Для дизелей с неразделенными камерами сгорания н объемным смесеобразованием ............... 14-17

Для вихрекамерных дизелей ............. 16-20

Для предкамерных дизелей ..............*. 16,5-21

Для дизелей с наддувом ............... 11-17

Нэ основе установленных или заданных исходных данных (тип двигателя, мощность N, частота вращения коленчатого вала п, число i и расположение цилиндров, отношение SID, степень сжатия е) проводят тепловой расчет двигателя, в результате которого определяют основные энергетические {р, Nj, экономические (g, Т1) и конструктивные (D, S, Уд) параметры двигателя. По результатам теплового расчета строят индикаторную диаграмму. Параметры, полученные в тепловом расчете, используются при построении скоростной характеристики и являются исходными при проведении динамического и прочностных расчетов.

В данном учебном пособии приводятся примеры расчетов двух двигателей: карбюраторного и дизеля. С целью рассмотрения различных методов и приемов проведения тепловых, динамических и прочностных расчетов тепловой расчет карбюраторного двигателя проводится для четырех скоростных режимов, а тепловой расчет дизеля - для номинального скоростного режима, но в двух вариантах: а) для дизеля без наддува и б) для дизеля с наддувом. На базе теплового расчета для каждого двигателя построена внешняя скоростная характеристика, проведены динамический расчет и расчет основных деталей и систем двигателя. В связи с этим задание на расчет каждого двигателя приводится один раз перед выполнением теплового расчета. .

§ 17. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КАРБЮРАТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Произвести расчет четырехтактного карбюраторного двигателя, предназначенного для легкового автомобиля. Эффективная мощность двигателя Ng - 60 кВт при частоте вращения коленчатого вала п = 5600 об/мин. Двигатель четырехцилиндровый, i = 4 с рядным }А расположением. Система охлаждения жидкостная закрытого типа. Степень сжатия е = 8,5.

Тепловой расчет

При провё)1ении теплового расчета для нескольких скоростных режимов обычно выбирают 3-4 основных режима. Для карбюраторных двигателей такими режимами являются:

1) режим минимальной частоты вращения «min=600 ч- ЮООоб/мин, обеспечивающий устойчивую работу двигателя;

2) режим максимального крутящего момента при пм= (0,4 -т-Ч- 0,6)плг;

3) режим максимальной (номинальной) мощности при «л;

4) режим максимальной скорости движения автомобиля при

«шах = (1,05-М,20)Плг.

G учетом приведенных рекомендаций и задания (п = 5600 об/ мин) тепловой расчет последовательно проводцтся для п = 1000, 3200, 5600 и 6000 об/мин.

Топливо. В соответствии с заданной степенью сжатия е = 8,5 Можно использовать бензин марки АИ-93.

Средний элементарный состав и молекулярная масса топлива

С =0,855; Н =0,145 и /Пт = 115 кг/кмоль. Низшая теплота сгорания топлива

Ни = 33,91С + 125,60Н - 10,89 (О - S) - 2,51 X {т + W) = = 33,91 . 0,855 + 125.6 • 0,145-2,51 • 9 • 0,145=43,93 МДж/кг=

= 43 930 кДж/кг.

Параметры рабочего тела. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

1 / С , Н О \ 1 / 0,855 , 0,145

0.208

/ 0,208 \

0.23

4 32 ; 0,208 \, 12 = 0,516 КМОЛЬ возд/кг топл;

(Ас-Ь 8Н - о)(А 0.855 + 8 . 0,145).

= 14,957 кг возд/кг топл.

Коэффициент избытка воздуха устанавливается на основании следующих соображений. На современных двигателях устанавливают многокамерные карбюраторы, обеспечивающие получение почти идеального состава смеси по скоростной характеристике. Возможность применения для рассчитываемого двигателя двухкамерного карбюратора с обогатительной системой и системой холостого хода позволяет получить при соответствующей регулировке как мощностной, так и экономичный состав смеси. Стремление получить двигатель достаточно экономичный и с меньшей токсичностью продуктов сгорания, которая достигается при а« 0,95 -f- 0.98, позволяет принять а = = 0,96 на основных режимах, а на режиме минимальнод частоты вращения а = 0,86 (рис. 37).

Количество горючей смеси

Ml = -Ь 1/тт;

при п = 1000 об/мин Mi = 0,86 • 0,516 + 1/15 = 0,4525 кмоль гор. см/кг топл;

при п = 3200, 5600 и 6000 об/мин Ж, =0,96- 0,516+1/115= = 0,5041 кмоль гор. см/кг топл.

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания при/С =0,5 и принятых скоростных режимах:

woo 2000 3000 ЧШ 5000 п, о5/мт

Рис. 37 Исходные параметры для теплового расчета карбюраторного двигателя

при. п = 1000 об/мин

Мсо.- --. 0.208L„ = Ь1-2 1 • 0,208 • 0,516 =

= 0,0512 кмоль СОг/кг тОпл;

== 2 7ТТ • 0-2080 = 2 -"f . 0.208 • 0,516 = 1 + А 1 -f 0,5

- 2-0,5

1 -0,86 1+0,5 1 -а

= 0,0200 кмоль СО/кг топл; Мн.о = --2/С . 0,208L„ =

0,208 • 0,516 = 0,0625 кмоль топл;

0,208 - Lo = 2-0,5 . . 0,208 • 0,516 =

1 + /С " 1 + 0,5

= 0,0100 кмоль На/кг топл; Мы, = 0,792aLo = 0,792 • 0,86 • 0,516 = 0,3515 Кмоль К/кг топл; при п = 3200, 5600 и 6000 об/мин

Мсо, =

0,855 12

2 . 0,208-0,516 = 0,0655 кмоль СО/кгтопл;

1 -f- 0,5

Мсо = 2 -!-. 0,208-0,516 = 0,0057 кмоль СО/кг топл;

1 + 0,5

Мн,о =-4 - 2 • 0,5 -i • 0,208 . 516 = 2 1 + 0,5

= 0,0696 кмоль НгО/кг топл;

Мн. = 2 • 0,5 • 0,208 . 0,516 = 0,0029 кмоль Но/кг топл;

1 + 0,5

Мы, = 0,792 . 0,96 • 0,516 = 0,3923 кмоль Ng/Kr топл.

Общее количество продуктов сгорания

= Мсо, + Мсо + Ми,о + Мн, + Мы, = С/12 + Н/2 + 0,792aLo;

при п = 10Q0 об/мин Mz = 0,0512 + 0,02 + 0,0625 + 0,01 + + 0,3515 = 0,4952 кмоль пр. сг/кг топл.

Проверка: М = 0,855/12 + 0,145/2 + 0,792 . 0,86 • 0,516 = = 0,4952 кмоль пр. сг/кг топл;

при л = 3200, 5600 и 6000 об/мин 2=0,0655 + 0,0057+0,0696+ + 0,0029 + 0,3923 = 0,5360 кмоль пр. сг/кг топл.

Проверка: М = 0,855/12 + 0,145/2 + 0,792 - 0,96 - 0,516 = = 0,5360 кмоль пр. сг/кг топл. 78

Параметры окружающей среды и остаточные газы. Давдени*!1» температура окружающей среды jipn работе двигателя без наддува = р„ = 0,1 МПа и = Го = 293 К-

Температура остаточных газов. Прн постоянном значении степени сжатия е = 8,5 температура остаточных газов практически линейно .возрастает с увеличением скоростного режима при а = const, но уменьшается при обогащении смеси. Учитьгеая, что при п = = 1000 об/мин а =0,86, а на остальных режимах а =0,96, принимается (рис 37):

л = 1000; 3200; 5600: 6000 об/мин;

Г, = 900, 1000, 1060, 1070 К.

Давление остаточных газов за счет расширения фаз газораспределения и- снижения сопротивлений при конструктивном оформлении выпускного тракта рассчитываемого двигателя можно получить на номинальном скоростном режиме

р= 1,18ро=5ь 1,18- 0,1 =0,118 МПа.

Тогда

P = {PrN-Po- .035) 10V( 4Ро) = (0,118-- 0,1 . 1,035) 10V(600« . 0,1) = 0,4624; " р =.р„ (1,035 + Ар • 10-»п2) = 0,1 (1,035 + 0,4624 - lOV) = = 0,1035 + 0,4624. 10-9л2.

Отсюда получим:

п = 1000; 3200; 5600; 6000 рб/мин; >, = 0,1040; 0,1082; 0,1180; 0,120ГМПа. ,

Процесс впуска. Температура подогрева свежего заряда. С целью получения хорошего наполнения двигателя на номинальном скоростном режиме принимается АГдт = 8°С. Тогда

= АТм/{ 110 - 0,0125 nv) = 8/(110 - 0,0125 - 5600) = 0,2;

AT = Л (110 - 0,0125 п) = 0,2 (110 - 0,0125 п) = 22 - 0,0025 п.

Далее получим:

п = 1000; 3200; 5600; 6000 об/мин;

АГ= 19.5; 14; 8; 7 °С.

Плотность заряда на впуске

Ро = Ро • 10«/(Rb7o) = 0,1 • 10«/(287 . 293) = 1,189 кг/м«,

где Rb = 287 Дж/кг- град - удельная газовая постоянная для воздуха.

Потери давления на впуске. В соответствии со скоростным режимом двигателя (п = 5600 об/мин) и при условии качественной обработкивнутренней поверхности впускной системы можно принять

-j =2,8 и = 95 м/с. Тогда

Лп = аУвп/Пл? = 95/5600= 0,01696;

Ap« = (Pi-«n4- 1 О-в/2. Отсюда получим:

при п = 1000 об/мин Ара = 2,8 • 0,01696 • 1000 • 1,189 х X 10-в/2 = 0,0005 МПа;

при п =3200 об/мин Ара = 2,8 • 0,01696 • 3200" . 1,189 х X 10-в/2 = 0,0049 МПа;

при п = 5600 об/мин Ара = 2,8 • 0,01696 • 5600" • 1,189 х X 10-в/2 =0,0150 МПа;

при п = 6000 об/мин Ара = 2,8 • 0,01696" • 6000* • 1,189 х X 10-в/2 = 0,0172 МПа.

Давление в конце впуска

Ра =Ро- АРа.

п = 1000; 3200; 5600; 6000 об/мин; Ра 0,0995 0,0951 0,0850 0,0828 МПа.

Коэффициент остаточных газов. При определении для двигателя без наддува принимается коэффициент очистки = 1, а коэффициент дозарядки на номинальном скоростном режиме фдоз = 1,10, , что вполне возможно получить при подборе угла опаздывания закрытия впускного клапана в пределах 30-60 . При этом на минимальном скоростном режиме (п = 1000 об/мин) возможен обратный выброс в пределах 5%, т. е. Фдз = 0,95. На остальных режимах значения Фдоз можно получить, приняв линейную зависимость фдд от скоростного режима (рис. 37). Тогда

, Тр + АТ 9о,р,

При п = 1000 об/мин Vr =

= 0,0516;

при п = 3200 об/мин V,. = = 0.0461;

при п = 5600 об/мин = = 0,0495;

при п = 6000 об/мин V,. = = 0,0509. 80

293 -f 19,5 900

293 + 14 1000

293 -f 8

0,104

8,5-0,95-0,0995 - 0,104

0,1082 8,5-1,025-0,0951 -0.1082

0,118

1060 8.5 • 1.1 • 0,085 - 0,118

,293 + 7 0,1201

1070 8,5- 1,11 -0.0828 - 0,1201

Температура в конце впуска

1Г, = (Г„ + ДГ + 7.Г.)/(1+7.).

При п = ЮООоб/мин = (293 + 19,5 + 0,0516 • 900/(1 +0,0516) = = 341 К;

при п = 3200 об/мин = (293 + 14 + 0,0461 • 1000)/(1 +0,0461)= = 338 К;

при п = 5600 об/мин = (293 + 8 + 0,0495 • 1060)/(1 +0,0495) = = 337 К;

при п = 6000об/мин = (293 + 7 + 0,0509 • 1070)/(1 +0,0509) = = 337 К.

Коэффициент наполнения

То 1

Го -f ДГ е - 1 Ро 293

(ТдозбРа -ТочРг)-

При п = 1000 об/мин у]у= X 8,5 . 0,0995 - 0,104) = 0,8744;

293 -f 19,5 8,5-1

- (0,95 X 0,1

при п = 3200 об/мин у\у = X 0,0951 -0,1082) =0,9167;

при п= 5600 об/мин 7),= X 0,085 - 0,118) = 0,8784;

при п = 6000 об/мин

293 -f 14

293 293-f 8

8,5 - 1 1

8.5-1 1

8.5-1

(1,025. 8,5 X

(1,1 . 8,5 X

(1,11 . 8.5 X

293 + 7 X 0,0828 -0,1201) = 0,8609.

Процесс сжатия. Средний по азатель адиабаты сжатия fej при е = 8,5 и рассчитанных значениях Та определяется по графику (см. рис. 25), а средний показатель политропы сжатия tit принимается несколько меньше kt. При выборе tit учитывается, что с уменьшением частоты вращения теплоотдача от газов в стенки цилиндра увеличивается, а щ уменьшается по сравнению с fei более значительно:

п = 1000; 3200; 5600; 6000 об/мин; А:, = 1,3767; 1,3771; 1,3772; 1,3772; Г= 341, 338, 337, 337 К; «1= 1,370; 1,376; 1,377; 1,377. Давление в конце сжатия

Pc-Pa

При п = 1000 об/мин Рс = 0,0995 • 8,5 = 1,8666 МПа; . .при п = 3200 об/мин Рс = 0,0951 - 8,5 = 1,8072 МПа;