«В. С. Гунба МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ учебно-методическое пособие для студентов заочной формы обучения Рязань, 2010 ББК 39.35 К61 Гунба В.С. К61 Методические рекомендации ...»

РЯЗАНСКОЕ ВЫСШЕЕ ВОЗДУШНО-ДЕСАНТНОЕ

КОМАНДНОЕ УЧИЛИЩЕ (ВОЕННЫЙ ИНСТИТУТ)

ИМЕНИ ГЕНЕРАЛА АРМИИ В.Ф.МАРГЕЛОВА

Кафедра двигателей и электрооборудования

В. С. Гунба

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ «АВТОМОБИЛЬНЫЕ

ДВИГАТЕЛИ»

учебно-методическое пособие для студентов заочной формы обучения Рязань, 2010 ББК 39.35 К61 Гунба В.С.

К61 Методические рекомендации по изучению дисциплины «Автомобильные двигатели» [Текст]: учебно-методическое пособие для студентов заочной формы обучения / В.С. Гунба – Рязань: РВВДКУ, 2010. – 93 с. – 9 илл.

Пособие предназначено для самостоятельной подготовки студентов заочной формы обучения по специальности 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство» при изучении дисциплины «Автомобильные двигатели». Оно содержит выдержки из учебной программы курса и тематический план, методические рекомендации по изучению дисциплины, список литературы, рекомендованной для самостоятельной работы. Особое внимание в пособии уделено организации работы над контрольными заданиями, курсовой работой выполняемые студентами самостоятельно. Приведены требования к оформлению контрольных заданий, курсовой работы и методические рекомендации по их выполнению.

ББК 39. РВВДКУ,

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Общие рекомендации по изучению дисциплины «Автомобильные двигатели» по специальности 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство»……………………………………………………………………… Тематический план изучения дисциплины «Автомобильные двигатели».... Учебная программа дисциплины «Автомобильные двигатели»…………… Целевая установка……………………………………………………………... Содержание разделов и тем……………………………………………........... Список рекомендуемой литературы

Методические указания по выполнению контрольного Задания № 1…….. Краткие теоретические сведения…………………………………………….. Пример выполнения контрольного задания № 1……………………………. Варианты контрольного задания……………………………………………… Примерный перечень вопросов для защиты контрольного задания, сдачи зачета и экзамена

ВВЕДЕНИЕ

Пособие предназначено для самостоятельной подготовки студентов заочной формы обучения по специальности 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство» при изучении дисциплины «Автомобильные двигатели». Пособие содержит учебную программу курса и тематический план, составленные в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта. Оно содержит также методические рекомендации по изучению дисциплины, список литературы, рекомендованной для самостоятельной работы.

Особое внимание в пособии уделено организации работы над контрольными заданиями, выполняемыми самостоятельно. Приведены требования к оформлению контрольного задания № 1, «Тепловой расчет двигателя» пример оформления отчета по контрольному заданию и методические рекомендации по его выполнению.

Контрольное задание служит для получения навыка самостоятельного изучения отдельных вопросов дисциплины, повышения имеющихся знаний и умений.

Контрольное задание № 1 «Тепловой расчет двигателя» имеет цель закрепления теоретических знаний по определению параметров рабочего цикла автомобильного двигателя, а также величин определяющих энергетические и экономические показатели его работы.

Пособие содержит также примерный перечень теоретических вопросов для подготовки к сдаче отчетностей (контрольного задания № 1 и зачета).

ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ

«АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ» ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ

«АВТОМОБИЛИ И АВТОМОБИЛЬНОЕ ХОЗЯЙСТВО»

Дисциплина «Автомобильные двигатели» на специальности 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство» изучается на третьем и четвертом курсах в течение четырех семестров. Дисциплина изучается на лекциях, практических, лабораторных занятиях, при выполнении двух контрольных заданий, курсовой работы и во время самостоятельной работы. В шестом семестре зачет, а изучение дисциплины заканчивается экзаменом в конце восьмого семестра.

При изучении дисциплины «Автомобильные двигатели» особое внимание должно быть обращено на формирование знаний рабочих процессов современных автомобильных двигателей, характеристики их работы, конструкции, причины изменения энергетических, экономических и экологических показателей.

Полученные знания должны позволить грамотно организовывать эксплуатацию двигатели автомобилей, оценивать уровень их технического совершенства, самостоятельно осваивать новые и перспективные образцы двигателей.

Лекции в условиях высшего образования являются одним из основных видов занятий.

На лекциях излагаются основные фундаментальные теоретические вопросы, связанные с физической сущностью процессов, протекающих в двигателях; с параметрами и характеристиками, оценивающими различные качества автомобильных двигателей с методами анализа влияния различных конструктивных и эксплуатационных факторов на различные показатели двигателей; с принципами анализа конструкции систем и приборов; направлениями повышения эффективности систем, с методами обеспечения безотказности и долговечности деталей механизмов двигателей; с перспективами развития двигателей внутреннего сгорания.

Посещение занятий, внимательное отношение к излагаемому материалу, аккуратное ведение конспекта, повторение материала лекций и самостоятельная работа с теоретическими вопросами перед практическими занятиями являются залогом качественного усвоения материала дисциплины, получения прочных знаний и приобретения навыков.

Закрепление знаний осуществлять на практических занятиях, а по основам теории – на лабораторных занятиях. Практические и лабораторные занятия проводить в специализированных аудиториях и лабораториях, оснащенных машинамитренажерами, стендами и диагностическим оборудованием.

Практические занимают важное место в процессе обучения. В первую очередь на них приобретаются основные знания конструкции механизмов и систем двигателей. Эти виды занятий позволяют обеспечить необходимый уровень практической работы на материальной части и служат основой для дальнейшей самостоятельной работы. Перед практическим занятием следует повторить материал лекции, изучить вопросы, данные для самостоятельной работы. Во время практического занятия необходимо руководствоваться инструктивными картами, четко следовать указаниям преподавателя, добиваться качественного и полного выполнения заданий.

Для углубления знаний и развития навыков самостоятельной работы студенты выполняют два контрольных задания и курсовую работу логически связанные между собой общими целями, которые оформляют на стандартных листах формата А4.

По результатам выполнения расчетов в контрольном задании №1 «Тепловой расчет двигателя» строится индикаторная диаграмма, которая используется для расчетов в контрольном задании № 2 «Динамический расчет двигателя» Далее полученные результаты вместе с дополнительным заданием используются для курсовой работы. В курсовой работе на основании анализа требований к автомобильным двигателям, анализа конструкции базового двигателя разрабатывается и вычерчивается на листе формата А1 поперечный разрез проектируемого двигателя, на листе формата А4 гидравлическая схема заданной системы, а также производится расчет заданной детали.

При защите контрольных заданий нужно показать теоретические знания по сути проведенных расчетов и о ответить на дополнительные вопросы.

Условия заочного обучения предполагают большую интенсивность самостоятельной работы при изучении разделов дисциплины. К отработке теоретических вопросов и выполнению заданий, данных на самостоятельную работу, следует относиться добросовестно и внимательно. Изучая материал самостоятельно, можно пользоваться литературой, приведенной в списке рекомендованной литературы, или другими изданиями сходной тематики.

В ходе изучение дисциплины «Автомобильные двигатели» в конце шестого семестра предусмотрен зачет. На зачет не допускаются студенты, не выполнившие учебную программу – не сдавшие или не защитившие контрольное задание № «Тепловой расчет двигателей». Зачет включает в себя теоретическую часть. Теоретическая часть может быть представлена как тестовыми заданиями, так и самостоятельными ответами на вопросы билетов. При ответе на теоретический вопрос следует выстроить ответ кратко, избегая общих фраз, отражая суть излагаемого материала. Зачет считается сданным, если на все вопросы билета даны содержательные ответы. При подготовке к сдаче зачета следует использовать примерный перечень вопросов, приведенный в пособии.

Изучение дисциплины «Автомобильные двигатели» завершается экзаменом в восьмом семестре. На экзамен не допускаются студенты, не выполнившие учебную программу – не сдавшие или не защитившие курсовую работу. Экзамен включает в себя вопросы по теории и конструкции автомобильных двигателей.

Добросовестное выполнение требований преподавателей, посещение аудиторных занятий, планомерная, систематическая самостоятельная работа в течение года – залог успешного освоения материала дисциплины, сдачи зачета и экзамена.

ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ДИСЦИПЛИНЫ «АВТОМОБИЛЬНЫЕ

наименование разделов и тем Раздел № 1. Теория Тема № 1. Классификация тели Тема № 3 Индикаторные и Контрольное задание № Раздел № 2. Режимы работы ДВС. Конструкция и расчет Тема № 4 Силовые и термические нагрузки на детали двигателей Контрольное задание № Тема № 5. Основы смесеобразования и конструкция приборов системы питания бензиновых двигателей и дизелей Зачет без оценки Итого Тема № 6 Режимы и характеристики работы ДВС в зависимости от условий эксплуатации Тема № 7 Системы охлаждения и смазывания двигателей Выдача задания на курсовую работу Тема № 8 Принципы выбора средств Экзамен

УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ»

I. ЦЕЛЕВАЯ УСТАНОВКА

Твердые знания учебного материала дисциплины «Автомобильные двигатели» и прочные практические навыки, приобретенные обучающимися в процессе ее изучения, являются одной из важнейших частей профессиональной подготовки дипломированного специалиста.

Дисциплина «Автомобильные двигатели» является составной частью дисциплины СД.04 «Автомобили и двигатели».

Главная задача – формирование знаний, привитие умений и навыков по теории и конструкции автомобильных двигателей. Подготовка высококвалифицированного специалиста, способного грамотно эксплуатировать двигатели автомобилей, оценивать уровень их технического совершенства и самостоятельно осваивать новые и перспективные образцы двигателей.

Указанные цели достигаются проведением всех видов занятий на высоком научно-методическом уровне, организацией самостоятельной работы обучающихся, внедрением в учебный процесс передовых методов обучения, постоянной связью с жизнью и деятельностью автомобильных хозяйств.

В результате изучения дисциплины выпускник должен:

иметь представление:

о классификации двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и их компоновочных схемах;

об энергетическом балансе, складывающемся в автомобильных двигателях;

термодинамических и действительных циклах автомобильных двигателей, индикаторных диаграммах;

о влиянии условий эксплуатации на основные показатели автомобильных двигателей и требованиях к ним с учетом этих условий.

терминологию, применяемую при изучении дисциплины;

основы теории, конструкции и расчета автомобильных двигателей;

процессы газообмена и сжатия;

эффективные и оценочные показатели ДВС, их режимы и характеристики работы;

силовые и термические нагрузки на детали ДВС;

принципы выбора типа ДВС и их модернизацию для применения альтернативных топлив.

осуществлять контроль за соблюдением технологической дисциплины при ТО механизмов и систем двигателей;

проводить испытания автомобильных двигателей и правильно оценивать их результаты;

организовывать и проводить занятия по дисциплине;

самостоятельно подбирать и изучать специальную литературу и другую научно-техническую информацию, содержащую сведения о достижениях отечественной и зарубежной науки и техники в области двигателестроения.

Предметом изучения дисциплины являются тепловые двигатели внутреннего сгорания, применяемые на автомобилях.

Научную основу дисциплины составляет теория рабочих процессов и конструкция двигателей, базирующихся на современных достижениях науки и практики. Знания, полученные при изучении дисциплины, необходимы для формирования профессиональных качеств специалиста, его способности эффективно использовать автомобильную технику, грамотно организовать ее эксплуатацию и ремонт, обеспечить постоянную готовность к использованию по назначению. Поэтому изучаемая дисциплина является одной из фундаментальных в профессиональной подготовке специалистов.

Дисциплина состоит из двух разделов:

2) Режимы работы ДВС. Конструкция и расчет.

Изучение дисциплины начинается в пятом семестре, в течение которого изучаются классификация двигателей внутреннего сгорания (ДВС), показатели и условия их работы, термодинамические и действительные циклы, индикаторные и эффективные показатели. Для развития навыков самостоятельной работы с литературой и закрепления знаний в пятом семестре по темам № 2 и № 3 выполняет контрольные задания № 1 «Тепловой расчет двигателя».

В шестом семестре изучаются, основы смесеобразования и конструкция приборов системы питания бензиновых двигателей и дизелей, силовые и термические нагрузки, действующие на детали двигателей, конструкции кривошипношатунного и газораспределительного механизмов (КШМ, ГРМ), производится защита контрольного задания № 1, и выдается контрольное задание № 2 «Динамический расчет двигателей»

В конце шестого семестра обучения проводится зачет без оценки.

В седьмом семестре изучаются режимы и характеристики работы ДВС в зависимости от условий эксплуатации, системы охлаждения, смазывания двигателей и конструкция их приборов, производится защита контрольного задания № 2. и выдается задание на курсовую работу.

В восьмом семестре изучаются принципы выбора типа ДВС для транспортных средств и модернизация их для применения альтернативных топлив, производится защита курсовой работы.

Суть курсовой работы заключается:..

- выполнить сборочный чертеж поперечного разреза проектируемого двигателя; на основе данных полученных при выполнении контрольных заданий № и № 2;

- в внести соответствующие изменения, в конструкцию двигателя (детали) с учетом современные достижения в области двигателестроения, направленных на повышение надежности;

- выполнить необходимые расчеты заданной детали (системы);

- разработка гидравлической схемы заданной системы схемы - выполнить технико-экономическое обоснование принятых инженерных решений.

Защита курсового проекта проводится комиссией кафедры состоящей из трех преподавателей с выставлением оценки, которая заносится в диплом.

Завершается семестр экзаменом.

III. СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ И ТЕМ

Раздел № 1. Теория.

Тема № 1. Классификация ДВС и их оценочные показатели.

Введение (предмет и задачи дисциплины). Область применения двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Характерные признаки ДВС. Терминология. Понятие о рабочем теле. Классификация ДВС. Компоновочные схемы. Оценочные показатели ДВС. Энергетический баланс. Мощностные показатели. Экономические показатели. Параметры напряженности. Массогабаритные и экологические показатели.

Тема № 2. Термодинамические и действительные циклы Общая характеристика циклов ДВС по способу подвода теплоты. Циклы ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме. Циклы ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении. Циклы ДВС со смешанным подводом теплоты.

Сравнение теплоиспользования в циклах. Расчет термодинамических циклов. Определение параметров рабочего тела в характерных точках термодинамического цикла. Определение термического КПД термодинамического цикла. Построение диаграммы термодинамического цикла. Действительные циклы поршневых ДВС (ПДВС) и их отличие от термодинамических. Теплоиспользование в действительных циклах. Процессы газообмена в ПДВС. Параметры количественной и качественной оценки процесса газообмена. Основные факторы, влияющие на процессы газообмена. Исследование процесса сжатия действительного цикла. Физикохимические основы процесса сгорания. Процесс сгорания в бензиновых двигателях. Процесс сгорания в дизелях. Основные факторы, влияющие на процесс сгорание в ПДВС Методика расчета процесса сгорания. Процесс расширения. Теплообмен в процессе расширения. Зависимость среднего показателя политропы расширения от различных факторов. Тепловой баланс двигателя. Расчет действительного цикла ДВС. Определение параметров газообмена и процесса сжатия. Расчет процесса сгорания. Определение параметров процесса расширения.

Тема № 3 Индикаторные и эффективные показатели Индикаторная диаграмма. Индикаторные показатели. Среднее индикаторное давление и индикаторная мощность. Индикаторный КПД и удельный индикаторный расход топлива. Влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на индикаторные показатели. Определение механических потерь и эффективных показателей. Методы повышения энергетических, экономических и экологических показателей двигателей. Наддув двигателей. Способы подвода газа к турбине. Охлаждение наддувочного воздуха. Регулирование турбонаддува. конструкция агрегатов воздухопитания надувных двигателей.

Контрольное задание № 1 – Тепловой расчет двигателя.

Раздел 2. Режимы работы ДВС. Конструкция и расчет Тема № 4. Силовые и термические нагрузки на детали двигателей Кинематика кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Типы КШМ. Кинематика центрального КШМ. Перемещение поршня. Скорость и ускорение поршня.

Динамика КШМ. Силы давления газов. Силы инерции движущихся масс. Суммарные силы и моменты. Конструкция неподвижных и подвижных деталей КШМ.

Расчет деталей КШМ на прочность.

Контрольное задание № 2 – «Динамический расчет двигателя».

Конструкция газораспределительного механизма (ГРМ). Силовые нагрузки на детали ГРМ. Анализ конструкции ГРМ современных двигателей. Термические нагрузки на детали двигателей и их тепловая напряженность. Снижение термических нагрузок на детали. Улучшение условий работы деталей в двигателях.

Тема № 5 Основы смесеобразования и конструкция приборов системы питания бензиновых двигателей и дизелей Основы смесеобразования в бензиновых двигателях и дизелях. Принцип работы карбюратора. Системы топливоподачи с впрыскиванием бензина. Системы электронного управления двигателями. Смесеобразование в неразделенных и разделенных камерах сгорания дизелей. Впрыскивание, распыливание и дозирование топлива. Объемное и вихрекамерное смесеобразование. Конструкция приборов системы питания бензиновых двигателей и дизелей. Аккумуляторные топливные системы. Компоновка приборов системы питания на машинах.

Тема № 6 Режимы и характеристики работы ДВС в зависимости от условий эксплуатации Влияние особых условий эксплуатации на энергетические и экономические показатели. Влияние давления окружающей среды. Влияние температуры и влажности окружающей среды. Эксплуатационные характеристики. Скоростные, нагрузочные и регулировочные характеристики ДВС. Получение эксплуатационных характеристик при стендовых испытаниях.

Тема № 7. Системы охлаждения и смазывания двигателей Схемы систем охлаждения и смазывания двигателя. Конструкция приборов систем охлаждения и смазывания двигателя. Анализ конструкций приборов систем охлаждения, смазывания и вентиляции картера двигателя. Обеспечение безотказности и долговечности систем охлаждения и смазочных систем.

Тема № 8 Принципы выбора типа ДВС для транспортных средств.

Вопросы, решаемые при подборе двигателя к транспортному средству. Задаваемые конструктором свойства. Соотношение между мощностью двигателя и массой автомобиля. Требования к ДВС с учетом условий эксплуатации. Модернизация ДВС для применения альтернативных топлив.

Тема № 9 Курсовая работа Самостоятельный анализ выполненных конструкций механизмов двигателей, разработка их рациональной конструкции.

Проектирование детали рассчитываемого двигателя. Анализ конструкции детали базового двигателя. Проектирование детали рассчитываемого двигателя.

Анализ конструкции системы базового двигателя. Проектирование системы рассчитываемого двигателя.

Выполнение сборочного чертежа поперечного разреза проектируемого двигателя. Экономическая оценка принятых инженерных решений.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Основная 1 Бурячко, В.Р. Автомобильные двигатели. Рабочие циклы, показатели и характеристики. Методы повышения эффективности энергопреобразования. [Текст]: учебник /В.Р. Бурячко, А.В. Гук.- СПб.: НПИКЦ, 2005. – 292 с.

2 Луканин, В.Н. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн.1.

Теория рабочих процессов [Текст]: учебник для вузов /под ред. В.Н. Луканина. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 2005. – 479 с.

3 Луканин, В.Н. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн.2.

Динамика и конструирование [Текст]: учебник для вузов /под ред. В.Н.

Луканина. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 2005. – 450 с.

4 Колчин, А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей [Текст]: учебное пособие для вузов /А.И.Колчин, В.П.Демидов. – 3 изд.;

перераб. и доп.- М.: Высшая школа, 2002. – 496 с.

Луканик, В.Н. Теплотехника [Текст]: учебник для вузов / В.Н.

Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфер, С.Г. Негаев, М.А. Матюхин, К.А.

Морозов; под ред. В.Н. Луканина. - 4-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2005. с.

Дополнительная Двигатели КамАЗ-740.30-260 и 740.31-240 [Текст]. Руководство по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту. - Набережные Челны: Издание ОАО «КамАЗ», 2005. – 137 с.

Автомобили КамАЗ 6х6 [Текст]. Руководство по эксплуатации.

– М.: Воениздат, 2001. – 375 с.

8 Легкий многоцелевой гусеничный транспортер-тягач МТ-ЛБ (МТ-ЛБВ) [Текст]. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

- М.: Воениздат, 2000. – 312 с.

Автомобиль КрАЗ-260, КрАЗ-260В, КрАЗ-260Г [Текст]. Руководство по эксплуатации. – М.: Полигон АРТ, 2002. – 208 с.

10 Автомобиль ЗИЛ-131Н и его модификации [Текст]. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. – Челябинск.: ЧВАИ, 2002.

– 344 с.

11 Автомобиль ГАЗ-3308, ГАЗ-33082 «Садко» [Текст]: Руководство по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту. – М.:

Третий Рим, 2006. – 200 с.

12 Двигатель В-46-2С1 [Текст]: Техническое описание. – М.:

Воениздат, 1985. – 144 с.

13 Гусеничная машина ГМ-569 и ее модификации [Текст]. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. – М.: Воениздат, 1985. – 296 с.

14 Колесное шасси БАЗ-5937, 5939 [Текст]. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - М.: Воениздат, 1992. – 15 Автомобиль ГАЗ-3307, ГАЗ-3309 [Текст]: Руководство по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту [Текст]. – М.: Третий Рим, 2007. – 188 с.

16 Курсовое и дипломное проектирование [Текст]: Учебное пособие /под общ. Ред. В.Н. Шапрана. – Рязань: РВАИ, 2006. – 177 с.

17 Литовченко, Л.С. Лабораторный практикум по испытаниям двигателей [Текст]: /Л.С. Литовченко, И.И. Беланович. – Рязань:

РВВАИУ, 1987. – 120 с.

18 Руководство по эксплуатации автомобилей семейства «Мотовоз» (Урал-4320) [Текст] /МО РФ Главное автобронетанковое управление.

– Рязань: Каталит, 2006. – 284 с.

19 Автомобиль КамАЗ-4350, КамАЗ-43501, КамАЗ-5350, КамАЗТекст]. Руководство по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту. – Набережные Челны: ОАО КамАЗ, 2006. – 394 с.

20 Автомобиль КамАЗ с колесной формулой 6х4 и 6х6 [Текст].

Руководство по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту /А.С. Кузнецов. – М.: Третий Рим, 2007. – 268 с.

21 Силовые агрегаты 740.30-260, 740.31-240 КамАЗ. Каталог деталей и сборочных единиц [Текст] /Каталог деталей и сборочных единиц.

– Набережные Челны: ОАО КамАЗ, 2004. – 268 с.

22 Нащекин, В.В. Техническая термодинамика и теплопередача [Текст]: учебное пособие для вузов /В.В. Нащекин. - 3-е изд., испр. и доп. М.: Высш. шк., 1980. – 469 с.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ

КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ

В результате контрольного задания № 1 необходимо выполнить тепловой расчет двигателя. Студенты заочной формы обучения выбирают задание в соответствии со своим порядковым номером в журнале учета успеваемости. Работы, не соответствующие своему варианту задания, к рассмотрению не принимаются.

При выполнении контрольного задания рекомендуется следующий порядок действий.

Внимательно ознакомиться с краткими теоретическими сведениями, приведенными в пособии. При необходимости изучить дополнительную литературу, список которой приводится в пособии, или изданиях сходной тематики.

По журналу успеваемости определить номер варианта. Внимательно прочитать задание.

Выбрать базовый двигатель и обосновать свой выбор.

Произвести расчет параметров рабочего цикла:

- расчет процесса газообмена;

- расчет процесса сгорания (термохимический и термодинамический);

- расчет процесса расширения.

Определить индикаторные и эффективные показатели.

Определить рабочий объем и диаметр цилиндра.

Проверить результаты теплового расчета по среднему индикаторному и эффективному давлению.

Построить расчетную и действительную индикаторные диаграммы.

Сравнить показатели базового и проектируемого двигателя.

Для качественного выполнения задания необходимо изучить последовательность расчета согласно рекомендациям учебного пособия. При необходимости получения дополнительных данных использовать литературу. Оформление пояснительной записки должно соответствовать требованиям «Дипломные и курсовые проекты. Общие требования к оформлению [Текст]. – Рязань: СТО – 2008.»

Контрольное задание выполняется на стандартных листах формата А4, а индикаторная диаграмма на миллиметровой бумаге формата А Основные данные базового двигателя должны быть приведены в виде таблицы.

При выборе исходных данных для расчета отдельных величин необходимо производить их краткое обоснование. Полученные в результате расчетов параметры и показатели двигателя необходимо сравнивать с допустимыми для них значениями. При значительном расхождениях величин полученных показателей с допускаемыми проверить расчет или принять другие исходные данные.

Построение индикаторных диаграмм расчетного и действительного цикла выполнить в масштабе на миллиметровой бумаге карандашом с использованием лекала. На осях координат наносится равномерная шкала давления и объемов. Построение политропы сжатия и расширения индикаторной диаграммы лучше производить аналитическим методом по семи точкам (двум крайним и пяти промежуточным). Отношение длины отрезка Vа длине отрезка Vс на индикаторной диаграмме должно быть равным величине, принятой степени сжатия.

Построение индикаторной диаграммы Диаграмма строится в следующей последовательности.

1. Наносятся оси на листе миллиметровой бумаги формата А4 (допускается на формате А2). Размер диаграммы определяется исходя из соотношений – размер диаграммы по вертикали (ось ординат) больше в 1,5-1,8 раза размера диаграммы по оси абсцисс.

2. На оси ординат отмечается точка, соответствующая давлению окружающей среды Р0 и максимальному давлению сгорания Pz. Из этих точек проводятся горизонтальные пунктирные линии. При этом в верхней части листа должно оставаться место для надписей.

3. На оси абсцисс отмечается точка, соответствующая объему камеры сгорания Vс и полному объему цилиндра Vа. Из этих точек проводятся пунктирные вертикальные линии, между которыми и выполняется построение диаграммы.

4. На график наносятся следующие точки:

r(Р0,Vc) – соответствует началу процесса впуска свежего заряда;

a(Ра, Va) – соответствует началу процесса сжатия;

с(Рс,Vc) – соответствует окончанию процесса сжатия;

z(Pz,Vc) – соответствует окончанию процесса сгорания;

b(Pb,Va) – соответствует окончанию процесса расширения;

5. Построение политропы сжатия выполняется минимум по пяти точкам.

При этом значения объема Vx задается, значение давления рассчитывается по форn 6. Построение политропы расширения выполняется также минимум по пяти точкам. При этом значения объема Vx задается, значение давления рассчитыn вается по формуле Px = Pb.

7. После соединения нанесенных на график точек мы получили расчетную индикаторную диаграмму. Действительная индикаторная диаграмма отличается от расчетной учетом конечности скоростей протекания различных процессов.

С этой целью необходимо на построенную расчетную диаграмму нанести фазы газораспределения.

8. На политропе сжатия наносят точку закрытия впускного клапана а”, а также точку подачи искры зажигания с’ (впрыскивания топлива в дизелях). На линии с-z наносят точку c” – показывающую увеличение давления в связи с началом сгорания еще на линии сжатия. На политропе расширения наносят точку zд – действительное максимальное давление в цикле, так как сгорание происходит при изменяющемся объеме, а также точку открытия выпускного клапана b’. На линии выпуска отработавших газов наносят точку r’ открытия впускного клапана, а на линии впуска свежего заряда – точку а’ закрытия выпускного клапана.

Таблица 1 - Примерные значения фаз газораспределения четырехтактных двигателей (в градусах поворота коленчатого вала) Высокооборотные карбюраторные Дизели без наддува Дизели с наддувом 9. Расчет координат точек r’,a’,a”,c’,f,b’ производится по следующей формуле Vx = Vc + Необходимо подчеркнуть, что необходимость определения значений объемов в точках газораспределения обусловлена тем, что фазы заданы в углах поворота коленчатого вала, а на индикаторной диаграмме по оси абсцисс откладывается объем. Величина в формуле – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Это значение принимается в диапазоне 0,27-0,28.

10. Давление в оставшихся точках zд, и ”c” находится по следующим формулам на основе экспериментальных данных:

Pzд =(0,85-0,90)*Pz Pc”=(1,15-1,25)*Pc 11. После нанесения всех точек на диаграмму можно выполнить скругление расчетной диаграммы и получить действительную.

12. Заключительным этапом является построение линии среднего индикаторного давления.

Результат построения представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Индикаторная диаграмма По величине площади индикаторной диаграммы проверить правильность расчета среднего индикаторного давления.

При выполнении расчетов необходимо указать ссылку на литературу.

На основании результатов полученных при выполнении контрольного задания № 1 «Тепловой расчет двигателя» выполняется контрольное задание № 2 «Динамический расчет двигателя».

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Действительные циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания и их отличие от термодинамических Для решения многих вопросов, возникающих перед инженеромавтомобилистом в практике его работы, требуется знать сущность действительных циклов.

Как известно, непрерывное преобразование теплоты в механическую работу возможно только при круговом изменении параметров состояния рабочего тела, то есть при совершении цикла, прием такого, в котором работа расширения рабочего тела превышает работу, затрачиваемую на его сжатие.

Теоретически наибольший полезный эффект можно получить при совершении замкнутого обратимого термодинамического цикла, в котором рабочее тело не меняется, все процессы идеализированы и отсутствуют какие-либо тепловые и газодинамические потери, кроме обязательного отвода теплоты в холодильник.

В реальных поршневых двигателях механическая работа получается в итоге последовательного совершения ряда процессов).

Совокупность периодически повторяющихся тепловых, химических и газодинамических процессов, в результате осуществления которых происходит преобразование термодинамической энергии топлива в механическую работу, называется действительным циклом двигателя.

Действительный цикл имеет принципиальные отличия от термодинамического, хотя и выполняется по его схеме.

Эти отличия заключаются в следующем:

1) действительный цикл не является замкнутым, а совершается со сменой рабочего тела, то есть продукты сгорания после расширения удаляются и замещаются свежим зарядом;

2) вместо подвода тепла по определенному закону, в действительном цикле осуществляется процесс сгорания, протекающий с определенной скоростью и сопровождающийся изменением химического состава рабочего тела;

3) теплоемкость реального рабочего тела непостоянна вследствие изменения его температуры и химического состава;

4) в процессе осуществления действительного цикла происходит непрерывный теплообмен между рабочим телом и деталями цилиндропоршневой группы.

Действительный цикл двигателей может быть изображен графически. График, показывающий изменение давления в цилиндре двигателя, называется индикаторной диаграммой. Если независимой переменной на графике является объем, а зависимой давление (PV - координаты), то такая индикаторная диаграмма называется свернутой (Рисунок 1).

Рисунок 1 – Свернутая индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя с принудительным воспламенением рабочей смеси Если независимым параметром является угол поворота коленчатого вала ( P - координаты), то это будет развернутая индикаторная диаграмма (Рисунок 2).

Наиболее достоверные индикаторные диаграммы получают экспериментально при помощи специальных приборов - индикаторов давления.

Индикаторную диаграмму можно также построить на основании данных теплового расчета. В этом случае изображаемые циклы носят название расчетных, которые вследствие несовершенства методики расчета и ряда принятых допущений в большей или меньшей степени отличаются от действительных циклов.

Рисунок 2 – Развернутая индикаторная диаграмма Действительный цикл четырехтактного двигателя совершается за два оборота коленчатого вала (рабочий цикл совершается за четыре последовательных хода поршня) и включает в себя следующие процессы (Рисунок 1):

1) процесс заполнения цилиндров рабочим телом (процесс впуска) - линия 1-r-a-2;

2) процесс сжатия рабочего тела - линия a-2-3-c;

3)процесс подвода теплоты к рабочему телу (процесс сгорания) - линия 3-сz-4;

4) процесс расширения рабочего тела - линия с-z-4-5-в;

5) процесс выпуска отработавших газов - линия 5-в-r-6.

Особенностью четырехтактного цикла является наличие двух вспомогательных ходов поршня, во время которых через открывающиеся клапаны производится смена рабочего тела, выпуска отработавших газов и впуск свежего заряда.

При выпуске рабочая полость двигателя очищается от отработавших газов, вытесняемых поршнем, движущимся по направлению к верхней мертвой точке (ВМТ).

В процессе впуска поршень движется в обратном направлении (от ВМТ к НМТ) и за счет его насосного действия в цилиндр двигателя поступает свежий заряд. Этот заряд представляет собой смесь топлива с воздухом (горючую смесь) в двигателях с принудительным воспламенением и внешним смесеобразованием, или чистый воздух в двигателях с воспламенением от сжатия.

Начало и конец процесса газообмена определяются открытием и закрытием соответствующих клапанов. После впуска поршень возвращается из нижней мертвой точки (НМТ) в положение, соответствующее минимальному объему рабочего тела (ВМТ). При этом свежий заряд сжимается с повышением давления и температуры. Процесс, происходящий в течение второго хода поршня, при котором происходит уменьшение объема рабочего тела, называется сжатием.

В конце процесса сжатия топливо воспламеняется и затем быстро сгорает, выделяя значительное количество тепла. В двигателях с принудительным воспламенением зажигание смеси производится точечным источником тепловой энергии в виде электрического разряда между электродами искровой свечи.

В дизелях топливо впрыскивается в цилиндр в конце процесса сжатия, когда воздух имеет высокое давление и температуру. Воспламенение топлива происходит за счет теплоты горячего воздушного заряда, то есть “от сжатия”. Образовавшиеся в результате быстрого сгорания газообразные продукты окисления топлива оказывают значительное давление на поршень и совершают четвертый такт (расширение). В течение этого такта энергия расширения газов преобразуется в механическую работу, воспринимаемую поршнем и остальными деталями кривошипно-шатунного механизма двигателя.

Из диаграммы (Рисунок 1) видно, что границы реальных процессов не совпадают с мертвыми точками, как это происходит в термодинамическом или расчетном цикле. В действительном цикле процессы частично перекрывают друг друга: впуск начинается, например, когда еще продолжается выпуск, а заканчивается, когда уже идет процесс сжатия, и так далее.

Вследствие этого, контур действительной диаграммы “скругляется” и располагается внутри диаграммы расчетного цикла, не учитывающего указанных особенностей.

Поэтому действительная индикаторная работа оказывается меньше, чем работа расчетного цикла. Это уменьшение учитывают коэффициентом полноты диаграммы -, который определяется экспериментально и для большинства современных двигателей равен 0,92-0,97. Действительная индикаторная работа L i будет равна где L/ i - индикаторная работа расчетного цикла.

Теплоиспользование в действительном цикле Полезный эффект действительного цикла характеризуется величиной индикаторной работы Li, которая равна разности между подведенной и отведенной теплотой (Слайд 3) где - количество подведенной теплоты, Дж;

Q2 - количество отведенной теплоты (тепловые потери), Дж.

Абсолютное количество подведенной теплоты Q1 зависит от массы и теплоты сгорания топлива, вводимого в двигатель за цикл, и при одинаковых рабочих объемах цилиндров (Vh ) определяется относительным составом горючей смеси и качественными параметрами процесса наполнения.

Степень использования подведенной теплоты, то есть экономичность действительного цикла, оценивается индикаторным коэффициентом полезного действия i, который равен или где - относительные тепловые потери.

Таким образом, теплоиспользование в действительном цикле зависит от относительной величины тепловых потерь.

В современных двигателях внутреннего сгорания эти потери достигают 55вследствие чего задача их сокращения является первоочередной проблемой теории двигателей (Слайд 4).

Для того чтобы представить происхождение тепловых потерь и оценить возможности их уменьшения, целесообразно сравнить действительный цикл с его идеальным прототипом соответствующим термодинамическим циклом.

Работа термодинамического цикла Lt также числено, равна разности подведенной к рабочему телу теплоты Q1 и отведенной от него теплоты Q 2t :

где Lt - работа термодинамического цикла, Дж;

Q1 - количество подведенной теплоты, Дж;

Q 2t - количество отведенной теплоты, Дж.

Отводимая в холодильник теплота Q 2t представляет собой тепловые потери термодинамического цикла. Это обязательные, согласно второму закону термодинамики, потери обусловлены необходимостью возвращения рабочего тела в исходное состояние для возобновления следующего цикла могут быть названы термодинамическими.

Величина Q 2t зависит от вида и параметров цикла, но никогда не может быть ниже минимума, определяемого тепловыми потерями цикла Карно.

Поэтому термодинамические потери относят к категории неустранимых, подчеркивая тем самым, что при данной степени сжатия и характере подвода теплоты они не могут быть уменьшены никакими техническими усовершенствованиями.

Сравнивая работы, получаемые в термодинамическом и действительном цикле при одинаковом количестве подведенного тепла, получим Отсюда следует, что уменьшение работы действительного цикла по сравнению с термодинамическим числено равно увеличению тепловых потерь Q 2 по сравнению с термодинамическими потерями Q 2t. Эти дополнительные к термодинамическим потери действительного цикла, являющиеся следствием технического несовершенства реальных двигателей, называют техническими потерями теплоты Qтех.

Тогда, отводимое в действительном цикле количество теплоты можно представить суммой термодинамических и технических потерь:

В отличие от принципиально неустранимых термодинамических потерь технические потери зависят от уровня развития теории и опыта постройки двигателей, по мере совершенствования рабочего процесса и конструкции они могут быть сокращены. Поэтому знание этого вопроса необходимо для оценки возможностей и путей развития двигателей.

Рассмотрение технических потерь помогает также лучше понять механизм влияния различных факторов на рабочий процесс и показатели двигателя. Все технические тепловые потери Qтех можно разделить на прямые и косвенные, связанные с использованием уже выделившегося тепла.

Прямые тепловые потери обусловлены:

1) неполнотой сгорания из-за местного недостатка кислорода в зонах горения;

2) отводом теплоты в стенки рабочей полости во время сгорания и утечкой рабочего тела в негерметичности сопрягаемых поверхностей;

3) поглощением части выделившейся теплоты при диссоциации продуктов сгорания при высоких температурах.

Вследствие прямых тепловых потерь действительное количество теплоты, которое можно было бы превратить в работу, оказывается меньше теплоты сгорания топлива. Уменьшение активного тепловыделения снижает работу действительного цикла. Однако нужно иметь в виду, что сокращение работы неточно равно величине прямых тепловых потерь, а составляет только ту их часть, которую можно было бы использовать в идеальном термодинамическом цикле.

Другая часть составляет так называемые косвенные тепловые потери. Они определяются следующими факторами:

1) повышением теплоемкости реального рабочего тепла по сравнению с идеальным;

2) отличием действительной динамики тепловыделения при сгорании от закона подвода теплоты в термодинамическом цикле;

3) теплоотдачей в стенки рабочей полости и утечкой газа во время сжатия и расширения;

4) предварением выпуска.

То есть, реальное рабочее тело при сгорании изменяет свой состав и превращается в нагретую газовую смесь с повышенным содержанием трехатомных газов ( CO2, H 2 O ). Поэтому теплоемкость продуктов сгорания по сравнению с теплоемкостью холодного воздуха (свежей рабочей смеси) возрастает в 1,3-1,5 раза, повышение их температуры при подводе одного и того же количества тепла соответственно уменьшается.

Это уменьшение прироста температуры снижает повышение давления газа при сгорании и существенно снижает работу, отдаваемую им при расширении.

Отличие действительной динамики сгорания обусловлено конечной скоростью химических реакций. В результате чего значительная часть теплоты выделяется после прохождения поршнем ВМТ в увеличивающемся объеме рабочей полости цилиндра. В этих условиях не может произойти такого же значительного повышения давления, как в теоретическом изохорном процессе.

Кроме того, сокращается путь поршня, на котором совершается полезная работа, то есть уменьшается степень расширения.

Теплоотдача в головку, стенки цилиндра и днище поршня приводит к понижению температуры рабочего тела, а следовательно, и к уменьшению давления во всех точках цикла. В этом же направлении действует и утечка газа вследствие недостаточной герметичности поршневых колец.

Предварение выпуска, связанное с открытием выпускного клапана до прихода поршня в НМТ (Рисунок 1), понижает давление в конце расширения, приводя также к соответствующему уменьшению работы газа.

Все рассмотренные явления значительно снижают работу действительного цикла по сравнению с термодинамическим и обуславливают появление дополнительных технических тепловых потерь.

Кроме того, часть индикаторной работы приходится затрачивать на совершение процессов газообмена.

Эту отрицательную работу (насосную, L’нна ) обычно относят к механическим потерям и в оценку индикаторных показателей не включают.

Учитывая характер причин, обуславливающих уменьшение работы действительного цикла по сравнению с термодинамическим, технические потери теплоты можно представить дифференцированию в виде суммы:

Lн.сг. - уменьшение полезной работы вследствие неполноты сгорания и где Lт.о. - уменьшение полезной работы вследствие теплоотдачи в стенки рабочей полости и утечек газа из-за недостаточной герметизации L р.т. - уменьшение полезной работы вследствие увеличения теплоемкости реального рабочего тела по сравнению с идеальным газом, Дж;

Lд.сг. - уменьшение полезной работы вследствие отличия динамики сгорания от закона подвода теплоты в термодинамическом цикле, Дж;

Lпр.вып. - уменьшение полезной работы вследствие предварения выпуска Принимая во внимание выражения (4,6,7,8), индикаторный КПД можно выразить формулой, которая раскрывает обуславливающие его факторы:

Для оценки удельного веса технических потерь пользуются относительным коэффициентом полезного действия, равным отношению индикаторного КПД к термическому КПД.

Относительный КПД показывает насколько действительный цикл приближается к термодинамическому, принятому в качестве идеального критерия. Чтобы правильно оценить совершенство двигателей, следует иметь представление о количественном влиянии различных технических потерь на теплоиспользование в цикле.

Процессы газообмена в двигателях внутреннего сгорания Действительный цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания включает в себя пять процессов: впуск, сжатие, сгорание, расширение и выпуск.

Действительные циклы являются разомкнутыми и в отличие от термодинамических совершаются со сменой рабочего тела. Процессы выпуска отработавших газов и впуска свежего заряда горючей смеси (воздуха) называют процессами газообмена.

Процессы газообмена, протекающие в действительном цикле двигателя, являются сложными газодинамическими процессами, связанными с неустановившимся потоком газов через переменные проходные сечения клапанов.

Рисунок 1 – Процессы газообмена в четырехтактном двигателе В четырехтактных двигателях процессы впуска и выпуска рабочего тела совершаются в течение двух специальных ходов поршня - двух тактов. На свернутых индикаторных диаграммах четырехтактных двигателей процессы газообмена выражаются линиями, описывающими малую петлю (площадь эквивалентная насосным потерям, L’нас ). График процессов газообмена действительного цикла четырехтактного двигателя без наддува представлен на рисунке 1. При расчетах за начало и окончание процессов газообмена принимаются положения поршня в соответствующих мертвых точках.

т.”5 ” - начало открытия выпускного клапана;

т.” b ” - положение поршня в НМТ;

т.”1” - начало открытия впускного клапана;

т.”r” - положение поршня в ВМТ (расчетная точка конца выпуска);

т.”6” - конец закрытия выпускного клапана;

т.”а” - положение поршня в НМТ (расчетная точка конца впуска);

т.”2” - конец закрытия впускного клапана.

Линия - 5-b-r-6 - линия процесса выпуска;

линия - 1-r-а-2 - линия процесса впуска;

линия - 1-r-6 - линия перекрытия клапанов (когда открыты впускной и выпускной клапаны).

Выраженные в градусах поворота коленчатого вала относительно ВМТ и НМТ моменты начала открытия и конца закрытия впускного и выпускного органов носят название фаз газораспределения. Фазы газораспределения для каждого из двигателей подбираются обычно экспериментальным путем и с таким расчетом, чтобы обеспечить наилучшую очистку и заполнение цилиндров двигателей при наиболее характерных режимах их работы.

Рассмотрим более подробно процесс выпуска. Процесс выпуска предназначен для очистки цилиндра от продуктов сгорания - отработавших газов. Причем процесс выпуска можно разделить на три фазы: свободный выпуск (линия -5-b), когда отработавшие газы выходят под действием разности давления газов в цилиндре и в выпускной системе; принудительный выпуск (линия - в-r), когда газы выталкиваются движением поршня от НМТ к ВМТ и инерционный выпуск (линия -r-6), когда давление в цилиндре меньше атмосферного, но отработавшие газы по инерции покидают цилиндр через открытый выпускной клапан. Соответствующее опережение открытия выпускного клапана обеспечивает очистку цилиндра от отработавших газов при минимальных потерях полезной работы вследствие предварения выпуска и при минимальных затратах работы на выталкивание отработавших газов. Запаздывание закрытия этого клапана позволяет дополнительно удалить из цилиндра некоторое количество остаточных газов за счет использования инерции движущихся через выпускной клапан масс газа и перепада давлений в цилиндре и окружающей среде на выпуске. Кроме того, при опережении открытия и запаздывания закрытия клапана увеличивается его эффективное проходное сечение в течение всего процесса выпуска.

Остановимся более подробно на процессе впуска. Процесс впуска в четырехтактных поршневых двигателях предназначен для заполнения цилиндра свежим зарядом. В дизелях свежим зарядом является чистый воздух, а в карбюраторных двигателях горючая смесь. Но при расчетах и для карбюраторных двигателей за свежий заряд условно принимается чистый воздух. Ошибка в расчетах при таком упрощении допустима, так как в общем объеме свежего заряда объем, занимаемый топливом, незначителен. Процесс впуска также можно разделить на три фазы: предварительный впуск (линия - 1-r), основной впуск или всасывание (линия - r-а) и дозарядка (линия - а-2).

В отличие от расчетного и действительных циклах впускной клапан открывается не при положении поршня в ВМТ, а с опережением на 16-24 0 (точка 1).

Хотя свежий заряд начинает поступать в цилиндр, когда давление в нем станет меньше атмосферного, такое опережение открытия обеспечивает достаточное проходное сечение к моменту начала поступления свежего заряда, благодаря чему увеличивается эффективная пропускная способность клапана в период основного впуска и улучшается наполнение цилиндра.

Следует помнить, что в этот период (линия - 1-r) еще открыт выпускной клапан и продолжается выпуск отработавших газов. Если клапаны в цилиндре расположены близко друг от друга, а расстояние между головкой блока и днищем поршня при его положении в ВМТ невелико, то впуск может начаться раньше за счет эжектирующего действия выходящих отработавших газов. Линия 1-r-6 – называется линией «перекрытия клапанов».

В средней части хода наполнения клапан открывается полностью, а поршень имеет наибольшую скорость. В это время и происходит поступление основного заряда.

Впускной клапан закрывается после прохождения поршнем НМТ (точка - 2) на 40-70 0 п.к.в. Это делается с целью использования инерционного напора поступающего свежего заряда, вследствие которого заряд еще может по инерции поступать и после прохождения поршнем НМТ. Поэтому данная фаза и называется дозаправкой. Таким образом, опережение открытия и запаздывание закрытия впускного клапана повышает наполнение цилиндра свежим зарядом.

Параметры количественной и качественной оценки процессов газообмена Для количественной и качественной оценки процессов газообмена используются две группы параметров:

1) параметры, определяющие состояние рабочего тела в характерных точках процессов газообмена;

2) параметры, характеризующие совершенство процессов газообмена.

К первой группе относятся давление P и температура Tr остаточных газов (в точке r), подогрев заряда от нагретых деталей Ta конца наполнения (в точке а).

ент наполнения v.

Коэффициент остаточных газов r представляет собой отношение количества молей оставшихся в цилиндре отработавших газов и количеству молей поступившего в него свежего заряда (или отношение количества остаточных газов к количеству свежего заряда в цилиндре) где M r - количество молей остаточных газов, находящихся в цилиндре двигателя;

М - количество молей свежего заряда.

Коэффициент остаточных газов характеризует качество очистки цилиндров двигателя от продуктов сгорания и определяет их относительное содержание в рабочем теле. Основная тенденция в развитии двигателей по отношению к коэффициенту остаточных газов сводится к его снижению до возможного минимального значения.

Коэффициентом наполнения v называют отношение количества свежего заряда, находящегося в цилиндре к началу сжатия, к количеству свежего заряда, которое могло бы заполнить рабочий объем цилиндра при заданных условиях на впуске:

где М - число молей свежего заряда (действительное количество воздуха, поступившего в цилиндр);

M h -число молей теоретического свежего заряда, который мог бы поступить в цилиндр при бесконечно медленном опускании поршня, когда давление и температура в цилиндре были бы равны давлению и температуре в исходном состоянии на впуске в двигатель.

Коэффициент наполнения является одним из важнейших параметров теории двигателей внутреннего сгорания. Он характеризует качество процесса впуска и представляет собой поправку, учитывающую отклонение условий внутри цилиндра от условий на впуске в двигатель.

При расчете рабочего цикла реальных двигателей часть параметров, характеризующих процессы газообмена, выбирается на основе статистических данных для соответствующих типов двигателей. Выбираются обычно значения таких параметров, как Pr,Tr, и T. А вот величины параметров Pa,Ta, r и v могут либо рассчитываться аналитически или приниматься по статистическим данным.

Кроме того, знание аналитических зависимостей этой группы параметров необходимо для анализа факторов, влияющих на их величину.

Уравнение коэффициента остаточных газов Коэффициент остаточных газов определяется из соотношения (1) r =., в которое подставляются значения M r и M, полученные их уравнения состояния.

Тогда окончательно Это уравнение для коэффициента остаточных газов называется уравнением профессора Гриневецкого. Анализ этого уравнения показывает, что основными параметрами, определяющими коэффициент остаточных газов, являются степень сжатия, коэффициент наполнения, давление и температура остаточных газов, давление и температура окружающей cреды. Отметим, что в том случае, когда r уменьшается очистка цилиндров от отработавших газов улучшается.

Из уравнения Гриневецкого следует, что для уменьшения r необходимо повышать степень сжатия, коэффициент наполнения и температуру отработавших газов и снижать давление остаточных газов. Влияние на r температуры остаточных газов менее значительно, чем влияние степени сжатия и давления Pr.

Уравнение коэффициента наполнения Уравнение коэффициента наполнения можно вывести из основной формулы (2) v =, если определить значения М и Данное уравнение применительно как для четырехтактных, так и для двухтактных двигателей. Если в данное уравнение подставить значение r из уравнения (3) и произвести ряд преобразований, то получим уравнение коэффициента наполнения, применимое только для расчета четырехтактных двигателей без наддува Из полученных уравнений (4) и (5) следует, что коэффициент наполнения при данной степени сжатия зависит от величины подогрева заряда на впуске T, степени понижения давления на впуске Pa P0, величины давления окружающей cреды P0, температуры окружающей cреды T0 и давления остаточных газов Pr.

Уравнение для определения температуры расчетного конца наполнения Уравнение температуры расчетного конца наполнения Ta можно вывести из баланса внутренней энергии заряда в точке а:

где U a - внутренняя энергия заряда в точке а, Дж;

U - внутренняя энергия свежего заряда, Дж;

U r - внутренняя энергия остаточных газов, Дж.

Внутренняя энергия можно рассчитывается по известным формулам, например:

где µ Cv - удельная мольная теплоемкость газа при постоянном объеме. После ряда преобразований получим:

где - коэффициент, учитывающий отличие мольной теплоемкости остаточных газов от мольной теплоемкости свежего заряда.

При учебных расчетах можно принимать = 1 и Ta вычислять по формуле Уравнение (7) и (8) справедливы, как для четырехтактных, так и для двухтактных двигателей без наддува. Из этих уравнений следует, что температура конца процесса впуска определяется подогревом заряда на впуске, температурой остаточных газов, коэффициентом остаточных газов и температурой воздуха на впуске. С повышением всех этих параметров Ta возрастает.

Процесс сжатия. Теплообмен в процессе сжатия Предварительное сжатие рабочего тела в двигателях внутреннего сгорания позволяет повысить температурный перепад, в котором осуществляется рабочий цикл, вследствие чего обеспечивается возможность получения степени расширения, максимально достижимой в реальных условиях, при этом улучшается использование вводимого в двигатель тепла.

Сжатие также создает благоприятные условия для протекания процесса сгорания в связи с уменьшением объема рабочего тела и повышением его температуры и давления перед воспламенением топлива.

Процесс сжатия в действительных циклах носит сложный характер и сопровождается непрерывным, переменным по величине и направлению теплообменом между рабочим телом и окружающими его деталями, частичной утечкой заряда находящегося в цилиндре в капельно-жидком состоянии топлива.

Поступивший в цилиндр в процессе газообмена свежий заряд подвергается сжатию при движении поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке Процесс сжатия так же, как и процессы газообмена, является вспомогательным.

Его назначение - привести поступивший в цилиндр свежий заряд в состояние минимального объема, из которого в последующем может быть получена наибольшая степень расширения и полезная работа.

В процессе сжатия повышается давление и температура свежего заряда, повышается его внутренняя энергия. Это создает благоприятные условия для протекания процесса сгорания, что, в свою очередь повышает работу газов и улучшает экономичность рабочего процесса. Энергия для совершения процесса сжатия в реальных двигателях берется за счет рабочих ходов в других цилиндрах и за счет энергии маховика.

Количественным показателем процесса сжатия, кроме параметров состояния ется степень сжатия. Как известно, где Va - полный объем цилиндра, м 3 ;

V - объем камеры сгорания, м 3.

Степень сжатия - это безразмерный геометрический параметр. В процессе эксплуатации степень сжатия почти не изменяется.

Не следует путать со степенью сжатия такое понятие, как компрессия.

Компрессия - это давление в цилиндре двигателя в конце процесса сжатия.

Она измеряется специальным прибором- компрессометром и является показателем герметичности внутрицилиндровой полости в процессе сжатия.

В процессе эксплуатации по различным причинам компрессия может изменяться в широких пределах. Так, для двигателя ЯМЗ-236 (ЯМЗ-238) нормальное давление в конце процесса сжатия (компрессия) должно быть З МПа (30 кгс/см 2 ), а минимально допустимое 2 Мпа (20 кгс/см 2 ).

Как следует из анализа термодинамических циклов, с повышением степени сжатия снижаются термодинамические потери теплоты ( Q2t ) и повышается термический КПД ( t ). В реальных двигателях улучшается протекание процесса сгорания как в карбюраторных двигателях, так и в дизелях, а в последних обеспечивается и лучшее самовоспламенение топлива.

Однако, в карбюраторных двигателях увеличение параметров сжатия ограничивается возможностью возникновения детонации, сущность которой будет рассмотрена в следующих лекциях.

Поэтому в современных карбюраторных двигателях, в зависимости от совершенства их конструкции и сорта применяемого топлива, степень сжатия находится в пределах 6,5-11. В дизелях величина степени сжатия определяется необходимостью обеспечения самовоспламенения топлива.

Степень сжатия дизелей должна обеспечить повышение температуры в конце процесса сжатия до величины, превышающей температуру самовоспламенения топлива на 250-300 0 С.

В зависимости от способа смесеобразования степень сжатия современных дизелей находится в пределах 13-22. В теоретических циклах процесс сжатия осуществляется по адиабате без теплообмена. В реальных двигателях процесс сжатия носит сложный характер и сопровождается непрерывным, переменным по величине и направлению теплообменом между зарядом и стенками рабочей полости цилиндра. Кроме того, в процессе сжатия может быть частичная утечка заряда через неплотности в сопряжении поршень-цилиндр. Поэтому процесс сжатия является политропным.

В начале хода сжатия температура заряда ( Ta =300-420К) ниже температуры стенок цилиндра и камеры сгорания ( T cт =370-420К). На этом участке сжатие сопровождается нагреванием рабочего тела вследствие отдачи теплоты от стенок рабочей полости. Мгновенный показатель политропы n 1 будет больше показателя адиабаты “К”, а линия сжатия проходит выше адиабаты (см. раздел “Политропные процессы”). Повышению показателя n 1 способствует также испарение топлива в смеси.

По мере сжатия температуры заряда и стенок примерно выравниваются и теплообмен прекращается. Прекращение теплообмена происходит условно, так как разные точки рабочей полости имеют различную температуру. Поэтому в равновесной точке происходит равенство теплоотдачи от горячих стенок камеры и теплоотдачи от газа в области холодной стенки. В этой точке n / 1 = k.При дальнейшем сжатии температура рабочего тела превышает температуру стенок, вследствие чего происходит охлаждение заряда и линия сжатия становится более пологой, показатель политропы n / 1 < k. В результате этого конечное давление сжатия Pc оказывается ниже давления конца адиабатного сжатия. В этом же направлении действуют утечки газа через неплотности поршневых колец.

Характер протекания процесса сжатия и изменение мгновенного значения показателя политропы приведены на рисунке 1.

На рисунке 1 видно, что в конце сжатия наблюдается некоторое повышение показателя политропы n 1, что объясняется снижением интенсивности теплообмена в связи с уменьшением объема рабочего тела и размещением его в наиболее нагретой части цилиндра, а также следствием начинающегося тепловыделения при сгорании.

Таким образом, действительный процесс сжатия представляет собой политропный процесс с переменным показателем политропы, что значительно усложняет его анализ и расчет. Поэтому для определения параметров газа в конце сжатия принимается упрощенный метод, основанный на замене переменного показателя политропы n 1, некоторым редким показателем n1,обеспечивающим при расчете получение действительных параметров конца сжатия. Показатель политропы определяется экспериментально путем обработки действительных диаграмм и для современных двигателей составляет n1 =1,34-1,37.

Показатель n1 меньше показателя адиабаты (для воздуха к = 1,41). Поэтому в целом сжатие сопровождается теплоотдачей от заряда в стенки рабочей полости, но несмотря на это, внутренняя энергия заряда в процессе сжатия повышается, так как в целом температура заряда растет (Слайд 3).

Для определения температуры и давления в конце процесса сжатия расчетного цикла (точки С) определяется из уравнения политропы или для точек а и С тогда давление а так как Предельные значения давления конца процесса сжатия для дизелей (4-6) Мпа, для карбюраторных двигателей (0,6-1,2) Мпа.

Предельные значения Tc для дизелей (850-1000)К, для карбюраторных двигателей (600-750)К.

Протекание процесса сжатия в целом характеризуется средним показателем политропы сжатия n1. Значения этого показателя определяются условиями теплообмена между стенками и рабочим телом в конечном счете, зависят от следующих факторов:

- частоты вращения коленчатого вала двигателя;

- размеров цилиндра;

- материала деталей, образующих рабочую полость;

- теплового состояния двигателя;

- технического состояния сопряжения поршень-поршневые кольца цилиндр.

Физико-химические основы процесса сгорания В действительных циклах подвод теплоты осуществляется в результате сгорания топлива непосредственно в цилиндре двигателя. В качестве окислителя используют кислород воздуха, с которым топливо образует топливовоздушные смеси.

Осуществление процесса сгорания в двигателе предъявляет определенные требования к физическим и химическим свойствам топлива. Физические свойства топлива, такие, как вязкость, плотность, поверхностное натяжение, сжимаемость, фракционный состав и другие, влияют на процессы подачи топлива, его распыливание и образование топливовоздушных смесей.

. Относительный состав горючей смеси принято оценивать коэффициентом избытка воздуха.

Коэффициентом избытка воздуха называется отношение действительной массы воздуха в смеси к такому его количеству, которое теоретически необходимо для полного сгорания находящегося в смеси топлива.

Обычно коэффициент избытка воздуха выражается формулой где Gв - часовой расход воздуха, кг/ч;

Gm - часовой расход топлива, кг/ч;

lo - количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, кг воздуха/кг топлива.

Горючая смесь с =1 называется нормальной (стехиометрической).

В случае избытка топлива 1 - смесь называют обедненной.

В случаях значительного отличия от стехиометрического состава смеси называются богатыми и бедными. Теоретически наибольшая температура горения должна достигаться при =1. Однако в действительности при =1 увеличивается диссоциация продуктов окисления и температура газов несколько снижается.

Практически максимальная температура наблюдается в несколько обогащенной смеси. Поэтому, как видно из рисунка 2, наибольшая нормальная скорость распространения пламени в бензовоздушной смеси достигается при =0,85-0,9.

При дальнейшем обогащении или обеднении смеси нормальная скорость падает, а при большом отклонении от =0,85-0,9 пламя гаснет.

Состав переобедненной горючей смеси, при котором пламя гаснет, называется нижним концентрационным пределом распространения пламени.

Концентрационные пределы зависят от свойств топлива и физических условий горения. С повышением температуры эти пределы несколько расширяются, а при увеличении содержания инертных разбавителей (остаточных газов) сужаются.

Рисунок 2 – Зависимость нормальной скорости распространения пламени Практические предел распространения пламени в карбюраторных двигателях составляют:

=0,3 - верхний предел;

=1,3 - нижний предел.

Нормальная скорость распространения пламени в неподвижной среде составляет 0,35-0,55 м/с, что явно недостаточно для своевременного завершения тепловыделения. В камерах сгорания современных двигателей рабочая смесь подвергается интенсивному завихрению, в результате чего появляется неупорядоченное пульсирующее движение отдельных объемов рабочей смеси. Такое газодинамическое состояние заряда называется турбулентным.

Процесс сгорания в дизелях Процесс сгорания в дизелях протекает своеобразно и наиболее сложно с точки зрения его физико-химического содержания.

В дизелях топливо впрыскивается в нагретую среду чистого воздуха в конце процесса сжатия. Температура и давление сжатого в цилиндре воздуха к моменту начала подачи топлива составляют Т=700-950 К, Р=3,0-5,0 МПа.

• В зависимости от конструктивных особенностей топливной аппаратуры, размеров сопловых отверстий и давлений впрыска топливо поступает в камеру сгорасгорания в виде мелких капель, диаметр которых колеблется в пределах 2-100мкм.

Впрыскнутое топливо воспламеняется не мгновенно, а через некоторый промежуток времени, который называется периодом задержки воспламенения Наряду с указанными выше недостатками, процесс сгорания в дизелях имеет ряд положительных сторон:

1) в связи с подачей топлива в цилиндр лишь в самом конце процесса сжатия и неравномерности состава смеси по объему камеры сгорания практически исключается возможность возникновения детонации, что не ограничивает возможность использования высоких степеней сжатия;

2) в дизелях возможно практически неограниченное обеднение смеси.

Это обстоятельство объясняется тем, что в связи с большой неравномерностью распределения топлива по объему камеры сгорания обязательно найдутся участки, где будет оптимальный состав смеси, обеспечивающий воспламенение.

Это позволяет изменить мощность двигателя только за счет изменения количества воздуха, то есть применять качественное регулирование мощности. Так, состав смеси на различных режимах работы дизеля изменяется в широком диапазоне: на средних нагрузках = 3-3,5, на полных нагрузках = 1,3-1,5, на холостом ходу = 8-10.

Работа дизелей на бедных смесях является одной из причин, обуславливающих более высокую экономичность их по сравнению с карбюраторными двигателями.

Методика расчета процесса сгорания Процессы сгорания в карбюраторных и дизельных двигателях сопровождаются сложными физико-химическими явлениями, которые развиваются в зависимости от большого числа трудно учитываемых факторов. Расчет процесса сгорания состоит из двух разделов: термохимического и термодинамического.

Термохимический расчет процесса сгорания Термохимический расчет процесса имеет целью определение количества воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива, количества образовавшихся при сгорании продуктов и других параметров.

Применяемые в двигателях жидкие топлива состоят из соединений углерода, водорода и кислорода. Серой и азотом, ввиду их малого содержания в топливе, при термохимическом расчете пренебрегают.

В 1 кг топлива содержится С массовых долей углерода, Н массовых долей водорода и О массовых долей кислорода. Сгорание топлива в конечном счете описываются уравнениями:

Выразим газообразные компоненты реакции полного сгорания в молях:

Из уравнений (4) и(5) следует, что для полного сгорания 12 кг углерода требуется 1 моль кислорода, а для С кг углерода требуется С/12 молей О 2 ; для сгорания 4 кг водорода требуется 1 моль кислорода, а для Н кг водорода Н/4 молей Таким образом, для полного сгорания 1 кг топлива, содержащего С кг углерода, Н кг водорода и О кг кислорода, теоретически необходимо следующее количество молей кислорода.

В воздухе, поступающем в камеру сгорания двигателя, содержится По объему 21% кислорода. По этому теоретически необходимое количество молей воздуха для сгорания 1кг топлива выразится следующим образом Пример: Рассчитать теоретически необходимое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива. Состав топлива задан массовыми Долями: С=0,87, Н=0,126, О=0, Молекулярная масса воздуха Действительное количество молей воздуха (М), участвующее в сгорании, будет равно:

где - коэффициент избытка воздуха.

Для карбюраторных двигателей при расчете принимают = 0,85 - 0,9.

Для дизелей в зависимости от способа смесеобразования и степени форсирования принимают = 1,35 - 1,6.

Число молей свежего заряда, поступившего в цилиндр за время впуска,Mз В двигателях с внешним смесеобразованием:

µT молекулярная масса паров топлива, µT = 114 кг/кмоль, где в двигателях с внутренним смесеобразованием:

Продукты сгорания топлива или отработавшие газы состоят из большого числа компонентов. Основную долю среди них занимает неиспользованный азот воздуха (79% по объему) и продукты окисления углерода и водорода.

Отработавшие газы содержат так же токсичные продукты неполного сгорания топлива. Количество молей продуктов сгорания Мr, образующихся при полном сгорании 1 кг топлива (при больше 1), определяется из уравнения где Произведя преобразования, получим при > При < 1 в продуктах сгорания присутствует окись углерода и свободный водород Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси, для карбюраторных двигателей для дизелей = 1,03 – 1,04.

Термодинамический расчет процесса сгорания Целью термодинамического расчета процесса сгорания является определение конечных температуры и давления при заданном количестве подведенной теплоты.

Расчет процесса сгорания ведется на 1 кг топлива. Для упрощения расчета принимается, что теплота в расчетном цикле подводится либо по изохоре (карбюраторные двигатели) (Рисунок 1), либо по изохоре и изобаре (бескомпрессорные дизели) (Рисунок 2).

Однако в действительности процесс сгорания не заканчивается в точке Z.

Поэтому незавершенность процесса сгорания в действительном цикле учитывают специальным поправочным коэффициентом полезного тепловыделения. Кроме того, коэффициент учитывает потери теплоты из-за теплоотдачи в стенки, утечки газа и диссоциации.

Тогда количество теплоты, выделившееся в процессе сгорания будет равно где Qт - полное количество теплоты, выделившееся к концу процесса сгорания.

Обычно для карбюраторных двигателей = 0,82-0,9, для дизелей - -0,6-0,8.

Количество теплоты Qт можно определить следующим образом где Qн - низшая теплота сгорания топлива:

для бензина Qн - 42,4 – 44,1 кДж/кг, для дизельного топлива Qн - 42-43,2 кДж/кг, Qн.сг - потери теплоты вследствие неполноты сгорания топлива:

для карбюраторных двигателей ( < 1 ), для дизелей ( >1) Qн.сг =0.

Уравнение для определения температуры в конце процесса сгорания можно вывести из первого закона термодинамики, согласно которому теплота, подведенная к рабочему телу в процессе сгорания, идет на изменение внутренней энергии и совершение работы:

где U изменение внутренней энергии рабочего тела в процессе сгорания, кДж;

L – работа, совершенная газом в процессе сгорания, кДж.

Для дизеля ( > 1 ) первый закон термодинамики можно записать где Uz - внутренняя энергия смеси продуктов сгорания с остаточными газами при температуре конца сгорания Тz, кДж µСv z - средняя мольная теплоемкость смеси продуктов сгорания с остаточныгде ми газами при постоянном объеме в интервале от 0 до Тz;

U c - внутренняя энергия смеси свежего заряда с остаточными газами при температуре начала процесса сгорания Тс, кДж µCvc - средняя мольная теплоемкость свежей рабочей смеси при постоянном объеме в интервале температур от 0 до Тс.

Средние мольные теплоемкости µСv и µC vc определяются по эмпиричеz ским формулам или берутся из таблиц.

L – работа, совершаемая газом на изобарном участке Подставив значения Pz = Pc и V Для точек z и с напишем уравнения состояний Менделеева-Клайперона где µR - универсальная газовая постоянная, µR =8, Подставляя все найденные составляющие в уравнение (17), получим Сгруппируем подобные члены м разделим обе части уравнения на M з + М r, при этом получим После подстановки указанных значений уравнение (17) окончательно примет вид µCv, а следовательно, и µС pz являются функцией Tz, то уравПоскольку нение (24) является квадратным и может быть приведено к виду Решая это уравнение по обычной формуле, определяем Tz Расчетная величина Tz для современных дизелей должна быть в пределах 1800-2100 К. Величину Tz используют для определения степени предварительного расширения которая должна быть в пределах 1,15 –1,25.

Максимальное давление сгорания pz для дизелей обычно не рассчитывается, а принимается на основании опытных данных.

Термодинамический расчет процесса сгорания для двигателя с принудительным воспламенением отличается от дизеля тем, что подвод тепла считается изохорным и поэтому работа при сгорании отсутствует.

или с учетом уравнения (18) и (19) Решение квадратного уравнения (27) дает расчетную температуру Тz продуктов сгорания, которая обычно равна 2500-2700 К.

По найденной температуре Тz определяется расчетное максимальное давление цикла:

- степень повышения давления при сгорании.

где Обычно для современных карбюраторных двигателей расчетная величина Pz = 4,0 – 7,0 Мпа, что значительно превышает реальные давления газов в цилиндре. Поэтому при построении расчетной индикаторной диаграммы найденное давление уменьшают, умножая на поправочный коэффициент 0,85.

Процесс расширения. Теплообмен в процессе расширения В процессе расширения совершается механическая работа за счет тепловой энергии, выделившейся при сгорании топлива.

При расчете цикла за начало процесса расширения принимают точку Z (Рисунок 1) при максимальных расчетных значениях Рz и Тz ( в двигателях с искровым зажиганием Vz = Vc, в дизелях Vz = Vc ). Считается, что окончание процесса происходит в нижней мертвой точке (точка «в») без учета предварения открытия выпускного клапана (точка 5).

Процесс расширения осуществляется в условиях:

- догорания топлива, не успевшего полностью сгореть в течение основных фаз процесса сгорания;

- непрерывного теплообмена между газом и окружающими его деталями при изменяющихся температурах и давлениях рабочего тела и переменной теплопередающей поверхности;

- частичной утечки рабочего тела через зазоры цилиндро-поршневой группы под действием высокого давления;

- поглощения части выделившейся теплоты при диссоциации продуктов сгорания при высоких температурах.

Процесс расширения в реальных двигателях представляет собой сложный термодинамический процесс, осуществляющийся с переменным показателем политропы. Определение показателя политропы расширения n2 по индикаторной диаграмме на участке до Тmax практически невозможно. В процессе расширения, особенно в начальной стадии, вследствие высоких давлений происходит некоторая утечка газов, главным образом через неплотности между поршневыми кольцами и зеркалом цилиндра, что снижает эффективность работы расширения реального двигателя, действительный политропный процесс заменяется некоторым условным процессом с постоянным показателем политропы n2. Этот показатель называется средним показателем политропы расширения; n2 рассчитывается таким образом, чтобы при одинаковых исходных и конечных параметрах процесса расширения совершаемая рабочим телом работа равнялась бы работе политропного расширения при истинном переменном показателе.

Для современных быстроходных двигателей средний показатель политропы расширения равен:

карбюраторные двигатели n2 =1,22-1,3;

дизели с неразделенными камерами сгорания n2 = 1,15-1,23;

дизели с разделенными камерами n2 =1,2-1,23;

газовые двигатели n2=1,25-1,35.

Параметры конца процесса расширения К параметрам конца процесса расширения относятся давление Рв и температура Тв рабочего тела в конце расширения.

Для политропного процесса расширения при среднем показателе в дизеле, давление и температура конца расширения в точке «в» определяется по формулам:

В случае карбюраторного двигателя =, тогда Значения параметров конца процесса расширения для современных двигателей представлены в таблице 1.

Таблица 1 Значения параметров конца процесса расширения для двигателей Среднего показа- Давления конца Температуры конТип двигателя Карбюраторные двигатели Дизели с неразделенными камерами сгорания Дизели с разделенными камерами сгорания Газовые двигатели Показатели, оценивающие рабочий цикл и конструкции двигателей Параметры двигателей можно разделить на ряд групп, характеризующих определенные свойства двигателя. К основным группам параметров следует отнести:

энергетические, экономические, экологические, которые в первую очередь зависят от степени совершенства рабочего процесса и которым в нашем курсе уделяется больше всего внимания. Кроме того, к основным группам относятся такие параметры как: массово-габаритные, пусковые, надежности, технологические, стандартизации и унификации, эргономические и другие.

Рабочий процесс двигателей АТ организован на базе действительных циклов поршневых машин.

Эффективность преобразования тепла в механическую работу в действительных циклах оценивается индикаторными показателями:

- средним индикаторным давлением Рi, МПа;

- индикаторной мощностью Ni, кВт;

- часовым расходом топлива GТ, кг/ч;

- индикаторным КПД i;

- удельным индикаторным расходом топлива gi, г/(кВтч).

Однако полное использование индикаторной работы невозможно ввиду наличия внутренних механических потерь двигателя, на которые затрачивается часть индикаторной работы. Поэтому непосредственно выходными показателями двигателя на конце коленчатого вала являются эффективные показатели:

- среднее эффективное давление Pe, МПа;

- эффективная мощность Ne, кВт;

- часовой расход топлива GТ,кг/ч;

- эффективный крутящий момент Mk, Нм;

- эффективный КПД е;

- удельный эффективный расход топлива ge, г/(кВтч).

Вместе с тем, абсолютное значение эффективных показателей для объективной и полной оценки конструктивного совершенства двигателей недостаточно, с этой целью используется ряд удельных или относительных показателей, таких как:

- литровая мощность - литровая масса двигателя Конструктивными основными параметрами двигателей являются:

- число и расположение цилиндров (i; P-4; V-8);

- отношение радиуса кривошипа и длине шатуна Среднее индикаторное давление и индикаторная мощность Среднее индикаторное давление В результате осуществления действительного цикла газы в цилиндрах совершают работу, эту работу оценивают по индикаторной диаграмме и называют индикаторной работой.

В общем виде индикаторная работа Li равна разности между положительной работой расширения (Lрасш.) и отрицательной работой сжатия (Lсж.).

Если индикаторную работу действительного цикла Li отнести к рабочему объему цилиндра Vh, то получится удельная индикаторная работа, снимаемая с единицы рабочего объема. Нетрудно показать, что размерность этой удельной работы будет размерностью давления.

То есть удельную индикаторную работу принято называть средним индикаторным давлением и обозначать Pi.

Физический смысл этого показателя легче всего можно проследить по индикаторной диаграмме одного из действительных циклов ДВС. В качестве примера, в соответствии с рисунком 1, взят цикл двигателя с принудительным воспламенением.

Из диаграммы видно, что действительное давление газов в цилиндре всегда переменное. Это переменное давление в течение цикла совершает индикаторную работу Li. Однако, эту же работу можно выполнить другим способом - действуя каким-то эквивалентным постоянным давлением на поршень в течение одного хода поршня. Иначе говоря, действительную работу, изображенную площадью а-сz-b-a можно заменить равной по величине прямоугольника 1-2-3-4 со сторонами Vh’ P’i. Следовательно, графически Pi представляет собой высоту прямоугольника, площадь которого равна площади индикаторной диаграммы.

Таким образом, среднее индикаторное давление, это такое условное постоянное давление, которое, действуя на поршень за один его ход, совершает работу, равную работе газов в цилиндре за один цикл.

Величина среднего индикаторного давления, как правило, определяется расчетным путем. При этом следует иметь в виду, что составляющие выражения (1) были подробно рассмотрены в разделе «Техническая термодинамика». Откуда где - степень повышения давления равна отношению максимального давления цикла к давлению в конце такта сжатия.

- степень предварительно расширения равна отношению объема цилиндра Vz в конце изобарного процесса подвода теплоты к объему камеры сгорания Vc.

- степень сжатия двигателя есть отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc.

Среднее индикаторное давление определяется по формуле Для двигателя с изохорным подводом теплоты (процесс с электрическим зажиганием, где =1, =) Pi получим в виде выражения 4.

Полученное расчетное значение Piр больше действительного Pi, вследствие уменьшения площади действительной индикаторной диаграммы по сравнению с расчетной. Поэтому, для получения действительного индикаторного давления, расчетное значение Piр = P’i умножают на коэффициент полноты диаграммы (коэффициент скругления), тогда Pi =*P’i коэффициент полноты диаграммы принимают: для карбюраторных двигателей = 0,94 - 0,97, для дизелей =0,92Величина Pi для современных двигателей на полной нагрузке представлена в таблице 1.

Таблица 1 - Величина Pi для современных двигателей на полной нагрузке Индикаторная мощность Индикаторная мощность Ni - это мощность, развиваемая газами внутри цилиндра двигателя. В соответствии с определением мощности в механике она эквивалентна индикаторной работе газов в единицу временя, то есть для одного цикла где: ц - время совершения цикла, с, которое можно определить по выражению где z – коэффициент тактности;

z = 1 для двухтактного двигателя;

z = 2 для четырехтактного двигателя;

n – частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1.

Учитывая, что индикаторная работа за цикл равна Li =PiV’hi=PiVh, индикаторную мощность можно представить выражением где Pi - среднее индикаторное давление, МПа;

Vh – рабочий объем двигателя, л;

z - коэффициент тактности двигателя;

n – частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1.

Полученное уравнение (11) индикаторной мощности обычно используется для определения мощности существующих двигателей, когда известны Pi, Vh, и n.

Для анализа различных вопросов теории двигателей более удобным является так называемое уравнение индикаторной мощности в развернутом виде, которое связывает Ni непосредственно с основными параметрами двигателя.

Вывод этого уравнения.

Из выражения (3) известно, что индикаторная работа эквивалентна теплу, поэтому можно записать где Qi – количество теплоты, превращенного в индикаторную работу Q1 – количество теплоты введенное за цикл.

Но, Gт= Gв /(l0), а Следовательно, где n – мин-1, остальное система СИ;

l0 - теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания топлива;

v – коэффициент наполнения;

i - индикаторный КПД.

Из термодинамических расчетов известно, что на 1 кг топлива необходимое израсходовать около 15 кг воздуха;

Вывод:

таким образом, индикаторная мощность Ni зависит от:

- n/z - частоты чередования циклов;

- i – эффективности использования теплоты;

- количества теплоты введенной за цикл, которая зависит от:

- сорта топлива QН, - конструкции двигателя Vh,v,В,z.

Индикаторный коэффициент полезного действия и удельный индикаторный расход топлива Индикаторный КПД характеризует экономичность протекания процессов действительного цикла.

В общем виде индикаторный КПД представляет собой отношение количества теплоты, эквивалентной индикаторной работе, ко всему количеству теплоты, введенной в цилиндры с топливом. Для 1 кг топлива где Li - теплота эквивалентная индикаторной работе, Дж/кг;

Q1 - количество теплоты введенной в двигатель с топливом, Дж/кг.

Подставив значение для индикаторной работы и теплоты получим При испытаниях двигателей i определяется на основании известного удельного индикаторного расхода топлива Удельный индикаторный расход топлива, г/кВт·ч, определяется из выражения:

Термический КПД цикла есть отношение работы обратимого термодинамического цикла к теплоте, подведенной к рабочему телу от горячего источника.

Индикаторный КПД цикла есть отношение работы действительного цикла к подведенной теплоте, равной низшей теплоте сгорания цикловой дозы топлива.

Из последнего определения следует, что низшую теплоту сгорания топлива можно рассматривать как одну из характеристик цикла.

ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНОГО ЗАДАНИЯ №

РЯЗАНСКОЕ ВЫСШЕЕ ВОЗДУШНО-ДЕСАНТНОЕ

КОМАНДНОЕ УЧИЛИЩЕ (ВОЕННЫЙ ИНСТИТУТ)

ИМЕНИ ГЕНЕРАЛА АРМИИ В.Ф. МАРГЕЛОВА

Кафедра общепрофессиональных и специальных дисциплин

АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Введение

1.1 Выбор и обоснование базового двигателя

1.2 Расчет основных параметров рабочего цикла

1.2.1 Определение параметров газообмена

1.2.2 Определение параметров процесса сжатия

1.2.3 Определение параметров процесса сгорания

1.2.4 Определение параметров процесса расширения

1.3 Определение индикаторных и эффективных показателей работы двигателя

1.3.1 Расчет индикаторных показателей работы двигателя

1.3.2 Определение эффективных показателей работы двигателя

1.4 Определение рабочего объема и диаметра цилиндра двигателя

1.4.1 Проверка результатов теплового расчёта

1.5 Построение индикаторной диаграммы

1.6 Сравнение показателей базового и проектируемого двигателей

Заключение

Список литературы

Приложение А Расчетная и действительная индикаторные диаграммы............

Изм. Лист № докум. Подп. Дата Пров.

Н.конт.

Утв.

1 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

1.1 Выбор и обоснование базового двигателя На основании данных задания (Ne и nNe) и требований, предъявляемым к автотранспортным двигателям выбираю базовый двигатель (более современный, распространенный) и определяю, что для_ двигатель должен обладать следующими основными показателями:

- ;

- ;

- ;

- ;

-.

и свожу данные базового двигателя в таблицу 1.1.

Учитывая условия эксплуатации, предназначения автомобиля и исходя из формулы мощности двигателя необходимо изменить следующие параметры базового двигателя:

Таблица 1.1 – Показатели базового двигателя 2. Частота вращения, соответствующая номимин- нальной мощности 4. Частота вращения, при максимальном крутямин- щем моменте 6. Число и расположение цилиндров 10. Минимальный эффективный удельный расgе г/кВт·ч ход топлива 1.2 Расчет основных параметров рабочего цикла 1.2.1 Определение параметров газообмена 1.2.1.1 Выбор параметров для расчета процесса газообмена Для расчета процесса газообмена, исходя из конструктивных особенностей проектируемого двигателя и условий эксплуатации, выбираются следующие параметры:

- давление окружающего воздуха Рo;

- температура окружающего воздуха Тo;

- давление остаточных газов Рr;

- температура остаточных газов Тr;

- температура подогрева свежего заряда во впускном трубопроводе Т;

- коэффициент наполнения v;

- степень сжатия.

Давление окружающей среды Рo, МПа, определяется высотой над уровнем моря, для чего используются данные таблицы 1.2.

Таблица 1.2 – Давление окружающей среды в зависимости от высоты над уровнем моря Температура окружающей среды Тo, К, выбирается исходя из климатических условий, для которых проектируется двигатель. При эксплуатации в средней полосе температура воздуха выбирается +25°С, для районов Крайнего Севера -50°С, для жаркого климата +50°С.

Таким образом, для проектируемого двигателя выбираем Тo = К.

При работе автомобильных двигателей с наддувом, воздух поступает в цилиндры не из атмосферы, а из компрессора (нагнетателя), где он предварительно сжимается. Поэтому при проектировании ДВС с наддувом давление надувочного воздуха Рк, МПа, принимают равным:

- при низком наддуве Рк = 1,5· Рo;

- при среднем наддуве Рк = (1,5 – 2,2) · Рo;

- при высоком наддуве Рк = (2,2 – 2,5) · Рo.

Температура воздуха на выходе из компрессора Тк, К, определяется по формуле где nк – показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре.

Величину nк принимают по опытным данным в зависимости от типа надувочного агрегата и степени охлаждения:

- для поршневых нагнетателей nк = 1,4 - 1,6;

- для объемных нагнетателей nк = 1,55 - 1,75;

- для центробежных нагнетателей с охлажденным корпусом nк = 1,4 - 1,8;

- для центробежных нагнетателей с неохлажденным корпусом nк=1,8-2,0.

Подставив значения То, Pк, Ро и nк в формулу (1.1), рассчитаем Тк:

Давление остаточных газов Рr, МПа, зависит от сопротивления выпускного тракта (включая глушитель, эжекционную систему, турбину компрессора), скорости поршня Сm, нагрузки и других факторов и находится в пределах:

- для быстроходных двигателей (Сm 6,5 м/с) Рr = 0,11 - 0,12 МПа;

- для тихоходных двигателей (Сm 6,5 м/с) Рr = 0,105 - 0,11 МПа;

- для автомобильных двигателей с наддувом и выпуском в атмосферу Рr = (1,05-1,25) Ро;

- для двигателей с наддувом и наличием газовой турбины на выходе Рr = (0,75-1,0) Рк.

Большие значения давления остаточных газов принимаются для высокооборотных двигателей. При этом нужно учитывать, что эжекционная система и турбина на выпуске повышают давление Рr до значения 0,13 – 0,15 МПа.