Тепловой расчет четырехтактного двигателя с искровым зажиганием и разработка основных конструктивных элементов поршня

Параметры рабочего тела в конце сжатия рассчитываются по зависимостям, взятым из курса технической термодинамики:

                                                  (2.20)

                                            (2.21)

Ориентировочные значения параметров конца процесса сжатия:   

 = 1,4…2,6 МПа;  = 650…850 К. Следовательно,  и  найдены верно.

2.4. Расчет процесса сгорания

Цель расчета процесса сгорания заключается в определении максимального давления и температуры в процессе сгорания с использованием уравнения первого закона термодинамики.

2.4.1. Определение теплоты сгорания рабочей смеси

Теплота сгорания рабочей смеси Н_см определяет количество энергии, выделяющейся при сгорании 1 кг рабочей смеси.

Определим потери теплоты вследствие неполноты сгорания в расчете на 1 кг топлива (т.к. α<1):

                                            (2.22)

Тогда теплота сгорания рабочей смеси будет равна

                                                 (2.23)

2.4.2. Определение температуры конца процесса видимого сгорания графическим методом

С целью упрощения расчетов кривая изменения давления в процессе подвода теплоты заменяется изохорой, т.е. рассматривается цикл с подводом теплоты при V=const. Тогда после преобразования уравнения 1-го закона термодинамики получим

,                                  (2.24)

где  ― соответственно внутренняя энергия 1 кмоль воздуха и 1 кмоль продуктов сгорания при температуре процесса конца сжатия Т =  и внутренняя энергия 1 кмоль продуктов сгорания при температуре процесса конца сгорания Т = ,_, МДж/кг.

Действительный коэффициент молярного изменения рабочей смеси найдем как

.

Коэффициент использования теплоты на участке видимого сгорания принимаем равным = 0,8.

Значение внутренней энергии газов  определяется с учетом объемных долей их компонентов и их внутренней энергии

               (2.25)

где r_i – объемные доли продуктов сгорания.

Левую часть уравнения (2.24) обозначим , тогда.     

                                                                                                          (2.26)

По справочным данным и формуле (2.24) на ПК проводим в табличной форме расчет значений  и  (таблица 2.1).

Таблица 2.1 Внутренняя энергия отработавших газов

Температура, ˚С
100	2,1951	60,8542
200	4,5582	62,9152
300	6,9543	64,9682
400	9,4344	67,0771
500	12,0063	69,2548
600	14,6635	71,4956
700	17,4081	73,7979
800	20,2246	76,1555
900	23,1107	78,5612
1000	26,0555	81,6252
1100	29,0575	83,4857
1200	32,1076	86,0049
1300	35,2013	88,5521
1400	38,3356	91,1272
1500	41,5090	93,7266
1600	44,6599	96,3399
1700	47,9311	98,9631
1800	51,1878	101,6265
1900	54,4564	104,2904
2000	57,6131	106,9857
2100	61,0588	109,6963
2200	64,3985	112,4013
2300	67,6222	115,1002
2400	71,0982	117,8497
2500	74,4349	120,5918

На основании данной таблицы строим на ПК графики зависимости энергии отработавших газов от температуры (рисунок 2.1).

Диапазон допускаемых температур =100…756˚С. Из данного рисунка видно, что зависимости имеют характер, близкий к линейному. Проведем через две точки каждого графика прямые до пересечения с осью ординат, а также вычислим тангенсы углов наклона прямых к оси абсцисс и запишем уравнения прямых, приближенно повторяющих построенные кривые в пределах допускаемого диапазона .

Рис. 2.1.

2.4.3. Определение температуры конца процесса видимого сгорания аналитическим методом

Рассчитывать величину  будем по следующим формулам:

                                                 (2.29)

                                                                        (2.30)

.                                                            (2.31)

2.4.4. Определение давления конца процесса видимого сгорания

Для определения теоретического максимального давления сгорания находим степень повышения давления:

                                          (2.32)

Отсюда имеем:

.                                                        (2.33)

Сравним полученные значения параметров процесса сгорания ориентировочными с помощью таблицы 2.2.

Таблица 2.2             Результаты расчета параметров процесса сгорания

Таким образом все параметры удовлетворяют рекомендуемым границам.    

Действительное значение максимального давления , необходимое для выполнения динамических и прочностных расчетов, определяем с учетом увеличения объема над поршнем к моменту достижения максимального давления:

.                                                     (2.34)

2.5. Расчет процесса расширения

При расчете процесса расширения для ДсИЗ считается, что он протекает в течение всего хода поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) и условно считается политропным с постоянным показателем политропы n₂.

2.5.1. Выбор показателя политропы расширения n_2.

Средние значения показателя политропы расширения n₂ получены из анализа экспериментальных индикаторных диаграмм и могут быть определены из соотношения

.                                                           (2.35)

2.5.2. Параметры рабочего тела в конце процесса расширения  

Параметры рабочего тела в конце процесса расширения рассчитываются по зависимостям, взятым из курса технической термодинамики:

,                                                                   (2.36)

.                                                           (2.37)

Рассчитанные значения параметров конца процесса расширения находятся в предложенных пределах = 0,35…0,50 МПа, = 1200…1500 К.

2.5.3. Проверка правильности выбора параметров остаточных газов

Правильность выбора величины давления остаточных газов P_r и температуры остаточных газов Т_r проверяется по формуле:

.                                                           (2.38)

При начале расчета было принято значение =900 К. Следовательно, погрешность составляет

, данное значение входит в диапазон допустимых отклонений 3-4 %.

2.6. Определение индикаторных показателей двигателя

2.6.1. Расчетное и действительное среднее индикаторное давление

Определение расчетным путем давлений в характерных точках цикла позволяет построить расчетную индикаторную диаграмму за 2 хода поршня (сжатие и расширение). Такая диаграмма состоит из условных политропных процессов сжатия и расширения и изохорных процессов подвода и отвода теплоты.

Расчетное среднее индикаторное давление находим следующим образом:

          (2.39)

Действительная индикаторная диаграмма не имеет четких границ, определяющих переход от одного процесса к другому. Ее отличие от расчетной определяется конечной скоростью подвода теплоты, что приводит к округлению индикаторной диаграммы вблизи ВМТ, а также углом предварения открытия выпускного клапана, что уменьшает работу расширения.

Соответствующее уменьшение действительного среднего индикаторного давления  по сравнению с расчетным  учитывается коэффициентом полноты индикаторной диаграммы :

                                                                                    (2.40)

Примем  = 0,95. Тогда , что соответствует предполагаемым значениям  МПа.

2.6.2. Индикаторный КПД и удельный индикаторный расход топлива

Для определения индикаторного КПД используется уравнение связи между действительным средним индикаторным давлением  и основными параметрами рабочего процесса (на основе уравнения