1. Тепловой расчет двигателя

Упрощенный расчет рабочего процесса производится на стадии эскизного проектирования двигателя. Целью упрошенного теплового расчета является определение параметров рабочего процесса вновь проектируемого двигателя, при которых возможна реализация заданной мощности с минимальным расходом топлива.

Перед выполнением теплового расчета задаются следующие основные исходные данные:

N_e – эффективная мощность двигателя, кВт;

n – частота вращения коленчатого вала, мин ^-1;

D – диаметр цилиндра, м;

S – ход поршня, м;

i – количество цилиндров.

Для выполнения расчета использована методика теплового расчета двигателя, разработанная проф. Гриневецким В.И. и усовершенствованная проф. Мазингом Е.К. и их учениками.

Рассмотренная методика расчета отличается простотой основных расчетных формул и в то же время дает необходимое представление о качественном влиянии различных факторов на основные технико-экономические показатели рабочего процесса двигателя.

Недостатком упрощенного расчета является необходимость задаваться рядом параметров и коэффициентов, полученных в результате анализа экспериментальных исследований рабочих процессов однотипных двигателей.

Приводится необходимый материал, который поможет студенту сориентироваться в выборе численных значений необходимых параметров и коэффициентов.

Использование ЭЦВМ позволит ускорить выполнение расчета и анализа влияния отдельных факторов на технико-экономические показатели проектируемого двигателя.

1.1. Процесс наполнения

Процесс наполнения состоит в заполнении цилиндра двигателя свежим зарядом. Чем больше свежего заряда поступит в цилиндр, тем большую мощность можно получить.

В конце процесса выхлопа в цилиндрах остается некоторое количество продуктов сгорания.

Продукты сгорания, которые остаются в цилиндре к началу процесса наполнения, называются остаточными газами.

Температура остаточных газов Т_r находится в пределах 900…1100 К для карбюраторных двигателей и 700…900 К для двигателей с воспламенением от сжатия. Приближенно температуру остаточных газов можно определить по следующим эмпирическим зависимостям:

• для карбюраторных двигателей

Т_r = 900 + 0,025(п – 2500) + 400(α – 0,8) + 10(9,5 – ε); (1.1)

• для двигателей с воспламенением от сжатия

Т_r = 600 + 0,07(п – 1500) + 250(1,8 – α) + 0,25(18 – ε). (1.2)

Давление остаточных газов р_r выше давления в выхлопном ресивере (коллекторе) р_р на р_r=(0,06…0,22) бар.

В реальных двигателях масса свежего заряда меньше массы заряда, которая могла бы заполнить рабочий объем цилиндра при параметрах состояния перед впускными органами по следующим причинам:

• аэродинамическое сопротивление впускных патрубков и клапанов вызывает понижение давления газа в цилиндре по сравнению с давлением на входе;

• в начале процесса наполнения происходит расширение остаточных газов, давление р_r и температура Т_r которых выше соответствующих параметров состояния свежего заряда на входе в цилиндр, что приводит к заполнению части рабочего объема цилиндра V_s остаточными газами;

• остаточные газы подогревают свежий заряд;

• свежий заряд подогревается от контакта с более нагретыми стенками окружающих деталей (головка цилиндра, днище поршня, втулка цилиндра);

• кинетическая энергия потока свежего заряда преобразуется в тепловую при его торможении внутри цилиндра, что приводит к повышению температуры свежего заряда.

Для увеличения массы свежего заряда, поступающего в цилиндр, в некоторых двигателях предусматривают наддув, дозарядку цилиндра и продувку камеры сгорания.

Оценить эффективность процессов очистки и наполнения цилиндра можно при помощи коэффициента остаточных газов _r и коэффициента наполнения _v. Отношение количества молей свежего заряда, поступившего в цилиндр, к количеству молей свежего заряда, которое могло бы заполнить рабочий объем цилиндра при параметрах р_s и T_s перед впускными органами, называется коэффициентом наполнения.

, (1.3)

где р_а, Т_а – соответственно давление и температура в цилиндре в конце про- цесса наполнения;

–	геометрическая степень сжатия (отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сжатия Vc).

Величина степени сжатия выбирается в зависимости от типа и конструкции двигателя. Рекомендуемые пределы степени сжатия для различных двигателей приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Тип двигателя	
Карбюраторные двигатели * Дизельные двигатели без наддува: с неразделенными камерами сжатия с разделенными камерами сжатия Дизельные двигатели с наддувом **	5,5 … 10,5 14 … 17 15 … 25 12 … 17

^* Степень сжатия в карбюраторных двигателях выбирается в зависимости от величины октанового числа применяемых бензинов (см. табл. 1.2).

^** Наблюдается тенденция в современных двигателях с наддувом к снижению степени сжатия до пределов, обеспечивающих надежное воспламенение смеси. Термический КПД при этом понижается незначительно, а механический КПД возрастает. Но значительная продолжительность работы двигателей транспортных машин на частичных нагрузках ограничивает снижение , поэтому степень сжатия ниже  =12 не применяется.

Таблица 1.2

Октановое число	66…72	72…76	76…85	85…100
	5,5…7,0	7,0…7,5	7,5…8,5	8,5…10,5

У двухтактных двигателей _v обычно относят к полезной части хода поршня V_s (1 - _s) и рассчитывают по действительной степени сжатия. Здесь _s = 0,1…0,2 – доля хода поршня, потерянная на окна. Коэффициент наполнения, отнесенный к полному ходу поршня, равен _v′ = _v (1 - _s).

Отношение количества молей остаточных газов к количеству молей свежего заряда в цилиндре называется коэффициентом остаточных газов.

. (1.4)

Температура в цилиндре в конце процесса наполнения рассчитывается по формуле:

, (1.5)

где T = T_кин + T_ст – повышение температуры за счет преобразования кинетической энергии потока свежего заряда в тепловую и за счет подогрева заряда от контакта с нагретыми стенками окружающих деталей.

Величину подогрева заряда за счет преобразования кинетической энергии можно определить, приняв процесс адиабатным:

. (1.6)

Здесь к = 1,4 – показатель адиабаты;

р_ср – среднее давление в цилиндре в процессе наполнения.

Численное значение р_ср можно найти из приближенной зависимости:

.

Для двигателей с воспламенением от сжатия Т_кин = 5…10 К, а для карбюраторных Т_кин = 10… 25 К. Подогрев заряда от стенок окружающих деталей t_cт = 3…15 К.

Для определения давления в конце процесса наполнения без учета дозарядки цилиндра рекомендуют следующие приближенные эмпирические зависимости:

• для карбюраторных двигателей без наддува

(1.7)

• для карбюраторных двигателей с наддувом

(1.8)

• для четырехтактных дизелей без наддува

(1.9)

• для четырехтактных дизелей с наддувом

(1.10)

• для двухтактных дизелей с прямоточной продувкой

(1.11)

• для двухтактных дизелей с контурной продувкой

, (1.12)

Меньшие значения относятся к высокооборотным двигателям, а большие - к малооборотным.

Для справок в таблице 1.3 приведены ориентировочные значения основных параметров процесса наполнения, полученные при испытаниях двигателей на номинальном режиме.

Таблица 1.3

Тип двигателя	г	v	Т*
Карбюраторные двигатели:		0,75…0,90
без наддува	0,05…0,10		15…40
с наддувом	0,04…0,08		10…25
Дизельные четырехтактные двигатели без наддува:	0,03…0,06	0,80…0,90
с неразделенными камерами сгорания			10…20
с разделенными камерами сгорания			15…25
Дизельные четырехтактные двигатели с наддувом	0,01…0,03	0,85…1,15	5…15
Двухтактные дизельные двигатели:		0,85…1,15	5…15
с прямоточной продувкой	0,04…0,10**
с контурной продувкой	0,07…0,20

^* Для двигателей с воздушным охлаждением Т = 30…60 К.

^** Меньшие значения для щелевой, а большие – для клапанно-щелевой продувки.