Авто-двигатели

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 над поршневом 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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Принятие и выбор исходных данных: 

Исходные  данные: 

Масса снаряженного транспортного средства: = 3230 кг

Полезный вес,кг или количество пассажиров вместе с водителем: n = 9

Максимальная скорость: = 44.44м/с

Коэффициент сопротивления  качению: = 0.016 

1. Полная  масса автомобиля:

 кг

Где:

 - масса снаряженного автомобиля ,кг, указывается в исходных   данных(приложение 1)

- тоннаж или грузоподъемность  автомобиля, кг, указывается в исходных  данных (приложение 1)

масса пассажиров вместе с водителем определяется выражением:

,кг 

Тоннаж для легковых автомобилей и автобусов можно  принять из следующих условий:

- для легковых автомобилей.

2. Механический КПД трансмиссии автомобиля

 

Принимаю =0,93

3. Фактор обтекаемости автомобиля kF

Для автомобилей  среднего и большого класса    kF = 0,9

4. Максимальная мощность для движения автомобиля

 
 
 

Где:  
 
 

где

                                             (1.4) 
 

5. Частота вращения коленчатого  вала на максимальной мощности

                                                                                                        (1.5)

                                                                                         (1.6)

= (1,1…1,2)∙=1,1∙753,66=805,933                                                                       (1.7)

=70…80 принимаю – 70                                                                                             (1.8)

6. Эффективная максимальная мощность двигателя

 

==                                                    (1.9)

Где:

 

7. Число тактов двигателя  τ= 4
8. Количество и расположение цилиндров i = 8, V –образный
9. Диаметр цилиндра D  для автотракторных двигателей изменяется в пределах от 60…150 мм и зависит от типа двигателя. Принимаю D = 95мм.
10. Ход поршня S

 

11. Средняя скорость поршня

 

= 

 

1.12Величина  =R/ 

Величина=R/(R – радиус кривошипа, мм и )принимается для двигателей легковых автомобилей в пределах , для двигателей грузовых автомобилей

Принимаю 

1.13 Рабочий объем цилиндра  
 

1.14 Литровая мощность двигателя 

= 

Ориентировочные значения:

 

1.15 Степень сжатия 

Степень сжатия ε

Принимаю  = 8 

1.16 Коэффициент избытка воздуха λ

Принимаю  λ=0,9 
 

2……………………Впускного процесса 

В этой модели расчета  применяются следующие основные гипотезы:

• Свежий заряд и остаточные газы считаются идеальными газами
• После поступления в цилиндре, кинетическая энергия свежего заряда превращается полностью в тепло

2.1Первоначальные  условия состояния

    Давление и температура свежего заряда на входе в двигатель, в случае     работы без наддува, являются давление и температура окружающей среды  и ,которые для стандартизированных условий имеют следующие       значения: .

Для двигателей с  наддувом ,давление и температура на входе в двигатель являются давление температура ,на выходе из компрессора. В случае присутствия промежуточного холодильника, воздух из нагнетателя поступает в него, а затем в цилиндр двигателя. В этом случае давление и температура на входе в двигатель являются давление за холодильником. 
 
 
 

2.2 Давление остаточных газов .

Давление остаточных газов устанавливается в зависимости  от числа и расположение клапанов, газодинамических сопротивлений во впускном и выпускном коллекторах, в том том числе и сопротивления  глушителя, фаз газораспределения, характера наддува, быстроходности двигателя, нагрузки, системы охлаждения и других факторов.

На номинальном  режиме без наддува давление остаточных газов определяется выражением:

  МПа                                 (2.8)

  МПа 

2.2.2 Температура остаточных газов .

Температура остаточных газов зависит от типа двигателя, степени сжатия, коэффициента избытка  воздуха и частоты вращения.

Принимаю . 

2.3.Температура  подогрева свежего  заряда .

Подогрев свежего  заряда происходит при его контакте со стенками впускного тракта и цилиндра, а также из-за остаточных газов. Величина зависит от расположения и конструкции впускного коллектора, системы охлаждения, быстроходности двигателя и вида наддува. Повышение температуры улучшает процесс испарения топлива, но снижает плотность заряда, что отрицательно влияет на наполнение. 

Таблица подогрева свежего  заряда .

Принимаю , K 

2.4. Давление свежего  заряда в конце  впуска .

Давление свежего  заряда в конце впуска является основным фактором, определяющий количество рабочего тела, поступающего в цилиндр двигателя. 

2.4.1. Коэффициент газодинамических  сопротивлений на  впуске  и средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы . 

 принимаю 

  принимаю . 
 
 

2.4.2.Плотность свежего заряда .

Плотность свежего  заряда определяется выражением для  двигателей без наддува:

,кг/                                     (2.10)

Где: R= 287 Дж/кгK

, 

2.4.3. Потери давления  .

     Потери  давления вследствие газодинамического  сопротивления на впуске определяется  выражением для двигателей без  наддува: 

, МПа                        (2.11)

,МПа 

Где : - коэффициент затухания скорости движения заряда в минимальном                                  сечении впускной системы;

         - коэффициент газодинамического сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому сечению. 

2.4.4. Давление свежего  заряда в конце  пуска .

Давление свежего  заряда в конце впуска определяется выражением для двигателей без наддува:

,МПа                                            (2.12) 

,МПа 

2.5.Коэффициент  остаточных газов  .

Коэффициент остаточных газов характеризует качество отчистки цилиндра от продуктов сгорания. С  увеличением   уменьшается количество свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя в процессе впуска. Коэффициент остаточных газов определяется для двигателей без наддува выражением: 

                                     (2.13)

Где: коэффициент дозарядки;

       коэффициент отчистки; 
 
 

Таблица коэффициента остаточных газов.

2.6. Температура свежего  заряда в конце  впуска .

Температура свежего  заряда в конце впуска определяется для двигателей без наддува выражением: 

, К                                                 (2.14) 

,К 

Величина  зависит от температуры рабочего тела, коэффициента остаточных газов, степени подогрева заряда и в меньшей степени от температуры остаточных газов.

Таблица температуры  свежего заряда в конце впуска .

 

2.7. Коэффициент наполнения  .

Коэффициент наполнения или КПД наполнения определяется отношением действительного количества свежего заряда, поступившего в цилиндр,  к тому количеству, которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при условии, что температура и давление в нем равны температуре и давлению среды, из которой поступает свежий заряд.

Коэффициент наполнения определяется для двигателей без наддува выражением: 

                                               (2.15) 
 
 

Таблица коэффициента наполнения .

 
 

3. Параметры процесса  сжатия

В период процесса сжатия в цилиндр двигателя повышается температура и давление рабочего тела, что обеспечивает надежное воспламенение  и эффективное сгорание топлива. 
 
 

3.1. Коэффициент политропы  сжатия .

Коэффициент политропы  сжатия воздействован в значительной мере частотой вращения коленчатого вала двигателя, степенью сжатия, размеров и материала деталей кривошипно- шатунного механизма, теплообмена между рабочим телом и стенок цилиндра и т.д. Вследствие обработки значительного числа экспериментальных данных литература указывает для коэффициента политропы сжатия следующие значения: 

Таблица коэффициента политропы сжатия.

Принимаю:  
 

3.2. Давление смеси  в конце процесса  сжатия .

Давление смеси  в конце процесса сжатия определяется выражением: 

 ,МПа                                           (3.1) 

 ,МПа     

  

3.3. Температура смеси в конце процесса сжатия .

Температура смеси в конце процесса сжатия определяется выражением:

,К                                    (3.2) 

,К 

Таблица давления и температуры смеси в конце процесса сжатия.

 

3.4. Средняя мольная  теплоемкость рабочей  смеси в конце  процесса сжатия .

Средняя мольная  теплоемкость рабочего тела называется отношение количества теплоты, сообщаемой телу в заданном процессе, к изменению  температуры при условии, что  разность температур является конечной величиной. Величина теплоемкости зависит  от температуры и давления тела, ее физических свойств и характера  процесса. 

3.4.1. Средняя мольная  теплоемкость свежей  смеси в конце  процесса сжатия .

Средняя мольная  теплоемкость свежей смеси в конце  процесса сжатия определяется выражением: 

,                   (3.3)

Где    

, 

3.4.2. Средняя мольная  теплоемкость остаточных  газов в конце  процесса сжатия .

Средняя мольная  теплоемкость остаточных газов в  конце процесса сжатия определяется методом интерполяции.

Средняя мольная  теплоемкость остаточных газов при  низшем соответственно высшем определяется выражением: 

 ,           (3.4) 

 , 

Где: и средняя мольная теплоемкость остаточных газов при низшем соответственно высшем в зависимости от низшем соответственно высшем коэффициента избытка воздуха согласно табличным данным.

для бензина.

Средняя мольная  теплоемкость остаточных газов в  конце процесса сжатия    определяется выражением: 

,                   (3.5) 

, 

3.4.3. Средняя мольная  теплоемкость рабочей  смеси в конце  процесса сжатия .

Средняя мольная  теплоемкость рабочей смеси в  конце процесса сжатия определяется выражением: 

,                     (3.6) 

      

,               

4. Параметры процесса  сгорания. 

4.1. Состав и низшая  теплота сгорания  топлива .

4.1.1.Состав  топлива.

Жидкое топливо  и сжиженный газ имеют следуют  следующий массовый состав элементов: 

, кг                                    (4.1) 

C , H , H, S – массовая доля химических элементов и воды W в 1 кг топлива. 

Элементарный  состав жидкого топлива в массовых долях представлен  в таблице:

 

4.1.2. Низшая теплота сгорания топлива .

Низшая теплота  сгорания топлива  это количество тепла, которое выделяется при полном сгорании топлива, без учета тепла конденсации паров воды.

Низшая теплота  сгорания при сгорании 1 кг жидкого топлива или сжиженного газа в кДж/кг определяется эмпирическим выражением или принимается согласно табличным данным. 

        (4.2) 

Где: C, H, O, S – массовая доля химических элементов и воды W в 1 кг топлива. 

4.2. Параметры рабочего  тела. 

4.2.1. Минимальное количество  воздуха, необходимое  для полного сгорания 1 кг топлива .

Минимальное количество воздуха, необходимое для полного  сгорания 1 кг топлива  , учитывает объемную долю кислорода в воздухе, определяется для жидких топлив выражением: 

                                   (4.4) 
 
 
 
 

4.2.2. Действительное количество  воздуха, необходимое  для полного сгорания 1 кг топлива L.

Действительное  количество воздуха, необходимое для  полного сгорания 1 кг топлива , определяется для жидких топлив выражением: 

                                       (4.5)

   

    

4.2.3. Количество свежего заряда, отнесенное на  1 кг топлива .

Количество свежего  заряда, отнесенное на  1 кг топлива , для ДИЗ определяется выражением 

                               (4.5) 

Где: средняя молярная масса, кДж/кмоль, согласно табличным данным. 

   

4.2.4. Количество остаточных  газов при сгорании  топлива .

Количество остаточных газов при сгорании топлива  для определяется выражением: 

                       (4.6) 

  

4.2.5. Изменение количества  молей рабочего  тела при сгорании  .

Изменение количества молей рабочего тела   при сгорании определяется    выражением: 

                                 (4.7) 

  

4.2.6. Теоретический коэффициент  молекулярного изменения  свежего заряда  .