Тепловой расчет двигателя BFQ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО РЫБОЛОВСТВУ

МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Политехнический институт

Кафедра Энергетики и Транспорта

ЗАДАНИЕ

на выполнение РГЗ

студенту Дарковскому Павлу Павловичу                            группа ЭТМ(б)-311      

 

  1. Тема: Тепловой расчет двигателя BFQ                        

2. Основные данные для  выполнения проекта:

Марка автомобиля                                                    Volkswagen Golf 4  Марка двигателя                                                     BFQ

Эффективная мощность двигателя, Nе, кВт   75 кВт

Номинальная частота вращения, n, об/мин   5600 об/мин

Применяемое топливо                                           Бензин

3. Содержание проекта:

3.2. Раздел 1. Расчет рабочих процессов, индикаторных и эффективных показателей двигателя.

3.3. Раздел 2. Расчет и построение индикаторной диаграммы.

 

 

Дата выдачи задания «     »                            2014 г.

Руководитель проекта _______________________________________________

(подпись)

Исполнитель _______________________________________________________

(подпись)

Введение

 

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 (диметр цилиндра и ход поршня) и проверить на прочность его основные детали.

Расчётно-графическое задание по теме "Тепловой расчёт двигателя" ставит своей целью:

•  закрепление и расширение теоретических и практических знаний по тепловому расчёту автомобильных двигателей;

•   развитие у студентов навыков самостоятельной работы со специальной нормативной и научно-технической литературой, обучение современным методам расчёта, сбора, анализа, обработки полученных данных и информации.

Темой данного курсового проекта является исследование теплового расчёта двигателя автомобиля Volkswagen Golf 4, составление математического описания диаграмм: индикаторной и диаграммы сил двигателя автомобиля Volkswagen Golf 4.

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение……………………………………………………………………………3

Раздел 1. Расчет рабочих процессов, индикаторных и эффективных

показателей двигателя ………………………………………………….5

Раздел 2. Расчет и построение индикаторной диаграммы …………….……....20

Заключение……………………………………………………………….…….…26

Список использованных источников……………………………………………27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1 Исходные данные для расчета

 

Таблица 1.1 - Исходные данные для расчета двигателя

Наименование параметра

Обозначение

Единицы измерения

Значение

1

2

3

4

Характеристики двигателя

  1. Диаметр цилиндра

Dц

м

0,081

  1. Ход поршня

S

м

0,077

  1. Степень сжатия

e

  

10,5

  1. Номинальное число оборотов

n

об/мин

5600

  1. Минимальная устойчивая частота вращения

nmin

    об/мин

900

  1. Число цилиндров

i

  

4

  1. Давление окружающей среды

Р0

МПа

0,1013

  1. Температура окружающей среды

Т0

К

293

  1. Давление остаточных газов

Pr

МПа

0,11

  1. Температура остаточных газов

Тr

К

900

  1. Подогрев заряда от стенок цилиндра при наполнении

DТ

К

20

  1. Коэффициент дозарядки

λ 1

-

1,12

  1. Коэффициент очистки камеры сжатия

λ2

-

1

  1. Давление в конце наполнения

pa

МПа

0,085

  1. Доля углерода в топливе

gC

  

0,865

  1. Доля водорода в топливе

gH

  

0,132

  1. Доля кислорода в топливе

gО

  

0,003

  1. Низшая теплота сгорания топлива

QH

кДж/кг

42900

  1. Коэффициент использования тепла в точке цикла z

zz

  

0,9

  1. Коэффициент использования тепла в точке цикла b

zb

  

0,9

  1. Коэффициент скругления индикаторной диаграммы

jид

  

0,95

  1. Коэффициент избытка воздуха

α

-

1

  1. Молекулярный вес

Кг/моль

114

  1. Коэффициент учитывающий различие в теплоемкостях свежего заряда и остаточных газов

φ

  

1,1

  1. Коэффициент для корректировки максимального давления при расчете величины действительного наибольшего давления цикла

 

Kz

  

 

0,85

  1. Коэффициент «a» для расчета давления механических потерь

а

МПа

0,034

  1. Коэффициент «a» для расчета давления механических потерь

b

(МПа*c)/м

0,0113

  1. Радиус кривошипа

Rкр

м

0,0385

29. Длина шатуна

Lш

м

0,143


 

1.2 Параметры процессов газообмена

Смену рабочего тела при осуществлении процессов выпуска и впуска называют газообменом. От количества свежего заряда, оставшегося в цилиндре после завершения газообмена, в решающей степени зависят получаемая в цикле работа и, следовательно, мощность двигателя.

Коэффициентом остаточных газов называется отношения количества газов оставшихся в цилиндре от предыдущего цикла, к количеству поступившего свежего заряда.

Расчет значений осуществляется методом последовательных приближений.

 Необходимо принять первоначальное  значение коэффициента наполнения ( ).

Принимаем =0,760.

(1.1)


Рассчитывается значение температуры заряда в конце наполнения.

Температура заряда в конце наполнения представляет собой температуру рабочей смеси свежего заряда, получившего теплоту от внутренних стенок цилиндра и остаточных газов, оставшихся в цилиндре от предыдущего цикла

(1.2)


Рассчитывается значение коэффициента наполнения.

Коэффициент наполнения представляет собой отношение действительного количества свежего заряда, заполнившего цилиндр после завершения газообмена, к тому количеству свежего заряда, которое теоретически могло бы заполнить рабочий объем цилиндра при давлении р0 (рк) и температуре Т0 (Тк).

Коэффициент наполнения для четырехтактных двигателей определяется по формуле:

(1.3)


Сравнивается принятое значение коэффициента наполнения со значением коэффициента наполнения рассчитанного по формуле 2.4. Значения равны, расчет данных показателей считается законченным.

 

1.3 Процесс сжатия

 

Посредством сжатия свежего заряда достигается увеличение температуры, улучшаются условия воспламенения и горения топлива. Это позволяет получить большую работу при расширении продуктов сгорания и повысить экономичность двигателя.

Действительный процесс сжатия в двигателях представляет собой политропический процесс, осуществляющийся с переменным показателем политропы ( ) по всей линии сжатия. При практических расчетах рабочего цикла использование переменных значений показателя затруднительно и не вызывается необходимостью. При расчетах по методу Гриневецкого переменный показатель политропы сжатия заменяют постоянным средним значением n1, обеспечивающим те же значения в конце сжатия.

Показатель политропы сжатия n1 рассчитывается методом последовательных приближений из выражения

 

 

 

0,37=0,37.

(1.4)


где Rм = 8,31451 кДж/(кмоль×К) – универсальная газовая постоянная; а, b – коэффициенты в уравнении средней теплоемкости при сжатии (а = 20,16, b = 0,001738).

    

Давление в конце сжатия

 

(1.5)


 

Температура в конце сжатия

 

(1.6)


 

Работа сжатия

 

(1.7)


 

 

1.4 Расчет параметров рабочего тела

 

В поршневых двигателях внутреннего сгорания происходит горение топливовоздушной смеси при окислении топлива кислородом воздуха. Соотношение между количеством исходных продуктов (топливо и воздух) и продуктов сгорания может быть найдено из уравнений химической реакции при следующих допущениях:

  • все химические соединения состоят из атомов отдельных элементов, связанных между собой в определенных численных соотношениях;
  • при химических реакциях атомы сохраняют свою индивидуальность и происходит только их перегруппировка;
  • массы исходных продуктов и продуктов сгорания равны между собой. Объем продуктов сгорания в общем случае не равен объему исходных продуктов.

Химическая реакция сопровождается перестройкой электронных оболочек реагирующих веществ, в результате чего образуются новые внутримолекулярные связи, изменяющие силы взаимодействия между молекулами. Часть внутренней энергии системы, которая преобразуется в теплоту и работу только при протекании химической реакции, называется химической энергией. Если при реакции химическая энергия системы уменьшается и в виде теплоты передается окружающей среде, то реакцию называют экзотермической. Все реакции окисления топлив кислородом воздуха являются экзотермическими и идут с интенсивным повышением температуры и образованием пламени, т.е. имеет место горение топлива.

Для нефтяных моторных топлив приближенно известен групповой (углеводородный) состав, который зависит от типа исходной нефти и технологического процесса нефтепереработки. По мере увеличения молярной массы топлив в них могут появляться в незначительном количестве соединения серы, азота, смолистые соединения, тяжелые металлы и др. При расчете процесса сгорания наличием этих элементов в бензинах и дизельных топливах обычно пренебрегают. Для нефтяных топлив элементный состав в зависимости от группового состава задают массовыми долями углерода gC, водорода gH и кислорода gО, сумма которых равна единице.

Минимальное количество воздуха, необходимое для полного окисления всего поданного топлива, называется стехиометрическим.

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

 

(1.8)

(1.9)


где mв - молярная масса воздуха, mв = 28,95 кг/кмоль.

Коэффициентом избытка воздуха называется отношение количества воздуха содержащегося в смеси, к количеству, которое теоретически необходимо для полного сгорания топлива.

В начале каждого цикла в двигатель поступает свежий заряд, который представляет собой воздух.

 

Количество свежего заряда равно:

    • для двигателей с искровым зажиганием

 

(1.10)


Количество молей остаточных газов

 

(1.11)


 

Количество молей составляющих продукты сгорания:

    • количество молей окиси углерода:
    • если

 

(1.12)


 

    • количество молей двуокиси углерода:
    • если

 

(1.13)


 

    • количество молей водорода:
    • если

 

(1.14)


 

    • количество молей воды:
    • если

 

(1.15)


 

    • количество молей азота:
    • если

 

(1.16)


 

    • количество молей кислорода:
    • если

 

(1.17)


 

Суммарное количество молей продуктов сгорания на 1 кг топлива

 

(1.18)


Объемы исходных компонентов и продуктов их сгорания могут отличаться из-за различия молярного состава свежего заряда M1 и продуктов сгорания M2. Изменение количества вещества при сгорании равно DM и оценивается теоретическим коэффициентом молекулярного изменения

 

DM = M2 - M1=0,559 – 0,509 = 0,050.

(1.19)


 

Теоретический коэффициент молекулярного изменения – отношение количества молей продуктов сгорания к количеству молей свежего заряда.

 

(1.20)


 

Действительный коэффициент молекулярного изменения

 

(1.21)


 

Действительный коэффициент молекулярного изменения рабочего тела к моменту начала расширения

 

(1.22)


 

где и - коэффициенты использования теплоты к началу и концу расширения.

 

 

1.5 Процесс сгорания

 

Расчет температуры Tz в точке цикла, соответствующей окончанию видимого сгорания топлива выполняется по уравнению сгорания путем решения его методом последовательных приближений:

    • для двигателей с искровым зажиганием

 

 

;

 

90454,627 ≈ 90454,627

(1.23)


 

Средняя теплоемкость при сжатии

 

(1.25)


Средняя теплоемкость продуктов сгорания:

 

(1.26)


 

Максимальное давление цикла для двигателя с искровым зажиганием

  МПа. Степень повышения давления для двигателей с искровым зажиганием:

 

 

1.6 Процесс расширения

 

Степень предварительного расширения для двигателей с искровым зажиганием

 

(1.27)


 

Степень последующего расширения для двигателей с искровым зажиганием

 

(1.28)


 

Показатель политропы расширения n2 рассчитывается методом последовательных приближений из выражения:

;

 

;

 

0,261=0,261,

(1.29)


 

где аz, bz – коэффициенты в уравнении теплоемкости:

    • для двигателей с искровым зажиганием:

, .

Давление в конце расширения:

    • для двигателей с искровым зажиганием

 

(1.30)


 

Температура в конце расширения:

    • для двигателей с искровым зажиганием

 

(1.31)


 

Работа расширения

 

(1.32)


 

Осуществляется проверка расчета двигателя по формуле:

 

 

.

(1.33)


 

 

 

Ошибка должна составлять не более 5 %.

 

ошибка составляет 0.89 %, что < 5%

 

 

 

1.7 Индикаторные показатели

 

Индикаторные показатели оценивают качество рабочего цикла, эффективность преобразования энергии топлива в механическую работу.

Среднее индикаторное давление теоретической диаграммы:

    • для двигателей с искровым зажиганием

 

(1.34)


 

Действительное индикаторное давление

 

(1.35)


 

где jид – коэффициент скругления индикаторной диаграммы.

 

Индикаторная работа цикла

 

(1.36)


 

Проверка правильности расчета работы сжатия и расширения

 

(1.37)


 

где Vh – объем цилиндра, м3.

Расхождение не более 5¸7 %.

 

ошибка составляет 6 %, что < 7%

 

 

Индикаторная мощность двигателя

 

(1.38)


 

или

 

(1.39)


 

где Vh – объем цилиндра, м3; t = 4 – коэффициент тактности; i – число цилиндров.

 

Индикаторный КПД

 

(1.40)


 

Удельный индикаторный расход топлива

 

(1.41)


 

Часовой расход топлива

 

(1.42)


 

 

1.8 Эффективные показатели

 

Эффективные показатели будут всегда меньше индикаторных на величину насосных потерь и работу, затрачиваемую на преодоление трения в подшипниках, а также на привод обслуживающих двигатель и автомобиль вспомогательных механизмов.

 

Среднее давление трения

 

(1.43)


 

где - потери на трение; - потери на осуществление насосных ходов.

Для двигателей без наддува

 

(1.44)


 

где величины коэффициентов a и b для дизельных двигателей с неразделенными камерами и диаметром цилиндров в мм: : - средняя скорость поршня.

 

(1.45)


 

где S – ход поршня, м; n – число оборотов, об/мин.

 

(1.46)


 

Среднее эффективное давление

 

(1.47)


 

Механический КПД

 

(1.48)


 

Эффективный КПД

 

(1.49)


 

Удельный эффективный расход топлива

 

(1.50)


 

Эффективная мощность двигателя

 

 

или

 

(1.51)

 

(1.52)


 

Крутящий момент

 

(1.53)


 

где - частота вращения коленчатого вала

 

(1.54)


 

где n – число оборотов, об/мин.

 

Удельная поршневая мощность

 

 

Литровая мощность

 

 

 

 

 

Литровая масса двигателя

 

 

Удельная масса

 

 

 

Раздел 2. Расчет и построение индикаторной диаграммы.

 

Индикаторными диаграммами называют зависимости давления газа в цилиндре в функции от угла поворота коленчатого вала (развернутая индикаторная диаграмма) или в функции от текущего объема надпоршневого пространства (свернутая индикаторная диаграмма).

Расчет индикаторной диаграммы выполняют с целью определения давлений и температур газов в цилиндре при выбранных значениях угла поворота коленчатого вала относительно верхней мертвой точки (ВМТ) и соответствующих им величинах объема надпоршневой полости цилиндра.

Для построения свернутой индикаторной диаграммы необходимо определить давление газов в цилиндре в функции от объема, а для построения развернутой индикаторной диаграммы – в функции от угла.

Расчет индикаторной диаграммы будет выполняться по методу Гриневецкого – расчет давления и температуры газов в цилиндре для двух тактов: сжатия и рабочего хода.

 

2.1 Расчет индикаторной диаграммы по методу Гриневецкого

 

Задается ряд значений угла поворота коленчатого вала от 0 до 720° с интервалом в 1°.

Рассчитывается текущее значение надпоршневого объема, используя зависимость

 

,

(2.1)


где Vh = (πD2/4)∙S – рабочий объем цилиндра, м3; – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна; e – степень сжатия двигателя.

 

(2.2)


 

 

 

 

 

Текущая степень сжатия eт

 

(2.3)


где (Vc равно Vт при угле поворота коленчатого вала 0°).

 

Давление от 0-180° поворота коленчатого вала можно принять постоянным и равным pa, а от 540-720° поворота коленчатого вала можно принять равным pb.

Давления сжатия (180-360° поворота коленчатого вала)

 

(2.4)


Давления на ходе расширения:

  • для двигателей с искровым зажиганием (от 360° до 540° поворота коленчатого вала)

 

(2.6)


Температура сжатия

 

(2.7)


 

Температура на ходе расширения:

  • для двигателей с искровым зажиганием (от 360° до 540° поворота коленчатого вала)

 

(2.9)


Значения температур рассчитывается от 180 до 540° поворота коленчатого вала.

 

Результаты расчета заносим в таблицу.

 

Таблица 2.1 - Результаты расчета индикаторной диаграммы

, ° п.к.в.

, м3

, МПа

, К

0

0,0000

1,000

0,085

  

10

0,0000

1,091

0,085

  

20

0,0001

1,361

0,085

  

30

0,0001

1,797

0,085

  

40

0,0001

2,376

0,085

  

50

0,0001

3,073

0,085

  

60

0,0002

3,856

0,085

  

70

0,0002

4,692

0,085

  

80

0,0002

5,547

0,085

  

90

0,0003

6,391

0,085

  

100

0,0003

7,197

0,085

  

110

0,0003

7,941

0,085

  

120

0,0004

8,606

0,085

  

130

0,0004

9,180

0,085

  

140

0,0004

9,654

0,085

  

150

0,0004

10,024

0,085

  

160

0,0004

10,289

0,085

  

170

0,0004

10,447

0,085

  

180

0,0004

10,500

0,085

348,145

190

0,0004

10,447

0,086

348,802

200

0,0004

10,289

0,087

350,804

210

0,0004

10,024

0,091

354,239

220

0,0004

9,654

0,095

359,261

230

0,0004

9,180

0,102

366,092

240

0,0004

8,606

0,112

375,034

250

0,0003

7,941

0,125

386,487

260

0,0003

7,197

0,143

400,974

270

0,0003

6,391

0,168

419,176

280

0,0002

5,547

0,204

441,982

290

0,0002

4,692

0,257

470,554

300

0,0002

3,856

0,337

506,375

310

0,0001

3,073

0,460

551,231

320

0,0001

2,376

0,655

606,879

330

0,0001

1,797

0,961

673,770

340

0,0001

1,361

1,407

747,422

350

0,0000

1,091

1,907

811,829

360

0,0000

1,000

7,707

838,852

370

0,0000

1,091

6,902

2470,708

380

0,0001

1,361

5,223

2332,219

390

0,0001

1,797

3,681

2169,342

400

0,0001

2,376

2,588

2016,686

410

0,0001

3,073

1,871

1885,773

420

0,0002

3,856

1,405

1777,320

430

0,0002

4,692

1,097

1688,612

440

0,0002

5,547

0,888

1616,384

450

0,0003

6,391

0,743

1557,714

460

0,0003

7,197

0,640

1510,195

470

0,0003

7,941

0,565

1471,907

480

0,0004

8,606

0,511

1441,329

490

0,0004

9,180

0,471

1417,259

500

0,0004

9,654

0,442

1398,753

510

0,0004

10,024

0,421

1385,079

520

0,0004

10,289

0,408

1375,692

530

0,0004

10,447

0,400

1370,209

540

0,0004

10,500

0,397

1368,407

550

0,0004

10,447

0,110

  

560

0,0004

10,289

0,110

  

570

0,0004

10,024

0,110

  

580

0,0004

9,654

0,110

  

590

0,0004

9,180

0,110

  

600

0,0004

8,606

0,110

  

610

0,0003

7,941

0,110

  

620

0,0003

7,197

0,110

  

630

0,0003

6,391

0,110

  

640

0,0002

5,547

0,110

  

650

0,0002

4,692

0,110

  

660

0,0002

3,856

0,110

  

670

0,0001

3,073

0,110

  

680

0,0001

2,376

0,110

  

690

0,0001

1,797

0,110

  

700

0,0001

1,361

0,110

  

710

0,0000

1,091

0,110

  

720

0,0000

1,000

0,110

  
Тепловой расчет двигателя BFQ