Разработка конструктивных элементов поршня двигателя внутреннего сгорания

Цель расчета процесса сгорания заключается в определении максимального давления и температуры в процессе сгорания с использованием уравнения 1-го закона термодинамики.

1.4.1. Определение теплоты сгорания рабочей смеси

Теплота сгорания рабочей смеси Н_см определяет количество энергии, выделяющейся при сгорании 1 кг рабочей смеси. Для двигателей с искровым зажиганием

,                (1.22) где Н_низ – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг; М₁ – количество свежего заряда в киломолях на 1 кг топлива; γ_r – коэффициент остаточных газов; ΔН – потери теплоты (в расчете на 1 кг топлива) вследствие неполноты сгорания при α < 1.

ΔН = 114ּ(1 – α)ּL_т, МДж/кг.            (1.23)

1.4.2. Определение температуры и давления конца процесса видимого сгорания

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

,                 (1.24)

где  – соответственно внутренняя энергия 1 киломоля воздуха и 1 киломоля продуктов сгорания при температуре процесса конца сжатия t = t_с и внутренняя  энергия  1  киломоля  продуктов  сгорания при температуре процесса конца сгорания t = t_z, МДж/кг;  – действительный коэффициент молярного изменения рабочей смеси;  – коэффициент использования теплоты на участке видимого сгорания (= 0,8). Определение максимальной температуры процесса конца сгорания сводится к решению уравнения (1.24). Часть параметров, входящих в левую часть этого уравнения, задана () или рассчитана ранее .

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

_,                 (1.25)

где r_i – объемные доли продуктов сгорания.

Значения  для различных температур t_с приведены в приложении. В этом же приложении приведены значения U_с для воздуха.

После этого рассчитывается левая часть уравнения (1.24), которая обозначается, например, буквой F₁, а затем находится истинное значение

.                            (1.26)

Величина зависит от величины t_z и состава рабочего тела. Поэтому уравнение (1.24) решается, как правило, методом последовательных приближений, который заключается в следующем.

Задаемся t_z = t_z1, а затем вычисляем  :

 =

   (1.27)

Значения ,  находим из вышеуказанного приложения.

Вычисленное по уравнению (1.27) значение  сравниваем со значением , найденным по уравнению (1.26). Если  < , то при следующем шаге задаем t_z2 > t_z1 и повторяем расчет, вычисляя новое значение . Если при этом окажется, что  > , то для получения истинного значения t_zдостаточно точки  и  соединить прямой линией и в точке ее пересечения с прямой  найти это значение t_z (рис. 1.1).

Для определения теоретического максимального давления сгорания находим степень повышения давления:

,                           (1.28)

где  и  – в кельвинах (К).

Отсюда имеем

.                              (1.29)

Ориентировочные расчетные значения основных параметров процесса сгорания в ДсИЗ приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Рекомендуемые расчетные значения параметров процесса

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

                                   Р_zд = 0,85P_z.                           (1.30)

1.5. 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). Сам процесс расширения условно считается политропным с постоянным показателем политропы n₂.

1.5.1. Выбор показателя политропы расширения n₂

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

.                          (1.31)

Таким образом, для двигателей с большей частотой вращения характерны меньшие значения n₂.

1.5.2. Параметры рабочего тела в конце процесса расширения

Параметры рабочего тела в конце процесса расширения рассчитываются по известным зависимостям из курса технической термодинамики. Для двигателей с искровым зажиганием

,                           (1.32)

.                          (1.33)

Рекомендуемые значения параметров конца процесса расширения для ДсИЗ следующие:  = 0,35…0,50 МПа,  = 1200…1500 К.

1.5.3. Проверка правильности выбора параметров остаточных газов

Правильность выбора величины давления остаточных газов P_r и температуры остаточных газов Т_rпроверяется по формуле

.                          (1.34)

Допустимое отклонение величины Т_r от заданного значения Т_rдолжно лежать в пределах 3…4 %. Если это отклонение больше, то необходимо изменить заданное значение Т_r и повторить расчет.

1.6. Определение индикаторных показателей двигателя

1.6.1. Расчетное и действительное среднее индикаторное давление

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

Используя известные соотношения из курса технической термодинамики