Тепловой расчет двигателя ВАЗ 21083

Министерство  сельского хозяйства Российской Федерации

ФГОУ  ВПО «Пензенская государственная  сельскохозяйственная академия»

Инженерный  факультет

Кафедра «Тракторы, автомобили и теплоэнергетика» 
 
 
 
 

Курсовой  проект

по дисциплине:

  «автомобильные двигатели» 
 

Тема: Тепловой расчет двигателя ВАЗ 21083

                                                    
 

                                                         Выполнил: студент 346 группы

                                                                              Зайцев С. Р.

                                                         Проверил: канд. техн. наук,        

                                                         профессор Рачкин В.А. 
 

                                                   Результат защиты:_____________ 
 
 
 
 
 
 
 
 

Пенза 2011

      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. Эта тенденция сохраняется сегодня и будет еще сохранятся в ближайшей перспективе.

      Курсовое  проектирование – заключительная часть учебного процесса по изучению дисциплины, раскрывающее степень усвоения необходимых знаний, творческого использования их для решения конкретных инженерных задач. Оно служит одновременно начальным этапом самостоятельной работы молодого специалиста, сокращающий период его адаптации на производстве. Целью данного курсового проектирования является расчет проектируемого автомобильного двигателя. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Тепловой расчет четырехтактного поршневого двигателя

1.1 тепловой расчет карбюраторного двигателя ВАЗ 21083

    1.1.1 Исходные данные:

    1. Номинальная мощность двигателя – ;

2. Частота вращения коленчатого вала на режиме номинальной эффективной мощности – ;

3. Степень  сжатия – .

    Принимаем во внимание назначение и тип двигателя, особенности условий его работы и степень форсировки, для проведения теплового расчета обоснованно  выбирают следующие исходные данные:

1. Коэффициент избытка воздуха – ;
2. Давление окружающей среды – ;
3. Температура окружающей среды – ;
4. Повышение температуры заряда при всасывании – ;
5. Давление остаточных газов в конце выпуска – ;
6. Температура остаточных газов в конце выпуска – ;
7. Показатели политропы сжатия – ;
8. Показатели политропы расширения – ;
9. Коэффициент выделения тепла при сгорании – ;
10. Теплотворная способность топлива – ;
11. Элементарный состав топлива – .

 
 
 
 
 
 
 

1.1.2 Расчет параметров  рабочего процесса

     Теоретически  необходимое количество воздуха  для сгорания 1 кг топлива (кмоль возд./кг топл.)

,

 кмоль возд./кг топл.

(кг возд./кг  топл.)

,

 кг возд./кг топл.

     Количество  горючей смеси (кмоль гор. см./кг топл.)

,

где коэффициент избытка воздуха (для основных рабочих режимов ); молекулярная масса бензина ( кг/моль).

 кмоль гор. см./кг топл.

     Количество  отдельных компонентов продуктов сгорания

, кмоль /кг топл.;

, кмоль /кг топл.;

, кмоль /кг топл.;

, кмоль /кг топл.;

, кмоль /кг топл.;

 кмоль /кг топл.

 кмоль /кг топл.

 кмоль /кг топл. 
 

     Общее количество продуктов сгорания  (кмоль пр. сг./кг топл.)

,

 кмоль пр. сг./кг топл. 

Процесс впуска

      Плотность заряда на впуске

, кг/м³

где удельная газовая постоянная для воздуха ( Дж/кг град).

 кг/м³

      Потери  давления на впуске

, МПа

где ; м/с; ;

 МПа

    Давление (МПа) в конце впуска

    

,

 МПа

      Коэффициент остаточных газов

где коэффициент очистки ( ); коэффициент дозарядки (

    Температура (К) в конце впуска

    

 К

    

 K 
 

          Коэффициент наполнения

    

    

 

Процесс сжатия

 Давление (МПа) и температура (К) в конце  сжатия

.

МПа

 К    

Средняя мольная  теплоёмкость в конце сжатия:    

а) свежей смеси (воздуха)

 

, кДж/(кмоль град)

 

 кДж/(кмоль град)

б) остаточных газов

 

определяется методом интерполяции по таблицам ( ,кДж/(кмоль град))

в) рабочей смеси

 

, кДж/(кмоль град)

 

 кДж/(кмоль град) 

Процесс сгорания

      Коэффициент молекулярного изменения горючей  смеси 

 
 

рабочей смеси

 

 

 Количество  теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания

 

 кДж/кг

 

 кДж/кг

 Теплота сгорания рабочей смеси

 

 кДж/кмоль раб. см.

 

 кДж/кмоль раб. см.

 Средняя мольная  теплоемкость продуктов сгорания

,

кДж/кмоль

град.

кДж/кмоль

град.

     Температура в конце видимого процесса сгорания

 

 

 K

     Максимальное  давление сгорания теоретическое (МПа):

    

,

    

 МПа 
 

     Максимальное  давление сгорания действительное

    

 МПа

    

 МПа

     Степень повышения давления

    

,

    

. 

    Процесс расширения

     Давление (МПа) в конце расширения:

    

,

    

 МПа

     Температура (К) в конце расширения

    

,

    

 К

     Проверка  ранее принятой температуры ( ) остаточных газов

    

, К

    

 К

      Погрешность расчёта температуры

 
 
 

1.1.3 Определение индикаторных и эффективных показателей

    Теоретическое среднее индикаторное давление по не скругленной диаграмме:

    

, МПа

    

МПа

     Среднее индикаторное давление действительного  цикла

    

МПа

где - коэффициент скругления индикаторной диаграммы ( ).

МПа

    Индикаторный  коэффициент полезного действия

,

    

    Удельный  индикаторный расход топлива

    

 г/кВт ч

    

 г/кВт ч

    Среднее давление механических потерь

    

 МПа

где средняя скорость поршня

    

м/с

    

МПа

    Среднее эффективное давление

    

 МПа

    

 МПа 
 

    Механический  коэффициент полезного действия

    

    

    Эффективный коэффициент полезного действия

,

    Удельный  эффективный расход топлива

    

, г/кВт ч

    

 г/кВт ч 

1.1.4 Тепловой баланс  двигателя

    Распределение тепла, выделяемого при сгорании, происходит на следующие составляющие:

    

    

    

    

    где - тепло, выделенное при сгорании топлива;

        - тепло, превращенное в эффективную работу;

            - тепло, теряемое с отработавшими газами, в котором средние молекулярные теплоемкости продуктов сгорания и свежего заряда при постоянном давлении определяются следующим образом:

• при

где температура  газов (К) в выхлопной трубе  , и средняя молекулярная теплоемкость свежего заряда при постоянном давлении:

-тепло,потерянное в результате неполноты сгорания топлива

           - тепло неучтенных потерь

           - тепло, отведенное в систему охлаждения двигателя:

Составляющие  теплового баланса выражаются в  процентах:

 

1.2 Основные параметры цилиндра и двигателя

     Литраж двигателя:

где тактность двигателя;

 л

     Рабочий  объем одного цилиндра

где z – число цилиндров

 л

     Диаметр цилиндра:

      

 мм 

1.3 Уточненные параметры  и показатели двигателя

     Основные параметры и показатели двигателя уточняются окончательно принятым значениям D и S:

     Площадь поршня:

 см² 
 

    Уточненный литраж цилиндра:

 л

    Мощность

 кВт

   Литровая  мощность

 кВт/л

   Крутящий  момент

   Часовой  расход топлива

 кг/ч

  Радиус кривошипа (r) и длина шатуна (l): 

,

где - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, принимается по прототипу двигателя, =0,29

          
 
 
 

2. Расчет показателей  для построения  диаграмм (индикаторной, тангенциальной и суммарной сил перемещения, скорости и ускорения поршня)

2.1 Построение индикаторной  диаграммы

          Индикаторная диаграмма проектируемого двигателя строится следующим образом.

          Проводят координатные оси P - V и отмечают их пересечение буквой О. Давление газов откладывается по линии ординат, масштаб которого выбирается в пределах 0,2…0,4 МПа в 1 см. Условно принимают для бензиновых двигателей объем камеры сгорания V_c=2 см. Тогда полный объем цилиндра  будет равен .

          Откладывают по оси абсцисс отрезки: .

          Проводят атмосферную линию с ординатой

          Через точки d и m проводят вертикали, на которых откладывают оси абсцисс, в принятом масштабе, значения давлений в характерных точках цикла: P_r=dg, P_c=dc, P_z=dz, P_a=ma, P_в=mb.

          Соединяют прямыми линиями точки: с и z, с и z^/, а и b. Из точек g и а проводим прямые аh и ge, параллельные оси абсцисс.

          Для построения линии давления сжатия ас и расширения zb воспользуемся уравнениями политропы сжатия и политропы расширения , где - параметры (текущие координаты) произвольных точек определяют:

• для линии сжатия:

     

     

Аналогично найдем следующие значения. 

 

     для линии расширения используют следующие соотношения:

Аналогично найдем следующие значения.

 

     Придавая отношению последовательно числовые значения 2, 3, 4, … ε, получают соответствующие значения давлений для объемов . Откладывают по оси абсцисс (O – V) объемы, кратные и восстанавливают перпендикуляры в полученных точках, на которых в принятом масштабе откладывают давления, принадлежащих искомым кривым сжатия и расширения, соединяются плавными линиями.

     При построении следует руководствоваться  следующими соотношениями:

      .

     Начало скругления диаграммы  вблизи верхней мертвой точки  производить с учетом начала  подачи топлива, вблизи нижней  мертвой точки – с учетом  опережения открытия выпускного  клапана двигателя – прототипа.

      
 
 
 

2.2 Кинематика поршневого  двигателя

Ход поршня

     Ход (перемещение) поршня (S) в зависимости от угла поворота коленчатого вала (φ) может быть определен по формуле:

    или  

где

;      λ=0,29

     r – радиус кривошипа, м.

     Значения «А», в зависимости от «λ» и «φ», берутся из таблицы 8.1. Построение выполняется внизу под индикаторной диаграммой. При этом за ход поршня (S) в определенном масштабе принимается длина индикаторной диаграммы, соответствующая рабочему объему цилиндра .

     Для центрального КШМ перемещение поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала (п.к.в.) можно построить графически. Для этого на отрезке, равном длине индикаторной диаграммы, из центра , проводят полуокружность. Вправо от токи О откладывают величину (м), равную отрезку . Из точки произвольным радиусом вписываем полуокружность в ранее выполненную.

     Полуокружность с центром  разбивают на 12 равных частей, через которые проводят лучи из центра до пересечения с первой полуокружностью, получая соответственно точки , которые будут соответствовать перемещению поршня при повороте кривошипа коленчатого вала на каждые 15˚.

     На вертикальной оси через  каждые 15˚ откладывают градусы  п.к.в от 0 до 360˚, через которые  проводят тонкими линиями горизонтали до пересечения их с вертикальными линиями, проведенными соответственно из точек ,

получают  график перемещения поршня в зависимости  от угла п.к.в. . 

Скорость  поршня

     Скорость поршня (υ_п) определяется по приближенной формуле:

,

где ω  – средняя угловая скорость вращения коленчатого вала, с^-1, равная ;  n – частота вращения коленчатого вала, мин^-1.

     Значения  берется из таблицы 8.3[1].