Параметры окружающей среды и остаточные газы

1. Давление и температура окружающей среды.Двигатель будет работать без наддува (с наддувам) согласно исходных данных, поэтому давление окружающей среды выбираем р_о = 0,1Мн/м 2 (кг/см 2 ), атемпера­туру — Т = 288°…300° К.

При работе двигателей с надду­вом воздух поступает в цилиндр не из атмосферы, а из компрессо­ра (нагнетателя), где он предварительно сжимается. В соответ­ствии с этим давление и температура окружающей среды при рас­чете рабочего процесса двигателя с наддувом принимается равной давлению р_к и температуре Т_к воздуха на выходе из компрессора. В зависимости от степени наддува давление наддувочного воз­духа принимается:

Температура воздуха после компрессора

где п_к — показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре (на­гнетателе).

Из выражения следует, что температура воздуха после компрессора зависит от степени повышения давления в нагнетате­ле и показателя политропы сжатия.

Величину п_к принимают по опытным данным в зависимости от типа наддувочного агрегата и степени охлаждения:

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

Для автомобильных двигателей без наддува, а также с наддувом и выпуском в атмосферу

Большие значения р_r принимаются для высокооборотных дви­гателей.

Для двигателей с наддувом и наличием газовой турбины на вы­пуске

3. Температура остаточных газов. В зависимости от типа двигателя, степени сжатия, числа оборотов, нагрузки и коэффициента избытка воздуха принимают значение температуры остаточных газов, которая для бензиновых двигателей при работе на номиналь­ном режиме изменяется в пределах Т_r=900-1100° К, для дизе­лей — Т_r=700-900° К.

1. Температура подогрева свежего заряда.Учитывая высокое число оборотов и желание получить хорошее наполнение двигателя, принимается для бензинового и дизеля ∆Т=5º-7º

Плотность заряда на впуске

где В — удельная газовая постоянная. Для воздуха

где R = 8315 дж/кмоль град — универсальная газовая постоянная.

Потери давления на впуске.

Потери давления Δр_а за счет сопротивления впускной системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре при некотором допущении можно определить из уравнения Бернулли:

где β — коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра;

ξ вп— коэффициент сопротивления впускной системы, отне­сенный к наиболее узкому ее сечению;

ω_ВП — средняя скорость движения заряда в наименьшем се­чении впускной системы (как правило, в клапане или в продувочных окнах);

ρ_к и ρ_о — плотность заряда на впуске соответственно при наддуве и без него (при р_к = р_о и ρ_к = ρ_о).

По опытным данным в современных автомобильных двигателях на номинальном режиме (β 2 + ξ_ВП) = 2,5÷4,0 и ω_ВП = 50-130 м/сек.

Величина Δр_а у четырехтактных двигателей без наддува на но­минальном режиме колеблется в пределах: для бензиновых двигателей Δр_а= (0,06÷0,20) р Мн/м 2 , для дизелей Δр_а = (0,04÷0,18) р Мн/м 2 .

При работе двигателя с наддувом значение р_а при­ближается к р_к, однако абсолютные значения сопротивлений во впускных органах возрастают.

Для четырехтактных двигателей с наддувом

4. Давление в конце впуска.Для двигателей с наддувом и без наддува.

или

5. Коэффициент остаточных газов. Величина коэффициента оста­точных газов у_r определяет качество очистки цилиндров от продук­тов сгорания. С увеличением у_r уменьшается количество свежего за­ряда, которое может поступить в цилиндр двигателя в процессе впуска.

Коэффициент остаточных газов для четырехтактных двигателей:

где ε — степень сжатия, Т_к = Т – температура после компрессора или температура окружающей среды.

В четырехтактных двигателях величина γ_r зависит от степени сжатия, параметров рабочего тела в конце впуска и выпуска, чис­ла оборотов и других факторов.

С увеличением степени сжатия ε и температуры остаточных га­зов Т_r величина γ_r уменьшается, а при увеличении давления оста­точных газов и числа оборотов — возрастает:

При применении наддува величина коэффициента остаточных газов снижается.

12. Температура в конце впуска.Эту температуру Т_а с достаточной степенью точности определяют на основании уравнения баланса теплоты, составленного по линии впуска от точки r до точки а:

где — количество теплоты, внесенное свежим зарядом, с учетом подогрева заряда от сте­нок;

— количество теплоты, заключающееся в остаточных газах;

— количество теплоты, заключающееся в ра­бочей смеси.

Величина Т_а в основном зависит от температуры рабочего тела, коэффициента остаточных газов, степени подогрева заряда и в меньшей степени — от температуры остаточных газов.

У современных четырехтактных двигателей без наддува темпе­ратура в конце впуска будет:

Коэффициент наполнения.

Для четырехтактных двигателей с учетом продувки и дозарядки цилиндра

для четырехтактных двигателей без учета продувки и дозарядки φ_п=φ_д=1;

Величина коэффициента наполнения в основном зависит от тактности двигателя, степени его быстроходности и совершенства сис­темы газораспределения.

Значение коэффициента наполнения для сравнения:

Для бензиновых двигателей η_v =0.70÷0.85

Для дизельных двигателей η_v = 0.80÷0.90

1.Средний показатель адиабаты сжатия k₁ при заданном (ε) и (Т_а) определяют по графику (см. рис. 7).

Рис. 7. Номограмма для определения показателя адиабаты сжатия k₁

2. Средний показатель политропы сжатия.Величина n₁ устанавливается по опытным данным в зависимо­сти от числа оборотов двигателя, степени сжатия, размеров цилинд­ра, материала поршня и цилиндра, теплообмена и других факторов. Однако, учитывая, что процесс сжатия протекает достаточно быст­ро (0,015-0,005 сек на номинальном режиме), суммарный тепло­обмен между рабочим телом и стенками цилиндра за процесс сжа­тия получается незначительным и величина п₁ может быть оценена по среднему показателю адиабаты сжатия k₁.

Учитывая быстроходность рассчитываемого двигателя, принимают

3. Давление и температура в конце процесса сжатия определяются из уравнения политропы с постоянным показателем п₁:

Для современных автомобильных и тракторных двигателей дав­ление и температура в конце сжатия изменяются в пределах (для сравнения):

4. Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия.

а) свежей смеси выбирается из табл. 7 из интервала температур от 0 до 1500 ºС для воздуха.

где t_c = Т_с – 273, ºС – температура свежей смеси в конце сжатия

б) Остаточных газов

, кДж/кмоль-град

где и — мольные теплоемкости ОГ интервала температур t_c (определяя среднею мольную теплоемкость ОГ при температуре t_c = 458 ºС выбирается интервал температур от t_c1 = 400 ºС до t_c2=500 ºС следовательно принимаются их мольные теплоемкости при заданных температурах, отсюда t_ci=100 ºС и t_c2—_c1= 58 ºС). Значения теплоемкости продуктов сгорания соответственно при 400 ºС и 500 ºС, взятые по таблице 8 при заданной (α) для бензиновых двигателей.

Рекомендация: Средняя мольная теплоемкость остаточных газов в конце сжатия может быть определена непосредственно по табл. 8 для бензина или по табл. 9 для дизельного топлива.

При невозможнос­ти определить (mc_v«) t _t по табл. 8 или 9 (несоответствие элемен­тарного состава топлива) средняя мольная теплоемкость остаточ­ных газов определяется по уравнению

где средние мольные теплоемкости отдельных компонентов продук­тов сгорания определяются по табл. 6 или по формулам табл. 7 в интервале температур от 0 до 1500° С.

в) рабочей смеси

1. коэффициента молекулярного изменения горючей смеси

2. коэффициент молекулярно­го изменения рабочей смеси

Величина µ изменяется в пределах (для сравнения):

Давление остаточных газов

В цилиндре двигателя перед началом процесса наполнения всегда содержится некоторое количество остаточных газов, находящихся в объеме V_c камеры сгорания (см. рис. 11). Давление 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 автомобильных и тракторных двигателей без наддува, а также с наддувом и выпуском в атмосферу давление остаточных газов (МПа)

Давление остаточных газов заметно снижается с уменьшением частоты вращения коленчатого вала.

Температура остаточных газов

Взависимости от типа двигателя, степени сжатия, частоты вращения и коэффициента избытка воздуха устанавливается значение температуры Т_r остаточных газов в пре­делах:

Для двигателей с воспламенением от искры 900 — 1100 К

Для дизелей . 600 — 900 К

Для газовых двигателей . 750 — 1000 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.

Температура подогрева свежего заряда

Впроцессе наполнения температура свежего заряда несколько увеличивается благодаря подогреву от нагретых деталей двигателя. Величина подогрева ∆T зависит от расположения и конструкции впускного трубопровода, системы охлаждения, наличия специального устройства для подогрева, быстроходности двигателя и наддува. Повышение температуры улучшает процесс испарения топлива, но снижает плотность заряда и, таким образом, отрицательно влияет на наполнение двигателя. Эти два противоположных фактора, появляющиеся в результате повышения температуры подогрева, должны быть учтены при установлении величины ∆T.

В зависимости от типа двигателя значения ∆T принимают:

Для двигателей с воспламенением от искры 0 — 20°