Методика теплового расчета двигателя внутреннего сгорания
4
Содержание
- Введение
- 1. Исходные данные
- 2. Параметры рабочего тела
- 2.1 Расчет теоретически необходимого количества воздуха
- 2.2 Расчет количества свежего заряда
- 2.3 Расчет количества продуктов сгорания
- 2.4 Расчет объёмных долей компонентов продуктов сгорания
- 3. Расчет параметров наддува
- 4. Расчет процесса впуска
- 5. Расчёт процесса сжатия
- 6. Расчет процесса сгорания
- 7. Расчёт процесса расширения
- 8. Проверка расчета процесса впуска
- 9. Расчет показателей рабочего цикла
- 10. Определение основных размеров цилиндра
- 11. Расчёт и проектирование системы наддува
- 12. Построение индикаторной диаграммы
- Выводы
- Список литературы
- Приложения
Реферат
Цель курсового проекта ознакомиться с методикой теплового расчета двигателя внутреннего сгорания и выполнить расчет для прототипа двигателя марки MAN.
Тепловой расчёт двигателя включает:
1) Расчёт всех основных процессов цикла (впуска, сжатия, сгорания, расширения, выпуска) и определение параметров рабочего тела (объёма, давления) в характерных точках цикла (a, c, z', z b, r). На основе этих расчётов строят индикаторную диаграмму в системе координат p-v.
2) Определение основных энергетических индикаторных показателей, среди которых:
Li - индикаторная работа цикла;
Pi - среднее индикаторное давление, а также экономических индикаторных показателей; среди них:
i - индикаторный к. п. д.;
gi - удельный индикаторный расход топлива.
После оценки механического к. п. д. двигателя определяют также аналогичные эффективные показатели: (энергетический (Ре) и экономические (e, ge)).
3) Определение основных размеров цилиндра (диаметра D и хода поршня S), а также характерных объёмов:
рабочего объёма цилиндра Vh;
объёма камеры сжатия Vc;
полного объёма цилиндра Va;
литража двигателя .
Тепловой расчёт выполняют для нормального режима.
Наддув, степень сжатия, цилиндр, коэффициент избытка воздуха, рабочее тело, индикаторное давление.
ВведениеВ качестве источника механической энергии на современных автомобилях и тракторах применяют в основном двигатели внутреннего сгорания (ДСВ). В ДСВ химическая энергия топлива преобразуется сначала в тепловую в процессе сгорания, а затем теплота превращается в механическую энергию на валу двигателя. Вырабатываемая механическая энергия частично используется для обслуживания внутренних систем двигателя (охлаждения, смазки, питания), а также внешних систем автомобиля или трактора (электроснабжения; тормозных, если тормозные системы с гидро- или пневмоприводом и т.д.). Но основным потребителем механической энергии является движитель (приводные колёса или гусеницы), куда энергия подаётся с помощью трансмиссии.Основные показатели автомобиля или трактора (скорость движения, максимальная грузоподъёмность, экономичность, экологические факторы и т.п.) определяются главным образом двигателем. Поэтому, представляется очень важным уметь прогнозировать показатели двигателя и его характеристики, чтобы удовлетворить требованиям транспортного средства.На современных автомобилях и тракторных применяют главным образом четырёхтактные бензиновые и дизельные двигатели. Основным направлением их форсирования и улучшения показателей служат газотурбинный наддув и охлаждение надувочного воздуха. Поэтому, необходимо выполнять тепловой расчёт двигателей именно таких типов с ориентацией на лучшие результаты, достигнутые в практике мирового автотракторного двигателестроения.Таким образом, тепловой расчёт двигателя является первой и необходимой ступенью в процессе проектирования и создания нового двигателя или в процессе совершенствования существующего.1. Исходные данныеИсходные данные включают все необходимые для расчёта величины, а также важную информацию для обоснования выбора ряда констант и коэффициентов:1 Тактность - четырёхтактный.2 Вид топлива - бензин.3 Мощность (эффективная) - Ne.4 Частота вращения вала - n.5 Степень сжатия - .6 Коэффициент избытка воздуха - .7 Давление наддува - Pk.8Число цилиндров - i.9 Отношение хода поршня к диаметру цилиндра - S/D.Указанные величины в проектном расчёте предварительно оценивают, исходя из назначения двигателя, условий его работы, и пользуясь опытом отечественного и мирового автомобиле- и тракторостроения.В средней климатической зоне, характерной для Украины, эти особенности можно не учитывать и расчёты вести при стандартных атмосферных условиях: Ро=0,101 МПа, То=293 К.Для удобства исходные данные сводим в таблицу 1.1.Таблица 1.1 - Исходные данные.Ne, кВт | n, об/мин | e | a | Pk, Мпа | i | s/d | p0 | T0 | ? | D, мм | |
169 | 2600 | 17 | 1,6 | 0,185 | 6 | 1,1 | 0,101 | 293 | 2 | 108,0 |
Прототип - MAN (Германия).
2. Параметры рабочего телаРабочее тело в цилиндре представляет собой в общем случае смесь воздуха, продуктов сгорания и паров топлива. Необходимо знать конкретный состав рабочего тела в каждом процессе, так как от этого зависят теплофизические свойства рабочего тела (теплоёмкости и показатель адиабаты).2.1 Расчет теоретически необходимого количества воздухаТеоретически необходимое количество воздуха определяют в расчёте на 1 кг топлива (жидкого):массовое количество:; (4.1)мольное количество:; (4.2)где g02 и r02 - соответственно массовая и объёмная доли кислорода в атмосферном воздухе (для стандартной атмосферы доли кислорода стабильны и равны g02 =0,23, r02 =0,21);C, H, O - элементарный состав топлива (массовые доли входящих в топливо химических элементов: углерода, водорода и кислорода см. таблицу 4.1).Элементарный состав топлива определяют в зависимости от вида топлива. Основные данные о жидком топливе (дизельном топливе) приведены в таблице 4.1.Таблица 4.1 - Данные о бензинетип | С | Н | О | ?? | Hu | |
Дизельное топливо | 0,870 | 0,126 | - | 190 | 42,5 |
Проводим расчет по формулам 4.1, 4.2:
2.2 Расчет количества свежего зарядаСвежий заряд - это смесь, поступающая в цилиндр в процессе впуска. Количество свежего заряда определяют также в расчете на 1кг топлива.В дизельном двигателе свежий заряд состоит только из воздуха:массовое количество заряда (4.3)мольное количество заряда (4.4)Проводим расчет по формулам 4.3, 4.4:2.3 Расчет количества продуктов сгоранияМассовое количество продуктов сгорания для всех типов двигателей определяется одинаково и по закону сохранения массы (в расчете на 1кг топлива) равно: (4.5)Мольное количество продуктов сгорания не равно мольному количеству исходных веществ, т.к. в процессе сгорания углеводородных топлив в воздухе изменяется количеством молекул.Для стехиометрического состава смеси при полном сгорании: (4.6)В дизельном двигателе, который работает на бедных смесях, коэффициент избытка воздуха больше единицы; поэтому после сгорания остается избыточный воздух: (4.7)Важной характеристикой процесса сгорания является коэффициент молекулярного изменения, который равен отношению мольного количества продуктов сгорания к мольному количеству свежего заряда: (4.8)Для углеводородных топлив, сгорающих в воздухе характерна величина в > 1, что указывает на изменение количества молей в сторону увеличения.2.4 Расчет объёмных долей компонентов продуктов сгоранияДля удобства расчётов продукты сгорания условно делят на две части:1. продукты сгорания стехиометрической смеси (при б = 1);2. избыточный воздух.В дизельном двигателе объемная доля продуктов сгорания: (4.9)Объемная доля избыточного воздуха: (4.10)В расчетах целесообразно воспользоваться проверочным соотношением: r0 + rb = 10,6394+0,360 =13. Расчет параметров наддуваМногие современные бензиновые двигатели и большинство дизельных снабжены системами газотурбинного наддува, что позволяет значительно повысить мощность при практически тех же габаритах и одновременно снизить удельный расход топлива. Компрессор, установленный в системе газотурбинного наддува, должен создавать большее давление, чем давление наддува Рк, так как часть его тратится не сопротивление воздушного тракта между компрессором и двигателем.Основным элементом, создающим сопротивление, является охладитель наддувочного воздуха. Последний конструируют так, чтобы он существенно снижал температуру воздуха, но мало влиял на давление. На основании статистических данных потери давления в охладителе составляют:Следовательно, давление за компрессором: (МПа) (5.1)Степень повышения давления в компрессоре: (5.2)где Р0 - атмосферное давление.Пpи сжатии воздуха в компрессоре происходит повышение его температуры, которая определяется по формуле: (5.3)гдеТ0 - температура атмосферного воздуха;К = 1,40 - показатель адиабаты для воздуха;зкад = 0,68 - 0,76 - адиабатный к. п. д. компрессора.Повышение температуры составит: (К)Температура воздуха на входе в двигатель: (5.4)где у = 0,5 - 0,8 - степень тепловой эффективности охладителя.Теоретически, если у = 0, то , что означает отсутствие охлаждения.Если у = 1, то , что соответствует полному охлаждению воздуха до температуры окружающей среды. С термодинамической точки зрения величину у целесообразно увеличивать, однако при этом растут габариты и масса охладителя. Практикой выработаны рекомендации для целесообразного выбора значения степени тепловой эффективности охладителя в диапазоне, указанном выше.Температура воздуха на входе в двигатель составит: (К)4. Расчет процесса впускаПроцесс впуска представляет собой сложный термодинамический процесс в открытой термодинамической системе, который сопровождается изменением объёма цилиндра, проходного сечения впускных клапанов, сопротивления на впуске. В этом процессе протекают все диссипативные явления, вызванные трением, теплообменом и диффузией. Точный расчёт процесса впуска возможен лишь на основе численного решения системы дифференциальных уравнений, что выходит за рамки настоящей курсовой работы.В курсовой работе ограничимся определением параметров рабочего тела в конце процесса впуска, используя многочисленные экспериментальные данные, полученные при исследовании двигателей подобных типов.За начало цикла примем, точку "r", которая соответствует концу процесса выпуска или началу впуска, а поршень находится в ВМТ. Количество рабочего тела в цилиндре в этом случае минимально, поэтому погрешности в оценке параметров рабочего тела сравнительно мало влияют на общий результат расчёта.На основании статистических опытных данных принимаем параметры рабочего тела в точке "r" для бензиновых двигателей с наддувом: (МПа) ;Давление в цилиндре в конце впуска отличается от давления наддува Рк в меньшую сторону за счёт потерь давления при впуске (главным образом в клапанных устройствах): (6.1)где = (0,05-0,15). Рк - потеря давления при впуске.Давление в цилиндре в конце впуска составит: (МПа)Температуру в цилиндре в конце впуска определяют по формуле, полученной на основе баланса энергии при впуске: (5.2)где - повышение температуры свежего заряда при впуске за счёт подогрева от стенок (для дизельных двигателей = 20 - 40 К);г - коэффициент остаточных газов (для дизельных двигателей г = 0-0,05);Температуру в цилиндре в конце впуска определяем по формуле (5.2): (К)Величины Тr и г, принятые при расчете процесса впуска, в дальнейшем могут быть проверены и при необходимости уточнены.Важнейшей характеристикой процесса впуска является коэффициент наполнения зv, который равен отношению количества свежего заряда, действительно поступившего в цилиндр, к теоретическому количеству свежего заряда, который помещается в рабочем объеме цилиндра при параметрах на впуске (Pk,Tk).Для расчета коэффициента наполнения служит формула: (5.3)Коэффициент наполнения влияет на количество свежего заряда в цилиндре и, следовательно на мощность. Поэтому всемерно стремятся к увеличению коэффициента наполнения, снижая потери при впуске () и осуществляя продувку камеры сгорания в период газообмена.5. Расчёт процесса сжатияВ процессе сжатия происходит уменьшение объема, поэтому давление и температура тела в цилиндре возрастают. На процесс сжатия сильное влияние оказывает теплообмен со стенками, а также трение и диффузия при движении и перемешивании рабочего тела. Теплообмен со стенками приводит к подводу теплоты к рабочему телу, когда его температура низка. В конце процесса сжатия температура рабочего тела превосходит температуру стенок и направление теплового потока меняется - он направлен от рабочего тела к стенкам, то есть происходит теплоотвод. Поэтому процесс сжатия является сложно-политропным с переменным показателем политропного процесса.Для определения параметров рабочего тела в конце сжатия используют понятие условно политропного процесса с постоянным средним показателем n1. Величины n1 определены для разных типов двигателей путем обработки многочисленных опытных индикаторных диаграмм (для дизельных двигателей n1 = 1,32 - 1,39)На основании уравнений политропного процесса давление в конце сжатия: (МПа) (7.1)Температура в конце сжатия: (К) (7.2)В конце процесса сжатия (условно в точке "с") начинается процесс сгорания, который протекает различно в бензиновых и дизельных двигателях.В бензиновых двигателях практически вся смесь приготовлена для сгорания, средняя скорость сгорания велика, а продолжительность сгорания сравнительно небольшая.6. Расчет процесса сгоранияУравнение сгорания выражает баланс энергии в процессе сгорания, составленный на основе 1-го закона термодинамики, в данном случае с учётом того факта, что часть теплоты подводится к рабочему телу при V = const, а другая часть - при p = const.Уравнение имеет вид: (8.1)где R = 8,314 - универсальная газовая постоянная; - степень повышения давления при сгорании;Для определения величины В сначала задают максимальное давление при сгорании в пределах:для двигателей средней напряжённости:Рz = 10 - 12 МПа;для высокофорсированных двигателей:рz= 12 - 14 МПа;= 0,65 - 0,85 - для дизельных двигателей;Hu - теплота сгорания дизельного топлива (см. табл.3);Cvz - теплоёмкость продуктов сгорания.Величины Pz и z обеспечиваются за счёт регулировок и конструирования топливной аппаратуры (профиля кулачка топливного насоса, конструкции нагнетательного клапана, силы затяжки пружины форсунки, числа и размеров отверстий распылителя).Продукты сгорания в дизельном двигателе, всегда содержат избыточный воздух, так как двигатель работает при >1. Поэтому теплоёмкость продуктов сгорания рассчитывает как для смеси: (8.2)где и Cvcb теплоёмкости соответственно "чистых" продуктов сгорания и воздуха, определяемые по таблице при температуре Tz (tc) методом интерполяции.Уравнение сгорания содержит две переменные величины Tz и - поэтому оно решается относительно Tz приближёнными методами. В данном случае используется графический способ решения.Вычисляем правую часть уравнения: (8.3)Для левой части уравнения составляем таблицу 8.1 в диапазоне ожидаемых температур Tz.Таблица 8.1-Расчет уравнения сгорания.Tz | 1773 | 1873 | 1973 | 2073 | 2173 | |
tz | 1500 | 1600 | 1700 | 1800 | 1900 | |
Cvz0 | 27,86 | 28,136 | 28,395 | 28,634 | 28,863 | |
Cvzв | 24,46 | 24,653 | 24,837 | 25,005 | 25,168 | |
Cvz | 26,63399058 | 26,88006153 | 27,11201721 | 27,32541524 | 27,53061624 | |
(Cvz+R) Tz | 61962,78731 | 65918,47725 | 69895,53195 | 73880,5078 | 77890,35108 |
Рисунок 8.1 - Графическое решение уравнения сгорания
Найденная температура Tz=1985 К является максимальной температурой цикла, она используется в дальнейших расчётах.
Страницы: 1, 2