Тепловой расчет двигателя М-412

Содержание. 

1. Введение                                                                                                        3
2. Устройство и принцип действия двигателя внутреннего сгорания        4
3. Произвести расчет четырехтактного карбюраторного двигателя согласно исходных данных                                                                          8
4. Тепловой расчет                                                                                            9
5. Индикаторные параметры рабочего цикла                                               20
6. Эффективные показатели двигателя                                                         21
7. Основные параметры цилиндров двигателя внутреннего сгорания      23
8. Построение индикаторной диаграммы                                                     26
9. Тепловой баланс                                                                                          29
10. Вывод                                                                                                           33
11. Список использованной литературы                                                         34

1.ВВЕДЕНИЕ

    Машины, преобразующие какой-либо вид энергии  в механическую работу, называются двигателями. Машины, преобразующие  теплоту в механическую работу, называются тепловыми двигателями.

    В транспортных установках (автомобили, мотоциклы, тракторы, тепловозы, морские  и речные суда) и во всех других случаях, когда требуются компактные силовые  установки малой и средней  мощности, наиболее подходящими и  универсальными среди всех тепловых энергетических установок в настоящее  время признаны поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

    Внутри  цилиндра ДВС находится поршень, который воспринимает давление газов  и движется возвратно-поступательно. Изменение направления движения поршня в цилиндре происходит в двух крайних точках, называемых мертвыми. Крайнее верхнее положение поршня считают верхней мертвой точкой (в.м.т.), крайнее нижнее его положение – нижней мертвой точкой (н.м.т.).

    Пространство  над поршнем при нахождении его  в в.м.т. представляет собой камеру сгорания. Пространство цилиндра между двумя мертвыми точками называют рабочим объемом. Сумма объема камеры сгорания и рабочего объем составляет полный объем цилиндра. Сумму всех рабочих объемов цилиндров многоцилиндрового двигателя называют рабочим объемом двигателя или литражом.

    Рабочий цикл двигателя – это комплекс последовательных процессов внутри цилиндра, в результате которых энергия топлива преобразуется в механическую работу.

    Такт – это часть рабочего цикла, происходящая за время движения поршня от одной мертвой точки до другой, т.е. за один ход поршня.

    Двигатель, рабочий цикл которого совершается  за четыре такта (хода) при двух оборотах коленчатого вала, называется четырехтактным; двигатель, у которого рабочий процесс совершается за два такта или один оборот коленчатого вала, – двухтактным. Автомобильные двигатели выполняются, как правило, только четырехтактными.

2.Устройство и принцип действия.

     По  характеру рабочего процесса  поршневые двигатели внутреннего  сгорания, устанавливаемые на большинстве  автомобилей, делятся на двигатели с внешним смесеобразованием и воспламенением топливовоздушной смеси от электрической искры (карбюраторные и газовые) и двигатели с внутренним смесеобразованием и воспламенением смеси от сжатия (дизели).

     В карбюраторных  двигателях горючая смесь, состоящая из паров бензина и воздуха, приготовляется вне цилиндров, в карбюраторе; в двигателях, работающих на сжиженном или сжатом газе, смесь газа с воздухом приготовляется также вне цилиндров, в смесителе. В дизелях горючая смесь образуется внутри цилиндров путем впрыска в них топлива, самовоспламеняющегося под влиянием высокой температуры сжатого в цилиндрах воздуха.

     Более  легкие и быстроходные карбюраторные  двигатели применяют чаще всего  на легковых автомобилях и  грузовых автомобилях малой грузоподъемности; дизели — на грузовых автомобилях  большой грузоподъемности (например, МАЗ-500, КамАЗ, КрАЗ-256, БелАЗ-540).

     Рабочий цикл четырехтактного  карбюраторного двигателя.  Рабочий цикл такого двигателя состоит из следующих тактов: впуск, сжатие, рабочий ход (сгорание — расширение), выпуск.

Рис. 1. Рабочий  цикл четырехтактного бензинового  карбюраторного двигателя:

а – такт впуска; б – такт сжатия; в – такт расширения; г – такт выпуска; 1 – выпускной  клапан; 2 – свеча зажигания; 3 –  цилиндр; 4 – шатун; 5 – коленчатый вал; 6 – поршень: 7 – впускной клапан

Впуск. Поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, в цилиндре образуется разрежение, вследствие чего в него поступает горючая смесь, которая перемешивается с отработавшими газами, оставшимися в небольшом количестве в цилиндре от предыдущего цикла, и образует рабочую смесь. Температура смеси в конце впуска равна 100...130°C, а давление примерно 0,07...0,08 МПа (0,7...0,8 кгс/см²). На индикаторной диаграмме процесс впуска изображен линией га.

Сжатие. Поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Оба клапана закрыты, рабочая смесь сжимается, вследствие чего ее температура повышается и улучшается испарение бензина.

К концу такта  сжатия давление в цилиндре повышается до 0,8...1,2 МПа (8...12 кгс/см²), температура смеси, достигает 280... 480°С.

Рабочий ход (сгорание — расширение). Рабочая смесь в цилиндре воспламеняется электрической искрой и сгорает за 0,001...0,002сек, выделяя при этом большое количество теплоты. Оба клапана закрыты. Температура сгорания свыше 2000°C, а давление − 3,5... 4,0 МПа (35...40 кгс/см²). На индикаторной диаграмме процесс сгорания изображен линией сг.

Пол действием  силы давления газов поршень перемещается к НМТ вращая через шатун коленчатый вал. В процессе расширения за счет внутренней энергии топлива совершается  механическая работа. В конце расширения давление в цилиндре падает до 0,3...0,4 МПа (3...4 кгс/см²), а температура снижается до 800...1100 °С.

На индикаторной диаграмме процесс расширения газов  характеризуется линией zb.

Выпуск. Открывается выпускной клапан. Поршень перемешается к ВМТ и очищает Цилиндр от отработавших газов, выталкивая их в атмосферу. Давление в цилиндре к концу такта выпуска снижается до 0,11...0,12 МПа (1,1...1,2 кгс/см²) ,а температура до 300...400°С. На индикаторной диаграмме процесс выпуска отработавших газов изображен линией br.

Рабочий процесс  четырехтактного двигателя протекает  за четыре хода поршня, т. е. за два оборота  коленчатого вала. Из четырех тактов рабочий ход основной, остальные три −вспомогательные. Поэтому одноцилиндровый двигатель работает неравномерно. Для обеспечения равномерности вращения коленчатого вала автомобильные двигатели изготовляют с несколькими цилиндрами.

     Основные  механизмы и системы двигателя.  Двигатель внутренне-то сгорания  состоит из двух основных механизмов − кривошипно-шатунного и газораспределительного − и систем − охлаждения, смазки, питания. У карбюраторных двигателей имеется, кроме того, система зажигания.

Кривошипно-шатунный механизм воспринимает силу давления газов и преобразует прямолинейное, возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Газораспределительный механизм предназначен для своевременного впуска в цилиндр свежей горючей смеси (карбюраторные двигатели) или воздуха (дизели) и выпуска из него отработавших газов.

Система охлаждения отводит теплоту от нагревающихся деталей двигателя. Она может быть жидкостной (у большинства отечественных двигателей) или воздушной (МеМЗ-968).Система охлаждения предохраняет стенки камеры сгорания от перегрева и поддерживает в цилиндрах нормальный тепловой режим.

Расположение  составных частей различных систем двигателей показано на рисунках .

Смазочная система служит для уменьшения трения между деталями двигателя, охлаждения их и отвода продуктов износа.

Система питания обеспечивает приготовление горючей смеси и подачу ее в цилиндры двигателя (карбюраторные и газовые двигатели), а также удаление из цилиндров продуктов сгорания.

Система зажигания служит для воспламенения рабочей смеси в цилиндрах двигателя при помощи электрической искры.

3. Произвести расчет четырехтактного карбюраторного двигателя согласно задания . 

Исходные  данные. 

Масса двигателя с оборудованием G_дв= 167 кг. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Тепловой расчет.

4.1 Выбор топлива с учетом характеристики двигателя прототипа М – 412 выбираем бензин АИ 93 по таблице, характеризующей физико-химические свойства топлива определяем средний элементарный состав, молекулярную массу топлива (молярная ), μ_т=110 кг/к моль.

  Элементный состав: углерод g_c=0,865.

                                      водород g_H=0,135. 

4.2 Низшая теплота сгорания топлива. 

H_u=33.91 g_c+125.60 g_H-10.89(g_o-g_s)-2.51(9g_H+V),   (МДж/кг),                (3.1)  

H_u=33.91×0,865 + 125.60×0,135 – 2,5×9×0,135-2 =43,25 МДж/кг = 43251 кДж/кг 

где g_c, g_н , g_o, g_s−массовые доли углерода кислорода, водорода, серы.

V-массовая доля воды в топливе =0 

4.3 Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:

L_o= × ( + + )   (кмоль воз/кг топлива)              (3.2) 

L_o= × ( + 8g_н – g_o)   (кг воз/кг топлива)                     (3.3) 

L_o= 1/0,208× (0,865/12+0,135/4) = 0,508   кмоль воз/кг топлива            

L_o=1/0,23 × (8×0865/3+ 8×0,135) = 14,722  кг воз/кг топлива                      

Для получения  двигателя экономичного с меньшей  токсичности продуктов сгорания рекомендуется применять коэффициент  избытка воздуха:

α₁=0.95...0.98, а на режимах минимальной частоты вращения принимается

α₂=0.86

Количество горючей  смеси перед сгоранием:

М_г= α × L_o+1/ μ_Т(кмоль гор смеси /кг топл)             (3.4) 

М_г1= 0,96 × 0,508+1/ 110 = 0,496 кмоль гор смеси /кг топлива

М_г2= 0,91 × 0,508+1/ 110 = 0,471 кмоль гор смеси /кг топлива

М_г3= 0,86 × 0,508+1/ 110 = 0,445 кмоль гор смеси /кг топлива

4.4 Отдельные компоненты горючей смеси.

     Количество  отдельных компонентов продуктов  сгорания определяем с учетом  коэффициента К=0.5 и принятых скоростных  режимов определяем по рекомендации .

Отдельные компоненты горючей смеси, при α₁=0.96, n_е=5800мин^-1, К=0,5

Мсо₂= – 2 × × 0.208 × L_o   (кмоль CO₂/кг топлива)                        (3.5)

Мсо= 2 × × 0.208 × L_o   (кмоль СО/ кг топлива)                                 (3.6)

Мн2о= – 2К × × 0.208 × L_o ( кмоль Н₂0/ кг топлива)                      (3.7)

М_Н2= 2К × × 0.208 × L_o ( кмоль Н₂/ кг топлива)                                 (3.8)

M_N2=0.792 × α × L_о( кмольN₂/кг топлива)                                                  (3.9)     

Общие количество продуктов сгорания после сгорания горючего:

М’_г1 = Мсо₂ + Мсо + Мн₂о + Мн₂ +М_N2                                    (3.10)

проверка

M_г1 = + + 0.792 × α × L_o                                                                     (3.11) 

Мсо₂=0,865 / 12 – 2 ×1- 0,96 / 1+05 × 0.208 × 0,508 = 0,067 кмоль CO₂/кг топлива     

Мсо= 2 × 1 – 0,96 / 1 + 05 × 0.208 × 0,508 = 0,005   кмоль СО/ кг топлива

Мн2о= 0,135 / 2 – 2 × 0,05 ×1 - 0,96 / 1+ 0,5 × 0.208 × 0,508 = 0,0055  кмоль Н₂0/ кг топлива

М_Н2= 2 × 0,5 ×1 – 0,96 / 1 + 0,5 × 0.208 × 0,508 = 0,002 кмоль Н₂/ кг топлива

M_N2=0.792 × 0,96 × 0,508 = 0,386 кмольN₂/кг топлива

М’_г1 = 0,067 + 0,005 + 0,0655 + 0,002 +0,386 = 0,525 кмоль пр.сг./ кг топлива             

проверка

M_г1 = 0,865 / 12 +0,135/ 2 + 0.792 × 0,96 × 0,508 = 0,525 кмоль пр.сг./ кг топлива             

                     При α₂=0.91, n_е=3000 мин^-1.

Расчет компонентов  для данного режима производится аналогично.

Мсо₂=0,865 / 12 – 2 ×1- 0,91 / 1+05 × 0.208 × 0,508 = 0,059 кмоль CO₂/кг топлива                                            

Мсо= 2 × 1 – 0,91 / 1 + 05 × 0.208 × 0,508 = 0,013 кмоль СО/ кг топлива

Мн2о= 0,135 / 2 – 2 × 0,05 ×1 - 0,91 / 1+ 0,5 × 0.208 × 0,508 = 0,0615  кмоль Н₂0/ кг топлива

М_Н2= 2 × 0,5 ×1 – 0,91 / 1 + 0,5 × 0.208 × 0,508 = 0,006  кмоль Н₂/ кг топлива

M_N2=0.792 × 0,91 × 0,508 = 0,366 кмольN₂/кг топлива

М’_г2 = 0,059 + 0,013 + 0,0615 + 0,006 +0,366 = 0,525 кмоль пр.сг.2 / кг топлива           

проверка

M_г2 = 0,865 / 12 +0,135/ 2 + 0.792 × 0,91 × 0,508 = 0,505          кмоль пр.сг.2 / кг топлива                          

                  При α₃=0.86, n_е=1000 мин^-1.

Расчет компонентов  для данного режима производится аналогично.

Мсо₂=0,865 / 12 – 2 ×1- 0,86 / 1+05 × 0.208 × 0,508 = 0,053   кмоль CO₂/кг топлива               

Мсо= 2 × 1 – 0,86 / 1 + 05 × 0.208 × 0,508 = 0,019   кмоль СО/ кг топлива

Мн2о= 0,135 / 2 – 2 × 0,05 ×1 - 0,86 / 1+ 0,5 × 0.208 × 0,508 = 0,0585  кмоль Н₂0/ кг топлива

М_Н2= 2 × 0,5 ×1 – 0,86 / 1 + 0,5 × 0.208 × 0,508 = 0,009  кмоль Н₂/ кг топлива

M_N2=0.792 × 0,86 × 0,508 = 0,366 кмольN₂/кг топлива

М’_г3 = 0,053 + 0,019 + 0,0585 + 0,009 +0,346 = 0,485  кмоль пр.сг.3/ кг топлива         

проверка

M_г3 = 0,865 / 12 +0,135/ 2 + 0.792 × 0,86 × 0,508 = 0,485          кмоль пр.сг.3 / кг топлива                                                                                

Результаты расчетов показывают, что при коэффициентах  избытка воздуха α < 1 происходит неполное сгорание воздуха.

Результаты расчетов сводим в Таблицу 1.

Таблица 1

4.5 Параметры окружающей среды и остаточных газов. Давления и температуры окружающей среды при работе двигателя без наддувамогут быть приняты

 Р₀=0.1 мПа ,   Т₀ =273+20=293 К

  Температура  остаточных газов равна постоянному значению степени сжатия ε -8,8. и линейно возрастает с увеличением скоростного режима α = const, но уменьшается при обогащении горючей смеси.

Температура отработавших газов Тr при номинальном режиме варьирует в пределах для бензиновых двигателей 900…1100К.

Принимаем Тr = 1060К.

Давление остаточных газов  Рr зависит от частоты вращения коленчатого вала n двигателя.

Определения давления остаточных газов производиться  согласно заданию только при номинальном  скоростном режиме n =5800 мин^-1. Давление остаточных газов Р_г за счет расширения фаз газораспределения и снижения сопротивления при конструктивном оформлении выпускного такта рассчитываемого двигателя получаем на номинальном скоростном режиме .

P_r N_e=1.18P_o                                          (3.12)

P_r N_e=1.18 × 0,1 = 0,118 МП_а          

Р_г=Р₀(1.035+A_p×10^-8× n_e²)       (3.13)

А_Р=(Р_гNe-P₀×l.035)×10⁸/n_e²×P₀     (3.14)

А_Р=(0,118 -0,1×l.035)×10⁸/5800²×0,1 = 0,431    

Р_г=0,1× (1.035+0,431×10^-8× 5800²) = 0,105 МП_а    

4.6 Процесс впуска.

P_а=P_о(β²+ξ_Вn)××ρ_к×10^-6, (3.15)

P_к = 0,1 × 10⁶/287 × 293 = 1,189 кг/м³

Процесс впуска характеризуется следящими основными  параметрами: Давление Р_А, Температура Т_Азаряда в конце процесса впуска, начало сжатия, давления и температурой остаточных газов Р _г и Т_г остаточных газов.

     Коэффициент  остаточных газов γ_г, Коэффициент наполнения η_v. Давления заряда в конце впуска Р_Аопределяется пренебрегая незначительным изменением плотности свежего заряда при его движении во впускной системе и принимая скорость воздуха  ω_в=0 

P_а=P_к(β²+ξ_Вn)××ρ_к×10^-6, (3.16)

где Р_к - давление воздуха на впуске при отсутствии наддува

Р_к=Р₀=0.1 МПа

β -коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении.

ξ - коэффициент сопротивления впускной системы отнесенный к наиболее узкому её сечению.

ω_вп- скорость среднего движения заряда в наименьшем сечении впускной системы.

ρ_к-плотность заряда

ρ_к= ρ_о= ,  (3.17)

где R_B=287 – удельная газовая постоянная воздуха.    

         ρ_к=  0,1 × 10⁶ /287 ×293 = 1,189 кг/м³

     По  опытным данным в современном  автомобильном двигателе при номинальном режиме. (β²+ξ_вп)=2.5...4 принимаем (β²+ξ_вп)=3, ω_вп=50...120 м/с принимаем ω_вп=90м/с,

P_а = 0,1- 3 × 100²/ 2 ×1,189 × 10^-6 = 0,0822 МП_а 

     Коэффициент  остаточных газов определяется  с учетом коэффициента очистки  и коэффициента дозарядки что  вполне возможно получить при  подборе угла опаздывания закрытия  впускного клапана в приделах  30-60°С. При этом номинальным скоростным режимом n= 900…1000 мин^-1 возможен выброс остаточных газов в пределах 5%. При расчетах на номинальном скоростном режиме рекомендуем применять коэффициент отчистки φ_оч=1, коэффициент дозировки φ_доз=0,95.

γ_г=×                (3.18)

где ∆Т-подогрев свежего заряда для карбюраторных двигателей ∆Т=0... 25°С, принимаем ∆Т=10

γ_г=293 + 8/100 × 1 × 0,105/8,8 ×1,1 × 0,0822 -1 × 0,105 = 0,04317

Температура в  конце пуска

Т_А=(То+∆Т+γ_г×Тг)/(1+γ_г) (3.19)

Т_А=(293+ 8+0,04317 ×1000) / (1+0,04317) = 332 К

Коэффициент наполняемости

η_v=×××(γ_доз×ε×Р_А-γ_оч×Р_г)             (3.20)

η_v=293/ 301 – 1/8,8-1 × 1/0,1× 1/,01 ×(8,8 × 1,1× 0,0822- 1× 0,105) = 0,862 

4.7 Процес сжатия

Процесс сжатия характеризуется давлением Р_с и температурой Т_с рабочего тела в конце процесса.

Средний показатель адиабаты сжатия к₁при ε=8,8 и рассчитанных значений Т_а = 332 К определяется по графику, а среднее показателей политропы n₁принимаются несколько меньше k₁. При выборе n₁ учитывается, что с учетом уменьшения частоты вращения теплоотдача от газа в стенки цилиндра увеличивается и значения показателяn₁по сравнению с k₁ изменяется более значительно.

P_c=P_A×εⁿ¹(МПа) (3.21)

Где n₁ показатель политропы сжатия.

     Значения  показателя адиабатыk₁ определяется по монограмме. Через принятые значения степени ε проводится ордината до пересечения соответствующей кривой температур Т_а, через полученную точку пересечения проводят линию параллельную оси абсцисс до пересечения с осью ординат на которой нанесены значения k₁=1.377 при ε=8_;8, Т_а=332

Показатель адиабаты k₁служит ориентиром для уточнения при выборе показателя n₁ исключающих грубые ошибки и следствие искажения теплообмена между сжимаемым зарядом стенками цилиндра. Можно полагать:

n₁=k₁^+0.02_-0.04  n₁=1.35

Температура в  конце сжатия.

Тс=T_A×ε^n-1                   (3.22)

P_c= 0,0822 × 8,8^1,35 = 1,549 МПа

Тс=332 × 8,8^0,35 = 711 К

     Средняя  мольная теплоемкость свежего  заряда в конце сжатия без  учета влияния остаточных газов  (в бензиновых двигателях теплоемкость  свежего заряда обычно принимается  равной теплоемкости воздуха  без учета паров топлива).