147987 (Расчет двигателя внутреннего сгорания автомобиля КамАЗ)

Выбор и обоснование исходных данных

Давление окружающей среды – ;

Температура окружающей среды - К;

Коэффициент избытка воздуха для сгорания - ;

Степень сжатия = 18;

Элементный состав топлива: С = 0,87, Н = 0,126, О_Т = 0,004;

Топливо дизельное автотракторное ЦЧ = 45 ед;

Температура остаточных газов Т_r - 700-900 К;

Коэффициент остаточных газов γ_r – 0,03;

Давление отработавших газов р_r в конце выпуска - (0,75-1,00)р_К;

Подогрев свежего заряда на впуске ΔТ - 5-10 К;

Показатели политропы сжатия n₁ и расширения n₂ - n₁ = 1,35-1,42, n₂ = 1,15-1,28;

Коэффициент выделения тепла ξ - 0,70-0,85;

Степень повышения давления λ - 1,4-1,7;

Отношение хода поршня к диаметру цилиндра S/d - 1.

1. Тепловой расчет двигателя

При тепловом расчете определяются основные параметры, характеризующие эффективные и экономические показатели рабочего процесса, устанавливаются основные размеры двигателя.

Тепловой расчет проводится для номинального режима рабочего двигателя при оптимальных условиях протекания рабочего процесса.

В основу теплового расчета положен аналитический метод В.И. Гриневецкого- Е.К. Мазинга.

1.1 Определение параметров впуска

1.1.1 Давление в конце впуска

Давление р_a в конце впуска оказывает большое влияние на наполнение цилиндра свежим зарядом. Зависит от аэродинамических потерь во впускной системе, использования наддува, скоростного режима двигателя и ряда других факторов.

(1)

где - давление в конце впуска;

- давление воздуха после компрессора (0,25 МПа).

1.1.2 Температура в конце впуска

Температура Т_а в конце впуска определяется по зависимости

(2)

где - температура после компрессора, К;

– температура подогрева заряда, К;

- коэффициент остаточных газов;

- температура остаточных газов, К.

(3)

где – показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре (для центорбежного неохлаждаемого компрессора при газотурбинном наддуве автомобильных двигателей =1,8-2,0)

Тогда, температура в конце впуска будет равной:

.

1.1.3 Коэффициент наполнения

Коэффициент наполнения двигателя η_V определяется по зависимости

(4)

где - коэффициент сжатия.

1.2 Определение параметров сжатия

1.2.1 Давление в конце сжатия

Расчет давления и температуры в конце сжатия проводят по уравнениям политропического процесса:

(5)

(6)

где - средний показатель политропы сжатия.

(7)

где - число оборотов коленчатого вала.

Тогда давление и температура в конце сжатия будет равной:

1.3 Процесс сгорания

1.3.1 Теоретическое количество воздуха

Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива определяется по его элементарному составу:

(8)

где С, Н, О_Т - элементный состав топлива.

кмоль воз./кг топ.

1.3.2 Действительное количество свежего заряда

Действительное количество свежего заряда (кмоль/кг топлива), поступившего в цилиндр:

(9)

где - коэффициент избытка воздуха.

кмоль/кг топ

1.3.3 Количество остаточных газов

Количество остаточных газов в двигателе считается по формуле:

(10)

кмоль/кг топ.

1.3.4 Количество газов в цилиндре в конце сжатия

Количество газов в цилиндре в конце сжатия определяется из выражения:

(11)

кмоль/кг топ.

1.3.5 Состав и количество продуктов сгорания

При α>1 продукты сгорания жидкого топлива состоят из СО₂, Н₂О, О₂ и N₂. Количество отдельных компонентов (кмоль/кг топлива):

(12)

(13)

(14)

(15)

где С, Н - относительное содержание углерода и водорода в моторном топливе (таблице 1).

Таблица 1 – Основные показатели моторных топлив.

Количество продуктов сгорания 1кг топлива (кмоль/кг топлива) при α>1

(16)

кмоль/кг топ.

1.3.6 Теоретический коэффициент молекулярного изменения смеси

Коэффициент молекулярного изменения смеси определяется:

(17)

1.3.7 Действительный коэффициент молекулярного изменения смеси

Определим уточнений коэффициент молекулярного изменения смеси:

(18)

1.3.8 Средняя мольная теплоемкость

Средняя мольная теплоемкость (кДж/кмоль К) свежего заряда при V = соnst в первом приближении может быть определена по зависимости:

(19)

кДж/кмоль К

1.3.9 Средняя мольная теплоемкость

Средняя мольная теплоемкость (кДж/кмольК) продуктов Сгорания при V=соnst может быть определена по следующей приближенной формуле:

(20)

кДж/кмоль К

1.3.10 Средние мольные теплоемкости свежего заряда

Средние мольные теплоемкости (кДж/кмольК) свежего заряда и продуктов сгорания при Р = соnst определяются соответственно по зависимостям:

(21)

(22)

кДж/кмоль К

кДж/кмоль К

1.3.11 Потеря тепла

Потеря тепла вследствие химической неполноты сгорания из-за недостатка кислорода (при α>1)

(23)

Знак «-» показывает, что при неполном сгорании топлива из-за недостачи воздуха температура падает на .

1.3.12.Температура конца сгорания

Температура конца сгорания Т_Z определяется из уравнения:

(24)

где – коэффициент выделения тепла;

– низшая теплотворная топлива принимаем = 42,8 МДж/м³.

Отсюда:

1.3.13 Давление конца сгорания

Давление конца сгорания в двигателе с воспламенением от сжатия определяется:

(25)

1.3.14 Степень предварительного расширения

Степень предварительного расширения для двигателя с воспламенением от сжатия определяется по формуле:

(26)

1.3.15 Объем в конце сгорания

Объем в конце сгорания можно определить из выражения:

(27)

где V_С - объем пространства сжатия.

(28)

где V_S – рабочий объем цилиндра.

1.4 Определение параметров конца расширения

1.4.1 Давление конца расширения

Давление конца расширения в двигателе с воспламенением от сжатия определяется из следующего выражения:

(29)

где - степень последующего расширения;

- средний показатель политропы расширения.

(30)

(31)

1.4.2 Температура конца расширения

В конце расширения температура высчитывается по формуле:

(32)

1.5 Определение индикаторных показателей двигателя

1.5.1 Теоретическое среднее индикаторное давление для двигателя с воспламенением от сжатия определяется по следующему выражению:

(33)

1.5.2 Действительное среднее индикаторное давление

Действительное давление будет равно:

(34)

где - коэффициент неполноты индикаторной диаграммы, учитывающий скругления в точках C, Z, b, принимаем = 0,95;

- среднее давление насосных потерь при процессах впуска и выпуска.

(35)

где - давление при впуске смеси

(36)

Тогда:

Следовательно:

1.5.3 Индикаторный коэффициент полезного действия

Индикаторный коэффициент полезного действия определяется:

(37)

где - плотность заряда на впуске, (кг/м3);

- коэффициент наполнения.

(38)

где - удельная газовая постоянная, ( ).

1.5.4 Индикаторный удельный расход топлива

Удельный расход топлива для двигателя с воспламенением от сжатия рассчитывается по выражению:

(39)

1.6 Определение эффективных показателей двигателя

1.6.1 Среднее давление механических потерь

Величина зависит от многих факторов (трения в кривошипно-шатунном механизме, потерь на привод вспомогательных механизмов, теплового состояния, режимов работы двигателя). Оценка величины механических потерь может быть произведена для каждого двигателя только на основании экспериментальных данных.

Среднее давление МПа/м² механических потерь рекомендуется определять по эмпирической зависимости вида:

(40)

где а, b – постоянные коэффициенты для двигателя (a = 0,089, b = 0,0135);

- средняя скорость поршня, м/с.

(41)

где – ход поршня, мм;

- номинальная частота вращения коленчатого вала, об/мин.

1.6.2 Среднее эффективное давление

Среднее эффективное давление определяется:

(42)

1.6.3 Механический коэффициент полезного действия

Механический коэффициент полезного действия выражается:

(43)

1.6.4 Эффективный коэффициент полезного действия

Эффективный коэффициент полезного действия определяется:

(44)

1.6.5 Эффективный удельный расход топлива