Тепловой расчет двигателя при его работе на жидком топливе и переводе его на газ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(ЛГТУ)
Кафедра автомобилей и тракторов
Расчетное задание
По дисциплине: Инжекторные системы впрыска
На тему: «Тепловой расчет двигателя при его работе на жидком топливе и переводе его на газ»
Содержание
Введение
1. Краткая техническая характеристика двигателя-прототина
2. Описание конструкции системы питания
3.Тепловой расчет двигателя
3.1 Параметры свежего заряда рабочего тела
3.2 Параметры рабочего тела в процессе впуска
3.3 Процесс сжатия
3.4 Процесс сгорания
3.5 Процесс расширения
3.6 Индикаторные показатели рабочего процесса
3.7 Механические потери и эффективные показатели двигателя
4. Расчет и построение внешней скоростной характеристики
5. Построение индикаторной диаграммы в координатах P - V
Вывод
Введение
XX век - это мир техники. Могучие машины добывают из недр земли миллионы тонн угля, руды, нефти. Мощные электростанции вырабатывают миллиарды киловатт-часов электроэнергии. Тысячи фабрик и заводов изготавливают одежду, радиоприемники, телевизоры, велосипеды, автомобили, часы и другую необходимую продукцию. Телеграф, телефон и радио соединяет нас со всем миром. Поезда, теплоходы, самолеты с большой скоростью переносят нас через материки и океаны. А высоко над нами, за пределами земной атмосферы, летают ракеты и искусственные Спутники Земли. Все это действует не без помощи электричества.
Сегодня один из самых распространенных тепловых двигателей - двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т.д., во всем мире насчитываются сотни миллионов таких двигателей.
Выпуск двигателей является одним из самых затрато- и трудоемких процессов. Как продукт двигатель требует жесткого соблюдения технических требований, которые в свою очередь обусловлены общими требованиями к автомобилю и сводится к следующему: обеспечению необходимых энергетических характеристик; соблюдению постоянно ужесточающихся международных и российских норм по уровню вредных выбросов и излучению шума; существенному уменьшению эксплуатационных расходов топлива и масла; возможности работы на альтернативных топливах не нефтяного происхождения; снижению расхода природных ресурсов на производство и эксплуатацию двигателей; достижению приемлемых ценовых факторов, позволяющих поддерживать конкурентоспособность автомобилей.
Для выполнения всех этих требований необходимы, во-первых, значительные собственные либо заемные финансовые ресурсы; во-вторых, меры государственного масштаба.
Основные типы автомобильных двигателей, выпускаемые в нашей стране, -- бензиновый и дизельный, при доминирующем положении бензиновых. Надо сказать, что в Европе процессы дизелизации происходят на порядок интенсивнее. Бензиновые двигатели применяют чаще на легковых автомобилях, небольших грузовиках и мини-вэнах. Дизельные двигатели применяют в основном на грузовых автомобилях и автобусах, где их преимущества в высокой топливной экономичности и ресурсе наиболее весомы.
Несмотря на достаточное количество производителей, модельный ряд российских автомобилей и двигателей все-таки беден, хотя уровень производства собственно двигателей на российских предприятиях ряд экспертов оценивают как вполне достаточный. В любом случае он выше, чем уровень технологии на многих двигателестроительных заводах, к примеру, в Азии. Однако на российских предприятиях нельзя производить многие высокотехнологичные узлы, необходимые современным двигателям -- современный турбонаддув, современную систему управления впрыском топлива. Менее оптимистичные оценки свидетельствуют о низком технологическом уровне. Также необходимо иметь в виду, что еще с советских времен на российских предприятиях существовала проблема нестабильности технологического процесса и, соответственно, качества. Эта трудность существует и сейчас. В сложившейся ситуации большинство российских двигателестроительных заводов вынуждено развиваться самостоятельно, что в современных условиях в ряде случаев практически невозможно. Этим же объясняется нарастающее системное отставание по уровню внедренных конструкторских разработок.
Естественно, что уровень российского двигателестроения, как и автопрома, не столь высок относительно общемировых стандартов. Но от двигателестроительных производителей Бразилии, Индии и даже Китая российских производителей выгодно отличает наличие устойчивой базовой технологии. Это означает, что при равном отставании в области применения высоких технологий российские двигатели будут иметь хорошие конкурентные преимущества на рынках Латинской Америки, Центральной и Южной Азии.
Что в связи с этим может ожидать наших моторостроителей? По ряду оценок, в ближайшие 5-10 лет российские двигателестроительные предприятия могут уйти в нишу дешевых двигателей с более низкими характеристиками по мощности, экологичности, топливопотреблению и, разумеется, по цене. Рынок стран с развитым автомобилестроением будет полностью закрыт для российских моторостроителей. Однако рынок развивающихся автомобильных держав откроет для отечественных производителей моторов новые интересные перспективы.
1. Краткая техническая характеристика двигателя-прототина
Базовый ВАЗ-2109 оснащали поперечно расположенным карбюраторным 1,3-литровым четырехцилиндровым двигателем мощностью 65 л.с., с которым полностью загруженный автомобиль (полезная нагрузка 425 кг) разгоняется до 100 км/ч за 18 с и достигает скорости 156 км/ч. Его прекратили выпускать с 1997 года в связи с прекращением производства недостаточно мощных двигателей типа ВАЗ-2108. Более стильную модель ВАЗ-21093 (которая теперь является единственной "девяткой" в заводской программе) оснащают 72-сильным 1,5-литровым двигателем ВАЗ-21083, у которого при сохранении скоростных и экономических параметров на секунду лучший результат по разгону с места до сотни. ВАЗ-21093i - с 1,5-литровым инжекторным двигателем. Так же выпускалась модификация с двигателем рабочим объемом 1,1 л (ВАЗ-21091).
Краткая техническая характеристика по базовому двигателю:
1. Максимальная мощность Ne max = 47,5 кВт
2. Частота вращения при максимальной мощности nNe max =5600 об/мин
3. Число и расположение цилиндров - 4, рядное расположение
4. Степень сжатия е=9,9
5. Диаметр цилиндра D = 76 мм
6. Ход поршня S = 71 мм
7. Отношение S/D = 1,07
8. Максимальный крутящий момент Ме max = 121,6 Н•м
9. Частота вращения при максимальном крутящем моменте nMe max =3400 об/мин
10. Литраж двигателя Vл = 1,3 л
11. Минимальный удельный расход топлива ge =312 г/кВт•ч
12. Форма камеры сгорания.
Система питания имеет следующие особенности:
увеличена емкость топливного бака до 43 л; пробка заливной горловины топливного бака на некоторых автомобилях снабжена замком;
на топливоподающем трубопроводе установлен топливный фильтр тонкой очистки;
для стабилизации давления на входе в карбюратор предусмотрена обратная топливная ветвь для слива излишков топлива в бак;
использован новый карбюратор, обеспечивающий экономичную смесь -- на различных режимах работы двигателя;
для удобства пользования и снижения токсичности при пуске двигателя карбюратор имеет диафрагменное пусковое устройство;
улучшена термостабильность системы подачи воздуха, забор которого в условиях высокой температуры окружающей среды осуществляется из предрадиаторного пространства, а при низких температурах -- из зоны выпускного коллектора.
2. Описание конструкции системы питания
Двигатель ваз 2108 с инжекторной системой питания.
Топливопровод с топливной рампой
Форсунка (инжектор) - управляемый электромагнитный клапан, обеспечивающий дозированную подачу топлива в цилиндры двигателя. Существуют форсунки для центрального (одноточечного, моно) и для распределённого (многоточечного) впрыска. Блок управления - электронный блок, управляющий системой впрыска, в частности работой форсунок.
Многие современные автомобили оснащаются системами впрыска топлива. Состояние форсунок - неотъемлемой части системы впрыска - во многом определяет эффективность работы двигателя. Впрыск топлива имеет неоспоримые преимущества по сравнению с карбюраторным принципом смесеобразования. В первую очередь, это более точное дозирование топлива, а следовательно, большая экономичность и приемистость автомобиля и меньшая токсичность отработавших газов. Однако основная исполнительная деталь системы впрыска - форсунка - работает в тяжелых условиях и поэтому весьма требовательна к обслуживанию.
ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИНЖЕКТОРНОГО АВТОМОБИЛЯ ВАЗ.
Когда под натиском научно-технического прогресса карбюраторные системы подачи топлива, доминировавшие в автомобильной промышленности продолжительное время, уступили своё место впрысковым системам, лучшие дни традиционных газовых редукторных систем отошли в прошлое. Незадолго до наступления этой новой эры автомобилестроения производители газовой аппаратуры начали активные поиски решений по адаптации традиционных редукторных газовых систем к реальности современного инжекторного автомобиля.
Системы усложнялись введением новых электронных устройств, и каждая новая комбинация провозглашалась гордым именем нового поколения. Однако результат все равно оставался неудовлетворительным, поскольку, как и в редукторной системе, подача газа по-прежнему осуществлялась через смеситель в пространство перед дроссельной заслонкой, далеко от камеры сгорания. Серьёзные недостатки такой стратегии топливоподачи проявлялись в нестабильности работы двигателя, опасности воспламенения газовоздушной смеси, заполняющей впускной коллектор, и разрушения самого впускного коллектора (т.н. хлопки), значительном ухудшении динамических характеристик автомобиля и излишне высоком расходе газа. В конечном счете, после серии неудачных экспериментов пришло понимание, что для осуществления возможности работы инжекторного автомобиля на газовом топливе современная газовая система в своих принципах должна иметь сходные алгоритмы работы с современной бензиновой системой, так же как газовый редуктор повторял логику работы бензинового карбюратора. В такой системе подача топлива должна быть не постоянной, а цикловой, причём расположение подающего газ устройства должно быть максимально приближено к камере сгорания.
Поэтому общепринятая система классификации поколений автомобильных газовых систем, если исходить из принципа дозирования топлива, представляется несколько искусственной, с неподобающим распределением статусов нового поколения.
Распределенный впрыск газа - это принципиально новая технология, которая и является по сути настоящим вторым поколением автомобильных газовых систем. В любом случае нумерация поколений - это вопрос предпочтений, в то время как реальные эксплуатационные свойства систем разных производителей и различия в их конструкциях представляют несомненный интерес.
ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЁННОГО ВПРЫСКА ГАЗА. ОБЩИЙ ПРИНЦИП РАБОТЫ.
Сжиженный нефтяной газ (далее СНГ), хранящийся в баллоне, подаётся под собственным давлением по медным трубопроводам в подкапотное пространство автомобиля. Обычное давление СНГ в баллоне составляет летом 7-12 Атм., а зимой 0.5 - 4 Атм.
При достижении температуры -43°С давление падает до нуля и подача СНГ прекращается.
· 1 -- газовый клапан
· 2 -- испаритель / регулятор давления СНГ
· 3 -- температурный датчик
· 4 -- питание от силовой цепи зажигания
· 5 -- заземление на корпус автомобиля
· 6 -- газовый фильтр 5-7 мкм
· 7 -- газовый инжектор
· 8 -- бензиновая форсунка
· 9 -- кабель эмулятора бензиновых форсунок
· 10 -- подающая трубка
· 11 -- переключатель вида топлива с индикатором
· 12 -- электронный блок управления
· 13 -- впускной воздушный коллектор двигателя
· 14 -- двигатель автомобиля
СНГ проходит через электромагнитный клапан отсечки и поступает в редуктор. К редуктору подводится охлаждающая жидкость двигателя для подогрева, чтобы СНГ начал активно испаряться. При испарении СНГ расширяется и создает рабочее давление. Величина рабочего давления может быть отрегулирована на заводе изготовителе, либо возможность регулировки может быть предусмотрена на редукторе. Обычно регулировка осуществляется вращением винта, находящегося в центре передней крышки редуктора.
Далее испаренный газ проходит по трубопроводу в фильтр тонкой очистки, где отделяются механические примеси. После фильтра газ проходит по трубопроводу в распределительную рампу, откуда поступает к газовым инжекторам. Газовый инжектор открывается по сигналу электронного блока управления, пропуская дозу газа, и закрывается по окончании сигнала электронного блока. Бензиновая схема топливоподачи повторяется с той лишь особенностью, что газ, в отличие от бензина, очень хорошо смешивается с воздухом, и не требует тщательно сформированного факела распыления.
Электронный блок управления считывает управляющие сигналы бензиновых форсунок, вырабатываемые штатным блоком управления автомобиля, и сигналы дополнительных датчиков, поставляемых с газовой системой, и формирует расчетным образом сигналы управления газовыми инжекторами, отключая при этом сами бензиновые форсунки.
3. Тепловой расчет двигателя
Тепловой расчет двигателя служит для определения параметров рабочего процесса. В первую очередь производится определение этих параметров для базового двигателя, работающего на жидком топливе (в карбюраторном и инжекторном вариантах). В связи с тем, что газовые двигатели создаются на базе бензиновых, тепловой расчет двигателя при изменении конструкции системы питания проводится с целью определения изменения параметров рабочего процесса, мощностных и экономических показателей по сравнению с базовым двигателем.
Использование газового топлива может осуществляться либо при неизменной степени сжатия, либо с ее повышением. Увеличение степени сжатия проводится либо постановкой новой головки блока с уменьшенной камерой сгорания, либо установкой поршней с увеличенной головкой поршня. На двигателях легковых автомобилей, имеющих высокую степень сжатия (8...10), перевод на газовое топливо (сжиженный газ) проводят без изменения степени сжатия.
Введем следующие обозначения:
А) для карбюраторных двигателей
Б) для газовых двигателей
В) для двигателей с электронным впрыском
3.1 Параметры свежего заряда рабочего тела
Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания :
А) для сгорания 1 кг бензина (С = 0,85; H = 0,145):
Б) для сгорания 1 кг сжиженного нефтяного газа (СНГ), состоящего из 52% пропана (C3H8) и 48% бутана (С4H10):
=
В) для сгорания 1 кг бензина (С = 0,85; H = 0,145):
Количество свежего заряда в конце впуска:
А) ,
где - коэффициент избытка воздуха, =0,8 .
мт - молярная масса паров бензина; мт=110…120 кг/кмоль.
Б)
L0 ГТ - теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания газового топлива. При использовании СНГ в данную формулу подставляется L0 СНГ. Значение б для сжиженного газа лежит в пределах 0,8…0,9.
В) ,
где для впрыска бензина равно 1.
3.2 Параметры рабочего тела в процессе впуска
Давление окружающей среды Р0=0,1013 МПа, температура окружающей среды Т0 = 293 К.
Давление в конце впуска, МПа:,где ДР - потери давления на впуске из-за сопротивления впускной системы. Величина ДР лежит в пределах для двигателей, работающих на :а) бензине - (0,1...0,15)Р0, причем большее значение применяется для карбюраторных двигателей, меньшее - для инжекторных.в) газовом топливе. - (0,18...0,20)Р0;А) МПа; Б)МПа;В) МПа.А) Ра = 0,1013-0,015195=0,0861 МПаБ) Ра = 0,1013-0,0185=0,0828 МПаВ) Ра = 0,1013-0,01013=0,0912 МПа Давление остаточных газов в конце впуска:Рr = Р0 + Р;А) Рr = 0,1013+0,015195=0,1165 МПаБ) Рr = 0,1013+0,0185=0,1198 МПаВ) Рr = 0,1013+0,01013=0,1114 МПаТемпература остаточных газов, К:Tr = 700 + 0.067nВеличина Tr лежит в предела 900…1100К для бензиновых двигателей и уменьшается на 50…100К для газовых.А) Tr = 1075,2Б) Tr = 1000В) Tr = 1045Коэффициент остаточных газов;А) Тсм - температура смеси воздуха с газовым топливом. Для двигателей, работающих на жидком топливе, Тсм=Т0=293 К.Тr =1075,2 K; Pr =0,1165 МПа; Ра =0,0861 МПа;е=9,9; Величина ДТ определяется по имперической зависимости: =5 К.цдоз - коэффициент дозарядки цилиндра. Для бензиновых двигателей выбирается в зависимости от скоростного режима по рис. 5 [1].
цоч - коэффициент очистки цилиндра. Для всех типов двигателей цоч=1;
Б) Тсм - температура смеси воздуха с газовым топливом. Для двигателей, работающих на газовом топливе, определяется по формуле:
,
где б=0,85; L0ГТ= 27,24 кмоль/кг; Тгаз=Т0+ДТ ? - температура газового топлива на входе в цилиндр, К, Тгаз=293+15=308 К;
ДТ ? =15...20° - подогрев газа при прохождении его от смесителя до цилиндра.
К;
ДТ ? =17°; Тr=1000 К; Pr =0,1198 МПа; Ра =0,0828 МПа; е=9,9;
Страницы: 1, 2
