Двигуни внутрішнього згорання

Двигуни внутрішнього згорання

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИТЕТ

Курсова робота

З дисципліни: «Двигуни внутрішнього згорання»

Виконав:

Нетребенко Е.С.

Перевірив: доцент

Жилін С. С.

Харків 2012

Зміст

Вступ

. Аналіз та обґрунтування конструктивних рішень та параметрів двигуна

. Тепловий розрахунок

.1 Вибір і обгрунтування вихідних даних для теплового розрахунку

.2      Розрахунок процесу впускання

.3      Розрахунок процесу стиску

.4      Розрахунок матеріального балансу

.5      Розрахунок процесу згоряння

.6      Розрахунок процесу розширення

.7      Індикаторні показники циклу

.8      Ефективні показники

. Побудова індикаторної діаграми

Висновок

Перелік посилань

Вступ

двигун згорання тепловий

Двигун внутрішнього згорання (скорочено ДВС) - це тип двигуна, теплової машини, в якій хімічна енергія палива (звичайно застосовується рідке або газоподібне вуглеводневе паливо), згораючи в робочій зоні, перетворюється в механічну роботу.

Незважаючи на те, що ДВС відносяться до відносно недосконалому типу теплових машин (громіздкість, сильний шум, токсичні викиди і необхідність системи їх відведення, відносно невеликий ресурс, необхідність охолодження і змащення, висока складність у проектуванні, виготовленні і обслуговуванні, складна система запалювання, велике кількість зношуються частин, високе споживання пального і т. д.), завдяки своїй автономності (використовуване паливо містить набагато більше енергії, ніж найкращі електричні акумулятори), ДВС дуже широко поширені, особливо на транспорті.

Карбюраторний двигун - один з типів двигуна внутрішнього згоряння із зовнішнім сумішоутворенням. У карбюраторному двигуні паливно-повітряна суміш, що надходить по впускному колектору в циліндри двигуна, готується в спеціальному приладі - карбюраторі. Також карбюраторні двигуни поділяються на двигуни без наддуву або атмосферні, у яких впускання повітря або горючої суміші здійснюється за рахунок розрядження в циліндрі при всмоктуючому ході поршня; двигуни з наддувом, у яких впускання повітря або горючої суміші в робочий циліндр відбувається під тиском, створюваним турбокомпресором, з метою збільшення заряду повітря і отримання підвищеної потужності і ККД двигуна.

В якості палива для карбюраторного двигуна в різний час застосовувалися спирт, гас, нафта, бензин. Найбільшого поширення набули бензинові карбюраторні двигуни.

Метою теплового розрахунку двигуна є визначення основних параметрів і показників робочого процесу двигуна [1].

1 Аналіз та обґрунтування конструктивних рішень та параметрів двигуна

Виконуємо тепловий розрахунок для карбюраторного чотирьохтактного двигуна ВАЗ 21-08, який встановлюється на легковому автомобілі ВАЗ 21-08, який має свої характерні особливості.

Ступінь стиснення: для двигунів з іскровим запалюванням e=10,2 (за завданням кафедри).

Відношення ходу поршня до діаметру циліндра: для проектованого двигуна значення відношення S / D приймаємо менше 1.

Число і розташування циліндрів: залишаються незмінними, тобто чотири циліндри розташованих в ряд.

Частота обертання колінчастого вала: для легкових автомобілів з КБД n = (4000¸6000) мин^-1. =5900 мин^-1 (за завданням кафедри).

Спосіб сумішоутворення і форма камери згоряння: КБД є двигуном із зовнішнім сумішоутворенням. Камера згоряння повинна забезпечити високу наповнення циліндра, ефективність протікання процесу згоряння (з найменшою токсичністю продуктів згоряння та використання виділилася теплоти), а також високу ступінь очищення від відпрацьованих газів і наповнення циліндрів свіжим зарядом, оптимальну ступінь турбулізації на впуску і стиску, можливість підвищення ступеня стиснення при одночасному зниженні схильності до детонаційному горіння, зменшення тривалості горіння.

Коефіцієнт надлишку повітря: a=0,94 (за завданням кафедри).

2. Тепловий розрахунок

.1      Вибір і обгрунтування вихідних даних для теплового розрахунку

Тиск навколишнього середовища Р₀ - постійна величина. Р₀=0,1013 МПа.

Температура навколишнього середовища Т₀ (атмосферного повітря). Приймається середнє значення Т₀=293 К. Тиск залишкових газів Р_r, МПа, визначається тиском навколишнього середовища, в яку відбувається випуск відпрацьованих газів і оборотами двигуна .

Температура залишкових газів T_r, К, для КБД змінюється в межах 900 - 1100 К[2]. При збільшенні a і e - Т_r знижується, а при збільшенні n збільшується. Приймаємо Т_r = 1000К.

Ступінь підігріву заряду на впуску DТ=5 - 20 К[2]. При збільшенні діаметра циліндра D, збільшенні n і e - DТ зменшується. Приймаємо DТ=5 К.

Коефіцієнт опору С мінюється в межах 2,5 - 4,0. Він враховує падіння швидкості свіжого заряду після входу його в циліндр і гідравлічні опору впускної системи двигуна. Приймаємо С = 3,2.

Середня швидкість повітря в прохідних перетинах впускних клапанів W_кл може досягати 150 м / с. Ця швидкість залежить від діаметра впускного клапана і частоти обертання колінчастого вала. При зменшенні діаметра впускного клапана і збільшенні n, середня швидкість W_кл збільшується. Вона орієнтовно визначається по залежності .

Показник політропи стиснення (умовний) n₁=1,32 - 1,40. При підвищенні n збільшується і n₁; при підвищенні середньої температури процесу стиснення n₁ - зменшується; зі зменшенням інтенсивності охолодження двигуна n₁ - збільшується; із зменшенням відносини поверхні охолодження до обсягу циліндра n₁ - збільшується. Враховуючи все це приймаємо n₁=1,36.

Коефіцієнт ефективного теплоспоживання x_z=0,85 - 0,9 це параметр, що враховує втрати теплоти в процесі згоряння. Приймаються його рівним x_{z = 0,92}

Коефіцієнт повноти індикаторної діаграми враховує зменшення теоретичного середнього індикаторного тиску внаслідок відхилення дійсного процесу від розрахункового. Приймаємо j_i=0.95.

.2 Розрахунок процесу впускання

Тиск свіжого заряду в кінці процесу впускання, МПа

,

де r₀ - плотність повітря

де R = 287 Дж/(кг×К) - газова стала повітря;₀ = 0,1013 МПа - тиск навколишнього середовища;

Т₀ = 293 К - температура навколишнього середовища.

.

Для чотирьохтактних двигунів без наддування р_а=(0,8-0,95)∙р₀, МПа.

Коефіцієнт залишкових газів

Для чотирьохтактних бензинових двигунів г=0,06-0,10.

Температура свіжого заряду в кінці процесу впускання, К

Для бензинових двигунів без наддува T_a=310-350 K.

Коефіцієнт наповнення

Для чотирьохтактних бензинових двигунів з_v=0,75-0,85.

Об’єм циліндрів в кінці процесу впускання, л

де D - діаметр циліндра, дм;- хід поршня, дм._c - об’єм камери стиску, л

2.3 Розрахунок процесу стиску

Тиск робочої суміші в кінці процесу, МПа

Для чотирьохтактних бензинових двигунів p_c=0,9-2,1 МПа.

Температура робочої суміші в кінці процесу стиску, К

Для бензинових двигунів T_c=550-750 K.

Середня мольна ізохорна теплоємність суміші визначається як теплоємність повітря, кДж/(кмоль×К)

де .

.

.4 Розрахунок матеріального балансу

.4.1 Теоретично необхідна кількість повітря для повного сгорання 1 кг палива, кмоль/кг

Кількість свіжого заряду, віднесена до 1 кг палива, кмоль

Кількість компонентів продуктів сгоряння, кмоль/кг

Оксид вуглецю:

Диоксид вуглецю:

Водень, що не прореагував з киснем:

Водяна пара:

Азот повітря:

Сумарна кількість продуктів сгоряння, кмоль/кг

.

Теоретичний коефіцієнт молекулярного змінення робочого тіла

Для бензинових двигунів м₀=1,06-1,12.

Дійсний коефіцієнт молярного змінення

Середня мольна ізохорна теплоємність продуктів сгоряння, кДж/(кмоль×К) при б<1

,

Де

2.5 Розрахунок процесу сгорання

а) Рівняння процесу згоряння в карбюраторному двигуні має вигляд:

,

где H_u’ - нижча теплота сгоряння суміші, кДж/кг, з врахуванням хімічної неповноти сгоряня при a < 1.

Після підстановки теплоємності у вигляді лінійної залежності від температури у рівняння сгоряння, останнє обертається у квадратне відносно t_z

,

;

;

;

;

;

.

Рішенням рівняння сгоряння буде температура сгоряння у точці z, ⁰С

.

Максимальна температура кінця процесу сгоряння, К

Максимальна температура для бензинових двигунів знаходиться у границях T_z=2300-2900К.

Б) Ступінь підвищення тиску в КБД

Для чотирьохтактних бензинових двигунів л=3,0-4,5.

В)Тиск газів в кінці процесу сгоряння, МПа

Для чотирьохтактних бензинових двигунів р_z=3,0-8,5.

Г) Дійсний тиск в кінці процесу сгорання, МПа

Д) Об’єм циліндра в конці процесу сгоряння (точка z), л

.

.6 Розрахунок процесу розширення

Тиск газів у кінці процесу розширення, МПа

де д - ступінь подальшого розширення. Для бензинових двигунів д=е.

Для карбюраторних двигунів тиск у кінці розширення знаходиться в межах р_в=0,35-0,5 МПа.

Температура газів у кінці розширення, К

Для карбюраторних двигунів Т_в=1200-1650 К.

Об’єм циліндра в кінці такта розширення (точка b), л

.

.7 Індикаторні показники циклу

Середній індикаторний тиск, МПа

Для карбюраторних двигунів р_i = 0,8-1,2 МПа.

Індикаторна потужність двигуна, кВт

де i - число циліндрів, ф - кількість тактів у двигуні. Для чотирьохтактних двигунів ф=4.

Індикаторний крутний момент, Нм

Індикаторний ККД для двигунів, працюючих на рідкому паливі

Для бензинових двигунів у номінальному режимі роботи з_i=0,29-0,45.

Питомі індикаторні витрати рідкого палива, г/(кВт×год)

Для чотирьохтактних бензинових двигунів g_i=180-300г/(кВт∙год).

.8 Ефективні показники

Середній тиск механічних витрат, МПа

де А_м и В_м - дослідні коефіцієнти.

Для бензинових двигунів з числом циліндрів до 6 та з S/D<1 А_м = 0.034; В_м = 0.0113.

_. - середня швидкість поршня, м/с

Для чотирьохтактних бензинових двигунів р_м=0,14-0,25 МПа.

Середній ефективний тиск, МПа

Для чотирьохтактних бензинових двигунів р_е=0,6-1 МПа.

Ефективна потужність, кВт

де t - коефіцієнт тактності для чотирьохтактних бензинових двигунів, t = 4.

Крутний момент, Н·м

Механічний ККД

Для бензинових двигунів з_м=0,7-0,85.

Ефективний ККД

Для бензинових двигунів з_е=0,25-0,37.

Питомі ефективні витрати рідкого палива, г/(кВт×год)

Для бензинових двигунів g_e=275-325 г/(кВт∙ч).

Годинні витрати рідкого палива, кг/год

Літрова потужність двигуна, кВт/л

Для бензинових двигунів N_л=15-50 кВт/л.

3. Побудова індикаторної діаграми

Значення тиску знаходимо по формулам:

а) для процесу стиску

;

б) для процесу розширення

,

де V_z = V_c - для карбюраторного двигуна.

Значення тиску в проміжних точках діаграми

По результатам таблиці будуємо індикаторну діаграму (додаток 1). Розрахункову індикаторну діаграму скругляємо, так як в реальному двигуні за рахунок випередження запалювання робочої суміші запалюється до приходу поршня в в.м.т. і підвищує тиск кінця процесу стискання; процес видимого згоряння відбувається при постійно змінюваному обсязі; дійсний тиск кінця процесу видимого згорання р_zд=МПа. Відкриття впускного клапана до приходу поршня в н.м.т. знижує тиск в кінці розширення і має місце процес випуску і наповнення циліндра.

Висновок

В результаті проведеного розрахунку отримані наступні результати:

• максимальна потужність при частоті обертання 5600 хв^-1 - 64,1256 кВт;

• крутний момент при частоті обертання колінчастого вала 5600 хв^-1, 109 Нм;

• середній індикаторний тиск  МПа;

• питома індикаторний витрата палива  г / (кВт ∙ год);

• літрова потужність  кВт / л.

Таким чином, після проведених розрахунків, отримано збільшення ефективної потужності розроблюваного двигуна. За результатами розрахунку побудована індикаторна діаграма.

Перелік посилань

1. Автомобільні двигуни / За ред. І.І. Тимченко. - Харків, Основа, 1995. - 460 стор.

. Автомобільні двигуни. Теорія робочого циклу, система живлення і наддування, динаміка і зрівноваженість: Учеб. Посібник/Тимченко І.І. - К: УМКВО. 1990. 256 с.

. Теорія двигунів внутрішнього згоряння/ Під ред.. Н.Х. Д’яченко. Л.: Машинобудування, 1974. - 552 с.