Рабочее тело и его свойства

Содержание

Введение

Основными задачами, по развитию и совершенствованию автомобильных двигателей при разработке новых типов двигателей и модернизации, находящихся в производстве, являются дальнейшее повышение мощности, снимае­мой с единицы объема при высокой надежности конструкций, сниже­ние удельной массы, удельного и эксплуатационного расходов топ­лива, стоимости производства двигателей и их эксплуатации.Намечено расширить сферу применения дизелей. Особое внима­ние уделяется уменьшению токсичности выбрасываемых в атмосферу отработавших газов двигателей и снижению шума их работы. Полу­чают дальнейшее развитие научно-исследовательские работы, в том числе по автоматизированным системам испытаний для изучения и оптимизации показателей двигателей, а также по методам автома­тизации управления ими. Специфичность технологии производства двигателей и повыше­ние требований к их качеству при все возрастающем масштабе про­изводства двигателей обусловили необходимость создания специа­лизированных моторных заводов.

В связи с возникшей социальной проблемой — снижением ток­сичности отработавших газов и шума двигателей, а также с огра­ниченностью ресурсов органических топлив наряду с работами по совершенствованию находящихся на производстве автомобильных двигателей ведутся работы по применению других типов тепловых двигателей, а также электрических двигателей.

Тепловой расчет рабочего цикла двигателя

Рабочее тело и его свойства

1.1.1 Топливо

Физико-химические свойства топлив, применяемых в автомобильных двигателях, должны отвечать определенным требованиям, зависящим от типа двигателя, особенностей его конструкции, параметров рабочего процесса и условий эксплуатации. Состав топлива и его параметры в соответствии с заданием принимаются по таблицам 1.1 и1.2.

Таблица 1.1 – Зависимость октанового числа бензина от степени сжатия автомобильного двигателя

Таблица 1.2 – Химический состав автомобильных топлив

Выбранный состав топлива отвечает условию

С + Н + О = 1 кг. (1.1)

При тепловом расчёте ДВС пользуются значением низшей теплоты сгорания топлива, под которой понимается количество теплоты, выделяемое при полном сгорании топлива без учета теплоты конденсации водяных паров. Низшая теплота сгорания Н_uопределяется по формуле Д.И. Менделеева:

(1.2)

где S и W – массовые доли серы и влаги в топливе.

В расчетах принимается S = 0, W = 0.

1.1.2 Горючая смесь

Для полного сгорания топлива необходимо определенное количество воздуха, которое называется теоретически необходимым, и определяется по элементарному составу топлива в кг возд/кг топл.

(1.3)

кг возд/кг топл

или в кмоль возд/кг топл;

(1.4)

кмоль возд/кг топл

Действительное количество воздуха L в кмоль возд/кг топл определяется по формуле:

(1.5)

кмоль возд/кг топл

где α - коэффициент избытка воздуха.

Для различных двигателей при номинальной мощности принимаются следующие значения α:

- карбюраторные двигатели 0,85…0,98;

Количество горючей смеси М₁в кмоль гор.см/кг топл определяется по формуле:

(1.6)

кмоль гор.см/кг топл

где m_Т – молекулярная масса паров топлива, г/моль.

Величина m_Т выбирается по таблице 1.2.

1.1.3 Продукты сгорания

Общее количество продуктов М₂ неполного сгорания определяется по формуле:

(1.7)

кмоль пр.сг/кг топл

Количество отдельных составляющих продуктов сгорания в кмоль пр.сг/кг топл определяются по следующим формулам:

(1.8)

кмоль пр.сг/кг топл

, (1.9)

кмоль пр.сг/кг топл

, (1.10)

кмоль пр.сг/кг топл

, (1.11)

кмоль пр.сг/кг топл

,

кмоль пр.сг/кг топл

Относительное изменение количества молей при сгорании горючей смеси характеризуется химическим коэффициентом молекулярного изменения горючей смеси, который определяется по формуле:

кмоль пр.сг/кг топл (1.12)

кмоль пр.сг/кг топл

Процесс впуска

1.2.1 Давление и температура окружающей среды

При работе двигателя с наддувом в цилиндр поступает воздух из компрессора (нагнетателя), где он предварительно сжимается. В соответствии с этим давление и температура окружающей среды при расчете рабочего цикла двигателя с наддувом принимается равной давлению ,МПа и температуре ,K воздуха на выходе из компрессора.

(1.20)

МПа.

1.2.2 Давление и температура остаточных газов

Для автомобильных двигателей без наддува,а такжес механическим наддувом давление остаточных газов в МПа принимают равным:

(1.21)

МПа

Принимаем К.

1.2.3 Степень подогрева заряда

В зависимости от типа двигателя значения ∆Т принимают из следующих пределов: 0...20 K

∆Т = 20 К.

1.2.4 Давление в конце впуска

Величина давления в конце впуска р_ав МПа может быть определена по формулам:

(1.22)

МПа

где – потери давления во впускном трубопроводе, МПа.

Потери давления во впускном трубопроводе в МПа определяются по формуле:

(1.23)

МПа

где - коэффициент затухания скорости заряда в цилиндре;

- коэффициент, учитывающий гидравлическое сопротивление впускного тракта;

- средняя скорость движения заряда при максимальном открытии клапана, м/с;

- плотность заряда на впуске, кг/м³.

При средней скорости заряда ω_впот 50 до 130 м/с величину (ξ_вп+β²) принимают в пределах от 2,5 до 4,0.

Для двигателей с наддувом плотность заряда на впуске в кг/м³определяют по формуле:

(1.24)

кг/м³

где R_в– удельная газовая постоянная воздуха, Дж/(кг · град);

R_в= 287 Дж/(кг · град).

1.2.5 Коэффициент остаточных газов

Коэффициент остаточных газов γ_rдля четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания определяется по формуле:

(1.25)

кмоль ост.газов/кг топл

1.2.6 Температура в конце впуска

Температуру в конце впуска Т_а в градусах Кельвина (К) определяют по формуле:

(1.26)

1.2.7 Коэффициент наполнения

Для четырёхтактных двигателей без учёта продувки и дозарядки коэффициент наполнения определяется по формуле:

(1.27)

Рассчитанные параметры процесса впуска необходимо сравнить со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 1.3.

Таблица 1.4 – Значения параметров процесса впуска

Процесс сжатия

1.3.1 Показатель политропы сжатия

Учитывая, что теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра за процесс сжатия незначителен, то величину n₁можно оценить по среднему показателю адиабаты сжатия k₁по следующим формулам:

- для дизельных двигателей

(1.28)

Значение k₁определяется в зависимости от температуры Т_аи степени сжатия ε по формуле:

(1.29)

1.3.2 Давление и температура конца процесса сжатия

Давление р_с в МПа и температура Т_с в градусах Кельвина (К) в конце процесса сжатия определяются из уравнения политропы с постоянным показателем n₁

, (1.30)

МПа

(1.31)

К

1.3.3 Средняя мольная теплоёмкость рабочей смеси

Рабочая смесь состоит из свежей смеси и остаточных газов.

Температура конца процесса сжатия t_cв градусах Цельсия (^оС)

.

К

Средняя мольная теплоёмкость свежей смеси в конце сжатия принимается равной теплоёмкости воздуха в кДж/(кмоль·град) и определяется по формуле:

(1.32)

кДж/(кмоль·град)

Средняя мольная теплоёмкость остаточных газов в конце сжатия в кДж/(кмоль·град) определяется по следующим формулам:

- для карбюраторных двигателей:

(1.33)

кДж/(кмоль·град)

Средняя мольная теплоёмкость рабочей смеси в кДж/(кмоль·град) определяется по формуле:

(1.34)

кДж/(кмоль·град)

Рассчитанные параметры процесса сжатия необходимо сравнить со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 1.4.

Таблица 1.4 – Значения параметров процесса сжатия

Процесс сгорания

1.4.1 Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

Изменение объёма при сгорании рабочей смеси учитывает коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси, который определяется по формуле:

(1.35)

1.4.2 Температура конца видимого сгорания

Температура газа Т_zв конце видимого сгорания определяется на основании первого закона термодинамики:

(1.36)

где dQ – количество затраченной теплоты, Дж;

dU – повышение внутренней энергии рабочего тела, Дж;

dL – внешняя работа, совершаемая рабочим телом, Дж.

Применительно к автомобильным двигателям уравнение сгорания имеет вид:

- для карбюраторных двигателей

(1.37)

Рассчитаем уравнение:

Подставим в уравнение значение:

где - коэффициент использования низшей теплоты сгорания на участке видимого сгорания, который принимается из следующих интервалов значений: для карбюраторных двигателей 0,8…0,95.

∆H_u- потеря теплоты вследствие химической неполноты сгорания, кДж/кг,

при α < 1: (1.38)

- средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания при постоянном объёме, кДж/(кмоль·град), которая определяется по следующей формуле:

где –средние мольные теплоёмкости продуктов сгорания при изменении температуры в диапазоне 1501…2800 ^оС, которые могут быть выражены в зависимости от температуры t_zследующими формулами:

, (1.39)

, (1.40)

, (1.41)

, (1.42)

(1.43)

После подстановки всех величин в уравнение сгорания получается квадратное уравнение вида:

(1.44)

где А, В, С – числовые значения известных величин

Из формулы выражается температура в градусах Цельсия (^оС):

(1.45)

^оС

Температура Т_zв градусах Кельвина (К) определяется как:

(1.46)

К

1.4.3 Степень повышения давления цикла

Степень повышения давления цикла λ для карбюраторных двигателей определяется по формуле:

. (1.47)

1.4.4 Степень предварительного расширения

Степень предварительного расширения для карбюраторных двигателей ρ=1.

1.4.5 Максимальное давление сгорания

Величина давления в МПа в конце сгорания определяется по формуле:

(1.48)

МПа

Рассчитанные параметры процесса сгорания необходимо сравнить со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 1.5.

Таблица 1.5 – Значения параметров процесса сгорания

Тип двигателя	Параметры
Карбюраторный	3,2…4,2		3,5…7,5	2400…3100
Проектируемый			5,08	2696,56

Процесс расширения

1.5.1 Показатель политропы расширения

С возрастанием коэффициента использования теплоты, интенсивности охлаждения, отношения хода поршня к диаметру цилиндра средний показатель политропы расширения увеличивается и, наоборот, уменьшается с ростом нагрузки и линейных размеров цилиндра. Средний показатель политропы расширения n₂незначительно отличается от показателя адиабаты k₂и может быть определён по следующим формулам:

- для карбюраторного двигателя:

, (1.49)

(1.50)

1.5.2 Давление и температура конца процесса расширения

Значения давления в МПа и температуры в градусах Кельвина (К) в конце процесса расширения определяется по формулам:

- для карбюраторных двигателей:

, (1.51)

, (1.52)

МПа

К

δ - степень последующего расширения, которая определяется по формуле:

(1.53)

Рассчитанные параметры процесса расширения необходимо сравнить со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 1.6.

Таблица 1.6 – Значения параметров процесса расширения

Тип двигателя Параметры Карбюраторный 1,23…1,3 0,35…0,6 1200…1700 Проектируемый 1,25 0,36 1615,4

Процесс выпуска

Точность выбора температуры остаточных газов в градусах Кельвина (К) определяется по формуле:

(1.54)

К

При расхождении между принятой величиной Т_rв пункте (1.2.2) и рассчитанной по формуле (1.65) более 10 % параметры теплового расчёта необходимо пересчитать.

Оставляем К.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: