Расчет рабочего процесса двигателя

Расчет рабочего процесса двигателя

 

Тепловой расчет двигателя

 

Эффективная мощность карбюраторного двигателя N_e=35 кВт при частоте n=5000об/мин. Двигатели четырехцилиндровые, i=2 с рядным расположением. Степень сжатия ε=9,9 и диаметр цилиндра D=76 мм.

Для проведения теплового расчета выбираю следующие режимы:

1. Режим минимальной частоты вращения n_min=820об/мин;

2. Режим максимального крутящего момента при n_M=3000об/мин;

3. Режим максимальной (номинальной) мощности при n_N=5000об/мин;

4. Режим максимальной скорости движения автомобиля при n_max=6000об/мин.

Топливо

В соответствии с заданными степенями сжатия можно использовать бензин марки Премиум-95.

Средний элементарный состав и молекулярная масса бензина

С=0,855;

Н=0,145;

m_т=115 кг/кмоль.

Низшая теплота сгорания топлива

Параметры рабочего тела

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:

Определяю значение коэффициента избытка воздуха. На основных режимах принимаю α=0,96; а на режиме минимальной частоты вращения α=0,86. Далее привожу численные расчеты только для режима максимальной мощности. Для остальных режимов окончательные значения привожу в табличной форме.

Количество горючей смеси:

При n = 820 об/мин

При n = 3000, 5000, 6000 об/мин

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

При n = 820 об/мин

При n = 3000, 5000, 6000 об/мин

Общее количество продуктов сгорания:

При n = 820 об/мин

При n = 3000, 5000, 6000 об/мин

 

Параметры окружающей среды и остаточные газы

Давление и температура окружающей среды при работе двигателей без надува

По справочным данным определяю, что температура остаточных данных на номинальном режиме равна:

n= 820; n= 3000; n= 5000; n= 6000 об/мин;

T_r = 900; T_r= 1000; T_r= 1050; T_r= 1075 К.

Давление остаточных газов на номинальном режиме равна:

Тогда величины давления на остальных режимах работы двигателя равны:

где

Отсюда получим:

n= 820; n= 3000; n= 5000; n= 6000 об/мин;

p_r= 0,1038; p_r= 0,1077; p_r= 0,1151; p_r= 0,1201 МПа.

 

Процесс впуска

Температура подогрева свежего заряда. С целью получения заряда хорошего наполнения двигателя на номинальном скоростной режиме, принимается ΔТ_N=8⁰С.

Определяем значение ΔТ для остальных режимов:

Далее получаем:

n= 820; n= 3000; n= 5000; n= 6000 об/мин;

Δ T = 17; Δ T = 12,4; Δ T = 8,2; Δ T = 6,1˚С.

Плотность заряда на выпуске

Потери давления на впуске. В соответствии со скоростными режимами и при учете качественной обработки внутренних поверхностей впускных систем можно принять

Тогда на всех скоростных режимах двигателей рассчитывается по формуле:

При n= 820 об/мин

,

При n= 3000 об/мин

,

При n= 5000 об/мин

,

При n= 6000 об/мин

,

Давление в конце впуска:

n= 820; n= 3000; n= 5000; n= 6000 об/мин;

p_a = 0,0997; p_a = 0,0914; p_a = ; p_a = 0,0655 МПа.

 

Коэффициент остаточных газов. При определении для карбюраторного двигателя без надува принимается коэффициент очистки , а коэффициент дозарядки на номинальном скоростном режиме – , что вполне возможно получить при подборе угла опаздывания закрытия впускного клапана в пределах . При этом на номинальном скоростном режиме возможен обратный выброс в пределах 5%, т.е. . На остальных скоростных режимах значение можно получить, приняв линейную зависимость от скоростного режима.

Тогда

При n= 820 об/мин

При n= 3000 об/мин

При n= 5000 об/мин

При n= 6000 об/мин

Температура в конце впуска:

При n= 820 об/мин

При n= 3000 об/мин

При n= 5000 об/мин

При n= 6000 об/мин

Коэффициент наполнения:

При n= 820 об/мин

При n= 3000 об/мин

;

При n= 5000 об/мин

При n= 6000 об/мин

Процесс сжатия

Средний показатель адиабаты сжатия при n_N =5000 мин ^-1, Т_а =330К и по номограмме равен k ₁=1,3799. Средний показатель политропы принимаю n ₁=1,377

n= 820; 3000; 5000; 6000;

k₁ = 1,3795; 1,3797; 1,3799; 1,377;

T_a= 334; 332; 330; 340;

n₁= 1,3725; 1,3727; 1,3728; 1,3705;

Давление в конце сжатия:

При n= 820 об/мин

При n= 3000 об/мин

При n= 5000 об/мин

При n= 6000 об/мин

Температура в конце сжатия:

При n= 820 об/мин

При n= 3000 об/мин

При n= 5000 об/мин

При n= 6000 об/мин

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:

а) свежей смеси

где

t_c= T_c- 273 ^oC;

n= 820; 3000; 5000; 6000 об/мин;

t_c = 512; 507; 503; 522 ^oC;

21,951; 21,937; 21,927; 21,977 ;

б) остаточных газов (определяется методом интерполяции).

При , и , и в соответствии с табличными данными получаем:

Исходя из этого теплоемкость продуктов сгорания при и равна:

При , и , и в соответствии с табличными данными получаем:

Исходя из этого теплоемкость продуктов сгорания при и равна:

При , и , и в соответствии с табличными данными получаем:

в) рабочей смеси:

При n= 820 об/мин

При n= 3000 об/мин

При n= 5000 об/мин

При n= 6000 об/мин

 

Процесс сгорания

Коэффициент молекулярного изменения горючей и рабочей смеси:

При n= 820 об/мин

При n= 3000 об/мин ;

При n= 5000 об/мин

При n= 6000 об/мин

Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания, и теплота сгорания рабочей смеси:

При n= 820 об/мин

При n= 3000, 5000, 6000 об/мин

При n= 820 об/мин

При n= 3000 об/мин

При n= 5000 об/мин

При n= 6000 об/мин

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания определяем по формуле:

При n= 820 об/мин

При n= 3000, 5000, 6000 об/мин

Коэффициент использования теплоты зависит от совершенствования организации процессов смесеобразования и сгорания топлива. Выбираем его по табличным данным и принимаем

n= 820; 3000; 5000; 6000 об/мин;

= 0,825; 0,925; 0,93; 0,89.

Температура в конце видимого процесса сгорания:

При n= 820 об/мин

При n= 3000 об/мин

При n= 5000 об/мин

При n= 6000 об/мин

Максимальное давление сгорания теоретическое:

При n= 820 об/мин

При n= 3000 об/мин

При n= 5000 об/мин

При n= 6000 об/мин

Максимальное давление сгорания действительное:

При n= 820 об/мин

При n= 3000 об/мин

При n= 5000 об/мин

При n= 6000 об/мин

Степень повышения давления

 

При n= 820 об/мин

При n= 3000 об/мин

При n= 5000 об/мин

При n= 6000 об/мин

 

Тепловой баланс

Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом:

n= 820; 3000; 5000; 6000 об/мин;

= 1,689; 5,409; 9,315; 8,17 .

21611; 66006; 113671; 99699

Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1 с:

Q_e = 1000N_e

n= 820; 3000; 5000; 6000 об/мин;

Q_e = 6230; 22360; 35500; .

Теплота, передаваемая охлаждающей среде:

где с = 0,45…0,53 — коэффициент для четырехтактных двигателей. i — число цилиндров; D — диаметр цилиндра, см; n — частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин; m = 0,6…0,7 — показатель степени для четырехтактных двигателей. В расчете принято при n= 820 об/мин m = 0,6, а на всех остальных скоростных режимах — m = 0,65.

При n = 820 мин^-1,

При n = 3000 мин^-1,

При n = 5000 мин^-1,

При n = 6000 мин^-1,

Теплота, унесенная с отработанными газами:

При n = 820 мин^-1,

При n = 3000 мин^-1,

При n = 5000 мин^-1,

При n = 6000 мин^-1,

 

Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива

При n = 820 мин^-1,

При n = 3000 мин^-1,

При n = 5000 мин^-1,

При n = 6000 мин^-1,

Неучтенные потери теплоты

При n = 820 мин^-1,

При n = 3000 мин^-1,

При n = 5000 мин^-1,

При n = 6000 мин^-1,

 

Таблица 1.3. Тепловой баланс двигателя

n
Дж/с	%	Дж/с	%	Дж/с	%	Дж/с	%
						49,83
		14,41		16,94		15,56		11,9
		13,75		16,08		15,41		18,85
		10,67		12,95		15,55		15,11
		9,4		2,82		2,81		2,82
		1,76		1,22		0,84		1,32
Σ

 

Рисунок-1.2. Зависимость составляющих теплового баланса карбюраторного двигателя от частоты вращения коленчатого вала.

 

Силы давления газов

Индикаторную диаграмму, полученную в тепловом расчете, развертываем по углу поворота кривошипа по методу Брикса.

Поправка Брикса

где масщтаб хода поршня на индикаторной диаграмме.

Масштабы развернутой диаграммы: давления и удельных сил в мм; полных сил

, угла поворота кривошипа

 

Удельные суммарные силы

Удельная сила

Расчет представлен в таблице 3.1.

Удельная нормальная сила

Расчет представлен в таблице 3.1.

Удельная сила, действующая вдоль шатуна

Расчет представлен в таблице 3.1.

Удельная и полная тангенциальные силы

Расчет представлен в таблице 3.1.

По данным таблице 3.1. строим графики изменения удельных сил в зависимости от изменения угла поворота коленчатого вала .

 

Таблица 3.1

φпкв	мПа	j, мПа	, мПа	tgβ					, мПа
-360	0,081875	-2,57313225	-2,491257				-2,49126
-350	0,082114	-2,50860291	-2,426489	0,049	-0,1189	0,976	-2,36825	0,221	-0,53625
-340	0,082353	-2,32024159	-2,237889	0,096	-0,2148	0,907	-2,02976	0,432	-0,96677
-330	0,082592	-2,02232112	-1,939729	0,141	-0,2735	0,795	-1,54208	0,622	-1,20651
-320	0,082831	-1,63755744	-1,554726	0,182	-0,283	0,649	-1,00902	0,782	-1,2158
-310	0,08307	-1,19449623	-1,111426	0,218	-0,2423	0,476	-0,52904	0,903	-1,00362
-300	0,083309	-0,72369344	-0,640384	0,248	-0,1588	0,285	-0,18251	0,99	-0,63398
-290	0,083548	-0,25630809	-0,17276	0,27	-0,0466	0,088	-0,0152	1,032	-0,17829
-280	0,083787	0,179918231	0,2637052	0,284	0,07489	-0,106	-0,02795	1,034	0,272671
-270	0,084026	0,562872679	0,6468987	0,289	0,18695	-0,289	-0,18695		0,646899
-260	0,084265	0,877880353	0,9621454	0,284	0,27325	-0,453	-0,43585	0,936	0,900568
-250	0,084504	1,118709449	1,2032134	0,27	0,32487	-0,596	-0,71712	0,847	1,019122
-240	0,084743	1,286566123	1,3713091	0,248	0,34008	-0,715	-0,98049	0,742	1,017511
-230	0,084982	1,389893464	1,4748755	0,218	0,32152	-0,81	-1,19465	0,626	0,923272
-220	0,085221	1,442160213	1,5273812	0,182	0,27798	-0,883	-1,34868	0,503	0,768273
-210	0,08546	1,459448445	1,5449084	0,141	0,21783	-0,937	-1,44758	0,378	0,583975
-200	0,085699	1,457840238	1,5435392	0,096	0,14818	-0,973	-1,50186	0,252	0,388972
-190	0,085938	1,450804329	1,5367423	0,049	0,0753	-0,993	-1,52599	0,126	0,19363
-180	0,086177	1,447386888	1,5335639			-1	-1,53356
-170	0,086744869	1,450804329	1,5375492	-0,049	-0,0753	-0,993	-1,52679	-0,126	-0,19373
-160	0,088490546	1,457840238	1,5463308	-0,096	-0,1484	-0,973	-1,50458	-0,252	-0,38968
-150	0,091545205	1,459448445	1,5509937	-0,141	-0,2187	-0,937	-1,45328	-0,378	-0,58628
-140	0,096145117	1,442160213	1,5383053	-0,182	-0,28	-0,883	-1,35832	-0,503	-0,77377
-130	0,102662489	1,389893464	1,492556	-0,218	-0,3254	-0,81	-1,20897	-0,626	-0,93434
-120	0,111658351	1,286566123	1,3982245	-0,248	-0,3468	-0,715	-0,99973	-0,742	-1,03748
-110	0,123970711	1,118709449	1,2426802	-0,27	-0,3355	-0,596	-0,74064	-0,847	-1,05255
-100	0,140860748	0,877880353	1,0187411	-0,284	-0,2893	-0,453	-0,46149	-0,936	-0,95354
-90	0,16425687	0,562872679	0,7271295	-0,289	-0,2101	-0,289	-0,21014	-1	-0,72713
-80	0,197164834	0,179918231	0,3770831	-0,284	-0,1071	-0,106	-0,03997	-1,034	-0,3899
-70	0,24435444	-0,25630809	-0,011954	-0,27	0,00323	0,088	-0,00105	-1,032	0,012336
-60	0,313470226	-0,72369344	-0,410223	-0,248	0,10174	0,285	-0,11691	-0,99	0,406121
-50	0,41661728	-1,19449623	-0,777879	-0,218	0,16958	0,476	-0,37027	-0,903	0,702425
-40	0,571678878	-1,63755744	-1,065879	-0,182	0,19399	0,649	-0,69176	-0,782	0,833517
-30	0,799239798	-2,02232112	-1,223081	-0,141	0,17245	0,795	-0,97235	-0,622	0,760757
-20	1,101838329	-2,32024159	-1,218403	-0,096	0,11697	0,907	-1,10509	-0,432	0,52635
-10	1,409183364	-2,50860291	-1,09942	-0,049	0,05387	0,976	-1,07303	-0,221	0,242972
	1,55	-2,57313225	-1,023132				-1,02313
	4,913989092	-2,50860291	2,4053862	0,049	0,11786	0,976	2,34766	0,221	0,53159
	4,419344403	-2,32024159	2,0991028	0,096	0,20151	0,907	1,90389	0,432	0,906812
	3,290628952	-2,02232112	1,2683078	0,141	0,17883	0,795	1,0083	0,622	0,788887
	2,418864542	-1,63755744	0,7813071	0,182	0,1422	0,649	0,50707	0,782	0,610982
	1,808812071	-1,19449623	0,6143158	0,218	0,13392	0,476	0,29241	0,903	0,554727
	1,392896247	-0,72369344	0,6692028	0,248	0,16596	0,285	0,19072	0,99	0,662511
	1,108044115	-0,25630809	0,851736	0,27	0,22997	0,088	0,07495	1,032	0,878992
	0,909828625	0,179918231	1,0897469	0,284	0,30949	-0,106	-0,11551	1,034	1,126798
	0,769335273	0,562872679	1,332208	0,289	0,38501	-0,289	-0,38501		1,332208
	0,668066421	0,877880353	1,5459468	0,284	0,43905	-0,453	-0,70031	0,936	1,447006
	0,594112371	1,118709449	1,7128218	0,27	0,46246	-0,596	-1,02084	0,847	1,45076
	0,539687357	1,286566123	1,8262535	0,248	0,45291	-0,715	-1,30577	0,742	1,35508
	0,499614712	1,389893464	1,8895082	0,218	0,41191	-0,81	-1,5305	0,626	1,182832
	0,470404673	1,442160213	1,9125649	0,182	0,34809	-0,883	-1,68879	0,503	0,96202
	0,449691683	1,459448445	1,9091401	0,141	0,26919	-0,937	-1,78886	0,378	0,721655
	0,435890173	1,457840238	1,8937304	0,096	0,1818	-0,973	-1,8426	0,252	0,47722
	0,427985507	1,450804329	1,8787898	0,049	0,09206	-0,993	-1,86564	0,126	0,236728
	0,425411336	1,447386888	1,8727982			-1	-1,8728
	0,42400	1,450804329	1,8748043	-0,049	-0,0919	-0,993	-1,86168	-0,126	-0,23623
	0,40500	1,457840238	1,8628402	-0,096	-0,1788	-0,973	-1,81254	-0,252	-0,46944
	0,38600	1,459448445	1,8454484	-0,141	-0,2602	-0,937	-1,72919	-0,378	-0,69758
	0,36700	1,442160213	1,8091602	-0,182	-0,3293	-0,883	-1,59749	-0,503	-0,91001
	0,34800	1,389893464	1,7378935	-0,218	-0,3789	-0,81	-1,40769	-0,626	-1,08792
	0,32900	1,286566123	1,6155661	-0,248	-0,4007	-0,715	-1,15513	-0,742	-1,19875
	0,31000	1,118709449	1,4287094	-0,27	-0,3858	-0,596	-0,85151	-0,847	-1,21012
	0,29100	0,877880353	1,1688804	-0,284	-0,332	-0,453	-0,5295	-0,936	-1,09407
	0,27200	0,562872679	0,8348727	-0,289	-0,2413	-0,289	-0,24128	-1	-0,83487
	0,25300	0,179918231	0,4329182	-0,284	-0,1229	-0,106	-0,04589	-1,034	-0,44764
	0,23400	-0,25630809	-0,022308	-0,27	0,00602	0,088	-0,00196	-1,032	0,023022
	0,21500	-0,72369344	-0,508693	-0,248	0,12616	0,285	-0,14498	-0,99	0,503607
	0,19600	-1,19449623	-0,998496	-0,218	0,21767	0,476	-0,47528	-0,903	0,901642
	0,17700	-1,63755744	-1,460557	-0,182	0,26582	0,649	-0,9479	-0,782	1,142156
	0,15800	-2,02232112	-1,864321	-0,141	0,26287	0,795	-1,48214	-0,622	1,159608
	0,13900	-2,32024159	-2,181242	-0,096	0,2094	0,907	-1,97839	-0,432	0,942296
	0,12000	-2,50860291	-2,388603	-0,049	0,11704	0,976	-2,33128	-0,221	0,527881
	0,10100	-2,57313225	-2,472132				-2,47213

 

 

Рисунок-3.1. Силы, действующие в КШМ одного цилиндра двигателя ДВС

Среднее значение тангенциальной силы за цикл:

по данным теплового расчета

по площади, заключенной между кривой и осью абсцисс

Крутящие моменты

Крутящий момент одного цилиндра

Период изменения крутящего момента четырехтактного двигателя с равными интервалами между вспышками

Суммирование значений крутящих моментов всех четырех цилиндров двигателя осуществляется табличным методом (таблица 3.2.), через каждые 10 угла поворота коленчатого вала и по полученным данным строиться кривая .

Таблица 3.2

	Цилиндр	Нм
1-й	2-й	1-й	2-й
кривошипа	Нм	кривошипа	Нм	кривошипа	Нм	кривошипа	Нм
		-110,4 -199,2 -248,5 -252,05 -130,6 -126 +56,09 +35,8 +133,1 +209,8 +209,5 +189,9 +158,3 +115,4 +80,2 +63,2 +39,8		-80,2 -120,7 -138,8 -159,4 -192,4 -213,7 -216,6 -196,3 -149,8 -80,23 +2,6 +83,8 +144,6 +170,4 +156,2 +108,3 +50,1		+109,3 +186,7 +162,6 +125,7 +114,3 +136,3 +181 +232,2 +274,4 +298,2 +298,9 +279 +243,5 +198,1 +148,8 +98,3 +48,6		-48,6 -96,6 -144,1 -187,4 -224 -246,7 -249,2 -225,4 -171,8 -92,3 +4,8 +103,7 +185,7 +235 +238,9 +194,2 +108,6	0,000 -129,9 -229,8 -368,8 -473,2 -432,7 -450,1 -228,7 -153,7 +85,9 +335,47 +515,8 +656,4 +732,1 +718,9 +624,1 +464 +247,1 0,000

Рисунок-4.1. Построение крутящего момента.

Средний крутящий момент двигателя:

по данным теплового расчета

по площади, заключенной под кривой

Максимальный и минимальный крутящий моменты

Расчет рабочего процесса двигателя

 

Тепловой расчет двигателя

 

Эффективная мощность карбюраторного двигателя N_e=35 кВт при частоте n=5000об/мин. Двигатели четырехцилиндровые, i=2 с рядным расположением. Степень сжатия ε=9,9 и диаметр цилиндра D=76 мм.

Для проведения теплового расчета выбираю следующие режимы:

1. Режим минимальной частоты вращения n_min=820об/мин;

2. Режим максимального крутящего момента при n_M=3000об/мин;

3. Режим максимальной (номинальной) мощности при n_N=5000об/мин;

4. Режим максимальной скорости движения автомобиля при n_max=6000об/мин.

Топливо

В соответствии с заданными степенями сжатия можно использовать бензин марки Премиум-95.

Средний элементарный состав и молекулярная масса бензина

С=0,855;

Н=0,145;

m_т=115 кг/кмоль.

Низшая теплота сгорания топлива

Параметры рабочего тела

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:

Определяю значение коэффициента избытка воздуха. На основных режимах принимаю α=0,96; а на режиме минимальной частоты вращения α=0,86. Далее привожу численные расчеты только для режима максимальной мощности. Для остальных режимов окончательные значения привожу в табличной форме.

Количество горючей смеси:

При n = 820 об/мин

При n = 3000, 5000, 6000 об/мин

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

При n = 820 об/мин

При n = 3000, 5000, 6000 об/мин