Тепловой и динамический расчёты автомобильного двигателя

   ВВЕДЕНИЕ 

  Современные автотранспортные средства отличаются приемлемыми мощностными и экономическими показателями и достаточной надёжностью и долговечностью. Однако дальнейшее повышение эффективности использования автомобилей требует совершенствования их силовых установок, что невозможно без глубоких знаний конструкции, процессов, сопровождающих работу автомобильного двигателя, и расчёта его элементов.

  Знание  рабочих процессов, основ конструирования и расчёта деталей двигателей необходимо не только конструкторам и исследователям, создающим силовые установки, но и техническому персоналу, эксплуатирующему и ремонтирующему их. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

И ВЫБИРАЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ 

  При выполнении теплового расчёта автомобильного двигателя в состав задания входит следующее:

• тип автомобиля (легковой);
• тип двигателя (карбюраторный.);
• номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя n_N =7000об/мин (частота вращения, при которой двигатель развивает максимальную мощность);
• максимальная мощность двигателя N_max=150 кВт.

  Дополнительно к заданию выбраны следующие  параметры:

• давление окружающей среды p₀=0,1 МПа;
• температура окружающей среды Т₀=293 К;
• элементарный состав топлива (бензин)

С=0,855; Н=0,145;  О_Т =0;

• низшая теплота сгорания топлива Н_и=4,38*10⁴ кДж/кг;
• число цилиндров двигателя i=8;
• степень сжатия e=9;
• коэффициент избытка воздуха a=0,9
• давление остаточных газов p_r=0,12 МПа;
• температура остаточных газов Т_r=1000 К;
• температура подогрева заряда DТ=10 К;
• показатель политропы сжатия n₁=1,38;
• показатель политропы расширения n₂=1,24
• коэффициент использования теплоты x_z=0,9
• коэффициент скругления индикаторной диаграммы j=0,94
• отношение хода поршня к диаметру цилиндра m=S/D=1.

  Выбор этих параметров производится по литературным источникам .

 

  

2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РАСЧЁТА 
 
 

2.1. Общие положения 

  Целью теплового расчёта является определение  рабочего объёма двигателя, основных его размеров, а также построение индикаторной диаграммы цикла.

  Тепловой  расчёт проводится для режима максимальной мощности двигателя.  
 
 

2.2. Параметры свежего  заряда 

  Рассчитываем:

-теоретически  необходимое количество воздуха  для полного сгорания 1 кг топлива l₀, кг/кг и L₀, кмоль/кг:

                              

 кмоль/кг

где С, Н, О_Т — массовые доли углерода, водорода и кислорода в

1 кг  топлива.

  Проверку  получившихся значений осуществляем по формуле:

= =0,517 кмоль/кг

где m_в =28,96 кг/кмоль — молярная масса воздуха  

-действительное  количество воздуха, участвующего  в сгорании

1 кг  топлива

=0,9*14,96=13,464кг/кг

=0,9*0,517=0,4653 кмоль/кг

где a =0,9— коэффициент избытка воздуха. 
 

-количество свежего заряда М₁, кмоль/кг:

= =0,4743 кмоль/кг

где m_Т =110 кг/кмоль — молярная масса топлива; 
 
 
 

2.3. Состав и количество  продуктов сгорания 
 

  Определяем: 

-количество  отдельных составляющих продуктов  сгорания:

=0,01498;

=0,05627;

=0,006741;                                        (8)

=0,06576;

=0,3676.

где =0,45— отношение числа молей водорода и окиси углерода.  
 
 

- суммарное  количество продуктов сгорания  М₂, кмоль/кг:

=0,05627+0,01498+0,06576+0,006741+0,3676=0,5114 кмоль/кг 
 

-приращение  объёма в результате сгорания  , кмоль/кг

   =0,5114-0,4743=0,0371 кмоль/кг

                                        

-теоретический  коэффициент молекулярного изменения m₀

  =0,079 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.4. Параметры процесса  впуска 
 

  Рассчитываем:

-плотность  заряда (воздуха) на впуске r₀, кг/м³

= =1,1888 кг/м³

где p₀ — давление окружающей среды, МПа; m_в — молярная масса воздуха, кг/кмоль; R =8,314 Дж/(моль×К) — универсальная газовая постоянная ; Т₀ — температура окружающей среды, К. 

- давление  в конце впуска p_a, МПа

=

=0,08514 МПа

где (b²+x)=2,5 — суммарный коэффициент, учитывающий гашение скорости и сопротивление впускной системы; w_вп =100м/с— скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы. 

- коэффициент  остаточных газов g_ост

= 0,05626

где DТ — температура подогрева заряда, К; Т_r — температура остаточных газов, К; p_r — давление остаточных газов, МПа; e — степень сжатия. 

-температура  в конце впуска Т_a, К

= 340,1К. 

-коэффициент  наполнения h_v

=0,7812 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.5. Параметры процесса  сжатия 

  Давление  в конце сжатия p_С, МПа

=20,74*0,8514=1,766МПа                                       

где n₁ =1,38— показатель политропы сжатия. 

  Температура в конце сжатия Т_С, К

=2,305*340,1=784К 
 

2.6. Параметры процесса  сгорания 

  Рассчитываем:

-действительный  коэффициент молекулярного изменения m_д

=

   

-количество  теплоты, не выделившееся вследствие  неполноты сгорания DН_и, кДж/кг (при a<1)

=119000*(1-0,9)*0,517=6152,3 кДж/кг 

-теплоту  сгорания рабочей смеси Н_см, кДж/кмоль

 кДж/кмоль

где Н_и — низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг.

  Уравнения сгорания:

  — для карбюраторного двигателя

; 

84923,563=25,38Tz+0.00218Tz2; 

где x_z — коэффициент использования теплоты;

l — степень повышения давления при сгорании;

T_Z — температура в конце сгорания, К. 

 — средняя мольная теплоёмкость  свежего заряда в конце сжатия, Дж/(моль×К);

 — средняя мольная теплоёмкость  остаточных газов в конце сжатия, Дж/(моль×К);

 — средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания в конце сгорания, Дж/(моль×К);  
 

  - теплоёмкость свежего заряда

.

  - средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания при температуре T_Z:

    

 

  где

 
 

  Средняя мольная теплоёмкость остаточных газов  в конце сжатия для соответствующей температуры T_C (в градусах Цельсия) и коэффициента избытка воздуха a определяется путём интерполяции табличных значений, приведённых в справочной литературе [1, табл. 3.8, 3.9]. 

Каждое из уравнений  после подстановки выражений  для  и численных значений других известных величин превращается в обычное квадратное уравнение:

0,00218Tz+25.38Tz-84923.563=0

Д=25,38*25,38+4*0,00218*84923,563=0

Д=1385;

Tz=-25,38+37,22/0,00436=2716К 

  Определяем  давление газов в конце сгорания p_Z, МПа 

        расчетное

=1,075*(2716/784)*1,766=6,577МПа;                                

        действительное 

=0,85*6,577=5,5905Мпа                              

   

  Степень повышения давления l определяется по формуле

=6,577/1,766=3,724

2.7. Параметры процесса  расширения 

  Рассчитываем: