Значения коэффициента a и давления наддува

Выбор исходных данных

Выбор исходных данных производите в следующей последовательности.

Пользуясь зачетной книжкой и таблицей 1, определите марку двигателя и значение частоты вращения коленчатого вала для выполнения дальнейших расчетов следующим образом:

- выберите марку двигателя в горизонтальной строке таблицы 1 согласно последней цифре номера зачетной книжки;

- выберите значение частоты вращения коленчатого вала в вертикальном столбце таблицы 1 согласно предпоследней цифре номера зачетной книжки;

- выберите расчетное значение мощности двигателя в вертикальном столбце таблицы 2 согласно предпоследней цифре номера зачетной книжки;

- пользуясь данными таблицы 3, определите значение коэффициента избытка воздуха a и значение давления наддува, в случае, если ваш двигатель – дизель с турбонаддувом.

Используйте в расчетах стандартное для двигателя значение степени сжатия e и кинематического параметра λ=R/L;

Используйте в расчетах стандартные показатели состава и качества топлива.

Таблица 1

Двигатели и значения частоты вращения коленчатого вала

Таблица 2

Двигатели и значения расчетной эффективной мощности

Таблица 3

Значения коэффициента a и давления наддува

Неуказанные эмпирические значения параметров выбирайте из предложенного ряда данных или справочной литературы с учетом скоростного режима работы двигателя.

Необходимые конструктивные соотношения и характеристики деталей для вашего двигателя выбирайте из предложенного ряда данных или справочной литературы;

Соотношения размеров сборочных единиц выбирайте согласно рекомендациям справочной литературы для двигателей подобных типоразмеров.

2. Тепловой расчет двигателя

2.1. Тепловой расчет дизеля

2.1.1. Исходные данные

Тип двигателя (тактность, количество и расположение цилиндров);

Наличие турбонаддува и давление наддувного воздуха (МПа);

Частота вращения коленчатого вала n (мин^-1);

Степень сжатия ;

Расчетная эффективная мощность (берется из таблицы или по стандартной скоростной характеристике двигателя );

Коэффициент избытка воздуха ;

Дизельное топливо "Л". ГОСТ 305-82. Средний элементарный состав: С=85,7%, Н=13,3%, О=1%. Низшая расчетная теплота сгорания топлива Q_н=42500 кДж/кг.

2.1.2. Параметры рабочего тела

Определяем теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

(кг) или (кмоль), =28,96 для воздуха.

Определяем количество свежего заряда

, кмоль.

Определяем общее количество продуктов сгорания

, кмоль.

2.1.3. Параметры окружающей среды и остаточные газы

Принимаем атмосферные условия:

Принимаем заданное давление наддувочного воздуха ,МПа.

Принимаем показатель политропы сжатия в компрессоре

Определяем температуру воздуха за компрессором

, К.

Определяем давление и температуру остаточных газов

или ,МПа.

Принимаем

2.1.4. Процесс впуска

Принимаем температуру подогрева свежего заряда =0…40^о.

Определяем плотность заряда на впуске

, кг/м³,

где R_в=287 Дж/кг град - удельная газовая постоянная для воздуха.

В соответствии со скоростным режимом работы двигателя и качеством обработки внутренней поверхности принимаем коэффициент

а скорость движения заряда м/с.

Определяем потери давления на впуске в двигатель

, МПа,

Определяем давление в конце впуска

, МПа.

Определяем коэффициент остаточных газов

,

Определяем температуру в конце впуска

, К.

Определяем коэффициент наполнения

.

2.1.5. Процесс сжатия

Определяем показатель адиабаты сжатия k₁ в функции e и Т_а, по номограмме (см. рис. 1).

Определяем показатель политропы сжатия n₁ в зависимости от k₁, который устанавливается в пределах n₁=(k₁+0,02)...(k₁-0,02).

Определяем давление в конце сжатия

, МПа.

Рис. 1. Номограмма для определения показателя адиабаты сжатия k₁

Определяем температуру в конце сжатия

, К.

Определяем среднюю молярную теплоемкость заряда (воздуха) в конце сжатия (без учета влияния остаточных газов)

, кДж/(кмоль град).

Определяем число молей остаточных газов

, кмоль.

Определяем число молей газов в конце сжатия до сгорания

, кмоль.

2.1.6. Процесс сгорания

Определяем среднюю молярную теплоемкость продуктов сгорания в дизеле при постоянном давлении, при a³1

, кДж/(кмоль град)

Определяем число молей газов после сгорания

Определяем расчетный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

Принимаем коэффициент использования теплоты .

Тогда количество теплоты, передаваемое газом на участке индикаторной диаграммы при сгорании 1кг топлива определится, как

, кДж/кг,

Принимаем степень повышения давления в пределах . В дизелях с наддувом для ограничения максимального давления сгорания берутся меньшие значения , чем в дизелях без наддува.

Температуру в конце сгорания определяют из уравнения сгорания

Подставляем имеющиеся значения величин, решаем полученное квадратное уравнение относительно T_z и находим его значение, К.

Определяем давление в конце процесса сгорания

, МПа.

Определяем степень предварительного расширения

2.1.7. Процесс расширения

Определяем степень последующего расширения

Показатель политропы расширения для дизеля определяем по номограмме (см. рис. 2), учитывая, что его значение незначительно отличается от значения показателя адиабаты расширения k₂.

Определение показателя политропы расширения производим следующим образом.

По имеющимся значениям d и Т_z определяем точку пересечения. Через полученную точку проводим горизонталь до пересечения с вертикалью, опущенной из точки a=1, получая какое-то значение k₂. Далее двигаемся по этой кривой k₂ до пересечения с вертикалью, опущенной из заданного значения a. Ордината точки пересечения дает искомое значение k₂.

Определяем давление процесса расширения

, МПа.

Определяем температуру процесса расширения

, К.

Проверяем правильность ранее принятого значения температуры остаточных газов (погрешность не должна превышать 5% для номинального скоростного режима).

Рис. 2. Номограмма для определения показателя адиабаты расширения k₂ для дизеля

2.1.8. Индикаторные параметры рабочего цикла дизеля

Определяем среднее индикаторное давление цикла для нескругленной индикаторной диаграммы

, МПа.

Принимаем коэффициент полноты индикаторной диаграммы

Определяем среднее индикаторное давление цикла для скругленной индикаторной диаграммы

, МПа.

Определяем индикаторный КПД

Определяем индикаторный удельный расход топлива

, г/кВт ч.

2.1.9. Эффективные показатели дизеля

Принимаем предварительно среднюю скорость поршня в пределах 6,5...12 м/с для автомобильного дизеля и 5,5...10,5 м/с для тракторного дизеля.

Определяем среднее давление механических потерь

, МПа,

учитывая, что , для дизелей с неразделенными КС и , для дизелей с разделенными КС.

Определяем среднее эффективное давление

, МПа.

Определяем механический КПД

.

Определяем эффективный КПД

.

Определяем эффективный удельный расход топлива

, г/кВт ч.

Исходя из величин эффективной мощности, частоты вращения коленчатого вала, среднего эффективного давления и числа цилиндров определяем рабочий объем одного цилиндра

, л.

Выбираем значение r=S/D в пределах 1,14...1,45 для рядного двигателя и 0,95...1,40 для V-образного.

Определяем диаметр цилиндра , мм, а затем округляем его до четного числа, нуля или пяти.

Определяем ход поршня S=Dr, мм, округляем до целого числа.

Определяем площадь поршня F_п=pD²/4, см².

Определяем рабочий объем цилиндра V_h=pD²S/4, л.

Определяем среднюю скорость поршня W_ср=Sn/(3´10⁴), м/с, сравниваем ее значение с ранее принятым.

Определяем значение расчетной эффективной мощности

, кВт.

Сравниваем полученное значение мощности с заданным, делаем выводы о правильности проведенного теплового расчета.

2.2. Тепловой расчет карбюраторного двигателя

2.2.1. Исходные данные

Тип двигателя (тактность, количество и расположение цилиндров);

Частота вращения коленчатого вала n (мин^-1);

Расчетная эффективная мощность (берется из таблицы или по стандартной скоростной характеристике двигателя);

Степень сжатия ;

Коэффициент избытка воздуха ;

Топливо - бензин Нормаль-80 или Регуляр-92 (ГОСТ Р51105-97). Средний элементарный состав и молекулярная масса: С=85,5%, Н=14,5%, =115 кг/кмоль. Низшая расчетная теплота сгорания топлива Q_н=43930 кДж/кг.

2.2.2. Параметры рабочего тела

Определяем теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

(кг)

или (кмоль), =28,96 для воздуха.

Определяем количество свежего заряда

, кмоль.

Определяем общее количество продуктов сгорания

, кмоль.

2.2.3. Параметры окружающей среды и остаточные газы

Принимаем атмосферные условия:

Определяем давление остаточных газов

,МПа.

Принимаем .

2.2.4. Процесс впуска

Определяем температуру подогрева свежего заряда

,

где .

Определяем плотность заряда на впуске

, кг/м³,

где R_в=287 Дж/кг град - удельная газовая постоянная для воздуха.

В соответствии со скоростным режимом работы двигателя и качеством обработки внутренней поверхности принимаем коэффициент

а скорость движения заряда м/с.

Определяем потери давления на впуске в двигатель

, МПа,

Определяем давление в конце впуска

, МПа.

Определяем коэффициент остаточных газов

,

Определяем температуру в конце впуска

, К.

Определяем коэффициент наполнения

.

2.2.5. Процесс сжатия

Определяем показатель адиабаты сжатия k₁ в функции e и Т_а, по номограмме (см. рис. 1).

Определяем показатель политропы сжатия n₁ в зависимости от k₁, который устанавливается в пределах n₁=(k₁-0,01)...(k₁-0,04).

Определяем давление в конце сжатия

, МПа.

Определяем температуру в конце сжатия

, К.

Определяем среднюю молярную теплоемкость заряда (воздуха) в конце сжатия (без учета влияния остаточных газов)

, кДж/(кмоль град).

Определяем число молей остаточных газов

, кмоль.

Определяем число молей газов в конце сжатия до сгорания

, кмоль.

2.2.6. Процесс сгорания

Определяем среднюю молярную теплоемкость продуктов сгорания в карбюраторном двигателе при постоянном объеме, при a£1

, кДж/(кмоль град)

Определяем число молей газов после сгорания

Определяем расчетный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

.

Принимаем коэффициент использования теплоты , учитывая, что он снижается при увеличении скоростного режима.

Тогда количество теплоты, передаваемое газом на участке cz индикаторной диаграммы при сгорании 1кг топлива определится, как

, кДж/кг.

Определяем количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания

, кДж/кг.

Температуру в конце сгорания определяют из уравнения сгорания

.

Подставляем в уравнение сгорания имеющиеся значения величин, решаем полученное уравнение относительно T_z и находим его значение, К.

Определяем давление в конце процесса сгорания (теоретическое)

, МПа.

Определяем давление в конце процесса сгорания (действительное)

, МПа.

Определяем степень повышения давления

.

2.2.7. Процесс расширения

Показатель политропы расширения карбюраторного двигателя определяем по номограмме (см. рис. 3), учитывая, что его значение незначительно отличается от значения показателя адиабаты расширения k₂.

По имеющимся значениям e и Т_z определяем точку пересечения. Через полученную точку проводим горизонталь до пересечения с вертикалью, опущенной из точки a=1, получая какое-то значение k₂. Далее двигаемся по этой кривой k₂ до пересечения с вертикалью, опущенной из заданного значения a. Ордината точки пересечения дает искомое значение k₂.

Определяем давление процесса расширения

, МПа.

Определяем температуру процесса расширения

Проверяем правильность ранее принятого значения температуры остаточных газов (погрешность не должна превышать 5% для номинального скоростного режима).

Рис. 3. Номограмма для определения показателя адиабаты расширения k₂ для карбюраторного двигателя

2.2.8. Индикаторные параметры рабочего цикла двигателя

Определяем среднее индикаторное давление цикла для нескругленной индикаторной диаграммы

, МПа.

Принимаем коэффициент полноты индикаторной диаграммы

Определяем среднее индикаторное давление цикла для скругленной индикаторной диаграммы

, МПа.

Определяем индикаторный КПД

Определяем индикаторный удельный расход топлива

, г/кВт ч.

2.2.9. Эффективные показатели двигателя

Принимаем предварительно среднюю скорость поршня в пределах 12...15 м/с для двигателя легкового автомобиля и 9...12 м/с для двигателя грузового автомобиля.

Определяем среднее давление механических потерь

, МПа,

учитывая, что , при и

, при .

Определяем среднее эффективное давление

, МПа.

Определяем механический КПД

.

Определяем эффективный КПД

.

Определяем эффективный удельный расход топлива

, г/кВт ч.

Исходя из величин эффективной мощности, частоты вращения коленчатого вала, среднего эффективного давления и числа цилиндров определяем рабочий объем одного цилиндра

, л.

Выбираем значение r=S/D в пределах 1,0...1,2 для рядного двигателя и 0,92...1,10 для V-образного.

Определяем диаметр цилиндра , мм, а затем округляем его до четного числа, нуля или пяти.

Определяем ход поршня S=Dr, мм, округляем до целого числа.

Определяем площадь поршня F_п=pD²/4, см².

Определяем рабочий объем цилиндра V_h=pD²S/4, л.

Определяем среднюю скорость поршня W_ср=Sn/(3´10⁴), м/с, сравниваем ее значение с ранее принятым.

Определяем значение расчетной эффективной мощности

, кВт.

Сравниваем полученное значение мощности с заданным значением, делаем выводы о правильности проведенного теплового расчета.

2.3. Тепловой расчет бензинового двигателя с впрыском топлива

2.3.1. Исходные данные

Тип двигателя (тактность, количество и расположение цилиндров);

Частота вращения коленчатого вала n (мин^-1);

Расчетная эффективная мощность (берется из таблицы или по стандартной скоростной характеристике двигателя);

Степень сжатия (для двигателя с впрыском топлива =8,5…11);

Коэффициент избытка воздуха ;

Топливо - бензин Премиум-95, Супер-98 (ГОСТ Р51105-97) или АИ-95ЭК, АИ-98ЭК (ТУ 38.401-58-171-96). Средний элементарный состав и молекулярная масса: С=85,5%, Н=14,5%, =115 кг/кмоль. Низшая расчетная теплота сгорания топлива Q_н=43930 кДж/кг.

2.3.2. Параметры рабочего тела

Определяем теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

(кг)

или (кмоль), =28,96 для воздуха.

Определяем количество свежего заряда

, кмоль.

Определяем общее количество продуктов сгорания

, кмоль.

2.3.3. Параметры окружающей среды и остаточные газы

Принимаем атмосферные условия:

Принимаем давление остаточных газов в пределах:

,МПа.

Принимаем температуру остаточных газов, используя рис. 4.

Рис. 4. Исходные параметры для теплового расчета бензинового двигателя с впрыском топлива

2.3.4. Процесс впуска

Определяем температуру подогрева свежего заряда

,

где .

Определяем плотность заряда на впуске

, кг/м³,

где R_в=287 Дж/кг град - удельная газовая постоянная для воздуха.

В соответствии со скоростным режимом работы двигателя, качеством обработки внутренней поверхности и отсутствием карбюратора, что снижает сопротивление на впуске, принимаем коэффициент

а скорость движения заряда м/с.

Определяем потери давления на впуске в двигатель

, МПа,

Определяем давление в конце впуска

, МПа.

Определяем коэффициент остаточных газов

,

Определяем температуру в конце впуска

, К.

Определяем коэффициент наполнения

.

2.3.5. Процесс сжатия

Определяем показатель адиабаты сжатия k₁ в функции e и Т_а, по номограмме (см. рис. 1).

Определяем показатель политропы сжатия n₁ в зависимости от k₁, который устанавливается в пределах n₁=(k₁-0,01)...(k₁-0,04).

Определяем давление в конце сжатия

, МПа.

Определяем температуру в конце сжатия

, К.

Определяем среднюю молярную теплоемкость заряда (воздуха) в конце сжатия (без учета влияния остаточных газов)

, кДж/(кмоль град).

Определяем число молей остаточных газов

, кмоль.

Определяем число молей газов в конце сжатия до сгорания

, кмоль.

2.3.6. Процесс сгорания

Определяем среднюю молярную теплоемкость продуктов сгорания в карбюраторном двигателе при постоянном объеме, при a£1

, кДж/(кмоль град)

Определяем число молей газов после сгорания

Определяем расчетный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

.

Принимаем коэффициент использования теплоты , учитывая, что он снижается при увеличении скоростного режима.

Тогда количество теплоты, передаваемое газом на участке cz индикаторной диаграммы при сгорании 1кг топлива определится, как

, кДж/кг.

Определяем количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания

, кДж/кг.

Температуру в конце сгорания определяем из уравнения сгорания

.

Подставляем в уравнение сгорания имеющиеся значения величин, получаем квадратное уравнение, решаем полученное уравнение относительно T_z и находим его значение, К.

Определяем давление в конце процесса сгорания (теоретическое)

, МПа.

Определяем давление в конце процесса сгорания (действительное)

, МПа.

Определяем степень повышения давления

.

2.3.7. Процесс расширения

Показатель политропы расширения бензинового двигателя с впрыском топлива также определяем по номограмме (см. рис. 3, п. 3.2.7), учитывая, что его значение незначительно отличается от значения показателя адиабаты расширения k₂.

Определяем давление процесса расширения

, МПа.

Определяем температуру процесса расширения

Проверяем правильность ранее принятого значения температуры остаточных газов (погрешность не должна превышать 5% для номинального скоростного режима).

2.3.8. Индикаторные параметры рабочего цикла двигателя

Определяем среднее индикаторное давление цикла для нескругленной индикаторной диаграммы

, МПа.

Принимаем коэффициент полноты индикаторной диаграммы

Определяем среднее индикаторное давление цикла для скругленной индикаторной диаграммы

, МПа.

Определяем индикаторный КПД

Определяем индикаторный удельный расход топлива

, г/кВт ч.

2.3.9. Эффективные показатели двигателя

Принимаем предварительно среднюю скорость поршня в пределах 12...18 м/с.

Определяем среднее давление механических потерь

, МПа,

Определяем среднее эффективное давление

, МПа.

Определяем механический КПД

.

Определяем эффективный КПД

.

Определяем эффективный удельный расход топлива

, г/кВт ч.

Исходя из величин эффективной мощности, частоты вращения коленчатого вала, среднего эффективного давления и числа цилиндров определяем рабочий объем одного цилиндра

, л.

Выбираем значение r=S/D в пределах 1,0...1,2 для рядного двигателя.

Определяем диаметр цилиндра , мм, а затем округляем его до четного числа, нуля или пяти.

Определяем ход поршня S=Dr, мм, округляем до целого числа.

Определяем площадь поршня F_п=pD²/4, см².

Определяем рабочий объем цилиндра V_h=pD²S/4, л.

Определяем среднюю скорость поршня W_ср=Sn/(3´10⁴), м/с, сравниваем ее значение с ранее принятым.

Определяем значение расчетной эффективной мощности

, кВт.

Сравниваем полученное значение мощности с заданным значением, делаем выводы о правильности проведенного теплового расчета.