Тепловой расчет бензинового двигателя

1. ВВЕДЕНИЕ

 

Тепловой расчет выполняется с  целью предварительного определения  индикаторных показателей рабочего цикла и эффективных показателей  проектируемого двигателя. По заданной номинальной мощности  и результатам теплового расчета  определяется рабочий объем цилиндров, выполняются динамический расчет, расчет на прочность, расчет систем двигателя и др. Выполнение теплового расчета при разных исходных данных  позволяет оценить влияние на работу двигателя различных конструктивных и эксплуатационных факторов, что в совокупности с результатами экспериментальной доводки опытных образцов позволяет разработать рациональную конструкцию двигателя.

Тепловой  расчет, как правило, выполняется  для режима номинальной мощности, в связи с чем указанный режим называется расчетным. Традиционно внешняя скоростная характеристика двигателя рассчитывалась на базе теплового расчета номинального режима с помощью эмпирических зависимостей, с удовлетворительной точностью описывающих закономерности изменения мощностных и экономических показателей двигателя в зависимости от частоты вращения коленчатого вала. Однако в настоящее время в связи с ужесточением требований к тягово – динамическим и экономическим показателям автомобилей и тракторов все большее распространение получают перспективные турбопоршневые двигателя с пологим протеканием кривой удельного эффективного расхода топлива,  а также двигатели с постоянной мощностью (ДПМ) имеющие высокий коэффициент приспособляемости. В связи с этим для формирования внешней скоростной характеристики необходимо выполнение многовариантных тепловых расчетов на частичных скоростных режимах, что позволит получить предварительную информацию о требуемом характере изменения параметров наддува и, в частности, о целесообразности применения охладителя наддувочного воздуха.

 

2. Расчетная схема турбопоршневого двигателя

 

На рис. 1 представлена расчетная схема турбопоршневого  двигателя внутреннего сгорания, частным случаям которой является расчетная схема безнаддувного двигателя.

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.  Расчетная  схема турбопоршневого двигателя:

1 – воздухоочиститель, 2 – компрессор, 3 – турбина, 4 –  глушитель,

5 – воздухоохладитель, 6 – впускной коллектор,

7 – выпускной коллектор, 8 – поршневая часть двигателя.

 

Воздух  с температурой и давлением проходит через воздухоочиститель 1, сопротивление которого приводит к падению давления на входе в компрессор 2 до величины  .

В результате политропического сжатия в компрессоре  давление и температура воздуха  повышаются до значений и . Для повышения плотности воздушного заряда и снижения теплонапряженности двигателей находят применение охладители наддувочного воздуха 5, снижающие его температуру во впускном коллекторе 6 до величины . Давление при этом из-за гидравлических потерь в охладителе снижается до величины . Выпускные газы двигателя 8, имеющие температуру и давление , поступают в выпускной коллектор 7, на выходе из которого  (на входе во входной патрубок турбины 3) устанавливается давление   и температура , определяемые принятой схемой наддува и конструкцией выпускного тракта.

После политропического расширения в турбине 3 отработавшие газы с параметрами    и поступают в глушитель 4, а затем в атмосферу.

 

3. Определение исходных данных для теплового расчета номинального режима

 

В техническом задании на создание нового двигателя задаются его тип ,  назначение, номинальная мощность, частота вращения и удельный эффективный расход топлива при номинальной мощности и др.  С учетом этих показателей выбирается прототип – хорошо зарекомендовавший себя в эксплуатации двигатель (или двигатели), ряд конструктивных решений которого может быть использован при создании перспективного образца, отвечающего предъявляемым требованиям. Затем на основании полученной информации выбираются исходные данные для теплового расчета.

Ne =88 кВт, n = 6000 об/мин., τ = 4., жидкостное охлаждение, ge = 280 гр/кВт. 

 

3.1. Среднее эффективное давление

Величина  среднего эффективного давления  Р_е характеризует уровень форсирования двигателя.

    

где  - тактность двигателя;

- номинальная мощность, кВт;

- рабочий объем одного цилиндра, л (дм³);

- число цилиндров.

Принимаю Pe = 1.1мПа.

 

Отношение хода поршня к диаметру цилиндра

 

Определяем объём 1 цилиндра

 

 

Число цилиндров

 

3.2. Коэффициент избытка воздуха

В двигателях с впрыском бензина и нейтрализацией отработавших газов  = 1.

 

3.3. Сопротивление воздухоочистителя

Для бензиновых двигателей сопротивление воздухоочистителя  =0,004 МПа

3.4. Коэффициент наполнения

Коэффициент наполнения комплексно характеризует совершенство процесса наполнения цилиндров двигателя свежим зарядом. У бензиновых двигателей =0,88.

3.5. Показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре

Величина  показателя  политропы сжатия =1,7.

 

3.6. Термический КПД охладителя наддувочного воздуха

=0,8.

 

                                       3.7. Условия окружающей среды

Расчет  производится для нормальных атмосферных  условий: =293^о К, Р_о=0,1 МПа.

 

3.8.Количество впускных клапанов в цилиндере

 

3.9. Коэффициент сопротивления впускной системы

 

,

где   - коэффициент затухания скорости движения заряда;

- коэффициент сопротивления  впускной системы, отнесенный  к наиболее узкому ее сечению.

По опытным данным принимаем 

=3,5.

 

3.10. Отношение диаметра горловины впускного клапана

к диаметру цилиндра

Для бензинового двигателя  с клиновидной и плоскоовальной камерами сгорания = 0,46.

 

                                             3.11. Тактность двигателя

Для четырехтактных двигателей  =4.

 

3.12. Теоретически необходимое количество воздуха для

 сгорания 1 кг топлива

Для жидких топлив теоретически необходимое количество воздуха

,

где С, Н и О_Т –массовые доли углерода, водорода и кислорода в топливе.

=0,516 для бензинов.

 

3.13. Степень сжатия

=10.

3.14. Отношение давления остаточных газов к давлению

перед впускными органами двигателя 

Для двигателей с газотурбинным наддувом =1.

 

 

 

3.15. Температура отработавших газов

Температура выпускных газов  возрастает с уменьшением степени сжатия и увеличением быстроходности двигателей. =1300 К.

3.16. Отношение теплоемкости остаточных газов к

 теплоемкости свежего  заряда 

Величина  отношения теплоемкостей  зависит от состава смеси и температуры

= 1,17.

3.17. Коэффициент дозарядки

Для бензиновых двигателей коэффициент дозарядки =1,15.

3.18. Коэффициент очистки камеры сгорания от остаточных газов

Для бензиновых двигателей =0,8.

 

3.19. Коэффициент остаточных газов

Прямоточная продувка 0,1.

 

 

3.20. Отклонение показателя политропы сжатия от среднего за процесс сжатия показателя адиабаты

Отклонение в процессе сжатия показателя политропы от паказателя адиабаты = -0,02.

3.21. Коэффициент использования тепла к моменту

достижения максимального  давления цикла 

Величина  коэффициент использования тепла  зависит от скорости сгорания рабочей смеси и тепловых потерь в стенке =0,93.

 

3.22. Максимальное значение коэффициента использования тепла

Максимальное  значение коэффициента использования  тепла учитывает суммарные за процесс сгорания теплопотери из-за теплоотдачи неполноты сгорания,  диссоциации, из-за несвоевременности сгорания и т.д.

= 0,97.

3.23. Максимальное давление рабочего цикла

Для бензиновых двигателей подлежит расчету.

 

3.24. Коэффициент полноты индикаторной диаграммы

Коэффициент полноты  для бензиновых двигателей равен 0,95.

 

3.25. Коэффициенты для определения

среднего давления механических потерь

 

Двигатели
Бензиновые с числом цилиндров до шести и отношением 1	0,034	0,0113

 

3.26. Низшая теплота сгорания топлива

Низшая  теплота сгорания бензинов среднего элементарного состава  равна 43930 кДж/кг

4. Расчёт рабочего цикла

4.1. Расчет параметров впуска

Давление за воздухоочистителем, МПа

= 0,1-0,004 = 0,096 мПа.   

Степень повышения  давления в компрессоре

Выбираем πк = 1,5

Тк = 353,22 °К.

Тк < Тw значит воздухоохладитель не нужен

 

πк = 2,31

расхождение 0,011

Выбираем πк = 1,489

πк = 2,31

расхождение 0,034

Выбираем πк = 1,455

πк = 2,31

расхождение 0,014

Выбираем πк = 1,441

πк = 2,31

расхождение 0,006

Выбираем πк = 1,435

πк = 2,31

расхождение 0,002

Температура на выходе из компрессора

°

      Давление  на выходе из компрессора, МПа

Рк = πк

πк = значит нужен турбонаддув.

Температура перед  впускными органами    

°

Величина подогрева  заряда на впуске определяется по эмпирическому  выражению

 

Потери давления за счет сопротивления впускной системы  и затухания скорости движения заряда в цилиндре, МПа

 

= 0,00017 мПа.

Давление в  конце впуска, МПа. = 0,134-0,00017 = 0,133 мПа.

Температура перед впускными органами

    

= 293 = 339,88 °К.

 

Коэффициент наполнения.

Для четырехтактных двигателей с продувкой камеры сжатия и дозарядкой

  

= 0,98

 

Коэффициент остаточных газов ( для четырехтактных двигателей)

     

= 0,027

Температура в  конце впуска, К

     

= 385,53°К.

4.2. Расчет процесса сжатия

Показатель  адиабаты сжатия

   

Выбираем К = 1,375

К1 = 1+

Расхождение 0,005

Выбираем К = 1,37

К1 = 1+

Расхождение 0,001

Показатель  политропы сжатия

= 1,371-0,02 = 1,351     

Средняя мольная  теплоемкость при сжатии, кДж/кмоль×К

= 20,16+1,738   

Давление в  конце процесса сжатия, МПа

= 0,133     

Температура в  конце процесса сжатия, К

Тс = Та °К.

 

4.3. Расчет параметров в начале процесса расширения

Количество  свежего заряда для бензиновых двигателей, кмоль/кг топлива

= 1  +0.0087 = 0.5247   

Количество  продуктов сгорания для бензиновых двигателей, кмоль/кг топлива

= 0.1438+0.4087  = 0.5525   

Теоретический коэффициент молекулярного изменения

₌       

Действительный  коэффициент молекулярного изменения

=       

Коэффициент молекулярного  изменения в точке Z индикаторной диаграммы

= 1+      

Потери от неполноты сгорания в бензиновом двигателе при   .

Максимальная  температура сгорания в бензиновых двигателях, К

 

Тz = = 2646,92 °К.

Максимальное  давление рабочего цикла бензинового  двигателя, МПа

= 1,146 мПа     

 

Показатель  политропы расширения для бензинового двигателя

Выбираем n2 = 1,25

расхождение 0,019