Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Реферат

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, ТОПЛИВО, ПРОЦЕСС ВПУСКА, ПРОЦЕСС СЖАТИЯ, ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ, ДИАГРАММА ИНДИКАТОРНАЯ, ЦИЛИНДР, ПОРШЕНЬ, РЕЖИМ СКОРОСТНОЙ, СКОРОСТЬ ПОРШНЯ, ХОД ПОРШНЯ, ЛИТРАЖ, МОЩНОСТЬ

Цель: закрепление знаний по теории рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания и развитие навыков самостоятельного анализа влияния различных параметров на эффективность конструкции и работы двигателя.

При выполнении курсового проекта решаются следующие основные задачи:

- тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания;

- построение индикаторной диаграммы.

Содержание

Введение

1. Тепловой расчет

1.1 Топливо

1.2 Параметры рабочего тела

1.3 Параметры окружающей среды и остаточные газы

1.4 Температура и давление остаточных газов

1.5 Процесс впуска

1.6 Процесс сжатия

1.7 Процесс сгорания

1.8 Процесс расширения

1.9 Индикаторные параметры рабочего цикла

1.10 Эффективные показатели двигателя

1.11 Основные параметры двигателя

2. Построение индикаторной диаграммы дизеля

Заключение

Список литературы

Введение

Прогресс в строительно-дорожной и коммунальной сферах автомобильной промышленности, дальнейшее увеличение строительства автомобильных дорог, обслуживания уже существующей сети автомобильных дорог предусматривает не только количественный рост автопарка, но и значительное улучшение использования имеющихся автомобилей, повышение культуры эксплуатации, увеличение межремонтных сроков службы.

В области развития и совершенствования автомобильных двигателей основными задачами являются: расширение использования дизелей, снижение топливной экономичности и удельной массы двигателей, стоимости их производства и эксплуатации. На принципиально новый уровень ставится борьба с токсичными выбросами двигателей в атмосферу, а также задачи по снижению шума и вибрации в процессе их эксплуатации. Значительно больше внимания уделяется использованию электронно-вычислительных машин при расчетах и испытаниях двигателей. В настоящее время вычислительная техника широко используется на моторостроительных заводах, в научно-исследовательских центрах, конструкторских и ремонтных организациях, а также в высших учебных заведениях.

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

1. Тепловой расчет

Исходные данные: частота вращения коленчатого вала при максимальной мощности - n=4000 об/мин; степень сжатия - е=17; эффективная мощность - N_e=50 кВт.

Предварительно принимаем:

диаметр поршня: D= 90 мм;

литровая мощность: N_л=17 кВт/л;

ход поршня: S=88 мм.

Предварительно рассчитаем мощность, которая будет сниматься с одного цилиндра N_ц:

; (1)

кВт.

Рассчитаем число цилиндров:

(2)

.

Принимаем i=4.

Рассчитаем объем двигателя:

; (3)

л.

Уточним значение литровой мощности N_ел:

(4)

кВт/л.

Вычислим величину эффективного давления P_е:

(5)

МПа

Средняя скорость поршня:

м/с; (6)

м/с.

1.1 Топливо

В соответствии с ГОСТ 305-82 для рассчитываемого двигателя принимаем дизельное топливо (для работы в летних условиях - марки Л и для работы в зимних условиях - марки З). Цетановое число топлива - не менее 45.

Средний элементный состав дизельного топлива:

С=0,87; H=0.126; O=0,004.

Низшая теплота сгорания топлива:

МДж/кг (7)

МДж/

кг=42440 кДж/кг.

1.2 Параметры рабочего тела

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:

, кмоль возд./кг топл.; (8)

кмоль возд/кг топл.

, кг возд/кг топл.; (9)

кг возд/кг топл.

Коэффициент избытка воздуха. Уменьшение коэффициента избытка воздуха б до возможных пределов уменьшает размеры цилиндра и, следовательно повышает литровую мощность дизеля, но одновременно с этим значительно возрастает теплонапряженность двигателя, особенно деталей поршневой группы, увеличивается дымность выпускных газов. Лучшие образцы современных дизелей без наддува со струйным смесеобразованием устойчиво работают на номинальном режиме без существенного перегрева при б= 1,4-1,5. Принимаем б=1,4.

Количество свежего заряда: при

, кмоль св. зар./кг топл.; (10)

кмоль св. зар/кг топл.

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания:

, кмоль CO₂/кг топл.; (11)

кмоль CO₂/кг топл.

, кмоль H₂O/кг топл.; (12)

кмоль H₂O/кг топл.

, кмоль O₂/кг топл.; (13)

кмоль O₂/кг топл.

, кмоль N₂/кг топл.; (14)

кмоль N₂/кг топл.

Общее количество продуктов сгорания:

; (15)

кмоль пр. сг/кг топл.

1.3 Параметры окружающей среды и остаточные газы

Атмосферные условия: р₀=0,1 МПа; Т₀=293 К.

Давление окружающей среды для дизелей:

р_к=р₀=0,1 МПа;

Температура окружающей среды для дизелей:

Т_к=Т₀= 293 К.

1.4 Температура и давление остаточных газов

Достаточно высокое значение е=17 дизеля без наддува снижает температуру и давление остаточных газов, а повышенная частота вращения коленчатого вала несколько увеличивает значения Т_r и p_r. Поэтому можно принять для дизелей:

Т_r= 750 К;

p_r=1,05;

p_к= p_r р_0, МПа; (16)

p_к МПа

1.5 Процесс впуска

Температура подогрева свежего заряда. Рассчитываемый двигатель не имеет специального устройства для подогрева свежего заряда. Однако естественный подогрев заряда в дизеле без наддува может достигать ? 15-20°С. Поэтому принимаем для дизеля без наддува ДТ=20°С.

Плотность заряда на впуске:

, кг/м³; (17)

кг/м³.

Потери давления в двигателе на впуске:

, МПа, (18)

где (в²+о_вп)=2,7 и щ_вп=70 м/с приняты в соответствии со скоростным режимом двигателей и с учетом небольших гидравлических сопротивлений во впускной системе дизелей.

МПа.

Давление в конце впуска:

, МПа; (19)

МПа.

Коэффициент остаточных газов:

; (20)

.

Температура в конце впуска:

, К; (21)

К.

Коэффициент наполнения:

; (22)

.

1.6 Процесс сжатия

Средние показатели адиабаты и политропы сжатия. При работе дизеля на номинальном режиме можно с достаточной степенью точности принять показатель политропы сжатия приблизительно равным показателю адиабаты. При е=17 и Т_а=326 К n₁?k₁=1,37.

Давление и температура в конце сжатия:

, МПа; (23)

МПа.

,К; (24)

К.

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:

а) воздуха

, кДж/(кмоль град); (25)

кДж/(кмоль град)

где ,t°C; (26)

° C.

б) остаточных газов при б=1,4 и t_c=657°С:

кДж/(кмоль град);

в) рабочей смеси:

, кДж/(кмоль град); (27)

кДж/(кмоль град).

1.7 Процесс сгорания

Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси в дизелях:

; (28)

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси в дизелях:

(29)

Теплота сгорания рабочей смеси в дизелях:

кДж/кмоль раб. см ; (30)

кДж/кмоль раб. см.

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания в дизелях:

(31)

 (32)

.

Коэффициент использования теплоты для современных дизелей с неразделенными камерами сгорания и хорошо организованным струйным смесеобразованием можно принять для двигателей без наддува о_z=0,82.

Степень повышения давления в дизеле в основном зависит от величины цикловой подачи топлива. С целью снижения газовых нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма целесообразно иметь максимальное давление сгорания не выше 11-12 МПа. В связи с этим целесообразно принять для дизеля без наддува л=2,0.

Температура в конце видимого процесса сгорания:

(33)

откуда:

.

Максимальное давление сгорания:

МПа; (34)

МПа.

Степень предварительного расширения:

(35)

.

1.8 Процесс расширения

Степень последующего расширения:

(36)

.

Средние показатели адиабаты и политропы расширения для дизелей выбираются следующим образом. На номинальном режиме можно принять показатель политропы расширения с учетом достаточно больших размеров цилиндра, несколько меньше показателя адиабаты расширения. Для дизелей без наддува при д=13,28; Т_z=2280 и б=1,4, k₂=1,2728, а n₂ принимаем равным 1,260.

Давление и температура в конце расширения:

МПа; (37)

МПа;

K; (38)

K.

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов:

K; (39)

K.

, что допустимо.

1.9 Индикаторные параметры рабочего цикла

топливо двигатель внутренний сгорание

Теоретическое среднее индикаторное давление:

МПа; (40)

Среднее индикаторное давление для дизелей:

МПа, (41)

где ц_и - коэффициент полноты диаграммы, 0,95;

МПа.

Индикаторный КПД:

(42)

Индикаторный удельный расход топлива:

г/(кВт ч); (43)

г/(кВт ч).

1.10 Эффективные показатели двигателя

Среднее давление механических потерь:

МПа; (44)

где х_п.ср. - средняя скорость поршня, предварительно принята равной 11,73 м/с.

МПа.

Среднее эффективное давление и механический КПД:

МПа; (45)

МПа;

; (46)

.

Эффективный КПД и эффективный удельный расход топлива:

; (47)

;

, г/ (кВт^.ч) ; (48)

г/(кВт^.ч).

1.11 Основные параметры двигателя

Литраж двигателя:

, л; (49)

л.

Рабочий объем цилиндра:

 л; (50)

л.

Диаметр и ход поршня дизеля, как правило, выполняются с отношением хода поршня к диаметру цилиндра S/D?1. Однако уменьшение S/D для дизеля, так же и как для карбюраторного двигателя, снижает скорость поршня и повышает з_м. В связи с этим целесообразно принять S/D=1:

; (51)

мм.

Окончательно принимаем D=87 мм; S=87 мм.

По окончательно принятым значениям D и S определяются основные параметры и показатели двигателя:

, л; (52)

л;

, см²; (53)

см².

, м/с; (54)

м/с;

, кВт; (55)

кВт;

, Н^.м; (56)

 Н^.м;

, кг/ч; (57)

кг/ч;

, кВт/дм³; (58)

кВт/дм³.

2. Построение индикаторной диаграммы дизеля

Масштабы диаграммы: масштаб хода поршня - M_s=0,5 мм/мм; масштаб давлений - Mp=0,02 МПа/мм.

Величины в приведенном масштабе, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:

АВ=S/M_S=87/0,5=174 мм;

ОА=АВ/(е-1)=174/(17-1)=10,8 мм;

Максимальная высота диаграммы (точка z):

p_z/M_p=8,924/0,02=446,2 мм.

Ординаты характерных точек:

р_а/М_р=0,092/0,02=4,6 мм;

р_с/М_р=4,462/0,02=223,1 мм;

р_b/М_р=0,343/0,02=17,15 мм;

р_r/М_р=0,105/0,02=5,2 мм;

р₀/М_р=0,1/0,02=5 мм.

Построение политроп сжатия и расширения проводится графическим методом.

А) для луча ОС принимаем угол б=15°;

Б) tgв₁=(1+tgб)ⁿ1-1

tgв₁=(1+tg15°)^1,362-1=0,381; в₁=20°49';

В) используя лучи OD и ОС, строим политропу сжатия, начиная с точки с;

Г) tg в₂=(1+tgб) ⁿ2-1

tg в₂=(1+tg15°)^1,267-1=0,350; в₂=19°14';

Д) используя лучи ОЕ и ОС, строим политропу расширения, начиная с точки z.

Теоретическое среднее индикаторное давление

p_i'=F'M_p/AB

p_i'=10379^.0,02/174=1,193 МПа,

что очень близко к величине p_i'=1,266 МПа, полученной в тепловом расчете (F' - площадь диаграммы acz'zba).

С учетом быстроходности дизеля принимается угол опережения впрыска 20° (точка c') и продолжительность периода задержки воспламенения Дц₁=8°(точка f).

В соответствии с принятым углом опережения впрыска определяется положение точек b', r', a', a”, c', f по формуле для перемещения поршня:

где л - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна 0,27.

Результаты расчета приведены в таблице 1.

Положение точки с” определяют из выражения:

МПа; (59)

МПа;

мм.

Таблица 1

Обозначение точек	Положение точек	ц°		Расстояние АХ точек от в.м.т., мм.
b'	60° до н.м.т.	120	1,601	139,30
r'	25° до в.м.т.	25	0,117	10,24
a'	25° после в.м.т	25	0,117	10,24
a”	60° после н.м.т.	120	1,601	139,30
c'	20° до в.м.т.	20	0,076	6,62
f	(20-8°) до в.м.т.	12	0,027	2,4

Точка z_Д лежит на линии z'z ориентировочно вблизи точки z.

Нарастание давления от точки c” до z_Д составляет 8,924-5,13=3,79 МПа или 3,79/10=0,379 МПа/ град п.к.в.

Соединяя плавными кривыми точки r c a', c' f и c” и далее с z_Д и кривой расширения b' с b”(точка b” располагается между точками b и а) и далее с r' и r получаем скругленную индикаторную диаграмму ra'ac'fc”z_дb'b”r.

Заключение

В результате проектирования были рассчитаны и выбраны следующие значения и параметры:

- степень сжатия е = 17;

- диаметр поршня D = 87 мм;

- ход поршня S = 87 мм;

- площадь поршня F _п = 59,42 см ² ;

- литраж V _л = 2,07 л;

- мощность двигателя N _e = 50,37 кВт;

- литровая мощность N _л = 24,33 ^кВт/_л;

- крутящий момент М _е = 120,31 Н • м;

- часовой расход топлива G _т = 12,59 ^кг/_ч.

В приложении построена индикаторная диаграмма.

Список литературы

1. Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания: Метод. указ. - Чита: ЧитПИ, 1989. - 26 с.

2. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. пособие для техн. вузов. - М.: Высш. шк., 2008. - 500 с.; ил.

Размещено на Allbest.ru