Тепловой расчет двигателя (2)

метки: Двигатель, Расчет, Теплов, Параметр, Значение, Построение, Принимать, Внутренний

На наземном транспорте наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания. Эти двигатели отличаются компактностью, высокой экономичностью, долговечностью и применяются во всех отраслях народного хозяйства.

В настоящее время особое внимание уделяется уменьшению токсичности выбрасываемых в атмосферу вредных веществ и снижению уровня шума работы двигателей.

Специфика технологии производства двигателей и повышение требований к качеству двигателей при возрастающем объеме их производства, обусловили необходимость создания специализированных моторных заводов. Успешное применение двигателей внутреннего сгорания, разработка опытных конструкций и повышение мощностных и экономических показателей стали возможны в значительной мере благодаря исследованиям и разработке теории рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания.

Выполнение задач по производству и эксплуатации транспортных двигателей требует от специалистов глубоких знаний рабочего процесса двигателей, знания их конструкций и расчета двигателей внутреннего сгорания.

Рассмотрение отдельных процессов в двигателях и их расчет позволяют определить предполагаемые показатели цикла, мощность и экономичность, а также давление газов, действующих в надпоршневом пространстве цилиндра, в зависимости от угла поворота коленчатого вала. По данным расчета можно установить основные размеры двигателя (диаметр цилиндра и ход поршня) и проверить на прочность его основные детали.

1. Задание на курсовой проект

По заданным параметрам двигателя произвести тепловой расчет, по результатам расчета построить индикаторную диаграмму, определить основные параметры поршня и кривошипа. Разобрать динамику кривошипно-шатунного механизма определить радиальные, тангенциальные, нормальные и суммарные набегающие силы, действующие на кривошипно-шатунный механизм. Построить график средних крутящих моментов.

Прототипом двигателя по заданным параметрам может служить двигатель АЗЛК — 412.

Таблица 1.

Параметры двигателя.

Номинальная мощность КВт.	Число цилиндров	Расположение цилиндров.	Тип двигателя.	Частота вращения К.В.	Степень сжатия е.	Коэффициент избытка воздух
55,2	4	Рядное.	Карбюратор	6000	9	0,85

2. Тепловой расчет двигателя

При проведении теплового расчета необходимо правильно выбрать исходные данные и опытные коэффициенты, входящие в некоторые формулы. При этом нужно учитывать скоростной режим и другие показатели, характеризующие условия работы двигателя.

Топливо

Степень сжатия = 9. Допустимо использование бензина АИ-93 (октановое число = 8190).

Элементарный состав жидкого топлива принято выражать в единицах массы. Например в одном килограмме содержится С = 0,855, Н = 0,145, где О _т — кислород; С- углерод; Н — водород. Для 1кг жидкого топлива, состоящего из долей углерода, водорода, и кислорода, при отсутствии серы можно записать: С+Н+О_т = 1 кг.

Пaраметры рабочего тела

Определение теоретически необходимого количества воздуха при полном сгорании жидкого топлива. Наименьшее количество кислорода О _о , которое необходимо подвести извне к топливу для полного его окисления, называется теоретически необходимым количеством кислорода. В двигателях внутреннего сгорания необходимый для сгорания кислород содержится в воздухе, который вводят в цилиндр во время впуска. Зная, что кислорода в воздухе по массе 0,23%, а по объему 0,208%, получим теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива:

кмоль .

Расчет ведем для условий сгорания 1 кг топлива:

М ₁ = кмоль.

При неполном сгорании топлива (1) продукты сгорания представляют собой смесь окиси углерода (СО), углекислого газа (СО ₂ ), водяного пара (Н₂ О), свободного водорода (Н₂ ), и азота (N₂ ).

Количество отдельных составляющих продуктов сгорания и их сумма при К=0,47 (постоянная зависящая от отношения количества водорода к окиси углерода, содержащихся в продуктах сгорания).:

М _со = 2•0,21•[(1-)/(1+K)]•L_o = 0,42•()•0,531 = 0,0227 кмоль.

М _СО2 = С/12- М_со = 0,83/12-0,0227 = 0,0464 кмоль.

М _Н2 = К

• М_со = 0,47•0,0227 = 0,01 кмоль.

М _Н2О = Н/2 — М_Н2 = =0,075 кмоль.

М _{N 2} = 0,792•L_o = 0,792•0,85•0,531 = 0,357 кмоль.

Суммарное количество продуктов сгорания:

М ₂ = М_со + М_СО + М_Н2 + М_Н2О + М_{N 2}

М ₂ = 0,0227+0,0464+0,01+0,075+0,357 = 0,511 кмоль.

Проверка: М ₂ = С/12+Н/2+0,792•L_o = +0,792•0,85•0,531 = 0,511.

Теоретический коэффициент молекулярного изменения смеси:

; =1,02 -1,12.

Условие выполняется.

Параметры окружающей среды и остаточные газы

Принимаем атмосферные условия: р ₀ =0,1 МПа, Т₀ =293 К. Дав ление окружающей среды: р_к =р₀ =0,1 МПа, температура окру жающей среды Т_к =Т₀ =293 К.

Давление остаточных газов:

р _г =1,15•р₀ =1,15•0,1=0,115 МПа

Принимаем температуру остаточных газов Тг=1000 К.

2.1 Процесс впуска

Температура подогрева свежего заряда Т с целью получения хорошего наполнения двигателя на номинальном скоростном режиме принимается Т _N =10^о С.

Плотность заряда на впуске:

Р _к =1,189 кг/м³

В соответствии со скоростным режимом двигателя п _ном = 6000 мин^-1 и качеством обработки внутренней поверхности впускной системы принимаем (в² +о_вп )=3,5 и щ_вп =100 м/с

Потери давления на впуске в двигатель:

МПа

Давление в конце впуска:

МПа

Коэффициент остаточных газов:

=0,303•0,19=0,057

Температура в конце впуска:

К

Коэффициент наполнения:

К

2.2 Процесс сжатия

Учитывая характерные значения политропы сжатия для заданных параметров двигателя принимаем n ₁ = 1,41-=1,39. Тогда давление в конце сжатия:

р _с = р_а ^{n 1} = 0.08 9^1.39 = 1,69 Мпа.

Температура в конце сжатия:

Т _с = Т_а ^{( n -1)} = 3409^1,39-1 = 799 К.

Средняя молярная теплоемкость для свежего заряда в конце сжатия (без учета влияния остаточных газов):

Кдж/кмольград.

Число молей остаточных газов:

М _r = б _r L ₀ = 0,850,0570,531=0,0257 кмоль.

Число молей газов в конце сжатия до сгорания:

М _с = М₁ +М_r = 0,46+0,0257= 0,4857 кмоль

2.3 Процесс сгорания

Средняя молярная теплоемкость при постоянном объеме для продуктов сгорания жидкого топлива в карбюраторном двигателе при (1):

= 20,61+0,00272Т _z Кдж/кмольК.

Определим количество молей газов после сгорания:

М _z = M₂ +M_г = 0,511+0,0257 = 0,5367 кмоль.

Расчетный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси находится по формуле:

== 1,1.

Примем коэффициент использования теплоты _z = 0,9, тогда количество теплоты, передаваемой на участке сz при сгорании топлива в 1 кг.:

Q = _z (Q_н -Q_н ),

где Q _н — низшая теплотворная способность топлива равная 44100 Кдж/кг,

Q _H =119950(1-)L₀ — количество теплоты, потерянное в следствии химической неполноты сгорания:

Q _H = 119950(1-0,85)0,531=9518 Кдж/кг, отсюда

Q=0,9(44100-9518)=31123,8 Кдж/кг.

Определим температуру в конце сгорания из уравнения сгорания для карбюраторного двигателя (1):

, тогда получим:

1,1(20,61+0,00272•Т _z )•T_z =

22,67 T _z +0,00299T_z ² =

0,00299T _z ² +22,67 T_z -82475,49=0

K

Максимальное давление в конце процесса сгорания теоретическое:

Р _z = Мпа.

Действительное максимальное давление в конце процесса сгорания:

Р _zA = 0,85•Р_z = 0,85•6,24 =5,3 МПа.

Степень повышения давления:

= =3,69 МПа

2.4 Процесс расширения

С учетом характерных значений показателя политропы расширения для заданных параметров двигателя примем средний показатель политропы расширения n ₂ = 1,25

Давление и температура в конце процесса расширения:

0,416 МПа.

К

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов:

= 1011 К. Погрешность составит:

= = 1,1%, эта температура удовлетворяет условию 1,7.

2.5 Индикаторные параметры рабочего цикла

Теоретическое среднее индикаторное давление цикла для не скругленной индикаторной диаграммы:

Для определения среднего индикаторного давления примем коэффициент полноты индикаторной диаграммы равным х _и = 0,95, тогда среднее индикаторное давление получим: р _i = х_и р _i ‘ = 0,95•1 =0,95 МПа.

Индикаторный К.П.Д.:

_i ==0,327

Индикаторный удельный расход топлива:

g _i = =249,65 г/КВт ч.

2.6 Эффективные показатели двигателя

При средней скорости поршня

W _п. ср = м/с.,

при ходе поршня S= 75 мм. и частотой вращения коленчатого вала двигателя n=6000 об/мин., рассчитаем среднее давление механических потерь: Р _м = а+b•W_п. ср, где коэффициенты a и b определяются соотношением S/D =0,751, тогда a=0,034, b=0,0113, отсюда

p _м = 0,034+0,0113•15 =0,2 МПа.

Рассчитаем среднее эффективное давление:

p _c = р_i — p_м = 1,95-0,2= 0,75 МПа.

Механический К.П.Д. составит:

Эффективный К.П.Д.:

_е = _{i м} = 0,327•0,789=0,258

Эффективный удельный расход топлива:

g _e = г/КВт ч

Основные параметры цилиндра и двигателя.

Литраж двигателя:

V _л = = =1,472 л

Рабочий объем цилиндра:

V _h = л.

, диаметр цилиндра:

D = 100

• мм

Ход поршня:

S=D•с=80,15•0,91=73 мм

Площадь поршня:

см ²

Средняя скорость поршня:

W _п.ср. =

Эффективный крутящий момент двигателя:

М _кр =9550Н•м

Часовой расход топлива:

G _т = N_e g_e = 55,2•316,62•10^-3 =17,47

Литровая мощность:

Удельная поршневая мощность:

N _n =

Если принять массу сухого (незаправленного) двигателя со сцеплением, коробкой передач, ручным тормозом и вентилятором по прототипу АЗЛК — 412 G _сух =161,3 кг, то литровая масса

и удельная масса:

2.7 Построение индикаторной диаграммы двигателя

Индикаторную диаграмму строим для номинального режима двигателя, т.е. при N _e =55,2 кВт. И n=6000 об/мин.

Откладываем V _c =15 мм от оси Р.

Найдем

V _a =е

• V_c = V_h + V_c . Где V_h =(е-1) V_c , V_h =0,368 л, е=9, тогда

0,368=(9-1) V _с ,

V _с = л. Тогда V_a =0,046+0,368=0,414 л.

Для перевода в масштаб составим пропорцию:

V _c -15

V _a -х, отсюда

х мм, откладываем по горизонтали V _a =135 мм.

Отсюда Р _z =202 мм.

Найдем Р ₀ в мм.

Р _z -202

Р ₀ -х, отсюда

х мм, проводим линию Р ₀ =3,23 мм.

Далее определяем расположение всех давлений на графике, исходя из масштаба. Т. к. p _a , p_b , p_r , графически очень близки друг к другу, то их можно откладывать на 1-1,5 мм выше и ниже линии p₀ .

Р _a =0,08 Мпа, тогда

х мм, проводим линию Р _a =2,58 мм.

Р _b =0,416 Мпа, тогда

х мм, проводим линию Р _b =13,46 мм.

Р _r =0,115 Мпа, тогда

х мм, проводим линию Р _r =3,72 мм.

Р _c =1,69 Мпа, тогда

х мм, проводим линию Р _c =54,7 мм.

Выбираем несколько промежуточных точек для построения линии политропы сжатия между объемами.

V ₁ =1,2

• V_c =1,2•0,046=0,0552 л,

V ₂ =1,5

• V_c =1,5•0,046=0,069 л,

V ₃ =2

• V_c =2•0,046=0,092 л,

V ₄ =2,2

• V_c =2,2•0,046=0,1 л,

V ₅ =2,5

• V_c =2,5•0,046=0,115 л,

V ₆ =3

• V_c =3•0,046=0,138 л,

V ₇ =3,2

• V_c =3,2•0,046=0,177 л,

V ₈ =3,5

• V_c =3,5•0,046=0,161 л,

хмм, проводим линию V ₁ =18 мм,

хмм, проводим линию V ₂ =22,5 мм,

хмм, проводим линию V ₃ =30 мм,

хмм, проводим линию V ₄ =32,6 мм,

хмм, проводим линию V ₅ =37,5 мм,

хмм, проводим линию V ₆ =43 мм,

хмм, проводим линию V ₅ =47,9 мм,

хмм, проводим линию V ₅ =52,9 мм.

На вертикальных линиях отложим значения соответствующих давлений: p _х1 , p_х2 , p_х3 …

Значения рассчитываем по формулам:

p _{n 1} = p_а n1=1,38,

p _х1 = p_{а ,}

p _х2 = p_{а ,}

p _х3 = p_{а ,}

p _х4 = p_{а ,}

p _х5 = p_{а ,}

p _х6 = p_{а ,}

p _х7 = p_{а ,}

p _х8 = p_{а .}

х мм, проводим линию Р _{x 1} =41,7 мм,

х мм, проводим линию Р _{x 2} =30,42 мм,

х мм, проводим линию Р _{x 3} =20,62 мм,

х мм, проводим линию Р _{x 4} =18,38 мм,

х мм, проводим линию Р _{x 5} =12,85 мм,

х мм, проводим линию Р _{x 6} =11,78 мм,

х мм, проводим линию Р _{x 7} =10,74 мм,

х мм, проводим линию Р _{x 8} =9,16 мм.

Построение политропы расширения строится по тем же точкам V ₁ , V₁ .

При этом значения промежуточных точек давлений определяются

n=1,28.

х мм, проводим линию Р ₀₁ =177 мм,

х мм, проводим линию Р ₀₂ =133,37 мм,

х мм, проводим линию Р ₀₃ =92,25 мм,

х мм, проводим линию Р ₀₄ =82,87 мм,

х мм, проводим линию Р ₀₅ =69,27 мм,

х мм, проводим линию Р ₀₆ =54,7 мм,

х мм, проводим линию Р ₀₇ =50,5 мм,

х мм, проводим линию Р ₀₈ =44,99 мм,

Проводим скругление диаграммы в точках c, z, b. Положение точки с ^| определяем положением угла опережения зажигания 15?.

Положение точки с находим из соотношения р _с = (1,15-1,25) р_с ,

р _z = 0,85 р_z .

р _с = 1,2•1,69 = 2,028 МПа,

р _z = 0,85•6,24 = 5,32 МПа,

х мм, отмечаем точку р _с = 65,65 мм,

х мм, отмечаем точку р _z = 172,2 мм.

Принимаем угол опережения зажигания 15?.

3. Построение развернутой индикаторной диаграммы

Найдем бицентровую поправку

ОО ₁ = мм.

Вывод

Тепловой расчет позволяет аналитически с достаточной степенью точности определить основные параметры вновь проектируемого или модернизируемого двигателя, а так же оценить индикаторные и эффективные показатели работы создаваемого двигателя.

Рабочий цикл рассчитывают для определения индикаторных, эффективных показателей работы двигателя и температурных условий работы деталей, основных размеров, а также выявления усилий, действующих на его детали, и построение характеристик.

Список литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/teplovoy-raschet-dvigatelya/

1. Колчин А.И. Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 1980г.;

2. Архангельский В.М. и другие. Автомобильные двигатели. М.: Машиностроение, 1967г.;

3. Изотов А.Д. Лекции по дисциплине: «Рабочие процессы и экологическая безопасность автомобильных двигателей». Заполярный, 1997г.