Тепловой расчет двигателя. 3

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального  образования

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра ЭАТ

 

 

 

 

 

Курсовая работа по дисциплине

Транспортная энергетика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент группы:                          

 

Проверил:                                                                          

 

 

 

 

 

 

 

 



 

 

 

 

 

 

Тюмень 2013

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………….......3

Тепловой расчет двигателя………………….......………………………………4

1.1. Топливо………………….......……………………………………………….4

1.2. Параметры окружающей  среды…………………………………………….7

1.3. Процесс впуска………………………………………………………………7

1.4. Процесс сжатия………………………………………………………………9

1.5. Процесс сгорания…………………………………………………………..10

1.6. Процесс расширения……………………………………………………….14

1.7. Процесс выпуска……………………………………………………………14

1.8. Индикаторные параметры  рабочего цикла………………………………..15

1.9. Эффективные показатели двигателя………………………………………17

1.10. Основные параметры  цилиндра и двигателя……………………………19

1.11. Построение индикаторной диаграммы…………………………………21

Заключение……………………………………………………………………...11

Список литературы…………………………..………………………..…...........11

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

      Целью курсового проекта является получение студентами знаний по тепловому расчету двигателя.

Основными задачами являются:

    1. Теоретическое изучение работы автомобильного двигателя, расчет физических процессов, протекающих при каждом такте работы двигателя.
    2. Расчёт и оценка индикаторных и эффективных показателей работы двигателя.
    3. Ознакомление с аналитическим методом построения индикаторной диаграммы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходные данные

Автомобильный двигатель  ЗМЗ-4063

Бензиновый, карбюраторный, 4-цилиндровый V-образный двигатель  повышенной мощности. Имеет V-образное расположение цилиндров и алюминиевый  блок.

 

Технические характеристики

Степень сжатия

9,3

Количество цилиндров

4

Рабочий объем, л

2,28

Ход поршня, мм

                     86

Диаметр цилиндр, мм

                      92

Тип двигателя

Бензиновый, карбюраторный


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Тепловой  расчет двигателя

1.1. Топливо

В качестве топлива принять  бензин (низшая теплота сгорания  = 43,93 МДж/м3, согласно в табл. 1), средний молекулярный состав: С=0,855%; Н=0.145%; O=0%.

Таблица 1

Низшая теплота сгорания топлива , МДж/м3

Топливо

Бензин

Нu

43,93


 

Параметры рабочего тела. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:

;                                    

где – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кмоль;

– теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кг;

 С – количество углерода в 1 кг топлива, %;

Н – количество водорода  в 1 кг топлива, %;

O – количество кислорода в 1 кг топлива, %.

 

 

Количество горючей смеси  поступающего в цилиндр определяется по формуле:

 

где – количество горючей смеси, кмоль гор. см./кг топл.;

  – коэффициент избытка воздуха ( =0.89 согласно в табл. 2);

 – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива;

 – молекулярная масса бензина, кг/кмоль (mT=115 кг/кмоль).

 

Общее количество продуктов  сгорания:

 

где – общее количество продуктов сгорания, кмоль пр. сг./кг топл.;

С – количество углерода в 1 кг топлива, %;

Н – количество водорода  в 1 кг топлива, %;

 – коэффициент избытка воздуха;

 – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива.

 

Таблица 2

Коэффициент избытка воздуха  двигателей (α) при номинальной мощности

Двигатели

Коэффициент избытка воздуха α

1

2

Карбюраторные

0,80…0,96


1.2 Параметры окружающей среды и остаточные газы

Давление и температура  окружающей среды при работе двигателей без наддува  =  = 0.1 МПа и  =  = 293 К.

 

 

 

 

 

1.3 Процесс впуска

 

Процесс впуска горючей смеси  в цилиндр двигателя осуществляется за счёт создания разрежения в цилиндре при движении поршня от верхней мёртвой  точки (В.М.Т.) к нижней мёртвой точке (Н.М.Т.).

Давление остаточных газов  определяется для двигателей без  наддува и с наддувом по формуле 

 

где – давление окружающей среды, МПа;

 – давление остаточных газов, МПа.

 

Температура остаточных газов для карбюраторных двигателей    = 980 К.

Плотность заряда на впуске:

;

где – давление окружающей среды, МПа;

 – удельная газовая постоянная для воздуха (=287 Дж/кг*град);

 – температура  окружающей среды, K.

 

Потеря давления  за счёт сопротивления впускной системы  и затухания скорости движения заряда в цилиндре для карбюраторных  двигателей без наддува определяется по формуле:

 

где – потеря давления, МПа;

 – давление  окружающей среды, МПа.

 

Давление в конце процесса впуска определяется по формуле:

 

где – давление в конце процесса впуска, МПа;

 – потеря  давления, МПа;

– давление воздуха  за компрессором, МПа.

 

Коэффициент остаточных газов,  характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания и определяется по формуле:

 

где – коэффициент остаточных газов;

 – давление  в конце процесса впуска, МПа; 

  – давление остаточных газов, МПа.

 – степень  сжатия (у данного  двигателя  = 7.6);

  – температура остаточных газов, К;

  – температура за компрессором, К;

 – подогрев свежего  заряда, К (для карбюраторных двигателей = 8 °С).

 

Температура в конце впуска  зависит от температуры и массы  свежего заряда, температуры и  массы газов, оставшихся в цилиндре от предыдущего цикла, степени подогрева  заряда и определяется по формуле:

 

где – температура в конце впуска, К;

 –  коэффициент остаточных газов;

  – температура остаточных газов, К;

  – температура за компрессором, К;

 – подогрев свежего  заряда, К.

 

На коэффициент наполнения    влияют дозарядка цилиндра в начале хода сжатия в связи с запаздыванием закрытия впускного клапана и продувка камеры сжатия в связи с перекрытием клапанов. Коэффициент наполнения определяется по формуле:

 

где  доз – коэффициент дозарядки (доз = 1,08);

оч  – коэффициент очистки камеры сжатия при продувке (оч = 1).

 

 

 

1.4 Процесс сжатия

 

Давление в конце процесса сжатия определяется из уравнения политропы с постоянным показателем по формуле:

 

где – давление в конце процесса сжатия, МПа;

 – показатель политропы сжатия (для карбюраторных двигателей = 1,34…1,39);

 – степень сжатия;

 – давление  в конце процесса впуска, МПа.

 

Температура в конце процесса сжатия определяется из уравнения политропы с постоянным показателем   по формуле:

 

где – температура в конце процесса сжатия, К;

  – температура в конце впуска, К;

 – показатель  политропы сжатия;

– степень сжатия.

 

Средняя молярная теплоёмкость для свежего заряда в конце  сжатия (без учёта влияния остаточных газов) определяется по формуле:

 

где – средняя молярная теплоёмкость, кДж/(кмоль·град);

 – температура  в конце процесса сжатия, К.

 

Коэффициент молекулярного  изменения гор. см.:

,

где – коэффициент молекулярного изменения гор. см.;

М1 – количество горючей смеси, кмоль гор. см./кг топл;

М2 – общее количество продуктов сгорания, кмоль гор. см./кг топл.

 

и рабочей смеси:

 

где – коэффициент молекулярного изменения раб. см.;

  –  коэффициент остаточных газов;

  – коэффициент молекулярного изменения горючей смеси.

 

 

 

 

 

 

 

 

1.5 Процесс сгорания

 

Сгорание топлива сопровождается резким повышением давления и температуры. Продолжительность процесса сгорания составляет 40…60 градусов поворота коленчатого  вала.

Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания и теплота сгорания рабочей смеси:

; ,

где – потерянное количество теплоты, кДж/кг;

 – теплота  сгорания рабочей смеси, кДж/кмоль раб. см.;

 – низшая  теплота сгорания топлива, кДж/кг;

 –  коэффициент остаточных газов;

 – количество горючей смеси, кмоль гор. см./кг топл;

 – коэффициент избытка воздуха;

– теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кмоль.

;

 

 

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания:

 

где – средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(кмоль*град);

 – общее количество продуктов сгорания, кмоль гор. см./кг топл;

 – количество отдельных компонентов продуктов неполного сгорания жидкого топлива кмоль i вещества/кг топл.;

 – средняя молярная теплоемкость отдельных газов, кДж/(кмоль*град)

 

 

Температура в конце видимого процесса сгорания:

 

где – коэффициент использования теплоты ();

 – теплота  сгорания рабочей смеси, кДж/кмоль раб. см.;

 – средняя молярная теплоёмкость, кДж/(кмоль·град);

 – температура в конце процесса сжатия, С0;

µ – коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси;

 – температура в конце процесса сгорания, С0;

 – температура в конце процесса сгорания, K;

 – средняя молярная теплоемкость отдельных газов, кДж/(кмоль*град)

 

.

Или

;

; 
.

 

 

 

Максимальное давление сгорания теоритическое:

,

Где – максимальное давление сгорания теоритическое, МПа;

 – давление  в конце процесса сжатия, МПа;

 – коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси;

 – температура в конце процесса сгорания, K;

 – температура в конце процесса сжатия, K.

 

.

Максимальное давление сгорания действительное:

,

где – максимальное давление сгорания действительное, МПа;

  – максимальное давление сгорания теоритическое, МПа.

 

 

Степень повышения давления:

,

где – cтепень повышения давления;

  – максимальное давление сгорания теоритическое, МПа;

 – давление  в конце процесса сжатия, МПа.

.

 

 

 

 

 

1.6 Процесс расширения

 

Расширяясь, газы производят работу. Их давление и температура  понижаются по закону политропы. В процессе расширения тепловая энергия топлива преобразуется в механическую работу.

Давление и температура  в конце процесса расширения:

;

где – давление в конце процесса расширения, МПа;

 – температура в конце процесса расширения, K;

  – максимальное давление сгорания теоритическое, МПа;

 – температура в конце процесса сгорания, K;

 – степень сжатия;

 – показатель политропы расширения (для карбюраторных двигателей = 1.23…1.30).

;

 

 

1.7 Процесс выпуска

 

Выпуск отработавших газов  занимает полный ход поршня при его  движении  от Н.М.Т. к В.М.Т.

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов выполняется  по выражениям:

 

где – температура остаточных газов на выпуске K;

 – погрешность результатов измерения, %;

  –давление в конце процесса расширения, МПа;

 – температура в конце процесса расширения, K;

 – давление  остаточных газов, МПа;

 – температура остаточных газов на впуске, K;

 – температура остаточных газов на выпуске, K.

 

 

 .

 

1.8 Индикаторные  параметры рабочего цикла

 

Рабочий цикл двигателя внутреннего  сгорания характеризуется средним  индикаторным давлением, индикаторной мощностью, индикаторным КПД и индикаторным удельным расходом топлива.

Теоритическое среднее индикаторное давление:

 

где – теоритическое среднее индикаторное давление, МПа;

  – давление в конце процесса сжатия, МПа;

 – степень сжатия;

 – cтепень повышения давления

 – показатель  политропы сжатия;

 – показатель политропы расширения.

 

 

 

Среднее индикаторное давление:

 

где – среднее индикаторное давление, МПа;

  – теоритическое среднее индикаторное давление, МПа;

 – коэффициент  полноты диаграммы (для карбюраторных  двигателей  = 0.94…0.97).

 

 

Индикаторный КПД и  индикаторный удельный расход топлива:

 

где – индикаторный КПД;

 – индикаторный  удельный расход топлива, г/(кВт*ч);

 – среднее  индикаторное давление, МПа;

 – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кг/кг;

 – коэффициент избытка  воздуха;

 – низшая  теплота сгорания, кДж/кг;

 – плотность  заряда на впуске, кг/м3;

 – коэффициент  наполнения.

 

 

 

 

 

 

 

Индикаторная мощность –  работа, совершаемая газами внутри цилиндра в единицу времени:

 

где – индикаторная мощность, кВт;

  – среднее индикаторное давление, МПа;

 – рабочий  объем одного цилиндра, л;

 – частота вращения  коленчатого вала, мин-1;

 – тактность двигателя.

 

1.9 Эффективные  показатели двигателя

 

Параметры, характеризующие  работу двигателя, отличаются от индикаторных наличием необходимых затрат полезной работы на преодоление различных  механических сопротивлений (трение в кривошипно шатунном механизме, приведение в действие вспомогательных механизмов и нагнетателя и др.) на совершение процессов впуска и выпуска.

Средняя скорость поршня определяется по выражению:

 

где – cредняя скорость поршня, м/с;

 – ход поршня, мм;

– номинальная частота  вращения коленчатого вала, мин-1.

.

 

 

 

 

Среднее давление механических потерь для бензиновых восьмицилиндровых  двигателей с отношением  :

 

где – среднее давление механических потерь, МПа;

 – cредняя скорость поршня, м/с.

 

Среднее эффективное давление определяется по формуле:

 

Где – среднее эффективное давление, МПа;

 – среднее  индикаторное давление, МПа;

– среднее давление механических потерь, МПа.

 

Механический КПД являющийся оценочным показателем механических потерь определяется по формуле:

,

где – механический КПД;

 – среднее  эффективное давление, МПа;

 – среднее  индикаторное давление, МПа.

 

Эффективный КПД и эффективный  удельный расход топлива:

 

где – эффективный КПД;

 – индикаторный  КПД;

– механический КПД;

 – эффективный  удельный расход топлива, г/(кВт*ч);

 – низшая  теплота сгорания топлива, МДж/кг.

 

 

Эффективная мощность двигателя:

 

где – эффективная мощность двигателя, кВт;

 – среднее  эффективное давление, МПа;

 – рабочий  объем цилиндра , л;

– номинальная частота  вращения коленчатого вала, мин-1;

 – тактность двигателя.

 

 

1.10 Основные параметры  цилиндра и двигателя

 

Литраж:

),

где – литраж двигателя, л;

 – тактность двигателя;

 – эффективная  мощность двигателя, кВт;

 – среднее  эффективное давление, МПа;

– номинальная частота  вращения коленчатого вала, мин-1.

 

Рабочий объем одного цилиндра:

,

где – рабочий объем одного цилиндра, л;

 – литраж  двигателя, л;

 – количество цилиндров.

 

 

 

Диаметр цилиндра:

 

где – диаметр цилиндра, мм;

 – рабочий  объем одного цилиндра, л;

 – отношение хода поршня к диаметру цилиндра, мм.

 

 

Ход поршня:

 

где – ход поршня, мм;

 – диаметр цилиндра, мм;

 – отношение хода поршня к диаметру цилиндра, мм.

 

Литраж двигателя с  учётом параметров двигателя (диаметра цилиндра и хода поршня) определяется следующим образом:

 

где – литраж двигателя, л;

– диаметр цилиндра, мм;

 – ход поршня, мм;

 – количество цилиндров.

 

 

 

 

 

Эффективная мощность двигателя:

 

где – эффективная мощность двигателя, кВт;

 – среднее  эффективное давление, МПа;

 – литраж  двигателя, л;

– номинальная частота  вращения коленчатого вала, мин-1;

 – тактность двигателя.

 

Эффективный крутящий момент:

 

где – эффективный крутящий момент, Н*м;

 – эффективная  мощность двигателя, кВт;

– номинальная частота  вращения коленчатого вала, мин-1.

 

Часовой расход топлива:

 

где – часовой расход топлива, кг/ч;

 – эффективная  мощность двигателя, кВт;

 – эффективный  удельный расход топлива, г/(кВт*ч)

 

 

Средняя скорость поршня

 

 

где – cредняя скорость поршня, м/с;

 – ход поршня, мм;

– номинальная частота  вращения коленчатого вала, мин-1.

.

Погрешность составляет -0.997%

 

1.11 Построение  индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма  заданного двигателя строится с  использованием данных расчёта рабочего процесса, аналитическим методом.

Масштабы диаграммы: масштаб  хода поршня масштаб давлений .

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

 

где – отрезок соответствующий рабочему объему цилиндра ,мм;

 – отрезок соответствующий  рабочему объему камеры сгорания ,мм;

 – ход поршня, мм;

 – масштаб  хода поршня, мм в мм;

 – степень сжатия.

 

 

Ординаты характерных  точек:

 

где – давление в конце процесса сгорания, МПа;

 – давление в конце  процесса впуска, МПа;

 – давление в конце  процесса сжатия, МПа;

 – давление в конце  процесса расширения, МПа;

 – давление остаточных  газов, МПа;

 – давление  окружающей  среды, МПа;

 – масштаб давления, МПа в мм.

 

 

 

Построение политропы сжатия и расширения аналитическим методом:

А) политропа сжатия:

 

где – давление в точке процесса сжатия, МПа;

 – давление в конце  процесса впуска, МПа;

–  объем в точке  процесса сжатия, л;

 – объем в конце  процесса впуска, л;

 – масштаб давления, МПа в мм;

 – показатель политропы  сжатия.

Отношение изменяется в пределах 1... Отсюда:

 

где =

Б) политропа расширения:

 

где – давление в точке процесса расширения, МПа;

 – давление  в конце процесса расширения, МПа;

–  объем в  точке процесса сжатия, л;

 – объем  в конце процесса впуска, л;

 – масштаб  давления, МПа в мм;

 – показатель  политропы расширения.

Отношение изменяется в пределах 1... Отсюда:

 

Результаты расчета точек  политроп приведены в табл. 3. Расчетные точки политроп показаны на рис. 1. только для наглядности. При выполнении практических расчетов на диаграмме их не показывают.

Таблица  2

Значения расчетных величин 

№ точек

ОХ, мм

Политропа сжатия

Политропа расширения

рх, МПа

мм

рх, МПа

 мм

1

10.2

9.3

21.46

1.8

37.56

16.31

7.17

143.5

2

11.93

8

17.44

1.52

30.53

13.51

5.94

118.8

3

13.6

7

14.52

1.27

25.4

11.43

5.02

100.5

4

15.9

6

11.74

1

20.55

9.42

4.14

82.93

5

19

5

9.14

0.8

16

7.5

3.3

66

6

23.8

4

6.72

0.58

11.77

5.67

2.49

49.9

7

31.8

3

4.52

0.32

7.9

3.95

1.74

34.8

8

47.72

2

2.59

0.22

4.53

2.38

1.04

20.9

9

95.44

1

1

0.08

1.75

1

0.44

8.8