Avtomobilnye_dvigateli_Kursovoe_proektirovanie

Отрезок Sc, выраженный в миллиметрах хода поршня, косвенно характеризует объем камеры сгорания:

где Fn — площадь поршня. Учитывая, что

Vг с-~- & -л »

е - 1

где Vh — рабочий объем одного цилиндра, получим

где отрезки Sc и S измеряются в мм хода поршня. С учетом заданного масштаба отрезок

OA = S =

m s

От точки А отложим отрезок АВ, эквивалентный ходу поршня S:

АВ = m—s .

Через точку В, определяющую положение поршня в НМТ, проведем параллельно оси давления вертикальную линию.

Для дизеля от точки О откладываем отрезок OA', эквивалентный объему цилиндра Vz после предварительного расширения.

Учитывая, что Vz = pVc, получим

Sc = ОА' = р OA.

Через точку А проведем штриховую линию, параллельную оси ординат.

Характерные точки индикаторной диаграммы. По линии ВМТ (см. рис. 1.5 и 1.6) отложим точки z (или z' для дизеля), с, г, соответствующие давлениям pv рс, рг, на следующих расстояниях, мм:

При этом в качестве давлений pz и рс следует использовать их расчетные значения. По линии НМТ отложим точки а и Ь, соответствующие давлениям ра и рь, на следующих расстояниях, мм:

При наличии дозарядки от НМТ на диаграмме откладывается

На диаграмме дизеля давление pz также откладывается от точки z\ соответствующей окончанию процесса предварительного расширения.

Построение политроп сжатия и расширения. При построении теоретической индикаторной диаграммы рабочего цикла ординаты промежуточных точек при перемещении поршня от ВМТ на расстояние х для процессов сжатия и расширения в двигателях с искровым зажиганием определяются по следующим формулам, МПа:

• для процесса сжатия

г

'л: с <PlРа S„+x

V /

(наличие дозарядки учитывается введением в данную формулу коэффициента дозарядки фО;

• для процесса расширения

/\т

Рх р = Pb V S„ + x /

где Sa = Sc + S — ход поршня, эквивалентный полному объему цилиндра; х — ход поршня, эквивалентный текущему значению объема надпоршневого пространства, отсчитываемый от ВМТ.

С учетом масштабов эти формулы будут иметь следующий вид, мм:

Расчет следует производить по девяти точкам для процессов сжатия и расширения.

При этом отрезок АВ для двигателей с искровым зажиганием разбивается примерно на 10 равных частей.

Для дизелей при расчете процесса расширения такому разбиению

последующего расширения. Также при построении диаграммы для дизелей в состав расчетных точек необходимо включить точку, соответствующую концу предварительного расширения, т.е. Sp = S- (р - l)Sc. При этом расчетная формула для процесса расширения действительна только при х > S - (р - 1)SC.

меньшие значения ср0 3 соответствуют тихоходным двигателям, работающим на более богатых смесях.

Значение УОВ (ср0 вп) в дизелях находится в пределах 25... 40°, причем большие его значения характерны для быстроходных дизелей.

С учетом повышения давления вследствие начала процесса сгора-

С учетом масштаба ms получим

А = 0Х02 =—-—.

Из нового центра 02 проведем лучи под углами сруи <ре (сре« фгд) до их пересечения с полуокружностью. Из этих точек пересечения опустим прямые, параллельные оси ординат, до пересечения с соответствующими линиями теоретической индикаторной диаграммы или с горизонтальюpz~pza (для точки zR), после чего точки е, с* иza соединим плавными линиями.

Сглаживание индикаторной диаграммы вблизи НМТ в конце процесса расширения и в начале процесса сжатия. Выбор фаз газораспределения. Характер индикаторной диаграммы, соответствующей реальному рабочему циклу, на указанных участках зависит от фаз газораспределения, которые изображаются в виде круговых диаграмм (см. рис. 1.5 и 1.6).

На круговых диаграммах введены следующие обозначения: сра, — угол начала открытия впускного клапана до ВМТ;

qv — угол запаздывания закрытия впускного клапана после НМТ; ср6, — угол опережения открытия выпускного клапана до НМТ; qv — угол запаздывания закрытия выпускного клапана после

ВМТ.

Сумма углов сра, + называется перекрытием клапанов.

В современных двигателях без наддува значения этих углов составляют:

qv= 10...30°ПКВ;

=45...80 °ПКВ;

=45...75 °ПКВ;

Ф^ = 10... 25 °ПКВ (редко до 45°).

Выбор фаз газораспределения осуществляется по имеющимся данным для двигателей прототипов проектируемого ДВС, т.е. для двигателей с таким же числом цилиндров, а также примерно с такой же средней скоростью поршня.

Положения точек а\ а" и b\ Ь", определяющих моменты открытия и закрытия соответственно впускных и выпускных клапанов, также найдем по методу Брикса. Для этого из центра 02 под углами фв, и ф^ относительно горизонтали проведем лучи в полуплоскости, обращен-

ной к ВМТ, а под углами (ра„ и проведем лучи в полуплоскости, обращенной к НМТ (см. рис. 1.5 и 1.6).

Из точек пересечения этих лучей с полуокружностью, проведенной ранее из центра Оь опустим вертикали до пересечения с соответствующими линиями на индикаторной диаграмме. При этом точка а' будет расположена на линии выпуска, точка а" —- на линии сжатия; точка Ь' — на линии расширения, а точка Ь" — на линии впуска. В точке b9 (начала открытия выпускного клапана) начинается отрыв линии реального процесса расширения от политропы zb.

Положение точки, соответствующей давлению отработавших газов в НМТ, определяется посредством деления вертикального отрезка ab пополам. От этой средней точки проводим плавную вогнутую кривую, переходящую в линию, близкую к горизонтали, соответствующей рг Из точки г на линии ВМТ также проводим плавную вогнутую кривую, переходящую в линию, близкую к горизонтали, соответствующей ра.

1.12. Дополнения к расчету рабочего цикла дизеля с газотурбинным наддувом

Дополнительные исходные данные. В отличие от расчета рабочего цикла двигателей без наддува для расчета рабочего цикла дизеля с газотурбинным наддувом необходимы дополнительные исходные данные, а также уточнение некоторых регулировочных и конструктивных параметров.

Дизели с наддувом имеют неразделенные камеры сгорания с объемным или объемно-пристеночным смесеобразованием.

Степень повышения давления при наддуве пк =pJpQ, где рк — давление после компрессора; р0 — давление окружающей среды. Для автомобильных дизелей с наддувом пк= 1,2...2,5.

Коэффициент избытка воздуха а при наличии наддува принимается на 0,2... 0,3 единицы больше, чем в дизелях без наддува с аналогичным способом смесеобразования, т.е. а = 1,6... 1,8.

В дизелях с наддувом для грузовых автомобилей и дорожностроительных машин степень сжатия г = 16... 18.

Степень сжатия дизелей легковых автомобилей (iVh < 3 л) г = 18... 20. Предельное значение максимального расчетного давления pz в рабочем цикле дизелей грузовых автомобилей и дорожно-строительных машин принимается равным 9... 11 МПа, а в дизелях легковых авто-

мобилей pz = 11... 14 МПа.

Предельная температура газов в конце выпуска Тг ограничивается значением 950 К в целях ограничения температуры газов на входе в турбину.

Значения адиабатного КПД компрессора ) и адиабатного КПД турбины (х\?) принимаются на основании приближенных оценок массового расхода воздуха GB, кг/с, через цилиндры двигателя, на которые работает турбокомпрессор (ТК):

q = We,gelQaq>p

в3600 1000'

где Ne, — эффективная мощность, приходящаяся на группу цилиндров, обслуживающих турбокомпрессор (если применяются два и более ТК); ge — удельный эффективный расход топлива, г/(кВт • ч); Ф^ = 1,0... 1,1 —коэффициент расхода продувочного воздуха.

Значение ge оценивается ориентировочно по статистическим данным в зависимости от скоростного режима дизеля и состава смеси на номинальном режиме его работы (табл. 1.26).

Необходимо обратить внимание на следующие факторы:

•для дизелей с приводным нагнетателем приведенные в табл. 1.26 значения ge требуется увеличить на 4... 6 %;

•большие значения ge характерны для дизелей с меньшим значением коэффициента избытка воздуха и большим значением лк.

П р и м е ч а н и е . Данные по rjf для компрессоров с безлопаточным диффузором.

0,92...0,96. Меньшие значения г\"к соответствуют меньшим значениям расходов воздуха GB и размерам рабочих колес.

По сравнению с безнаддувными модификациями двигателей при выборе фаз газораспределения дизелей с наддувом следует увеличить угол перекрытия фаз A<peV до 90... 100°, а угол запаздывания закрытия впускного клапана <рв» до 65... 85°.

Особенности расчета процессов газообмена. Температура воздуха перед впускными клапанами для двигателей без промежуточного охлаждения определяется по формуле

где Т0 — температура окружающей среды, К; пк — степень повышения давления при наддуве; rjf — адиабатный КПД компрессора; к — показатель адиабаты воздуха, к = 1,4.

При наличии в двигателе промежуточного охладителя температура воздуха после него определяется с учетом коэффициента эффективности охладителя наддувочного воздуха ЕОХЛ*'0

ТК ТК Еохл{ТК Гохл),

где ТК — температура воздуха после компрессора; Еохл = 0,6...0,8 для воздухо-воздушного охладителя; Тохл — температура охладителя (жидкости или воздуха).

Температура подогрева воздуха на впуске АТ= 5... 10 К. Меньшие значения А Г соответствуют большим значениям як.

Степень понижения давления в турбине определяется по формуле:

к' к'-\

где срв — теплоемкость воздуха при постоянном давлении; с'р — теплоемкость продуктов сгорания; Тг — температура газов в конце выпуска; а — коэффициент избытка воздуха; к' — показатель адиабаты расширения продуктов сгорания.

При этом принимаем срв = 1 кДж/(кг • К), а теплоемкость продуктов сгорания определяем по следующей формуле, кДж/(кг • К):

с; =(0,3865+0,035a)Tr wm 'm77a \

Показатель адиабаты расширения продуктов сгорания находится в зависимости от температуры конца выпуска Тг и состава продуктов сгорания, определяемого коэффициентом избытка воздуха а:

1 0,3865 +0,035а Т0,0429+0,0022а 0,2255 + 0,012а'

Ориентировочно значение к' равно 1,33. Давление остаточных газов найдем по формуле

Рг = КРоПт*

где Кг — коэффициент, учитывающий гидравлическое совпротивление выпускного клапана, Кг- 1,05... 1,15.

Большие значения рг соответствуют большей частоте вращения коленчатого вала.

Коэффициент наполнения определяется по формуле

<Pi

е - 1 Т К + А Т Рк Рк J

где ф! — коэффициент дозарядки, ф! = 1,04... 1,10 (большие значения ф! соответствуют большим значениям 7ск); фпр — коэффициент продувочного воздуха; ф — отношение теплоемкости остаточных газов к теплоемкости свежего заряда.

При наддуве с приводным нагнетателем фпр = 0,10...0,40, что характерно для значительных углов перекрытия фаз газораспределения

(Aqw = 60... 90°). При газотурбинном наддуве фпр = 0,05... 0,15, а перекрытие фаз газораспределения не превышает соответствующих значений для безнаддувных дизелей.

Отношение теплоемкостей продуктов сгорания и свежей смеси

где ср — теплоемкость воздуха на входе в цилиндр. Значения ф находятся в пределах 1,1... 1,2.

Коэффициент остаточных газов определяется по формуле

1 1-фп р /?г 7; е-1 iv Р К Т /

Особенности расчета процесса сжатия. Дизель с наддувом по сравнению с безнаддувными моделями характеризуется более высокой теплонапряженностью, т.е. большими температурами деталей, и в первую очередь стенок головки и цилиндра. При наддуве также уменьшается площадь поверхности, приходящейся на единицу массы заряда. Все это способствует увеличению подвода теплоты к рабочему телу и приводит к увеличению показателя политропы сжатия пх. В то же время возрастающая в процессе сжатия температура заряда усиливает теплоотдачу в стенки КС, уменьшая значение пх.

Следовательно, для дизелей с наддувом пх можно выбирать, как и для безнаддувных дизелей, в пределах значений 1,37... 1,40. Большие значения пх соответствуют большим значениям степени повышения давления в компрессоре (як) и большим значениям частоты вращения коленчатого вала.

Далее расчет процесса сжатия дизеля с наддувом аналогичен расчету безнаддувного дизеля.

Особенности расчета процесса сгорания. В дизеле с наддувом сжигается большее количество топлива, чем в дизеле без наддува того же рабочего объема, что учитывается посредством выбора меньших значений коэффициента использования теплоты %z = 0,65 ...0,75.

Меньшие значения В,г соответствуют большим значениям степени повышения давления в компрессоре пк и большим значениям частоты вращения коленчатого вала п.

Значение степени повышения давления при сгорании X определяется расчетом в зависимости от заданного значения максимального давления цикла pz:

х А

Рс

В остальном расчет процесса сгорания в дизеле с наддувом аналогичен расчету безнадцувного дизеля.