Тепловой расчет двигателя прототипа ВАЗ 2101

Автомобильные бензины представляют собой смесь низкокипящих углеводородов, выкипающих в диапазоне температур 35…205^°.Основной характеристикой бензина является октановое число ОЧ (цифры в марке бензина). Выбор марки бензина производится с учетом степени сжатия ε, необходимого октанового числа ОЧИ или ОЧМ с уточнением рекомендуемого топлива для двигателя прототипа. Основные показатели качества различных марок бензина приведены в таблице 2.1:

Таблица 2.1.

Показатели	АИ-93
Октановое число, не менее: моторный метод исследовательский метод Содержание свинца, г/дм3 Фракционный состав: температура начала перегонки, ºС, не ниже: летнего зимнего 10% перегоняется при температуре,  ºС, не выше: летнего зимнего 20% перегоняется при температуре,  ºС, не выше: летнего зимнего 90% перегоняется при температуре,  ºС, не выше: летнего зимнего конец кипения, ºС, не выше: летнего зимнего Давление насыщенных паров бензина, кПа: летнего, не более зимнего Массовая доля серы, %, не более Цвет	85 93 0,013     35 Не норм.   70 55   115 100   180 160   205 195   66,7 66,7..93,3 0,1 -

 

 

 

2.1.1. Элементный состав топливовоздушной смеси.

Элементный состав жидких нефтяных топлив (бензинов и дизельных)  в  зависимости от группового углеводородного  С_хН_у состава задают массовыми долями углерода g_с и водорода g_н.

g_с + g_н = 1                                 (2.1)

                                0,865 + 0,1352 = 1

Физико-химическая характеристика жидких нефтяных топлив приведена в таблице 2.1.1.

Таблица 2.1.1.

Показатели	Обо-зна-че-ние	Размер-ность	АИ-93 (А-92) летний
Молярная масса Элементный состав: углерода водорода кислорода Низшая теплота сгорания Плотность при 20 ºС Теплота парообразования при Р=0,1МПа Теплоемкость жидкого топлива  при t = 20 ºС	μТ   gc gн gот Ни Ρ     Ст	кг/кмоль         МДж/кг кг/м3 кДж/кг   кДж/кг	110   0,865 0,135   43,3 755 305
			СТ = 1,69 √ρ

2.1.2.Элементный состав воздуха

 

Стандартный состав сухого атмосферного воздуха  принят следующим, % (об): азот – 78,08, кислород – 20,95, благодарные газы – 0,94, диоксид  углерода – 0,03.

Молярная  масса μ = 28,95 кг/кмоль, плотность  при нормальных физических условиях ρ_о = 1,2928 кт/м³.

Для расчетов принимается следующий  состав воздуха: r_о2 = 0,21, r_N2 = 0,790, g_о2 = 0,232, g_N2 = 0.768 (вследствие малости остальных компонентов).

 

 

 

2.1.3. Низшая теплота сгорания.

Если топливо включает только углерод  и водород g_c + g_н = 1

Н_и = 34,013 * g_c + 69,09 * g_н               (2.2)

Н_и = 34,013 * 0,865 + 69,09 * 0,135 = 3,8 · 10⁴ кДж/м³

 

2.1.4. Количество свежей смеси.

 

В поршневых ДВС топливо окисляется кислородом  воздуха, которое вводится в цилиндр в процессе впуска.

Минимальное количество воздуха, необходимое для  полного окисления всего поданного  топлива, называется стехиометрическим  и определяется по следующим соотношениям:

Теоретически  необходимое количество воздуха  для сгорания 1 кг жидкого топлива:

 

ℓ₀ = (8/3 g_с + 8g_н – g_от)/0,232 КГв/КГт     (2.3)

ℓ₀ = (8/3 g_с + 8g_н)/0,232 = (8/3*0,865 + 8*0,135)/0,232 = 14,59 КГв/КГт .           

L₀ = (g_c/12 + g_н/4 + g_от/32)/0,21 кмоль/КГт    (2.4)

L₀ = (g_c/12 + g_н/4)/0,21 = (0,865 /12 + 0,135 /4)/0,21 = 0,504 кмоль/КГт.

Действительное  количество воздуха, участвующего в  сгорании составляет а · L₀ в КГв/КГт или а ·L₀ в кмоль/КГт.

 

Количество  свежей смеси М₁ для Д_с ИЗ:

 

М₁ = а ·L₀ + 1/μ_т, кмоль_сс/КГт ,        (2.5)

  где μ_т – молярная масса топлива.

М₁ = а ·L₀ + 1/μ_т = 0,9 * 0,504 + 1 / 110 = 0,4626 кмоль_сс/КГт.

2.1.5. Состав и количество продуктов  сгорания.

Состав  и количество продуктов сгорания рассчитывается с использованием данных о составе топлива и коэффициенте избытка воздуха а

Расчет  производится в киломолях на 1 кг топлива (кмоль/кг)

Для Дс ИЗ при а<1 при неполном окислении (сгорании), количество свободного водорода М_н2 связано с количеством оксида углерода М_со соотношением К = М_н2 / М_со

Экспериментальные данные показывают, что величину К  можно приближенно выразить как  функцию состава топлива g_н : g_с

 

К ≈ 1,12√g_н/g_с  ≈ 1,12√0,135 /0,865 ≈ 0,44        (2.6)

Отдельные компоненты продуктов сгорания

 

Мсо₂= – 2 × × 0.21 × L_o     (кмоль CO₂/кг топлива)     (2.7)

Мсо₂ =   0,865 / 12 – 2* (1-0,9)/(1+0,44)*0,21*0,504 = 0,05738333

Мсо= 2 × × 0.21 × L_o   (кмоль СО/ кг топлива)      (2.8)

Мсо = 2* (1-0,9)/(1+0,44)*0,21*0,504= 0,0147

Мн2о= g_H/12 – 2К × × 0.21 × ( кмоль Н₂0/ кг топлива)     (2.9)

Мн2о = 0,135/12 – 2*0,44*(1-0,9)/(1+0,44)*0,21*0,504 = 0,004782

М_Н2= 2К × × 0.21 × L_o ( кмоль Н₂/ кг топлива)     (2.10)

М_Н2 = 2*0,44*(1-0,9)/(1+0,44)*0,21*0,504 = 0,006468

M_N2=0.79 × а × L_о ( кмоль N₂/кг топлива)                  (2.11)

M_N2 = 0,79*0,9*0,504 = 0,358344

Суммарное количество продуктов сгорания в Дс ИЗ:

М₂ = Мсо₂ + Мсо + Мн₂о + Мн₂ +М_N2 кмоль_с/КГт              (2.12)

М₂ = 0,05738333 + 0,0147 + 0,004782 + 0,006468 +0,358344 = 0,4416

2.1.6. Молярные и объемные доли  компонентов продуктов сгорания

r_со = М_со/М₂ = 0,0147/0,4416 =  0,0333                    (2.13)

r_со2 =  М_со2/М₂ = 0,05738333/0,4416 = 0,1299       (2.14)

r _H2 =  М_H2/М₂ = 0,006468/0,4416 = 0,0146            (2.15)

r_H2O = М_H2O/М₂ = 0,004782/0,4416 = 0,0108         (2.16)

r _N2 =  М_N2/М₂ = 0,358344/0,4416 = 0,81146         (2.17)

Проверка Σ_ri = 0,0333 + 0,1299 + 0,0146 + 0,0108 + 0,81146 =  1       (2.18)

2.1.7. Теоретический коэффициент  молярного изменения.

μ_о = М₂/М₁  = 0,4416/0,4626 = 0,95      (2.19)

Проводим  аналогичные расчеты (2.1.4 – 2.1.7) для  а = 0,85 и для а   = 0,8. Все полученные данные заносим в таблицу характеристик рабочего тела 2.1.7.

Таблица 2.1.7.

Параметры		Единицы измерения		Режим эксплуатации двигателя
				nN		nМ		nтм
Частота вращения n		мин -1		5200		2300		900
Рабочее тело, его компоненты
Коэффициент избытка воздуха a			0,9		0,85		0,8
Количество свежей смеси М1	кмольсс/КГт		0,4626		0,4375		0,41
Количество СО2 , МСО2	кмольсо2/КГт		0,05738		0,04995		0,04268
Количество СО, МСО	кмольсо/КГт		0,0147		0,02205		0,0294
Количество Н2О, МН2О	кмольн2о/КГт		0,00478		0,00155		-0,00168
Количество Н2, МН2	кмольн2/КГт		0,00646		0,0097		0,01293
Количество N2, МN2	кмольN2/КГт		0,35834		0,33843		0,31852
Количество продуктов сгорания М2	кмольпр.С2/КГт		0,4416		0,42		0,4035
Теоретический коэффициент молярного  изменения μо			0,95		0,96		0,98

ВЫВОД:  при уменьшении коэф-та избытка воздуха уменьшается кол-во СО₂, кол-во н2о, кол-во N₂, кол-во продуктов сгорания М₂; увеличивается кол-во со, кол-во Н₂ , теоретический коэф-т молярного изменения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2. Расчет процессов газообмена.

2.2.1. Параметры окружающей среды.

При работе двигателя без  наддува давление свежего заряда Р_о, поступающего к двигателю из атмосферы, принимается равным атмосферному давлению Р_о ≈ 0,1 МПа. Температура свежего заряда Т_о принимается равной температуре, атмосферного воздуха.

 

Т_о = 273 + (15…25) = 273 + 25 = 298 К            (2.20)

2.2.2. Параметры остаточных газов.

 

После завершения каждого цикла в цилиндре  двигателя остаются продукты сгорания с давлением Р_r , температурой Т_r

Значение  Р_r определяется давлением среды, в которую происходит выпуск отработавших газов, т.е. давлением Р_о при выпуске в атмосферу или Р_к при установке на выпуске глушителя, нейтрализатора отработавших газов или сборника при газотурбинном наддуве.

Для автомобильных двигателей без наддува, а также с наддувом и выпуском в атмосферу.

 

Величина  давления остаточных газов Р_r находится в пределах

 

Р_r = (1,05…1,25) Р_о = 1,05*0,1 = 0,105 МПа                (2.21)

 

При номинальном режиме температура  остаточных газов Т_r для двигателей с искровым зажиганием варьируется в пределах:               900…1100 К. Принимаем Т_r = 800 К.

2.2.3. Процесс  впуска.

Процесс впуска определяется подогревом свежего  заряда ∆Т и плотностью заряда ρ_о, характеризуется следующими основными параметрами: давлением Р_а и температурой Т_а заряда в конце процесса наполнения – начала сжатия; давлением Р_r и температурой Т_r остаточных газов; коэффициентом остаточных газов γ_r и коэффициентом наполнения η_v.

а) подогрев свежего заряда ∆Т.

Величина  подогрева свежего заряда от стенок ∆Т зависящая от наличия специального устройства для подогрева, от конструкции  впускного трубопровода, типа системы  охлаждения, быстроходности двигателя  и наддува, для двигателей с искровым зажиганием обычно колеблется в пределах: 0…25^°С. Принимаем ∆Т = 10^°С.

б) плотность заряда на выпуске

 

ρ_о = Р_о · 10⁶/R_В · Т_о = 0,1*10⁶/(287*298) = 1,169 кг/м³  ,       (2.22)

 

где R_В = 287 Дж·кг·град – удельная газовая постоянная для воздуха.

в) давление рабочего тела в конце такта  впуска.

Давление  в конце впуска Р_а определяется величиной гидравлических потерь ∆Р_а во впускном трубопроводе

 

Р_а = Р₀ - ∆Р_а = 0,1 – 0,01566904 = 0,087  МПа               (2.23)

 

Величина  ∆Р_а зависит от скорости потока смеси ω_вп и сопротивления впускной системы:

∆Р_а = (β²+ ξ_Вn) ××ρ_о×10^-6 = 3*85*85/2*1,169*10^-6 = 0,0126    МПа,      (2.24)

где β - коэффициент затухания скорости

ξ_вп - коэффициент сопротивления впускной системы

ω_вп – средняя за процесс впуска скорость в наименьшем сечении впускного тракта, м/с

ρ_о - плотность заряда на впуске, кг/м³

    

По опытным данным в современном  автомобильном двигателе при  номинальном режиме.

(β²+ξ_вп)=2.5...4 – для Дс ИЗ. Принимаем (β²+ξ_вп) = 3.

 ω_вп=60...120 м/с для Дс ИЗ. Принимаем ω_вп = 85 м/с.

Проверка правильности определения  величины Р_а:

 

Р_а = (0,8…0,9)Р₀ =(0,8…0,9)*0,1 = 0,08…0,09    (2.25)

                                                                                                        

г) Коэффициент остаточных газов

Коэффициент остаточных газов γ_г зависит от давления и температуры остаточных газов (Р_м и Т_м), подогрева заряда ∆Т, температуры окружающей среды (Т_о или Т_к) и степени сжатия ε:

Величина коэффициента остаточных газов γ_г характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания и определяет относительное содержание их в горючей смеси.

С учетом продувки и дозарядки цилиндра

 

γ_г=×φ=**1,15 = 0,071,    (2.26)

      φ_оч = 1…0 (при φ_оч = 1 продувка камеры сгорания не производится; при φ_оч = 0 происходит полная очистка)

φ_доз – коэффициент наполняемости, учитывающий различие в теплоемкостях свежего заряда и остаточных газов.

φ_доз = 1,00…1,02 – ненастроенных впускных систем;

φ_доз = 1,03…1,06 – для настроенных впускных систем.

 

Для Дс ИЗ с распределительным впрыскиванием  топлива

φ_доз = 1,03…1,45

 

φ = коэффициент, учитывающий различие в теплоемкостях свежего заряда и остаточных газов.

Значение  коэффициента φ зависит от коэффициента а.