Тепловой и динамический расчет двигателя ВАЗ 21213

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 

КР ТОКиРДВС20120912003.00.00.00 ПЗ

 

Введение

Современные наземные виды транспорта обязаны своим развитием главным образом применению в качестве силовых установок поршневых двигателей внутреннего сгорания. Именно поршневые ДВС до настоящего времени являются основным видом силовых установок, преимущественно используемых на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных, дорожно-транспортных и строительных машинах.

Данная работа состоит  из следующих разделов:

1. Тепловой расчет двигателя.

2. Динамический расчет  двигателя.

Расчет системы охлаждения, а также тепловой и динамический чаще всего выполняются для режима номинальной мощности.

Таблица 1

Модель	Тип		Диаметр  цилиндра и ход поршня, мм		Рабочий объем, л	Степень сжатия
21213	Четырехтактный, бензиновый, карбюраторный, четырехцилиндровый		82х80		1,69	9,3
Номинальная мощность, кВт×ч	Частота вращения коленчатого вала при номинальной мощности, мин-1	Максимальный крутящий момент, Н×м		Частота вращения коленчатого вала при  максимальном крутящем моменте, мин-1
58	5200	127		3000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ТЕПЛОВОЙ  РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

Тепловой расчет позволяет  с достаточной степенью точности аналитическим путем определить основные параметры вновь проектируемого двигателя, а также проверить  степень совершенства действительного  цикла работающего двигателя.

Тепловой расчет является начальным этапом при проектировании двигателя, а также данные, полученные в ходе расчета, используются в последующих  вычислениях и построениях. 

Тепловой расчет начинается с выбора ряда недостающих в задании  величин, необходимых для проведения расчета, причем выбираются величины, которые для производимого расчета  не определяются по формулам.

Конечные результаты теплового  расчета определяются с различной  степенью точности. Это зависит от того, насколько правильно были оценены  исходные величины теплового расчета: коэффициент наполнения, показатели политроп сжатия и расширения температуры подогрева смеси, температура остаточных газов и т.п.

Тепловой расчет является ориентиром, указывающим какие показатели будет иметь проектируемый двигатель при правильном инструктивном и технологическом выполнении.

Как правило, тепловой расчет двигателей производится для номинального режима при наивыгоднейших условиях подвода и сгорания топлива.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1 Основные принятые  обозначения по тепловому расчету

 

c_N - средняя скорость поршня, м/с;

D - диаметр цилиндра двигателя, м;

g_C, g_H, g_O - элементарный состав топлива в долях кг, соответственно углерода водорода, кислорода.

g_i - удельный индикаторный расход топлива, г/кВт-ч;

g_e - удельный эффективный расход топлива, г/кВт-ч;

G_T- часовой расход топлива, кг/ч;

H_u - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;

DH_u - потери тепла, вследствие химической неполноты сгорания, кДж /кг;

i - число цилиндров двигателя;

L_o - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива

кмолей возд./кг топл.;

L - длина шатуна, м;

m_т - молекулярная масса топлива, кг/моль;

M₁ - число молей свежей смеси, моль/кг топлива;

М₂ - число молей продуктов сгорания, кмоль/кг топлива;

m_в - молекулярная масса воздуха, кг/моль;

mc_V - средняя мольная теплоемкость свежего заряда при постоянном объеме

кДж/кмоль×К;

N_e - эффективная мощность, кВт;

n - частота вращения коленчатого вала, мин;

N_л - литровая мощность, кВт/л;

n₁ - показатель политропы сжатия;

n₂ - показатель политропы расширения;

p_о - давление окружающей среды, МПа;

p_r -давление остаточных газов, МПа;

p_а - давление конца впуска, МПа;

p_с - давление конца сжатия, МПа;

p_z - давление конца сгорания, МПа;

p_b - давление конца расширения, МПа;

p_i’ — среднее индикаторное давление теоретического цикла, МПа;

p_i - среднее индикаторное давление действительного цикла, МПа;

p_е - среднее эффективное давление, МПа;

R - газовая постоянная воздуха, Дж/кмоль×К;

R - радиус кривошипа, м;

S - ход поршня, м;

Т_r - температура остаточных газов, К;

Т_а - температура конца впуска, К;

Т_с - температура конца сжатия, К;

T_z - температура конца сгорания, К;

Т_b — температура конца расширения, К;

Т_о — температура окружающей среды, К;

DT - величина подогрева свежего заряда, К;

V_л - рабочий объем двигателя, л;

V_h - рабочий объем одного цилиндра, л;

a - коэффициент избытка воздуха;

g - коэффициент остаточных газов;

ρ₀ - плотность окружающего воздуха, кг/м³;

e - степень сжатия;

h_V - коэффициент наполнения;

h_м - механический КПД;

h_i - индикаторный КПД;

h_е - эффективный КПД;

l- степень повышения давления;

m_о - коэффициент молекулярного изменения горючей смеси;

m - коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси;

x- коэффициент использования тепла при сгорании;

r - степень предварительного расширения;

t- тактность двигателя;

j - коэффициент полноты индикаторной диаграммы;

y- потерянная доля хода поршня

1.2 Тепловой расчет двигателя

Топливо

 

1. Основным параметром, характеризующим  тип двигателя, является величина  степени сжатия e равной в нашем случае 9,3.

2. Средний состав топлива  для бензина принимают: С = 85,5 %, Н = 14,5 %;

3. Молекулярная масса  бензина находится в пределах 110 – 120 кг/кмоль примем      m_т =115 кг/кмоль.

4. Низшая теплота сгорания  топлива

Параметры рабочего тела

 

1. Теоретически необходимое количество  воздуха для сгорания 1 кг топлива

 кмоль возд./кг топл.;

 кг возд./кг топл.

2. С целью получения достаточно  экономичного двигателя с меньшей  токсичностью продуктов сгорания  коэффициент избытка воздуха a выбирается в пределах a=0,95–0,98. Принимаем a=0,96.

3. Количество горючей смеси

 кмоль гор. см./кг топл.

4. Показатель, зависящий от отношения количества водорода к оксиду углерода, содержащихся в продуктах сгорания для бензина находится в пределах K=0,45–0,5. Количество отдельных компонентов продуктов сгорания при K=0,47

 кмоль CO₂/кг топл.;

 кмоль CO/кг топл.;

 кмольH₂O/кг топл.;

 

 

 кмольH₂/кг топл.;

 кмольN₂/кг топл.

5. Общее количество продуктов  сгорания

= 0,5384 кмоль пр.сг./кг топл.

Параметры окружающей среды и остаточные газы

 

1. При работе двигателя без  наддува давление и температура  окружающей среды равны соответственно p_k = p₀ = 0,1 МПа и T_k = T₀ = 293 К.

2. Температура остаточных газов Т_r зависит от коэффициента избытка воздуха a и скоростного режима двигателя. Температура остаточных газов при частоте вращения коленчатого вала n_N = 5200 об/мин составляет Т_r = 1060 К.

3. Давление остаточных газов  на номинальном скоростном режиме  составляет

p_rN = 1,18p₀ = 1,18 · 0,1 = 0,118 МПа.

Величина давления остаточных газов на режиме максимального крутящего  момента при    n_M = 3000 об/мин составит

 МПа,

где .

 

1.3 Процесс впуска

 

1. Величина подогрева  заряда DT зависит от расположения и конструкции впускного трубопровода, системы охлаждения, наличия специального устройства для подогрева и быстроходности двигателя. Температура подогрева свежего заряда для двигателей с воспламенением от искры принимается в пределах DT = 0–20 º. Принята DT_N = 15 º.

Величина температуры  подогрева свежего заряда на режиме максимального крутящего момента  при n_M = 3000об/мин составит

 º,

где .

 

 

2. Плотность заряда на  впуске, кг/м³

,

где R_в – удельная газовая постоянная для воздуха, Дж/(кг·град).

Для воздуха значение удельной газовой  постоянной определяется по формуле, Дж/(кг·град)

,

где R – универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль·град); μ_в – масса 1 кмоль воздуха кг/кмоль.

R = 8315 Дж/(кмоль·град);

μ_в = 28,96 кг/кмоль.

Удельная газовая постоянная для воздуха

 Дж/(кг·град).

Плотность заряда на впуске

 кг/м³.

3. Потери давления на впуске  определяются по формуле, МПа

,

где β – коэффициент затухания  скорости движения заряда в рассматриваемом  сечении цилиндра; ξ_вп – коэффициент сопротивления впускной смеси, отнесенный к наиболее узкому ее сечению; A_n – параметр; n – частота вращения коленчатого вала в расчетном режиме, об/мин.

Параметр A_n

,

где w_вп – средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы, м/с.

По опытным данным в  современных автомобильных двигателях на номинальном режиме (β² + ξ_вп) = 2,5–4,0 и w_вп = 50–130 м/с. В соответствии со скоростным режимом (n_N = 5200 об/мин) и при учете качественной обработки внутренних поверхностей впускной системы принято (β² + ξ_вп) = 3,5; w_вп = 80 м/с.

Параметр A_n

.

 

Потери давления на впуске

 МПа.

4. Давление в конце впуска

 МПа.

5. Коэффициент остаточных газов  для четырехтактных двигателей  с учетом продувки и дозарядки цилиндра определяется по формуле

,

где j_оч – коэффициент очистки; j_доз – коэффициент дозарядки; e – степень сжатия.

Для карбюраторного двигателя  без наддува принимается коэффициент  очистки    j_оч = 1, а коэффициент дозарядки на номинальном скоростном режиме j_доз = 1,10.

Для режима максимального  крутящего момента при n_M = 3000 об/мин коэффициент дозарядки составит j_доз = 1,03.

Коэффициент остаточных газов

.

6. Температура в конце впуска

 К.

7. Коэффициент наполнения 

 

1.4 Процесс сжатия

 

1. При степени сжатия e = 9,3 и температуре в конце пуска T_a = 340 К средний показатель адиабаты сжатия равен k₁ = 1,377. Показатель политропы сжатия n₁, учитывая характер теплообмена в процессе сжатия, всегда будет иметь меньшее значение, чем показатель адиабаты. Принят n₁= 1,376.

2. Давление в конце сжатия

 МПа.

 

 

3. Температура в конце сжатия

 К.

4. Средняя мольная теплоемкость  в конце сжатия:

а) свежей смеси (воздуха)

 кДж/(кмоль·град),

где t_c = T_c – 273 = 793 – 273 = 520 ºС;

б) остаточных газов 

– определяется значение теплоемкости остаточных газов при t = 500 ºС и α = 0,96.

При коэффициенте избытка  воздуха α = 0,95 теплоемкость остаточных газов равна 24,014 кДж/(кмоль·град); при коэффициенте избытка воздуха α = 1,00 теплоемкость остаточных газов равна 24,150 кДж/(кмоль·град). Т.о. при разности коэффициентов избытка воздуха Δα = 1,00 – 0,95 = 0,05, разность теплоемкостей составит кДж/(кмоль·град). Т. к. в расчете принят коэффициент избытка воздуха α = 0,96, то разность между ним и ближайшим меньшим табличным α составит Δα_р = 0,96 – 0,95 = 0,01. Тогда значение теплоемкости составит

 кДж/(кмоль·град);

– определяется значение теплоемкости остаточных газов при t = 600 ºС и α = 0,96.

При коэффициенте избытка  воздуха α = 0,95 теплоемкость остаточных газов равна 24,440 кДж/(кмоль·град); при коэффициенте избытка воздуха α = 1,00 теплоемкость остаточных газов равна 24,586 кДж/(кмоль·град). Т.о. при разности коэффициентов избытка воздуха Δα = 1,00 – 0,95 = 0,05, разность теплоемкостей составит кДж/(кмоль·град). Т. к. в расчете принят коэффициент избытка воздуха α = 0,96, то разность между ним и ближайшим меньшим табличным α составит Δα_р = 0,96 – 0,95 = 0,01. Тогда значение теплоемкости составит

 кДж/(кмоль·град);

– определяется значение теплоемкости остаточных газов при t = 520 ºС и α = 0,96.

При температуре t = 500 ºС теплоемкость остаточных газов равна 24,041 кДж/(кмоль·град); при температуре t = 600 ºС теплоемкость остаточных газов равна 24,469 кДж/(кмоль·град). Т.о. при разности температур Δ t = 600 – 500 = 100 º, разность теплоемкостей составит

кДж/(кмоль·град). Т. к. по расчету

температура в конце сжатия t_c = 496 ºС, то разность между ней и ближайшей меньшей табличной составит Δt_р = 520 – 500 = 20 º. Тогда значение теплоемкости t_c = 520 ºС и α = 0,96 составит

 кДж/(кмоль·град);

в) рабочей смеси

кДж/(кмоль·град).

 

1.5 Процесс сгорания

 

1. Коэффициент молекулярного  изменения горючей смеси

.

2. Коэффициент молекулярного  изменения рабочей смеси

.

3. Количество теплоты,  потерянное вследствие химической  неполноты сгорания

 кДж/кг.

4. Теплота сгорания рабочей  смеси

 кДж/кмоль раб.см.

5. Средняя мольная теплоемкость  продуктов сгорания для интервала  температур от 1501 до 2800 ºC определяется по формуле, кДж/(кмоль·град)

6. Коэффициент использования  теплоты при n_N = 5200 об/мин равен ξ_z = 0,92.

7. Температура в конце  видимого процесса сгорания определяется  из выражения

или

откуда

 

 ºC.

Абсолютное значение температуры  в конце видимого процесса сгорания

 К.

8. Максимальное давление  сгорания теоретическое

 МПа.

9. Максимальное давление  сгорания действительное

 МПа.

10. Степень повышения давления

.

 

1.6 Процесс расширения и выпуска

 

1. При степени сжатия e = 9,3, коэффициенте избытка воздуха α = 0,96 и температуре в конце видимого процесса сгорания T_z = 2895 К средний показатель адиабаты расширения равен k₂ = 1,249. Показатель политропы расширения n₂ = 1,251.

2. Давление в конце  процесса расширения

 МПа.

3. Температура в конце  процесса расширения

 К.

4. Проверка ранее принятой  температуры остаточных газов

 К

5. Погрешность расчета

 

Индикаторные  параметры рабочего цикла

 

1. Теоретическое среднее  индикаторное давление

 

2. Среднее индикаторное  давление действительного цикла,  МПа

,

где j_и – коэффициент полноты диаграммы.

Коэффициент полноты диаграммы  для карбюраторных двигателей находится  в пределах j_и =0,94–0,97. Принят j_и =0,95.

Среднее индикаторное давление

 МПа.

3. Индикаторный КПД

.

4. Индикаторный удельный расход  топлива

 г/(кВт·ч).

 

 

 

1.7 Эффективные показатели двигателя

 

1. Средняя скорость поршня при  ходе поршня S = 80 мм (предварительно принят)

 м/с.

2. Среднее давление механических  потерь

 МПа.

3. Среднее эффективное давление

 МПа.

4. Механический КПД

.

5. Эффективный КПД

.

6. Эффективный удельный расход  топлива

 г/(кВт·ч).

 

Основные параметры  цилиндра и двигателя

 

1. Литраж двигателя, л

,

где τ – число тактов в одном  цикле работы двигателя.

Задано τ = 4.

Литраж двигателя

 л.

2. Рабочий объем одного цилиндра, л

,

где i – число цилиндров в двигателе.

Задано i = 4.

Рабочий объем одного цилиндра

 л.

3. Диаметр цилиндра

 мм.

Окончательно принимается D = 80 мм S = 80 мм.

4. Уточнение параметров и показателей  двигателя в соответствии с  принятыми значениями диаметра  цилиндра и хода поршня.

Площадь поршня

 см².

Литраж двигателя

 л.

Мощность двигателя

 кВт.

Литровая мощность двигателя

 кВт/л.

 

Крутящий момент

 Н·м.

Часовой расход топлива

 кг/ч.

 

1.8 Построение индикаторной диаграммы

 

Построение индикаторной диаграммы осуществляется аналитическим  методом.

Масштабы диаграммы: масштаб  хода поршня M_S = 0,5 мм в мм; масштаб давлений M_p = 0,025 МПа в мм.

Величины в приведенном  масштабе, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:

 мм;

 мм.

Из точки O, являющейся началом координат диаграммы, по оси абсцисс откладывается отрезок OA (мм), соответствующий объему камеры сгорания. Далее от точки A по оси абсцисс откладывается отрезок AB, соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня в масштабе M_S. Таким образом, абсцисса A соответствует положению поршня в верхней мертвой точке, а абсцисса B – в нижней мертвой точке.

Максимальная высота диаграммы (точка z)

 мм.

Ординаты характерных  точек

 мм;

 мм;

 мм;

 мм;

 мм.

Характерные точки a (B, ); b (B, ); c (A, ); r (A, ); z (A, ) наносятся на диаграмму. Также показывается величина давления окружающей среды p₀.

Построение политроп сжатия и расширения аналитическим методом:

а) политропа сжатия . Отсюда

 мм,

где OB = OA + AB = 19,3 + 160 = 179,3 мм;

б) политропа расширения . Отсюда

 мм.

Результаты расчета точек  политроп приведены в табл. 2.

 

 

Таблица 2

№ точек	OX, мм	OB/OX, мм	Политропа сжатия			Политропа расширения
				Рx/Мр, мм	Рx, МПа		Рx/Мр, мм	Рx, МПа
1	19,30	9,29	21,47	74,74	1,87	16,25	289,90	7,25
2	35,30	5,08	9,35	32,56	0,81	7,64	136,29	3,41
3	51,30	3,49	5,59	19,47	0,49	4,78	85,27	2,13
4	67,30	2,66	3,85	13,40	0,33	3,40	60,65	1,51
5	99,30	1,80	2,25	7,84	0,19	2,09	37,28	0,93
6	115,30	1,55	1,83	6,38	0,16	1,73	30,86	0,77
7	131,30	1,36	1,53	5,34	0,13	1,47	26,22	0,65
8	147,30	1,21	1,31	4,56	0,11	1,27	22,65	0,57
9	163,30	1,09	1,13	3,95	0,09	1,11	19,80	0,49
10	179,30	1,00	1,00	3,48	0,08	1,00	17,84	0,44

 

Скругление индикаторной диаграммы осуществляется на основании следующих соображений и расчетов. Так как рассчитывается достаточно быстроходный двигатель     (n = 5200 мин^-1), то фазы газораспределения необходимо устанавливать с учетом получения хорошей очистки цилиндра от отработавших газов и обеспечения дозарядки в пределах, принятых в расчете. В связи с этим начало открытия впускного клапана (точка r’) устанавливается за 18º до прихода поршня в в.м.т., а закрытие (точка a²) – через 60º после прохода поршнем н.м.т.; начало открытия выпускного клапана (точка b¢) принимается за 55º до прихода поршня в н.м.т., а закрытие (точка a¢) через 25º после прохода поршнем в.м.т. Учитывая быстроходность двигателя, угол опережения зажигания q принимается равным 35º, а продолжительность периода задержки воспламенения - Dj₁ = 5º.

 

В соответствии с принятыми  фазами газораспределения и углом  опережения зажигания определяют положение  точек r¢, a², a¢, b¢, с¢ и f по формуле для перемещения поршня:

,

где l - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Выбор величины l производится при проведении динамического расчета, а при построении индикаторной диаграммы предварительно принимается l = 0,285.

Расчеты абсцисс точек r¢, a², a¢, b¢, с¢ и f сведены в табл. 3.

Положение точки c” определяется из выражения

 МПа;

 мм.

Таблица 3

Обозначение точек	Положение точек	j		Расстояние от в.м.т. (AX), мм
r¢	18º до в.м.т.	18	0,0655	5,24
a¢	25º после в.м.т.	25	0,1223	9,784
a²	60º после в.м.т.	120	1,6069	128,55
с¢	35º до в.м.т.	35	0,2313	18,50
f	30º до в.м.т.	30	0,1697	13,58
b¢	55º до в.м.т.	125	1,6667	133,34