Форсированный бензиновый двигатель для автомобиля семейства ВАЗ
Форсированный бензиновый двигатель для автомобиля семейства ВАЗ
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.
1. Расчетная схема турбопоршневого двигателя
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.
2. Определение исходных
данных для теплового расчета номинального режима
турбопоршневой двигатель газообмен индикаторный
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., V = 1,6 л., τ = 4. i = 4, жидкостное охлаждение, ge = 280 гр/кВт.
Среднее эффективное
давление
Величина среднего эффективного
давления Ре характеризует уровень форсирования двигателя.
где 
- тактность двигателя;
- номинальная мощность,
кВт;
- рабочий объем одного
цилиндра, л (дм3);
- число цилиндров.
Pe
= 
мПа.
Коэффициент избытка
воздуха
В двигателях с впрыском
бензина и нейтрализацией отработавших газов 
= 1.
Удельный
эффективный расход топлива
В техническом задании на
проектирование двигателя удельный эффективный расход топлива 
на
номинальном режиме задается и затем подтверждаются результатами теплового
расчета =
280 гр/кВт.
Сопротивление
воздухоочистителя
Для бензиновых
двигателей сопротивление воздухоочистителя 
=0,004 МПа
Коэффициент
наполнения
Коэффициент наполнения 
комплексно
характеризует совершенство процесса наполнения цилиндров двигателя свежим
зарядом. У бензиновых двигателей =0,94.
Показатель
политропы сжатия воздуха в компрессоре
Величина показателя
политропы сжатия 
=1,7.
Термический КПД
охладителя наддувочного воздуха
=0,8.
Температура
охлаждающего агента (воздуха или охлаждающей жидкости) на входе в охладитель
наддувочного воздуха
Для двигателей без
охладителя 
=355
о К.
Условия
окружающей среды
Расчет производится для
нормальных атмосферных условий: 
=293о К, Ро=0,1
МПа.
Отношение хода
поршня к диаметру цилиндра
Современные бензиновые
двигатели проектируются с невысоким отношением хода поршня S к диаметру цилиндра D.
=0,86.
Число цилиндров
Число цилиндров i = 4.
Число впускных
клапанов в цилиндре
Бензиновый двигатель с
инжекторной системой впрыска i
Кл = 2.
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.
Отношение диаметра
горловины впускного клапана к диаметру цилиндра
Для бензинового
двигателя с клиновидной и плоскоовальной камерами сгорания
= 0,46.
Тактность
двигателя
Для четырехтактных
двигателей 
=4.
Теоретически необходимое
количество воздуха для сгорания 1 кг топлива
Для жидких топлив теоретически
необходимое количество воздуха
,
где С, Н
и ОТ - массовые доли углерода, водорода и кислорода в
топливе.
=0,516 
для
бензинов.
Степень сжатия
=10.
Отношение давления
остаточных газов к давлению перед впускными органами двигателя
Для двигателей с
газотурбинным наддувом 
=1.
Температура
выпускных газов
Температура выпускных
газов 
возрастает
с уменьшением степени сжатия и увеличением быстроходности двигателей. =1300
К.
Отношение теплоемкости
остаточных газов к теплоемкости свежего заряда
Величина отношения
теплоемкостей 
зависит
от состава смеси и температуры
= 1,17.
Коэффициент
дозарядки
Для бензиновых
двигателей коэффициент дозарядки
=1,11.
Коэффициент
очистки камеры сгорания от остаточных газов
Для бензиновых
двигателей 
=1.
Коэффициент
остаточных газов
Прямоточная продувка
0,1.
Величина подогрева DТ
зависит от типа двигателя, его быстроходности, наличия наддува, способа
охлаждения и проч. В бензиновых двигателях подогрев заряда меньше, чем в
дизелях, в основном, из-за их быстроходности. Величина подогрева смеси в
бензиновых двигателях выбирается с учетом необходимости обеспечения
качественного смесеобразования, что требует повышения температуры заряда.
Однако при этом снижается его плотность, что отрицательно влияет на массовое
наполнение цилиндров.
DТ = 30 °К.
Отклонение показателя
политропы сжатия от среднего за
процесс сжатия показателя адиабаты
Отклонение в процессе
сжатия показателя политропы от паказателя адиабаты 
=
-0,02.
Коэффициент
использования тепла к моменту достижения максимального давления цикла
Величина коэффициент
использования тепла 
зависит
от скорости сгорания рабочей смеси и тепловых потерь в стенке =0,9.
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.
Максимальное
давление рабочего цикла
Для бензиновых
двигателей 
подлежит
расчету.
Коэффициент
полноты индикаторной диаграммы
Коэффициент полноты 
для
бензиновых двигателей равен 0,95.
Коэффициенты для
определения среднего давления механических потерь
|
Двигатели
|
 
|
|
|
Бензиновые с числом цилиндров до шести и отношением  10,0340,0113
|
|
|
3. Алгоритм расчета
Расчет параметров
процесса газообмена
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
Давление перед впускными
органами двигателя, МПа
Рк = πк
πк
= 
значит
нужен турбонаддув.
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.
Расчет процесса
сжатия
Показатель адиабаты
сжатия
Выбираем К = 1,375
К1 = 1+
Расхождение 0,005
Выбираем К = 1,37
К1 = 1+
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.
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
Выбираем n2 = 1,231
n2
= 1.227
расхождение 0,004
Выбираем n2 = 1,227
n2 = 1.2273
расхождение 0,0003
Температура в конце
процесса расширения для бензинового двигателя
= 
°К.
Давление в конце
процесса расширения для бензинового двигателя
= 
мПа.
Давлением и температурой
выпускных газов задаются. Точность выбора указанных величин проверяется по
формуле
= 
°К
Рr = 1
мПа.
Относительная ошибка не
должна превышать 15%.
; 
Относительная ошибка 4%.
Среднее индикаторное
давление расчетного цикла для бензиновых двигателей
= 
МПа.
Среднее индикаторное
давление действительного цикла четырехтактных двигателей
= 0,95
мПа.
Индикаторный КПД
= 
Удельный индикаторный
расход топлива, г/кВт×ч
= 
Среднее давление
механических потерь
= =0,0453
мПа.
Среднее эффективное
давление
= 1,463-0,55 = 1.08 мПа.
Эффективный КПД
двигателя
= 0,3
Удельный эффективный
расход топлива, г/кВт×ч
=281
Рабочий объем цилиндра,
дм3(л)
=0.45
Диаметр цилиндра, мм
= 87.4
Ход поршня, мм
=75.2
=
Вывод
турбопоршневой двигатель
газообмен индикаторный
В ходе работы рассчитаны
индикаторные параметры рабочего цикла бензинового двигателя. По результатам
расчета построены индикаторная диограмма зависимости P-V и развернутая диограмма по углу
поворота коленчатого вала P-φ.
В ходе расчета были произведены
проверки по выбранным исходным данным. В результате расчетов расчетная мощность
получилась не ниже заданной, значит, расчет выполнен правильно.
Список используемой
литературы
1. А.И. Колчин, В.П. Демидов «Расчет автомобильных и тракторных
двигателей» Москва «Высшая школа». 1980 г.
2. В.М. Архангельский «Автомобильные двигатели» Москва
«Машиностроение».1967 г.
. А.С. Орлина, М.Г. Круглова «Двигатели внутреннего
сгорания» Москва «Машиностроение».1980 г.