Оценка параметров процессов расширения и выпуска

3.1 Цель и содержание

Выполнение практической работы имеет своей целью углубление и закрепление знаний теории процессов, характеризующих расширение и выпуск в силовых агрегатах поршневого типа.

Содержанием практической работы является изучение и практическое применение расчетных методик определения параметров, характеризующих степень совершенства организации процессов расширения и выпуска в силовых агрегатах поршневого типа.

Организационная форма занятия – метод анализа конкретных результатов.

Вопросы для обсуждения

1. Анализ факторов определяющих показатели процессов расширения и выпуска в двигателях с принудительным воспламенением

2. Анализ факторов определяющих показатели процессов расширения и выпуска в двигателях с самовоспламенением

3. Анализ конструктивных факторов определяющих показатели процессов расширения и выпуска

3.2 Методические рекомендации

В результате процесса расширения тепловая энергия топлива преобразуется в механическую работу. В реаль­ных двигателях расширение протекает по сложному закону, завися­щему от теплообмена между газами и окружающими стенками, величины подвода теплоты в результате догорания топлива и вос­становления продуктов диссоциации, утечки газа через неплотности, уменьшения теплоемкости продуктов сгорания вследствие пониже­ния температуры при расширении, уменьшения количества газов в связи с началом выпуска (предварение открытия выпускного клапана).

Так же как и при рассмотрении процесса сжатия, условно счита­ют, что процесс расширения в действительном цикле протекает по политропе с переменным показателем, который в начальный период изменяется от 0 до 1 (идет настолько интенсивное догорание топ­лива, что температура газов повышается, несмотря на расширение), затем увеличивается и достигает значения показателя адиабаты (выделение теплоты вследствие догорания топлива и восстановле­ния продуктов диссоциации уменьшается и становится равным от­воду теплоты за счет теплообмена и утечки газов через неплот­ности) и, наконец, превышает показатель адиабаты (выделение теп­лоты меньше отвода теплоты). Для упрощения расчетов кривая процесса расширения обычно принимается за политропу с постоян­ным показателем п₂.

Величина среднего показателя политропы расширения п₂ устана­вливается по опытным данным в зависимости от ряда факторов. Значение п₂ возрастает с увеличением коэффициента использования теплоты, отношения хода поршня S к диаметру D цилиндра и ин­тенсивности охлаждения. C ростом нагрузки и увеличение линейных размеров цилиндра (при S/D=const) средний показатель полит­ропы расширения п₂ уменьшается. При увеличении быстроходности двигателя величина п₂, как правило, снижается, но не для всех типов двигателей и не на всех скоростных режимах.

Учитывая, что по опытным данным величина среднего показа­теля политропы расширения п₂ незначительно отличается от показа­теля адиабаты к₂ и, как правило, в меньшую сторону, при пред­варительных расчетах новых двигателей величину п₂ можно оценить по величине к₂ для соответствующих значений ε (или δ), α и Т₂.

Средние значения величины n_{2 ,} полученные из анализа индикаторных диаграмм, для различных современных силовых агрегатов изменяются в пределах (для номинальной нагрузки):

Для бензиновых двигателей……………………….1,23-1,30

Для дизелей…………………………………………1,18-1,28

Для газовых двигателей……………………………1,25-1,35

Значения давления (МПа) и температуры (К) в конце процесса расширения определяются по формулам политропического процесса.

Для двигателей, работающих по циклам:

С подводом теплоты при постоянном объеме

со смешанным подводом теплоты

где - степень последующего расширения.

Примерные значения давления р_b и температуры Т_b для современных автомобилей и тракторных двигателей без наддува (на номинальном режиме) лежат в пределах:

Для бензиновых двигателей………… р_b =0,35-0,60 МПа

Т_b =1200-1700K

Для дизелей………………………….. р_b =0,25-0,50 МПа

Т_b =1000-1200K

За период выпуска из цилиндра двигателя удаляются отработавшие газы.

Открытие выпускного клапана до прихода поршня в н.м.т., снижая полезную работу расширения, способствует качественной очистке цилиндра от продуктов сгорания и уменьшает работу, необходимую для выталкивания отработавших газов. В современных двигателях открытие выпускного клапана происходит за 40-80 до н.м.т. и с этого момента начинается истечение отработавших газов с критической скоростью 600-700 м/с. За этот период, заканчивающийся вблизи н.м.т в двигателях без наддува и несколько позже при наддуве, удаляется 60-70% отработавших газов. При дальнейшем движении поршня в в.м.т истечение газов происходит со скоростью 200-250 м/с и к концу выпуска не превышает 60-100 м/с. Средняя скорость истечения газов за период выпуска на номинальном режиме находится в пределах 60-150 м/с.

Закрытие выпускного клапана происходит через 10-50 после в.м.т., что повышает качество очистки цилиндра за счет эжекционного свойства потока газа, выходящего из цилиндра с большой скоростью.

Задания.

1. Запустить программу расчетов.

2. Ввести исходные данные.

3. Проверить правильность введения исходных данных (по графическому материалу, выводимому на экран дисплея).

4. Откорректировать данные (при необходимости).

5. Распечатать результаты расчетов.

6. Изменить конструктивные и эксплуатационные факторы с последующей распечаткой новых результатов расчетов.

7. После ввода исходных данных и получения результатов расчета на ЭВМ выполнить анализ влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на параметры процессов расширения и выпуска.

 

3.4 Вопросы и задания для формирования и контроля владения компетенциями.

 

1. Какие факторы определяют выбор показателя политропы расширения?

2. Каковы значения скоростей истечения продуктов сгорания в разные фазы процессов выпуска?

3. Какие факторы определяют значения T_b, p_b?

4. Какие факторы определяют значения T_r, p_r?

5. Выполнить анализ влияния режимных факторов на показатели процессов расширения и выпуска в двигателях с принудительным воспламенением

6. Выполнить анализ влияния режимных факторов на показатели процессов расширения и выпуска в двигателях с самовоспламенением

Список литературы [1,2,3,4,5]

 

4.ОЦЕНКА ИНДИКАТОРНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОЧЕГО ЦИКЛА.

4.1 Цель и содержание

Выполнение практической работы имеет своей целью углубление и закрепление знаний теории процессов, характер протекания которых определяет индикаторные показатели силовых агрегатов поршневого типа.

Содержанием практической работы является изучение и практическое применение расчетных методик определения параметров, характеризующих степень совершенства организации внутрицилиндровых процессов в силовых агрегатах поршневого типа.

Организационная форма занятия – метод анализа конкретных результатов.

Вопросы для обсуждения

1. Индикаторные показатели в двигателях с принудительным воспламенением

2. Индикаторные показатели в двигателях с самовоспламенением

3. Взаимосвязь индикаторных показателей.

4.2 Методические рекомендации

Для бензинового двигателя, работающего по циклу с подводом теплоты при V=const, теоретическое среднее индикаторное давление

Для дизеля, работающего по циклу со смешанным подводом теплоты

Среднее индикаторное давление р_i действительного цикла отличается от значения на величину, пропорциональную уменьшению расчетной диаграммы за счет скругления в точках с,z,b.

Индикаторный КПД (η_i) характеризует степень использования в действительном цикле теплоты топлива для получения полезной работы и представляет собой отношение теплоты, эквивалентной индикаторной работе цикла, ко всему количеству теплоты, введённой в цилиндр с топливом.

Для 1 кг топлива

где L – теплота, эквивалентная индикаторной работе, МДж/кг;

H_u - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.

Таким образом, индикаторный КПД учитывает все тепловые потери действительного цикла.

Для автомобильных двигателей, работающих на жидком топливе:

где в МПа; - в кг/кг топл.; - в МДж/кг топл.; - в кг/м³.

Задания.

1. Запустить программу расчетов.

2. Ввести исходные данные.

3. Проверить правильность введения исходных данных (по графическому материалу, выводимому на экран дисплея).

4. Откорректировать данные (при необходимости).

5. Распечатать результаты расчетов.

6. Изменить конструктивные и эксплуатационные факторы с последующей распечаткой новых результатов расчетов.

7. После ввода исходных данных и получения результатов расчета на ЭВМ выполнить анализ влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на индикаторные показатели рабочего цикла.

 

4.4 Вопросы и задания для формирования и контроля владения компетенциями.

 

1. В чем состоит основная особенность индикаторных показателей рабочего цикла?

2. Что характеризует ?

3. От каких факторов зависит ?

4. Каковы значения для различных типов силовых агрегатов?

5. Выполнить анализ влияния конструктивных факторов на индикаторные показатели в двигателях с принудительным воспламенением

6. Выполнить анализ влияния конструктивных факторов на индикаторные показатели в двигателях с самовоспламенением

Список литературы [1,2,3,4,5]

 

5.ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОЧЕГО ЦИКЛА.

5.1 Цель и содержание

Выполнение практической работы имеет своей целью углубление и закрепление знаний теории процессов, характер протекания которых определяет эффективные показатели силовых агрегатов поршневого типа.

Содержанием практической работы является изучение и практическое применение расчетных методик определения параметров, характеризующих степень совершенства организации рабочего процесса в целом.

Организационная форма занятия – решение проблемных ситуаций.

Вопросы для обсуждения

1. Взаимосвязь индикаторных и эффективных показателей

2. Анализ проблем препятствующих улучшению эффективных показателей двигателей с принудительным воспламенением

3. Анализ проблем препятствующих улучшению эффективных показателей двигателей с самовоспламенением

5.2 Методические рекомендации

Потери на преодоление различных сопротивлений оценивают величиной работы, соответствующей мощности механических потерь, отнесенной к единице рабочего объема цилиндра.

При проведении предварительных расчетов двигателей механические потери, характеризуемые средним давлением р_м, приближенно можно определить по линейным зависимостям от средней скорости поршня.

Для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением S/D >1

для бензиновых восьмицилиндровых двигателей с отношением S/D <1

для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением S/D ≤1

для высокофорсированных двигателей с электронным управлением впрыском топлива.

для четырехтактных дизелей с неразделенными камерами

Среднее эффективное давление р_е представляет собой отношение эффективной работы на валу двигателя к единице рабочего объема цилиндра. В расчетах двигателей р_е определяется по среднему индикаторному давлению

р_е = p_i – p_m

Значения среднего эффективного давления р_е (МПа) при номинальной нагрузке изменяются в следующих пределах:

Для четырехтактных карбюраторных двигателей……..0,6-1,1

двигателей с электронным впрыском……………………до 1,3

Для четырехтактных дизелей без наддува………………0,65-0,85

Для четырехтактных дизелей с наддувом……………….до 2,0

 

С ростом среднего эффективного давления улучшаются условия использования рабочего объема цилиндра, что дает возможность создавать более легкие и компактные двигатели.

Отношение среднего эффективного давления к индикаторному называется механическим КПД двигателя:

или

С увеличением потерь в двигателе уменьшается. При снижении нагрузки в карбюраторном двигателе значительно возрастает из-за увеличения потерь на газообмен. При холостом ходе и

Механический КПД различных двигателей, работающих на номинальном режиме, изменяется в следующих пределах:

Для бензиновых двигателей………………………0,75-0,92

Для четырехтактных дизелей без наддува………0,7-0,82

Полезная работа, получаемая на валу двигателя в единицу времени, называется эффективной мощностью :

где - Мпа, - л, - мин^-1.

Связь между эффективной мощностью и основными параметрами двигателя:

где - л, - мин^-1, - МДж/кг, - кг/м³.

Из анализа следует, что эффективная мощность двигателя может быть повышена в общем случае за счет:

- увеличения рабочего объема цилиндра,

- увеличения числа цилиндров,

- увеличения частоты вращения коленчатого вала двигателя, перехода с четырехтактного на двухтактный цикл,

- повышения низшей теплоты сгорания топлива,

- повышения плотности заряда,

- повышения коэффициента наполнения (например, путем наддува, а также за счет улучшения организации газообмена, снижения сопротивлений на впуске и выпуске, применения инерционного наддува для увеличения дозарядки и т.д.),

- повышения индикаторного КПД (за счет совершенствования процесса сгорания и сокращения потерь теплоты топлива в процессах сжатия и расширения),

- повышения механического КПД двигателя(например, за счет использования высококачественных масел, уменьшения пар трения).

Отношение количества теплоты, эквивалентной полезной работе на валу двигателя, к общему количеству теплоты, внесенной в двигатель с топливом, называется эффективным КПД:

где - теплота, эквивалентная эффективной работе, МДж/кг топл., - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг топл.

Связь между эффективным и механическим КПД двигателя определяется выражением:

Для двигателей, работающих на жидком топливе:

.

Эффективный КПД двигателя характеризует степень использования теплоты топлива в двигателе с учетом всех потерь – тепловых и механических.

Значения эффективного КПД при номинальном режиме:

Для бензиновых двигателей………………0,25-0,38

Для дизелей без наддува………………….0,35-0,42

Для дизелей с наддувом…………………..0,23-0,30

Более высокие значения эффективного КПД у дизелей по сравнению с бензиновых двигателей являются в основном следствием повышенных значений у них степени сжатия и коэффициентов избытка воздуха, (а следовательно, и более полного сгорания топлива). Двигатели с впрыском легкого топлива из-за более точного дозирования имеет меньшую неполноту сгорания чем карбюраторные.

Эффективный удельный расход [г/(кВт*ч)] жидкого топлива

или

Для современных автомобильных и тракторных двигателей эффективный удельный расход топлива при номинальной нагрузке имеет следующие значения:

Для двигателей с электронным впрыском топлива…….g_e=200-290 г/(кВт*ч)

Для карбюраторных двигателей………………………….g_e=230-310 г/(кВт*ч)

Для дизелей с неразделенными камерами……………….g_e=200-235 г/(кВт*ч)

Для вихрекамерных и предкамерных дизелей………….g_e=220-260 г/(кВт*ч)

Задания.

1. Запустить программу расчетов.

2. Ввести исходные данные.

3. Проверить правильность введения исходных данных (по графическому материалу, выводимому на экран дисплея).

4. Откорректировать данные (при необходимости).

5. Распечатать результаты расчетов.

6. Изменить конструктивные и эксплуатационные факторы с последующей распечаткой новых результатов расчетов.

7. После ввода исходных данных и получения результатов расчета на ЭВМ выполнить анализ влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на эффективные показатели рабочего цикла.

 

5.4 Вопросы и задания для формирования и контроля владения компетенциями.

 

1. В чем состоит основная особенность эффективных показателей рабочего цикла?

2. Что характеризует ?

3. От каких факторов зависит ?

4. Каковы значения для различных типов силовых агрегатов?

5. Каким образом связаны между собой индикаторные и эффективные показатели?

6. Выполнить сравнительный анализ эффективных показателей двигателей с различными способами воспламенения

7. Выполнить сравнительный анализ эффективных показателей двигателей с различными способами организации топливоподачи

Список литературы [1,2,3,4,5]

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ