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
Тип автомобиля
Колесная формула
Легковые автомобили
4*2
0.92…0.94
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:
Тип двигателя
Коэффиценты
a
b
c
ДИЗ
1,0
1,0
1,0
1.7 Число тактов двигателя τ= 4
1.8 Количество и расположение цилиндров i = 8, V –
образный
1.9 Диаметр цилиндра D
для автотракторных двигателей изменяется в пределах от 60…150 мм и зависит от типа двигателя.ПринимаюD = 95мм.
1.10Ход поршня S
Тип двигателя
Ψ=S/D
ДИЗ
с цилиндрами в V
0,75…1,1
1.11Средняя скорость поршня
=
Тип двигателя
ДИЗ
Для автомобилей работающих на газообразном топливе
7…14
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:
Тип двигателя
,
ДИЗ
Для легковых автомобилей
10…40
1.15 Степень сжатия
Степень сжатия ε
Тип двигателя
ДИЗ
С жиженным газом
5…8
Принимаю = 8
1.16 Коэффициент избытка воздуха λ
Тип двигателя
λ
ДИЗ
С жидким топливом: бензин
0,85…0,98
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.
Тип двигателя
,К
ДИЗ
Жидкое топливо
900…1100
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 .
Тип двигателя
,
ДИЗ
Без наддува
0…20
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.
Тип двигателя
ДИЗ
С жидким топливом
0,04…0,10
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
.
Тип двигателя
,К
ДИЗ
С жидким топливом
320…370
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 .
Тип двигателя
ДИЗ
Карбюраторный
0,70….0,90
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.
Тип двигателя
ДИЗ
С жидким топливом
1,28…1,38
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 температуры
смеси в конце процесса сжатия.
Тип двигателя
,МПа
,К
Бензиновый карбюраторный двигатель
0,9…2,0
600…800
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:
и
средняя 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:
Показатели
Сжиженный газ
Массовый состав на 1 кг топлива
C
H
O
W
S
0,830
0,170
0
0
0
Средняя молярная масса ,кг/кмоль
44,1…52,6
Низшая теплота сгорания , кДж/кг
46000
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:
Тип двигателя
ДИЗ
1,02…1,12
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
.
Тип двигателя
ДИЗ
карбюраторный
0,80…0,95
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.
Тип двигателя
ДИЗ
С жидким топливом
3,2…4,2
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.
Тип двигателя
,МПа
ДИЗ
2400…3100
3,5…7,5
3,0…6,9
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 .
Тип двигателя
ДИЗ
С жидким топливом
1,23…1,35
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.
Тип двигателя
, МПа
ДИЗ
0,35…0,60
1200…1700
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.
Тип двигателя
ДИЗ
0,94…0,98
Ориентировочные значения среднего индикаторного давления, на полной нагрузке представлены в таблице.
Тип двигателя
,МПа
ДИЗ
нефорсированные
0,6…1,4
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:
Тип двигателя
ДИЗ
0,30…0,45
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:
Тип двигателя
ДИЗ
210…320
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.