Тепловой расчет двигателя прототипа ВАЗ 2101

Р´_i = 1,66/7,5(3,8/0,25*(1-1/8,5^0,25)-1/0,38*(1/8,5^0,38)) =1,069 МПа

     Действительное среднее  индикаторное давление рассчитывается  с учетом коэффициента полноты  индикаторной диаграммы и средних  насосных потерь на газообмен.

 

Р_i= Р’_i×φ_пд-∆P_i =1,069*0,95 – 0,018 = 0,99755      МПа ,                (2.51)

 где φ_пд – коэффициент полноты индикаторной диаграммы.

∆P_i  -   среднее давление насосных потерь на газообмен

∆P_i = Р_r – Р_а = 0,105 – 0,087 = 0,018       МПа           (2.52)

При проведении расчетов потери на газообмен  учитываются в работе затрачиваемой  на механические потери:

 

P_i = P_i’·  φ_пд = 1,069*0,95 = 1,01555          МПа               (2.53)

 

  

Значения коэффициента полноты  φ_пд ДсИЗ ДсИЗ с распределенным впрыскиванием бензина ε = (9…11), n = 4000…5600 мин^-1:  0,94…0,97.

 

2.6.2. Индикаторный КПД

η_i = Р_i · ℓ₀ · а / Н_и · ρ₀ · η_V = 0,99755*14,59*0,9/(43,3*1,169*0,78) = 0,33    (2.54)

 

2.6.3. Удельный индикаторный расход

 

g_i =  3600/Н_и · η_i  = 3600/(43,3*0,33) = 251   г/кВт·ч     (2.55)

 

 

 

 

 

 

2.7. Определение эффективных показателей  двигателя.

2.7.1. Среднее давление механических  потерь.

Среднее давление механических потерь в двигателе  определяется  по эмпирическим формулам с учетом числа цилиндров и отношением S/Д при полностью открытом дросселе:

Р_м = а + b · С_n = 0,049 + 0,0152*13,86 = 0,259672 МПа,              (2.56)

где С_n – средняя скорость поршня за один его ход в м/с;

а, b – постоянные коэффициенты, имеющие размер МПа и МПа · с/м соотв.

Величина с_n принимается по статистическим данным по прототипу или вычисляется, если ориентировочно известен ход поршня S и частота вращения n.

С_n = S·n/зо = 0,08*5200/30 = 13,86  м/с                 (2.57)

Для ДсИЗ карбюраторные и с центральным впрыскиванием бензина:

S/Д > 1, i < 6   а = 0,049 МПа, b = 0,0152 МПа · с/м.

2.7.2. Среднее эффективное давление.

Среднее эффективное давление Р_е определяется по среднему индикаторному давлению Р_i и среднему давлению потерь Р_м

P_e=P_i-P_м =1,01555 – 0,259672 = 0,755   МПа                (2.58)

2.7.3. Механический КПД двигателя.

η_м=  =0,755/1,01555 = 0,74349                 (2.59)

2.7.4. Эффективный КПД двигателя.

Эффективный КПД определяется по значениям  индикаторного и механического  КПД

η_е=η_i×η_m  = 0,33*0,74349 = 0,245         (2.60)

2.7.5. Удельный эффективный расход топлива.

g_е = g_i/η_м = 308,9/0,7378 = 337  г/кВт·ч              (2.61)

2.7.6. Часовой расход топлива

G_тд = g_е · N_е · 10^-3 = 337*52,5/1000 = 17,6925 кг/ч                  (2.62)

2.8. Определение основных параметров  двигателя.

2.8.1. Рабочий объем двигателя.

  По заданным значениям эффективной  мощности N_e при частоте вращения КВ n_N, тактности двигателя τ и расчётному эффективному давлению определяем объём всех цилиндров (литраж двигателя):

V_л=  = 30*4*52,5/0,755*5200 = 1,604 (л)               (2.63)

2.8.2.Рабочий объём цилиндра.

V_h=V_л/i = 1,604/4 = 0,401  (л)      ,      (2.64)

где i – число цилиндров.

 2.8.3. Диаметр цилиндра.

С учётом хода поршня S предварительно принятого прототипа определяем диаметр цилиндра:

D_ц= 100³ √4V_h / П·К =  100³ √4*0,401/(3,14*1,05263158) = 78,5  (мм),  (2.65)

где К – это отношение S/D

Значение диаметра округляем до целых единиц.

2.8.4. Площадь поршня.

F_n = ПD_ц² / 4 = 3,14*78,5²/4 = 4837,366 мм²          (2.66)

2.8.5.Расчетный рабочий объем цилиндра.

V_лд = П · D² · S · i / 4 · 10⁶= 3,14*78,5²*80*4/(4 · 10⁶) = 1,54 л        (2.67)

2.8.6. Эффективный крутящий момент.

М_N = 9550 · N_е / n = 9550*52,5/5200 = 96,4,  (Н м)        (2.68)

2.8.7. Литровая мощность

Литровая  мощность характеризует степень  формирования двигателя

N_л = N_е / iV_h = 58,9/4*0,466 = 31,598   кВт/л           (2.69)

2.8.8. Эффективная мощность

N_e=P_e*i*V_h*n/(30*τ_дв)=0,755*4*0,401*5200/(30*4) = 52,5 кВт    (2.70)

2.8.9. Показатели напряжённости двигателя.

Удельная  поршневая мощность

N_n=N_e/ (i · π D² / 4) = 52,5/(4*0,4837366) = 27  (кВт/дм²) ,      (2.71)

где D – диаметр поршня, дм.

 Удельная масса в килограммах на 1 кВт мощности двигателя

g_N=G_дв/N_e = 120/52,5 = 2,2857 (кг/кВт)               (2.72)

Удельная  литровая масса в килограммах  на литр рабочего объема цилиндра

g_л=G_дв/V_л = 120/1,604 = 74,8 (кг/л)                (2.73)

2.9. Построение индикаторной диаграммы. 

Индикаторную диаграмму строим при максимальной мощности N_e, n_N. Построение диаграммы производим на листе миллиметровой бумаги формата А4. Построение производим следующим образом: для получения нормальной конфигурации индикаторной диаграммы принимаем масштабы с таким расчетом, чтобы отношение высоты диаграммы к ее ширена было близко 1.5. Построение диаграммы проводим в координатах (P;V). По оси абсцисс откладываем объем камеры сжатия с учетом масштабного значения, которое обычно находиться в пределах 15...20мм. Тогда полный объём цилиндров на чертеже будет равен:

                                      V_a=εV_c; V_a=V_c+V_h              (2.74)

где V_c- объем камеры сгорания, V_h -полный объём цилиндра,

V_h=(ε-l)×V_c ;   V_c=    (2.75)

V_c=0,401/7,5=0,053

V_а=8,5*0,053=0,450

     Значение V_а откладываем с начала координат, через концы отрезков V_c и V_a проводим вертикальные линии характеризующие ВМТ и НМТ. Масштаб давлений при выше указном значении V_c выбираем в пределах соответствия с принятой величиной m_р=0.02...0.04 мПа/мм. По шкале давлений оси координат, по абсцисс и на линиях ВМТ и НМТ наносим основные точки индикаторной диаграммы г,a,c,z,b, положение которых соответствует величинам давления Р_а; Р_с, P_Z, P_b, Р_г, кроме этого наносим линию Р_о. Так как значения величин Р_а, Р_b, Р_г графически близки друг к другу то допускаем условное откладывание Р_a, Р_r, на 1…1.5 мм соответственно выше и ниже атмосферного давления. После этого проводим построение линий политропы сжатия и политропы расширения. Для построений линии политропы сжатия предварительно выбираем 6 промежуточных точек на оси абсцисс между объемами \/_а и \/_с со значениями:

V₁=1.2V_С; V₂=1.3V_C; V₃=1.5V_C; V₄=1.8V_C; V₅=2,0V_C; V₆=2.2V_C  (2.76)  V₁=1,2*0,053=0,0636

V₂=1,3*0,053=0,0689

V₃=1,5*0,053=0,0795

V₄=1,8*0,053=0,0954

V₅=2*0,053 =0,106

V₆=2,2*0,053=0,1166

 Через концы этих полученных точек проводим верх тонкие вертикальные линии на которых откладывается значение давлений P_X1; Р_Х2; Рхз; Рх₄; Px₅; Р_х6. Эти значения определяем из уравнений политропы сжатия, в которых отношение V_a/V_i изменяются в пределах степени сжатия ε:

P_xi=P_a×(V_a/V_i)ⁿ¹         (2.77)

P_x1=0,087*(0,450/0,0636)^1,38 =1,294

P_x2=0,087*(0,450/0,0689)^1,38=1,159

P_x3=0,087*(0,450/0,0795)^1,38=0,951

P_x4=0,087*(0,450/0,0954)^1,38=0,739

P_x5=0,087*(0,450/0,106)^1,38=0,639

P_x6=0,087*(0,450/0,1166)^1,38=0,56

     Для построения политропы расширения определяем давление при тех же промежуточных объемах V₁, V₂, V₃, V₄, V₅,V₆ с учетом  политропы расширения:

P_yi=P_b×(V_a/V_i)ⁿ²     (2.78)

P_y1=0,435*(0,45/0,0636)^1,25= 5,019

P_y2=0,435*(0,45/0,0689)^1,25= 4,541

P_y3=0,435*(0,45/0,0795)^1,25= 3,797

P_y4=0,435*(0,45/0,0954)^1,25= 3,023

P_y5=0,435*(0,45/0,106)^1,25= 2,65

P_y6=0,435*(0,45/0,1166)^1,25= 2,35

             Теоретическую нескругляемую индикаторную диаграмму строим по точкам r, a, c, z, b, r и округляем. Положение точки с' определяем углом опережения зажигания, а положение точки z' находим ориентировочно по формуле:

(С’) Р_c’=(1.15 ...1.25)×Р_c                                                                  (2.79)

(С’) Р_c=(1.15 ...1.25) *1,66= 1,909…2,075. Принимаем (С’) Р_c= 2 МПа.     

(Z’) P_z’=0.85×P_z = 0,85*6,32 = 5,372                                                (2.80)

Положение точки Z' быть смещаем вправо от линии ВМТ на 10-15° поворота колен вала. Положение точки b' должно соответствовать моменту открытия впускного клапана. Положение точки b"  располагаем на половине расстояния между точками а и b. Затем проводим линию атмосферного давления Р_o, линию впуска Р_a и линию впуска г_a и линию выпуска b'_r.

Индикаторная  диаграмма цикла строится аналогично диаграмме карбюраторного двигателя, за исключением следующих отличий:

1. масштабное значение объема V_с принимается равным V_с = 10мм;
2. масштаб давления выбирается в пределах m_р = 0,025…0,05 МПа/мм;
3. действительное максимальное давление цикла р_z′ = р_z;
4. линия политропы расширения строится не из точки z′, а из точки z.

Положение точки z на индикаторной диаграмме определяем степенью предварительного расширения ρ:

V_z = ρV_с  =1,002*0,053 = 0,0531    (2.81)

Далее находим объемы в промежуточных точках линии расширения:

V₁ = 1,2V_z; V₂ = 1,5V_z; V₃ = 2V_z и т.д      (2.82)

V₁=1,2*0,0531    =0,06372

V₂=1,5*0,0531    =0,07965

V₃=2*0,0531  =0,1062

Давления  этих объемов находим также из уравнения политропы расширения:

р_b1 = р_b (V_а/V₁)ⁿ²;  р_b2 = р_b (V_а/V₂)ⁿ² ; р_b3 = р_b (V_а/V₃)ⁿ² и т.д   (2.83)

р_b1=0,435*(0,45/0,06372)^1,25= 5

р_b2=0,435*(0,45/0,07965)^1,25=3,788

р_b3=0,435*(0,45/0,1062)^1,25=2,64

Таблица 2.9

Переведеные данные в мм.  Масштаб mp=0.025 МПа/мм   mv=0.005
		Расчетные значения	Переведенные
Va		0,45	90
V1		0,0636	12,72
V2		0,0689	13,78
V3		0,0795	15,9
V4		0,0954	19,8
V5		0,106	21,2
V6		0,1166	23,32
Px1		1,294	51,76
Px2		1,159	46,36
Px3		0,951	38,04
Px4		0,739	29,56
Px5		0,639	25,56
Px6		0,56	22,4
Py1		5,019	200,76
Py2		4,541	181,64
Py3		3,797	151,88
Py4		3,023	120,92
Py5		2,65	106
Py6		2,35	94
P0		0,1	4
Pa		0,087	3,48
Pc		1,66	66,4
Pz		6,32	252,8
Pzд		5,37	214,8
Pb		0,435	17,4
Pr	0,105		4,2

 

 

2.10. Тепловой баланс двигателя.

Тепловой  баланс оценивает распределение  тепла, вносимое в двигатель топливом, идущее на полезную работу и на потери. Точное определение отдельных статей теплового баланса может быть выполнено на основании лабораторных исследований. Однако ориентировочно они могут быть определены на основании  теоретических расчетов.

     Тепловой баланс подсчитывают  в абсолютных единицах теплоты  за один час работы двигателя  или за время расходования 1кг  или 1м³ топлива.

     В общем виде уравнение внешнего  теплового баланса в абсолютных  единицах представим так:

Q_o = Q_e + Q_охл+ Q_ог + Q_н.с. + Q_ост ,       (2.84)

где Q_о - теплота сгорания израсходованного топлива; Q_e - теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя; Q_охл - теплота, отводимая от двигателя охлаждающей средой (жидкостью или газом); Q_ог - теплота, отводимая отработавшими газами; Q_н.с. -теплота, не выделившаяся при сгорании топлива из-за неполноты сгорания; Q_м -теплота, отводимая смазочным маслом ; Q_осг - теплота, отводимая в результате лучистого и конвективного теплообмена.

     Величину каждой составляющей  теплового баланса определяют  в кДж/ч или в процентах по  отношению ко всему количеству  подведенной теплоты.

     Теплоту сгорания израсходованного  топлива (располагаемую теплоту) определяем по низшей теплоте сгорания топлива Н_u(кДж/кг) и часовому расходу жидкого топлива G_T(кг/ч):

Q₀ = G_TH_u =  43300*17,69=765977  кДж/ч             (2.85)

      Теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя:

Q_e=G_T×H_и×η_e =43300*17,68*0,245 =187664,365 (кДж/ч)                      (2.86)

     Теплота,  передаваемая охлаждающей  среде определяется:  

Q_охл=C×i×D^1+2m×n^m(H_u- ∆Н_u)/(α×Н_u) ,     (кДж/ч)      (2.87)

 Q_охл=0,5*4*7,6^2,2*5200^0,6*(43300-6045,48)/(0,9*43300)= 281106,23 кДж/ч,

где С - коэффициент пропорциональности (для четырехтактных двигателей С=0,45...0,53); i - число цилиндров; D - диаметр цилиндра, см; m - показатель степени (для четырехтактных двигателей m = (0,6...0,7);

n - частота вращения коленчатого вала, мин^-1; ∆Н_u - потеря части теплоты сгорания из-за химической неполноты сгорания топлива при α < 1.

∆Н_u = 119950(1 –α) × L_o  = 119950(1-0,9) = 6045,48  кДж /кг         (2.88)

    Теплоту, унесенную отработавшими газами, приближенно определяем как разность энтальпии газа в выпускном трубопроводе и энтальпии поступающего в двигатель воздуха: