Тепловой расчет ДВС

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А. Н. ТУПОЛЕВА.

КАФЕДРА АД и С

Расчетно-пояснительная записка к курсовой работе

"Тепловой расчет ДВС"

по дисциплине "Автомобильные двигатели"

Выполнил: студент гр. 1371 Золев А.В.

Руководитель: Сосницкий А.Б.

Казань 2007

Содержание

Исходные данные. 3

1. Тепловой расчет двигателя. 4

2. Основные параметры двигателя. 15

3. Построение индикаторных диаграмм. 17

Список используемой литературы.. 21

Исходные данные

1. Мощность двигателя,  N_e = 87 кВт;

2. Частота вращения коленчатого вала, n_N = 6000 об/мин;

3. Тактность двигателя, τ = 4;

4. Количество цилиндров, i = 4;

5.   Степень сжатия, ε = 10,3;

6. Тип охлаждения – жидкостное.

Режимы для проведения теплового расчета:

а) режим минимальной частоты вращения n_min = 1000об./мин.

б) режим максимального крутящего момента n_M =0,53n_N = 3200 об./мин.

в) режим максимальной (номинальной) мощности n_N = 6000об./мин.

г) режим максимальной скорости движения автомобиля

   n_max = 1.05n_N = 6300 об./мин.

Подбор аналогов

1. Тепловой расчет двигателя

Расчет проводится для заданной частоты вращения коленчатого вала карбюраторного двигателя n = 6000об/мин.

Топливо. В соответствии с заданной степенью сжатия ε = 10,3 можно использовать бензин марки АИ-93. ПРЕМИУМ-95 и АИ-98 ЭК

Средний элементарный состав и молекулярная масса бензина

С = 0,855; Н = 0,145; m_т = 115 кг/кмоль.

Определим низшую теплоту сгорания топлива

Н_u = 33,91С+125,60Н-10,89(O-S)-2,51(9H+W) = 33,91*0,855+125,6*0,145-2,51*9*0,145 = 43,93 МДж/кг = 43930кДж/кг.

Параметры рабочего тела. Теоретическое необходимое количество воздуха для сгорания 1кг. топлива      

кмоль возд/кг топл.

кмоль

возд./кг топл.

Коэффициент избытка воздуха α = 0,96 на основных режимах

(литература 1). На режимах минимальной частоты вращения α = 0,86.

Количество горючей смеси.

 кмоль гор.см./кг. топл.

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания при К = 0,5

кмольСО₂/кгтопл.

 кмольСО/кгтопл.

кмольН₂О/кгтопл.

кмольН₂/кгтопл.

 кмольN₂/кгтопл.

Общее количество продуктов сгорания:

  М₂ = М_СО2 + М_СО + М_Н2О + М_Н2 + М_N2 = C/12 + H/2 + 0,79αL₀ = 0,0655 + 0,0057 + 0,0696 + 0,0029 + 0,3923 = 0,5361 кмоль пр.сг/кг топл.

Результаты занесем в таблицу

Параметры окружающей среды и остаточные газы.

Давление и температура окружающей среды при работе двигателей без наддува

Рк = Ро = 0,1 МПа и Тк = То = 293 К

Температура остаточных газов.

(рис. 5.1 литература 1 принимаем).

При номинальных режимах карбюраторного двигателя Тr = 1070 К

Давление остаточных газов.

Для карбюраторного двигателя на номинальном скоростном режиме:

PrN = 1,18 Po = 1,18*0,1 = 0,118 МПа.

Процесс пуска.

Температура подогрева свежего заряда. С целью получения хорошего наполнения карбюраторных двигателей на номинальных скоростных режимах принимается Δ Т_N = 8ºС.    

                                                                                                          (1)

Плотность заряда на выпуске.

Ρ_r = Р_о *10⁶ / (R_BT_O) = 0,1*10⁶ / (287*293) = 1,189 кг / м³,

где R_B – 287 Дж / (кг.град.) – удельная газовая постоянная для воздуха.

                                                                                                               (1)

    Потери давления на впуске.

    При учете качественной обработки внутренних поверхностей впускных систем для карбюраторного двигателя можно принять β² + ξ_ВП = 2,8 и

 ω_ВП = 95 м/с.

     β – коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра.

    ξ_ВП – коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому ее сечению.

     ω_ВП – средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы.

                                                                                                                 (1)

Тогда ΔР_а на всех скоростных режимах двигателя рассчитывается по формуле:

ΔР_а = (β² + ξ_вп) А²_nn²ρ_о10^-6/2, где А_n = ω_вп / n_N             

 А_n = 95 / 6000 = 0,0158

ΔР_а = 2,8 * 0,0158² * 6000² * 1,189 * 10^-6 / 2 = 0,0150

Давление в конце пуска.

В карбюраторном двигателе при n_N = 6000 мин^-1.

Р_а = Р_о – ΔР_а = 0,1 – 0,0150 = 0,085 Мпа.

Коэффициент остаточных газов.

При n_N = 6000 мин^-1.

φ_оч = 1 – коэффициент очистки.

φ_доз = 1,12 – коэффициент дозарядки на номинальном скоростном режиме.

Температура в конце впуска.

Т_а = (Т_о + ΔТ + γ_r * T_r) / (1 + γ_r) ₌ (293+8+0,0385*1070) / (1+0,0385) = 329  

Коэффициент наполнения.

Результаты вычислений занесем в таблицу.

Процесс сжатия.

При ε = 10,3 и Т_а = 329 К, n_N = 6000 мин^-1 определяем по монограмме средний показатель адиабаты сжатия к₁ = 1,3765 и средний показатель политропы сжатия n₁ = 1,37.               

                                                                                                                   (1)

Давление в колнце сжатия.

При n_N = 6000 мин^-1

Р_с = Р_аεⁿ = 0,085*10,3^1,376 = 2,1036 Мпа.

Температура в конце сжатия.

Т_с = Т_аε^n-1 = 329*10,3^1,376-1 = 792 К.

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия.

а) свежей смеси (воздуха)

20,6 + 2,638 * 10^-3 * t_c , где t_c = Т_с - 273 ºС

20,6 + 2,638 * 10^-3 * 519 = 21,969 кДж / (кмоль град).

б) остаточных газов

определяется методом интерполяции по табл. 3.8 при n_N = 6000 мин^-1 , α = 0,96 и t_c = 519 ºС.    

 (m) = 24,014+(24,150 – 24,014)*0,01/0,05 = 24,0412 кДж/(кмоль град).

(m) = 24,44+(24,586 – 24,44)* 0,01/0,05 = 24,469 кДж/(кмоль град).

(m) = 24,041+(24,469 – 24,041)* 19/100 = 24,122 кДж/(кмоль град).

в) рабочей смеси

 кДж/(кмоль град).

 (m) =  кДж/(кмоль град).

Результаты вычислений заносим в таблицу.

Процесс сгорания.

Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси:

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания:

ΔН_u = 119950*(1-α)*L₀ кДж/кг. = 119950*(1-0,96)*0,516 = 2476 кДж/кг.

Теплота сгорания рабочей смеси:

Н_раб.см. =  кДж/кмоль раб.см.

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания:

(m)= 

кДж/кмоль град.

Определяется по эмпирическим формулам таб. 3.7 литература 1.

(m)=  *[0,0655*(39,123+0,003349t_z)+0,0057*(22,49+0,00143t_z)+0,0696*(26,6++0,004438t_z)+0,0029*(19,678+0,001758t_z)+0,3923*(21,951+0,001457t_z)=24,657+ 0,002077t_z] кДж/кмоль град.

Коэффициент использования теплоты ξ_z принимаем = 0,88:

                                                                                                                    (1)

Температура в конце видимого процесса сгорания: при n = 6000 мин

ξ_z Н_раб.см + (m) t_c = μ(m)t_z :

  0,88*79193+22,049*519 = 1,061*(24,657+0,002077) t_z,

  0,002204+26,165 t_z – 81132 = 0, откуда

 t_z =

   = 2552 ºС;

T_z = t_z + 273 = 2825 К;

 Максимальное давление сгорания теоретическое:

   p_z = p_c*μ* T_z/ Т_с = 2,1036*1,061*2825/792 = 7,963 МПа.

Максимальное давление сгорания действительное:

   P_zд  = 0,85* p_z = 0,85*7,963 = 6,7689 МПа.

Степень повышения давления:

   λ =  p_z/ p_c = 7,963/2,1036 = 3,786.

Процессы расширения и выпуска

Средний показатель адиабаты расширения К₂ определяется по номограмме рис. 4.8 при заданном ε для соответствующих значений α и T_z, а средний показатель политропы расширения n₂, оценивается по величине среднего показателя адиабаты:

 ε  = 10,3; α = 0,96; T_z = 2825 К; К₂ = 1,2528; n₂ = 1,252.

  Давление и температура в конце процесса расширения:

    Р_в = P_z/ εⁿ²    и     Т_в = T_z/ ε^n2-1:

    Р_в = 7,9635/10,3^1,252 = 0,4296 МПа,  Т_в = 2825/10,3^1,252-1 = 1570 К;

  Проверка ранее принятой температуры остаточных газов:

             К;

             Δ Т_r = ,

      Где Δ Т_r – погрешность расчета -  4,6 % допустимая погрешность.

Индикаторные параметры рабочего цикла.

  Теоретическое среднее индикаторное давление:

 МПа.

  МПа.

   Среднее индикаторное давление:

     p_i = φ_u* Р_j ^, = 0,96*1,1588 = 1,1124 МПа.

  Где φ_u = 0,96 – коэффициент полноты индикаторной диаграммы.

  Индикаторный КПД и индикаторный удельный расход топлива:

           г/кВт. Ч

  Эффективные показатели двигателя.

   Среднее давление механических потерь для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением S/D≤1.

   P_м = 0,034 + 0,0113* V_п.ср МПа.

Для нашего карбюраторного двигателя, предварительно приняв ход поршня S равным 78 мм., получим значение средней скорости поршня:

     м/с.

 Тогда:   P_м = 0,034 + 0,0113*15,6 = 0,2103 МПа.

Среднее эффективное давление и механический КПД:

    Р_е = Р_j - Р_м = 1,1124 – 0,2103 = 0,9021 МПа.

    η_м = .

Эффективный КПД и эффективный удельный расход топлива:

   η_е = η_j * η_м = 0,3388 * 0,811 = 0,2748

   g_е =  г/кВт.ч.

2. Основные параметры двигателя

 Литраж двигателя:

      дм³.

Рабочий объем одного цилиндра:

      дм³.

Диаметр цилиндра. Так как ход поршня предварительно был принят S = 78 мм, то:

               мм.

Окончательно принимается D = 88 мм, S = 78 мм.

Площадь поршня:

         дм.

Литраж двигателя:

          дм³..

Мощность двигателя:

          N_е = кВт.

Литровая мощность двигателя:

          N_л =  кВт/л.

Крутящий момент:

          М_е =  Н*М.

Часовой расход топлива:

          G_T = N_е * g_е * 10^-3 = 86 * 298* 10^-3 = 25,5 кг/ч.

3. Построение индикаторных диаграмм

Определяем объем камеры сгорания:

          V_c = дм³.

Находим полный объем цилиндра:

           V_а = V_c +  V_h = 0,05 + 0,4822 = 0,534

Рассчитанные точки:

  ВМТ: P_r = 0,118 Mpa; Р_с = 2,1036 МПа; P_z = 7,9635 МПа.

  НМТ: Р_а = 0,085 Mpa; Р_в = 0,4296 МПа.

Задаваясь различными углами φ поворота коленчатого вала, определяем положение поршня по формуле:

   х =

Задаем λ = 0,285

Затем при этих углах φ находим текущий объем над поршневого пространства:

     V_х = V_c + хF_п.

Определяем давление на линии сжатия и расширения при выбранных углах поворота коленчатого вала:

     ;

     ;

Результаты расчета приведены в таблице № 1.

                                                                                                    Таблица № 1.

Продолжение таб. 1.

Скругление индикаторной диаграммы.

Учитывая быстроходность рассчитываемого двигателя, устанавливаем следующие фазы газораспределения:

        Начало ( точка r^,) - 20º до ВМТ; окончание (точка а^,,) - 60º после НМТ.

        Начало ( точка b^,) - 60º до НМТ; окончание (точка а^,) - 20º после ВМТ.

Угол опережения зажигания принимаем 30º (точка с^,), продолжительность периода задержки воспламенения – Δφ = 10º , отсюда 30 – 10 = 20º( точка f)

     Полоңение точки с^,, определяем из выражения:

         Р_С^,, = (1,15...1,25)р_с = 1,2*2,1036 = 2,5243 МПа.

Действительное давление сгорания:

        P_zд  = 0,85* p_z = 0,85*7,9635 = 6,769 МПа.

   Принято считать, что это давление достигает через 10º после ВМТ.

   Нарастание давления от точки с^,, до точки z составит Δр/Δφ = 0,417, что означает плавную работу двигателя.

   Результаты расчета положения характерных точек приведены в таблице    № 2.

                                                                                                Таблица № 2

Список используемой литературы

1. Колчин А.И., Демидов В.П. "Расчет автомобильных и тракторных двигателей" М.: Высшая школа, 2002 год.