Автомобильные двигатели

Автомобильные двигатели

Теория

Учебное пособие для студентов специальности 150200

Москва – 2007

Введение

       Впервые описание рабочего процесса (цикла), происходящего в цилиндре поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС), было дано Г. Гюльднером и затем в 1906 году развито . Метод расчета рабочих процессов ДВС в дальнейшем был развит (первый русский учебник по теории автотракторных двигателей), (усовершенствовал тепловой расчет, диаграмма Мазинга), (исследовал индикаторный процесс), , (исследовали вопросы термодинамики, газодинамики и газообмена в ДВС) и другими учеными.

       Метод Гриневецкого – Мазинга – это эпоха развития учения о рабочих процессах в ДВС. В поршневых двигателях имеют место течения газов, теплообмен с окружающей средой, сгорание топливовоздушной смеси. Эти процессы обуславливают  изменение параметров состояния газа в цилиндре двигателя. Поэтому для описания рабочего процесса используют законы и уравнения термодинамики, газовой динамики, теории теплообмена и теории горения.

Предлагаемый для студентов курс лекций, изложенный в реферативной форме, изначально предполагает предварительное ознакомление ранее прочитанного курса лекций «Теплотехника», основные положения которого были использованы в данном курсе без подробных комментариев.

При расчете рабочего цикла двигателя целесообразно провести предварительную оценку основных показателей двигателей, производимых мировым двигателестроением. Оценка производится на основании справочных статистических данных с учетом конструктивных особенностей  двигателя: число и расположение цилиндров, тактность, наличие системы наддува и др. Для существующих двигателей отдельные их показатели приводятся в  паспортных данных заводов-изготовителей.

Некоторые основные показатели выпускаемых промышленностью двигателей, которые при расчете могут быть приняты в качестве сравнения, представлены в табл. 1.

  Таблица 1.

  Показатели серийных двигателей

№ задания	Модель	i	Nн, кВт	nн, мин -1	Мmax Н. м	ε	Топливо	S/D, мм/мм
1	2	3	4	5	6	7	8	9

  Автомобильные бензиновые двигатели

ВАЗ-2108	4	47	5600	80	9,9	АИ-93	71/76
ВАЗ-2109	4	53	5600	90	9,9	АИ-93	71/82
ВАЗ-2111	4	58	5600	115	9,9	АИ-93	71/82
ВАЗ-2112	4	68	5600	130	10,5	АИ-93	71/82
М2141	4	62	5800	102	8,5	АИ-93	70/82
ЗМЗ-406.10	4	110	5200	206	9,5	АИ-93	86/92
ЗМЗ-405.10	4	114	5200	208	9,3	АИ-93	86/95,5
ЗМЗ-409.10	4	118	5200	220	9,0	АИ-93	94/95,5
ЗМЗ-53	V8	84,6	3200	252	6,7	АИ-80	0,868
ЗИЛ-375	V8	132	3200	395	7,4	АИ-93	0,88
Е-200 (Mercedes)	4	100	5500	190	9,6	АИ-95	78,7/89,8
Е-230 (Mercedes)	4	110	5400	220	10,4	АИ-95	88,4/90,9
Е-280 (Mercedes)	6	142	5500	270	10	АИ-95	73,5/89,9
Е-320 (Mercedes)	6	162	5500	280	10	АИ-95	89,9/84
Е-420 Mercedes-Benz	V8	205	5700	400	11	АИ-98	78,9/92
BMW 525i  (Е-34)	6	141	6000	225	10,5	АИ-95	75/84
BMW525iX	6	141	6000	250	10,5	АИ-95	75/87
AudiA4 1,6	4	74	5300	166	0,3	АИ-95	77,4/81
Ford Escort	4	66	5500	109	9,5	АИ-95	88/76
VW Passat 2	4	85	5400	166	10	АИ-95	92,8/82,5
Opel Omega 3,0i	V6	155	6200	270	10,8	АИ-95	85/86
Citroen ZX 1,8i	4	74	6000	153	10,2	АИ-95	81,4/83
Peugeot 306	4	89	5750	176	9,5	АИ-95	86/86
Renault Clio	4	110	6500	162	10	АИ-95	83,5/82,0
Alfa Romeo 155 1,7	4	85	5800	149	10	АИ-95	80,0/83,4
Fiat Punto 60	4	43	5500	96	9,6	АИ-95	78,9/70,8
Lancia 2,0	4	102	6000	180	10,3	АИ-95	90,0/84,0
Isuzu Trooper 3,2	V6	130	5200	260	9,3	АИ-95	77/93,4
Mazda 121 1,3	4	54	6000	106	9,4	АИ-95	83,6/71,0
Mitsubishi Colt 1,6	4	66	5500	137	10,0	АИ-95	77,5/81,0
Nissan Primera 1,6	4	75	6000	136	9,8	АИ-95	88/76
Toyota Corolla 1,6	4	84	6000	145	9,5	АИ-95	77,0/81,0
Skoda Felicia 1,6	4	47	4400	135	9,8	АИ-95	86,9/76/5
Автомобильные дизели
№ задания	Модель	i	Nн, кВт	nн, мин -1	Мн, Н. м	ε	Топливо	S/D, мм/мм
1	2	3	4	5	6	7	8	9
ВАЗ-341	4	39	4800	77,6	21	ДТ	71/76
ВАЗ-345	4	45	4800	90	21	ДТ	71/79
ГАЗ-560 (М14 Steyr)	4	70	3800	200	20,5	ДТ	94/85
ЗМЗ-514.10	4	96	4500	284	19,5	ДТ	94/87
ЗИЛ-645	V8	136	2800	520	18,5	ДТ	115/110
ЯМЗ-238Б	V8	221	2000	1224	15,2	ДТ	140/130
ЯМЗ-8421.10	V8	312	2100	1687	15,2	ДТ	140/140
КамАЗ-740-13-260	V8	191	2200	931	16,5	ДТ	120/120
ЯМЗ-240Б	V12	220	1900	15,2	ДТ	140/130
Е-220 D (Mercedes)	4	70	5000	150	22	ДТ	86,6/89
Е-250 D (Mercedes)	5	83	5000	170	22	ДТ	84/87
Е-300 D (Mercedes)	6	100	5000	210	22	ДТ	84/87
Е-290 ТD (Mercedes)	5	95	4000	300	19,5	ДТ	92/89
BMW 324D	6	63	4600	152	22	ДТ	81/80
Audi-4D	6	81	4150	235	22	ДТ	95,6/79,5

Условные обозначения: V6, V8 -- V-образные 6- и 8-цилиндровые двигатели;  Nн  , Мк и  nн – мощность, крутящий момент и частота вращения двигателя на номинальном режиме ; е, i, D, S – степень сжатия, число цилиндров, диаметр цилиндра, ход поршня  соответственно.

Глава 1.

Термохимический анализ параметров рабочего тела

Понятие «рабочее тело»

       Рабочим  телом называется вещество, при помощи которого осуществляется действительный рабочий цикл двигателя. Свойства рабочего тела меняются в процессе совершения цикла в зависимости от его состава и температуры. Вещество, поступившее в цилиндр к началу процесса сжатия, называется свежий заряд. При сжатии рабочим телом является рабочая смесь, представляющая смесь свежего заряда и остаточных газов, то есть продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре после предыдущего цикла. Во время сгорания происходят химические реакции, при которых из свежего заряда образуются продукты сгорания. В тактах расширения и выпуска рабочим телом являются продукты сгорания.

Количество воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива.

       Жидкое углеводородное топливо по своему химическому составу представляет собой соединение трех основных элементов: углерода С, водорода Н и кислорода О. Поэтому для одного килограмма топлива справедливо равенство:

С + Н + О = 1, кг.

Атмосферный воздух содержит 21% (по объему) или 23% (по массе) кислорода, участвующего в процессе сгорания (окисления) топлива, и 79% инертных для реакции сгорания газов (в основном - азот).

       Поэтому количество воздуха в кмоль или в кг, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг топлива определится как:

  Здесь: С, Н и О – массовые доли углерода, водорода и кислорода в 1 кг топлива; 12 – молекулярная масса углерода; 4 - молекулярная масса водорода; 32 - молекулярная масса кислорода.

Коэффициент избытка воздуха

       В действительности на каждый кг топлива в цилиндр двигателя для организации процесса сгорания поступает воздух в количестве, которое отличается от теоретически необходимого количества (стехиометрического). Качественно состав смеси характеризуется коэффициент избытка воздуха б, то есть отношением действительного количества воздуха l (или L), участвующего в сгорании 1 кг топлива, к теоретически необходимому количеству воздуха l0 (или L0):

  .

При испытаниях ДВС коэффициент избытка воздуха определяется по формуле:

 

где GB, GT – замеренные часовые расходы воздуха и топлива, кг/ч.

При расчете цикла среднее зна­чение коэффициента избытка возду­ха выбирают, как правило, для ре­жима номинальной мощности, уста­навливаемой заводом-изготовите­лем на основе статистических дан­ных, полученных при испытаниях двигателей.

В бензиновых двигателях при составе свежего заряда, соответст­вующем б = 1,05... 1,15 (экономичный состав), имеет место наиболее полное сгорание топлива и соответственно наибольшая экономичность двигателя.

Максимальная литровая мощность развивается при б =0,80...0,85 (мощностной состав), так как скорость сгорания такой топливовоздушной смеси наи­большая. Однако работа двигателя при таких значениях б сопровождается значительной неполнотой сгорания и повышенным расходом топлива. В отработавших газах существенно повышается содержание токсичных продуктов неполного сгорания: углеводо­родов СН, оксида углерода СО.

С целью повышения экономичности бензинового двигателя на режиме  номинальной мощ­ности принимают б = 0,95...0,98. Основной же целью применения обеднен­ных смесей б >1,15 является снижение содержания в отработавших газах вредных веществ.

В дизелях нижнее значение коэффи­циента избытка воздуха б ограничивается пределом дымления. Оно зависит от типа смесеобразования, степени совершенства рабочего процесса и дру­гих факторов. В дизелях с неразделенными камерами сгорания значения б на номинальном режиме обычно принимают не ниже 1,5; в дизелях с разделенными камерами сгорания - не ниже 1,3. Для дизелей с наддувом значения коэффициента α могут достигать  1,6…2,0. 

Параметры заряда на впуске в двигатель

       Исходное состояние заряда на впуске для двигателей без наддува  характеризуется давлением и температурой окружающей среды, равные соответственно:

  Р0 = 0,1 МПа, Т0 = 298 К ( 250С ).

  Для двигателей с наддувом  состояние заряда соответствует  параметрами на выходе из компрессора, то есть Рк  и  Тк.

       В зависимости от степени наддува давление заряда на входе в двигатель принимается при низком наддуве Рк  ≤  1,5Ро, при среднем наддуве Рк  = (1,5…2,2)Ро, при высоком наддуве Рк  ≥ 2,2Ро.

       В настоящее время на двигателях автомобилей используется в основном низкий и средний наддув.

       Температура  Тк  воздуха (заряда) после компрессора может быть оценена как:

         

где ДТк – снижение температуры наддувочного воздуха при наличии  специального охладителя;

  n – показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре.

В зависимости от типа компрессора значение  n принимают:

  для объемного компрессора 1,55…1,8;

  для центробежного компрессора с охлаждаемым корпусом 1,45…1,8;

  с неохлаждаемым корпусом  1,8…2,0.

Характеристики  топлива

Элементарный состав применяемых в настоящее время углеводородных топлив в  массовых долях характеризуется следующими соотношениями:

  для бензина:  С = 0.855 ;  Н = 0.145

  для дизельного топлива: С = 0,87; Н = 0,126; От = 0,004

Молекулярная масса топлива  мт и низшая теплота сгорания Hu :

для бензина:  мт = (110…120) кг/кмоль ;  Hu=44000 кДж/кг;

для дизельного топлива: мт = (180…200) кг/кмоль;  Нu =42500 кДж/кг.

Параметры свежего заряда

       В зависимости от типа двигателя при наполнении в цилиндр поступает либо топливовоздушная смесь (ДВС с внешним смесеобразованием), либо воздух (дизели). Поступившее в цилиндр к началу процесса сжатия количество вещества называется свежим зарядом.

       Количество свежего заряда М1 в цилиндре, приходящегося на 1 кг топлива, удобно определять в объемных единицах, кмоль.

  Для бензиновых двигателей, свежий заряд которых состоит из воздуха и паров топлива: 

, кмоль/кг.

  Для дизелей объем топлива, впрыскиваемый в цилиндр, по сравнению с объемом воздуха ничтожно мал (до 0,01%), и поэтому величиной можно пренебречь:

М1  = α .L0 , кмоль/кг.

Для газовых двигателей горючая смесь состоит из 1 кмоля газа и α .L0 кмолей воздуха. Поэтому количество газо-воздушной смеси равно:

М1  = 1 + α .L0 , кмоль/кг.

Количество свежего заряда в цилиндре двигателя в массовых единицах можно определить как сумму масс воздуха Gв и топлива Gт:

  G1 = Gв + Gт = б. l0 +1, кг,

где  l0 = мв. L0 ; мв =28,96 кг/кмоль – молекулярная масса воздуха.

Параметры продуктов сгорания

  Количество продуктов М2, образующихся при сгорании 1 кг жидкого топлива, может быть определено по формуле:

  для богатых смесей (б < 1):

  М2 = С/12 + Н/2 + 0,79 б L0 , кмоль/кг;

  для бедных смесей (б > 1):

  М2 = С/12 + Н/2 + (б – 0,21) .L0 , кмоль/кг;

       При сгорании 1 кг топлива количество каждого компонента (в кмоль), входящего в состав продуктов сгорания бензинового двигателя при б < 1 (номинальный режим работы), определяют по следующим формулам:

  (1)

где    - характеристика топлива.

       Для дизеля и бензинового двигателя при б > 1:

       МСО2 = С/12;

       МН2О = Н/2;

       МО2 = 0,21(б – 1) L0;  (2)

       МN2= 0,79 б L0.

  Общее количество продуктов сгорания М2 равно сумме всех компонентов:

  М2 = МСО2  +  МН2О + МО2 + МN2 .  (3)

Теоретический коэффициент молекулярного изменения смеси

       В результате сгорания горючей смеси происходит относительное изменение объема рабочего тела (ДМ = М2 – М1), которое характеризуется химическим (теоретическим) коэффициентом молекулярного (молярного) изменения  мо этой смеси, или действительным коэффициентом молекулярного изменения мд  рабочей смеси. Коэффициент м0  определяют по формуле:

  .

Обычно  м0 = 1,01…1,12.

Параметры остаточных газов

       Термодинамическое состояние продуктов сгорания, остающихся в цилиндре двигателя от предыдущего цикла вследствие его неполной очистки на такте выпуска, характеризуется температурой и давлением.

  Tr  = 800…1000 K (для бензиновых ДВС); Тr =600…900 К (для дизелей). 

  Pr  = (1.05…1.25) P0  (для ДВС без наддува);

  Рr = (0,75…0,98) Рк (для ДВС с наддувом). 

  Большие значения Рr характерны для двигателей с высокой частотой вращения коленчатого вала.