Тепловой расчет двигателя (характеризующие процессы впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска)

1. Процесс впуска В приближенных расчетах абсолютное давление газов в процессе впуска принимают неизменным, зависящим от гидравлического сопротивления впускного тракта, степени подогрева заряда и количества газов, оставшихся в цилиндре после выпуска.

Давление газов в конце впуска зависит от гидравлического сопротивления впускного такта, степени подогрева на впуске, количества газов, оставшихся в цилиндре в конце впуска, и других факторов.

Давление в конце впуска для двигателей без наддува определяют:

МПа (2.1).

где — потери давления во впускной магистрали, МПа. ро = 0,1 МПа.

С целью лучшего наполнения цилиндров двигателя свежим зарядом необходимо эти потери свести к минимуму.

Для 4-тактных двигателей указанные потери можно ориентировочно подсчитать по эмпирической формуле:

ра = (0,03…0,18) ро или ра = 0,055• 10−4 n, МПа, (2.2).

где n — частота вращения коленчатого вала, об/мин.

Давление в конце впуска для двигателей с наддувом определяют по зависимости:

ра = рк? рак, МПа, (2.3).

где рк — давление наддува, МПа (принимается по заданию) или определяется по формуле:

рк = (1,4…2,0) ро, МПа. (2.4).

Потери давления на впуске после компрессора равны:

рак = (0,04…0,1)рк, МПа. (2.5).

Конечную температуру впуска Та для 4-тактного двигателя можно определить для двигателей без наддува по выражению:

К, (2.6) а для двигателей с наддувом.

К, (2.7).

где t — подогрев свежего заряда во впускном трубопроводе (может быть принят по табл. 2.1) .

Тк — температура газов после компрессора.

где nк — показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре (для центробежных компрессоров nк = 1.4…2,0).

Степень заполнения цилиндра свежим зарядом характеризуется коэф-фициентом наполнения v, который представляет собой отношение количества свежего заряда, поступившего в цилиндр при работе двигателя, к тому количеству заряда, которое мог бы заполнить этот цилиндр при температуре и давлении окружающей среды.

Для двигателей без наддува.

; (2.9).

для двигателей с наддувом.

. (2.10).

Значения основных параметров процесса впуска современных ДВС представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 — Основные параметры процесса впуска.

2. Процесс сжатия Определение давления и температуры в конце такта сжатия проводят с рядом допущений, а именно: в период сжатия отсутствуют утечки газа через неплотности в клапанах и поршневых кольцах, в газе не протекает никаких химических реакций и испарений топлива, теплоемкость газа не меняется, сжатие начинается с НМТ и заканчивается в ВМТ, показатель политропы сжатия применяется постоянным. Тогда, используя уравнение политропического процесса, нетрудно определить давление рс и температуру Тс газа в конце такта сжатия.

МПа;

.

где естепень сжатия;

n1 — показатель политропы сжатия.

Ориентировочно показатель политропы сжатия можно определить по эмпирическим зависимостям:

для карбюраторных двигателей.

n1 = 1,41−110/n.

для дизелей.

n1 = 1,41−110/n — 0,02.

Значения основных параметров процесса сжатия представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 — Основные параметры процесса сжатия.

3. Процесс сгорания При анализе и расчете процесса сгорания необходимо различать сгорание в бензиновом и дизельном двигателях.

Уравнение сгорания (баланс тепла) для карбюраторного двигателя.

где Qс — количество тепла в газе в конце сжатия (до начала сгорания), кДж;

Qсг — количество тепла, выделившегося при сгорании топлива и переданного сжатому газу, кДж; Qz — ко-личество тепла в газе после сгорания топлива, кДж.

Для дизельного двигателя.

Qс + Qсг = Qz +Qz'-z, (2.14).

где — количество тепла, затраченного на работу расши-рения газов при движении поршня от ВМТ до расчетного конца сгорания, кДж.

Температура газов в конце сгорания Тz определяется по уравнениям сгорания, выраженным через параметры состоя-ния газов [2]:

для бензинового двигателя при <1.

; (2.15).

для дизельного двигателя.

(2.16).

Значение Тz также можно выбрать из таблицы 2.4, учиты-вая, что дизелям с наддувом соответствуют большие значения температуры.

Давление газов в конце сгорания Рг ориентировочно определяется по эмпирическим выражениям для дизельных двигателей.

МПа (2.17).

для бензиновых двигателей.

МПа (2.18).

где — коэффициент молекулярного изменения (= 1,01… 1,05);

р = Рr/Рс — степень повышения давления, пока-зывающая увеличение давления газов в цилиндре ДВС в про-цессе сгорания.

Величину р подсчитать теоретически довольно сложно, поэтому ее значение принимают ориентировочно в зависимо-сти от способа смесеобразования:

Таблица 1.3 — Зависимость р от способа смесеобразования.

Подобрав значения Тz и р рассчитывают значения рz по выражениям (2.16) или (2.17) в зависимости от типа заданного двигателя.

Параметры процесса сгорания представлены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 — Основные параметры процесса сгорания современных ДВС.

4. Процесс расширения При теоретических расчетах этот процесс описывается политропой расширения с постоянным показате-лем n2. Тогда давление и температура газов в конце расшире-ния определяются по выражениям для бензинового двигателя.

МПа (2.19).

К; (2.20).

для дизеля.

МПа (2.21).

К, (2.22).

где n2 — показатель политроны расширения, который имеет тот же физический смысл, что и показатель политропы сжа-тия, и ориентировочно определяется по выражениям для карбюраторных двигателей n2 = 1,21 + 130/n;

для дизелей n2 = 1,21 + 130/n — 0,02;

степень последующего расширения (изменение объема га-зов в цилиндре от начала до конца расширения или от конца расчетного сгорания до НМТ) подсчитывается по формуле.

(2.23).

где степень предварительного расширения (изменение объема газов от начала до конца расчетного периода сгорания или от ВМТ до конца расчетного сгорания) рассчитывается по формуле.

(2.24).

Параметры процесса расширения приведены в таблице 1.5.

Таблица 1.5 — Основные параметры процесса расширения современных ДВС.

5. Процесс выпуска Давление остаточных газов в цилиндре в конце выпуска зависит от конструктивных, эксплуатационных и других факторов и может быть ориентировочно определено по формуле:

МПа (2.25).

где ро — давление окружающей среды; ?рг — избыточное давление в цилиндре за счет гидравлического сопротивления выпускных трубопроводов, глушителя, газовой турбины (при наличии турбонаддува).

В целях лучшей очистки цилиндров от остаточных газов необходимо стремиться, чтобы это давление было как можно меньше.

При расчете давления остаточных газов пр;инимают:

Для двигателей без наддува рг = (1,05…1,25) ро;

Для двигателей с турбонаддувом рг = (0,75…0,95)рк, где рк — давление наддува после компрессора.

Для автотракторных двигателей рк = (1,4…2,0)ро. «.

Температура газов Тг в конце выпуска также принимают ориентировочно: для дизелей 700…900 К, для карбюраторных двигателей 900…1100 К.

Качество очистки цилиндров от остаточных газов в конце выпуска характеризуется коэффициентом остаточных газов ?, который представляет собой отношение количества оставшихся в цилиндре газов к свежепоступившему заряду.

Для двигателей без наддува.

; (2.26).

Для двигателей с наддувом.

где-То — температура окружающей среды, К; То = 298 К;

Тк — температура воздуха после компрессора (см. такт впуска), К;

степень сжатия;

Т — температура подогрева во впускном трубопроводе.

При расчетах значение параметров процесса выпуска принимают в соответствии с таблицей 1.6.

Таблица 1.6 — Параметры процесса выпуска.