Процесс впуска и газообмена
Описание процессов, происходящих в одном цикле ДВС
1.1. Процесс впуска
2.2. Процесс сжатия
3.3. Процесс сгорания и расширения
4.4. Процесс выпуска
2. Расчет параметров одного цикла
2.1. Процесс впуска и газообмена
2.2. Процесс сжатия
2.3. Процесс сгорания
2.4. Процесс расширения
2.5. Построение индикаторной диаграммы
3. Расчет индикаторных и эффективных показателей ДВС
3.1. Индикаторные показатели
3.2. Эффективные показатели
4. Расчет размеров цилиндра и средней скорости поршня
5. Тепловой баланс ДВС
6. Расчет и построение внешней скоростной характеристики двигателя
7. Кинематический и динамический расчет КШМ
7.1. Кинематика КШМ
7.2. Динамика КШМ
7.3. Суммарные силы и моменты, действующие в КШМ
8. Построение диаграммы фаз газораспределения
9. Определение основных размеров и проектирование поршневой, шатунной группы и газораспределительного механизма
9.1. Поршневая группа
9.2. Шатунная группа
9.3. Механизм газораспределения
9.3.1. Построение профиля кулачка
10. Оформление курсового проекта
Список литературы
Приложение 1
Приложение 2
Введение
Описание процессов, происходящих в одном цикле ДВС
В первом разделе пояснительной записки необходимо привести подробное описание процессов, происходящих на различных стадиях рабочего цикла четырехтактного двигателя внутреннего сгорания (процесс впуска, сжатия, сгорания и расширения, выпуска).
Расчет параметров одного цикла
Действительный цикл четырехтактного двигателя совершается за два оборота коленчатого вала и состоит из следующих процессов:
· впуска и газообмена – впуск свежего заряда и выпуск отработавших газов
· сжатия топливовоздушной смеси (воздуха);
· сгорания;
· расширения.
При этом последовательность протекания процессов зависит от места приготовления топливовоздушной смеси – вне цилиндра (двигатели с внешним смесеобразованием), или непосредственно в цилиндре (двигатель с внутренним смесеобразованием).
К двигателям с внешним смесеобразованием и воспламенением от искры относятся все карбюраторные и газовые двигатели, а также двигатели с впрыском топлива во впускной трубопровод.
К двигателям с внутренним смесеобразованием относятся все дизели с самовоспламенением топливовоздушной смеси от сжатия (в том числе газодизели), а также двигатели с впрыском легкого топлива непосредственно в цилиндр.
Расчет действительного цикла двигателя заключается в определении параметров, определяющих состояние рабочего тела в характерных точках процесса.
Процесс впуска и газообмена
Процесс впуска и газообмена практически состоит из трех различных периодов:
· в первый период, от момента открытия впускного клапана (точка r′) до момента закрытия выпускного клапана (точка a′) (рис. 1) происходит одновременное наполнение цилиндра свежим зарядом, выпуск отработавших газов и их смешение. В этот период происходит наиболее интенсивный процесс газообмена;
· второй период – от точки a′ до точки a при движении поршня к н.м.т. происходит дальнейший впуск свежего заряда, продолжение смешения его с отработавшими газами, выравнивание их совместного давления и температуры;
· в третий период при движении поршня от н.м.т. (точка a) до точки a″ происходит одновременно завершение процесса наполнения цилиндра (дозарядка или начало сжатия смеси.
Рис. 1. Изменение давления в процессе впуска в четырехтактном двигателе
Параметры процесса впуска и газообмена можно разделить на две группы:
1) параметры, определяющие состояние рабочего тела в характерных точках процесса;
2)параметры, характеризующие совершенство процесса наполнения и очистки цилиндров в целом.
К первой группе относятся:
· ρ0 – плотность заряда на впуске соответственно при отсутствии наддува и с наддувом;
· р0, Т0 – давление и температура окружающей среды;
· pr, Tr – давление и температура остаточных газов;
· ΔT – подогрев заряда от нагретых деталей;
· pa – давление в конце впуска;
· Δpa – потери давления за счет сопротивления впускной системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре;
· Ta – температура в конце впуска.
Ко второй группе относятся:
· γr – коэффициент остаточных газов;
· ηV – коэффициент наполнения.
При проведении расчетов протекание процесса впуска принимается от точки r до точки a (см. рис. 1), причем предполагается мгновенное изменение давления в в.м.т. по линии rr″ , а в дальнейшем давление принимается постоянным (прямая r″a).После расчетов и получения координат точек r, r″ и a производится ориентировочное скругление по кривой ra′.
Плотность заряда ρ0, (кг/м3) на впуске без наддува
ρ0 = p0106/(RBT0) (2.1)
где RB – удельная газовая постоянная воздуха:
RB = RУ/μB = 8315/28,96 = 287 Дж/(кг·град),
RУ = 8315 Дж/(кмоль·град) – универсальная газовая постоянная,
T0 – температура окружающей среды (К).
При работе двигателя без наддува в цилиндр поступает воздух из атмосферы. При этом при расчете рабочего цикла двигателя давление окружающей среды принимается равным р0 = 0,1 МПа, а температура окружающей среды Т0 = 293 К.
В цилиндре двигателя перед началом процесса наполнения всегда содержится некоторое количество остаточных газов, находящихся в объеме камеры сгорания.
Давления остаточных газов pr (МПа) на номинальном режиме работы двигателя равно (для двигателей без наддува),
pr = (1,05 – 1,25)p0. (2.2)
Большее значение принимаются для двигателей с высокой частотой вращения коленчатого вала. Меньшие значения характерны для двигателей с непосредственным впрыском и электронной системой управления системой питания.
Температура остаточных газов Tr (К) зависит от степени сжатия, частоты вращения и коэффициента избытка воздуха. Для двигателей с воспламенением от искры она равна 900÷1100 К, для дизелей – 600÷900 К.
При выборе величины необходимо иметь в виду, что при увеличении степени сжатия и обогащении рабочей смеси температура остаточных газов снижается, а при увеличении частоты вращения – возрастает.
В процессе наполнения цилиндра температура свежего заряда увеличивается благодаря подогреву от нагретых деталей двигателя.
Температура подогрева свежего заряда ΔT в зависимости от типа двигателя принимается:
для двигателей с воспламенением от искры – 0÷20 К
для дизелей без наддува – 10÷40 К
Давление в конце впускаpa (МПа) в двигателях без наддува
pa = p0 – Δpa, (2.3)
Давление в конце впуска определяет количество заряда, поступающего в цилиндр.
Потери давления Δpa (МПа) за счет сопротивления впускной системы и затухания скорости движения для двигателей без наддува
Δpa = (β2 + ξвп)( 
/2)ρ0·10-6, (2.4)
где β – коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра;
ξвп – коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому сечению;
Vвп – средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы (как правило, в клапане).
В расчетах параметры (β2 + ξвп) и Vвп назначаются на основании опытных данных. На номинальном режиме (β2 + ξвп) = 2,5÷4,0 и Vвп = 50÷130 м/с. Для двигателей с электронным впрыском значения (β2 + ξвп) принимаются пониженными в связи с отсутствием карбюратора.
У четырехтактных двигателей без наддува величина Δpa колеблется в пределах:
для двигателей с воспламенением от искры (0,05÷0,20)p0
для дизелей без наддува (0,03÷0,18)p0
Температура в конце впуска Ta (K) определяется на основании уравнения баланса теплоты, составленного по линии впуска от точки r до точки a
Ta = (T0+ΔT+γrTr)/(1+γr) (2.5)
У современных двигателей температура в конце впуска изменяется в пределах:
для бензиновых двигателей………………………… 320÷370 К
для дизелей………………………………………….. 310÷350 К
для четырехтактных двигателей с наддувом……… 320÷400 К
Коэффициент остаточных газов γr характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания. С увеличением γr уменьшается количество свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя в процессе впуска.
Коэффициент остаточных газов для четырехтактных двигателей:
без продувки и дозарядки (φоч = φдоз = 1)
, (2.6)
где ε – степень сжатия.
Величина γr изменяется в пределах:
Для бензиновых двигателей без наддува……… 0,04÷0,10
Для дизелей без наддува………………………… 0,02÷0,05
При наддуве величина коэффициента остаточных газов снижается.
Коэффициент наполнения ηV представляет собой отношение действительного количество свежего заряда, поступающего в цилиндр, к тому количеству, которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при условии, что температура и давление в нем равны температуре и давлению среды из которой поступает свежий заряд:
ηV = Gд/G0 = Vд/V0 = Mд/M0, (2.7)
где Gд, Vд, Mд, – действительное количество свежего заряда, поступившего в цилиндр двигателя в процессе впуска, соответственно в кг, м3, моль;
G0, V0, M0 – количество заряда, которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при р0 и Т0 (или при pk и Tk), соответственно в кг, м3, моль.
Для четырехтактных двигателей без учета продувки и дозаправки цилиндра (φоч = φдоз = 1)
. (2.8)
Значение коэффициента наполнения ηV для различных типов автомобильных и тракторных двигателей при работе их с полной нагрузкой изменяются в пределах:
для двигателей с электронным впрыском………….. 0,80÷0,96
для карбюраторных двигателей…………………….. 0,70÷0,90
для дизелей без наддува……………………………... 0,80÷0,94
для дизелей с наддувом……………………………… 0,80÷0,97
Процесс сжатия
К параметрам процесса сжатия определяющим состояние рабочего тела в характерных точках относятся:
· pc – давление в конце процесса сжатия;
· Tc – температура в конце процесса сжатия.
Давление (МПа) и температура (К) в конце процесса сжатия определяются из уравнений политропы с постоянным показателем n1:
, (1.9)
. (1.10)
Учитывая, что процесс сжатия протекает достаточно быстро (0,015÷0,005 с на номинальном режиме), суммарный теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра за процесс сжатия получается незначительным и величину n1 можно оценить по среднему показателю адиабаты k1. Значение показателя адиабаты k1 выбирается по номограмме (рис. 2) для соответствующих значений ε и Ta.
Значение показателей политропы сжатия n1 в зависимости от k1 устанавливается в следующих пределах:
для бензиновых двигателей…………..(k1 – 0,00)÷(k1 – 0,04)
для дизелей…………………………….(k1 + 0,00)÷(k1 – 0,02)
В современных автомобильных и тракторных двигателях давление и температура в конце сжатия изменяются в пределах:
для двигателей с электронным впрыском…… pc = 1,0÷2,5 МПа,
Tc = 600÷800 К
для карбюраторных двигателей……………… pc = 0,9÷2,0 МПа
Tc = 600÷800 К
для быстроходным дизелей без наддува… pc = 3,5÷5,5 МПа
Tc = 700÷900 К
 |
Рис. 2. Номограмма для определения показателя адиабаты сжатия k1
Процесс сгорания
С целью упрощения термодинамических расчетов автомобильных и тракторных двигателей принимают, что процесс сгорания в двигателях с воспламенением от искры происходит при V = const, т.е. по изохоре, а двигателях с воспламенением от сжатия – при V = const и р = const, т.е. по циклу со смешенным подводом теплоты (рис. 3).
 |
Состояние рабочего тела в процессе сгорания характеризуют:
рz – давление в конце видимого сгорания;
Tz – температура в конце видимого сгорания;
Vz – объем, освобождаемый поршнем в процессе предварительного расширения, м3 (для дизеля).
Давление в конце видимого сгорания рz зависит от характера осуществления цикла.
Для двигателей, работающих с подводом теплоты при V = const, давление рz (МПа)
рz = pcµTz/Tc, (2.11)
где µ – действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси (см. прил.).
Степень повышения давления
λ = рz/pc. (2.12)
Для бензиновых двигателей λ = 3,2÷4,2.
Для двигателей, работающих по циклу со смешанным подводом теплоты (дизели)
рz = λ pc, (2.13)
а степень предварительного расширения
. (2.14)
Для дизелей ρ = 1,2÷1,7.
Объем, освобождаемый поршнем в процессе предварительного расширения Vz
Vz – Vc = Vc(ρ – 1) (2.15)
Температура газа Tz (К) в конце видимого сгорания определяется на основании первого закона термодинамики.
Для двигателей, работающих по циклу с подводом теплоты при V = const, уравнение сгорания имеет вид:
, (2.16)
где ξz – коэффициент использования теплоты на участке видимого сгорания cz
Нраб.см – теплота сгорания рабочей смеси (МДж/кмоль раб см);
– средняя мольная теплоемкость рабочей смеси в конце процесса сжатия, кДж/(кмоль·град);
– средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(кмоль·град);
Теплота сгорания рабочей смеси определяется:
при α ≥1
Нраб.см = Ни/[М1(1 + γr)], (2.17)
при α <1
Нраб.см = (Ни – ΔНи)/[М1(1 + γr)], (2.18)
где Ни – низшая теплота сгорания топлива (МДж/кг). Для бензина Ни = 44 МДж/кг, для дизельного топлива Ни = 42,5 МДж/кг; М1 – количество горючей смеси (кмоль гор. см/кг топл.) (см. прил.)
ΔНи – потеря теплоты (МДж/кг) из-за неполного сгорания топлива
ΔНи = 119,95(1 – α)L0. (2.19)
Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси (свежая смесь + остаточные газы) определяется по уравнению
, (2.20)
где 
– средняя мольная теплоемкость свежей смеси в конце сжатия [кДж/(кмоль·град)] принимается равной теплоемкости воздуха и определяется по формуле из табл. П.2;
– средняя мольная теплоемкость остаточных газов в конце сжатия [кДж/(кмоль·град)] определяется по табл. П.3 для бензина или по табл. П.4 для дизельного топлива.
Для двигателей, работающих по циклу со смешенным подводом теплоты при V = const и р = const уравнение сгорания имеет вид
, (2.21)
где λ = pz/pc – степень повышения давления; 2270 = 8,315·273.
Для дизелей с неразделенными камерами сгорания и объемным смесеобразованием λ =1,6÷2,5;
Для вихрекамерных и предкамеерных дизелей, а также для дизелей с неразделенными камерами сгорания и пленочным смесеобразованием λ =1,2÷1,8.
В уравнения сгорания (2.16) и (2.21) входят две неизвестные величины: температура в конце видимого сгорания tz и теплоемкость продуктов сгорания при постоянном объеме 
или постоянном давлении 
при той же температуре tz. Используя для определения и формулы табл. П.2, уравнения сгорания после подстановки в них числовых значений всех известных параметров и последующих преобразований можно привести к уравнениям второго порядка
Atz2 + Btz – C = 0, (2.22)
где А, В и С – числовые значения известных величин.
Откуда
, °С и Tz = tz + 273, K
Значения температуры и давления в конце сгорания для автомобильных и тракторных двигателей при работе с полной нагрузкой изменяются в следующих пределах:
для бензиновых двигателей………………. Tz = 2400÷3100 К
pz = 3,5÷7,5 МПа
pzд = 3,0÷6,5 МПа
для дизелей…………………………………. Tz = 1800÷2300 К
pz = pzд = 5,0÷12,0 МПа
Процесс расширения
Параметрами, характеризующими состояние рабочего тела в процессе расширения, являются (рис. 4):
pb – давление в конце процесса расширения, МПа;
Tb – температура в конце процесса расширения, К.
Рис. 4. Изменение давления в процессе расширения:
а – бензиновый двигатель; б – дизель
Значения давления и температуры в конце процесса расширения определяются по формулам политропического процесса.
Для двигателей, работающих с подводом теплоты при постоянном объеме
, (2.23)
; (2.24)
для двигателей, работающих по циклу со смешенным подводом теплоты при V = const и р = const
, (2.25)
, (2.26)
где δ= ε/ρ – степень последующего расширения.
Показатель политропы расширения n2 незначительно отличается от показателя адиабаты k2 для соответствующих значений ε (или δ), α и Tz.
Показатель адиабаты k2 определяется по номограммам (рис. 1.5 и 1.6). Определение k2 по номограммам производится следующим образом: по имеющимся значениям ε (или δ для дизеля) и Tz определяют точку, которой соответствует значение k2 при α = 1. Для нахождения значения k2 при заданном α необходимо полученную точку перенести по горизонтали на вертикаль, соответствующую α = 1, и далее параллельно вспомогательным кривым до вертикали, соответствующей заданному значению α.
Рис. 5. Номограмма определения показателя адиабаты расширения k2 для бензинового двигателя
Средние значения величины n2 при номинальной нагрузке для автомобильных и тракторных двигателей изменяются в пределах:
для бензиновых двигателей………………… 1,23÷1,30
для дизелей…………………………………… 1,18÷1,28
Значения давления pb и температуры Tb для автомобильных и тракторных двигателей на номинальном режиме лежат в пределах:
для бензиновых двигателей……………… pb = 0,35÷0,60 МПа
Tb = 1200÷1700 К
для дизелей……………………………….. pb = 0,25÷0,50 МПа
Tb = 1000÷1200 К
За период выпуска из цилиндра двигателя удаляются отработавшие газы.
Рис. 6. Номограмма определения показателя адиабаты расширения k2 для дизеля
Изменение давления в процессе выпуска в цилиндре четырехтактного двигателя без наддува и с наддувом показано на рис. 7. Кривые b′b″r′da′ схематически показывают действительное изменение давления в цилиндре двигателя в процессе выпуска. Точки b′ и a′ на этих кривых соответствуют моментам открытия и закрытия выпускных клапанов. Прямые bl и lr являются расчетными прямыми процесса выпуска.
Рис. 7. Изменение давления в процессе выпуска
Точность выбора величины давления и температуры остаточных газов проверяется по формуле
. (2.27)
Параметры pr и Tr задаются при расчете процесса впуска (см. раздел «Процесс впуска и газообмена»).