Тепловой расчет двигателей внутреннего сгорания

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

Величина				Проектируемый двигатель
Ne, кВт				86/4/6000
Ме, Н*м				136,2/6000
ε				10,3
Vл, л				1,9
D/S				88/78
Nл = Nе/Vл				45,1

 

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	Рабочее тело; карбюраторный двигатель
n, мин-1	1000	3200	6000	6300
α	0,86	0,96	0,96	0,96
М1 кмоль. гор.см./кг.топл.	0,4525	0,5041	0,5041	0,5041
МСО2 кмоль СО2/кг.топл.	0,0512	0,0655	0,0655	0,0655
МСО кмоль СО/кг.топл.	0,0200	0,0057	0,0057	0,0057
МН2О кмоль Н2О/кг.топл.	0,0625	0,0696	0,0696	0,0696
МН2 кмоль Н2/кг.топл.	0,0100	0,0029	0,0029	0,0029
МN2 кмоль N2/кг.топл.	0,3515	0,3923	0,3923	0,3923
М2 кмоль пр.сг/кг.топл.	0,4952	0,5361	0,5361	0,5361

 

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.

параметры	Процесс впуска и газообмена
n, мин-1	1000	3200	6000	6300
α	0,86	0,96	0,96	0,96
Тr , K	900	1010	1070	1080
Pr , Mpa	0,1039	0,1076	0,118	0,1195
ΔT , ºC	22,29	16	8	7,14
ΔPa , Mpa	0,0004	0,0043	0,0150	0,0166
Pa , Mpa	0,0996	0,0957	0,085	0,0834
φ , доз	0,95	1,025	1,12	1,13
γ	0,0418	0,0365	0,0385	0,0390
Та , К	339	334	329	329
ηv	0,8699	0,9207	0,9255	0,8939

 

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.

параметры	Процесс сжатия
n, мин-1	1000	3200	6000	6300
к1	1,3751	1,3757	1,3765	1,3766
n 1	1,370	1,373	1,376	1,376
Рс , МПа	2,4309	2,3532	2,1036	2,0655
Тс , ºК	803	796	792	792
tc , ºС	530	523	519	519
(m. cv)to	21,998	21,980	21,969	21,968
(m)to	24,169	24,141	24,122	24,121
(m)to	22,085	22,056	22,049	22,049

 

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.

параметры	Процесс сгорания
n, мин-1	1000	3200	6000	6300
μ0	1,0945	1,0635	1,0635	1,0635
μ	1,0907	1,0613	1,0612	1,0611
ΔН , кДж/кг	8665	2476	2476	2476
Нраб.см.кДж/кмоль	74813	79348	79193	79155
(m)	24,2982+ 0,002034tz	24,6566+ 0,002077tz	24,6566+ 0,002077tz	24,6566+ 0,002077tz
ξz	0,83	0,92	0,88	0,86
tz , ºС	2330	2643	2552	2509
Tz , ºК	2603	2916	2825	2782
Pz , МПа	8,5967	9,1438	7,9635	7,7011
Pzд  , МПа	7,3072	7,7722	6,7689	6,5459
λ	3,5364	3,8857	3,7856	3,7285

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.

параметры	Процесс расширения и выпуска.
n, мин-1	1000	3200	6000	6300
К2	1,2588	1,2519	1,2529	1,2531
n2	1,258	1,251	1,252	1,253
Рв , МПа	0,4573	0,4944	0,4296	0,4144
Тв , К	1426	1624	1570	1542
Тr , K	871	977	1021	1019
Δ Тr , %	3,25	3,24	4,60	5,64

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.

параметры	Индикаторные и эффективные параметры двигателя.
n, мин-1	1000	3200	6000	6300
Рj, , МПа	1,2115	1,3415	1,1588	1,1138
Рj , МПа	1,1630	1,2879	1,1124	1,0693
ηj	0,3292	0,3845	0,3388	0,3288
gj , г/кВт.ч	249	213	242	249
Vп.ср , м/с	2,6	8,32	15,6	16,38
Рм , МПа	0,0634	0,1280	0,2103	0,2191
Ре , МПа	1,0997	1,1599	0,9021	0,8502
ηм	0,9455	0,9006	0,811	0,7951
ηе	0,3113	0,3463	0,2748	0,2614
gе , г/кВт.ч	263	237	298	313

 

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.

 

параметры	Основные параметры и показатели двигателя.
n, мин-1	1000	3200	6000	6300
Fп , дм2	0,61 1,9 45,1
Vл , л
Nл , кВт/л
Nе , кВт	17,38	58,66	86	84,66
Ме , Н*М	166,06	175,15	136,23	128,39
GT , кг/ч	4,57	13,88	25,51	26,53

 

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.

№	φº	х, дм.	Vх , дм3
1	0	0	0,05185	0,118/0,085	0,1015
2	10	0,0076	0,056486468	0,085	0,093
3	20	0,03002	0,07016276	0,085	0,085
4	30	0,06614	0,092197744	0,085	0,085
5	40	0,1142	0,121515	0,085	0,085
6	50	0,17192	0,156724604	0,085	0,085
7	60	0,23668	0,196225563	0,085	0,085
8	70	0,30568	0,238318523	0,085	0,085
9	80	0,37617	0,281317616	0,085	0,085
10	90	0,44557	0,32365075	0,085	0,085
11	100	0,51162	0,363939419	0,085	0,085
12	110	0,57246	0,401051708	0,085	0,085
13	120	0,62668	0,434125563	0,085	0,085
14	130	0,67329	0,462562949	0,085	0,085
15	140	0,71171	0,485998946	0,085	0,085
16	150	0,74164	0,504252631	0,085	0,085
17	160	0,76289	0,517268509	0,085	0,085
18	170	0,77575	0,525057997	0,085	0,085
19	180	0,78	0,52765	0,085/0,4296	0,085
20	190	0,77575	0,525057997	0,087011	0,087011
21	200	0,76298	0,517268509	0,08882	0,08882
22	210	0,74164	0,504252631	0,091989	0,091989
23	220	0,71171	0,485998946	0,096777	0,096777
24	230	0,67329	0,462562949	0,103587	0,103587
25	240	0,62668	0,434125563	0,113038	0,113038
26	250	0,57246	0,401051708	0,12606	0,12606
27	260	0,51162	0,363939419	0,144081	0,144081
28	270	0,44557	0,32365075	0,169323	0,169323
29	280	0,37617	0,281317616	0,205346	0,205346
30	290	0,30568	0,238318523	0,257996	0,257996
31	300	0,23668	0,196225563	0,337093	0,337093
32	310	0,17192	0,156724604	0,459275	0,459275
33	320	0,1142	0,121515	0,651825	0,651825
34	330	0,06614	0,092197744	0,953074	0,953074
35	340	0,03002	0,07016276	1,387839	1,387839
36	350	0,0076	0,056486468	1,870278	1,965
37	360	0	0,05185	2,1042/7,964	2,5243
38	370	0,0076	0,056486468	7,154373	6,769
39	380	0,03002	0,07016276	5,453565	5,453565
40	390	0,06614	0,092197744	3,874148	3,874148
41	400	0,1142	0,121515	2,741886	2,741886
42	410	0,17192	0,156724604	1,993858	1,993858
43	420	0,23668	0,196225563	1,50479	1,50479
44	430	0,30568	0,238318523	1,179789	1,179789
45	440	0,37617	0,281317616	0,958543	0,958543
46	450	0,44557	0,32365075	0,804248	0,804248
47	460	0,51162	0,363939419	0,694381	0,694381
48	470	0,57246	0,401051708	0,614892	0,614892
49	480	0,62668	0,434125563	0,556816	0,556816
50	490	0,67329	0,462562949	0,514295	0,501

Продолжение таб. 1.

51	500	0,71171	0,485998946	0,483436	0,473
52	510	0,74164	0,504252631	0,461626	0,427
53	520	0,76298	0,517268509	0,44713	0,395
54	530	0,77575	0,525057997	0,43884	0,360
55	540	0,78	0,52765	0,436143	0,3349
56	550	0,77575	0,525057997	0,118	0,297
57	560	0,76298	0,517268509	0,118	0,252
58	570	0,74164	0,504252631	0,118	0,215
59	580	0,71171	0,485998946	0,118	0,185
60	590	0,67329	0,462562949	0,118	0,146
61	600	0,62668	0,434125563	0,118	0,118
62	610	0,57246	0,401051708	0,118	0,118
63	620	0,51162	0,363939419	0,118	0,118
64	630	0,44557	0,32365075	0,118	0,118
65	640	0,37617	0,281317616	0,118	0,118
66	650	0,30568	0,238318523	0,118	0,118
67	660	0,23668	0,196225563	0,118	0,118
68	670	0,17192	0,156724604	0,118	0,118
69	680	0,1142	0,121515	0,118	0,118
70	690	0,06614	0,092197744	0,118	0,118
71	700	0,03002	0,07016276	0,118	0,118
72	710	0,0076	0,056486468	0,118	0,1098
73	720	0	0,05185	0,118/0,085	0,1015

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

Обозначение	Положение	φº	х, дм.	Vх , дм3
r	20ºдо ВМТ	700	0,03002	0,064158576	0,118
r	20º после ВМТ	20	0,03002	0,064158576	0,085
a	60º после НМТ	240	0,62668	0,434125563	0,113038
f	30ºдо ВМТ	330	0,06614	0,078968975	1,179456
c	20ºдо ВМТ	340	0,03002	0,064158576	1,569637
r	ВМТ	360	0	0,05185	0,1015
c	ВМТ	360	0	0,05185	2,5243
zд	10º после ВМТ	370	0,0076	0,054966315	6,769
b	60ºдо НМТ	480	0,62668	0,434125563	0,556816
b’’	НМТ	540	0,78	0,52765	0,334927

Список используемой литературы

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