Расчет рабочих процессов бензинового четырехтактного карбюраторного двигателя
Контрольная работа №1.
Расчет рабочих процессов бензинового четырехтактного карбюраторного двигателя.
Таблица 1. Исходные данные.
|
Показатели |
Значения |
Номинальная мощность , кВт |
100 |
Число цилиндров, шт |
6 |
Расположение цилиндров, ° |
V90 |
Тип двигателя |
Карбюраторный |
Частота вращения коленчатого вала, об/мин |
4000 |
Степень сжатия |
7,5 |
Коэффициент избытка воздуха |
0,85 |
1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ.
1.1. Выбор исходных данных.
1.1.1. Топливо.
Степень сжатия проектируемого двигателя ε =7,5. В качестве топлива выбираем бензин марки А-76.
Элементарный состав топлива: С+Н+О=1
где C=0,855; H=0,145; О=0.
Молекулярная масса топлива: МT = 115 (кг/кмоль).
Низшая теплота сгорания топлива:
Нu = 33,91 C + 125,60 H - 10,89 (O - S) - 2,51 (9 H + W);
Нu = 33,91* 0,855 + 125,60 * 0,145 - 2,51 (9 * 0,145) = 43930 (кДж/кг).
1.1.2. Параметры рабочего тела.
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива:
L0 = 1/0,208 ( С/12 + Н/4 – О/32) = 1/0,208 + (0,855/12 + 0,145/4 ) =
= 0,516 ( кмоль возд./кг топл.)
l0 = μв * L0 , где μв – масса 1 кмоль воздуха (28,9 кг/моль).
l0 = 28,9 * 0,517 = 14,941 (кг возд./кг топл.)
Далее расчет ведем для режима максимальной мощности. Для остальных расчетов результаты сводим в таблицу 2.
Коэффициент избытка воздуха α = 0,85 (из задания).
Горючая смесь состоит из воздуха и испарившегося воздуха и определяется:
М1 = α Lo + 1/ Мт
Количество горючей смеси:
М1 = 0,85*0,517 + 1/115 = 0,448 ( кмоль/кг).
При неполном сгорании топлива (α < 1 ) продукты сгорания представляют собой смесь окиси углерода (СО), углекислого газа (СО2) , водяного пара (Н2О), свободного водорода (Н2) , и азота (N2) . Количество отдельных составляющих продуктов сгорания и их сумма при К=0,5 (К - постоянная зависящая от отношения количества водорода к окиси углерода, содержащихся в продуктах сгорания cоставляет для бензина 0,45 – 0,5. Примем к = 0,5 ):
МСО =2*[(1-a)/(1+K)]*0,208*Lo;
МСО = 2* [ (1- 0,85)/(1+ 0,5) ]*0,208*0,517 = 0,022 (кмоль/кг топл.)
МСО
МСО
= 0,855/12-2*[(1-0,85)/(1+0,5)]*
МН
МН
= 2*0,5*[(1-0,85)/(1+0,5)]*0,208
МН
МН
О = 0,145/2-2*0,5*[(1-0,85)/(1+0,
МN
МN = 0,792*0,85*0,517 = 0,347 (кмоль/кг топл.)
Суммарное количество продуктов сгорания:
М2 = МСО+МСО
М2 = 0,022+0,049+0,011+0,062+0,347 = 0,491 (кмоль/кг топл).
Проверка:
М2 = С/12+Н/2+0,792*a*Lo;
М2 = 0,855/12+0,145/2+0,792*0,85*0,
Таблица 2. Результаты расчетов рабочего тела.
Параметры |
Рабочее тело | |||
Карбюраторный двигатель | ||||
n |
1000 |
2000 |
3000 |
4000 |
a |
0,86 |
0,95 |
0,97 |
0,85 |
М1 |
0,453 |
0,500 |
0,510 |
0,448 |
МСО |
0,051 |
0,064 |
0,067 |
0,049 |
МСО |
0,020 |
0,007 |
0,004 |
0,022 |
МН |
0,063 |
0,069 |
0,071 |
0,062 |
МН |
0,010 |
0,004 |
0,002 |
0,011 |
МN |
0,352 |
0,389 |
0,397 |
0,347 |
М2 |
0,496 |
0,533 |
0,541 |
0,491 |
1.1.3. Параметры окружающей среды и остаточных газов.
Атмосферное давление и температура окружающей среды при работе двигателя без наддува:
po=0,101 МПа; To=293 К. Температуру остаточных газов принимаем на основании опытных данных по рис.1:
Об/мин. |
1000 |
2000 |
3000 |
4000 |
Тr , K |
900 |
960 |
1000 |
1025 |
Давление остаточных газов Pr за счёт расширения фаз газораспределения и снижения сопротивлений при конструктивном оформлении выпускных трактов рассчитываемого двигателя можно принять на номинальном скоростном режиме:
РrN = 1,18* Р0 = 1,18 * 0,101 = 0,118 (МПа).
Рис.1 Исходные данные для теплового расчета карбюраторного двигателя.
Ар = (РrN - Р0*1,035) *108/(nN2*Р0)
Ар = (0,118 – 0,101*1,035)*108/40002*0,101 = 0,8.
Находим давление остаточных газов Рr:
Рr = Р0* (1.035+ Ар*10-8*n2)
Рr = 0,101* (1,035+0,8*10-8*40002) = 0,117 (МПа).
1.2. Процесс впуска.
Температура подогрева свежего заряда. С целью получения хорошего наполнения двигателей на номинальных скоростных режимах принимается ΔTN = 8 °С для карбюраторного двигателя. Тогда на остальных режимах значения ΔT рассчитываются по формуле:
ΔT = AT (110 – 0,0125n) = 0,13·50 = 6,67 (К);
где AT = ΔTN / (110 – 0,0125 nN) = 8 / (110 – 0,0125·4000) = 0,13;
Плотность заряда на впуске:
ρо = р0 *106 /(RВ*TО) = 0,101*106/(287*293) = 1,189 (кг/м3)
где Rв = 287 Дж/(кг·град) – удельная газовая постоянная для воздуха
Потери давления на впуске. В соответствии со скоростными режимами (n = 4000 мин –1) и при учёте качественной обработки внутренних поверхностей впускных систем можно принять для карбюраторного двигателя :
β2 + ξвп = 2,8 и ωвп = 95 м/с.
Тогда ΔРа на всех скоростных режимах двигателей рассчитывается по формуле:
ΔPа = (β2 + ξ вп) A2nn2 p010-6 /2
где An = wвп / nN ; при nN = 4000 мин –1,
ΔPа = 2,8*0,0242*40002*1,189*10-6/2 = 0,016 (МПа)
Давление в конце впуска в карбюраторном двигателе:
при nN = 4000 мин –1:
Pa = P0 − ΔPa = 0,101− 0,016 = 0,085 (МПа);
Коэффициент остаточных газов. При определении γr для карбюраторного двигателя без надува принимается коэффициент очистки:
φоч = 1,
а коэффициент дозарядки на номинальном скоростном режиме:
φдоз = 1,10
что вполне возможно получить при подборе угла опаздывания закрытия впускного клапана в пределах 30…60°. При этом на минимальном скоростном режиме (n = 1000 мин –1) возможен обратный выброс в пределах 5 %, т.е.:
φдоз = 0,95.
На остальных режимах значения φдоз можно получить, приняв линейную зависимость φдоз от скоростного режима. Тогда при nN = 4000 мин -1:
gr = T0 + DT/Tr* φоч Pr /e φдоз Pa - φоч Pr = (285+8)/1025 * 0,118/(7,5*1,1*0,084- 0,118) = 0,059 ;
Температура в конце впуска в карбюраторном двигателе:
Та = (To +DТ + γr*Тr)/(1+ γr);
Та = (293+8+0,059*1025)/(1+0,059) = 341,3 (К).
Коэффициент наполнения карбюраторного двигателя:
hv = To/ (To +DТ)*1/e - 1 *1/P0 *(e φдоз Pa - φоч Pr)
hv = 285/(285+8)*1/(7,5 – 1)*1/1,189*(7,5*1,1*0,084 - 1*0,118) = 0,070
Таблица 3. Результаты расчетов процесса впуска
Параметры |
Процесс впуска | |||
Карбюраторный двигатель | ||||
n |
1000 |
2000 |
3000 |
4000 |
a |
0,86 |
0,95 |
0,97 |
0,85 |
Tr |
900 |
960 |
1000 |
1025 |
Pr |
0,105 |
0,108 |
0,112 |
0,117 |
DT |
12,675 |
11,050 |
9,425 |
6,670 |
DPа |
0,001 |
0,004 |
0,009 |
0,016 |
Pа |
0,100 |
0,097 |
0,092 |
0,085 |
φдоз |
0,95 |
1,00 |
1,05 |
1,10 |
Параметры |
Процесс впуска | |||
Карбюраторный двигатель | ||||
gr |
0,056 |
0,053 |
0,054 |
0,059 |
hv |
0,887 |
0,938 |
0,933 |
0,070 |
Та |
337,192 |
337,066 |
338,164 |
341,300 |
Таблица 3. Результаты расчетов процесса впуска (продолжение)
1.3. Процесс сжатия
Средние показатели адиабаты сжатия при работе двигателя на номинальном режиме определяем по номограмме (рис.2 стр.11)
при e = 7,5 и Та = 341,3 К: k1 = 1,378 (при 4000 об/мин);
средний показатель политропы сжатия принимаем несколько меньше k1 :
n1= k1-0,02 = 1,358
Давление в конце сжатия:
рс = ра* e n 1;
рс =0,085*7,51,358 = 0,085*15,43 = 1,31 (МПа).
Температура в конце сжатия:
Тс = Та*e( n 1-1) ;
Тс =341,3*7,5(1,358-1) = 341,3*2,06 = 702,11 (К).
tc = Тс – 273;
tc = 702,11 - 273=429,11 0C.
Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:
Рис.2 Номограмма для определения показателя адиабаты сжатия k1
а) свежей смеси (воздуха) для карбюраторного двигателя:
при nN = 4000 мин–1
(mC ) = 20,6 + 2,638*10-3*tc = 20,6 + 2,638*10-3*429,11 =
= 21,73 (кДж/(моль* град)) ;
при n = 3000 мин–1
Тс = 338,164*7,5(1,358-1) = 338,164*2,06 = 696,62 (К)
tc = 696,62 – 273 = 423,62 0C
(mC ) = 20,6 + 2,638*10-3*tc = 20,6 + 2,638*10-3*423,62 =
= 21,72 (кДж/(моль* град)) ;
при n = 2000 мин–1
Тс = 337,066*7,5(1,358-1) = 337,0966*2,06 = 694,36 (К)
tc = 694,36 – 273 = 421,36 0C
(mC
= 21,71 (кДж/(моль* град)) ;
при n = 1000 мин–1
Тс = 337,192*7,5(1,358-1) = 337,192*2,06 = 694,62 (К)
tc = 694,62 – 273 = 421,62 0C
(mC
= 21,71 (кДж/(моль* град)) ;
б) остаточных газов
при nN = 4000 мин–1
(mC ) определяем методом интерполяции (таблица 4 стр.14)
a = 0,85; tc = 429,11 0С
(mC ) = 23,303 + (23,707 – 23,303) * 29/100 = 23,42 (кДж/кмоль*град)
23,303 и 23,707 значения при 400 и 500 0С соответственно.
при n = 3000 мин–1
a = 0,97; tc = 423,62 0С
(mC )t0400 = 23,586 + (23,712 – 23,586) *0,02/0,05 = 23,64
(mC )t0500 = 24,014+ (24,15 – 24,014) *0,02/0,05 = 24,07
(mC )t0tc = 23,64 + (24,07 – 23,64) *23,62/100 = 23,74
при n = 2000 мин–1
a = 0,95; tc = 421,36 0С
23,586 и 24,014 из таблицы
(mC )t0tc = 23,586 + (24,014 – 23,586) *21,36/100 = 23,68
при n = 1000 мин–1
a = 0,86; tc = 421,62 0С
(mC )t0400 = 23,303 + (23,45 – 23,303) *0,01/0,05 = 23,33
(mC )t0500 = 23,707+ (23,867 – 23,707) *0,01/0,05 = 23,74
(mC )t0tc = 23,33 + (23,74 – 23,33) *21,62/100 = 23,42
Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси определяется по ф-ле:
(mc’v)tct0 = 1/1+gr*[(mC
при nN = 4000 мин–1
(mc’v)tct0 = 1/1+0,059*(21,73+0,059*23,42) = 21,824(кДж/кмоль*град)
при n = 3000 мин–1
(mc’v)tct0 = 1/1+0,054*(21,72+0,054*23,74) = 21,823 (кДж/кмоль*град)
при n = 2000 мин–1
(mc’v)tct0 = 1/1+0,053*(21,71+0,053*23,68) = 21,809 (кДж/кмоль*град)
при n = 1000 мин–1
(mc’v)tct0 = 1/1+0,056*(21,71+0,056*23,42) = 21,801 (кДж/кмоль*град)
Таблица 4.
Таблица 5. Результаты расчетов процесса сжатия
Параметры |
Процесс сжатия | |||
Карбюраторный двигатель | ||||
n |
1000 |
2000 |
3000 |
4000 |
k1 |
1,372 |
1,373 |
1,375 |
1,378 |
n1 |
1,352 |
1,353 |
1,355 |
1,358 |
Pc |
1,54 |
1,50 |
1,42 |
1,31 |
Tc |
694,62 |
694,36 |
696,62 |
702,11 |
tc |
421,62 |
421,36 |
423,62 |
429,11 |
(mC |
21,71 |
21,71 |
21,72 |
21,73 |
(mC |
23,42 |
23,68 |
23,74 |
23,42 |
(mc’v)tct0 |
21,801 |
21,809 |
21,823 |
21,824 |
1.4. Процесс сгорания
Коэффициент молекулярного изменения горючей μ0 = M2 /M1 и рабочей смеси μ = (μ0 + γr ) /(1+ γr ) для карбюраторного двигателя:
при nN = 4000 мин–1
μ0 = 0,491/0,448 = 1,096
μ = (1,096 + 0,059)/1+0,059 = 1,091
при n = 3000 мин–1
μ0 = 0,541/0,510 = 1,061
μ = (1,061 + 0,054)/1+0,054 = 1,058
при n = 2000 мин–1
μ0 = 0,533/0,500 = 1,066
μ = (1,066 + 0,053)/1+0,053 = 1,063
при n = 1000 мин–1
μ0 = 0,496/0,453 = 1,095
μ = (1,095 + 0,056)/1+0,056 = 1,090
Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания, и теплота сгорания рабочей смеси:
DНи=119950*(1-a)*L0;
при nN = 4000 мин–1
DНи=119950*(1-0,85)*0,517 = 9302 (кДж/кг топл).
Таблица 6. Результаты расчетов процесса сгорания
Параметры |
Процесс сгорания | |||
Карбюраторный двигатель | ||||
n |
1000 |
2000 |
3000 |
4000 |
μ0 |
1,095 |
1,066 |
1,061 |
1,096 |
μ |
1,090 |
1,063 |
1,058 |
1,091 |
DНи |
8682 |
3100 |
1860 |
9302 |
Н раб. см |
73684 |
77550 |
78264 |
73677 |
(mC |
24,292+0,002032tz |
24,614+0,00207tz |
24,692+0,002083tz |
24,234+1,002029tz |
x z |
0,82 |
0,92 |
0,91 |
0,89 |
tz0C |
2220 |
2537 |
2538 |
2302 |
Tz K |
2493 |
2810 |
2811 |
2575 |
Pz |
6,0245 |
6,4528 |
6,0623 |
5,2417 |
Pzд |
5,1208 |
5,4849 |
5,1530 |
4,4554 |
l |
3,9120 |
4,3019 |
4,2692 |
4,0013 |
Н раб. см.= (Ни-DНи)/[М1*(1+γr )];
при nN = 4000 мин–1
Н раб. см.= (43930 – 9302)/0,448*(1+0,059) = 34628/0,47 = 73677 (кДж/кг топл)
Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания:
(mC ) =(1/М2)*[МCО2(mC со2) +МСО(mC со) +МН2о(mC н2о) +МН2 (mC н2) +МN ( mC N2) ];
при nN = 4000 мин–1
(mC
)
= 1/0,491*[0,049*(39,123+0,
+ 0,062(22,67+0,004438 tz) + 0,011(19,687+0,001758 tz) +
+ 0,347(21,951+0,001457 tz)] = 24,234+1,002029tz (кДж/(моль* град));
Коэффициент использования теплоты x z определяем, исходя из скоростного режима двигателя:
x z* Н раб. см. + (mC
при nN = 4000 мин–1
0,89*73677+21,824*429,11 = 1,091*(24,234+1,002029tz)* tz
74937,427 = 26,44 tz + 1,0932136 tz2
tz = 2302 0C
Tz = tz + 273 = 2575 (K)
Максимальное теоретическое давление в конце процесса сгорания:
рz = pc*m*Tz /Tc;
рz = 1,31*1,091*2575 /702,11 = 5,2417 (Мпа).
Действительное максимальное давление в конце процесса сгорания:
рzд = 0,85*рz;
рzд = 0,85*5,2417 = 4,4554 (Мпа).
Степень повышения давления: l =рz / рс ;
l = 5,2417/1,31 = 4,0013.
1.5. Процессы расширения и выпуска
Средний показатель адиабаты расширения k2 определяем по номограмме (рис.3 стр. 20) при заданном e =7,5 для соответствующих значений Tz = 2575 и α = 0,85 , а средний показатель политропы расширения n2 оцениваем по величине среднего показателя адиабаты k2 = 1,253 и принято n2 = 1,251.
Давление и температура в конце процесса расширения:
pb=pz /ε n2 ;
pb = 5,2417 /7,51,251 = 0,4214 (МПа).
Tb=TZ / ε n2-1;
Tb = 2575/7,51,251-1 = 1551 (К).
Таблица 7. Результаты расчетов процесса выпуска
Параметры |
Процесс выпуска | |||
Карбюраторный двигатель | ||||
n |
1000 |
2000 |
3000 |
4000 |
a |
0,86 |
0,95 |
0,97 |
0,85 |
k2 |
1,2540 |
1,2518 |
1,2520 |
1,2530 |
n2 |
1,254 |
1,251 |
1,252 |
1,251 |
pb |
0,4816 |
0,5187 |
0,4873 |
0,4214 |
Tb |
1693 |
1693 |
1551 | |
Рис.3 Номограмма для определения показателя адиабаты расширения k2
1.6. Индикаторные параметры рабочего цикла
Теоретическое среднее индикаторное давление определяем по формуле:
при nN = 4000 мин–1
Pi’ = 1,31/(7,5 – 1) *[4,0013/(1,251 – 1) *(1 – 1/7,50,251) – 1/(1,358 – 1)*(1 –
1/7,50,358)] = 0, 986 (МПа)
Для определения среднего индикаторного давления примем коэффициент полноты индикаторной диаграммы равным jи=0,96 , тогда:
рi = jи* Pi’
рi = 0,96*0,986 = 0,947 (Мпа)
Индикаторный к.п.д.:
hi = pi* l0* a / (Ни* r0 *hv );
hi = (1,0 *14,941*0,85)/(43,93*1,189*0,
Индикаторный удельный расход топлива:
gi = 3600/( Ни*hi);
gi = 3600/( 43,93*3,4699) = 23,617 (г/(кВт* ч)).
1.7. Эффективные показатели двигателя
Среднее давление механических потерь для карбюраторного двигателя с числом цилиндров до 6 и отношением S/D£1:
pм = 0,034+0,0113*Vп;
Предварительно приняв ход поршня S равным 77 мм, получим:
Vп=S*n/3*104
Vп = 77*4000/3*104 = 10,27 (м/с).
Таблица 8. Результаты расчетов индикаторных и эффективных показателей
Параметры |
Индикаторные и эффективные показатели | |||
Карбюраторный двигатель | ||||
n |
1000 |
2000 |
3000 |
4000 |
Pi’ |
1,117 |
1,237 |
1,166 |
0,986 |
Pi |
1,072 |
1,188 |
1,119 |
0,947 |
hi |
0,2774 |
0,2915 |
0,2974 |
3,4699 |
gi |
295,32 |
281,03 |
275,65 |
23,617 |
Vп |
2,6 |
5,1 |
7,7 |
10,27 |
pм |
0,063 |
0,092 |
0,121 |
0,150 |
pе |
1,009 |
1,096 |
0,998 |
0,797 |
hм |
0,941 |
0,923 |
0,892 |
0,842 |
hе |
0,261 |
0,269 |
0,265 |
2,922 |
ge |
313,981 |
304,643 |
309,241 |
28,046 |
pм = 0,034+0,0113*10,27 = 0,15 (МПа).
Среднее эффективное давление и механический к.п.д.:
pе = pi - pм ;
pе = 0,947-0,15 = 0,797 (МПа).
hм = ре / рi ;
hм =0,797/0,947 = 0,842.
Эффективный к.п.д. и эффективный удельный расход топлива:
hе = hi*hм ;
hе = 3,4699*0,842 = 2,922.
ge = 3600/(Ни*hе);
ge= 3600/(43,93*2,922) = 28,046 (г/(кВт* ч)).
1.8. Основные параметры цилиндра и двигателя
а. Литраж двигателя:
Vл = 30*t*Nе/(ре* n) = 30*4*100/(0,797*4000) = 3,764 (л).
б. Рабочий объем цилиндра:
Vh = Vл / i =3,764/6 = 0,6273 (л).
в. Диаметр цилиндра:
При S = 77 ( мм)
D = 2*103√ (Vh/(π*S)) = 2*103*Ö (0,6237/(3,14*77)) = 101,6 (мм).
Окончательно принимаем: S=77 (мм) и D = 102 (мм). Основные параметры и показатели двигателя определяются по окончательно принятым значениям S и D:
а. Литраж двигателя:
Vл = p*D2*S*i / (4*106) =3,14*1022 *77*6/(4*106) = 3,77 ( л).
б. Площадь поршня:
Fп = pD2 / 4=3,14*1022/4 = 8167 (мм)2 = 81,67 (см2).
в. Эффективная мощность:
Nе = ре*Vл*n/(30*t) = 0,797*3,764*4000/(30*4) = 100 (кВт.)
Расхождение с заданной мощностью:
D=100*(Nе з-Nе)/ Nе з=100*(100 - 100)/100 = 0 %.
г. Эффективный крутящий момент:
Ме = (3*104/p)*(Ne/n) = (3*104/3,14)*(100/4000) = 239 (Н* м).
д. Часовой расход топлива:
Gт = Ne *ge *10-3 = 100*28,046*10-3 = 28,046 (кг/ч).
е. Литровая мощность двигателя:
Nл = Ne/Vл = 100/3,77 = 26,53 (кВт/л).
1.9. Построение индикаторной диаграммы
Режим двигателя:
Ne = 100 (кВт), n = 4000 (об/мин).
Масштабы диаграммы:
хода поршня (ось абцисс) Ms = 1 (мм) в мм,
давлений (ось ординат) Mp = 0,05 (МПа) в мм.
Величины, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:
|АВ| = S/Ms = 77/1 = 77 (мм);
|ОА| = |АВ| / (e-1) = 77/(7,5-1) = 11,85 (мм).
Максимальная ордината, (точка z) определяется:
Pz/Мр = 5,2417/0,05 = 104,8 (мм).
Ординаты характерных точек:
ра / Мр = 0,016/0,05 = 0,32 (мм);
рс / Мр = 1,31/0,05 = 26,2 (мм);
рb / Мр = 0,4214/0,05 = 8,4 (мм);
рr / Мр = 0,117/0,05 = 2,3 (мм);
ро / Мр = 0,101/0,05 = 2,0 (мм).
Построение политроп сжатия и расширения аналитическим методом:
а. Политропа сжатия:
рх = ра*(Vа / Vх )n1. Отсюда рх / Мр = (ра/Мр)*(ОВ/ОХ)n1 (мм),
где ОВ = ОА + АВ = 11,85 + 77 = 88,85 (мм); n1 = 1,358 .
б. Политропа расширения:
