Тепловой и динамический расчет

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»

(ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»)

Чайковский технологический институт (филиал) Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования

«Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»

(ЧТИ (филиал) ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»)

 

 

Кафедра «Промышленных технологий»

 

 

С.М. Клементьев, В.М. Федоров, Т.П.Чепикова

 

Тепловой и динамический расчет

Двигателей внутреннего сгорания

 

Учебное пособие к курсовой работе по курсу

«Конструкции и основы расчета энергетических установок» для студентов очной и заочной форм обучения по направлению подготовки 190600.62 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов», профиль - «Сервис транспортных и транспортно-технологических машин и оборудования (Нефтегазодобыча)»

 

 

                                        

 

Г. Чайковский, 2019

 

 

УДК 621.43

 

 

Тепловой и динамический расчет двигателей внутреннего сгорания

 

Составители: к.т.н.  С.М. Клементьев, к.т.н. В.М. Федоров, к.т.н. Т.П.Чепикова.

 

Рецензент: зав. кафедрой АиАХ ПГТУ, к.т.н., доцент М.Ю. Петухов

 

2019 г.

 

Утверждено на заседании кафедры «Промышленных технологий» Чайковского технологического института (филиал) ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова

протокол № от   2019 г.

 

Электронная версия в Word 2000 находится в Чайковском технологическом институте (филиал) ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова

 

 

Учебное пособие содержит необходимые сведения и систематизированную методику теплового и динамического расчета автомобильных карбюраторных и дизельных двигателей. Подробно приведены примеры теплового расчета. Рассмотрены требования к оформлению курсовой работы.

Учебное пособие к курсовой работе по курсу «Конструкции и основы расчета энергетических установок» предназначено для студентов очной и заочной форм обучения по направлению подготовки 190600.62 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов», профиль - «Сервис транспортных и транспортно-технологических машин и оборудования (Нефтегазодобыча)».

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В области развития и совершенствования двигателей внутреннего сгорания основными задачами на современном этапе являются: расширение использования дизелей и повышение их мощности; снижение топливной экономичности и удельной массы; снижение стоимости их производства и эксплуатации. Выполнение этих задач требует от специалистов, связанных с производством и эксплуатацией дви­гателей внутреннего сгорания, глубоких знаний их теории, конст­рукции и расчета.

Цель учебного пособия - дать студентам необходимые систематизированные рекомендации по выполнению курсовой работы, а также логически увязать отдельные части курса "ДВС, автомобили и тракторы".

При работе над курсовой работой у студентов возникает много вопросов, связанных с методикой и последовательностью ее выполнения, тратится много времени на изыскание необходимых сведений, помещенных в различных литературных источниках, вследствие чего выполнение курсовой работы студентами затягивается. Для облегче­ния выполнения курсовой работы учебное пособие снабжено примерами, литературой, а также основными данными, необходимыми для тепловых расчетов дизельных и карбюраторных двигателей.

 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Проблема - определение оптимальных параметров двигателя на стадии технического проектирования. Метод обучения - исследовательский.

Тепловой расчет позволяет с достаточной степенью точности аналитическим путем определить основные параметры вновь проекти­руемого двигателя.

На основе установленных или заданных исходных данных (типа двигателей, мощности N_e, частоты вращения коленчатого вала n, числа i и расположения цилиндров, отношения S / D, степени сжатия e) студенты производят тепловой расчет двигателя, в результате которого определяют основные энергетические (p_e, N_л), экономические (g_e, h _e) и конструктивные (D, S, V _h) параметры двигателя. Затем 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.

 

1.1. Мощность и частота вращения коленчатого вала

При расчете номинальная мощность двигателя N_e обычно зада­ется. Выбор или задание номинальной мощности определяется прежде всего назначением двигателя (для легкового или грузового автомобилей, трактора, СДМ и т.д.), его типом (карбюраторный, га­зовый, дизель), условиями эксплуатации. Мощность современных двигателей колеблется в очень широких пределах - 15... 500 кВт.

Другим важнейшим показателем двигателя является частота вращения коленчатого вала, характеризующая тип двигателя и его динамические качества. Длительное время существовала тенденция повышения частоты вращения коленчатого вала, что приводило к уменьшению габаритных размеров двигателя и его массы. Однако с увеличением частоты вращения возрастают инерционные силы, ухуд­шается наполнение цилиндров, возрастает токсичность сгорания, повышается износ деталей и узлов двигателя и снижается его срок службы. За последнее десятилетие частота вращения коленчатого вала двигателей практически стабилизировалась.

В настоящее время частота вращения коленчатого вала двига­телей колеблется в пределах, об/мин:

двигателей легковых автомобилей... ………………………...4000... 6000

грузовых автомобилей:

дизелей.................................................. ……………………………3000... 4000

карбюраторных.................................... ……………………………4000 …4500

тракторных дизелей и дизелей СДМ. ……………………….1500... 2500

 

1.2. Число и расположение цилиндров

 

Выбор числа цилиндров и их расположение зависят от мощностных, диагностических и конструктивных факторов. Наиболее рас­пространены четырех- и шестицилиндровые автомобильные двигатели. При особо высоких требованиях к массе и габаритным размерам число цилиндров автомобильных двигателей достигает 8 и крайне редко 12. Тракторные двигатели обычно имеют четыре цилиндра, реже 6 и лишь в отдельных случаях 8 и 12. С увеличением числа цилиндров повышаются возможности форсировки двигателей по частоте враще­ния, улучшаются пусковые качества и проще решаются вопросы урав­новешенности, но вместе с этим и повышаются механические потери и ухудшаются экономические показатели.

Современные двигатели имеют рядное, V-образное и оппозитное расположение цилиндров. Наибольшее распространение получили четырехцилиндровые рядные двигатели как наиболее простые в эксплу­атации и дешевые в производстве. В последние годы в автотракторо­строении наметилась тенденция к применению двигателей с V-образным расположением цилиндров. По сравнению с рядным они имеют более высокий КПД, меньшие габариты и лучшие удельно-массовые показатели. Повышенная жесткость V-образных двигателей позволя­ет, кроме того, достигать более высоких частот вращения коленча­того вала.

 

1.3. Размеры цилиндра и скорость поршня

Размеры цилиндра (диаметр и ход поршня) - являются основ­ными конструктивными параметрами двигателя. Диаметр D (мм) раз­личных двигателей изменяется приблизительно в следующих пределах:

для карбюраторных двигателей легковых автомобилей 60…100;

для карбюраторных двигателей грузовых автомобилей 70…110;

для автомобильных дизелей.................................. 80…130;

для тракторных дизелей и дизелей СДМ............. 70…150.

Ход поршня обычно характеризуется отношением S / D, непос­редственно связанным со скоростью поршня. В зависимости от зна­чения S / D различают двигатели короткоходовые (S / D <1) и длинноходовые (S / D >1). У короткоходовых двигателей меньше высота двигателя и его масса, выше индикаторный КПД и коэффициент наполнения, меньше скорость поршня и долговечнее детали двигателя. Однако снижение S / D приводит к более высокому давлению газов на поршень, ухудшению условий смесеобразования и увеличению длины двигателя.

Ориентировочная зависимость быстроходности двигателя приведена в

табл. 1.

Таблица 1

Тип двигателей	Частота вращения, об/мин	V п.ср
Карбюраторные	До 3000 3000 … 4000 4000 … 6000	1,1 … 1,0 0,95…0,85 0,85…0,75
Дизели	2100 … 2800 Свыше 2800	1,0 … 1,3 0,8 … 1,0

Скорость поршня V _п.ср является критерием быстроходности двигателя. В зависимости от значения V _п.ср двигатели подразде­ляют на тихоходные

(V _п.ср < 6,5 м/с) и быстроходные (V _п.ср > 6,5 м/с). С увеличением скорости поршня возрастают механические потери, повышается тепловая напряженность деталей, сокращается срок службы двигателя. В связи с этим увеличение средней скорости поршня неразрывно связано с необходимостью повышения долговеч­ности деталей, применения более совершенных материалов в двигателестроении и улучшения качества применяемых масел.

Средняя скорость поршня V _п.ср современных двигате­лей приведена в табл. 2.

 

Таблица 2

Тип двигателей	Тип машин	V п.ср, м/с
Карбюраторные - Газовые Дизели	Легковые автомобили Грузовые автомобили - Автомобильные Тракторные, СДМ	12... 15 9... 12 7... 11 6,5... 12 5,5... 10,5

 

1.4. Степень сжатия

 

Степень сжатия является одной из важнейших характеристик двигателя. Ее выбор зависит, в первую очередь, от способа смесеобразования топлива. Кроме того, степень сжатия выбирают с учетом наличия или отсутствия наддува, быстроходности двигате­ля, системы охлаждения и других факторов.

Для бензиновых двигателей степень сжатия выбирается по табл. 3, в зависимости от октанового числа топлива и принятого смесеобразования. Более высокие значения степени сжатия харак­терны для быстроходных двигателей.

Для дизелей степень сжатия выбирается в зависимости от ти­па камеры сгорания:

нераздельная камера:

при объемном смесеобразовании........... ……………………………..14 … 17

при пленочном смесеобразовании:

а) без принудительного воспламенения ………………………20 … 25

б) с зажиганием от электрической искры …………………….14 … 16

с предкамерной........................................ ……………………………..16,5 … 21

с вихревой камерой................................. ……………………………..16 … 20

с воздушной камерой............................... ……………………………..15 … 16

для дизелей с наддувом........................... ……………………………..11 … 17

Таблица 3

Октановое число бензина		Степень сжатия OlcUcnb L'AldlM.n.
		Внешнее смесеобразование (карбюраторное)	Внутреннее смесеобразование (впрыск бензина)
70 … 76 76 … 86 86 … 98		6,5…7,0 6,8…7,9 8,0…10	7,0 … 7,5 7,8 … 8,4 8,5 …10,0

 

В современных карбюраторных двигателях . Двигатели грузовых автомобилей имеют значения e ближе к ниж­нему пределу, а у двигателей легковых автомобилей обычно и только при воздушном охлаждении e иногда ниже 7. Для карбюра­торных двигателей при степени сжатия выше 12 возможно самовоспла­менение смеси и детонация в процессе сгорания. В последние годы наметилась тенденция к некоторому уменьшению e, что позволило снизить токсичность продуктов сгорания и продлить срок службы двигателей. Как правило, даже двигатели легковых автомобилей высокого класса имеют степень сжатия не более 9.

Минимальная степень сжатия для дизелей должна обеспечить в конце процесса сжатия получение минимальной температуры, необходимой для самовоспламенения впрыснутого топлива. Учитывая, что впрыск топлива осуществляется раньше полного завершения процесса сжатия и с повышением температуры сжатия сокращается период за­держки воспламенения, в дизелях без наддува не применяются значе­ния степени сжатия меньше 14, а в дизелях с наддувом - меньше 11.

Для современных автомобильных и тракторных двигателей с воспламенением от сжатия . Увеличение степени сжатия более 22 нецелесообразно, так как приводит к высоким давлениям сгорания, падению механического КПД и утяжелению конструкции дви­гателя.

 

2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

 

Для удобства рекомендуется выполнять тепловой расчет в при­веденной ниже последовательности.

 

2.1. Выбор и определение физических констант

2.1.1. Используемые в автотракторных двигателях топлива представляют собой смесь различных углеводородов и от­личаются элементарным составом, который выражается в единицах массы (кг), а газообразных - в объемных еди­ницах (м³ или кмоль).

Для жидких топлив

,                     (1)

где С, Н и О - массовые доли углерода, водорода и кислорода в 1 кг топлива.

Для газообразных топлив

где С _n, Н _m  и О _r - объемные доли каждого газа в 1 м³ или в 1 киломоле газообразного топлива; N ₂ - объемная доля азота.

Средний элементарный состав жидких топлив (в мас­совых долях) приведен в табл. 4.

 

                                                      Таблица 4.

	C	H	O
Бензин	0,855	0,145	-
Дизельное топливо	0,870	0,125	0,005

Состав газообразных топлив указан в табл. 5.

На основании заданного вида топлива, пользуясь табл. 6, и уравнением (1) определяем элементарный состав топлива, кг/кг: углеро­да С, водорода H, кислорода O.

2.1.2. Низшая теплота сгорания соответствует тому количе­ству теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива, без учета теплоты конденсации водяного пара. Так как в ДВС выпуск отработавших газов происходит при температуре выше температуры конденсации водя­ного пара, для практической оценки топлива обычно используется низшая теплота сгорания. Для определения низшей теплоты сгорания твердого топлива Н _u (в МДж/кг) при известном элементарном соста­ве обычно используется формула Менделеева:

Таблица 5

Составляющие	Газообразные топлива, м^3 (моль)
	природный газ	синтетический газ	светильный газ
Метан СН4 Этан С2Н6 Пропан С3Н8 Бутан С4Н10 Тяжелые углеводороды CnHm Водород H2 Окись углерода СО Углекислый газ CO2 Азот N2	90,0 2,96 0,17 0,55 0,42 0,28 0,28 0,47 5,15	52,0 - - - 3,4 9.0 11,0 - 24,6	16,2 - - - 8,6 27,8 20,2 5,0 22,2

 

Таблица 6

Топливо	Элементарный состав, кг/кг			Молекулярная масса mT, кг/моль	Низшая теплотворная способность топлива Hu, кДж/кг
	С	Н	O
Автомобиль-ный бензин	0,855	0,145	0	110 … 120	43930
Бензол	0,923	0,077	0	78,1	42500
Керосин	0,860	0,137	0,003	130	43200
Дизельное топливо	0,870	0,126	0,004	170 … 200	42440

 

где W - количество водяных паров в продуктах сгора­ния массовой или объемной единицы топлива.

Для газообразного топлива (Н _u в МДж/м³)

где СО, Н₂ и другие компоненты газообразного топлива - объемные доли компонентов газовой смеси.

Примерные значения низшей теплоты сгорания Н _u в МДж/кг

автотракторных топлив:

Бензин..................................... 44,0

Дизельное топливо................ 42,5

Природный газ...................... 45,0

Пропан.................................... 85,5

Бутан....................................... 112,0

При неполном сгорании топлива (a < 1) количество теплоты D H_u, недовыделяющейся при сгорании 1 кг топлива,

D H_u = 119,95 (1 - a) L ₀.

Коэффициент, учитывающий количество теплоты недовыделившейся при неполном сгорании,

.

Пользуясь табл. 6 определяем низшую теплопроводную способность Н _u и молекулярную массу топлива m_T.

2.1.3. Определяем количество воздуха, теоретически необхо­димое для сгорания 1 кг топлива

- для жидких топлив:

, ,

проверка:  ;

- для газообразных топлив:

,

где m _в - молекулярная масса 1 кмоля воздуха, m _в = 28,97кг/кмоль; L ₀ - теоретически необходимое количество воздуха (кмоль) для сгорания 1 кг топлива;  - теоретически необходимое количество воздуха (кг) для сгора­ния 1 кг топлива; 0,21 - объемное содержание кислорода в 1 кг воздуха; 0,23 - массовое содержание кислорода в 1 кг воздуха; L ¢ ₀ - теоретически необходимое количество воздуха (моль или м³) для сгорания 1 кмоль или 1м³ топлива.

 

2.2. Выбор и обоснование исходных величин для теплового расчета

Выбор типа камеры сгорания

Так как выбор ряда исход­ных параметров теплового расчета определяется типом камеры сгора­ния проектируемого двигателя, этому вопросу должно быть уделено особое внимание. Необходимо изучить существующие типы камер сго­рания, сделать анализ, исходя из назначения двигателя, его мощ­ности и частоты вращения, а затем выбрать тип камеры сгорания проектируемого двигателя.

Показатель политропы сжатия

В связи с тем, что темпе­ратура свежего заряда и поверхность его контакта со стенками в процессе сжатия непрерывно меняются, показатель политропы сжатия n₁ также не остается постоянным, а меняет свои значения в за­висимости от интенсивности теплообмена. Увеличение интенсивности охлаждения двигателя снижает значение n ₁, а увеличение диамет­ра цилиндра, степени сжатия и частоты вращения коленчатого вала повышает этот показатель, т.е. факторы, способствующие охлажде­нию смеси, снижают n ₁, а способствующие подогреву смеси, уве­личивают.

При выполнении теплового расчета величина n ₁ определяется по номограмме или выбирается на основании экспериментальных данных существующих двигателей.

Для карбюраторных двигателей . Более вы­сокие значения n₁ берутся для более быстроходных двигателей с воздушным охлаждением. Для дизелей - . Низкие значения n ₁ для карбюраторных двигателей объясняются тем, что в процессе сжатия тепловоздушной смеси происходит испарение бен­зина с поглощением теплоты. Кроме того, теплоемкость смеси в бен­зиновых двигателях вследствие наличия паров бензина и большого количества остаточных газов выше, чем в дизелях, что приводит к понижению n ₁.

Фазы газораспределения

Фазы газораспределения выбира­ются на основании данных по существующим двигателям, близким к проектируемому по быстроходности.

 

Таблица 9

Тип двигателя	p в, МПа	Tr, °К
Карбюраторный	0,35…0,6	1200…1700
Дизельный	0,2…0,5	1000…1200

 

Данные о фазах газораспределения совре­менных отечественных двигателей, в градусах угла поворота коленча­того вала приведены в табл. 10.

 

Таблица 10

Двигатель	Номинальная частота вращения	Впускной клапан			Выпускной клапан
		открытие до ВМТ	закрытие до НМТ	продолжительность открытия	открытие до НМТ	закрытие до ВМТ	продолжительность открытия
МеМЗ-966	4200	10	46	236	46	10	236
"Чайка"	4400	24	64	268	50	22	252
А3JIK-4I2А	5800	30	70	280	70	30	280
ВАЗ 2101	5600	12	40	232	42	10	232
"Волга"	4000	24	64	268	50	22	252
ЗИЛ-130	3200	21	75	276	57	39	276
КАМАЗ	2600	10	46	236	66	10	256
Д-37	1600	16	40	236	40	16	236
ЯМЗ-236-238	2100	20	56	256	56	20	256

 

2.3. Последовательность теплового расчета

В тепловом расчете последовательно определяются следующие величины.

Количество свежего заряда

Горючая смесь (свежий заряд) в карбюраторных двигателях состоит из воздуха и испарившегося топли­ва и определяется величиной

,

где M ₁ - количество горючей смеси (кмоль гор.см/кг топл.); m_T - молекулярная масса паров топлива, кг/кмоль (см.табл. 6).

Величиной 1/ m_T при определении M ₁ для двигателей с вос­пламенением от сжатия пренебрегают как относительно малой по срав­нению с объемом воздуха. Поэтому для этих двигателей

Для газовых двигателей

 

Параметры процесса впуска

 

Давление в конце впуска (МПа) является основным фактором, определяющим количество свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя:

или

Потери давления D p _a за счет сопротивления впускной систе­мы и затухания скорости движения заряда в цилиндре при некотором допущении можно определить из уравнения Бернулли:

,

где ; b - коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра; x_вп - коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому сечению; w_вп - средняя скорость заряда в наименьшем сечении впускной системы (как правило, в клапане или в продувочных окнах); r _к  и r ₀ - плотность заряда на впуске соответственно при наддуве и без него (p _к = p ₀ и r _к = r ₀). 

По опытным данным в современных автомобильных двигателях на номинальном режиме

 и .

Гидравлические потери во впускной системе уменьшаются при уве­личении проходных сечений, придании обтекаемой формы клапанам, об­работке внутренних поверхностей впускной системы, правильном выборе фаз газораспределения и т.д.

У четырехтактных двигателей величина D p _a колеблется в пределах (МПа):

для карбюраторных двигателей……………………. (0,05 … 0,20)P₀

для дизелей без наддува................. ……………………….(0,03... 0,18)P₀

для дизелей с наддувом.................. ……………………….(0,03... 0,10)P₀

Дизели по сравнению с карбюраторными двигателями при той же частоте вращения имеют несколько пониженное значение D p _a. Это объясняется снижением гидравлических сопротивлений благодаря отсутствию карбюратора и более упрощенной впускной системе. Плотность заряда (кг/м³) на впуске

  или  , (3)

где R _в  - удельная газовая постоянная воздуха:

 - универсальная газовая постоянная.

Коэффициент остаточных газов g_r характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания. С увеличением g_r умень­шается количество свежего заряда, поступающего в цилиндр двига­теля в процессе впуска.

Коэффициент остаточных газов для четырехтактных двигателей:

- с учетом продувки и дозарядки цилиндра

 

 ;

 

- без учета продувки и дозарядки

 

 ,

где e - степень сжатия; j_оч и j_доз - соответственно коэффициенты очистки и дозарядки.

При определении g_r для двигателя без наддува применяется коэффициент очистки , а коэффициент дозарядки, на но­минальном скоростном режиме, , этого можно добиться при подборе угла опаздывания закрытия впускного клапана в преде­лах 30... 60°. При этом на минимальном скоростном режиме () возможен обратный выброс свежего заряда в пределах 5%, т.е. . На остальных режимах значения j _доз можно получить, приняв прямую линейную зависи­мость j _доз от скоростного режима.

В четырехтактных двигателях величина g_r зависит от сте­пени сжатия, параметров рабочего тела в конце впуска, частоты вращения и других факторов. С увеличением степени сжатия e и температуры остаточных газов T_r величина g_r уменьшается, а при увеличении давления p_r остаточных газов и частоты вращения n  - возрастает.

Величина g_r  изменяется в пределах:

для бензиновых и газовых двигателей без наддува 0,04 … 0,10;

для дизелей без наддува...................................... 0,02 … 0,05.

 

При наддуве величина коэффициента остаточных газов снижается.

В конце впуска температура

 

.

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

У современных четырехтактных двигателей температура T _a  в конце впуска изменяется в пределах:

для карбюраторных двигателей............. 320 … 370 °К;

для дизелей............................................... 310 … 350 °К;

для четырехтактных двигателей с наддувом 320 … 400 °К.

Наиболее важной величиной, характеризующей процесс впуска, является коэффициент наполнения, представляющий собой отношение действительного количества, свежего заряда, поступившего в цилиндр, к тому количеству, которое могло поместиться в рабочем объеме цилиндра при условия, что температура и давление в нем равны тем­пературе и давлению среды, из которой поступает свежий заряд

 

где G _д , V _д, М_д - действительное количество свежего заряда, по­ступающего в цилиндр двигателя в процессе впуска, соответственно в кг, м³, моль; G ₀ , V ₀, М₀ - количество заряда, которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при p ₀ и T ₀ (или p _к и Т_к), соответственно в кг, м³, моль.

Для четырехтактных двигателей с учетом продувки и дозарядки цилиндра коэффициент наполнения

.

Для четырехтактных двигателей без учета продувки и дозарядки

 

.

Величина коэффициента наполнения в основном зависит от тактности двигателя, его быстроходности и совершенства системы газо­распределения.

Значения коэффициента наполнения h _v для различных типов автомобильных и тракторных двигателей при работе их с полной на­грузкой изменяются в пределах:

для карбюраторных двигателей………………………………. 0,7 … 0,90;

для дизелей без наддува................. …………………………………0,8 … 0,94;

для дизелей с наддувом.................. …………………………………0,8 … 0,97.

Параметры процесса сгорания

Процесс сгорания - основ­ной процесс рабочего цикла двигателя, в течение которого теплота, выделяющаяся вследствие сгорания топлива, идет на повышение внут­ренней энергии рабочего тела и на совершение механической работы.

Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси в карбюра­торных двигателях и свежей смеси в дизелях

.

 

Коэффициент изменения рабочей смеси

 

 

Теплота сгорания рабочей смеси в карбюраторных двигателях

 

,

где D H_u - количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания топлива (кДж/кг), определяемое по формуле

 

.

Теплота сгорания рабочей смеси в дизелях

 

.

 

Среднюю мольную теплоемкость продуктов сгорания определяют как теплоемкость смеси газов, кДк/(кмоль×К)

,

 где r - объемная доля каждого газа, входящего в данную смесь;

- средняя мольная теплоемкость каждого газа, входящего в данную смесь при температуре смеси t_z.

При полном сгорании топлива () продукты сгорания сос­тоят из смеси углекислого газа, водяных паров, азота и кислоро­да. При этом

 

 

где t_o - температура, равная 0°С; t_z - температура смеси в конце видимого сгорания, °С.

При неполном сгорании () продукта сгорания состоят из.смеси углекислого газа, окиси углерода, водяного пара,.свободного водорода и азота. При этом

Значения средней мольной теплоемкости продуктов сгорания бензина (С =0,855; Н =0,145), в зависимости от a, приведены в табл. 1 приложения, а значения средней мольной теплоемкости про­дуктов сгорания дизельного топлива (С =0,870; Н =0,126; О =0,004) - в табл. 2 приложения.

В табл. 3 приложения значения средних мольных теплоемкостей 'некоторых газов даны при постоянном объеме, а в табл. 4 приведе­ны эмпирические формулы, полученные на основании анализа таблич­ных данных. Отклонения значений средних мольных теплоемкостей, полученных по эмпирическим формулам, от табличных значений не пре­вышают 1,8%.

Температура в конце видимого процесса сгорания в карбюратор­ных двигателях определяется из уравнения

 

,

 

где x_z - коэффициент использования теплоты, который изменяется с изменением скоростного режима работы двигателя.

При изменении частоты вращения коленчатого вала коэффициент x_z ориентировочно принимается (рис. 1) в пределах, которые имеют место у работающих карбюраторных двигателей. При этом

 

Температура в конце видимого процесса сгорания в дизелях определяется из уравнения сгорания

 ,

 

где l - степень повышения давления,

 

Величина степени повышения давления для дизелей устанавливает­ся по опытным данным в основном в зависимости от количества топли­ве, подаваемого в цилиндр, формы камеры сгорания и способа смесе­образования. Кроме того, на величину l оказывает влияние период задержки воспламенения топлива, с увеличением которого степень повышения давления растет:

а) для дизелей с нераздельными камерами сгорания и объемным смесеобразованием l = 1,6... 2,5;

б) для вихрекамерных и предкамерных дизелей, а также для ди­зелей с нераздельными камерами и пленочным смесеобразованием l = 1,2... 1,8;

в) для дизелей с наддувом l = 1,5.

Коэффициент использования теплоты e_z для современных дизе­лей с нераздельными камерами сгорания и хорошо организованным струйным смесеобразованием для двигателей без наддува можно при­нять равным 0,82, а при наддуве в связи с повышением теплонапряженности двигателя и созданием более благоприятных условий для протекания процесса сгорания - 0,86.

Зная температуру в конце видимого сгорания для карбюраторно­го двигателя, определяют давление p _я  (МПа):

.

Для дизелей

 .

Степень предварительного расширения

.

Данные значений температуры и давления конца сгорания для современ­ных авторемонтных и тракторных двигателей при работе с полной нагрузкой приведены в табл. 12.

 

Таблица 12

Тип двигателя	Tz, °К	p z, МПа
Карбюраторный	2400…2900	3,5…7,5
Газовый	2200…2500	2,5…4,5
Дизельный	1800…2300	5…12

 

Более низкие температуры конца сгорания у дизелей по срав­нению с карбюраторными и газовыми двигателями являются следстви­ем большой величины коэффициента избытка воздуха a, а следова­тельно, и больших потерь теплоты на нагревание воздуха.

Параметры конца расширения

 В результате процесса рас­ширения происходит преобразование тепловой энергии топлива в меха­ническую работу.

Значения давления (МПа) и температуры (К) в конце процесса расширения для карбюраторных двигателей составляют:

Для дизелей

где d - степень последующего расширения для дизелей,

Ранее принятую температуру остаточных газов проверяют по формуле

Примерные значения давления p_b и температуры T_b для сов­ременных автомобильных и тракторных двигателей без наддува (на номинальном режиме) приведены в табл. 13.

 

Таблица 13

Тип двигателя	pb, МПа	Tb, °К
Карбюраторный	0,35…0,60	1200…1700
Дизельный	0,20…0,50	1000…1200

Тепловой расчет

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