Тепловой расчет бензинового двигателя

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Дисциплина: Автомобильные двигатели

Тема: Расчёт бензинового инжекторного двигателя 84 кВт

Выполнил Скоробогатых П. А.

Проверил Чурилов Ю.В.

Зав. кафедройЧудов В.И.

Сыктывкар 2008

 

содержание

 

Введение

1. Тепловой расчёт бензинового двигателя

1.1 Топливо

1.2 Параметры рабочего тела

1.3 Параметры окружающей среды и остаточные газы

1.4 Процесс впуска

1.5 Процесс сжатия

1.6 Процесс сгорания

1.7 Процессы расширения и выпуска

1.8 Индикаторные параметры рабочего цикла

1.9 Эффективные показатели двигателя

1.10 Основные параметры цилиндра и двигателя

1.11 Посторенние индикаторной диаграммы

2. Тепловой баланс двигателя

3. Построение внешней скоростной характеристики двигателя

 

 

Введение

Современные наземные виды транспорта обязаны своим развитием главным образом применению в качестве силовых установок поршневых двигателей внутреннего сгорания. Именно поршневые ДВС до настоящего времени являются основным видом силовых установок, преимущественно используемых на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных, дорожно-транспортных и строительных машинах.

Являясь достаточно сложным агрегатом, любой двигатель должен вбирать в себя многие достижения постоянно развивающихся различных направлений и отраслей науки: химии и физики, гидравлики и аэродинамики, теплотехники и электроники, металлургии и сопротивления материалов, математики и вычислительной техники и т. д. и т. п.

Выполнение сегодняшних задач и движение к прогрессу требует от специалистов, связанных с производством и эксплуатацией автомобильных двигателей, глубоких знаний теории, конструкции и расчета двигателей внутреннего сгорания.

Прогресс в автомобильной промышленности, дальнейшее увеличение грузооборота автомобильного транспорта предусматривает не только количественный рост автопарка, но и значительное улучшение использования имеющихся автомобилей, повышение, культуры эксплуатации, увеличение межремонтных сроков службы.

Тепловой расчет позволяет с достаточной степенью точности аналитическим путем определить основные параметры вновь проектируемого двигателя, а также проверить степень совершенства действительного цикла реально работающего двигателя.

В данном учебном пособии основное внимание уделено расчету вновь проектируемого двигателя. В связи с этим приводятся основные положения, необходимые для выбора исходных параметров, которые используются при выполнении как теплового, так и последующих расчетов двигателя.

При расчете двигателя обычно задаются величиной номинальной мощности или определяют ее с помощью тяговых расчетов. Номинальной мощностью (N_е) называют эффективную мощность, гарантируемую заводом-изготовителем для определенных условий работы. В автомобильных и тракторных двигателях номинальная мощность равна максимальной мощности при нормальной частоте вращения коленчатого вала. Выбор или задание номинальной мощности определяется прежде всего назначением двигателя (для легкового или грузового автомобилей, трактора); его типом (бензиновый - карбюраторный или двигатель с впрыском топлива, газовый, дизель); условиями эксплуатации и т.д. Мощность современных автомобильных и тракторных двигателей колеблется в очень широких пределах – 15 – 500 кВт.

Другим важнейшим показателем двигателя является частота вращения коленчатого вала, характеризующая тип двигателя и его динамические качества. На протяжении длительного времени существовала тенденция повышения частоты вращения коленчатого вала. Результатом этого являлось снижение основных размеров двигателя, его массы и габаритов. Однако с увеличением частоты вращения возрастают инерционные силы, ухудшается наполнение цилиндров, возрастает токсичность продуктов сгорания, повышается износ деталей и узлов двигателя, снижается его срок службы. В связи с этим в 60- 80-х годах частота вращения коленчатого вала двигателей практически стабилизировалась, а для отдельных типов автомобильных двигателей даже снижалась. Однако применение бензиновых двигателей с впрыском топлива во впускную систему и непосредственно в цилиндр позволило значительно увеличивать частоту вращения коленчатого вала при снижении токсичности отработавших газов.

 

 

Топливо

 

Средний элементарный состав бензинового топлива:

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

Низшая теплота сгорания бензина:

 

Параметры рабочего тела

 

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива.

 

 

 кмоль воздуха/кг топлива

 

где 0,208 – объемное содержание кислорода в 1кмоль воздуха.

 

 

 кг воздуха/кг топлива

 

где 0,23 – массовое содержание кислорода в 1кг воздуха.

 

Коэффициент избытка воздуха.

Принимаем: .

Количество горючей смеси:

 

 кмоль гор. смеси/кг топлива

 

где m_Т = 115 кг/моль – молекулярная масса паров бензина.

При неполном сгорании топлива продукты сгорания представляют собой смесь углекислого газа СО , водяного пара Н О, кислорода О  и азота N .

Количество отдельных компонентов продуктов неполного сгорания топлива:

Углекислого газа:

 

 кмоль СО ₂/кг топлива

 

Водяного пара:

 

 

 кмоль Н ₂ О /кг топлива

 

Кислорода:

 

 

 кмоль О ₂/кг топлива

 

Азота:

 

 кмоль N ₂/кг топлива

 

Общее количество продуктов неполного сгорания топлива:

 

 

 кмоль сгорания/кг топлива

 

Процесс впуска

 

Температура подогрева свежего заряда.

Рассчитываемый двигатель не имеет специального устройства для подогрева свежего заряда. Однако естественный подогрев заряда в бензиновом двигателе может достигать . Принимаем:

 

 

 

Потери давления на впуске

,

 

Примем

 

.

 

Давление в конце впуска составляет:

 

 

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

 

 

 

Температура заряда в конце пуска  определяется:

 

 

Коэффициент наполнения

 

 

Параметры	Значения
Pr, МПа	0,12
P0, МПа	0,1
Тr, K	1040
T0, K	293
ηv	0,79699
ε	11,3
∆T, K	7
γ
Pa, МПа	0,085
Ta, К	329,27

 

Процесс сжатия

 

Для расчетов параметров в конце сжатия примем показатель политропы равный

 

.

 

Давление в конце сжатия:

 

 

Температура в конце сжатия:

 

 

Определим среднюю теплоемкость в конце сжатия

а) свежей смеси (воздуха)

 

,

где

 

б) остаточных газов  определяем по рекомендации методического пособия.

 

 

в) рабочей смеси:

 

 

Параметры	Значения
Tc, K	788,24
Pc, МПа	2,299

 

Процесс сгорания

 

Коэффициент молекулярного изменения горючей и рабочей смеси .

 

 

Определим теплоту сгорания рабочей смеси

 

 

Определим мольную теплоемкость продуктов сгорания

 

 

 

Температура в конце видимого процесса сгорания:

 

 

примем , получим

 

 

Отсюда имеем

 

 

Отсюда

 

 

Максимальное давление сгорания теоретическое:

 

 

Максимальное давление сгорания теоретическое:

 

 

Определим степень повышения давления

 

 

Параметры	Значения
μ	1,024
μ0	1,0524
(mcv^’), кДж/кг	21,96
(mcv^’’), кДж/кг	24,24
ξ	0,91
Tz, K	2978
Pz, МПа	8,89
λ	3,867

 

Таблица 5

Параметры	Значения
Pb	0,4
Tb	1510,3

 

Таблица 6

Параметры	Значения
Pi^’, МПа	1,16
Pi, МПа	1,14
ηi	0,4
gi, г/кВт*ч	204,87
φ	0,98

Таблица 7

Параметры	Значения
∆P, МПа	0,12
Pe, МПа	1,02
ηм	0,89
ηe	0,356
ge, г/кВт*ч	230,2

 

Таблица 8

Параметры	Значения
D, мм	85
S,мм	77
Vл, л	1,7
Ne,кВт	86
Me, Н·м	141,6
Gт, кг/ч	19,8

 

Таблица 9

№ точек	OX, мм	OB/OX	Политропа сжатия			Политропа расширения
				, мм	, МПа		, мм	, МПа
1 2 3 4 5 6 7 8 9	160 130 110 90 70 50 30 20 14,96	1,056 1,3 1,54 1,87 2,41 3,38 5,63 8,45 11,3	1,078 1,43 1,798 2,34 3,31 5,24 10,49 18,22 27,05	2,29 3,05 3,83 4,98 7,05 11,16 22,34 38,8 57,62	0,09 0,122 0,15 0,199 0,28 0,45 0,89 1,55 2,3	1,072 1,39 1,74 2,23 3,08 4,75 9,13 15,36 22,28	10,72 13,9 17,4 22,3 30,8 47,5 91,3 153,6 222,8	0,429 0,556 0,696 0,892 1,23 1,9 3,65 6,144 8,91

 

Действительная или скругленная индикаторная диаграмма отличатся от расчетной за счет опережения зажигания или впрыска (т. с´), повышение давления в конце сжатия (т. c˝). Кроме того на рабочий процесс оказывает влияние период открытия и закрытия клапанов газораспределения (т. a´ a˝ b´ и r´). Для определения местоположения точек c´, b´, r´, a´ и a˝ следует задаться фазами газораспределения и углом опережения зажигания (впрыска), а также соотношение радиуса кривошипа R к длине шатуна L_ш. значение данного соотношения. Примем .

В соответствии с принятыми фазами газораспределением и углом опережения зажигания (впрыска) определяют положение точек r´, a´, a˝, c´ и b´ по формуле:

 

 

Результаты расчетов приводим в таблице 2

 

Таблица10

Обозначение точек	Положение точек	φ°		Расстояние точек от ВМТ (AX) мм.
r´	18° до ВМТ	18	0,0625	4,8
a´	25° после ВМТ	25	0,119	9,2
a˝	60° после НМТ	120	1,607	123,74
c´	35° до ВМТ	35	0,227	17,48
b´	55° до НМТ	125	1,669	128,51

 

Положение точки с^" определяется из выражения

 

 

 

 

Тепловой баланс

 

Тепло, выделяющееся при сгорании топлива в цилиндрах двигателя, не может быть полностью преобразовано в полезную механическую работу. В реальном двигателе потери тепла возрастают из-за трения, теплообмена, неполноты сгорания и других причин. В связи с эти эффективный КПД цикла имеет меньшее значение по сравнению с термическим КПД, который всегда остается меньше единицы вследствие передачи части тепла холодному источнику.

Распределение тепловой энергии топлива, сгорающего в двигателе, наглядно иллюстрируется составляющими внешнего теплового баланса, которые определяются при установившемся тепловом состоянии двигателя в процессе его испытаний. Приближенно составляющие теплового баланса можно найти аналитически по данным теплового расчета двигателя.

Тепловой баланс позволяет определить тепло, превращенное в полезную эффективную работу, т.е. установить степень достигнутого совершенства теплоиспользования и наметить пути уменьшения имевшихся потерь. Знание отдельных составляющих теплового баланса позволяет судить о теплонапряженности деталей двигателя, рассчитать схему охлаждения, выяснить возможность использования теплоты отработавших газов и т.д.

Тепловой баланс двигателя характеризует распределение тепловой энергии сгоревшего топлива. Приближенно, составляющие теплового баланса можно определить аналитически по данным теплового расчета двигателя.

Уравнение теплового баланса:

 

Q_o= Q_e + Q_г + Q_в + Q_н.с.+ Q_ост.

 

 

где Q_o – теплота, введенная в цилиндры двигателя с топливом при режиме номинальной нагрузки:

 

 

Q_e – теплота, превращенная в полезную (эффективную) работу

 

 

Q_г – теплота, потерянная с отработавшими газами,

 

 

 

где , – молярные теплоемкости продуктов сгорания и свежего заряда, кДж/(кмоль·град.),

t_г, t_o – температура отработавших газов и свежего заряда, для расчета примем:

 кДж/(кмоль·град),

 кДж/(кмоль·град);

 

 

Q_в – теплота, передаваемая охлаждающей среде:

 

, Дж/с,

 

где – коэффициент пропорциональности для 4-х тактных двигателей,

– эмпирический коэффициент, примем m = 0,6

– число цилиндров,

 

 

Q_ост – неучтенные потери теплоты:

 

 

Представим тепловой баланс в относительных единицах.

 

 

Знание абсолютных значений составляющих теплового баланса позволяет осуществить количественную оценку распределения теплоты в двигателе.

Величины отдельных составляющих теплового баланса двигателя не являются постоянными, а изменяются в процессе его работы в зависимости от нагрузки, быстроходности и других факторов.

Характер распределения теплоты, подводимой в цилиндр с топливом, в процессе превращения в полезную эффективную работу наглядно может быть представлен в виде кривых теплового баланса. Графические зависимости строятся на основании определения каждой составляющей в зависимости от частоты вращения, нагрузки, качества смеси и т.д.

Тепловой баланс

 

Таблица 11

Частота вращения коленчатого вала, мин^-1	Параметры внешней скоростной характеристики
	Nex, кВт	Mex, Н·м	qex, г/(кВт·ч)	GT, кг/ч
1000	16,94	161,777	242,0248	4,0999
2000	36,35	173,5713	218,7584	7,951869
3000	55,59	176,9615	206,441	11,47605
4000	72	171,9	205,0723	14,76521
5000	82,95	158,4345	214,6526	17,80543
5800	86	141,6034	230,2	19,7972
6100	85,53	133,9035	237,8368	20,34218
6300	84,64	128,349	243,4755	20,61507

 

Кинематический расчет КШМ

 

Цель кинематического расчета – определение перемещения, скорости и ускорения поршня от угла поворота коленчатого вала. Кинематический расчет выполняется только для двигателя с центральным КШМ.

 

Рис. 3. Кинематическая схема КШМ

S – ход поршня (77 мм);

s – путь поршня;

a – угол поворота коленчатого вала;

b - угол отклонения оси шатуна от оси цилиндра;

R – радиус кривошипа ( 38,5 мм);

 

 – длина шатуна;

 – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

 – угловая скорость вращения коленчатого вала;

 

Перемещение поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала

 

, мм

 

Расчет S_x производим аналитически через каждые 30° для одного оборота коленчатого вала, результаты расчета заносим в таблицу 12

Скорость поршня является переменной величиной и при постоянной частоте вращения коленчатого вала зависит от φ и λ.

 

V_n=R , м/с;

 

Результаты расчеты V_n заносим в таблицу 12.

Ускорение поршня:

 

, м²/с;

 

Результаты расчета j_n заносим в таблицу 12.

По данным результатам таблицы 12 строим графически S_x, V_n и j.

Таблица 12

°		Sx, мм		Vп, м/с		j, м/с^2
0	0,00	0,00	0,00	0,00	1,25	17731,61
30	0,17	6,55	0,61	14,26	0,99	14043,43
60	0,60	23,10	0,97	22,67	0,38	5390,409
90	1,12	43,12	1,00	23,37	-0,25	-3546,32
120	1,60	61,60	0,76	17,76	-0,62	-8794,88
150	1,90	73,15	0,39	9,11	-0,74	-10497,1
180	2,00	77,00	0,00	0,00	-0,75	-10639
210	1,90	73,15	-0,39	-9,11	-0,74	-10497,1
240	1,60	61,60	-0,76	-17,76	-0,62	-8794,88
270	1,12	43,12	-1,00	-23,37	-0,25	-3546,32
300	0,60	23,10	-0,97	-22,67	0,38	5390,409
330	0,17	6,55	-0,61	-14,26	0,99	14043,43
360	0,00	0,00	0,00	0,00	1,25	17731,61

 

 

 

 

 

Приведение масс частей КШМ

 

Масса поршневой группы (для поршня из алюминиевого сплава принято

 

)

 

Масса шатуна (для стального кованного шатуна принято )

 

 

Масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов (для литого чугунного вала принято

 

).

 

Масса шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца:

 

 

Масса шатуна сосредоточенная на оси кривошипа:

 

 

Массы, совершающие возвратно-поступательное движение:

 

 

Массы совершающие вращательное движение:

 

Удельные суммарные силы

Удельная сила (МПа), сосредоточенная на оси пальца

 

 

Удельная нормальная сила

 

.

 

Значения определяем для и заносим в таблицу14.

Удельная сила действующая вдоль шатуна

 

 

Удельная сила действующая по радиусу кривошипа

 

 

Удельная и полная тангенциальные силы в МПа и кН:

 

 

По данным таблицы строим графики изменения удельных сил , , , , и  в зависимости от изменения угла поворота коленчатого вала .

Крутящие моменты

Крутящий момент одного цилиндра равен

 

 

Период изменения крутящего момента четырехтактного двигателя с равными интервалами между вспышками

 

 

Осуществляем табличным методом суммирование значений крутящих моментов всех четырех цилиндров двигателя через каждые 30 градусов угла поворота коленчатого вала и по полученным данным (таблица13) строим кривую  в масштабе

 

.

 

Средний крутящий момент двигателя:

По данным теплового расчета

 

 

По площади заключенной под кривой

 

 

Ошибка

 

 

Максимальный и минимальный крутящие моменты.

 

 

Таблица13

Таблица крутящих моментов
	Цилиндры
	1		2		3		4
	φ^окриво-шипа		φ^окриво-шипа		φ^окриво-шипа		φ^окриво-шипа
0	0,0	0	180,0	0	360,0	0	540,0	0	0
30	30,0	-273,369	210,0	-114,201	390,0	231,211	570,0	-130,835	-287,194
60	60,0	-183,116	240,0	-186,277	420,0	237,226	600,0	-210,904	-343,071
90	90,0	82,2089	270,0	-100,49	450,0	112,762	630,0	-93,1775	1,3034
120	120,0	181,953	300,0	129,674	480,0	226,638	660,0	172,4108	710,66
150	150,0	114,201	330,0	137,766	510,0	251,973	690,0	266,6887	77063
180	180,0	0	360,0	0	540,0	143,03	720,0	0	0

 

φ°
0	-0,064	17501,33	-2,47	-2,54	0	0	1	-2,53587	1	-2,53587	0	0	0	0
30	-0,115	13861,05	-1,96	-2,07	0,126	-0,26112	1,008	-2,08898	0,803	-1,66413	0,609	-1,26209	-7,19391	-273,369
60	-0,115	5320,404	-0,75	-0,87	0,22	-0,19056	1,024	-0,88699	0,309	-0,26766	0,976	-0,84541	-4,81885	-183,116
90	-0,115	-3500,27	0,49	0,38	0,256	0,097163	1,032	0,391688	-0,256	-0,09716	1	0,379542	2,163392	82,2089
120	-0,115	-8680,66	1,23	1,11	0,22	0,244457	1,024	1,137837	-0,691	-0,76782	0,756	0,840044	4,788251	181,9535
150	-0,115	-10360,8	1,46	1,35	0,126	0,169905	1,008	1,359241	-0,929	-1,25271	0,391	0,527245	3,005299	114,2014
180	-0,115	-10500,8	1,48	1,37	0	0	1	1,368227	-1	-1,36823	0	0	0	0
210	-0,115	-10360,8	1,46	1,35	-0,126	-0,16991	1,008	1,359241	-0,929	-1,25271	-0,391	-0,52725	-3,0053	-114,201
240	-0,088	-8680,66	1,23	1,14	-0,22	-0,25027	1,024	1,164871	-0,691	-0,78606	-0,756	-0,86	-4,90201	-186,277
270	-0,030	-3500,27	0,49	0,46	-0,256	-0,11877	1,032	0,478789	-0,256	-0,11877	-1	-0,46394	-2,64447	-100,49
300	0,138	5320,404	-0,75	-0,61	-0,22	0,134948	1,024	-0,62812	0,309	-0,18954	-0,976	0,598679	3,41247	129,6739
330	0,913	13861,05	-1,96	-1,04	-0,126	0,131594	1,008	-1,05275	0,803	-0,83865	-0,609	0,636037	3,625413	137,7657
360	2,560	17501,33	-2,47	0,09	0	0	1	0,088288	1	0,088288	0	0	0	0
370	7,356	17093,18	-2,41	4,94	0,043	0,212503	1,001	4,946872	0,977	4,828266	0,216	1,067457	6,084504	231,2112
390	3,756	13861,05	-1,96	1,80	0,126	0,226599	1,008	1,812791	0,803	1,444118	0,609	1,095228	6,242799	237,2264
420	1,285	5320,404	-0,75	0,53	0,22	0,117348	1,024	0,546201	0,309	0,16482	0,976	0,520598	2,967408	112,7615
450	0,552	-3500,27	0,49	1,05	0,256	0,267864	1,032	1,079825	-0,256	-0,26786	1	1,046342	5,964152	226,6378
480	0,313	-8680,66	1,23	1,54	0,22	0,338529	1,024	1,5757	-0,691	-1,06329	0,756	1,16331	6,630865	251,9729
510	0,226	-10360,8	1,46	1,69	0,126	0,212796	1,008	1,702365	-0,929	-1,56895	0,391	0,660342	3,763948	143,03
540	0,149	-10500,8	1,48	1,63	0	0	1	1,632227	-1	-1,63223	0	0	0	0
570	0,082	-10360,8	1,46	1,54	-0,126	-0,19465	1,008	1,557213	-0,929	-1,43517	-0,391	-0,60404	-3,44302	-130,835
600	0,062	-8680,66	1,23	1,29	-0,22	-0,28335	1,024	1,318881	-0,691	-0,88999	-0,756	-0,9737	-5,55012	-210,904
630	-0,064	-3500,27	0,49	0,43	-0,256	-0,11013