Тепловой расчет двигателя

Введение

На наземном транспорте наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания. Эти двигатели отличаются компактностью, высокой экономичностью, долговечностью и применяются во всех отраслях народного хозяйства.

В настоящее время особое внимание уделяется уменьшению токсичности выбрасываемых в атмосферу вредных веществ и снижению уровня шума работы двигателей.

Специфика технологии производства двигателей и повышение требований к качеству двигателей при возрастающем объеме их производства, обусловили необходимость создания специализированных моторных заводов. Успешное применение двигателей внутреннего сгорания, разработка опытных конструкций и повышение мощностных и экономических показателей стали возможны в значительной мере благодаря исследованиям и разработке теории рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания.

Выполнение задач по производству и эксплуатации транспортных двигателей требует от специалистов глубоких знаний рабочего процесса двигателей, знания их конструкций и расчета двигателей внутреннего сгорания.

Рассмотрение отдельных процессов в двигателях и их расчет позволяют определить предполагаемые показатели цикла, мощность и экономичность, а также давление газов, действующих в надпоршневом пространстве цилиндра, в зависимости от угла поворота коленчатого вала. По данным расчета можно установить основные размеры двигателя (диметр цилиндра и ход поршня) и проверить на прочность его основные детали.

1. Топливо

Средний элементарный состав бензинового топлива:

Углерод: C=0,855; Водород: H₂=0,145; Кислород: O₂=0, W=0, где

·        C - углерод.

·        H - водород.

·        O - кислород.

·        W - вода.

Масса бензина составляет =115

Низшая теплота сгорания бензина:

=33,91C+125,6H - 10,89 (O-S) - 2,51 (9H+W)

=33,91*0.855+125.6*0.145-2.51*9*0.145=43.93=43930 кДж/кг

2. Параметры рабочего тела

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива (стехиометрический состав) вычисляется по следующей формуле:

=*

 - масса 1 кмоль воздуха (28,9 кг/моль)

=28,9*0,517=14,941

Далее расчет ведем для режима максимальной мощности. Для остальных режимов результаты расчетов сводим в таблицу 2.

Количество горючей смеси α=1

Горючая смесь состоит из воздуха и испарившегося воздуха и определяется величиной:

, где

α - коэффициент избытка воздуха (отношение действительного количества воздуха, участвующего в сгорании к теоретически необходимому).

 - молекулярная масса паров топлива (кг/моль)

=1*0,517+1/115=0,5257

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания (при k=0,5) и принятых скоростных режимах.

При неполном сгорании топлива продукты сгорания представляют собой смесь окиси углерода (CO), углекислого газа (), водяного пара (), свободного водорода (), и азота ()

=+20,208

K - постоянная, зависящая от отношения количества водорода к окислу углерода, содержащихся в продуктах сгорания.

=20,208

= - 2k0,208

=2k0,208

=0.792·α·

=+20,208·0.517=0.0713

=20,208·0,517=0

= - 2·0,50,208·0,517

=0.792·1·0,517=0,4095

Общее количество продуктов сгорания определяется как сумма окиси углерода (CO), углекислого газа (), водяного пара (), свободного водорода (), и азота ()

=++++

=0,0713+0+0,0725+0+0,4095=0,5532

Таблица 2. Результаты расчета рабочего тела

3. Параметры окружающей среды и остаточные газы

Давление и температуру окружающей среды принимаем:

 МПа и  К.

Температура остаточных газов (Tr) определяется по графику рис. 1.

Рис. 1. Исходные параметры для теплового расчета двигателя с впрыском топлива

Давление остаточных газов () на номинальном скоростном режиме:

=·(1,035+··), где

=(-·1.035)·/(·)

Для двигателя с впрыском топлива

Tr=1020 K

=0.110 МПа

=(0,110-0,1·1,035)·/(·0,1)=0,321

4. Процесс впуска

Температура подогрева свежего заряда. С целью получения хорошего наполнения двигателя на номинальном скоростном режиме принимается ∆=6. На остальных режимах ∆T рассчитывается по формуле:

∆T=(110-0.0125n), где

=∆/(110-0,0125)

=6/(110-0.0125·4500)=0.112

Плотность заряда на впуске

=·/(·), где

=287 Дж/кг·град

=0,1·/(287·)=1,189 кг/

Потери давления на впуске высчитываются по формуле:

∆=(+)·(·/2)··, где

 - коэффициент затухания скорости заряда;

 - коэффициент сопротивления впускной системы.

+=2,5;

=/=95/4500=0,021 МПа, где

 - средняя скорость движения заряда (95 м/с)

∆=2,5·(·/2) 1,189·=0,021 МПа

Давление в конце такта впуска - основной фактор, определяющий количество рабочего тела, поступающего в цилиндр двигателя:

=-∆=0.1-0.021=0.079 МПа

Коэффициент остаточных газов.

Величина коэффициент остаточных газов характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания и определяется по формуле:

=·, где

 - коэффициент очистки (=1 - без учета продувки);

Для двигателей с впрыском топлива и электронным управлением при  моно принять =1,055, а при =0.96. На остальных расчетных режимах  определяется по рисунку 1.

 - коэффициент дозарядки

 - степень сжатия

=1020 K

=· = 0.0497

Температура в конце впуска определяется:

=(+∆T+·)/(1+)

=(293+6+0.0497·1020)/(1+0.0497)=333 K

Коэффициент наполнения () есть отношение действительного количества свежего заряда, поступившего в цилиндр, к тому количеству, которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при условии, что температура и давление в нем равны температуре и давлению среды.

Коэффициент наполнения

=··()

=··)=0.781

Таблица 3. Результаты расчетов для разных режимов

5. Процесс сжатия

Средний показатель адиабаты сжатия  определяется по номограмме по ε и , а средний показатель политропы сжатия  принимается меньше .

=1,367, при =4500 об/мин; =333К ε=8,3;

=1.360

Давление в конце сжатия =·

=0,0790·=1,4263 МПа

Температура в конце сжатия =·

=333.1·=724.2 К

Средняя мольная теплоемкость свежей смеси в конце сжатия принимается равной теплоемкости воздуха и определяется по формуле:

, где

Средняя мольная теплоемкость остаточных газов  определяется по таблице при =451.2.

(=23.712+(24.150-23.712)·= 23.936 , где

,712 и 24,150 значения теплоемкости продуктов сгорания при 400 и 500 С соответственно.

Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси определяется по формуле:

Таблица 4. Результаты расчетов

6. Процесс сгорания

Процесс сгорания - основной процесс рабочего цикла двигателя, в течении которого теплота, выделяющаяся в следствии сгорания топлива, идет на повышение внутренней энергии рабочего тела и на совершение механической работы.

Коэффициент молекулярного изменения горючей и рабочей смеси μ определяется:

Количество теплоты, потерянное в следствии химической неполноты сгорания рабочей смеси

∆=119950·(1-α)·

При =4500 об/мин

∆=119950·(1-1)·0,516=0

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания

(=·[(+(+(+(+(]

(=·[0.0713 (39.123+0.003349)+0.0725 (26.67+0.004438)+ +0.4087 (21.951+0.001457)]=24.781+0.002091

Коэффициент использования теплоты

Для двигателей, работающих по циклу с подводом теплоты при V=const, уравнение сгорания имеет вид:

 - коэффициент использования теплоты на участке видимого сгорания cz (принимается по опытным данным в зависимости от конструкции двигателя, режима его работы, системы охлаждения, формы камеры сгорания, способа смесеобразования, коэффициента избытка воздуха и частоты вращения коленчатого вала) для бензиновых двигателей с впрыском топлива =0,995 при =4500 об/мин.

0,995·79608+21,8929·451,2=1,0498·(24,781+0,002091)

.002194+26.018-89088=0

Решение этого квадратного уравнения имеет вид:

==2773

=+273=3047 K

Максимальное давление сгорания теоретическое:

=

=1.426·1.0498· =6.2983 МПа

Максимальное давление сгорания действительное:

=0,85·

=0.85·6.2983=5.3536 МПа

Степень повышения давления:

λ=

λ==4.4168

Таблица 5. Результаты расчетов процесса сгорания

7. Процессы расширения и выпуска

Средний показатель адиабаты расширения  определяется по номограмме по ε для соответствующих значений α и , а средний показатель политропы расширения  определяется по .

При =10, α=1и =3047 =1.2462 и принято =1.246

Давление и температура в конце процесса расширения

=/

=6.2983/=0.452 МПа

=/

=3047/=1814 K

Таблица 6. Результаты расчетов процесса расширения и выпуска

8. Индикаторные параметры рабочего цикла

Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания характеризуется индикаторными показателями:

Среднее индикаторное давление теоретическое:

Среднее индикаторное давление

 - коэффициент полноты индикаторной диаграммы (=0,98)

=0.98·1.0899=1.0681 МПа

Индикаторный КПД и индикаторный удельный расход топлива.

==0.3916

=

=

9. Эффективные показатели двигателя

Среднее давление механических потерь для бензиновых двигателей с отношением S/D<=1

=0.024+0.0053·

Приняв S=77 мм получим для =4500 об/мин значение средней скорости поршня .

=

= =11.55 м/с

=0.024+0.0053·11.55=0.0852 МПа

Среднее эффективное давление и механический КПД:

=-

=0.9829 МПа

=

=0.9202

Эффективный КПД и эффективный удельный расход топлива.

=·

=0.3916·0.9202=0.3604

=

==227.38

Таблица 7. Результаты расчетов индикаторных и эффективных показателей

. Основные параметры цилиндра и двигателя

Рабочий объем (литраж) двигателя:

τ - тактность

i - кол-во цилиндров

Литраж одного цилиндра:

Диаметр цилиндра при S=77 мм

D=2··

D=2000·=85,42 мм

Окончательно принимаем S=77 мм и D=85 мм

Площадь поршня:

===5672 =56,72

Рабочий объем:

== = 3,4937 л

Мощность двигателя:

===128.77 кВт

Литровая мощность:

=/=128.77/3.4937=36.857 кВт/л

Крутящий момент:

=(3··)/π·=30000·128.77/3.14·2700=455.66 H·m.

где  - частота при которой крутящий момент максимальный.

Индикаторная диаграмма строится для режима максимальной мощности. Для построения выбираются удобные масштабы хода поршня.

(=1. =0.05)

AB=S/=77/1=77 мм=AB/ε-1=77/8.3-1=10.5 мм

Максимальная ордината (точка Z) определяется:

/=6.2983/0.05=125.7 МПа

Таблица 8. Ординаты характерных точек

Таблица 9. Точки политроп сжатия и расширения

Библиографический список

1.   Алексеев В.А. Расчет автомобильных двигателей: учебное пособие/ В.А. Алексеев - Спб: Изд-во СЗТУ, 2006

2.   Богатырев А.В. Автомобили/А.В. Богатырев. - М.: Колос, 2001. - 496 с.

3.   Зотов Л.Л. Автомобильные двигатели: рабочие процессы: учебное пособие/ Л.Л. Зотов.-Спб: Изд-во СЗТУ, 2006

4.   Колчин А.И. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей: учебное пособие для вузов/А.И. Колчин. - М.: Высшая школа, 2002. - 496 с.

двигатель газ тепловой сгорание