Тепловой расчёт рабочего цикла двигателя 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Тепловой расчёт рабочего цикла двигателя



Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………… 5
1Тепловой расчёт рабочего цикла двигателя……………………………………. 6
1.1 Рабочее тело и его свойство………………………………………………… 6
1.2 Процесс впуска……………………………………………………………...… 9
1.3 Процесс сжатия……………………………………………………………… 13
1.4 Процесс сгорания……………………………………………………………. 15
1.5 Процесс расширения………………………………………………………… 19
1.6 Процесс выпуска……………………………………………………………… 21
1.7 Индикаторные показатели рабочего цикла………………………………… 22
1.8 Эффективные показатели двигателя. ………………………………………. 24
1.9 Основные параметры и показатели двигателя…………………………….. 25
1.10Оценка надежности проектируемого двигателя………………………….... 29
1.11Тепловой баланс……………………………………………………………… 30
1.12 Построение Индикаторной диаграммы……………………………………. 33
2Динамический расчет кривошипно-шатунногомеханизма двигателя……….. 41
2.1. Расчет силовых факторов, действующих вкривошипно-шатунном механизме…………………………………………………………………………. 41
3.Подбор автотранспортного средства к двигателю…………………………. 42
4. Порядок компоновки двигателя……………………………………………… 48
Заключение……………………………………………………………………….. 53
Список использованных источников…………………………………………… 54
Приложение А  
Приложение Б  
   
   

 


Введение

Предметом изучения дисциплин «Автомобильные двигатели» и для студентов специальностей 190601.65 являются автомобильные двигатели. 

Автомобильные двигатели – сложные технические устройства. В результате длительного периода развития они в настоящее время обладают высокой степенью совершенства и приемлемыми мощностными и экономическими показателями, а также достаточно надежны в работе. Однако необходимость повышения эффективности использования автомобилей требует дальнейшего совершенствования как самих автомобилей, так и их силовых установок.

Учебные дисциплины «Автомобильные двигатели» являются, согласно государственным образовательным стандартам по специальностям 190601.65 специальной дисциплиной и формируют специальные знания будущего специалиста в области движущих элементов подвижного состава автомобильного транспорта. Учебные дисциплины знакомят студентов с основными типами двигателей для транспортных и транспортно-технологических средств; конструкцией и расчетом деталей и систем; компоновочными схемами; термодинамическими и действительными циклами; процессами газообмена и сжатия; эффективными и оценочными показателями двигателя; режимами и характеристиками работы ДВС и установок в зависимости от условий эксплуатации; мощностными, экономическими и экологическими показателями работы двигателей и установок, причинами их изменения; силовыми и термическими нагрузками на детали; принципами выбора типа двигателя для транспортных и транспортно-технологических средств; требованиями к двигателям и их системам с учетом условий эксплуатации; принципами модернизации ДВС для применения альтернативных видов топлив. 

Задачи изучения дисциплины определяются на основе требований к знаниям и умениям студента после изучения данного курса.

Курсовой проект включает следующие разделы:

1) расчетную часть:

- тепловой расчет;

- динамический расчет;

- расчет внешней скоростной характеристики;

- оценка надежности проектируемого двигателя;

- подбор автотранспортного средства к двигателю;

- расчет систем двигателя.

2) графическую часть:

- 1 лист – индикаторная диаграмма, характеристики автомобильного двигателя по результатам динамического расчета; 

- 2 лист – поперечный разрез двигателя с детальной проработкой основных механизмов и систем двигателя. 

 


Тепловой расчёт рабочего цикла двигателя

 

Рабочее тело и его свойства

 

Рабочим телом называется вещество, при помощи которого осуществляется действительный рабочий цикл двигателя. Для двигателей внутреннего сгорания рабочее тело состоит из атмосферного воздуха, топлива и продуктов его сгорания.

 

1.1.1 Топливо

Теплота, необходимая для осуществления рабочего цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания, выделяется при химических реакциях сгорания топлива непосредственно в цилиндре двигателя.

 

Таблица 1.1 – Химический состав автомобильных топлив

 

Топливо

Содержание в 1 кг

Молекулярная масса mТ, г/моль
  Углерода С Водорода Н Кислорода О  
Дизельное топливо   0,870   0,126   0,004   180…200

 

Выбранный состав топлива отвечает условию

 

С + Н + О = 1 кг.                                     (2.1)

 

При тепловом расчёте ДВС пользуются значением низшей теплоты сгорания топлива, под которой понимается количество теплоты, выделяемое при полном сгорании топлива без учета теплоты конденсации водяных паров. Низшая теплота сгорания Нu в кДж/кг определяется по формуле Д.И. Менделеева

 

,   (2.2)

 

 

где S и W – массовые доли серы и влаги в топливе.

В расчетах принимается S = 0, W = 0.

 

1.1.2 Горючая смесь

Для приготовления горючей смеси используется топливо и воздух. В двигателях с искровым зажиганием горючая смесь, приготовленная из мелко-распыленного топлива и воздуха в карбюраторе, поступает в цилиндр в процессе впуска. В дизеле топливовоздушная смесь образуется в камере сгорания за время впрыска топлива в конце процесса сжатия и в течение процесса сгорания.

Для полного сгорания топлива необходимо определенное количество воздуха, которое называется теоретически необходимым, и определяется по элементарному составу топлива в кг возд/кг топл.

 

,                             (2.3)

 

 

или в кмоль возд/кг топл

 

,                             (2.4)

 

 

В зависимости от условий работы двигателя на каждую единицу топлива приходится количество воздуха, большее или меньшее теоретически необходимого. Отношение действительного количества воздуха, участвующего в сгорании 1 кг топлива, к теоретически необходимому количеству воздуха называется коэффициентом избытка воздуха. 

Действительное количество воздуха L в кмоль возд/кг топл определяется по формуле

 

,                                               (2.5)

 

 

где α - коэффициент избытка воздуха.

Значение коэффициента α зависит от типа смесеобразования, условий воспламенения и сгорания топлива, а также от режима работы двигателя.

Для различных двигателей при номинальной мощности принимаются следующие значения α:

- дизельные двигатели  1,3…1,7.

Уменьшение коэффициента избытка воздуха двигателей до возможных пределов уменьшает размеры цилиндра и, следовательно, повышает литровую мощность дизеля, но одновременно с этим значительно возрастает теплонапряжённость двигателя, особенно деталей поршневой группы, увеличивается дымность отработавших газов. 

Количество горючей смеси М1 в кмоль гор.см/кг топл определяется по формуле

 

,                                            (2.6)

 

где mТ  – молекулярная масса паров топлива, г/моль.

Величина mТ  выбирается по таблице 2.1.

 

1.1.3 Продукты сгорания

Общее количество продуктов полного сгорания М2 в кмоль пр.сг/кг топл определяется по формуле

 

                     (2.7)

 

Количество отдельных составляющих продуктов сгорания в кмоль пр.сг/кг топл определяются по следующим формулам:

 

,                                                   (2.8)

 

,                                                   (2.9)

 

,                              (2.10)

 

.                                     (2.11)

 

 

 

 

 

 

Для жидкого топлива количество молей продуктов сгорания всегда больше, чем количество молей горючей смеси. Это происходит вследствие химических реакций распада молекул топлива при сгорании и образования новых молекул.

Изменение количества молей рабочего тела при сгорании в ∆М в кмоль /кг топл определяется по формуле

 

                                        (2.12)

 

 

Относительное изменение количества молей при сгорании горючей смеси характеризуется химическим коэффициентом молекулярного изменения горючей смеси, который определяется по формуле:

 

                                                     (2.13)

 

 

Процесс впуска

 

Процесс впуска является одним из наиболее важных процессов, определяющим мощностные показатели двигателя. За период процесса впуска осуществляется наполнение цилиндра свежим зарядом.

 

1.2.1 Давление и температура окружающей среды

При работе двигателя без наддува в цилиндр поступает воздух из атмосферы. В этом случае при расчете рабочего цикла двигателя давление и температура окружающей среды принимаются р0 = 0,1 МПа и Т0 = 293 К. Для получения однообразных формул в дальнейшем имеется в виду, что для двигателя без наддува справедливы условия

 

,                                    (2.14)

 

1.2.2 Давление и температура остаточных газов

В цилиндре двигателя перед началом процесса наполнения всегда содержится некоторое количество остаточных газов, находящихся в объёме Vc камеры сгорания. Величина давления остаточных газов устанавливается в зависимости от числа и расположения клапанов, сопротивлений впускного и выпускного трактов, фаз газораспределения, характера наддува, быстроходности двигателя, нагрузки, системы охлаждения и других факторов.

Для автомобильных двигателей без наддува, а также с механическим турбонаддувом давление остаточных газов в МПа принимают равным

 

                                                                        (2.15)

 

 

В зависимости от типа двигателя, степени сжатия, частоты вращения и коэффициента избытка воздуха выбираются значения температуры Тr остаточных газов из следующих пределов:

- для дизельных двигателей      600…900 К.

При установлении величины Тr необходимо иметь в виду, что при увеличении степени сжатия и обогащении рабочей смеси температура остаточных газов снижается, а при увеличении частоты вращения – возрастает.

 

1.2.3 Степень подогрева заряда

В процессе наполнения температура свежего заряда несколько увеличивается на величину ∆Т благодаря подогреву от нагретых деталей двигателя. Величина ∆Т зависит от расположения и конструкции впускного трубопровода, системы охлаждения, скоростного режима, нагрузки, размеров цилиндра. С увеличением числа оборотов величина ∆Т при неизменном крутящем моменте двигателя уменьшается приблизительно линейно.

Повышение температуры улучшает процесс испарения топлива, но снижает плотность заряда, и таким образом, отрицательно влияет на наполнение двигателя.

В зависимости от типа двигателя значения ∆Т принимают из следующих пределов:

- для дизелей без наддува        10…40 К. 

1.2.4 Давление в конце впуска

Величина давления в конце впуска ра, в МПа может быть определена по формулам:

- для двигателей без наддува

 

                                            (2.16)

 

 

где – потери давления во впускном трубопроводе, МПа.

Потери давления во впускном трубопроводе в МПа определяются по формуле

 

                       (2.17)

 

 

где  - коэффициент затухания скорости заряда в цилиндре;

 - коэффициент, учитывающий гидравлическое сопротивление впускного тракта;

 - средняя скорость движения заряда при максимальном открытии клапана, м/с;

 - плотность заряда на впуске, кг/м3.

При средней скорости заряда ωвп от 50 до 130 м/с величину (ξвп2) принимают в пределах от 2,5 до 4,0. 

Плотность заряда на впуске в кг/м3 для двигателей с наддувом определяют по формуле

 

                                         (2.18)

 

 

где Rв – удельная газовая постоянная воздуха, Дж/(кг · град); 

Rв = 287 Дж/(кг · град).

1.2.5 Коэффициент остаточных газов

Величина коэффициента остаточных газов γr характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания. С увеличением γr уменьшается количество свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя в процессе впуска.

Коэффициент остаточных газов γr для четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания определяется по формуле

 

                                  (2.19)

 

 

Количество остаточных газов в кмоль ост.газов/кг топл определяется по формуле:

 

(2.20)

 

1.2.6 Температура в конце впуска

Температуру в конце впуска Та  в градусах Кельвина (К) определяют по формуле

 

                             (2.21)

 

 

1.2.7 Коэффициент наполнения

Наиболее важным параметром, характеризующим процесс впуска, является коэффициент наполнения. Он представляет собой отношение действительного количества свежего заряда, поступившего в цилиндр, к тому количеству, которое могло бы поместиться в рабочем объёме цилиндра при условии, что температура и давление в нём равны температуре и давлению среды, из которой поступает свежий заряд.

Для четырёхтактных двигателей без учёта продувки и дозарядки коэффициент наполнения определяется по формуле

 

                          (2.22)

 

 

Величина коэффициента наполнения в основном зависит от тактности двигателя, его быстроходности и совершенства системы газораспределения.

Рассчитанные параметры процесса впуска необходимо сравнить со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 1.2.

 

Таблица 1.2 – Значения параметров процесса впуска

 

Тип двигателя

Параметры

pa, МПа γr Та, К ηv
Дизельный без наддува 0,082…0,097 0,02…0,05 310…350 0,8…0,94
Проектируемый 0,0913 0,03 330,6 0,83

 

Процесс сжатия

 

В период процесса сжатия в цилиндре двигателя повышается температура и давление рабочего тела, что обеспечивает надёжное воспламенение и эффективное сгорание топлива.

При выполнении курсового проекта условно принимается, что процесс сжатия в действительном цикле происходит по политропе с постоянным показателем n1. Расчет параметров процесса сжатия сводится к определению показателя политропы сжатия , давления  и температуры  в конце сжатия, а также теплоёмкости рабочего тела в конце сжатия .

 

1.3.1 Показатель политропы сжатия

Величина  устанавливается по опытным данным в зависимости от частоты вращения, степени сжатия, материала поршня и цилиндра, теплообмена и других факторов.

Учитывая, что теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра за процесс сжатия незначителен, то величину  можно оценить по среднему показателю адиабаты сжатия  по следующим формулам:

- для дизельных двигателей

 

,                                (2.23)

 

.

 

Значение  определяется в зависимости от температуры  и степени сжатия ε по формуле

 

,              (2.24)

 

.

 

1.3.2 Давление и температура конца процесса сжатия

Давление в МПа и температура в градусах Кельвина (К) в конце процесса сжатия определяются из уравнения политропы с постоянным показателем

,                                         (2.25)

 

                                        (2.26)

 

 

 

1.3.3 Средняя мольная теплоёмкость рабочей смеси

Рабочая смесь состоит из свежей смеси и остаточных газов.

Температура конца процесса сжатия tc  в градусах Цельсия (оС) ,

 

Средняя мольная теплоёмкость свежей смеси в конце сжатия принимается равной теплоёмкости воздуха  в кДж/(кмоль·град) и определяется по формуле 

 

          (2.27)

 

Средняя мольная теплоёмкость остаточных газов в конце сжатия  в кДж/(кмоль·град) определяется по следующим формулам:

- для дизельных двигателей

 

                  (2.28)

Средняя мольная теплоёмкость рабочей смеси  в кДж/(кмоль·град) определяется по формуле

 

                            (2.29)

 

 

 

 

 

Рассчитанные параметры процесса сжатия необходимо сравнить со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 1.3.

 

Таблица 1.3 – Значения параметров процесса сжатия

 

Тип двигателя

Параметры

  n1 рс, МПа Тс, К
Дизельный без наддува 1,34…1,38 3,5…5,5 700…1000
Проектируемый 1,36 4,4 924,5

 

 

Процесс сгорания

 

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

С целью упрощения термодинамических расчётов ДВС принимают, что процесс сгорания в двигателях с воспламенением от искры происходит по циклу с подводом теплоты при постоянном объеме (V = const), а в двигателях с воспламенением от сжатия при постоянном объеме (V = const) и давлении (p = const), то есть по циклу со смешанным подводом теплоты.

Целью расчёта процесса сгорания является определение температуры и давления в конце видимого сгорания.

 

1.4.1 Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

Изменение объёма при сгорании рабочей смеси учитывает коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси, который определяется по формуле

 

                                          (2.30)

 

 

1.4.2 Температура конца видимого сгорания

Температура газа Тz  в конце видимого сгорания определяется на основании первого закона термодинамики

 

                                      (2.31)

 

где dQ – количество затраченной теплоты, Дж;

dU – повышение внутренней энергии рабочего тела, Дж;

dL – внешняя работа, совершаемая рабочим телом, Дж.

Применительно к автомобильным двигателям уравнение сгорания имеет вид:

- для дизельных двигателей

(2.32)

 

где - коэффициент использования низшей теплоты сгорания на участке видимого сгорания, который принимается из следующих интервалов значений 0,7…0,88;

∆Hu  - потеря теплоты вследствие химической неполноты сгорания, кДж/кг, при α < 1

                            (2.33)

 

 

при α ≥ 1, ∆Нu  = 0;

λ - степень повышения давления цикла, которая для дизелей устанавливается по опытным данным в зависимости от количества топлива подаваемого в цилиндр, формы камеры сгорания и способа смесеобразования, и выбирается из таблицы 2.4;

tz  – температура в конце видимого сгорания, о С;

- средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания при постоянном объёме, кДж/(кмоль·град), которая определяется по следующей формуле

 

(2.34)

 

 

 

где  –средние мольные теплоёмкости продуктов сгорания при изменении температуры в диапазоне 1501…2800 оС, которые могут быть выражены в зависимости от температуры tz  следующими формулами:

 

,                        (2.35)

 

,                          (2.36)

 

,                         (2.37)

 

,                                  (2.38)

 

,                          (2.39)

 

.                          (2.40)

 

Уравнение сгорания:

 

 

После подстановки всех величин в уравнение сгорания получается квадратное уравнение вида 

                                     (2.41)

 

 

где А, В, С – числовые значения известных величин 

Из формулы (2.47) выражается температура в градусах Цельсия (оС)

 

                                (2.42)

 

 

Температура Тz  в градусах Кельвина (К) определяется как

 

                                        (2.43)

 

 

1.4.3 Степень повышения давления цикла

Степень повышения давления цикла λ для дизелей задается в предыдущем пункте равная 1,5

 

1.4.4 Степень предварительного расширения

Степень предварительного расширения для дизелей определяется по формуле

 

                                         (2.44)

 

 

1.4.5 Максимальное давление сгорания

Величина давления  в МПа в конце сгорания определяется по формуле

 

                                             (2.45)

 

 

Рассчитанные параметры процесса сгорания необходимо сравнить со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 1.4.

 

Таблица 1.4 – Значения параметров процесса сгорания

 

Тип двигателя

Параметры

Дизельный без наддува 1,2…2,5 1,4…1,6 5,0…12,0 1800…2300
Проектируемый 1,5 1,48 6,6 1976,1

 

Процесс расширения

 

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

В реальных двигателях расширение протекает по сложному закону, зависящему от теплообмена между газами и окружающими стенками, утечки газов через неплотности, уменьшения теплоёмкости продуктов сгорания вследствие понижения температуры при расширении, уменьшения количества газов в связи с началом выпуска.

 

1.5.1 Показатель политропы расширения

Так же как и при рассмотрении процесса сжатия для упрощения расчётов кривую процесса расширения принимают за политропу с постоянным показателем n2

С возрастанием коэффициента использования теплоты, интенсивности охлаждения, отношения хода поршня к диаметру цилиндра средний показатель политропы расширения увеличивается и, наоборот, уменьшается с ростом нагрузки и линейных размеров цилиндра. Средний показатель политропы расширения n2 незначительно отличается от показателя адиабаты k2 и может быть определён по следующим формулам:

 

,                                  (2.46)

 

 

  (2.47)

 

 

1.5.2 Давление и температура конца процесса расширения

Значения давления  в МПа и температуры  в градусах Кельвина (К) в конце процесса расширения определяется по формулам:

 

,                                         (2.48)

 

                                       (2.49)

 

где δ - степень последующего расширения, которая определяется по формуле

 

                                               (2.50)

 

 

 

 

Рассчитанные параметры процесса расширения необходимо сравнить со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 1.5.

 

Таблица 1.5 – Значения параметров процесса расширения

 

Тип двигателя

Параметры

Дизельный без наддува 1,18…1,28 0,2…0,5 1000…1200
Проектируемый 1,22 0,326 1149

Процесс выпуска

 

За период процесса выпуска из цилиндра двигателя удаляются отработавшие газы.

Процесс выпуска начинается в момент открытия выпускного клапана, который происходит за 40…70о угла поворота кривошипа до прихода поршня в нижнюю мёртвую точку. Предварительное открытие клапана необходимо для качественной очистки цилиндра двигателя от продуктов сгорания и уменьшения работы, необходимой для выталкивания газов. Закрытие выпускного клапана происходит через 10…40о после прохода поршнем верхней мёртвой точки, что улучшает качество очистки цилиндра двигателя.

Точность выбора температуры остаточных газов  в градусах Кельвина (К) определяется по формуле:

 

                                         (2.51)

 

При расхождении между принятой величиной Тr в пункте (2.2.2) и рассчитанной по формуле (2.62) ≥10 % параметры теплового расчёта необходимо пересчитать.

 

 

Тепловой баланс двигателя

 

Для определения характера теплоиспользования и путей его улучшения при расчете двигателя необходимо определить составляющие теплового баланса. 

 

1.11.1 Уравнение теплового баланса имеет вид:

 

                       (2.77)

 

где Qo  – общее количество теплоты, введённое в цилиндр, Дж/с;

Qe  – теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя, Дж/с;

Qохл  – теплота, отданная окружающей среде, Дж/с;

Qr  – теплота, уносимая из двигателя с отработавшими газами, Дж/с;

Qн.с  – теплота, потерянная при неполном сгорании топлива, Дж/с;

Qост  – неучтённые потери теплоты, Дж/с.

 

1.11.2 Общее количество теплоты

Общее количество теплоты  в Дж/с определяется по формуле:

 

,                                       (2.78)

 

 

1.11.3 Теплота, эквивалентная эффективной работе

Теплота , эквивалентная эффективной работе, в Дж/с определяется по формуле

 

,                                    (2.79)

 

1.11.4 Теплота, отданная охлаждающей среде

 Теплота , отданная окружающей среде, в Дж/с определяется по формулам:

при жидкостном охлаждении: 

- дизельных двигателей

 

,                                  (2.80)

 

где D – диаметр цилиндра, см;

с – коэффициент пропорциональности, который принимается из интервала с = 0,45…0,53;

m – показатель степени, который принимается из интервала m = 0,6…0,7;

 

 

Теплота  , унесённая из двигателя с отработавшими газами, в Дж/с определяется по формуле

 

, (2.81)

 

где tr  – температура остаточных газов, оС;.

 – теплоёмкость остаточных газов в кДж/(кмоль·град), которую можно определить по формуле (2.28) при подстановке в данную формулу значения температуры остаточных газов tr;

 – теплоёмкость свежего заряда в кДж/(кмоль·град), которую можно определить по формуле (2.26) при подстановке в данную формулу значения температуры to  = 20 0C.

 

 

Теплота  , потерянная при неполном сгорании топлива, в Дж/с определяется по формуле

,                                  (2.82)

 

Неучтённые потери теплоты в Дж/с определяются по формуле



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2019-05-20; просмотров: 1391; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 52.90.211.141 (0.276 с.)