесса сжатия .

Средняя мольная теплоемкость рабочего тела называется отношение количества теплоты, сообщаемой телу в заданном процессе, к изменению температуры при условии, что разность температур является конечной величиной. Величина теплоемкости зависит от температуры и давления тела, ее физических свойств и характера процесса.

3.4.1. Средняя мольная теплоемкость свежей смеси в конце процесса сжатия .

Средняя мольная теплоемкость свежей смеси в конце процесса сжатия определяется выражением:

, (3.3)

Где

,

3.4.2. Средняя мольная теплоемкость остаточных газов в конце процесса сжатия .

Средняя мольная теплоемкость остаточных газов в конце процесса сжатия определяется методом интерполяции.

Средняя мольная теплоемкость остаточных газов при низшем соответственно высшем определяется выражением:

,(3.4)

,

Где: исредняя мольная теплоемкость остаточных газов при низшем соответственно высшем в зависимости от низшем соответственно высшем коэффициента избытка воздуха согласно табличным данным.

для бензина.

Средняя мольная теплоемкость остаточных газов в конце процесса сжатия определяется выражением:

,(3.5)

,

3.4.3. Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси в конце процесса сжатия .

Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси в конце процесса сжатия определяется выражением:

,(3.6)

,

4. Параметры процесса сгорания.

4.1. Состав и низшая теплота сгорания топлива .

4.1.1.Состав топлива.

Жидкое топливо и сжиженный газ имеют следуют следующий массовый состав элементов:

, кг (4.1)

C , H , H, S – массовая доля химических элементов и воды W в 1 кг топлива.

Элементарный состав жидкого топлива в массовых долях представлен в таблице:

4.1.2. Низшая теплота сгорания топлива .

Низшая теплота сгорания топлива это количество тепла, которое выделяется при полном сгорании топлива, без учета тепла конденсации паров воды.

Низшая теплота сгорания при сгорании 1 кг жидкого топлива или сжиженного газа в кДж/кг определяется эмпирическим выражением или принимается согласно табличным данным.

(4.2)

Где: C, H, O, S – массовая доля химических элементов и воды W в 1 кг топлива.

4.2. Параметры рабочего тела.

4.2.1. Минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива .

Минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива , учитывает объемную долю кислорода в воздухе, определяется для жидких топлив выражением:

(4.4)

4.2.2. Действительное количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива L.

Действительное количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива , определяется для жидких топлив выражением:

(4.5)

4.2.3. Количество свежего заряда, отнесенное на 1 кг топлива .

Количество свежего заряда, отнесенное на 1 кг топлива , для ДИЗ определяется выражением

(4.5)

Где: средняя молярная масса, кДж/кмоль, согласно табличным данным.

4.2.4. Количество остаточных газов при сгорании топлива .

Количество остаточных газов при сгорании топлива для определяется выражением:

(4.6)

4.2.5. Изменение количества молей рабочего тела при сгорании .

Изменение количества молей рабочего тела при сгорании определяется выражением:

(4.7)

4.2.6. Теоретический коэффициент молекулярного изменения свежего заряда .

Теоретический коэффициент молекулярного изменения свежего заряда определяется выражением:

(4.8)

4.2.7. Действительный коэффициент молекулярного изменения свежего заряда .

Действительный коэффициент молекулярного изменения свежего заряда определяется выражением:

(4.9)

Величина действительного коэффициента молекулярного изменения свежего заряда изменяется в пределах табличных данных:

4.3. Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания и теплота неполноты сгорания .

4.3.1. Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания .

Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания определяется выражением:

(4.10)

4.3.2. Теплота неполноты сгорания .

Теплота неполноты сгорания определяется выражением:

(4.11)

4.4. Коэффициент использования теплоты .

Коэффициент использования теплоты оценивает потери тпла во время процесса сгорания, при диссоциации продуктов сгорания, при утечки газов в двигателях с раздельными камерами и т.д.

Величина этого коэффициента принята учитывая работу двигателя, конструктивные особенности, системы охлаждения, форму камеры сгорания, коэффициента избытка воздуха и обороты коленчатого вала двигателя .

Принимаю:

4.5. Степень повышения давления .

Степень повышения давления принимается согласно табличным данным, учитывая, что чем выше, тем больше расширение газов, повышается индикаторный КПД, но и слишком большая величина приводит к неполноте сгорания и потери топлива.

Принимаю

4.6. Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания .

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания для ДИЗ с определяется:

(4.12)

4.7. Температура в конце сгорания .

Температура в конце сгорания исходит из уравнения сгорания для ДИЗ:

(4.13)

После подстановки принятых данных и преобразований получается следующее уравнение:

(4.14)

Где : А,В,С – численные значения известных величин.

Из которой температура определяется выражением:

(4.17)

4.8. Давление в конце сгорания .

Давление в конце сгорания для LBP определяется выражением:

(4.18)

У этих двигателей определяется степень повышения давления и сравнивается с табличными данными:

(4.19)

4.9. Максимальное действительное давление в конце сгорания .

Максимальное действительное давление в конце сгорания ,учитывает полноту индикаторной диаграммы, определяется для ДИЗ выражением:

(4.20)

4.10.Степень предварительного и последующего расширения.

4.10.1. Степень предварительного .

Степень предварительного определяется выражением:

(4.21)

4.10.2. Степень последующего расширения .

Степень последующего расширения определяется выражением:

(4.22)

Значение параметров процесса сгорания для современных двигателей изменяется в пределах табличных параметров.

Таблица параметров процесса сгорания.

5.Параметры процесса расширения.

В результате процесса расширения тепловая энергия топлива преобразуется в механическую работу.

5.1. Коэффициент политропы расширения .

В расчетах данный параметр принимается, учитывая, что при увеличении частоты вращения и коэффициента избытка воздуха коэффициент уменьшается, а при использовании интенсивности жидкостного охлаждения и повышении отношения S/D, возрастает. Хотя в течении процесса расширения величина непостоянная, в расчетах используется среднее значение, принятое в указанных табличных пределах.

Таблица коэффициента политропы расширения .

Принимаю

5.2. Давление в конце расширения .

Давление в конце расширения определяется для ДИЗ выражением:

(5.1)

5.3. Температура в конце расширения .

Температура в конце расширения определяется для ДИЗ выражением:

,К (5.2)

Значение параметров процесса расширения для современных двигателей изменяется в табличных пределах.

6.Параметры выпускного процесса.

Во время выпускного процесса, очистка цилиндра от отработавших газов происходит в двух этапах: этап или период свободного выпуска, когда при открытии с опережением выпускного клапана на 40 - 60 ОКВ у бензиновых двигателей и 30 - 50 ОКВ у ДД, продукты сгорания под высоким давлением удаляются с критической скоростью 600…700 м/с, снижаясь до 60 - 100 м/с в НМТ. В данном периоде, который заканчивается в НМТ, цилиндр очищенный примерно на 60 – 70% от продуктов сгорания; этап, когда поршень перемещается к ВМТ, используя выпуск продуктов сгорания до закрытия выпускного клапана на 15 - 30 ОКВ у бензиновых двигателей и 10 – 35 ОКВ у ДД, после ВМТ.

6.1. Проверка точности принятия величины температуры остаточных газов.

6.1.1. Допустимая температура остаточных газов .

В конце выпуска в цилиндре остается некоторое количество газов давлением и температурой , величины которых приняты в начале теплового расчета.

Проверка точности принятия величины температуры остаточных газов осуществляется подсчитав температуру газов на выходе выражением:

(6.1)

6.1.2. Погрешность при принятии температуры остаточных газов .

Погрешность при принятии температуры остаточных газов определяется выражением:

(6.2)

7. Расчет качественных показателей

и определение размеров двигателя.

7.1. Индикаторные параметры двигателя.

7.1.1. Среднее индикаторное давление .

Среднее индикаторное давление представляет индикаторную механическую работу на единицу объема цилиндра.

Теоретическое среднее индикаторное давление определяется для ДИЗ выражением:

(7.1)

Действительное среднее индикаторное давление определяется выражением:

(7.2)

Где: коэффициент полноты индикаторной диаграммы, который принимается согласно табличным данным.

Ориентировочные значения среднего индикаторного давления, на полной нагрузке представлены в таблице.

7.1.2. Индикаторный КПД .

Индикаторный КПД представляет отношение между индикаторной механической работой и тепло внесенное в цикл, соответственно доступное тепло единицы массы топлива. Индикаторный КПД определяется для двигателей без наддува выражением:

(7.3)

Где:

Значение индикаторного КПД для современных двигателей, на номинальном режиме, изменяется в пределах таблицы:

7.1.3. Индикаторный удельный расход топлива

Индикаторный удельный расход топлива определяется для двигателей с жидкостным топливом выражением:

(7.4)

Индикаторный удельный расход топлива на номинальном режиме изменяется в пределах таблицы:

7.2. Эффективные показатели двигателя.

Параметры, характеризующие работу двигателя, отличаются от индикаторных наличием необходимых затрат полезной работы на преодоление различных механических сопротивлений и на совершение процессов впуска и выпуска.

7.2.1. Среднее давление механических потерь .

Среднее давление механических потерь определяется выражением:

(7.5)

Где: a,b- коэффициенты, значения которых указанные в таблице.

Среднее давление механических потерь определяется без учета качества масла, теплового состояния двигателя, качество поверхностного трения и наддува.