Расчет автомобильного двигателя (ЗИЛ-130 V8)

1 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ С ВПРЫСКОМ ТОПЛИВА

 

Степень сжатия ε = 8,1 и Давление P₀ =0,1 МПа, N_e=110 кВт. Двигатель восьмицилиндровый, i = 8 с V- образным расположением цилиндров.

 

1.1 Тепловой расчет

При проведении теплового расчета для нескольких скоростных режимов обычно выбирают 3-4 основных режима. Для бензиновых двигателей такими режимами являются:

1. Режим минимальной частоты вращения n_min = 1000 об/мин, обеспечивающий устойчивую работу двигателя;                                  (1.1)
2. Режим максимального крутящего момента при n_М = 1,1× n_N;             (1.2)
3. Режим максимальной (номинальной) мощности при n_N;
4. Промежуточные режимы: n_x=0,8× n_N                                                      (1.3)

                                              n_x=0,6× n_N                                                     (1,4)

                                              n_x=0,4× n_N                                                     (1,5)

С учетом приведенных  рекомендаций и задания (n_N = 3200 об/мин) тепловой расчет последовательно проводится для n = 1000, 1280, 1920,  2560,   3200, 3520, об/мин.

Топливо. В соответствии с заданной степенью сжатия ε = 8,1 можно использовать бензин марки А-76.

Средний элементарный Состав и молекулярная масса топлива

С = 0,855;   Н = 0,145   и  m_т = 115 кг/кмоль.

Низшая теплота  сгорания топлива

Нu = 33,91C + 125,60H – 10,89 (O - S) – 2,51 × (9H + W)	(1.6)
Нu = 33,190,855 + 125,600,145 – 2,51 9 0,145 = 43930 кДж/кг

Параметры рабочего тела. Теоретически  необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:

 

	(1.7)
	(1.8)

 

Коэффициент избытка воздуха устанавливается  на основании следующих соображений.

Стремление  получить двигатель достаточно экономичный  и с меньшей токсичностью продуктов  сгорания, которая достигается при α≈0,95÷0,98 ,что позволяет принять для двигателя с карбюратором α=0,96 на основных режимах, а на режиме минимальной частоты вращения α=0,86.

Количество  горючей смеси:

 

М1 = α∙L0 + 1/mт

(1,9)

 

При n = 1000 об/мин

 

М1 = 0,86∙0,516+ 1/115 = 0,4524 кмоль  гор. см/кг топл.

 

При n = 1280, 1920,  2560,  3200, об/мин

 

М1 =0,960,516+ 1/115 = 0,5040 кмоль гор. см/кг топл.

 

При n = 3520 об/мин

 

М1 = 0,98 0,516+ 1/115 = 0,5144 кмоль гор. см/кг топл.

 

Количество  отдельных компонентов продуктов  сгорания при К=0,5 и принятых скоростных режимах.

При n = 1000 об/мин. ,α=0,86

 

При n = 1280, 1920,  2560, 3200 об/мин., α=0,96

 

 

При n = 3520 об/мин., α=0,98

 

 

Общее количество продуктов сгорания:

 

(1.10)

 

При n = 1000 об/мин.

 

М2 =0,0512+ 0,0200+ 0,0625+ 0,0100+ 0,3514= 0,4951 кмоль пр. сг/кг топл.

 

Проверка:

М2 = 0,855/12 + 0,145/2 + 0,792×0,86×0,516 = 0,4951 кмоль пр. сг./кг топл.

 

При n = 1280, 1920,  2560, 3200 об/мин.

 

М2 = 0,06550+ 0,0057 +0,0696+ 0,0029+0,3923= 0,536 кмоль пр. сг./кг топл.

 

Проверка:

 

М2 = 0,855/12 + 0,145/2 + 0,792·×0,96× 0,516 = 0,536 кмоль пр. сг./кг топл.

 

При n = 3520 об/мин.:

 

М2 = 0,0683 + 0,0029 + 0,0711 + 0,0014 + 0,4005 = 0,5442 кмоль пр. сг/кг топл.

 

Проверка:

 

М2 = 0,855/12 + 0,145/2 + 0,792·×0,98× 0,516 = 0,5442 кмоль пр. сг./кг топл.

 

Параметры окружающей среды и остаточные газы:

Давление  и температура окружающей среды  при работе двигателя без наддува:

 

= 293 K

 

Температура остаточных газов. При постоянном значении степени сжатия ε = 8,1 температура остаточных газов практически линейно возрастает с увеличением скоростного режима при α = const, но уменьшается при обогащении смеси. Учитывая, что при n = 1000 об/мин α = 0,86, на n = 1280, 1920,  2560, 3200 об/мин α = 0,96, а при n=3520 об/мин  α = 0,98, принимается:

 

n	1000	1280	1920	2560	3200	3520	об/мин
Tr	900	920	960	980	1000	1060	К

 

Давление  остаточных газов р_r за счет расширения фаз газораспределения и снижения сопротивлений при конструктивном оформлении выпускного тракта рассчитываемого двигателя можно получить на номинальном скоростном режиме:

 

рrN = 1,18po = 1,180,1 = 0,118 МПа

(1.11)

 

Тогда, величины давлений на остальных режимах работы двигателей можно подсчитать по формулам:

 

Pr = 0,1 (1,035 + 1,4160∙10-8∙n2)	(1,12)
	(1,13)
Ар = (0,118 – 0,1∙1,035)∙108/(32002∙0,1) =1,5917

 

_{Отсюда  получим:}

 

n	1000	1280	1920	2560	3200	3520	об/мин
Pr	0,1049	0,1058	0,1087	0,1127	0,1179	0,1210	МПа

 

1.2 Процесс впуска.

Температура подогрева свежего заряда. С целью  получения хорошего наполнения двигателя  на номинальном скоростном режиме принимается 

∆T_N = 8 С. Тогда:

 

AT=∆TN/(110-0,0125×nN),	(1,14)
T=AT(110-0,0125×n),	(1,15)
AT=8/(110-0,0125×3200)=0,114

 

Далее получим

 

n	1000	1280	1920	2560	3200	3520	об/мин
∆T	11,1	10,7	9,8	8,8	7,98	7,5	0C

 

Плотность заряда на впуске, кг/м³:

 

                                           ρ₀=P₀×10⁶/(R_B∙T₀),                                   (1,16) 

 

       где  - 287 Дж/кг град – удельная газовая постоянная для воздуха.

 

ρ₀=0,1∙10⁶/(287∙293)=1,189                      

 

Потери давления на впуске. В соответствии со скоростными режимами двигателя) и при условии качественной обработки внутренней поверхности впускной системы можно принять β² + ξ_вп = 2,8 и   ω_вп = 95 м/с. Тогда

_^,                                                        (1,17)

 

       где   А_п= ω_вп/n_N

При n = 1000 об/мин

 

 

 

При n = 1280 об/мин

 

 

 

При n = 1920 об/мин

 

 

 

При n = 2560 об/мин

 

 

 

При n=3200 об/мин

 

 

      При n=3520 об/мин

 

 

 

Давление  в конце впуска

 

                                                                                                     (1.18)   

 

n	1000	1280	1920	2560	3200	3520	об/мин
Pa	0,0986	0,0977	0,0947	0,0905	0,0851	0,082	МПа

 

Коэффициент остаточных газов.

 При определении γ_r для двигателя без наддува принимается коэффициент очистки φ_оч = 1, а коэффициент дозаряди на номинальном скоростном режиме φ_доз = 1,10, что вполне возможно получить при подборе угла опаздывания закрывания впускного клапана в пределах 30-60 . При этом на минимальном скоростном режиме (n = 1000 об/мин) возможен обратный выброс в пределах 5%, т. е. φ_доз = 0,95. На остальных режимах значения можно получить, приняв линейную зависимость φ_доз  от скоростного режима.

 

                             ,                                          (1.19)

 

          При n = 1000 об/мин

 

 

 

При n = 1280 об/мин

 

 

При n = 1920 об/мин

 

 

 

При n = 2560 об/мин

 

 

 

При n=3200 об/мин

 

 

 

При n=3520 об/мин

 

 

 

 

Температура в конце впуска:

 

                                              (1.20)

 

При n = 1000 об/мин

 

 

 

При n = 1280 об/мин

 

 

 

При n = 1920 об/мин

 

 

 

При n = 2560 об/мин

 

 

 

При n=3200 об/мин

 

 

 

      При n=3520 об/мин

 

 

 

Коэффициент наполнения: 

 

                                      (1.21)

При n = 1000 об/мин

 

 

 

При n = 1280 об/мин

 

 

При n = 1920 об/мин

 

 

 

При n = 2560 об/мин

 

 

 

При n=3200 об/мин

 

 

 

При n=3520 об/мин

 

1.3  Процесс сжатия.

Средний показатель адиабаты сжатия k₁ при ε = 8,1 и рассчитанных значениях  Т_а определяется по графику, а средний показатель политропы сжатия п₁ принимается несколько меньше k₁. При выборе п₁ учитывается, что с уменьшением частоты вращения теплоотдача от газов в стенки цилиндра

увеличивается, а п₁ уменьшается по сравнению с k₁ более значительно:

 

n	1000	1280	1920	2560	3200	3520	об/мин
k1	1,379	1,379	1,380	1,379	1,379	1,378
Ta						341	K
n1	1,378	1,378	1,379	1,378	1,378	1,377

 

Давление  в конце сжатия

 

                                                                                                   (1.22)

 

При n = 1000 об/мин

 

При n = 1280 об/мин

 

При n = 1920 об/мин

 

При n = 2560 об/мин

 

При n=3200 об/мин

 

При n=3520 об/мин

 

 

Температура в конце сжатия:

 

                                                (1.23)

n	1000	1280	1920	2560	3200	3520	об/мин
Tс	739	730	714	736	743	750	K

 

Средняя мольная  теплоемкость в конце сжатия:

а) Свежей смеси (воздуха)

 

                           (1,24)                                                         

 

где ;                                                                                

 

n	1000	1280	1920	2560	3200	3520	об/мин
tc	466	457	441	463	470	477	0C
	21,828	21,805	21,763	21,823	21,840	21,859	кДж/(кмольград)