Розрахунок автомобільного двигуна

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 a у режимі номінальної потужності приймають за таблицею вихідних параметрів α =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:

a<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:

a<1, , кмоль/кг.палива.

MCO= кмоль/кг.палива.

1.6 Кількість водяної пари (Н2О) у продуктах згоряння

за умови:

a<1, , кмоль/кг палива. MH2O= кмоль/кг палива.

1.7 Кількість водню (Н2) у продуктах згоряння

за умови:

a<1, , кмоль/кг палива.

MH2= кмоль/кг палива.

1.8 Кількість кисню (О2) у продуктах згоряння

за умови:

a<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:

a<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/кгЧград - питома газова стала.

При відсутності наддуву приймають .

2.8 Втрати тиску при наповненні

, МПа,

∆Pa= МПа

де b - коефіцієнт затухання швидкості руху заряду у перерізі циліндра; xВП – коефіцієнт опору впускної системи, віднесений до найбільш вузького його перерізу, ; wВП = 50...150 м/с - середня швидкість руху заряду у найменшому перерізі впускної системи в м/с. Значення wВП приймають за таблицею вих. пар.

2.9 Тиск кінця впуску

, МПа

Pa= МПа

2.10 Температура підігріву свіжого заряду DТ. Приймається

DТ=12єС.

2.11 Коефіцієнт залишкових газів

, .

де e - 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 e і температури в кінці наповнення Та.

2.15 Значення показника політропи стиску n1

в залежності від k встановлюють у межах для бензинових двигунів (k1-0,01)…(k1-0,04);

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/кмольЧград.,

кДж/кмольЧград

де tс - температура у кінці стиску в °С (tс = Tс-273°).

2.19 Середня мольна теплоємність залишкових газів

=23,3994 кДж/кмольЧград

визначається в залежності від коефіцієнта надлишку повітря a і температури у кінці стиску tс шляхом інтерполяції за таблицею В-1 Додатку В

2.20 Середня мольна теплоємність робочої суміші

, кДж/кмольЧград.

кДж/кмольЧград.

2.21 Коефіцієнт молекулярної зміни робочої суміші

,

,

де gr - 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 xz - коефіцієнт використання тепла. Коефіцієнт використання теплоти у період згорання залежить від типу двигуна:

для бензинового двигуна xz = 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 l

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 d, a 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 j - 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; t – коефіцієнт тактності (t = 4).

Значення Vл та n приймають за таб. вих. пар.

3.4 Індикаторний коефіцієнт корисної дії

,

.

3.5 Індикаторні питомі витрати палива

, г/кВтЧгод, q= г/кВтЧгод.

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/кВтЧгод. ge= г/кВтЧгод

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

, НЧм.

Me= НЧм

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/кмольЧград.

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/кмольЧград.

Значення визначається за формулою лівого рядку таблиці