Тепловой расчёт двигателя ЗМЗ-24
Содержание:
- ВВЕДЕНИЕ
2 - ОПИСАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОТОТИПА ДВС
3 - ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНИМАЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЯ
8 - ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ ДВИГАТЕЛЯ
12 - ПОСТРОЕНИЕ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ
22 - Вывод
24 - Литература
25
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в Украине эксплуатируются автомобили, которые частично физически и технически устарели. Поэтому целесообразным является при их ремонте осуществлять модернизацию этих двигателей, с целью улучшения их технико-экономических показателей. К таким двигателям относится двигатель ЗМЗ-24. Целью данного теплового расчета является модернизация двигателя ЗМЗ-24, для улучшения технико-экономических показателей. При модернизации данного двигателя используем параметры, заданные кафедрой ДВС: n=5000мин-1; e=8,6; α=0,9.
1. ОПИСАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОТОТИПА ДВС
На автомобилях, тракторах,
дорожных и строительных машинах
применяются карбюраторные
На автомобильном транспорте, особенно на легковом, преимущественно применяют карбюраторные двигатели. Это объясняется их превосходство перед дизелями по массовым, скоростным и тяговым показателям, меньшему шуму и более низкой стоимости изготовления.
Прототипом модернизируемого двигателя служит карбюраторный, четырехтактный двигатель ЗМЗ-24.
Таблица 1.1 - Технико-экономические параметры двигателя.
Номинальная мощность, кВт |
69,9 |
Частота вращения коленчатого вала при номинальной мощности, мин-1 |
4500 |
Число и расположение цилиндров |
4 |
Степень сжатия |
8,0 |
Отношение хода поршня к диаметру цилиндра |
1 |
Ход поршня, мм |
92 |
Диаметр цилиндра, мм |
92 |
Рабочий объем цилиндров, дм3, л |
2,445 |
Скорость поршня, м/с |
13,8 |
Максимальный крутящий момент, Н⋅м |
77,5 |
Частота вращения коленчатого вала при максимальном крутящем моменте, мин-1 |
3000 |
Среднее эффективное давление при номинальной мощности МН/м2 |
0,77 |
Минимальные удельные расходы топлива г/(кВт⋅ч) |
340 |
Охлаждение |
жидк. |
1.1 Блок цилиндров. Отлит из чугуна и составляет одно целое с цилиндрами. Высокая жёсткость блока обеспечивается тем, что плоскость разъёма блока с масляным картером расположена ниже оси коленчатого вала на 53 мм.
Расстояния между осями
первого-второго, третьего-четвёртого
цилиндров равны 81 мм, а между
вторым и третьим 86 мм и между
ними по всей высоте цилиндров выполнены
протоки для охлаждающей
1.2 Головка цилиндров.
Отлита из алюминиевого сплава.
Общая для всех цилиндров.
В головке цилиндров выполнены клиновые камеры сгорания. С левой стороны головки расположены впускные и выпускные каналы, а с правой - резьбовые отверстия для свечей зажигания. Расположение клапанов, а, следовательно, осей их сёдел и втулок однорядное под углом 21о.
В специальную расточку переднего гнезда установлена манжета для уплотнения шейки распредвала.
1.3 Поршни. Отлиты из алюминиевого
сплава. Юбка поршня имеет
1.4 Поршневые кольца (компрессионные).
Отлиты из чугуна. Наружная цилиндрическая
поверхность верхнего
На внутренней поверхности нижнего компрессионного кольца имеется выточка. Это кольцо устанавливается на поршень выточкой вверх к днищу поршня. Нарушение этого условия вызывает утечку масла через кольцо в цилиндр, нагарообразование на стенках камеры сгорания и увеличение расхода масла.
1.5 Маслосъемное кольцо
состоит из четырех стальных
деталей: двух кольцевых
1.6 Поршневые пальцы. Изготовлены
из углеродистой стали,
1.7 Шатуны (стальные, кованые).
Крышка шатуна обрабатывается
в сборе с ним, поэтому при
разборке и сборке двигателя
нельзя переставлять с одного
шатуна на другой. На бобышках
под болт на шатуне и крышке
выбиты порядковые номера
1.8 Коленчатый вал. Отлит
из высокопрочного чугуна, статически
и динамически сбалансирован.
Осевое перемещение вала
К фланцу ступицы шкива
на переднем конце коленчатого вала
привернут тремя болтами
1.9 Маховик. Отлит из
серого чугуна и имеет
1.10 Вкладыши. Вкладыши коренных
и шатунных подшипников
1.11 Впускные и выпускные
клапаны. Располагаются в
Для уменьшения расхода масла через зазор между впускным клапаном и его направляющей втулкой стержень клапана уплотнен маслоотражательным колпачком сальникового типа.
Маслоотражательный колпачок плотно напрессован на выточку направляющей втулки впускного клапана. Своей рабочей кромкой, поджатой пружиной колпачок плотно облегает стержень впускного клапана.
1.12 Распределительный вал.
Чугунный, литой, имеет пять опорных
шеек. Осевое перемещение
1.13 Фазы распределения
двигателя. Впускной клапан
Указанные фазы действительны при зазоре между коромыслом и клапаном, равном 0.45 мм.
1.14 Система смазки. Комбинированная
- под давлением и
1.15 Масляный картер. Отлит
из магниевого сплава, уплотнение
достигается установкой
1.16 Масляный фильтр полнопоточный,
1.17 Масляный насос. Насос
шестеренчатого типа
Привод масляного насоса осуществляется от носка коленвала, имеющего лыски.
1.18 Масляный радиатор. Соединен
с масляной магистралью
1.19 Система охлаждения. Жидкостного
типа, с принудительной циркуляцией
жидкости. Поддержание правильного
температурного режима
1.20 Термостат. Клапан термостата
начинает открываться при
1.21 Водяной насос (центробежного типа). Подшипники насоса отделены от водяной полости сальником и водосбросной канавкой.
1.22 Вентилятор. Вентилятор шестилопастной, пластмассовый, имеет электропривод.
1.23 Радиатор трубчато-ленчатый. Крепится к боковым щиткам в передней части кузова.
Пробка радиатора. Герметично закрывает систему и имеет два клапана: паровой, открывающийся при избыточном давлении 0.45-0.6 кгс/см2, и воздушный, открывающийся при разряжении 0.01-0.1 кгс/см2.
1.24 Система питания и
выпуска отработавших газов.
1.25 Топливный насос.
1.26 Карбюратор ДААЗ 21081-1107010 эмульсионного типа, с последовательным открытием заслонок.
2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНИМАЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ
ДВИГАТЕЛЯ
2.1 Цель теплового расчета
двигателя. Цель теплового
2.2 Метод выполнения теплового расчета - метод профессора Гриневецкого В.И.
2.3 Выбор и обоснование
2.3.1 Степень сжатия.
В современных автотракторных бензиновых ДВС степень сжатия изменяется в диапазоне от 10 - 11 [1].
При проектировании двигателя с искровым зажиганием степень сжатия выбирают по возможности высокой. Это связано с тем, что при повышении степени сжатия:
а) улучшается теплоиспользование, а следовательно, топливная экономичность двигателя вследствие роста индикаторного КПД цикла;
б) улучшаются пусковые качества двигателя;
Однако повышение степени
сжатия имеет и отрицательные
стороны: - рост температуры в цилиндре
при высоких оборотах приводит, особенно
на средних и номинальных
растут механические и тепловые нагрузки на детали поршневой группы и коленчатого вала, что снижает надежность и долговечность двигателя.
С повышением степени сжатия
двигатель работает более жёстко
и шумно. но поскольку целью данной
работы является улучшения его технико-
2.3.2 Коэффициент избытка воздуха. Коэффициент сильно влияет на протекание рабочего цикла в ДВС и на индикаторные показатели цикла. Максимум величины достигается при более бедных смесях по сравнению с теми, которые соответствуют максимуму и . С обеднением смеси до определенных пределов улучшается полнота сгорания. Однако при слишком сильном обеднении смеси скорость ее сгорания падает, и могут появляться циклы с пропуском воспламенения. Наибольшей величине соответствует такой состав смеси, при котором имеет место оптимальное сочетание полноты и скорости сгорания смеси. Максимальное значение достигается при несколько обогащенных смесях, при сгорании которых имеют место наибольшие значения количества выделившейся теплоты и скорости сгорания. Значения , которые соответствуют величинам и , зависят от протекания процесса сгорания, т.е. от конструкции двигателя, также определяются положением дроссельной заслонки и частотой вращения. На режимах полного открытия дроссельной заслонки максимум имеет место при = 1.05 - 1.15, а максимум и при = 0,80 - 0,95. Учитывая эти пределы, и выбранную максимально допустимую степень сжатия =8,6, беру 0,9 (по заданию кафедры), поскольку большие значения берут для двигателей с высокой степенью сжатия. На мой взгляд =0,9 соответствует выбранной ранее степени сжатия.
2.3.3 Частота вращения коленчатого
вала. В карбюраторных двигателях
частота вращения коленчатого
вала легковых автомобилей
С увеличением частоты вращения коленвала потери тепла за цикл снижаются за счет сокращения времени на теплообмен между газом и стенками цилиндра, что увеличивает индикаторный КПД. Но, поскольку увеличение частоты вращения коленчатого вала сопровождается увеличением сил инерции, которые нагружают детали КШМ, мы не можем выбрать максимальную частоту из-за необходимости увеличения размеров и массы этих деталей. Принимаю n=5000 (по заданию кафедры).
2.3.4 Давление окружающей среды Р0 - постоянная величина. Р0=0,1МПа
2.3.5 Температура окружающей среды Т0 (атмосферного воздуха). Принимается среднее значение Т0=288 К.
2.3.6 Давление остаточных газов Рr, МПа, определяется давлением окружающей среды, в которую происходит выпуск отработавших газов и оборотами двигателя:
pr = 0,11 + 0,2⋅10-5⋅(n - 1500) = 0,11 + 0,2⋅10-5⋅(5000 - 1500) = 0,117 МПа
2.3.7 Температура остаточных газов Tr, К, для КБД изменяется в пределах 900 - 1100 К . При увеличении a и e - Тr снижается, а при увеличении n увеличивается.
Tr = 900 + 0,025⋅(n - 2000) + 400⋅(α - 0.8) + 10⋅(10 - ε) =
900 + 0,025⋅(5000 - 2000) + 400⋅(0,9 - 0.8) + 10⋅(10 – 0,86 ) = 1106,4 К
2.3.8 Степень подогрева заряда на впуске DТ=10 - 20 К [2]. На DТ влияют: длина, материал трубопровода впускной системы; скорость движения воздушного заряда во впускной системе. При увеличении диаметра цилиндра D, увеличении n и e - DТ уменьшается.
ΔТ = 5 + 4⋅10-3⋅(6000 - n) = 5 + 4⋅10-3⋅(6000 - 5000) = 9 К
2.3.9 Гидравлические потери С во впускной системе уменьшаются при увеличении проходных сечений, обработке внутренней поверхности впускной системы, правильным выбором фаз газораспределения. Коэффициент сопротивления С изменяется в пределах 2,5 - 4,0 [2]. Он учитывает падение скорости свежего заряда после входа его в цилиндр и гидравлические сопротивления впускной системы двигателя.
Свп = 3.
2.3.9 Средняя скорость воздуха в проходных сечениях впускных клапанов Wкл [50-130м/с] может достигать 130 м/с. Эта скорость зависит от диаметра впускного клапана и частоты вращения коленвала. При уменьшении диаметра впускного клапана и увеличении n, средняя скорость Wкл увеличивается. В модернизированном двигателе Wкл не изменяется.
Wкл = 70 + 0,75⋅10-2⋅(n - 1500) = 70 + 0,75⋅10-2⋅(5000 - 1500) = 96,25 м/с
2.3.10 Показатель политропы сжатия (условный) n1=1,32 - 1,40 [2]. При повышении n увеличивается и n1; при повышении средней температуры процесса сжатия n1 - уменьшается; с уменьшением интенсивности охлаждения двигателя n1 - увеличивается; с уменьшением отношения поверхности охлаждения к объему цилиндра n1 - увеличивается. Учитывая все это принимаем n1=1,38.
2.3.11 Коэффициент эффективного теплоиспользования xz=0,85 - 0,9 [2] это параметр, учитывающий потери теплоты в процессе сгорания. При увеличении оборотов двигателя xz возрастает с улучшением процесса смесеобразования и сгорания. На номинальной частоте вращения xz снижается за счет увеличения фазы догорания. Примем значение xz=0,9.
2.3.12 Коэффициент полноты индикаторной диаграммы учитывает уменьшение теоретического среднего индикаторного давления вследствие отклонения действительного процесса от расчетного. Принимаем ji=0,96.
2.3.13 С увеличением продолжительности догорания топлива, снижается относительный теплообмен и утечки газа, n2 уменьшается. Показатели политропы расширения для бензиновых ДВС изменяются в диапазоне n2=1,23-1,3. Примем n2=1,26
2.3.14 Вид и марка применяемого топлива
В качестве топлива для данного двигателя применяется бензин.
кг; где:
- содержание углерода кг;
- содержание водорода кг;
- содержание кислорода в
Для карбюраторных двигателей,
где в качестве топлива используется
бензин, с составным содержанием:
3. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ
Тепловой расчет позволяет с
достаточной степенью точности аналитическим
путем проверить степень
3.1 Расчет процесса впуска
3.1.1 Давление впуска:
3.1.2 Коэффициент остаточных газов:
- температура газов на впуске, - степень подогрева заряда, - давление газов на впуске.
3.1.3 Температура свежего заряда:
3.1.4 Коэффициент наполнения:
3.1.5 Объём цилиндра в конце впуска:
- объём камеры сжатия, - объём камеры сгорания:
3.2 Расчет процесса сжатия
3.2.1 Давление рабочей смеси в конце процесса сжатия:
3.2.2 Температура рабочего тела в конце процесса сжатия:
3.2.3 Расчет материального баланса рабочего цикла:
3.2.4 Расчет объёма камеры сжатия:
3.3 Расчет материального баланса рабочего цикла
3.3.1 Теоретически необходимое количество воздуха:
3.3.2 Количество свежего заряда:
3.3.3 Количество компонентов продуктов сгорания:
Так как , то k принимаем равным 0,47.
Оксид углерода:
Диоксид углерода:
Водород:
Водяной пар:
Азот воздуха:
3.3.6 Теоретический коэффициент молярного изменения рабочего тела:
3.3.7 Действительный коэффициент молярного изменения рабочего тела:
3.3.8 Средняя мольная изохорная теплоёмкость:
3.4. Расчет процесса сгорания
3.4.1 Температура сгорания:
Запишем уравнение сгорания:
После подстановки теплоемкости в виде линейной зависимости от температуры в уравнение сгорания последнее превращается в квадратное
относительно :
кДж/кг
3.4.2 Степень повышения давления:
3.4.3 Степень предварительного расширения:
Степень предварительного расширения для бензинового двигателя p=1
3.4.4 Давление газов в конце процесса сгорания:
Действительное давление газов в конце процесса сгорания равно :
3.4.5 Объём цилиндра в конце процесса сгорания:
3.5 Расчет процесса расширения
3.5.1 Давление газов:
Для бензинового двигателя
3.5.2 Температура газов в конце процесса расширения:
3.5.3 Объём цилиндра в конце процесса расширения:
3.6 Расчет индикаторных показателей цикла
3.6.1 Среднее индикаторное давление цикла:
3.6.2 Индикаторная мощность:
3.6.3 Индикаторный крутящий момент:
3.6.4 Индикаторный КПД:
3.6.5 Удельный индикаторный расход топлива:
3.7 Определение механических потерь
3.7.1 Среднее давление механических потерь:
м/с
Коэффициенты и выбираем исходя из отношения S/D. Так как S/D=1, то:
;
3.7.2 Среднее эффективное давление:
3.7.3 Эффективная мощность двигателя:
3.7.4 Эффективный крутящий момент двигателя:
3.7.5 Механический КПД двигателя:
3.7.6 Эффективный КПД двигателя:
3.7.7 Удельный эффективный расход топлива:
3.7.8 Часовой расход топлива:
3.7.9 Литровая мощность двигателя:
5 ПОСТРОЕНИЕ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ
Определим давление рабочего тела в промежуточных точках:
Процесс сжатия:
Процесс Сгорания:
Таблица 5.1 Давление газа в промежуточных точках процессов
л |
||||||
|
0,08 |
8,625 |
19,562 |
1,6236 |
1 |
1 |
6,246 |
0,202 |
3,415 |
5,441 |
0,45 |
0,396 |
0,11 |
1,942 |
0,324 |
2,129 |
2,837 |
0,235 |
0,246 |
0,171 |
1,068 |
0,446 |
1,547 |
1,825 |
0,151 |
0,179 |
0,114 |
0,712 |
0,568 |
0,823 |
0,764 |
0,083 |
0,141 |
0,084 |
0,524 |
0,69 |
1 |
1 |
0,063 |
0,115 |
0,065 |
0,405 |
Проконтролируем диаграмму по :
Вывод:
В результате проведенного теплового расчета двигателя ЗМЗ-24 цель модернизации была достигнута: мощность двигателя возросла, расход уменьшился.
Литература:
- Методические указания к выполнению теплового расчета в контрольных работах, курсовых и дипломных проектах: Методичка. / Под ред. И.И. Тимченко, Д.И. Тимченко, А.А. Ефремов – Харьков: ХАДИ, 2008. 36 страниц.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
ДВС – А34.ЗМЗ-24 .0000.000 ПЗ