Силовые агрегаты и Энергетические установки автомобилей и тракторов

Определение основных показателей рабочего цикла и построение внешней скоростной характеристики двигателя внутреннего сгорания

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОЧЕГО ЦИКЛА И ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.

1.1 Тепловой расчёт двигателя.

При тепловом расчете двигателя задаются давлением и температурой окружающей среды. Если двигатель работает без наддува, можно принимать

В процессе работы двигателя в его камере сгорания всегда остается некоторое количество продуктов сгорания Мr от предыдущего цикла. Температура Тr и давление pr этих остаточных газов зависит от многих факторов, таких как сопротивление системы выпуска, быстроходности двигателя, степени сжатия, фаз газораспределения и т.п. Аналитическое определение Тr и pr весьма сложно. Поэтому, при предварительных расчетах для двигателей без наддува и двигателей с наддувом и выпуском в атмосферу давление остаточных газов принимают, МПа:

причем большие значения pr применяют для высокооборотных двигателей с большими степенями сжатия.

Подставим числовые значения:

Температура остаточных газов Тr зависит также от типа смесеобразования, коэффициента избытка воздуха, коэффициента наполнения двигателя и др. Расчетное значение величины Тr рекомендуется принимать в пределах:

для бензиновых двигателей Тr=900...1100 К;

для дизелей Тr=600...900 К.

При увеличении степени сжатия величина Тr снижается, а при увеличении частоты – увеличивается.

Принимаем Тr=800.

Плотность заряда и сопротивление впускной системы влияет на потери давления на впуске, МПа,

где β - коэффициент затухания скорости движения заряда в цилиндре;

ξ - коэффициент сопротивления системы впуска;

ωВП - средняя скорость заряда на впуске, м/с;

ρ0 - плотность заряда на впуске, кг/м3.

На начальном этапе расчёта для автомобильных двигателей принимают следующие значения величин:

где B=287 Дж/(кг•К) – удельная газовая постоянная воздуха.

Подставим числовые значения:

Таким образом, давление в конце впуска, МПа,

Подставим числовые значения:

Коэффициент остаточных газов γr характеризует степень очистки цилиндра от продуктов сгорания. Величина γr зависит от степени сжатия, давления и температуры рабочего тела на впуске и выпуске и может быть определена по выражению:

Подставим числовые значения:

Температура заряда в конце впуска в значительной мере определяется температурой остаточных газов, К,

Подставим числовые значения:

Величина, характеризующая качество процесса впуска, – коэффициент наполнения двигателя ηV, определяющий степень заполнения объема цилиндра двигателя свежим зарядом в процессе впуска. Коэффициент наполнения может быть рассчитан по следующей формуле:

Подставим числовые значения:

Процесс сжатия характеризуется показателем политропы сжатия, температурой, давлением и теплоемкостью рабочего тела в процессе сжатия. Величина показателя политропы сжатия n1 определяется на основании опытных данных в зависимости от степени сжатия двигателя и температуры в конце впуска Ta: для бензиновых двигателей 'n1=K1...(K1-0,04); для дизелей 'n1=(K1-0,02)...(K1+0,2); где K1 - показатель адиабаты сжатия (принимается по номограмме рис.1.1).

Принимаем n1=1,35.

Рисунок 1.1 Номограмма для определения показателя адиабаты сжатия K1

Давление в конце процесса сжатия определяется по формуле, МПа:

Подставим числовые значения:

Температура рабочего тела в конце 'процесса сжатия рассчитывается по формуле, К:

Подставим числовые значения:

В результате сгорания горючей смеси в надпоршневом пространстве за короткий промежуток времени значительно повышаются давление и температура, значения которых для данного расчёта можно принять в таких пределах: – для дизельных двигателей Tz=1800...2300 К; pz=5...12 МПа.

Принимаем Tz=2000 К, pz=9,6 МПа.

Степень повышения давления в надпоршневом пространстве может быть определенна по следующей зависимости:

Подставим числовые значения:

Значение температуры и давления в конце процесса расширения определяется исходя из политропного характера процесса расширения.

где – степень последующего расширения для дизеля.

Подставим числовые значения:

Значение среднего показателя политропы расширения n2 обычно принимается равным значению показателя адиабаты расширения К2 n2≈К2. Величина К2 зависит от степени сжатия ε или степени предварительного расширения δ, коэффициента избытка воздуха α и температуры в конце процесса сгорания TZ. Принимаем n2=1,25.

Степень предварительного расширения ρ для дизеля можно принять из диапазона:

Принимаем ρ=1,6.

Значение величины К2 в зависимости от указанных параметров определяется по номограммам, показанным на рисунке 1.2.

1.2 Показатели рабочего цикла.

На основании исходных данных и полученных по предыдущим расчетам значений можно определить основные показатели рабочего цикла.

Среднее индикаторное давление цикла pi (МПа), которое характеризует механическую отдачу цикла, может быть определено по индикаторной диаграмме цикла или рассчитано по следующим зависимостям:

– для дизельных двигателей:

Подставим числовые значения:

Индикаторный КПД двигателя характеризует степень использования теплоты в действительном цикле и определяется по формуле:

где l0 – количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива (для предварительного расчёта принять l0=14,5 кг/кг; низшую теплоту сгорания бензина HU = 44 мДж/кг; дизельного топлива HU = 42,5 мДж/кг).

Подставим числовые значения:

Рисунок 1.2 Номограмма для определения показателя адиабаты расширения К2 для дизельного двигателя

Эффективный КПД двигателя учитывает тепловые и механические потери двигателя и определяется по формуле:

На этом этапе расчёта можно принять ηM в пределах ηM=0,7...0,9. Принимаем 0,9.

Подставим числовые значения:

Значение механического КПД при известной величине давления механических потерь pM (МПа) определяется по формуле:

При известном эффективном КПД двигателя могут быть определены его эффективные показатели, учитывающие механические потери в самом двигателе:

– среднее эффективное давление (МПа):

– эффективная мощность двигателя (КВт):

Принимаем согласно условию Ne=57 кВт.

Подставим числовые значения:

1.3 Геометрические характеристики двигателя и цилиндра двигателя.

Рабочий объем двигателя можно определить по формуле:

где τ – тактность двигателя.

Подставим числовые значения:

Задаваясь числом цилиндров i, получим рабочий объем одного цилиндра:

Подставим числовые значения:

Индикаторная мощность двигателя Ni (КВт) рассчитывается по формуле:

где i – количество цилиндров двигателя;

τ- тактность двигателя.

Подставим числовые значения:

Задавшись величиной короткоходности k k=(0,8...1,2) можно определить основные размеры цилиндра по формуле:

Подставим числовые значения:

Рисунок 1.4 Основные геометрические характеристики КШМ и ЦПГ

Величина объема камеры сгорания (камеры сжатия), мм:

Подставим числовые значения:

Рабочий объем цилиндра:

соответственно площадь поршня:

Подставим числовые значения:

2. РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ ВНЕШНЕЙ СКОРОСТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

Внешняя скоростная характеристика двигателя внутреннего сгорания строится на основании проведенных испытаний на тормозных стендах при полностью открытой дроссельной заслонке (рейки управления топливным насосом высокого давления). Представляет собой зависимости различных характеристик двигателя (мощность, крутящий момент, расход топлива и др.) от частоты вращения коленчатого вала (КВ).

С достаточной степенью точности внешняя скоростная характеристика может быть построена по результатам расчета, проведенного для одного режима работы двигателя – режима максимальной мощности, и использования эмпирических зависимостей.

Построение кривых внешней скоростной характеристики ведется в интервале: от nemin=350...700 мин-1 до nN для дизелей, где nN – частота вращения коленчатого вала двигателя при номинальной мощности.

Максимальная частота вращения коленчатого вала ограничивается по условиям качественного рабочего процесса, расчётных напряжений деталей, недопустимым увеличением инерционных усилий и т.д., минимальная –определяется условием устойчивости работы двигателя при полной нагрузке.

Расчетные точки кривой эффективной мощности, Ne (КВт) определяются по следующим эмпирическим зависимостям через каждые 500...1000 мин-1:

– для дизелей с неразделенными камерами:

где Nex; nx – эффективная мощность и частота вращения в расчетной точке характеристики;

NeN neN – номинальная эффективная мощность и частота вращения коленчатого вала двигателя при номинальной мощности.

Значения эффективного крутящего момента двигателя Me (Н·м) могут быть определены по формуле:

Значение среднего эффективного давления Pe (МПа) для рассчитываемых точек может быть определено по формуле:

где τ – тактность двигателя;

Vh – объем двигателя, л.

Точки кривой среднего индикаторного давления, Pi (МПа),

где PMx – среднее давление механических потерь двигателя, определяется по уравнениям 1.14, в зависимости от типа и конструкции двигателя.

'Расчетные точки 'индикаторного крутящего 'момента могут быть определены по кривой Pix или из выражения, Н·м,

Удельный эффективный расход топлива, ge (г/КВт·ч):

– для дизелей с неразделенными камерами:

где geN и gex – удельный эффективный расход топлива соответственно при номинальной мощности и в расчетной точке характеристики. Для данного построения можно принять:

– для дизелей:

geN=170...210 г/кВт·ч.

Часовой расход топлива GT, кг/ч,

Для определения коэффициента наполнения двигателя необходимо задаваться законом изменения коэффициента избытка воздуха α в функции частотны вращения коленчатого вала. Для карбюраторных двигателей с достаточной степенью точности можно принять значения α постоянными на всех скоростных режимах, кроме минимальной частоты вращения. При nx =ne min следует принимать смесь несколько более обогащенную, чем при nx = neN.

Значение величины αmin можно принять αmin=0,95αN. В дизелях при работе по скоростной характеристике с увеличением частоты вращения значение α несколько увеличивается. Для четырехтактного двигателя с непосредственным впрыском можно принять линейное изменение α=f(ne), причем

При выбранном законе изменения α коэффициент наполнения:

где l0 – количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива, определяется на основании расчёта; в этом построении можно принять: для дизелей l0=14,5 кг/кг.

По скоростной характеристике можно определить коэффициент приспособляемости двигателя, характеризующий способность двигателя преодолевать кратковременные перегрузки, представляющий собой отношение:

Подставляя численные значяения:

Расчетные значения величины К находятся в пределах:

– для дизелей K=1,05...1,25.

Данные расчета параметров внешней скоростной характеристики заносим в таблицу 2.1, по расчётным данным строим графики внешней скоростной характеристики двигателя.

Таблица 2.1 Расчет параметров внешней скоростной характеристики Частота вращения КВ, nex, мин-1'Nex, кВт'Pex

МПа'Pix

МПа'Mex

Н*м'Mix

Н*м 'gex, г/КВт*ч'GTx, кг/ч'αx'ηVx ne min 500'11,030'0,160'0,330'210,661'43,466'360,549'3,980'1'0,195 1000'24,306'0,176'0,346'232,107'45,610'397,380'9,659'1,057'0,251 1500'37,656'0,182'0,352'239,725'46,372'420,494'15,834'1,114'0,289 2000'48,908'0,177'0,347'233,517'45,751'429,890'21,025'1,170'0,302 2500'55,889'0,162'0,332'213,482'43,748'425,569'23,785'1,227'0,287 ne max 3000'56,429'0,136'0,306'179,620'40,362'407,531'22,997'1,284'0,242

Рисунок 2.1 Внешняя скоростная характеристика дизельного двигателя

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.'Колчин А. И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. пособие для вузов/ А. И. Колчин, В. П. Демидов. – М.: Высш. шк., 2002. - 496 с.

2.'Расчет и конструирование автомобильного двигателя внутреннего сгорания. Методические указания к выполнению курсового проекта / Сост. П. К. Сопин, С. В. Огрызков, А. А. Ветрогон. – Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2005. - 104 с.

3.'Тимченко I. I. Автомобiльнi двигуни: Навч. посiбник для вузiв/ I. I. Тимченко, Ю. Ф. Гутаревич, К. Є. Долганов.; За ред. I. I. Тимченко. – Харькiв: Основа, 1995. – 460 с.


Способ заказа и контакты