Тепловой расчёт двигателя

Содержание:

 

1. Выбор и обоснование исходных данных

2. Тепловой расчет проектируемого двигателя

. Построение индикаторной диаграммы

. Построение внешней скоростной характеристики

Список использованной литературы

 

 

1. Выбор и обоснование  исходных данных

 

Прототип двигателя внутреннего  сгорания ВАЗ-21194

Максимальная мощность

Степень сжатия

Коэффициент избытка воздуха 

Частота вращения коленчатого  вала

 

1.1 Марка топлива

 

В соответствии с типом  двигателя и степенью сжатия выбираем автомобильный бензин марки Евро-95 с основными характеристиками:

содержание 

содержание 

содержание 

средняя молярная масса 

низшая теплота сгорания топлива 

 

1.2 Понижение давления на впуске

 

Понижение давления при движении заряда во впускной системе пропорционально  квадрату скорости газа в сечении  с наименьшей площадью и зависит  от суммарного коэффициента сопротивления  впускной системы и средней скорости движения заряда.

Средняя скорость воздуха  в проходных сечениях впускных клапанов бензиновых двигателей . По опытным данным суммарный коэффициент сопротивления впускной системы на номинальном режиме составляет . Большие значения показателей соответствуют высокооборотистым двигателям.

В соответствии со скоростным режимом  для бензинового двигателя принимаем ; .

 

1.3 Давление и температура остаточных газов

 

После завершения каждого  цикла в цилиндре двигателя остаются продукты сгорания, давление которых и температура зависят от сопротивления выпускного тракта, фаз газораспределения и быстроходности двигателя.

Давление остаточных газов  можно принять  , а температуру для бензиновых двигателей . Большие значения и принимают для двигателей с высокой частотой вращения коленчатого вала двигателя.

В соответствии с частотой вращения коленчатого вала для бензинового двигателя принимаем ; .

 

1.4 Температура подогрева свежего заряда

 

Температура подогрева свежего  заряда зависит от наличия специального подогрева стенок впускных каналов  и теплового состояния двигателя. Повышение температуры улучшает процесс испарения топлива, но снижает  плотность заряда, что отрицательно сказывается на наполнении цилиндра. Эти два противоположных фактора  учитываются при установлении величины подогрева заряда. Для бензинового  двигателя  .

Принимаем .

 

1.5  
Показатель политропы сжатия

 

Расчет параметров заряда в процессе сжатия проводится по условному  среднему за процесс показателю политропы сжатия . Показатель политропы сжатия зависит от степени сжатия и температуры рабочего тела . Его можно определить по номограмме или выбрать из диапазона .

Принимаем .

 

1.6 Коэффициент использования теплоты на участке сгорания

 

Учитывает потери теплоты  от теплопередачи к стенкам цилиндров  в период сгорания топлива и потери от диссоциации продуктов сгорания (внутренние потери). По опытным данным величина на режиме полной мощности для бензиновых двигателей изменяется в пределах .

Принимаем .

 

1.7 Показатель политропы расширения

 

Расчет параметров процесса расширения проводится по уравнениям политропического процесса с усредненным  показателем политропы расширения . Показатель политропы для бензиновых двигателей находится в пределах .

Принимаем

 

.8 Средняя скорость поршня

 

Средняя скорость поршня является критерием быстроходности двигателя. С увеличение скорости поршня возрастают механические потери и износ деталей  КШМ, но одновременно возрастает и литровая мощность двигателя. Поэтому с учетом двигателя прототипа среднюю  скорость поршня для расчетов принимаем 

двигатель скоростной тепловой

 

 

2. Тепловой расчет двигателя

 

Тепловой расчет проектируемого двигателя выполняем для режима максимальной мощности. Принимаем  .

 

.1 Параметры рабочего  тела

Необходимые параметры рабочего тела, с учетом содержания , и в топливе, можно рассчитать следующим образом.

Теоретически необходимое  количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:

в килограммах

 

;

 

в киломолях

 

,

 

где - молярная масса воздуха, .

Количество свежего заряда, в киломолях на 1 кг топлива для бензинового двигателя:

 

,

 

где - средняя молярная масса топлива, .

Количество отдельных  компонентов продуктов сгорания, в киломолях на 1 кг топлива:

при

 

;

;

;

;

,

 

где - коэффициент зависящий от отношения , .

Общее количество продуктов  сгорания, в киломолях на 1 кг топлива:

при

 

.

 

.2 Процесс впуска

 

Плотность свежего заряда на впуске

 

,

 

где , - давление и температура окружающего воздуха, , ; - газовая постоянная воздуха, .

Потери давления на впуске

 

,

 

где - суммарный коэффициент сопротивления впускной системы,

, в соответствии с пунктом  1.2;

- средняя скорость движения  заряда в проходном сечении  клапана,  , в соответствии с пунктом 1.2;

Давление в конце впуска

 

.

 

Коэффициент остаточных газов

 

,

 

где - давление остаточных газов в конце впуска, ;

, - температура остаточных газов и подогрева свежего заряда, , ;

Температура в конце впуска

 

.

 

Коэффициент наполнения

 

.

 

 

2.3 Процесс сжатия

 

Давление в конце сжатия

где - средний показатель политропы сжатия, в соответствии с пунктом 1.5;

Температура в конце сжатия

 

 

Средняя молярная теплоемкость рабочей смети в конце сжатия в интервале температур от до при

 

.

 

.4 Процесс сгорания

 

Коэффициент молекулярного  изменения горючей смеси

 

.

 

Коэффициент молекулярного  изменения рабочей смеси

 

.

 

Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания топлива, при

 

,

 

Средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания в интервале  температур от до , при ,

 

;

 

Температура в конце сгорания определяется из уравнения для бензинового двигателя при :

 

,

 

где - коэффициент использования теплоты на участке сгорания, в соответствии с пунктом 1.6.

После подстановки в уравнения  значения и , и последующих преобразований выражение принимает вид квадратного уравнения

 

,

 

отсюда

Давление в конце сгорания для бензинового двигателя

 

;

 

,

 

где - действительное давление в конце сгорания.

 

.5 Процесс расширения

 

Степень предварительного расширения для бензинового двигателя

.

Степень последующего расширения для бензинового двигателя

 

.

 

Давление в конце расширения для бензинового двигателя

 

,

 

где - средний показатель политропы расширения, согласно пункту 1.7.

Температура в конце расширения для бензинового двигателя

 

.

 

Проверка температуры  остаточных газов осуществляется по формуле

 

 

 

Расхождение между принятой величиной  и полученной величиной не должно превышать

 

, что допустимо.

 

Следовательно, тепловой расчет двигателя произведен верно.

 

.6 Индикаторные показатели  двигателя

 

Среднее теоретическое индикаторное давление для бензинового двигателя

 

,

,

 

где - степень повышения давления, .

Действительное среднее  индикаторное давление

 

,

 

где - коэффициент полноты индикаторной диаграммы, , принимаем .

Индикаторный КПД двигателя

 

.

 

Индикаторный удельный расход топлива

 

.

 

.7 Эффективные показатели  двигателя

 

Среднее давление механических потерь приближенно можно определить в зависимости от средней скорости поршня

 

,

 

где , - эмпирические коэффициенты, значения которых для данного типа двигателя с учетом отношения двигателя прототипа находим в справочных таблицах [1.2].

Среднее эффективное давление

 

.

 

Механический коэффициент  полезного действия двигателя

 

.

 

Эффективный коэффициент  полезного действия двигателя

 

.

 

Эффективный удельный расход топлива

 

.

 

.8 Основные параметры  цилиндра и показатели двигателя

 

Литраж двигателя

 

,

 

где - частота вращения, принимаем по двигателю прототипу .

Рабочий объем цилиндра

 

,

 

где - число цилиндров, в соответствии с прототипом .

Диаметр цилиндра и ход  поршня

 

,

 

где - параметр ходности двигателя прототипа .

Принимаем округленное значение .

Находим .

Принимаем округленное значение .

По окончательным принятым значениям  и уточняем основные показатели двигателя:

 

 

площадь поршня ;

литраж двигателя  ;

мощность двигателя  ;

крутящий момент ;

часовой расход топлива  ;

средняя скорость поршня ;

 

Сравним расчетное значение со значением двигателя прототипа . Расхождение не должно превышать .

, что допустимо.

Следовательно основные размеры цилиндра и параметры двигателя определены верно.

Для оценки и сравнения  проектируемого двигателя с прототипом используем удельные показатели двигателя:

 

литровая мощность ;

удельная масса  ,

где - сухая масса двигателя- прототипа, .

 

 

3. Построение индикаторной  диаграммы

 

При построении индикаторной диаграммы масштаб выбираем с  таким расчетом, чтобы высота диаграммы  была больше основания в 1,7…2,0 раза.

По оси абсцисс откладываем  отрезок  , величина которого с учетом выбранного масштаба соответствует рабочему объему цилиндра , а численное значение- ходу поршня в масштабе . Тогда величина отрезка , соответствующая объему камеры сгорания , определяется из соотношения

 

, ОВ=130 + 15,12= 145,12 мм..

 

По оси ординат в  выбранном масштабе в 1мм откладываем значения давлений в характерных точках диаграммы , , , , (см. диаграмму):

,

,

,

,

,

,

Линию, соответствующую атмосферному давлению , , проводим в виде тонкой горизонтали.

Построение политроп сжатия и расширения производим аналитическим методом. При аналитическом методе построение кривых сжатия и расширения вычисляем ряд точек для промежуточных объемов, расположенных между и ,и между и по следующим формулам:

для политропы сжатия

 

 

для политропы расширения

 

 

где и - давление и объем в искомой точке сжатия и расширения.

 

Результаты расчетов промежуточных  точек политроп сжатия и расширения сведены в таблицу 1.

 

Таблица 1 - Значения расчетных  точек политроп сжатия и расширения

№ точки	ОХ, мм	ОВ/ОХ	Политропа сжатия			Политропа расширения
			(ОВ/ОХ)n1		Рx, МПа	(ОВ/ОХ)n2		Рx, МПа
1	20	7,26	15,29		1,27	12,16		5,26
2	30	4,84	8,76		0,73	7,29		3,16
3	40	3,63	5,89		0,49	5,08		2,20
4	50	2,90	4,33		0,36	3,82		1,65
5	60	2,42	3,37		0,28	3,05		1,35
6	70	2,07	2,72		0,23	2,50		1,08
7	80	1,81	2,26		0,19	2,11		0,91
8	90	1,61	1,93		0,16	1,82		0,79
9	100	1,45	1,67		0,14	1,60		0,69
10	110	1,32	1,47		0,12	1,42		0,61
11	120	1,21	1,30		0,11	1,27		0,55
12	130	1,12	1,17		0,10	1,15		0,50
13	140	1,04	1,06		0,09	1,05		0,45

 

Для определения действительного  среднего индикаторного давления рабочего цикла через площадь , построенной диаграммы, производят ее скругление.

Это объясняется следующим. В реальном двигателе за счет опережения зажигания или впрыска топлива (точка  ) рабочая смесь воспламеняется раньше и давление в конце процесса сжатия повышается (до точки ), а за счет опережения открытия выпускного клапана (точка ) давление в конце процесса расширения снижается (до точки ). Процесс сгорания протекает по линии , так как смесь в цилиндре догорает после прохождения поршнем ВМТ в точке

Для определения местоположения точек  ниже оси абсцисс проводим прямую, на которой строим полуокружность радиусом