Расчет топливной аппаратуры
Содержание
Стр.
Перечень условных обозначений, символов, сокращений, единиц
и терминов
Введение
1. Расчетная часть
1.1 Исходные данные
1.2 Расчет циклового расхода
воздуха и коэффициента
1.3 Расчет топливной форсунки
1.3.1. Расчет электромагнитной
1.3.2. Расчет форсунки для ДВС с воспламенением от сжатия 10
1.3.3. Расчет электромагнитной
искровым зажиганием
1.4. Расчет топливного
насоса и газового редуктора
1.4.1. Расчет топливного насоса для ДВС с искровым зажиганием
с впрыском во впускную трубу
1.4.2. Расчет топливного насоса для ДВС с воспламенением от сжатия 14
1.4.3. Расчет газового
редуктора
1.5. Расчет топливных
трубопроводов
Библиографический список
Перечень условных обозначений, символов, сокращений, единиц и терминов
Обозначения:
G – массовый расход, кг/с; г/с; мг/имп; кг/ч;
Q – объемный расход, м /с; см /с;
Vh – рабочий объем цилиндра, л;
h – ход поршня, мм;
D – диаметр цилиндра, мм;
i – число цилиндров;
N – мощность, кВт;
P – давление, Па;
Ρ - плотность, кг/м ;
W или C – скорость, м/с; мм/с;
v – коэффициент наполнения цилиндров;
– коэффициент дозарядки,
коэффициент очистки,
– степень сжатия;
T – температура, град. С;
к – коэффициент избытка
т – тактность двигателя;
тк – коэффициент тактности двигателя;
n – обороты коленчатого вала двигателя, об/мин;
q – массовый расход топлива, мг/цикл или г/с;
– коэффициент избытка воздуха в топливной смеси;
lo – количество воздуха, теоретически необходимое для сгорания 1 кг бензина, кг/кг;
Q – производительность электромагнитной форсунки, мм /с или г/с;
tmax – максимальная длительность импульса, мс;
Tmin – минимальный период, мс;
w – коэффициент учитывающий несоответствие расходов при стационарном и пульсирующем потоках топлива;
– коэффициент расхода через жиклер;
f или F – площадь, м ;
m – количество отверстий;
d – диаметр, мм;
ge – удельный расход топлива, г/кВт*ч;
iв – число насосов, подающих топливо на один цилиндр;
– угол поворота коленчатого вала, град.;
азв – скорость звука в среде, м/с;
k – показатель адиабаты;
Rг – газовая постоянная, Дж/(моль*К);
U – напряжение питания катушки электромагнитной форсунки, В;
S – ход плунжера, мм;
н – коэффициент подачи топлива;
вн – геометрическая продолжительность нагнетания, град;
Vт – теоретическая подача секции топливного насоса, мм/цикл.
Индексы:
ж – жидкость или жиклер;
г – газ;
вц – воздух на один цикл работы двигателя;
в – воздух;
н – наддув;
о – окружающая среда;
с.з. – свежий заряд;
а – начало сжатия;
оч – очистка;
r – остаточные газы;
xx – холостой ход;
max – максимальный;
ц – цикловой;
т или m – топливо;
nmax – максимальные обороты двигателя;
nmin – минимальные обороты двигателя;
cm. min – статическая минимальная;
cm. max – статическая максимальная;
откр – открыто;
закр – закрыто;
с – сопло;
вх – вход;
пл. – плунжер;
от – отсечка;
зв. – звук;
акт – активный;
cр. – средний;
цп – цикловая полная
Сокращения:
ДВС – двигатель внутреннего сгорания;
ВОД – высокооборотный дизель;
СОД – среднеоборотный дизель;
МОД – малооборотный дизель;
ТНВД – топливный насос высокого давления;
СУГ – сжиженный углеводородный газ;
КПГ – компримированный природный газ;
КПД – коэффициент полезного действия
Введение
В настоящее
время все автомобилестроение, как
за рубежом, так и в РФ
переходит на электронные
Впрыск
топлива во впускную трубу
обычно применяется для
Для двигателей
с искровым зажиганием
связано с рекомендательными требованиями по снижению расхода топлива и выбросов СО . Двигатели с непосредственным впрыском имеют лучшие показатели, по сравнению с впрыском во впускную трубу, по коэффициенту наполнения цилиндров воздухом, а также по полноте сгорания топлива, что в сумме и дает положительный эффект по снижению расхода топлива.
В последнее время за рубежом и в РФ наметился плавный переход на газовое топливо. Многие зарубежные автосборочные заводы уже серийно выпускают, как двухтопливные, так и однотопливные-газовые модификации.
.
1. Расчетная часть
1.1 Исходные данные (вариант №20)
- барометрическое давление Р = 101,33 кПа;
- температура воздуха на впуске в двигатель То = -30…+45 град.С;
- универсальная газовая
- показатель адиабаты для газовых топлив k = 1,4;
- критический перепад давлений газа = 1,86;
- ход поршня h = (0,7…1) * D;
- объем цилиндра Vh = ( * D /4)*h;
- обороты холостого хода 850 об/мин;
- степень сжатия для ДВС: Отто = 10,5 Дизель = 18;
- коэффициент избытка воздуха для ДВС: Отто =1, Дизель =1,4;
- количество воздуха, теоретичес
lo = 14,7;
количество воздуха, теоретически необходимое для сгорания 1 кг метана
lo = 17,176, а для КПГ различного состава lo = 16,7…17,7;
- избыточное давление КПГ на входе в газовую форсунку 75кПа.
- обороты коленчатого вала двигателя n = 5200 об/мин;
- мощность двигателя Ne = 58,7 кВт;
- удельный расход топлива gе = 145 г/кВт*ч;
- тактность двигателя Т = 4;
диаметр цилиндра Д = 79 мм;
- число цилиндров i = 4;
- n = 2200 об/мин;
- число насосов, подающих топливо на один из цилиндр i = 2;
- тип двигателя – легковой;
- модель двигателя (тип) – 2106
1.2. Расчет циклового расхода воздуха и коэффициента наполнения
цилиндров.
Цикловой расход воздуха
определяется при минимальной
и максимальной температуре
G = (Vh/i)* * , где:
Vh = ( )*h = (3,14*79 /4)*(0,85*79) = 316487мм = 0,000316 м
= (1,435…1,095) кг/ м - плотность воздуха на впуске
- коэффициент наполнения
Коэффициент наполнения для максимальных оборотов для двигателя без наддува определяем при минимальной и максимальной температуре воздуха на входе:
= с.з*( /( -1))*Ра/Ро*То/(То+ )*[1- оч* *Рr/( *Pa)],
где с.з = 1,0 – коэффициент дозарядки;
= 10,5 – степень сжатия;
Ра = 0,09 мПа – давление в начале сжатия
Ро = 101,33 кПа = 0,10133 мПа – давление окружающей среды;
То = (-30…+45 С)+273 К;
= 10К – подогрев свежего заряда от стенок.
оч = 1,0 – коэффициент очистки цилиндров при отсутствии продувки;
= 1,0 – отношение средних удельных теплоемкостей продуктов сжатия и
свежей смеси.
Рr = 0,11 мПа – давление остаточных газов;
Тогда
= 1(10,5/(10,5-1))*0,09/0,1*(
*[1-1*1*0,11/(10,5*0,09)] = 0,844…0,852
и G
= 0,000316*(1,435…1,095)*(0,844…
= 0,00038…0,00029 кг/цикл,
т.е. Gвц(-30) = 0,00038 кг/цикл;
Gвц(+45) = 0,00029 кг/цикл;
Коэффициент наполнения для режимов от холостого хода до максимальных оборотов определяем по формуле:
= Gк*Тк/( *i*Vh*n), где
Gк – расход воздуха на данном режиме, кг/с;
Тк = 2,0 – коэффициент тактности для 4-х тактного двигателя;
= 1,435 кг/м - плотность воздуха на впуске при температуре -30 °С;
= 1,095 кг/м - плотность воздуха на впуске при температуре +45 °С
Vh = 0,000316 м - объем одного цилиндра;
n = 850 об/мин – обороты коленчатого вала при холостом ходе;
n = 5200 об/мин – обороты коленчатого вала при максимальной
Определяем максимальный расход воздуха в двигателе:
Gmax(-30) = =
= 0,073 кг/с
Gmax(+45) = =
= 0,056 кг/с
Расход воздуха на холостом ходу:
Gxx(-30) = Gmax/(13…17) = 0,073/15 = 0,0049 кг/с;
Gxx(+45) = Gmax/(13…17) = 0,056/15 = 0,0037 кг/с и тогда
vxx(-30) = 0,0049*2/(1,435*4*0,000316*14,
vxx(+45) = 0,0037*2/(1,095*4*0,000316*14,
vmax(-30) = 0,073*2/(1,435*4*0,000316*86,
vmax(+45) = 0,056*2/(1,095*4*0,000316*86,
при n = 2300 об/мин = 38,33 об/с
v2300(+45) = 0,0191*2/(1,095*4*0,000316*38,
при n = 3750 об/мин = 62,5 об/с
v3750(+45) = 0,0346*2/(1,095*4*0,000316*62,
График зависимости коэффициента наполнения от оборотов двигателя, принимая значения расхода воздуха в первом приближении по линейному закону в зависимости от оборотов двигателя: G = f(n) показан на Рис.1
1.3. Расчет топливной форсунки
1.3.1. Расчет электромагнитной форсунки для жидкого топлива для
ДВС с искровым зажиганием.
Цикловая подача топлива определяется выражением:
q ц(-30) = G /( lo) = 0,00038/(1*14,7) = 0,026 г/цикл,
q ц(+45) = G /( lo) = 0,00029/(1*14,7) = 0,020 г/цикл
где Gвц(-30) = 0,00038 кг/цикл – цикловой расход воздуха ;
Gвц(+45) = 0,00029 кг/цикл – цикловой расход воздуха при
= 1,0 – коэффициент избытка воздуха;
lo = 14,7 кг/кг – количество воздуха, теоретически необходимое для
Для грубой оценки значения цикловой подачи для двигателя можно использовать следующие формулы:
Максимальная цикловая подача при максимальных оборотах коленчатого вала:
- при температуре окружающей среды -30 °С
q ц(n max)(-30) = Vh* /15 = 0,000316*1,435/15 = 0,030 г/цикл
- при температуре окружающей среды +45 °С
q ц(n max)(+45) = Vh* /15 = 0,000316*1,095/15 = 0,023 г/цикл
Минимальная цикловая подача при минимальных оборотах коленчатого вала:
- при температуре окружающей среды -30 °С
q ц(n min)(-30) = Vh* /50 = 0,000316*1,435/50 = 0,0091 г/цикл
- при температуре окружающей среды +45 °С
q ц(n min)(+45) = Vh* /50 = 0,000316*1,095/50 = 0,0069 г/цикл
Период фазированного распределенного впрыска топлива определяется выражением:
T = 120*1000/n , мс,
где n = n + 600 = 5200+600 = 5800 об/мин – максимальные обороты
коленчатого вала.
T = 120*1000/5800 = 20,7 мс,
Максимальное время впрыска определяется выражением:
t = T - tоткр-закр. = 20,7-2,0 = 18,7 мс,
где tоткр-закр. – суммарное время открытия-закрытия клапана электромагнитной форсунки.
Минимальное значение статической производительности электро -
магнитной форсунки определяется по формуле:
- при температуре окружающей среды -30 °С
Gcm.min(-30) = 1000* q ц(n max)(-30)/ t = 1000*0,030/18,7 = 1,60 г/с.
- при температуре окружающей среды +45 °С
Gcm.min(+45) = 1000* q ц(n max)(+45)/t = 1000*0,023/18,7 = 1,23 г/с.
Максимальный статический расход с учетом всех издержек производства и допусков определяем из соотношения:
Gcm.max(-30) = 1,6 = 1,9 г/с,
Gcm.max(+45) = 1,23 = 1,46 г/с,
где (0,09…0,11)2 – качество сборки ДВС;
(0,05…0,065)2 – допуск и повторяемость;
(0,1…0,2)2 – на обогащение смеси для охлаждения нейтрализатора;
По значению максимального статического расхода вычисляем площадь проходного сечения жиклера форсунки с учетом количества отверстий и коэффициента расхода из соотношения:
G = * * *W *F * m,
= 695 кг/м - плотность бензина при максимальной допустимой температуре перед форсунками (+85 С)
= 1 – коэффициент, учитывающий несоответствие расходов при
стационарном потоке и при пульсирующем, зависит от времени
открытия и закрытия форсунки;
= 0,7 – коэффициент расхода через жиклер;
m = 2,4 и 6 – количество отверстий в распылителе.
W = м/с – скорость истечения топлива из
где Pраз = 0 – разрежение в воздушном рессивере при работе двигателя на
максимальных расходах воздуха и максимальных оборотах.
Wm(+85) = = 32,2 м/с;
Тогда площадь сечения одного отверстия жиклера определяется:
при m = 2
F = = = 0,061 мм
при m = 4
F = 0,030 мм
при m = 6
F = 0,020 мм
Диаметр отверстия одного жиклера в распылителе форсунки определяется:
d = при F = 0,061 мм d = 0,279 мм
Вывод: чем больше количество отверстий, тем меньше диаметр отверстий, что повышает требования к чистоте (меньше диаметр механических примесей) и качеству топлива (меньшее количество парафинов и олефинов) для устранения возможности засорения и закоксовывания отверстий в процессе эксплуатации. Малое количество отверстий при их большом диаметре увеличивает размер капель, а значит ухудшает процесс распыли-
вания и испарения жидкой фазы.
1.3.2. Расчет форсунки для ДВС с воспламенением от сжатия
Расход топлива, впрыскиваемого форсункой за один рабочий ход (цикловая подача) для номинального режима определяется:
q
= ge*Ne*Tк*1000/(60*nкул.вл*i*
где ge = 145 г/(кВт*ч) – удельный расход топлива;
Ne = 58,7 кВт – максимальная мощность двигателя;
Tк = 2 – коэффициент тактности для четырехтактного дизеля;
i = 4 – число цилиндров двигателя;
iв = 2 – число насосов, подающих топливо на один цилиндр;
nкул.вл = 2200 об/мин – номинальная частота вращения кулачкового вала
q = 145*58,7*2*1000/(60*2200*4*2) = 16,12 мг/цикл.
Цикловая подача для холостого хода:
q = 1000*Tк*G /(60* nкул.вл *i*iв),
где G = ge*0,9 = 145*0,9 = 130,5 г/ч – часовой расход топлива на режиме
q = 1000*2*130,5/(60*2200*4*2) = 0,247 мг/цикл.
При доводочных работах дизельного двигателя и возможного дальнейшего его форсирования принимают: qц max = (1,25…1,5)*q .
Время истечения топлива (с): t = /(6n),
где = 18 - угол поворота коленчатого вала.
∆t = 18/(6*5200) = 0,00058 с
Средняя скорость истечения топлива (м/с) через сопловые отверстия распылителя определяется:
W = ,
где = 840 кг/м - плотность дизтоплива при t° = -30°С;
= 830 кг/м - плотность дизтоплива при t° = +45°С
P = 30 мПа – среднее давление впрыска топлива;
P = 6 мПа – среднее давление газа в цилиндре в период впрыска.
Wф(-30) = = 239 м/с;
Wф(+45) = = 240,5 м/с
Суммарная площадь сопловых отверстий форсунки находится из выражения
F = q /( * *W * t*10 ),
где = 0,65 – коэффициент расхода топлива.
F = 16,12/(833*0,65*240*0,00058*10 ) = 0,214 мм
Диаметр соплового отверстия форсунки:
d = = = 0,37 мм,
где m = 2 – число сопловых отверстий
При m = 4, dс = 0,26 мм.
При m = 6, dс = 0,21 мм.
1.3.3. Расчет электромагнитной
искровым зажиганием.
Цикловая подача газового топлива определяется аналогично цикловой подаче бензина, т.е.:
q = G /( lo),
где Gвц(-30) = 0,00038 кг/цикл – цикловой расход воздуха при t° = -30°С;
Gвц(-30) = 0,00029 кг/цикл – цикловой расход воздуха при t° = +45°С
= 1,0 – коэффициент избытка воздуха,
lo = 17,17 кг/кг – количество воздуха, теоретически необходимое для
q ц(n max)(-30) = 0,38/(1*17,17) = 0,022 г/цикл;
q ц(n max)(+45) = 0,29/(1*17,17) = 0,017 г/цикл
Определяем статический расход через газовую форсунку
Gcm.min(-30) = 1000* q /t = 1000*0,022/18,7 = 1,18 г/с;
Gcm.min(+45) = 1000* q /t = 1000*0,017/18,7 = 0,91 г/с
Максимальный статический расход с учетом всех издержек производства и допусков определяем из соотношения:
Gcm.max(-30) = * 1,18 = 1,4 г/с;
Gcm.max(+45) = * 0,91 = 1,1 г/с
где (0,09…0,11)2 – качество сборки ДВС;
(0,05…0,065)2 – допуск и повторяемость;
(0,1…0,2)2 – на обогащение смеси для охлаждения нейтрализатора;
По значениям максимального статического расхода вычисляем площадь проходного сечения жиклера форсунки по разным соотношениям:
а) G = , откуда F = ,
где ρm = 1,37 кг/м ;
ρm = 1,043 кг/м ;
ρm = 4,04 кг/м ;
ρm = 3,054 кг/м ;
W – скорость истечения газа из сопла форсунки.
Для докритического истечения скорость газа равна:
W1 = = = 11,46 м/с;
W2 = = = 13,14 м/с;
W3 = = = 6,67 м/с;
W4 = = = 7,68 м/с.
Определим площадь минимального сечения жиклера форсунки:
F1 = = 0,09 мм ;
F2 = = 0,08 мм ;
F3 = = 0,05 мм ;
F4 = = 0,05 мм
Диаметр отверстия одного жиклера в распылителе форсунки определяется:
d = = = 0,25 мм;
d = = 0,34мм
б) G = *а *F, откуда F = ,
где а = 406,2 м/с – скорость звука в газе при t = -30 С и = 0,5 МПа;
а = 463 м/с – скорость звука в газе при t = +45 С и = 0,5 МПа
F1 = = 0,000853 мм ;
F2 = = 0,00078 мм
d = = 0,033 мм ;
d = =0,032мм
в) G = *F ,
где = 0,65 – коэффициент истечения;
к = 1,4 – показатель адиабаты для газа;
R = Rг/М = 8,31441: 16 = 0,52,
где М = 16 – молекулярный вес газа;
Rг = 8,31441 Дж/(моль*К) – газовая постоянная.
Определим площадь минимального сечения жиклера форсунки:
F1 = = = 0,013 мм ;
F2 = = = 0,010мм
Диаметр отверстия одного
жиклера в распылителе
d = = 0,13 мм.
1.4. Расчет топливного насоса и газового редуктора
1.4.1. Расчет топливного насоса для ДВС с искровым зажиганием с
впрыском во впускную трубу
Расчет подачи бензонасоса производится по максимальному расходу топлива:
Q = К*((i*Q / *3600) + 20),
где К = 1,25 – коэффициент запаса подачи бензонасоса;
i = 4 – число цилиндров в двигателе;
Q = 1,9 г/с – максимальный расход топлива через форсунку при
= 695 кг/м - плотность бензина при максимальной
20 л/ч – минимальный расход топлива через редукционный клапан, при
котором еще поддерживается постоянное давление топлива в
системе.
Q = 1,25*((4*1,9/695*3600) + 20) = 74 л/ч
1.4.2. Расчет топливного насоса для ДВС с воспламенением от сжатия.
В единицах объема цикловая подача:
V = q / = 16,12*1000/840 = 19,2 ;
V = q / = 16,12*1000/830 = 19,4
Вследствие сжатия топлива и утечек через не плотности, а также из-за деформации трубопроводов высокого давления производительность насоса должна быть больше величины V .
Влияние указанных выше факторов на величину цикловой подачи учитывается коэффициентом подачи насоса, представляющим отношение обьема цикловой подачи к объему, описанному плунжером на геометри-
ческом активном ходе:
= V / V . Величина для автомобильных и тракторных дизелей при номинальной нагрузке изменяется в пределах 0,70…1,1.
Таким образом, теоретическая подача секции топливного насоса:
V = V / = 19,2/0,9 = 21,3 мм /цикл;
V = V / = 19,4/0,9 = 21,6 мм /цикл
Полная производительность секции топливного насоса с учетом перепуска топлива, перегрузки дизеля и обеспечения надежного пуска при низких температурах определяется:
V = (2,5…3,2)* V = 2,9*21,3 = 61,77 мм /цикл;
V = (2,5…3,2)* V = 2,9*21,6 = 62,64 мм /цикл
Это количество топлива должно быть равно объему, соответствующему полному ходу плунжера. Основные размеры насоса определяются из выражения:
V = *d *S /4,
где d = = =
= 8,87 мм – диаметр плунжера,
d = = =
= 8,93 мм – диаметр плунжера,
Принимаем d = 9 мм.
Определяем диаметр плунжера по другой формуле:
d =
где п = 2200 об/мин – частота вращения кулачкового вала;
С = 57 см/с – средняя скорость плунжера;
= 0,8 – коэффициент подачи топлива;
– геометрическая продолжительность нагнетания в градусах по углу поворота кулачкового вала, определяемая геометрическим активным ходом плунжера.
= /( Т ) = 18/(1,77*2) = 5,
где ∆ = 1,2+(0,47/1000)*(nк*рom-100) = 1,77
d = = 8,75 мм
Принимаем d = 9 мм
Проверяем по эмпирической
зависимости полученного при
статической обработке
d = 1,69*(q ) при q < 10 г;
d = 1,69*0,01612 = 0,48 см
Полный ход плунжера
S = (S / d )* d = 1*9 = 9 мм
Принимаем S = 9 мм
При выбранном диаметре плунжера его активный ход:
S = V /f = 62,64/78,5 = 0,80 мм.
где V = 62,64 мм /цикл – полная цикловая подача секции топливного
f = 63,6 мм – площадь плунжера.
Активный ход можно вычислить по:
S = 4* q /( *d * * ) = 4*16,12/(3,14*9 *840*0,8) = 0,33 см.
S = 4* q /( *d * * ) = 4*16,12/(3,14*9 *830*0,8) = 0,34 см.
S / S = 9/3,4 = 2,6
Сравниваем по эмпирической зависимости:
S / S = 4,8/( d ) при d < 3 см;
S / S = 4,8/3,4 = 2,4
1.4.3. Расчет газового редуктора
Площадь сечения клапана редуктора при сверхкритическом перепаде давления определяем по выражению:
Fmax = Gmax/( *а ),
где Gmax(-30) = 1,4 г/с – максимальный расход газа;
Gmax(+45) = 1,1 г/с – максимальный расход газа
= 4,04 кг/м - плотность газа на входе перед форсункой
= 3,054 кг/м - плотность газа на входе перед форсункой
= 235,74 кг/м - плотность газа на входе перед форсункой
= 139,77 кг/м - плотность газа на входе перед форсункой
а = 406,2 м/с – скорость звука при истечении газа
при t = -30 С и = 0,5 МПа;
а = 463 м/с – скорость звука при истечении газа
а = 606,7 м/с – скорость звука при истечении газа
а = 562,4 м/с – скорость звука при истечении газа
F1 = 1,4/(4,04*406,2) = 0,9 мм - площадь сечения клапана редуктора при сверхкритическом перепаде давления при t = -30 С и = 0,5 МПа;
F2 = 1,1/(3,054*463) = 0,8 мм - площадь сечения клапана редуктора при сверхкритическом перепаде давления при t = +45 С и = 0,5 МПа;
F3 = 1,4/(235,74*606,7) = 0,01 мм - площадь сечения клапана редуктора
при сверхкритическом перепаде давления при t = -30 С и = 200 МПа;