Тепловой расчет двигателя прототипа ВАЗ 2101
Содержание:
Введение
- Выбор основных параметров проектируемого двигателя 5
- Тепловой
расчет двигателя
13 - Расчет
характеристик рабочего тела
13 - Расчет
процессов газообмена
18 - Расчет
процесса сжатия
21 - Расчет
процесса сгорания
25 - Расчет
процесса расширения
28 - Определение индикаторных показателей двигателя 30
- Определение эффективных показателей двигателя 31
- Определение
основных параметров двигателя
32 - Построение
индикаторной диаграммы
33 - Тепловой баланс двигателя
37 - Скоростная
характеристика двигателя
39 - Сравнение основных параметров двигателя и прототипа 41
- 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
Выполнение сегодняшних задач
требует от специалистов, связанных
с производством и
1.Выбор
основных параметров
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
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
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
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
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
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
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
Минимальное
количество воздуха, необходимое для
полного окисления всего
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг жидкого топлива:
ℓ0 = (8/3 gс + 8gн – gот)/0,232 КГв/КГт (2.3)
ℓ0 = (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
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*
МН2= 2К × × 0.21 × Lo ( кмоль Н2/ кг топлива) (2.10)
МН2 = 2*0,44*(1-0,9)/(1+0,44)*0,21*
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 + Мн2 +МN2 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 = Мсо/М2 = 0,0147/0,4416 = 0,0333 (2.13)
rсо2 = Мсо2/М2 = 0,05738333/0,4416 = 0,1299 (2.14)
r H2 = МH2/М2 = 0,006468/0,4416 = 0,0146 (2.15)
rH2O = МH2O/М2 = 0,004782/0,4416 = 0,0108 (2.16)
r N2 = МN2/М2 = 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 = М2/М1 = 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.
(β2+ξвп)=2.5...4 – для Дс ИЗ. Принимаем (β2+ξвп) = 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
φдоз = 1,03…1,45
φ = коэффициент, учитывающий различие в теплоемкостях свежего заряда и остаточных газов.
Значение коэффициента φ зависит от коэффициента а.