Курсовая работа: Тепловой расчет автомобильных газовых двигателей

Изменение количества рабочего тела при сгорании ?М в (м3 раб.тела / м3 топлива) определяется по формуле:

(2.11)

Относительное изменение количества при сгорании горючей смеси характеризуетсяхимическимкоэффициентом молекулярного изменения горючей смеси , который определяется по форму:

(2.12)

2.2 Процесс впуска

За период процесса впуска осуществляется наполнение цилиндра свежим зарядом.

2.2.1 Давление и температура окружающей среды

Принимаются значения атмосферного давления и температуры в нормальных (стандартных) условиях: p₀ = 0,1 МПа и Т₀ = 293 К.

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

В курсовом проекте величина р_k задана в таблице 1.1.

Температура воздуха за компрессором Т_k в градусах Кельвина (К) определятся по формуле:

(2.13)

где - показатель политропы сжатия в компрессоре (нагнетателе),

принимается n_к = 1,4…2,0.

При работе двигателя без наддува в цилиндр поступает воздух из атмосферы. В этом случае при расчёте рабочего цикла двигателя давление и температура окружающей среды принимаются p₀ = 0,1 МПа и Т₀ = 293 К. Для получения однообразных формул в дальнейшем имеется ввиду, что для двигателей без наддува справедливы условия:

и (2.14)

2.2.2 Давление и температура остаточных газов

В цилиндре двигателя перед началом процесса наполнения всегда содержится некоторое количество остаточных газов, находящихся в объёме V_c камеры сгорания. Величина давления остаточных газов устанавливается в зависимости от числа и расположения клапанов, сопротивлений впускного и выпускного трактов, фаз газораспределения, характера наддува, быстроходности двигателя, нагрузки, системы охлаждения и других факторов.

Для двигателей без наддува давление остаточных газов в МПа принимают равным

(2.15)

Для двигателей с газотурбинным наддувом давление остаточных газов в МПа принимают равным:

(2.16)

Значения температуры остаточных газов Т_r принимаются из интервала 750…850 К.

При установлении величины Т_r необходимо иметь в виду, что при увеличении степени сжатия и обогащении рабочей смеси температура остаточных газов снижается, а при увеличении частоты вращения - возрастает.

2.2.3 Степень подогрева заряда

В процессе наполнения температура свежего заряда несколько увеличивается на величину ?Т благодаря подогреву от нагретых деталей двигателя. Величина ?Т зависит от расположения и конструкции впускного трубопровода, системы охлаждения, скоростного режима, нагрузки, размеров цилиндра. С увеличением числа оборотов величина ?Т при неизменном крутящем моменте двигателя уменьшается приблизительно линейно.

Повышение температуры улучшает процесс испарения топлива, но снижает плотность заряда, и таким образом, отрицательно влияет на наполнение двигателя.

Величина ?Т принимается из интервала 0…20 К.

2.2.4. Давление в конце впуска

Величина давления в конце впуска р_а в МПа определяется по формуле:

(2.17)

где - потери давления во впускном трубопроводе, МПа.

Потери давления во впускном трубопроводе в МПа определяются по формуле:

(2.18)

где - коэффициент, учитывающий гидравлическое сопротивление впускного тракта;

- коэффициент затухания скорости заряда в цилиндре;

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

- плотность заряда на впуске, кг/м^3.

При средней скорости заряда от 50 до 130 м/с величину принимают в пределах от 2,5 до 4,0.

Плотность заряда на впуске в кг/м³ определяется по формуле:

(2.19)

где - удельная газовая постоянная воздуха, Дж/(кг · град)

R_в = 287 Дж/(кг · град).

2.2.5 Коэффициент и количество остаточных газов

Величина коэффициента остаточных газов ?_r характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания. С увеличением ?_r уменьшается количество свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя в процессе впуска.

Коэффициент остаточных газов ?_r для четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания определяется по формуле:

(2.20)

Количество остаточных газов М_r в (м³ ост.газов / м³ топлива ) определяется по формуле:

М_r = (2.21)

2.2.6 Температура в конце впуска

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

2.2.7 Коэффициент наполнения

Наиболее важным параметром, характеризующим процесс впуска, является коэффициент наполнения. Он представляет собой отношение действительного количества свежего заряда, поступившего в цилиндр, к тому количеству, которое могло бы поместиться в рабочем объёме цилиндра при условии, что температура и давление в нём равны температуре и давлению среды, из которой поступает свежий заряд.

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

Рассчитанные параметры процесса впуска необходимо сравнить со значениями этих параметров у автомобильных газовых двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 2.2

Таблица 2.2 - Значения параметров процесса впуска

2.3. Процесс сжатия

При выполнении расчета газового двигателя условно принимается, что процесс сжатия в действительном цикле происходит по политропе с постоянным показателем n₁. Расчет параметров процесса сжатия сводится к определению показателя политропы сжатия n₁, давления р_с и температуры Т_с в конце сжатия, а также теплоёмкости рабочего тела в конце сжатия .

2.3.1 Показатель политропы сжатия

Величина n₁ устанавливается по опытным данным в зависимости от частоты вращения, степени сжатия, материала поршня и цилиндра, теплообмена и других факторов.

Учитывая, что теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра за процесс сжатия незначителен, то величину для газовых двигателей n₁ можно оценить по среднему показателю адиабаты сжатия k₁ по формуле:

(2.24)

Значение k₁ определяется в зависимости от температуры Т_а и степени сжатия ? по аппроксимирующей формуле:

2.3.2 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 по формулам:

(2.26)

(2.27)

2.3.3 Средняя мольная теплоёмкость рабочей смеси в конце сжатия

Рабочая смесь состоит из свежей смеси и остаточных газов.

Температура конца процесса сжатия t_c в градусах Цельсия (^оС) -

tc ? Tc ? 273.

Средняя мольная теплоёмкость свежей смеси в конце сжатия в кДж/(кмоль·град):

(2.28)

Средняя мольная теплоёмкость остаточных газов в конце сжатия в кДж/(кмоль·град)

(2.29)

Средняя мольная теплоёмкость остаточных газов в конце сжатия в кДж/(кмоль·град)

(2.30)

Рассчитанные параметры процесса сжатия сравниваются со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 2.3.

Таблица 2.3 - Значения параметров процесса сжатия

2.4 Процесс сгорания

Процесс сгорания - основной процесс рабочего цикла двигателя, в течение которого теплота, выделяющаяся вследствие сгорания топлива, идёт на повышение внутренней энергии рабочего тела и на совершение механической работы.

Целью расчёта процесса сгорания является определение температуры и давления в конце видимого сгорания.

2.4.1 Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

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

2.4.2 Температура конца видимого сгорания

ТемпературагазаТ_z в концевидимогосгорания определяетсяс использованием решения уравнение сгорания, которое имеет вид:

где - коэффициент использования низшей теплоты сгорания на участке видимого сгорания, который принимается из интервала 0,8…0,85;

t_z - температура в конце видимого сгорания, ^о С;

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

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

(2.34)

(2.35)

(2.36)

(2.37)

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

2.38)

Из формулы (2.38) выражается температура в градусах Цельсия (^оС)

Температура Т_z в градусах Кельвина (К) определяется по выражению:

(2.40)

2.4.3 Степень повышения давления цикла

Степень повышения давления цикла ? определяется по формуле:

2.4.4 Степень предварительного расширения

Степень предварительного расширения для газовых двигателей .

2.4.5 Максимальное давление сгорания

Величина максимального давления р_z в МПа в конце сгорания определяется по формуле:

Рассчитанные параметры процесса сгорания сравниваются со значениями этих параметров у автомобильных газовых двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 2.4.

Таблица 2.4 - Значения параметров процесса сгорания

2.5 Процесс расширения

В результате осуществления процесса расширения происходит преобразование тепловой энергии топлива в механическую работу.

В реальных двигателях расширение протекает по сложному закону, зависящему от теплообмена между газами и окружающими стенками, утечки газов через неплотности, уменьшения теплоёмкости продуктов сгорания вследствие понижения температуры при расширении, уменьшения количества газов в связи с началом выпуска.

2.5.1 Показатель политропы расширения

Так же как и при рассмотрении процесса сжатия для упрощения расчётов кривую процесса расширения принимают за политропу с постоянным показателем n₂.

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 n₂ незначительно отличается от показателя адиабаты k₂ и может быть определён для газового двигателя по следующим формулам:

2.5.2 Давление и температура конца процесса расширения

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

Рассчитанные параметры процесса расширения сравниваются со значениями этих параметров у автомобильных газовых двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 2.5.

Таблица 2.5 - Значения параметров процесса расширения