Расчеты двигателя внутреннего сгорания

Расчеты двигателя внутреннего сгорания

 

 

Методические указания к курсовой работе

по дисциплине «Двигатели, автомобили, тракторы»

для студентов специальности 190205  Подъемно-транспортные строительные

и дорожные машины и оборудование

 

 

Тверь 2010

УДК

ББК

Масленников Д.Г. Расчеты двигателя внутреннего сгорания Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Двигатели, автомобили, тракторы» для студентов специальности 190205 Подъемно-транспортные строительные и дорожные машины и оборудование.

 

Методические указания являются основным руководством по выполнению теплового и динамического расчётов двигателей внутреннего сгорания по дисциплине «Двигатели, автомобили, тракторы» студентами специальности «Подъемно-транспортные строительные и дорожные машины и оборудование».

 

Рассмотрены и рекомендованы к печати кафедрой «Строительные и дорожные машины и оборудование» (Протокол № 10 от 24 июля 2010 года).

 

/ Д.Г.Масленников. Тверь.ТГТУ,2010,30с.

 

Рецензент: доцент кафедры МАХП, к.т.н. Шелгунов В.В.

 

 

Библиографический список

1. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей//А.В. Николаенко. М.: Колос, 1984.

2. Расчет автомобильных и тракторных двигателей// А.И. Колчин, Е.П.Демидов. М.: Высшая школа, 2002.

3. Двигатели внутреннего сгорания/ под ред. В.Н. Луканина.

М.: Высшая школа, 2005.

4. Теплотехника: учеб.для вузов/ под ред. В.Н.Луканина. М.: Высшая школа, 2000.

5. Техническая характеристика и описание конструкции заданного прототипа двигателя.

 

Тверской государственный технический университет,2010

1. Указания по оформлению курсовой работы

 

Курсовую работу оформляют в виде расчетно-пояснительной записки, выполненной на офисной бумаге формата А4 с соблюдением требований стандартов ЕСКД.

Расчеты последовательно производят по данным методическим указаниям. В каждом разделе помещают комментарии, формулы, ссылки на литературные источники  [ ], проставляют размерность. Диаграммы и схемы вычерчивают на миллиметровой бумаге от руки или с помощью компьютерной графики и подшивают в соответствующий раздел записки. Формат диаграмм может быть А4 или А3 в зависимости от их сложности и выбранного масштаба.

 

Тепловой расчет двигателя

Двигатель внутреннего сгорания – тепловой поршневой двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно внутри цилиндра. При этом образуется рабочее тело, т.е. смесь газов, изменяющая свое состояние: температуру Т, давление р, объем V. Рабочее тело изменяет свое состояние периодически, совершая круговой рабочий цикл и отдавая механическую работу на вал двигателя.

Рабочий цикл – комплекс последовательных процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Эти процессы называются тактами. У четырехтактного двигателя рабочий цикл, т. е. все четыре такта происходят за четыре хода поршня или за два оборота коленчатого вала. Таким образом, за один рабочий цикл коленчатый вал поворачивается на угол φ = 720⁰

Тепловой расчёт позволяет установить принципиальные термодинамические  зависимости рабочего цикла от условий его протекания.  В свою очередь, параметры рабочего цикла являются основой для нахождения технических показателей – мощности, крутящего момента, расхода топлива и геометрических размеров двигателя - диаметра цилиндра, хода поршня и, соответственно, радиуса кривошипа, внешних габаритных размеров и массы.

Для наглядности и удобства анализа рабочий цикл принято изображать в виде индикаторной диаграммы в координатах давление p – объём V (рис. 1,2). Для построения индикаторной диаграммы требуется определить законы протекания процессов, найти и отобразить характерные точки цикла:

- т. r – return, возврат в начало нового цикла, расположена в ВМТ (в верхней мертвой точке);

- т. а – конец впуска – начало сжатия, расположена в НМТ (в нижней мертвой точке);

- т. с – конец сжатия – начало сгорания;

- т. z – конец видимого сгорания – начало расширения;

- т. в – конец расширения – начало выпуска.   

 

В тепловом расчёте должны быть определены параметры состояния рабочего тела, соответствующие характерным точкам цикла, индикаторные и эффективные показатели двигателя, диаметр и ход поршня, построена индикаторная диаграмма двигателя.

Тепловой расчет производится для режима номинальной мощности для дизеля, а для бензинового двигателя, работающего с ограничителем - для режима максимальной мощности. Последовательность выполнения теплового расчета:

· выбор и обоснование исходных данных к расчету;

· определение параметров состояния рабочего тела;

· определение индикаторных и эффективных показателей двигателя;

· определение диаметра и хода поршня;

· построение индикаторной диаграммы двигателя.

 

Рис.1. Индикаторная диаграмма четырехтактного бензинового двигателя

 

 

Рис.2. Индикаторная диаграмма четырехтактного дизельного

двигателя с наддувом

Подогрев свежего заряда

Величина подогрева свежего заряда ΔТ зависит от расположения и конструкции впускного трубопровода, системы охлаждения двигателя и охлаждения впускного трубопровода, быстроходности двигателя, наддува и других факторов.

В существующих конструкциях двигателей подогрев составляет:

бензиновые двигатели            ΔТ = 0…20 К

дизели без наддува                        ΔТ = 10…30 К

дизели с наддувом                         ΔТ = 0…30 К.

Как правило, V – образные двигатели по сравнению с рядными имеют меньший подогрев заряда.

Коэффициент избытка воздуха

Коэффициент избытка воздуха - отношение действительного количества воздуха L, участвующего в процессе сгорания 1кг топлива, к теоретически необходимому количеству воздуха L ₀ для полного сгорания топлива: .

Смесь, характеризуемую α > 1 (количество воздуха больше необходимого для полного сгорания топлива) называют бедной (топливом);

при α < 1 (количество воздуха меньше необходимого для полного сгорания топлива) смесь называют богатой. Практически полное сгорание топлива достигается только при   α > 1. При α = 1 состав смеси называют стехиометрическим.

Применяемое для расчета значение коэффициента избытка воздуха в основном определяется типом двигателя и способом смесеобразования и при номинальной мощности двигателя находится в пределах:

· для дизелей с нераздельными камерами сгорания и объемным смесеобразованием                                                                    α = 1,5…1,8;

· для дизелей с камерой в поршне и обьемно-пеленочным смесеобразованием

                                                                    α = 1,4…1,6;

· для дизелей с предкамерами                                α = 1,35…1,5;

· для дизелей с вихревыми камерами                    α = 1,25…1,4;

· для четырехтактных бензиновых двигателей          α = 0,85…0,9;

· для дизелей с наддувом                                        α = 1,35…2,0;

При этом, чем больше частота вращения вала двигателя и чем больше средняя скорость поршня, тем меньше может быть принято значение α для данного типа двигателя.

 

Топливо

Для автомобильных и тракторных двигателей принимаются автомобильные бензины (ГОСТ 2084-77) и дизельные топлива (ГОСТ 305-82) (табл. 2)

                                                                             Таблица 2

Элементный состав и теплота сгорания топлива

Топливо	Содержание хим. элементов в массовых долях			Молекулярная масса топлива μт, кг/Кмоль	Теплота сгорания топлива низшая Q н, кДж/кг
	С	Н	О
Автомобильный бензин	0,855	0,145	-	110…120	44000
Дизельное топливо летнее ДТ-Л	0,87	0,125	0,005	180…200	42500

 

Процесс сжатия (точка с)

1. Давление в конце сжатия

МПа

2. Температура в конце сжатия

К

n ₁ - показатель политропы сжатия

Процесс сгорания (точка z)

1. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива 

 кмоль/кг (киломоль воздуха/кг топлива)

или

 кг/кг (кг воздуха/кг топлива)

где С, Н, О – массовые доли соответственно углерода, водорода и кислорода в элементном составе топлива;

0,21 –  объемное содержание кислорода в 1кг воздуха.

2. Количество молей свежего заряда (горючей смеси):

· для дизелей М₁ = М,  кмоль/кг;

· для бензиновых двигателей М₁ = М + 1/μ кмоль/кг

где М = α ∙ L ₀ , кг/кмоль – действительное количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива;

μ = 110…120 кг/кмоль – молекулярная масса паров бензина.

3. Количество молей продуктов сгорания при α > 1 (сгорание в дизелях)

 кмоль/кг

при α < 1 (сгорание в бензиновых двигателях)

 кмоль/кг

4. Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси.

где β₀ = М₂ /М₁ – коэффициент молекулярного изменения горючей смеси.

Коэффициент β находится в пределах:

· для дизелей β = 1,03…1,05;

· для бензиновых двигателей β = 1,07…1,1.

5. Температура и давление в конце видимого сгорания.

Температура в конце видимого сгорания Т _z определяется из уравнения сгорания, которое различно для дизелей и бензиновых двигателей.

В общем виде уравнения сгорания имеют вид:

· для дизелей

· для бензиновых двигателей

где ξ – коэффициент использования тепла;

Q _н – теплота сгорания топлива низшая в кДж/кг;

 кДж/кг неполнота сгорания;

μС _vc и μС _vz – средние мольные теплоемкости при постоянном объеме соответственно рабочей смеси и продуктов сгорания.

Значения средних мольных теплоемкостей приближенно могут быть определены по выражениям:

для рабочей смеси

 кДж/(кмоль·К)

для продуктов сгорания в дизеле, при α ≥ 1

кДж/(кмоль·К)

для продуктов сгорания в бензиновом двигателе, при α < 1

 кДж/(кмоль·К)

Подставив значения теплоемкостей, температуры в конце сжатия и соответствующих коэффициентов, уравнение сгорания должно быть приведено к виду квадратного уравнения: a Т _z ² + b Т _z – c = 0,

откуда                    

Давление в конце видимого сгорания:

· в бензиновых двигателях

МПа

Проверка:   степень повышения давления    

- в бензиновых двигателях λ = 3,5…4,5.

· в дизелях р _z рассчитывают, задаваясь степенью повышения давления из того же соотношения р _z = λ ∙ р_с

Степень повышения давления λ составляет:

· для дизелей с неразделенными камерами сгорания и объемным смесеобразованием λ =1,16…2,0;

· для дизелей с камерами в поршне и объемно-пленочным и пленочным смесеобразованием λ =1,5…1,8;

· для дизелей с разделенными камерами сгорания λ =1,4…1,7.

2.2.4. Процесс расширения (точка в)

Степень предварительного расширения находится только для дизелей  по выражению:

Для выполненных конструкций дизелей ρ = 1,2…1,7.

В результате процесса расширения происходит преобразование тепловой энергии топлива в механическую работу.

Давление р_в и температура Т_в газов в конце расширения определяется по уравнениям политропного процесса:

· в дизелях

,  МПа;                        , К

где  - степень последующего расширения

· в бензиновых двигателях

, МПа;                    , К

    Значения давления и температуры в характерных точках индикаторной диаграммы для автомобильных и тракторных двигателей при работе на полной нагрузке приведены в табл. 3.

 

Таблица 3.

Значения давления и температуры в современных двигателях

Тип двигателя	Давление, МПа				Температура, К
	ра	рс	р z	рв	Та	Тс	Т z	Тв
Дизель без наддува	(0,95…0,9) р0	3,5…5	5…10	0,2… 0,4	310… 350	700… 900	1800… 2300	1200… 1400
Бензиновые двигатели	(0,75…0,85) р0	1…1,5	3,5…5	0,3…0,5	320… 360	600… 800	2500… 2800	1400… 1800

 

Индикаторный КПД цикла

где Q _н теплота сгорания топлива низшая в (МДж/кг);  - плотность заряда на впуске; l ₀ – теоретически необходимое количество воздуха, кг.

- для дизелей с надувом вместо  подставляют .

 

2.3.4. Индикаторный удельный расход топлива.

g_i = 3600 / (Q _н ^. η _i),   г/кВт ^. ч.

 

Значения индикаторных показателей автомобильных и тракторных двигателей при работе на полной нагрузке даны в табл.4.

Таблица 4

Таблица 5

Тип двигателя	ре , МПа	ηм	ηе	g е , г/квт.ч
Дизели без наддува	0,5…0,85	0,75…0,82	0,3…0,4	210…280
Двигатели с наддувом	До 1,75	0,8…0,9	0,31…0,42	200…270
Бензиновые двигатели	0,6…1,1	0,75…0,85	0,25…0,33	250…330

 

Бензиновые двигатели