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

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