Тепловой расчет ДВС

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,  Ne = 87 кВт;

2.       Частота вращения коленчатого вала, nN = 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 nmin = 1000об./мин.

б) режим максимального крутящего момента nM =0,53nN = 3200 об./мин.

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

г) режим максимальной скорости движения автомобиля

   nmax = 1.05nN = 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; mт = 115 кг/кмоль.

Определим низшую теплоту сгорания топлива

Нu = 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 = МСО2 + МСО + МН2О + МН2 + МN2 = 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 ТN = 8ºС.    

                                                                                                          (1)

Плотность заряда на выпуске.

Ρr = Ро *106 / (RBTO) = 0,1*106 / (287*293) = 1,189 кг / м3,

где RB – 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 + ξВП = 2,8 и

 ωВП = 95 м/с.

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

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

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

                                                                                                                 (1)

Тогда ΔРа на всех скоростных режимах двигателя рассчитывается по формуле:

ΔРа = (β2 + ξвп) А2nn2ρо10-6/2, где Аn = ωвп / nN             

 Аn = 95 / 6000 = 0,0158

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

Давление в конце пуска.

В карбюраторном двигателе при nN = 6000 мин-1.

Ра = Ро – ΔРа = 0,1 – 0,0150 = 0,085 Мпа.

Коэффициент остаточных газов.

При nN = 6000 мин-1.

φоч = 1 – коэффициент очистки.

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

Температура в конце впуска.

Та = (То + ΔТ + γr * Tr) / (1 + γr) = (293+8+0,0385*1070) / (1+0,0385) = 329  

Коэффициент наполнения.

Результаты вычислений занесем в таблицу.

Процесс сжатия.

При ε = 10,3 и Та = 329 К, nN = 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 nN = 6000 мин-1

Рс = Раεn = 0,085*10,31,376 = 2,1036 Мпа.

Температура в конце сжатия.

Тс = Таεn-1 = 329*10,31,376-1 = 792 К.

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия.

а) свежей смеси (воздуха)

20,6 + 2,638 * 10-3 * tc , где tc = Тс - 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 nN = 6000 мин-1 , α = 0,96 и tc = 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:

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

Теплота сгорания рабочей смеси:

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

Коэффициент использования теплоты ξz принимаем = 0,88:

                                                                                                                    (1)

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

ξz Нраб.см + (m) tc = μ(m)tz :

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

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

 tz =

   = 2552 ºС;

Tz = tz + 273 = 2825 К;

 Максимальное давление сгорания теоретическое:

   pz = pc*μ* Tz/ Тс = 2,1036*1,061*2825/792 = 7,963 МПа.

Максимальное давление сгорания действительное:

   Pzд  = 0,85* pz = 0,85*7,963 = 6,7689 МПа.

Степень повышения давления:

   λ =  pz/ pc = 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 Tz, а средний показатель политропы расширения n2, оценивается по величине среднего показателя адиабаты:

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

  Давление и температура в конце процесса расширения:

    Рв = Pz/ εn2    и     Тв = Tz/ εn2-1:

    Рв = 7,9635/10,31,252 = 0,4296 МПа,  Тв = 2825/10,31,252-1 = 1570 К;

  Проверка ранее принятой температуры остаточных газов:

             К;

             Δ Тr = ,

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

Индикаторные параметры рабочего цикла.

  Теоретическое среднее индикаторное давление:

 МПа.

  МПа.

   Среднее индикаторное давление:

     pi = φu* Рj , = 0,96*1,1588 = 1,1124 МПа.

  Где φu = 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.

   Pм = 0,034 + 0,0113* Vп.ср МПа.

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

     м/с.

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

Среднее эффективное давление и механический КПД:

    Ре = Рj - Рм = 1,1124 – 0,2103 = 0,9021 МПа.

    ηм = .

Эффективный КПД и эффективный удельный расход топлива:

   ηе = ηj * ηм = 0,3388 * 0,811 = 0,2748

   gе =  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:

          Nе = кВт.

Литровая мощность двигателя:

          Nл =  кВт/л.

Крутящий момент:

          Ме =  Н*М.

Часовой расход топлива:

          GT = Nе * gе * 10-3 = 86 * 298* 10-3 = 25,5 кг/ч.

3. Построение индикаторных диаграмм

Определяем объем камеры сгорания:

          Vc = дм3.

Находим полный объем цилиндра:

           Vа = Vc +  Vh = 0,05 + 0,4822 = 0,534

Рассчитанные точки:

  ВМТ: Pr = 0,118 Mpa; Рс = 2,1036 МПа; Pz = 7,9635 МПа.

  НМТ: Ра = 0,085 Mpa; Рв = 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:

     Vх = Vc + хFп.

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:

         РС,, = (1,15...1,25)рс = 1,2*2,1036 = 2,5243 МПа.

Действительное давление сгорания:

        Pzд  = 0,85* pz = 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.