ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Ефимов М. А. Акимочкин А. В.
Параметры рабочего тела
1.2.1 Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания одного килограмма топлива
Теоретически необходимым называется количество воздуха /о, кг, достаточное для полного сгорания 1 кг топлива. Оно зависит от элементарного состава топлива и рассчитывается по стехиометрическим отношениям:
(1.1)
При делении /о на среднюю молярную массу воздуха /л теоретически необходимое количество Lo, выразится в киломолях
(1,2)
где масса I кмоля воздуха (=218,96 кг/кмоль.).
Общее количество продуктов сгорания
Общее количество продуктов сгорания , кмоль, при а ≥ 1 определяется по формуле:
(1.10)
Общее количество продуктов сгорания , кмоль, при а ≤1, определяется по формуле:
(1.11)
1.3 Расчёт впуска
Давление воздуха на впуске
Для карбюраторного и дизельного двигателя без наддува давление на впуске, МПа, можно принять равным атмосферному ,МПа:
(1.12)
В двигателе с наддувом воздух в цилиндры поступает из компрессора, где он предварительно сжимается. В зависимости от степени наддува принимаются следующие значения давления , МПа. наддувочного воздуха [3]:
• при низком наддуве, МПа;
• при среднем наддуве, МПа;
• при высоком наддуве, МПа.
Температура воздуха на впуске
Для двигателей без наддува температуру воздуха на впуске Тк, К можно условно считать равной атмосферной , К:
= (1.13)
Для двигателей с наддувом, температура воздуха за компрессором, т.е. на впуске, Тк, К, определяется по формуле:
(1.14)
где -показатель политропы сжатия воздуха вкомпрессоре.
В зависимости от типа наддувочного агрегата и степени охлаждения значения по опытным данным находится и следующих пределах [2]:
• для поршневых нагнетателей от 1,4 до 1,6;
• дляобъёмных нагнетателей от 1,55 до I, 75;
• для осевых и центробежных нагнетателей от 1,4 до 2,
Температура в конце впуска
Температура газа, находящегося в цилиндре двигателя в конце впуска, зависит от температуры рабочего тела, температуры остаточных газов , коэффициента остаточных газов подогрева свежего заряда:
(1,19)
У современных четырёхтактных двигателей значение варьирует вследующих пределах:
• для карбюраторных двигателей - от 320 до 380 К;
• для дизелей без наддува - от 310 до 350 К;
• для четырёхтактных дизелей с наддувом и двухтактные дизелей с прямоточной продувкой - от 320 до 400 К.
Давление в конце сжатия
Расчёт давления в конце сжатия , МПа, ведут по уравнению политропического процесса:
(1.22)
Ориентировочные значения для современных автотракторных двигателей находятся в следующих пределах [2]
• длякарбюраторных двигателей при полном открытии дроссельной заслонки - от 0,9 до 1,6 МПа;
• для дизелей без наддува - от 3,5 до 5,5 МПа;
• для дизелей с наддувом (при давлении наддува
0,2 МПа и без промежуточного охлаждения воздуха после компрессора) - от 6 до 8 МПа.
Число киломолей остаточных газов
Число киломолей остаточных газов, кмоль, определяются по формуле:
(1.25)
Число киломолей газов после сгорания
, кмоль (1.30)
Действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси
Действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси характеризует изменение объема газов при сгорании рабочей смеси.
(1.31)
На значение действительного коэффициента молекулярного изменения в основном влияет коэффициент избытка воздуха; при обогащении смеси (уменьшении) возрастает.
Ориентировочно значение находится в следующих пределах [2]:
• для карбюраторных двигателей - от 1,05 до 1,08;
• для дизельныхдвигателей - от1,01 до1,05.
Для дизелей с наддувом для ограничения максимального давления сгорания принимают меньшее значение степени повышения давления, чем в дизеле без наддува.
После подстановки ипреобразования выражения получают уравнение второго порядка вида:
(1,37)
Решая уравнение относительно, получают:
(1.38)
Для современных автотракторных двигателей значение находится в следующих пределах [2].
• для карбюраторных двигателей - от 2400 до 2900 К;
• для дизельных двигателей - от 1800 до 2300 К;
• для газовых двигателей - от 2200 до 2500 К,
Степень повышения давления
(1.43)
1.6 Расчёт расширения
1.6.1 Степень предварительного расширения (для дизельных двигателей)
(1.44)
где - степень предварительного расширения.
Для современных автотракторных дизелей значения находятся в пределах от 1,2 до 2,4 [2].
Степень последующего расширения (для дизельных двигателей)
Степень последующего расширения определяется по формуле:
(1.45)
Давление в конце расширения
Значение давления в конце процесса расширения , МПа, рассчитывают по уравнению политропического процесса.
• для карбюраторных двигателей:
(147)
• для дизельных двигателей:
(1.48)
Для современных автотракторных двигателей значения находятся в следующих пределах [2]:
• дня карбюраторных двигателей - от 0,35 до 0,6 МПа;
• для дизельных двигателей - от 0,2 до 0,5 МПа.
Температура в конце расширения
Значение температуры газов в конце процесса расширения, К, также рассчитывают по уравнению политропического процесса
• для карбюраторных двигателей:
(1,49)
• для дизельных двигателей:
(1.50)
Значения температуры для современных автотракторных двигателей без наддува на номинальном режиме составляют [2]:
• для карбюраторных двигателей - от 1400 до 1700 К;
• для дизельных двигателей - от 1000 до 1400 К
При этом для высокооборотных двигателей характерны более высокие значения и .
Выпуск
Из-за периодичности процесса выпуска и переменной скорости поршня в выпускном трубопроводе происходят колебания давления газов по времени. Поэтому линия выпуска, получаемая при снятии индикаторных диаграмм, имеет волнообразный характер подобно линии впуска.
Значение давления зависит от частоты вращения, времени - сечения клапанов, фаз газораспределения, длины трубопроводов и общего сопротивления выпускной системы.
1.7.1 Расчётное значение температуры остаточных газов.
Правильность ранее сделанного выбора параметров процесса выпуска и можно проверить по формуле [4]:
(1.51)
Индикаторный коэффициент полезного действия (КПД)
Индикаторный КПД , представляет собой отношение
количества теплоты, эквивалентного индикаторной работе действительного цикла, ко всему количеству затраченной теплота или к теплотворности топлива, умноженной на цикловую подачу топлива:
(1.65)
Для расчёта удобнее использовать формулу:
(1.66)
где -низшая удельная теплота сгорания топлива, МДж/кг.
Для современных автотракторных двигателей на номинальном режиме работы значение индикаторного КПД составляет [2]:
• для карбюраторных двигателей - от 0,28 до 0,38;
• для дизельных двигателей - от 0,42 до 0,52;
• для газовых двигателей - от 0,26 до 0,34.
Индикаторный удельный расход топлива
Индикаторный удельный расход топлива, г/(кВтч)- количество топлива, расходуемого в двигателе за один час, отнесённое к индикаторной мощности, развиваемой двигателем.
(1.67)
где - низшая удельная теплота сгорания топлива, МДж/кг.
Для современных автотракторных двигателей на поминальном режиме работы значение удельного индикаторного расхода топлива, г/(кВтч) составляет [2]:
• для карбюраторных двигателей - от 235 до 290;
• для дизельных двигателей - от 175 до 220;
1.10 Расчёт эффективных показателей
Средняя скорость поршня
(1.68)
где -средняя скорость поршня, м/с;
S - ход поршня, мм;
п - частота вращения коленчатого вала, мин.
Мощность механических потерь
Мощность механических потерь.- это мощность, затрачиваемая на преодоление внутренних сопротивлений и самом двигателе, а также на привод компрессора или продувочного насоса.
По аналогии с индикаторной мощностью формула для мощности механических потерь будет иметь вид:
(1.73)
Среднее эффективное давление
Среднее эффективное давление Ре, МПа, - это значение условного постоянного давления в цилиндре двигателя, при котором работа, произведённая рабочим телом за один такт, равнялась бы эффективной работе цикла. Оно определяется по формуле:
(1.74)
При работе автотракторных двигателей на номинальном режиме значения , МПа, находятся в следующих пределах [3]:
• для четырехтактных карбюраторных двигателей - от 0,6 до 1,1;
• для четырёхтактных дизелей без наддува - от 0.55 до 0,85;
• для четырёхтактных дизелей с наддувом - до 2;
• для газовых двигателей - от 0.5 до 0,75;
для двухтактных высокооборотных дизелей - от 0.4 до 0,75.
Механический КПД
Механический КПД - оценочным показатель механических потерь в двигателе. Он характеризует долю или , переходящую в или ,
(1.75)
При работе автотракторных двигателей на номинальном режиме значение находится в следующих пределах [2]:
• для четырёхтактных карбюраторных двигателей - от 0,7 до 0,85;
• для четырёхтактных дизелей без наддува - от 0,7 до 0,82;
•для четырёхтактных дизелей с наддувом - от 0,8 до 0,9;
• для газовых двигателей - от 0,75 до 0,85;
•для двухтактных высокооборотных дизелей - от 0,7 до 0,85.
Эффективная мощность
Эффективная мощность , кВт – это мощность двигателя, снимаемая с коленчатого вала.
(1.76)
Эффективный КПД
Доля теплоты, превращаемой в эффективную (полезную) мощность на валу дизеля, называется эффективным коэффициентом полезного действия.
Этот коэффициент оценивает степень использования теплоты в двигателе с учётом всех тепловых и механических потерь:
(1.77)
Для автотракторных двигателей на номинальном режиме работы значение эффективного КПД находится в следующих пределах [2]:
• для карбюраторных двигателей - от 0,25 до 0,33;
• для дизельных двигателей - от 0,35 до 0,4;
• для газовых двигателей - от 0,23 до 0,3.
Эффективный удельный расход топлива
Эффективный удельный расход топлива , г/кВтч, оценивает топливную экономичность двигателя.
(1.78)
где - выражено в МДж/кг.
Для современных автотракторных двигателей значение , г/кВтч, находится в пределах:
• для карбюраторных двигателей - от 270 до 350;
• для дизелей с неразделёнными камерами сгорания - от 200 до 240;
• для вихрекамерных и предкамерных дизелей - от 245 до 260;
• для газовых двигателей (расход теплоты) - от 14 до МДж/(кВт ч).
Эффективный крутящий момент
(1.79)
где -эффективный крутящий момент, Нм ;
- частота вращения коленчатого вала двигателя, мин.
Часовой расход топлива.
(1.80)
где - часовой расход топлива, кг/ч.
1.11 Определение основных параметров цилиндраи двигателя
При проектировании нового двигателя параметры S и D неизвестны, тогда поступают следующим образом.
Литраж двигателя
По эффективной мощности, частоте вращения коленчатого вала и эффективному давлению определяется литраж двигателя:
(1.81)
где - необходимая мощность двигателя, кВт;
- тактность двигателя;
1.11.2 Рабочий объём цилиндра
Рабочий объём одного цилиндра, л:
(1.82)
Диаметр цилиндра
Для определения диаметра цилиндра задаться параметром
.
0,7 ... 1,2 - для карбюраторных двигателей;
0,9 . . . 1,3 - для дизельных двигателей.
Тогда диаметр цилиндра:
(1.83)
Определение максимальной частоты вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу
Максимальные обороты, соответствующие холостому ходу двигателя зависят от степени неравномерности работы регулятора или ограничителя частоты вращения и определяются по формуле:
(2.1)
где - максимальная частота вращения холостого хода,
мин;
- степень неравномерности работы регулятора,
=0,05 ... 0,08 - для дизельных двигателей [4],
=0,05 .. .0,2 - для карбюраторных двигателей [2]
Определение текущих значений эффективной мощности.
Текущие значения эффективной мощности , кВт, определяются по следующим зависимостям [2]:
- для карбюраторных двигателей:
(2.2)
- для дизельных двигателей с неразделённой камерой сгорания:
(2.3)
- для дизельных двигателей с предкамерой:
(2.4)
- для дизельных двигателей с вихревой камерой сгорания:
(2.5)
Где - текущее значение эффективной мощности, кВт;
- текущие значения частоты вращения коленчатого вала двигателя, мин.
Определение текущих значений эффективного
Крутящего момента
Текущие значения эффективного крутящею момента , Нм, определяются по формуле:
(2.6)
Получая значения , сравнивают их между собой до тех пор, пока какое-то значение станет максимальным, например:
следовательно .После определения рассчитываем еще два значения .
Определение текущих значений эффективного удельного расхода топлива
Текущие значения эффективного удельного расхода топлива , г/кВтч, определяются по формуле:
-для карбюраторных двигателей:
(2.7)
- для дизельных двигателей:
(2.8)
ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ
Динамический расчет KШM заключается в определении суммарных сил и моментов, возникающих от давления газов и сил инерции движущихся масс.