Тепловой расчет двигателя

 

Произвести расчет четырехтактного  карбюраторного двигателя, предназначенного для легкового автомобиля. Эффективная  мощность двигателя N_e = 66 кВт при частоте вращения коленчатого вала n = 4200 об/мин. Двигатель четырехцилиндровый, i = 4 с рядным расположением. Система охлаждения жидкостная закрытого типа. Степень сжатия ε = 6,7.

 

Тепловой расчет

При проведении теплового  расчета для нескольких скоростных режимов обычно выбирают 3-4 основных режима. Для карбюраторных двигателей такими режимами являются:

1. Режим минимальной частоты вращения n_min = 600 об/мин, обеспечивающих устойчивую работу двигателя;
2. Режим максимального крутящего момента при ;
3. Режим максимальной мощности при n_N;
4. Режим максимальной скорости движения автомобиля при n_max=(1.05)n_N.

С учетом приведенных рекомендаций и задания (n_N =4200 об/мин) тепловой расчет последовательно проводится для n = 1000, 3300, 5800 и 6400 об/мин.

 

Топливо

В соответствии с заданной степенью сжатия ε = 8,5 можно использовать бензин АИ-93.

Средний элементарный состав и молекулярная масса топлива

С = 0,855; Н = 0,145; m_t = 115 кг/моль.

Низшая теплота сгорания топлива

H_u = 33.91C + 125.60Y – 10.89 (O - S) – 2.51 [ (9H + W) =

= 33.91 * 0.855 + 125.6 * 0.145 – 2.51 * 9 * 0.145 = 43.93 МДж/кг =

= 43 930 кДж/кг.

Параметры рабочего тела

Теоретически необходимое  количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

 

 

Количество горючей смеси

 

При n = 1000 об/мин

М₁ = 0,86*0,516 + 1/115 = 0,4525 кмоль гор.см/кг топл;

При n = 3300, 5800 и 6400 об/мин

М₁ = 0,96*0,516 + 1/115 = 0,5041 кмоль гор.см/кг топл.

Количество отдельных  компонентов продуктов сгорания при К = 0,5 и принятых скоростных режимах:

 При n = 1000 об/мин

 

 

 

 

 

 

При n = 3300, 5800 и 6400 об/мин

 

 

 

 

 

 

 

Общее количество продуктов  сгорания

 

При n = 1000 об/мин

 

Проверка:

При n = 3300, 5800 и 6400 об/мин

 

Проверка:

 

 

Параметры окружающей среды и остаточные газы. Давление и температура окружающей среды при работе двигателя без наддува

 и .

Температура остаточных газов. При постоянном значении степени  сжатия ε = 6,7 температура остаточных газов практически линейно возрастает с увеличением скоростного режима при α=const, но уменьшается при обогащении смеси. Учитывая, что при n= 1000 об/мин α=0,86, а на остальных режимах α=0,96, принимается

n, об/мин	1000	3300	5800	6400
Tr, К	900	1000	1060	1070

Давление остаточных газов  p_r за счет расширения фаз газораспределения и снижения сопротивлений при конструктивном оформлении выпускного тракта расчитываемого двигателя можно получить на номинальном скоростном режиме

 

Тогда

 

 

Отсюда получим:

n, об/мин	1000	3300	5800	6400
, МПа	0.1036	0.1082	0.1180	0.1212

 

Процесс впуска. Температура подогрева свежего заряда. С целью получения хорошего наполнения двигателя на номинальном скросотном режиме принимается ⁰ С. Тогда

 

 

Далее получим:

n, об/мин	1000	3300	5800	6400
0С	20,5	14,5	8,02	6,5

 

Плотность заряда на впуске

,

Где = 287 Дж/кг*град – удельная газовая постоянная для воздуха.

 

Потери давления на впуске. В соответствии со скоростными режимами двигателя (n = 4200 об/мин) и при условии качественной обработки внутренне поверхности впускной системы можно принять

 и . Тогда

 

 

Отсюда получим:

При n = 1000 об/мин

 

При n = 3300 об/мин

 

При n = 5800 об/мин

 

При n = 6400 об/мин

 

 

Давление в конце впуска

 

,

n, об/мин	1000	3300	5800	6400
МПа	0,09915	0,090742	0,071399	0,065176

 

Коэффициент остаточных газов. При определении  для двигателя без наддува принимается коэффициент очистки = 1, а коэффициент дозарядки на номинальном скоростном режиме φ_доз = 1,10, что вполне возможно получить при подборе угла опаздывания закрытия впускного клапана в пределах 30-60⁰. При этом на минимальном скоростном режиме (n = 1000 об/мин) возмежен обратный выброс в пределах 5%, т.е. φ_доз =0,95. На остальных режимах значения φ_доз можно получить, приняв линейную зависимость φ_доз от скоростного режима. Тогда

 

При n = 1000 об/мин

;

При n = 3300 об/мин

;

 

При n = 5800 об/мин

;

При n = 6400 об/мин

;

 

Температура в конце впуска

 

При n = 1000 об/мин ;

При n = 3300 об/мин ;

При n = 5800 об/мин

При n = 6400 об/мин 365 К;

 

Коэффициент наполнения

.

При n = 1000 об/мин

 ;

 

При n = 3300 об/мин

;

При n = 5800 об/мин

;

При n = 6400 об/мин

;

 

Процесс сжатия. Средний  показатель адиабаты сжатия k₁ при ε=6,7 и рассчитанных значениях Т_а определяем по графику, а средний показатель политропы сжатия n₁ принимаем несколько меньше k₁. При выборе n₁ учитывается, что с уменьшением частоты вращения теплоотдача от газов в стенки цилиндра увеличивается, а n₁ уменьшается по сравнению с k₁ более значительно:

n, об/мин	1000	3300	5800	6400
k1	1,365	1,367	1,3678	1,3678
Ta, К	347	355	362	365
n1	1,360	1,361	1,3675	1,3675

 

Давление в конце сжатия

.

При n = 1000 об/мин ;

При n = 3300 об/мин ;

При n = 5800 об/мин ;

При n=6400 об/мин .

 

Температура в конце сжатия

.

При n = 1000 об/мин    ;

При n = 3300 об/мин ;

При n = 5800 об/мин ;

При n = 6400 об/мин ;

 

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:

а) свежей смеси (воздуха)

 ,

где ;

n, об/мин	1000	3300	5800	6400
0C	466	459	467	467
, кДж/(кмоль*град)	21,829	21,81	21,83	21,83

 

б) остаточных газов

- определяется  методом экстраполции по таблице:

 

При n = 1000 об/мин, α=0,86 и t_c=480⁰C

,

Где 23,303 и 23,450 – значения теплоемкости продуктов сгорания при 400⁰С соответственно при α=0,85 и α=0,9 взятые из таблицы.

,

Где 23,707 и 23,867 – значения теплоемкости продуктов сгорания при 500⁰С соответственно при α=0,85 и α=0,9 взятые из таблицы.

Теплоемкость продуктов  сгорания при t_c = 480⁰C

,

 

При n=3300 об/мин, и t_c=483⁰С определение производится аналогично методом экстраполяции с использованием табличных данных.

,

,

,

При n = 5800 и 6400 об/мин, α = 0,96 и t_c = 482⁰С

,

 

в) рабочей смеси

 

.

При n = 1000 об/мин

;

При n = 3300 об/мин

;

При n = 5800 об/мин

;

При n = 6400 об/мин

;

 

Процесс сгорания.  Коэффициент молекулярного изменения горючей μ₀= и рабочей смеси μ

При n = 1000 об/мин μ₀=; μ=(1,0944 + 0,0604)/(1+0,0604) = 1,0890;

При n = 3300 об/мин μ₀=; μ=(1,0633 + 0,0732)/(1+0,0732) = 1,0590;

При n = 5800 об/мин μ₀=; μ=(1,0633 + 0,0870)/(1+0,0870) = 1,0582;

При n = 6400 об/мин μ₀=; μ=(1,0633 + 0,0933)/(1+0,0933) = 1,0580;

 

Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания топлива:

△

При n = 1000 об/мин △

При n = 3300, 5800 и 6400 об/мин △

 

Теплота сгорания рабочей  смеси

 

При n = 1000 об/мин   

При n = 3300 об/мин   

При n =5800 об/мин   

При n = 6400 об/мин   

 

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания

 

 

При n=1000 об/мин

 ;

 

При n = 3300, 5800 и 6400 об/мин

 

Величина коэффициента использования  теплоты ξ_z, при n = 5800 и 6400 об/мин в результату значительного догорания топлива в процессе расширения снижается, а при n = 1000 об/мин ξ_z интенсивно уменьшается в связи с увеличением потерь тепла через стенки цилиндра и неплотности между поршнем и цилиндром. Поэтому при изменении скоростного режима ξ_z ориентировочно принимается в пределах, которые имеют место у работающих карбюраторных двигателей:

n, об/мин	1000	3300	5800	6400
ξz	0,82	0,93	0,91	0,88

 

Температура в конце видимого процесса сгорания

ξ_z

При n = 1000 об/мин 0,82*73 499+21,92*466=1,0890(24,298+0,002033t_z)t_z или

0,0022 + 26.48t_z-70977.3 = 0

t_z=;

 

  При n = 3300 об/мин 0,93*76625+21,9*459=1,0590(24,656+0,002077t_z)t_z или

0,002077 + 26.15t_z-83457,1 = 0

t_z=⁰С

T_z=t_z+273 = 2738+273 = 3011 K

 

При n = 5800 об/мин 0,91*75646+21,931*467=1,0582(24,656+0,002077t_z)t_z или

0,002077 + 26.15t_z-78903 = 0

t_z=⁰С

T_z=t_z+273 = 2743+273 = 3016 K

 

При n = 6400 об/мин 0,88*75234+21,964*467=1,0580(24,656+0,002077t_z)t_z или

0.0023 + 27.44t_z-76394.468 = 0

t_z=⁰С

T_z=t_z+273 = 2329+273 = 2602 K

 

Максимальное давление сгорания теоретическое

 

При n = 1000 об/мин 1,318*1,0890*2257/687= 6,0876 Мпа

При n = 3300 об/мин 1,320*1,0590*2738/705= 7,2128 Мпа

При n = 5800 об/мин 0,962*1,0582*2743/728= 6,234 Мпа

При n = 6400 об/мин 0,879*1,0580*2329/734= 5,34 Мпа

 

Максимальное давление сгорания действительное

 

n	1000	3300	5800	6400
	5.1745	6.1309	5.2989	4.539

 

Степень повышения давления

λ

n	1000	3300	5800	6400
λ	3.328	3.967	3.931	3.5

 

Процессы расширения и  выпуска. Средний показатель адиабаты расширения k₂ определяется по номограмме при заданном ε = 8,5 для соответствующих α и T_z, а средний показатель политропы расширения n₂ оценивается по величине среднего показателя адиабаты.

n	1000	3300	5800	6400
α	0,86	0,96	0,96	0,96
Tz	2257	3011	3016	2602
k2	1,2604	1,2518	1,2605	1,2534
n2	1,260	1,251	1,260	1,253