Розрахунок автомобільного двигуна
1
Вступ
Впровадження досягнень науково-технічного прогресу в автомобілебудуванні та на автомобільному транспорті вимагає творчого підходу до вирішення наукових і практичних завдань, які стоять перед робітниками цих галузей, що в свою чергу передбачає необхідність підвищення якості підготовки і перепідготовки кадрів для них. В області розвитку і удосконалення автомобільних двигунів основними задачами на сучаснім етапі являється:
зниження паливної економічності;
питомої маси;
вартості їх виготовлення і експлуатації;
боротьба з токсичними викидами в атмосферу;
зниження шуму при експлуатації двигунів.
Виконання цих задач вимагає від спеціалістів, пов'язаних з виробництвом та експлуатацією автомобільних двигунів, глибоких знань теорії, конструкції та розрахунку двигунів внутрішнього згоряння.
Важливим чином у придбанні даних знань, що базуються на основних теоретичних положеннях дисципліни «Автомобільні двигуни».
Курс «Автомобільні двигуни» є одним з базових у справі підготовки інженерно-технічних працівників автомобільного транспорту.
Сучасна автомобільна силова установка (автомобільний двигун) являє собою одну з найскладніших машин, здатних перетворювати теплоту, що виділяється при згорянні палива, у механічну роботу. Процеси згоряння, виділення теплоти і перетворення її в механічну роботу продуктами згоряння відбувається у середині двигуна. Звідси й назва - двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ).
1. Хімічні реакції при горінні палива
1.1 Теоретично необхідна кількість повітря для згоряння 1 кг палива
, кг.повітря/кг.палива.
l0= кг.повітря/кг.палива.
Склад палива: бензинів - С = 0,855; Н = 0,145; О = 0; дизельного палива - С = 0,870; Н = 0,126; О = 0,004. Вид палива повинен відповідати прототипу двигуна, що заданий у таблиці вихідних параметрів.
1.2 Теоретично необхідна кількість повітря для згоряння палива
, кмоль.повітря/кг.палива.
L0= кмоль.повітря/кг.палива.
1.3 Коефіцієнт надлишку повітря у режимі номінальної потужності приймають за таблицею вихідних параметрів б =0.84
Кількість свіжого заряду
,
кмоль свіжого заряду/кг.палива. M1=0.84·0.5179=0.4350 кмоль свіжого заряду/кг.палива.
1.4 Кількість двоокису вуглецю (СО2) у продуктах згоряння
за умови:
1, , кмоль/кг.палива,
MCO2= кмоль/кг.палива,
де ;
для нафтових рідких палив к = 0,45...0,53.
1.5 Кількість окису вуглецю (СО) у продуктах згоряння
за умови:
1, , кмоль/кг.палива.
MCO= кмоль/кг.палива.
1.6 Кількість водяної пари (Н2О) у продуктах згоряння
за умови:
1, , кмоль/кг палива. MH2O= кмоль/кг палива.
1.7 Кількість водню (Н2) у продуктах згоряння
за умови:
1, , кмоль/кг палива.
MH2= кмоль/кг палива.
1.8 Кількість кисню (О2) у продуктах згоряння
за умови:
1, , кмоль/кг.палива.
1.9 Кількість азоту (N2) у продуктах згоряння
, кмоль/кг.палива.
MN2= кмоль/кг.палива.
1.10 Загальна кількість продуктів згоряння рідкого палива
, кмоль/кг.палива.
M2= кмоль/кг.палива.
1.11 Зміна кількості робочого тіла при згорянні палива
, кмоль/кг.палива.
?M= кмоль/кг.палива.
1.12 Коефіцієнт молекулярної зміни паливної суміші
.
1.13 Нижча теплота згоряння рідкого палива за формулою Менделєєва
, кДж/кг.палива. Hu= кДж/кг.палива.
Вміст сірки S та вологи W у паливі приймають рівними 0.
1.14 Хімічна неповнота згоряння за умови:
1, , кДж/кг палива.
?Hu= кДж/кг палива.
1.15 Теплота згоряння паливної суміші
, кДж/кмоль пал.суміші.
Hпал.сум= кДж/кмоль пал.суміші.
2. Розрахунок процесів дійсного циклу
2.1 Тиск навколишнього середовища для розрахунків
Р0 = 0,10 МПа.
2.2 Температура навколишнього середовища для розрахунків
Т0 = 293 К.
2.3 Тиск середовища, звідки повітря надходить у циліндр.У випадку відсутності наддуву
Рк = Р0.
2.4 Температура середовища, звідки повітря надходить у циліндр
При відсутності наддуву
Рк = Р0, а Тк = Т0
2.5 Тиск залишкових газів у циліндрі двигуна перед початком процесу наповнення:
при відсутності наддуву
, МПа;
Pr= МПа
2.6 Температуру залишкових газів
Tr =1065 K
2.7 Густина заряду при наповненні:
при відсутності наддуву
,кг/м3;
кг/м3
де В = 287Дж/кгград питома газова стала.
При відсутності наддуву приймають .
2.8 Втрати тиску при наповненні
, МПа,
?Pa= МПа
де коефіцієнт затухання швидкості руху заряду у перерізі циліндра; ВП - коефіцієнт опору впускної системи, віднесений до найбільш вузького його перерізу, ; ВП = 50...150 м/с середня швидкість руху заряду у найменшому перерізі впускної системи в м/с. Значення ВП приймають за таблицею вих. пар.
2.9 Тиск кінця впуску
, МПа
Pa= МПа
2.10 Температура підігріву свіжого заряду Т. Приймається
Т=12?С.
2.11 Коефіцієнт залишкових газів
, .
де ступінь стиску, приймається за табл. вих. пар.
2.12. Температура в кінці наповнення
, К.
Ta= К.
2.13 Коефіцієнт наповнення
.
.
2.14 Середній показник адіабати стиску k1=1,3775
Визначається за номограмою Додатку Е (рис. Е-1) у залежності від ступеня стиску і температури в кінці наповнення Та.
2.15 Значення показника політропи стиску n1
в залежності від k встановлюють у межах для бензинових двигунів (k10,01)…(k10,04);
Приймаємо n1=1,3575
2.16 Тиск у кінці теоретичного стиску
, МПа.
Pc= МПа
2.17 Температура у кінці теоретичного стиску
, К.
Tc= К
2.18 Середня мольна теплоємність свіжого заряду у кінці стиску
, кДж/кмольград.,
кДж/кмольград
де tс температура у кінці стиску в С (tс = Tс273).
2.19 Середня мольна теплоємність залишкових газів
=23,3994 кДж/кмольград
визначається в залежності від коефіцієнта надлишку повітря і температури у кінці стиску tс шляхом інтерполяції за таблицею В-1 Додатку В
2.20 Середня мольна теплоємність робочої суміші
, кДж/кмольград.
кДж/кмольград.
2.21 Коефіцієнт молекулярної зміни робочої суміші
,
,
де r коефіцієнт залишкових газів.
2.22 Теплота згоряння робочої суміші
, кДж/кмоль.
Hроб.сум= кДж/кмоль.
2.23 Середня мольна теплоємність продуктів згоряння
.
Окремі компоненти беруть з таблиці С-1 Додатку С.
2.24 Рівняння згоряння (тепловий баланс) для:
бензинових двигунів
;
0,002001tz2+24,46233tz-73769,08=0
де z коефіцієнт використання тепла. Коефіцієнт використання теплоти у період згорання залежить від типу двигуна:
для бензинового двигуна z = 0,85...0,95
2.25 Температуру, що відповідає максимальному тиску згоряння Рz
визначають шляхом розв'язування квадратного рівняння попереднього пункту
, С,
tz=С. , К.
Tz=2503+273=2776 К.
2.26 Максимальний тиск згоряння
для бензинового двигуна
, МПа;
Pz= МПа.
2.27 Дійсний максимальний тиск згоряння
для бензинового двигуна
. МПа.
Pzд=0.85·4,45=3,78Мпа.
2.28 Ступінь підвищення тиску
Для бензинових двигунів
.
МПа.
2.29 Ступінь попереднього розширення
Для бензинових двигунів;
2.30 Ступінь подальшого розширення
Для бензинових двигунів =6,8
2.31 Середній показник адіабати розширення
k2 =1,242
Визначають по номограмам Е-2 та Е-3 Додатку Е, відповідно, для бензинових та дизельних двигунів за числовими значеннями , та Tz.
2.32 Середній показник політропи розширення n2
k2=1,242
2.33 Тиск кінця процесу розширення
, МПа. Pb= МПа.
2.34 Температура кінця процесу розширення
, К.
Tb= К.
2.35 Перевірка точності вибору значень тиску та температури залишкових газів
, К. Tr= К.
Значення Тr відрізняється від значення прийнятого у пункті 2.6 на 2,6%. Умова виконується.
3. Розрахунок індикаторних та ефективних показників дійсного циклу двигуна
3.1 Теоретичний середній індикаторний тиск
, МПа.
МПа.
3.2 Дійсний середній індикаторний тиск
, МПа, Pi=0,96·0,9=0,86 МПа
де - коефіцієнт повноти індикаторної діаграми, приймається за таб. вих. пар.
3.3 Індикаторна потужність двигуна
, кВт,
Ni= кВт,
де Vл - робочий об'єм циліндрів двигуна у літрах (літраж); n - частота обертання колінчастого вала, об/хв; - коефіцієнт тактності ( = 4).
Значення Vл та n приймають за таб. вих. пар.
3.4 Індикаторний коефіцієнт корисної дії
,
.
3.5 Індикаторні питомі витрати палива
, г/кВтгод, q= г/кВтгод.
3.6 Тиск механічних втрат Рм
Визначають за емпіричною залежністю по заданому у таблиці А-1 значенню середньої швидкості поршня (Vп.ср, м/с). Для бензинових двигунів з числом циліндрів до 6 та відношенням S/D 1
PM =0,034+0,0113·Vп.ср, МПа, PM=0,049+0,0152·8,5=0,18 МПа.
3.7 Середній ефективний тиск
, МПа.
Pe=0,86-0,18=0,68 МПа.
3.8 Механічний коефіцієнт корисної дії
,
.
3.9 Ефективний коефіцієнт корисної дії
.
.
3.10 Ефективна потужність двигуна
.
Ne=100,67·0,79=79,84 кВт
3.11 Ефективні питомі витрати рідкого палива
, г/кВтгод. ge= г/кВтгод
3.12 Годинні витрати палива
, кг/год.
GT=382,83·79,84·10-3=30,57 кг/год
3.13 Циклова подача рідкого палива
, г/цикл.
Gц= г/цикл
4. Розрахунок параметрів циліндра та тепловий баланс двигуна
4.1 Робочий об'єм циліндра
, л,
Vh= л.
де і - кількість циліндрів (таблиця вих. пар.).
4.2 Діаметр циліндра
, мм,
D= мм.
де S/D - відношення ходу поршня до діаметра циліндра, приймають за таблицею А-1.
Значення D приймають для подальшого розрахунку округленим до цілих значень у мм.
4.3 Хід поршня
, мм.
S=91·0,9=82 мм, Значення ходу поршня приймають для подальших розрахунків округленим до цілих міліметрів.
4.4 Уточнене значення літражу двигуна
, л,
Vл= л
де D та S у мм.
4.5 Уточнене значення ефективної потужності
, кВт. Ne= кВт
4.6 Номінальний ефективний крутний момент
, Нм.
Me= Нм
4.7 Уточнене значення годинних витрат палива
, кг/год, GT=79,84·382,83·10-3=30,57 кг/год.
4.8 Уточнене значення середньої швидкості поршня
, м/с, Vп,ср= м/с.
4.9 Загальна кількість тепла, що вводиться у двигун при згорянні палива
, Дж/с, Q0= Дж/с.
4.10 Тепло еквівалентне ефективній роботі
, Дж/с, Qe=1000·79,84=79844,7058 Дж/с.
4.11 Тепло, що передається охолоджуючому середовищу
, Дж/с,
Qв= Дж/с
де С- коефіцієнт пропорційності (С = 0,45…0,52); і - число циліндрів; D - діаметр циліндра у см; m - показник степеня (для чотирьохтактних двигунів m = 0,6…0,7); n- число обертів колінчастого валу двигуна, об/хв. (таблиця вих. пар.).
4.12 Теплота, що винесена з відпрацьованими газами
, Дж/с,
=23,3994+8,314=31,7134
=21,37293+8,314=29,6869
Qr= Дж/с
де - середня мольна теплоємність відпрацьованих газів при сталому тискові у кінці випуску;
кДж/кмольград.
Значення визначається згідно пункту 2.19 за таблицею В-2 або В-3 додатку В для tr; - середня мольна теплоємність повітря при сталому тискові і температурі середовища, звідки надходить повітря;
кДж/кмольград.
Значення визначається за формулою лівого рядку таблиці С-1 додатку С для tк;
4.13 Теплота, що втрачена із-за хімічної неповноти згоряння
для бензинового двигуна
, Дж/с.
Qнс= Дж/с.
4.14 Невраховані втрати тепла
, Дж/с.
Qост= Дж/с.
4.15 Складові частини теплового балансу у процентах
= ;
=;
=;
=;
=;
%
5. Побудова зовнішньої швидкісної характеристики двигуна
