Тепловой расчет ДВС ВАЗ

метки: Двигатель, Точка, Автомобиль, Мощность, Остаточный, Режим, Приниматься, Температура

Целью данного курсового проекта является улучшение эксплуатационных и технических показателей вследствие применения более современных конструкционных материалов и улучшения тепловых процессов двигателя, а также повышение надёжности его работы, снижение токсичности отработанных газов и улучшение вибрационно-акустических качеств за счёт повышения уравновешенности масс кривошипно-шатунного механизма. В задачи проекта входит расчёт и определение параметров и показателей рабочего цикла, основных размеров, кинематический и динамический анализ, оценка прочности деталей, расчёт и компоновка систем, обслуживающих двигатель.

В курсовом проекте в качестве прототипа используется автомобиль ВАЗ-2106 легковой, с закрытым четырёхдверным кузовом, с передним расположением двигателя и задними ведущими колёсами, предназначен для перевозки пяти человек и багажа не более 50 кг. Автомобиль рассчитан для эксплуатации при температуре окружающей среды от минус 40 ⁰ С до плюс 45⁰ С.

На автомобиль устанавливается 4-цилиндровый карбюраторный двигатель с рядным вертикальным расположением цилиндров и верхним расположением распределительного вала рабочим объёмом 1,6 литра. Двигатель приводит в движение автомобиль и его оборудование. В таблице приведены основные показатели и параметры двигателя в сравнении с лучшими отечественными и мировыми аналогами.

Таблица 1.

Показатели двигателей	ВАЗ-2106	ВАЗ-2112	RENAULT 1,6 i
Расположение, число цилиндров	Рядный 4
Число клапанов	8	16	16
Рабочий объём, см 3	1569	1499	1598
Мощность, кВт/л•с, при об/мин	55,5/75,5 5400	66,7/90,7 5600	83/113 6000
Крутящий момент, Н•м, при об/мин	116 3000	127 3700	152 4200
Расход топлива, л/100 км, смешанный цикл	8,5	7,4	6,9
Степень сжатия	8,5	9	11

Таким образом двигатель ВАЗ 2106 значительно отстаёт от аналогов и на мой взгляд требует значительной модернизации конструкции с целью дальнейшего повышения производительности, эффективных показателей, а также уменьшения выбросов вредных веществ в окружающую среду.

1. Выбор и обоснование типа транспортного средства

Тип транспортного средства — автомобиль ВАЗ-2106 легковой с закрытым четырёхдверным кузовом.

Масса — 1380 кг.

Скорость — 150 км/ч.

Грузоподъёмность (пассажировместимость) — 400 кг. (5чел.).

Область эксплуатации — Дороги с твёрдым покрытием.

Характеристики установленного двигателя:

Марка (модель) — ВАЗ 2106

Мощность:

максимально допустимая — 58,8 кВт.

номинальная — 55,5 кВт.

эксплуатационная — 48 кВт.

Крутящий момент:

максимальный — 116 Н•м

Частота вращения коленчатого вала:

максимальная — 6000 об/мин.

минимально-устойчивая — 900 об/мин.

Расход топлива и масла:

удельный — 3085 г/кВт•ч

на 100 км пробега -8,5 л/100 км

Габаритные размеры — 583?541?651

Ресурс — 150000 км.

Определяем эксплуатационную мощность двигателя из условия обеспечения максимальной скорости движения.

=43 м/с — максимальная скорость автомобиля

т _а = 1445 кг — масса автомобиля

• коэффициент суммарного сопротивления дороги. Принимаю

К _В =0,2 — коэффициент обтекаемости, Н с² /м⁴

F = 1,7 — лобовая площадь, м²

• коэффициент учета силы инерции приведенных вращающихся масс

= 1,04+0,04 i _{k ,} где i _k =1 — передаточное число коробки передач

= 1,04+0,04*1=1,08

j _a =0,2 — ускорение автомобиля м/с²

=0,85 — КПД трансмиссии.

=47,6 кВт.

Определяем эффективную мощность:

кВт.

2. Тепловой расчёт и тепловой баланс карбюраторного двигателя

Произвести расчет четырехтактного карбюраторного двигателя, предназначенного для легкового автомобиля. Эффективная мощность двигателя N _е = 56 кВт при частоте вращения коленчатого вала п = 5400 об/мин. Двигатель четырехцилиндровый, i = 4 с рядным расположением. Система охлаждения жидкостная закрытого типа. Степень сжатия ? = 8,5.

При проведении теплового расчета для нескольких скоростных режимов обычно выбирают 3—4 основных режима. Для карбюраторных двигателей такими режимами являются:

режим минимальной частоты вращения n _min =900 об/мин, обеспечивающий устойчивую работу двигателя;

режим максимального крутящего момента при n _М = 3000 об/мин;

режим максимальной (номинальной) мощности при n _N = 5400 об/мин;

режим максимальной скорости движения автомобиля при n _max = 6000 об/мин;

С учетом приведенных рекомендаций и задания ( n _N = 5400 об/ мин) тепловой расчет последовательно проводится для п = 900, 3000, 5400 и 6000 об/мин.

Топливо. В соответствии с заданной степенью сжатия ? = 8,5 можно использовать бензин марки АИ-93.

Средний элементарный состав и молекулярная масса топлива

С =0,855; Н =0,145 и m _т = 115 кг/кмоль.

Низшая теплота сгорания топлива

Параметры рабочего тела.

кмоль возд/кг топл.;

• = кг возд/кг топл.

Коэффициент избытка воздуха

Количество горючей смеси М ₁ = ?L₀ + l/m_т ; (1)

при п = 900 об/мин М₁ = 0,86

• 0,516+1/115 = 0,4525 кмоль гор. см/кг топл;

при п = 3000, 5400 и 6000 об/мин M₁ = 0,96

• 0,516+1/115= 0,5041 кмоль гор. см/кг топл.

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания при К=0,5 и принятых скоростных режимах:

при п = 900 об/мин

кмоль СО ₂ /кг топл;

• кмоль СО/кг топл;

кмоль Н ₂ О/кг топл;

кмоль Н ₂ /кг топл;

кмоль N ₂ /кг топл;

при п = 3000, 5400 и 6000 об/мин

кмоль СО ₂ /кг топл;

• кмоль СО/кг топл;

кмоль Н ₂ О/кг топл;

кмоль Н ₂ /кг топл;

кмоль N ₂ /кг топл;

Общее количество продуктов сгорания

; (2)

при п = 900 об/мин

М ₂ =0,0512+0,02+0,0625+0,01+0,3515=0,4952 кмоль пр. сг/кг топл.

Проверка: М ₂ = 0,855/12 + 0,145/2 + 0,792

• 0,86
• 0,516 = 0,4952 кмоль пр. сг/кг топл;

при п = 3000, 5400 и 6000 об/мин

М ₂ = 0,0655 + 0,0057+0,0696 + 0,0029 + 0,3923 = 0,5360 кмоль пр. сг/кг топл.

Проверка: М ₂ = 0,855/12 + 0,145/2 + 0,792

• 0,96

— 0,516 = 0,5360 кмоль пр. сг/кг топл.

п	900	3000	5400	6000	об/мин
Т r	900	1000	1060	1070	МПа

п	900	3000	5400	6000	об/мин
p r	0,1039	0,1077	0,1170	0,1201	МПа

п	900	3000	5400	6000	об/мин
?Т	18,58	13,64	7,99	6,587	°С

Плотность заряда на впуске

где R _B = 287 Дж/кг

• град — удельная газовая постоянная для воздуха.

Потери давления на впуске. В соответствии со скоростным режимом двигателя (n = 5400 об/мин) и при условии качественной обработки внутренней поверхности впускной системы можно принять ? ² + ?_вп = 2,8 и ?_вп = 95 м/с. Тогда

А _n = ?_вп /n_N = 95/5400= 0,01759;

• (5)

Отсюда получим:

при n = 900 об/мин ?p _? = 2,8 * 0.01759² * 900² * 1,189 ?10^-6 /2 = 0,0004 МПа;

при n = 3000 об/мин ?p _? = 2,8 * 0.01759² * 3000² * 1,189 ?10^-6 /2 = 0,004635 МПа;

при n = 5400 об/мин ?p _? = 2,8 * 0.01759² * 5400² * 1,189 ?10^-6 /2 = 0,015 МПа;

при n = 6000 об/мин ?p _? = 2,8 * 0.01759² * 6000² * 1,189 ?10^-6 /2 = 0,0185 МПа.

Давление в конце впуска

р _? = p₀ — ?p_? , (6)

п	900	3000	5400	6000	об/мин
р ?	0,0996	0,09536	0,085	0,0814	МПа

Коэффициент остаточных газов. При определении ? _r для двигателя без наддува принимается коэффициент очистки ?_оч = 1, а коэффициент дозарядки на номинальном скоростном режиме ?_доз = 1,10, что вполне возможно получить при подборе угла опаздывания закрытия впускного клапана в пределах 30—60°. При этом на минимальном скоростном режиме (п = 900 об/мин) возможен обратный выброс в пределах 5%, т. е. ?_доз = 0,95. На остальных режимах значения ?_доз можно получить, приняв линейную зависимость ?_доз от скоростного режима. Тогда

• (7)

При n = 900 об/мин ;

• при n = 3000 об/мин ;
• при n = 5400 об/мин ;
• при n = 6000 об/мин ;

Температура в конце впуска:

(8)

При n = 900 об/мин К;

• при n = 3000 об/мин К;
• при n = 5400 об/мин К;
• при n = 6000 об/мин К;

Коэффициент наполнения:

• (9)

При n = 900 об/мин

при n = 3000 об/мин

при n = 5400 об/мин

при n = 6000 об/мин

Процесс сжатия. Средний показатель адиабаты сжатия k₁ при ? =8,5 и рассчитанных значениях Т_а определяется по графику, а средний показатель политропы сжатия n₁ принимается несколько меньше k₁ . При выборе n₁ учитывается, что с уменьшением частоты вращения теплоотдача от газов в стенки цилиндра увеличивается, а n₁ уменьшается по сравнению с k₁ более значительно:

п	900	3000	5400	6000	об/мин
k 1	1,3767	1,3771	1,3772	1,3772
T ?	340	337	336	337,6	К
n 1	1,370	1,376	1,377	1,377

Давление в конце сжатия

(10)

При n = 900 об/мин МПа;

• при n = 3000 об/мин МПа;
• при n = 5400 об/мин МПа;
• при n = 6000 об/мин МПа.

Температура в конце сжатия

(11)

При n = 900 об/мин К;

• при n = 3000 об/мин К;
• при n = 5400 об/мин К;
• при n = 6000 об/мин К;

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:

а) свежей смеси (воздуха):

, (12)

где

п	900	3000	5400	6000	об/мин
t c	477,52	480,51	479,88	483,47	°С
	21,85	21,87	21,87	21,875	кДж/(кмоль град);

б) остаточных газов

• определяется методом экстраполяции;

при n = 900 об/мин, ? = 0,86 и t _c =477 °С

кДж/(кмоль * град);

при n = 3000 об/мин, ? = 0,96 и t _c =480 °С

кДж/(кмоль * град);

при n = 5400 об/мин, ? = 0,96 и t _c =480 °С

кДж/(кмоль * град);

при n = 6000 об/мин, ? = 0,96 и t _c =483,47 °С

кДж/(кмоль * град);

в) рабочей смеси

(13)

при n = 900 об/мин

кДж/(кмоль * град);

при n = 3000 об/мин

кДж/(кмоль * град);

при n = 5400 об/мин

кДж/(кмоль * град);

при n = 6000 об/мин

кДж/(кмоль * град);

Процесс сгорания. Коэффициент молекулярного изменения горючей и рабочей смеси (14)

При n = 900 об/мин ? ₀ =0,4952/0,4525=1,0944; ?=(1,0944+0,05136)/(1+0,05136)=1,08979;

при n = 3000 об/мин ? ₀ =0,5360/0,5041=1,0633; ?=(1,0633+0,04567)/(1+0,04567)=1,06053;

при n = 5400 об/мин ? ₀ =0,5360/0,5041=1,0633; ?=(1,0633+0,04902)/(1+0,04902)=1,06034;

при n = 6000 об/мин ? ₀ =0,5360/0,5041=1,0633; ?=(1,0633+0,051855)/(1+0,051855)=1,0602.

Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания топлива:

?Н _u = 119950(1— ?)L₀ . (15)

При n = 900 об/мин ?Н _u = 119950·(1— 0,86)·0,516=8665 кДж/кг;

при n = 3000, 5400 и 6000 об/мин ?Н _u = 119950·(1— 0,6)·0,516=2476 кДж/кг.

Теплота сгорания рабочей смеси

Н _раб.см = (Н_u — ?H_u )/[М₁ (1 + ?_r )]. (16)

При n = 900 об/мин Нраб.см = (43930 — 8665)/[0,4525(1 + 0,05136)]=74126 кДж/кмоль раб. см;

• при n = 3000 об/мин Нраб.см = (43930 — 2476)/[0,5041(1 + 0,04567)]=78642 кДж/кмоль раб. см;
• при n = 5400 об/мин Нраб.см = (43930 — 2476)/[0,5041(1 + 0,04902)]=78391 кДж/кмоль раб. см;
• при n = 6000 об/мин Нраб.см = (43930 — 2476)/[0,5041(1 + 0,05186)]=78180 кДж/кмоль раб. см;

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания

(17)

При n = 900 об/мин = (1/0,4952) [0,0512 (39,123 + 0,003349t _z ) + 0,02 (22,49 + 0,00143t_z ) +0,0625

• (26,67 + 0,004438t_z ) + 0,01 (19,678 + 0,001758t_z ) + 0,3515 (21,951 + 0,001457t_z )] =

= 24,298 + 0,002033t _z кДж/(кмоль•град);

при n = 3000, 5400 и 6000 об/мин =(1/0,536) [0,0655 •(39,123 + 0,003349t _z ) +0,0057

• (22,49 + 0,00143t_z ) + 0,0696 (26,67 + 0,004438t_z ) + 0,0029

• (19,678 + 0,001758t_z ) + 0,3923(21,951+ 0,001457t_z )] = 24,656 + 0,002077t_z кДж/(кмоль•град).

Величина коэффициента использования теплоты ? _z при п = 5600 и 6000 об/мин в результате значительного догорания топлива в процессе расширения снижается, а при т = 900 об/мин ?_z интенсивно уменьшается в связи с увеличением потерь тепла через стенки цилиндра и неплотности между поршнем и цилиндром. Поэтому при изменении скоростного режима ?_z ориентировочно принимается в пределах, которые имеют место у работающих карбюраторных двигателей:

п	900	3000	5400	6000	об/мин
? z	0,82	0,92	0,91	0,89

Температура в конце видимого процесса сгорания

• (18)

При n = 900 об/мин 0,82

• 74126 + 21,9374
• 477 = 1,08979
• (24,298 + 0,002033t _z )t_z , или

, откуда

°C;

T _z =t_z +273=2325,910974+273=2598,91 K;

при n = 3000 об/мин 0,92

• 78642 + 21,958
• 480 = 1,06053
• (24,656 + 0,002077t _z )t_z , или , откуда

°C;

T _z =t_z +273=2600+273=2873 K;

при n = 5400 об/мин 0,91

• 78390 + 21,9627
• 480 = 1,0603
• (24,656 + 0,002077t _z )t_z , или

, откуда

°C;

T _z =t_z +273=2574+273=2847 K;

при n = 6000 об/мин 0,89

• 78179 + 21,978
• 483 = 1,0602
• (24,656 + 0,002077t _z )t_z , или

, откуда

°C

T _z =t_z +273=2529+273=2802 K.

Максимальное давление сгорания теоретическое

р _z = p_c ?T_z /T_c ^. (19)

При n = 900 об/мин р _z = 1,868802·1,08979·2599/750=7,057 МПа;

при n = 3000 об/мин р _z = 1,812369·1,06053·2873/753=7,333 МПа;

при n = 5400 об/мин р _z = 1,6189·1,06034·2847/752=6,4988 МПа;

при n = 6000 об/мин р _z = 1,5542·1,0602·2802/756=6,10706 МПа;

Максимальное давление сгорания действительное

р _{z д} = 0,85/ р_z ;

п	900	3000	5400	6000	об/мин
р z д	5,9989	6,2334	5,524	5,191	МПа

Степень повышения давления

?= р _z /p_c (20)

п	900	3000	5400	6000	об/мин
?	3,7765	4,046364	4,0143	3,9294

Процессы расширения и выпуска.

п	900	3000	5400	6000	об/мин
?	0,86	0,96	0,96	0,96
T z	2599	2873	2847	2802	К
k 2	1,2605	1,2515	1,2518	1,2522
n 2	1,26	1,251	1,251	1,252

Давление и температура в конце процесса расширения

(21) и (22)

При n = 900 об/мин р _b = 7,05749/8,5^1,26 = 0,4759 МПа и Т_b = 2599/8,5^{1,26 -1} = 1490 К;

при n = 3000 об/мин р _b = 7,333/8,5^1,251 = 0,5042 МПа и Т_b = 2873/8,5^{1,251 -1} = 1679 К;

при n = 5400 об/мин р _b = 6,4988/8,5^1,251 = 0,4468 МПа и Т_b = 2847/8,5^{1,251 -1} = 1664,8 К;

при n = 6000 об/мин р _b = 6,107/8,5^1,252 = 0,419 МПа и Т_b = 2802/8,5^{1,252 -1} = 1634 К;

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов:

• (23)

При n = 900 об/мин

; ;

при n = 3000 об/мин

; ;

при n = 5400 об/мин

; ;

при n = 6000 об/мин

; , где ? — погрешность расчета. На всех скоростных режимах температура остаточных газов принята в начале расчета достаточно удачно, так как ошибка не превышает 1,7%.

Индикаторные параметры рабочего цикла.

(24)

При n = 900 об/мин

;

при n = 3000 об/мин

;

при n = 5400 об/мин

при n = 6000 об/мин

Среднее индикаторное давление:

МПа (25)

где коэффициент полноты диаграммы принят ? _и = 0,96;

п	900	3000	5400	6000	об/мин
p i	1,1290	1,2131	1,0729	1,0	МПа

Индикаторный КПД и индикаторный удельный расход топлива

(26) и (27)

При n = 900 об/мин ; г/(кВт·ч);

• при n = 3000 об/мин ;
• г/(кВт·ч);

• при n = 5400 об/мин ;
• г/(кВт·ч);

• при n = 6000 об/мин ; г/(кВт·ч).

Эффективные показатели двигателя

(28)

Предварительно приняв ход поршня S равным 80 мм, получим ? _п.ср. = Sn/3

— 10⁴ = 80 n/3 ·10⁴ = =0,002667n м/с, тогда р_м = 0,049 + 0,0152 * 0,002667n МПа, а на различных скоростных режимах:

п	900	3000	5400	6000	об/мин
? п.ср	2,4003	8,001	14,4018	16,002	м/с
р м	0,08545	0,1705	0,2677	0,292	МПа

Среднее эффективное давление и механический КПД

(29) и ; (30)

п	900	3000	5400	6000	об/мин
p i	1,1290	1,2131	1,0729	1,0	МПа
p e	1,04355	1,0426	0,8052	0,70894	МПа
? м	0,9243	0,8595	0,75049	0,7083

Эффективный КПД и эффективный удельный расход топлива:

• (31) и ;
• (32)

п	900	3000	5400	6000	об/мин
? i	0,3166	0,362	0,3353	0,325	МПа
? e	0,2926	0,31	0,252	0,231	МПа
g e	280	264	325	355	г/(кВт·ч)

Основные параметры цилиндра и двигателя. Литраж двигателя:

V _л = 30?N_e /(p_e n) = 30

• 4
• 56/(0,8052
• 5400) = 1,545л.

Рабочий объем одного цилиндра:

V _h = V_л /i = 1,545/4 = 0,38625 л.

Диаметр цилиндра. Так как ход поршня предварительно был принят S = 80 мм, то

мм

Окончательно принимается D == 79мм и S = 80 мм.

Основные параметры и показатели двигателя определяются по окончательно принятым значениям D и S:

л;

мм ² =48,99 см² ;

• ;
• (33) ;
• (34) , (35)

п	900	3000	5400	6000	об/мин
p e	1,04355	1,0426	0,8052	0,7089	МПа
N e	12,287	40,92	56,887	55,65	кВт
M e	130,44	130,32	100,649	88,62	Н·м
G T	3,440	10,803	18,488	19,755	кг/ч

Литровая мощность двигателя

кВт/л;

ВЫВОД : основные данные полученные в тепловом расчёте при сравнение с характеристиками прототипа (см. таб.) позволяют сделать вывод о том что для дальнейших расчётов мы можем принять этот двигатель так как расхождение не превышает 10%.

	N e , кВт	р е	? е	g e , г/кВт•ч
Рассчитанное	56,9	0,8052	0,25	325
Прототипа	56,0	0,81	0,27	3105
Погрешность	1,6	0,5	8	4,6

4. Построение индикаторной диаграммы

Индикаторную диаграмму строят для номинального режима работы двигателя, т. е. при N _e = 56кВт и n = 5400 об/мин.

Масштабы диаграммы: масштаб хода поршня М _s = 1 мм в мм; масштаб давлений М_р = 0,05 МПа в мм.

Приведенные величины, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:

мм; мм

Максимальная высота диаграммы (точка z)

мм

Ординаты характерных точек:

• мм;
• мм;

• мм;
• мм;

мм.

Построение политроп сжатия и расширения аналитическим методом:

а) политропа сжатия (36).

Отсюда

мм,

гдемм.

№ точек	OX, мм		Политропа сжатия	Политропа расширения
				, мм	, МПа		, мм	, МПа
1	10,7	8,5	19,04	32,4	1,62 (точка с)	14,55	132,4	6,62 (точка z)
2	11,3	8	17,52	29,8	1,49	13,48	122,7	6,135
3	12,9	7	14,58	24,7	1,23	11,41	103,8	5,19
4	18,1	5	9,17	15,5	0,77	7,490	68,2	3,41
5	22,7	4	6,74	11,5	0,58	5,66	51,5	2,57
6	30,2	3	4,54	7,7	0,385	3,953	36	1,8
7	45,4	2	2,59	4,4	0,22	2,380	21,658	1,083
8	60,5	1,5	1,74	3,0	0,15	1,661	15,1	0,755
9	90,7	1	1	1,7	0,085 (точка а)	1	9,1 (точка b)	0,455

б) политропа расширения (37).Отсюда

мм

Результаты расчета точек политроп приведены в табл.

Теоретическое среднее индикаторное давление

где мм ² — площадь диаграммы aczba. Это близко к рассчитанному.

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения зажигания определяют положение точек r, а, а», с, f и b по формуле для перемещения поршня:

, (38)

где ? — отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Выбор величины ? производится при проведении динамического расчета, а при построении индикаторной диаграммы предварительно принимается ? = 0,285.

Расчеты координат точек r, а, а», с, f и b сведены в табл.

Обозначение точек	Положение точек			Расстояние точек от в.м.т. (AX), мм
	до в.м.т.	18	0,0655	2,6
	после в.м.т.	25	0,1223	4,8
	после в.м.т.	120	1,6069	62,5
	до в.м.т.	35	0,2313	9,0
	до в.м.т.	30	0,1697	6,6
	до в.м.т.	125	1,6667	65,0

Положение точки определяется по формуле:

МПа;

мм.

Действительное давление сгорания

МПа;

мм.

Соединяя плавными кривыми точки r с а, с с с» и далее с z _д и кривой расширения, b с b» (точка b» располагается обычно между точками b и а) и линией выпуска b»rr, получим скругленную действительную индикаторную диаграмму raacfc» z_д bb»r.

Построение внешних скоростных характеристик бензинового двигателя

На основании тепловых расчетов проведенных для четырех скоростных режимов работы бензиновых двигателей, получены и сведены в таблицу необходимые величины параметров для построения внешних скоростных характеристик.

Частота вращения коленчатого вала,	Параметры внешней скоростной характеристики
900	12,28	280	130	3,44	0,878	0,86
3000	40,92	264	130	10,8	0,921	0,96
5400	56,89	325	100	18,49	0,879	0,96
6000	55,65	355	88	19,76