Тепловой расчет двигателя прототипа ВАЗ 2101











Содержание:

Введение                                                                                                     4

  1. Выбор основных параметров проектируемого двигателя                  5
  2. Тепловой расчет двигателя                                                                13
    1. Расчет характеристик рабочего тела                                        13
    2. Расчет процессов газообмена                                                   18
    3. Расчет процесса сжатия                                                            21
    4. Расчет процесса сгорания                                                         25
    5. Расчет процесса расширения                                                    28
    6. Определение индикаторных показателей двигателя              30
    7. Определение эффективных показателей двигателя                31
    8. Определение основных параметров двигателя                       32
    9. Построение индикаторной диаграммы                                    33
    10. Тепловой баланс двигателя                                                      37
  3. Скоростная характеристика двигателя                                              39
  4. Сравнение основных параметров двигателя и прототипа                41
  5. Вывод                                                                                                   42

Литература

 

Введение.

Прогресс в автомобильной  промышленности, дальнейшее увеличение  автомобильного транспорта предусматривает  не только количественный рост автопарка, но и значительное улучшение использования  имеющихся автомобилей, повышение  культуры эксплуатации, увеличение межремонтных сроков службы.

В области развития и  совершенствования автомобильных  двигателей основными задачами являются: расширение использования двигателей, снижение расхода топлива и удельной массы двигателей, стоимости их производства и эксплуатации. На принципиально  новый уровень ставится борьба с  токсичными выбросами двигателей в  атмосферу, а также задачи по снижению шума и вибрации в процессе их эксплуатации. Значительно больше внимания уделяется  использованию электронно-вычислительных машин при расчетах и испытаниях двигателей. В настоящее время  вычислительная техника широко используется на моторостроительных заводах, в научно-исследовательских  центрах, конструкторских и ремонтных  организациях, а также высших учебных  заведениях.

Выполнение сегодняшних задач  требует от специалистов, связанных  с производством и эксплуатацией  автомобильных двигателей, глубоких знаний теории, конструкции и расчета  двигателей внутреннего сгорания.

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Выбор  основных параметров проектируемого  двигателя

                                                                                                     Таблица 1

Конструкция

4-р

Тип двигателя

ВАЗ 2101

Внутренний диаметр цилиндра

76  мм

Ход поршня

80 мм

Рабочий объем

1450 см3

Степень сжатия

8,5

Порядок работы цилиндров

1-3-4-2

Максимальный крутящий момент

104 Нм

При  частоте вращения

3400 об/мин

Максимальная мощность

52,5 кВт

Вид  топлива

АИ-93

Подача топлива в цилиндры

Карбюратор

Масса двигателя

120 кг

Тип камеры сгорания

клиновая

Тактность

4

Тип двигателя по способу воспламенения  рабочей смеси

Искровой

Тип двигателя по роду применяемого топлива

Бензин

Наличие или отсутствие наддува

Отсутствует

Тип охлаждения

Водяное




 

 

1.2.  Устройство двигателя прототипа.

 

 

 

Рис. 1. Продольный разрез двигателя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Поперечный разрез двигателя.

 

 

 

1.2.1. Система смазки.

Система смазки комбинированная - под давлением и разбрызгиванием. Нормальное давление масла в системе при температуре 85°С и частоте вращения коленчатого вала 5600 мин-1 - 3,5-4,5 кгс/см2. Минимальное давление при минимальной частоте вращения коленчатого вала (850-900 мин-1) должно быть не менее 0,5 кгс/см2. Вместимость системы, включая масло в масляном фильтре, составляет 3,75 л.

 

Рис.3. Система смазки:

1.Масляный насос;2.Масляный картер;3.Канал  подачи масла от насоса к  фильтру; 4.Горизонтальный канал  для подачи масла от фильтра  в масляную магистраль; 5.Канал  для подачи масла к шестерне  привода масляного насоса и  распределителя зажигания; 6.Канал  в шейке коленчатого вала; 7.Передний  сальник коленчатого вала; 8.Канал  подачи масла от масляной магистрали  к коренному подшипнику и к  валику привода масляного насоса  и распределителя зажигания;9.Шестерня  привода масляного насоса и распределителя зажига-ния;10.Валик привода масляного насоса и распределителя зажига-ния;11.Канал для стока масла; 12.Канал в кулачке распределительного вала;13.Магистральный канал в распределительном вале; 14.Канал в опорной шейке распределительного вала; 15.Кольцевая выточка на средней опорной шейке распределительного вала;  16.Крышка маслоналивной горловины;  17.Наклонный канал в головке цилиндров; 18.Вертикальный канал в блоке цилиндров; 19.Масляная магистраль; 20 – датчик контрольной лампы давления масла;  21 – канал подачи масла к коренному подшипнику; 22 – канал подачи масла от коренного подшипника к шатунному; 23 – указатель уровня масла;  24 – масляный фильтр.

1.2.2. Система охлаждения.

 

Система охлаждения – жидкостная, закрытого типа, с принудительной циркуляцией жидкости, с расширительным бачком.

 

 

Рис.4. Система  охлаждения:

1 – труба  отвода жидкости от радиатора  отопителя и карбюратора в  насос охлаждающей жидкости;  2 – труба отвода горячей жидкости  из головки цилиндров в радиатор  отопителя; 3 – перепускной шланг  термостата; 4 – выпускной патрубок  рубашки охлаждения;  5 – подводящий  шланг радиатора; 6 – расширительный  бачок;  7 – рубашка охлаждения;  8 – пробка радиатора;  9 – радиатор;  10 – кожух вентилятора;  11 – вентилятор;  12 – шкив привода вентилятора и насоса охлаждающей жидкости;  13 – отводящий шланг радиатора; 14 – ремень привода насоса; 15 – насос;  16 – шланг подачи охлаждающей жидкости в насос; 17 – термостат;

Cтрелками указано направление  движения жидкости.

Система охлаждения – жидкостная, закрытого типа, с принудительной циркуляцией жидкости, с расширительным бачком.

 

1.2.3. Воздушный фильтр, система выхлопа.

Рис.5. Воздушный фильтр, система выхлопа.

1. Патрубок забора холодного  воздуха. 2. Перегородка, закрывающая  доступ воздуха в фильтр;     3. Стрелка для установки крышки  фильтра по меткам на зимний и летний режимы эксплуатации; 4. Метка голубая для установки на летний режим эксплуатации;  5. Метка красная для установки на летний режим эксплуатации;  6. Патрубок забора теплого воздуха от выпускного коллектора;      7. Крышка фильтра;  8. Корпус фильтра. 9. Патрубок отсоса картерных газов в золотниковое устройство карбюратора; 10. Коллектор вытяжной вентиляции картера двигателя:               11. Перфорированные оболочки фильтрующего элемента:  12. Картонный фильтрующий элемент; 13. Предочиститель фильтрующего элемента;  14. Выпускная труба:  15. Подушка подвески выпускной трубы;  16. Ремень подвески глушителя;  17. Основной глушитель;  18. Передняя труба основного глушителя;  19. Хомуты;  20. Дополнительный глушитель;  21. Передняя труба дополнительного глушителя;  22. Хомут крепления приемной трубы к коробке передач; 23.Газоприемник;24.Приемные трубы;  25. Верхний полукорпус основного глушителя; 26. Теплоизоляция основного глушителя;  27. Кожух основного глушителя;  28. Средние перегородки;  29. Впускной патрубок;  30. Передняя перегородка;  31. Перфорация выпускной трубы:  32. Внутренняя перфорированная труба; 33. Кожух впускной перфорированной трубы; 34. Задняя перегородка;  35. Нижний полукорпус основного глушителя;  36. Выпускной патрубок;

37. Верхний полукорпус  дополнительного глушителя;  38. Глухая  перегородка;  39. Нижний полукорпус  дополнительного глушителя;  40. Передняя  перфорированная труба; 41. Диафрагма: 42. Кожух дополнительного глушителя; 43. Теплоизоляция дополнительного глушителя;  44. Задняя перфорированная труба; 45. Дополнительный глушитель;  46. Основной глушитель.

1.3. Принцип работы двигателя.

Схема и порядок работы четырехцилиндрового  двигателя (1-3-4-2)

Полуоборот коленчатого  вала

Угол поворота коленчатого  вала, град

цилиндр

1

2

3

4

Первый

0-180°

Рабочий ход

Выпуск

Сжатие

Впуск

Второй

180…360°

Выпуск

Впуск

Рабочий ход

Сжатие

Третий

360…540°

Впуск

Сжатие

Выпуск

Рабочий ход

Четвертый

540…720°

Сжатие

Рабочий ход

Впуск

выпуск




 

Таблица 1.3.

 

 

1.4. Рабочие процессы двигателя.

 

Такт впуска. Поршень движется от ВМТ к НМТ, создавая, в полости цилиндра над поршнем разрежение. При этом открывается впускной клапан, и полость цилиндра сообщается через впускной трубопровод с карбюратором. Под влиянием' разности давлений горючая смесь из карбюратора поступает в цилиндр. Давление в цилиндре во время такта впуска зависит от ряда факторов: числа оборотов коленчатого вала, сопротивлений во впускном трубопроводе и клапанах, температуры стенок цилиндра и пр. и по величине колеблется для различных двигателей от 0,7 до 0,95 кг/см2

Температура смеси, поступившей  в цилиндр, возрастает примерно до 80 - 130° вследствие соприкосновения  с нагретыми стенками цилиндра и  смешивания с имеющими высокую температуру  остаточными газами.

 

Такт сжатия. По мере уменьшения объема рабочей смеси давление в цилиндре повышается. Величина давления в конце такта сжатия зависит в основном от степени сжатия и колеблется в пределах 6-9 кг/см2. Температура смеси в конце такта сжатия достигает приблизительно 300°C.

 

Такт расширения. Оба клапана закрыты. Сжатая рабочая смесь вблизи в. м. т. воспламеняется электрической искрой, проскакивающей между электродами свечи, При горении смеси выделяется большое количество тепла, вследствие чего температура и давление образующихся в цилиндре газов резко возрастают. Под воздействием давления газов поршень движется вниз и при помощи шатуна вращает коленчатый вал. Так как во время такта расширения газы совершают полезную работу, ход поршня, соответствующий такту расширения называют рабочим ходом.

Давление газов в начале рабочего хода составляет примерно 30-40 кг/см2 и к концу рабочего хода, когда поршень достигает н. м. т., снижается до 4 - 5 кг/см2. Температура газов внутри цилиндра в момент вспышки достигает 1800- 2000°C.

 

Такт выпуска. В конце рабочего хода в цилиндре остаются отработавшие газы (продукты сгорания), которые необходимо удалить.

Во время такта выпуска  поршень движется от НМТ к ВМТ  и выталкивает отработавшие газы через открытый выпускной клапан, выпускной трубопровод и глушитель  в атмосферу.

Давление в цилиндре в  процессе выпуска несколько выше атмосферного и составляет примерно 1,05-1,1 кг/см2. Температура отработавших газов к концу выпуска - 700-800°C.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Тепловой  расчет двигателя.

2.1. Расчет характеристик рабочего  тела.

Товарными топливами для поршневых  ДВС являются бензины.

Автомобильные бензины представляют собой смесь низкокипящих углеводородов, выкипающих в диапазоне температур 35…205°.Основной характеристикой бензина является октановое число ОЧ (цифры в марке бензина). Выбор марки бензина производится с учетом степени сжатия ε, необходимого октанового числа ОЧИ или ОЧМ с уточнением рекомендуемого топлива для двигателя прототипа. Основные показатели качества различных марок бензина приведены в таблице 2.1:

Таблица 2.1.

Показатели

АИ-93

Октановое число, не менее:

моторный метод

исследовательский метод

Содержание свинца, г/дм3

Фракционный состав: температура начала перегонки, ºС, не ниже:

летнего

зимнего

10% перегоняется при температуре,  ºС, не выше:

летнего

зимнего

20% перегоняется при температуре,  ºС, не выше:

летнего

зимнего

90% перегоняется при температуре,  ºС, не выше:

летнего

зимнего

конец кипения, ºС, не выше:

летнего

зимнего

Давление насыщенных паров бензина, кПа:

летнего, не более

зимнего

Массовая доля серы, %, не более

Цвет

 

85

93

0,013

 

 

35

Не норм.

 

70

55

 

115

100

 

180

160

 

205

195

 

66,7

66,7..93,3

0,1

-


 

 

 

2.1.1. Элементный состав топливовоздушной смеси.

Элементный состав жидких нефтяных топлив (бензинов и дизельных)  в  зависимости от группового углеводородного  СхНу состава задают массовыми долями углерода gс и водорода gн.

gс + gн = 1                                 (2.1)

                                0,865 + 0,1352 = 1

Физико-химическая характеристика жидких нефтяных топлив приведена в таблице 2.1.1.

Таблица 2.1.1.

 

 

 

Показатели

 

 

Обо-зна-че-ние

 

 

 

Размер-ность

 

 

АИ-93

(А-92) летний

Молярная масса

Элементный состав:

углерода

водорода

кислорода

Низшая теплота сгорания

Плотность при 20 ºС

Теплота парообразования при Р=0,1МПа

Теплоемкость жидкого топлива 

при t = 20 ºС

μТ

 

gc

gн

gот

Ни

Ρ

 

 

Ст

кг/кмоль

 

 

 

 

МДж/кг

кг/м3

кДж/кг

 

кДж/кг

110

 

0,865

0,135

 

43,3

755

305

СТ = 1,69 √ρ


2.1.2.Элементный состав воздуха

 

Стандартный состав сухого атмосферного воздуха  принят следующим, % (об): азот – 78,08, кислород – 20,95, благодарные газы – 0,94, диоксид  углерода – 0,03.

Молярная  масса μ = 28,95 кг/кмоль, плотность  при нормальных физических условиях ρо = 1,2928 кт/м3.

Для расчетов принимается следующий  состав воздуха: rо2 = 0,21, rN2 = 0,790, gо2 = 0,232, gN2 = 0.768 (вследствие малости остальных компонентов).

 

 

 

2.1.3. Низшая теплота сгорания.

Если топливо включает только углерод  и водород gc + gн = 1

Ни = 34,013 * gc + 69,09 * gн               (2.2)

Ни = 34,013 * 0,865 + 69,09 * 0,135 = 3,8 · 104 кДж/м3

 

2.1.4. Количество свежей смеси.

 

В поршневых ДВС топливо окисляется кислородом  воздуха, которое вводится в цилиндр в процессе впуска.

Минимальное количество воздуха, необходимое для  полного окисления всего поданного  топлива, называется стехиометрическим  и определяется по следующим соотношениям:

Теоретически  необходимое количество воздуха  для сгорания 1 кг жидкого топлива:

 

0 = (8/3 gс + 8gн – gот)/0,232 КГв/КГт     (2.3)

0 = (8/3 gс + 8gн)/0,232 = (8/3*0,865 + 8*0,135)/0,232 = 14,59 КГв/КГт .           

L0 = (gc/12 + gн/4 + gот/32)/0,21 кмоль/КГт    (2.4)

L0 = (gc/12 + gн/4)/0,21 = (0,865 /12 + 0,135 /4)/0,21 = 0,504 кмоль/КГт.

Действительное  количество воздуха, участвующего в  сгорании составляет а · L0 в КГв/КГт или а ·L0 в кмоль/КГт.

 

Количество  свежей смеси М1 для Дс ИЗ:

 

М1 = а ·L0 + 1/μт, кмольсс/КГт ,        (2.5)

  где μт – молярная масса топлива.

М1 = а ·L0 + 1/μт = 0,9 * 0,504 + 1 / 110 = 0,4626 кмольсс/КГт.

2.1.5. Состав и количество продуктов  сгорания.

Состав  и количество продуктов сгорания рассчитывается с использованием данных о составе топлива и коэффициенте избытка воздуха а

Расчет  производится в киломолях на 1 кг топлива (кмоль/кг)

Для Дс ИЗ при а<1 при неполном окислении (сгорании), количество свободного водорода Мн2 связано с количеством оксида углерода Мсо соотношением К = Мн2 / Мсо

Экспериментальные данные показывают, что величину К  можно приближенно выразить как  функцию состава топлива gн : gс

 

К ≈ 1,12√gн/gс  ≈ 1,12√0,135 /0,865 ≈ 0,44        (2.6)

Отдельные компоненты продуктов сгорания

 

Мсо2= – 2 × × 0.21 × Lo     (кмоль CO2/кг топлива)     (2.7)

Мсо2 =   0,865 / 12 – 2* (1-0,9)/(1+0,44)*0,21*0,504 = 0,05738333

Мсо= 2 × × 0.21 × Lo   (кмоль СО/ кг топлива)      (2.8)

Мсо = 2* (1-0,9)/(1+0,44)*0,21*0,504= 0,0147

Мн2о= gH/12 – 2К × × 0.21 × ( кмоль Н20/ кг топлива)     (2.9)

Мн2о = 0,135/12 – 2*0,44*(1-0,9)/(1+0,44)*0,21*0,504 = 0,004782

МН2= 2К × × 0.21 × Lo ( кмоль Н2/ кг топлива)     (2.10)

МН2 = 2*0,44*(1-0,9)/(1+0,44)*0,21*0,504 = 0,006468

MN2=0.79 × а × Lо ( кмоль N2/кг топлива)                  (2.11)

MN2 = 0,79*0,9*0,504 = 0,358344

Суммарное количество продуктов сгорания в Дс ИЗ:

М2 = Мсо2 + Мсо + Мн2о + Мн2N2 кмольс/КГт              (2.12)

М2 = 0,05738333 + 0,0147 + 0,004782 + 0,006468 +0,358344 = 0,4416

2.1.6. Молярные и объемные доли  компонентов продуктов сгорания

rсо = Мсо2 = 0,0147/0,4416 =  0,0333                    (2.13)

rсо2 =  Мсо22 = 0,05738333/0,4416 = 0,1299       (2.14)

r H2 =  МH22 = 0,006468/0,4416 = 0,0146            (2.15)

rH2O = МH2O2 = 0,004782/0,4416 = 0,0108         (2.16)

r N2 =  МN22 = 0,358344/0,4416 = 0,81146         (2.17)

Проверка Σri = 0,0333 + 0,1299 + 0,0146 + 0,0108 + 0,81146 =  1       (2.18)

2.1.7. Теоретический коэффициент  молярного изменения.

μо = М21  = 0,4416/0,4626 = 0,95      (2.19)

Проводим  аналогичные расчеты (2.1.4 – 2.1.7) для  а = 0,85 и для а   = 0,8. Все полученные данные заносим в таблицу характеристик рабочего тела 2.1.7.

Таблица 2.1.7.

Параметры

Единицы измерения

Режим эксплуатации двигателя

nN

nМ

nтм

Частота вращения n

мин -1

5200

2300

900

Рабочее тело, его компоненты

Коэффициент избытка воздуха a

 

0,9

0,85

0,8

Количество свежей смеси М1

кмольсс/КГт

0,4626

0,4375

0,41

Количество СО2 , МСО2

кмольсо2/КГт

0,05738

0,04995

0,04268

Количество СО, МСО

кмольсо/КГт

0,0147

0,02205

0,0294

Количество Н2О, МН2О

кмольн2о/КГт

0,00478

0,00155

-0,00168

Количество Н2, МН2

кмольн2/КГт

0,00646

0,0097

0,01293

Количество N2, МN2

кмольN2/КГт

0,35834

0,33843

0,31852

Количество продуктов сгорания М2

кмольпр.С2/КГт

0,4416

0,42

0,4035

Теоретический коэффициент молярного  изменения μо

 

0,95

0,96

0,98


ВЫВОД:  при уменьшении коэф-та избытка воздуха уменьшается кол-во СО2, кол-во н2о, кол-во N2, кол-во продуктов сгорания М2; увеличивается кол-во со, кол-во Н2 , теоретический коэф-т молярного изменения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2. Расчет процессов газообмена.

2.2.1. Параметры окружающей среды.

При работе двигателя без  наддува давление свежего заряда Ро, поступающего к двигателю из атмосферы, принимается равным атмосферному давлению Ро ≈ 0,1 МПа. Температура свежего заряда То принимается равной температуре, атмосферного воздуха.

 

То = 273 + (15…25) = 273 + 25 = 298 К            (2.20)

2.2.2. Параметры остаточных газов.

 

После завершения каждого цикла в цилиндре  двигателя остаются продукты сгорания с давлением Рr , температурой Тr

Значение  Рr определяется давлением среды, в которую происходит выпуск отработавших газов, т.е. давлением Ро при выпуске в атмосферу или Рк при установке на выпуске глушителя, нейтрализатора отработавших газов или сборника при газотурбинном наддуве.

Для автомобильных двигателей без наддува, а также с наддувом и выпуском в атмосферу.

 

Величина  давления остаточных газов Рr находится в пределах

 

Рr = (1,05…1,25) Ро = 1,05*0,1 = 0,105 МПа                (2.21)

 

При номинальном режиме температура  остаточных газов Тr для двигателей с искровым зажиганием варьируется в пределах:               900…1100 К. Принимаем Тr = 800 К.

2.2.3. Процесс  впуска.

Процесс впуска определяется подогревом свежего  заряда ∆Т и плотностью заряда ρо, характеризуется следующими основными параметрами: давлением Ра и температурой Та заряда в конце процесса наполнения – начала сжатия; давлением Рr и температурой Тr остаточных газов; коэффициентом остаточных газов γr и коэффициентом наполнения ηv.

а) подогрев свежего заряда ∆Т.

Величина  подогрева свежего заряда от стенок ∆Т зависящая от наличия специального устройства для подогрева, от конструкции  впускного трубопровода, типа системы  охлаждения, быстроходности двигателя  и наддува, для двигателей с искровым зажиганием обычно колеблется в пределах: 0…25°С. Принимаем ∆Т = 10°С.

б) плотность заряда на выпуске

 

ρо = Ро · 106/RВ · То = 0,1*106/(287*298) = 1,169 кг/м3  ,       (2.22)

 

где RВ = 287 Дж·кг·град – удельная газовая постоянная для воздуха.

в) давление рабочего тела в конце такта  впуска.

Давление  в конце впуска Ра определяется величиной гидравлических потерь ∆Ра во впускном трубопроводе

 

Ра = Р0 - ∆Ра = 0,1 – 0,01566904 = 0,087  МПа               (2.23)

 

Величина  ∆Ра зависит от скорости потока смеси ωвп и сопротивления впускной системы:

∆Ра = (β2+ ξВn) ××ρо×10-6 = 3*85*85/2*1,169*10-6 = 0,0126    МПа,      (2.24)

где β - коэффициент затухания скорости

ξвп - коэффициент сопротивления впускной системы

ωвп – средняя за процесс впуска скорость в наименьшем сечении впускного тракта, м/с

ρо - плотность заряда на впуске, кг/м3

    

По опытным данным в современном  автомобильном двигателе при  номинальном режиме.

2вп)=2.5...4 – для Дс ИЗ. Принимаем (β2вп) = 3.

 ωвп=60...120 м/с для Дс ИЗ. Принимаем ωвп = 85 м/с.

Проверка правильности определения  величины Ра:

 

Ра = (0,8…0,9)Р0 =(0,8…0,9)*0,1 = 0,08…0,09    (2.25)

                                                                                                        

г) Коэффициент остаточных газов

Коэффициент остаточных газов γг зависит от давления и температуры остаточных газов (Рм и Тм), подогрева заряда ∆Т, температуры окружающей среды (То или Тк) и степени сжатия ε:

Величина коэффициента остаточных газов γг характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания и определяет относительное содержание их в горючей смеси.

С учетом продувки и дозарядки цилиндра

 

γг=×φ=**1,15 = 0,071,    (2.26)

      φоч = 1…0 (при φоч = 1 продувка камеры сгорания не производится; при φоч = 0 происходит полная очистка)

φдоз – коэффициент наполняемости, учитывающий различие в теплоемкостях свежего заряда и остаточных газов.

φдоз = 1,00…1,02 – ненастроенных впускных систем;

φдоз = 1,03…1,06 – для настроенных впускных систем.

 

Для Дс ИЗ с распределительным впрыскиванием  топлива

φдоз = 1,03…1,45

 

φ = коэффициент, учитывающий различие в теплоемкостях свежего заряда и остаточных газов.

Значение  коэффициента φ зависит от коэффициента а.