Тепловой и динамический расчет двигателей внутреннего сгорания (стр. 1 )

ТЕПЛОВОЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ

РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Волгоград

2005

Федеральное агентство по образованию

Волгоградский государственный технический университет

Волжский политехнический институт (филиал) ВолгГТУ

ТЕПЛОВОЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Учебное пособие

РПК «Политехник»

Волгоград 2005

УДК 621.43.01 : /

Р е ц е н з е н т ы:

Волжский институт строительства и технологий,

кандидат технических наук, профессор

Волжский филиал Московского энергетического института,

кандидат технических наук, доцент

Тепловой и динамический расчет двигателя внутреннего сгорания: Учебное пособие / ВолгГТУ.- Волгоград, 20с.

ISBN 5-230 – 04505 – 2

Рекомендуется для использования в учебном процессе по дисциплине «Двигатели внутреннего сгорания» студентам специальности 150«Автомобили и автомобильное хозяйство» для полной, сокращенной и заочной форм обучения.

Ил. 5. Табл. 7. Библиогр.: 3 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета.

ISBN 5-230 – 04505 – 2

© Волгоградский

государственный

технический

университет, 2005

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………... 4

Задание на курсовую работу и проектирование. Объем проекта…………5

Содержание курсовой работы и проекта…………………………………...6

1. Тепловой расчет…………………………………………………………. 6

2. Пример теплового расчета бензинового двигателя……………………. 7

3. Пример теплового расчета дизеля………………………………………. 19

4. Построение индикаторных диаграмм…………………………………… 29

5. Динамический расчет……………………………………………………. 33

Литература………………………………………………………………….. 44

Введение

Общие положения. Выполнение курсовой работы и проекта позволяет приобрести определенный навык в решении теоретических и конструкторских вопросов, существенно закрепляет и углубляет знания, полученные при изучении соответствующих курсов: «Двигатели внутреннего сгорания», «Энергетические установки транспортных средств».

Выполнение проекта требует также мобилизации тех знаний, которые получены при изучении общетехнических дисциплин, таких как: «Инженерная графика», «Теоретическая механика», «Сопромат», «Материаловедение» и другие.

Курсовой проект – это большая самостоятельная работа, способствующая формированию студента как специалиста, способного решать сложные технические задачи. В связи с этим, работа над ним должна вестись систематически с полной отдачей творческих способностей и сил.

Задание выдается студенту после окончания первой части курса «Энергетические установки транспортных средств». Завершается работа над проектом после изучения курса лекций по конструкции и расчету двигателей.

Курсовая работа включает: тепловой и динамический расчеты двигателей, расчет на прочность 2-3 деталей и графическую часть, включающую построение индикаторной диаграммы в Р-V и Р-φ координатах и графики динамического расчета. Объем графической части – 1 лист формата А-1 миллиметровой бумаги. Расчетная часть 30 – 35 страниц рукописного текста на формате писчей бумаги А-1.

Курсовой проект к объему курсовой работы дополняет поперечный и продольные разрезы, рабочие чертежи 3-4 деталей двигателя, что составляет 3-4 листа формата А-1 чертежной бумаги. Чертежи выполняются карандашом.

Общий объем курсового проекта составляет 4-5 листов формата А-4 графического материала и 35-40 страниц расчетно-пояснительной записки.

Задание на курсовую работу и проектирование. Объем проекта

На курсовую работу или проект каждый студент получает индивидуальное, конкретное задание. К заданию может быть приложен эскиз (ксерокопия) поперечного и продольного разрезов двигателя, который должен быть принят в качестве прототипа при конструктивной разработке проекта. В задании указывается:

1)  тип двигателя;

2)  число цилиндров (i);

3)  вид охлаждения (возд. или жидк.);

4)  максимальная эффективная мощность и частота вращения коленчатого вала двигателя, соответствующая этой мощности (Ne; ne);

5)  степень сжатия ():

6)  отношение хода поршня к диаметру цилиндра (S/D);

7)  воздушно-топливное отношение (коэффициент избытка воздуха - α);

8)  вид смесеобразования дизеля. (Пункты 6, 7, 8 могут быть выбраны студентами в случае отсутствия их в задании).

Оформление рачетно-пояснительной записки и графического материала осуществляется в соответствии с требованиями нормативно-технической и конструкторской документации.

Содержание курсовой работы и проекта

1. Тепловой расчет

1.1.  На основании литературных источников и статистических данных выбрать и обосновать необходимые и дополнительные параметры для проведения теплового расчета двигателя.

1.2.  Произвести тепловой расчет цикла по заданным условиям. Определить значения давления и температуры для характерных точек индикаторной диаграммы. Рассчитать индикаторные и эффективные показатели работы двигателя.

1.3.  По полученным показателям определить рабочий объем одного цилиндра.

1.4.  Определить диаметр цилиндра и ход поршня. Определить среднюю скорость поршня, она не должна быть более 10 м/с для дизеля и 14…16 м/с для бензинового двигателя.

1.5.  Для принятых значений диаметра и хода поршня подсчитать литраж двигателя и максимальную мощность, которая должна быть на 3..5 % больше заданной.

1.6.  Задавшись отношением , определить длину шатуна lш..

1.7.  По полученным данным теплового расчета построить индикаторную диаграмму двигателя. Индикаторная диаграмма вычерчивается со скруглениями и нанесением на нее точек начала и конца действия клапанов и момента зажигания (впрыск топлива). Для этого задаются диаграммой фаз газораспределения на основании сопоставления исходных и расчетных данных с данными аналогичных конструкций двигателей.

Среднее индикаторное давление, полученное планиметрированием построенной диаграммы, не должно отличаться от его значений, полученных расчетом, более чем на 0,025 МПа.

Диаграмма выполняется карандашом в левом верхнем углу миллиметровой бумаги.

2.  Пример теплового расчета бензинового двигателя

При выполнении теплового расчета следует соблюдать особую аккуратность и точность, так как ошибка в расчете одного параметра или показателя влечет за собой искажение всего расчета. В связи с этим рекомендуется основные параметры теплового расчета регулярно сопоставлять с аналогичными параметрами существующих прогрессивных двигателей соответствующего назначения и типа.

Задание. Спроектировать (рассчитать) 4-тактный бензиновый двигатель жидкостного охлаждения, исходя из следующих данных:

Номинальная мощность Nе = 73,53 кВт (100л. с.);

Частота вращения коленчатого вала двигателя n = 3600 мин-1;

Степень сжатия ε = 7,2;

Коэффициент избытка воздуха α = 0,9;

Число цилиндров i = 6 Р;

Отношение хода поршня к диаметру цилиндров S/D = 0,95.

2.1.  Выбор дополнительных данных

1)  Давление окружающей среды:

2)  Температура окружающей среды

Т0 = 300 0К

3)  Давление остаточных газов

Рr = 0,12 МПа, [Рr = (1,1…1,25) Р0]

(В квадратных скобках даны интервалы изменения параметра).

Выбираем для низкооборотных двигателей ближе к нижнему пределу, высокооборотных – к верхнему.

4)  Температура остаточных газов

Тr = 10500 К, [Тr = 900…10500К]

Для высокооборотных – ближе к верхнему пределу.

5)  Температура свежей смеси в момент поступления ее в цилиндр

Принимаем подогрев свежего заряда [ΔТ = 10…200С].

6)  Показатель политропы сжатия n1 и политропы расширения n2 принимаются с учетом скоростного режима или по статистическим данным

[]; [];

7)  Коэффициент активного выделения тепла , [].

8)  Давление газов в цилиндре в конце впуска

Ра = 0,085 МПа, [Ра = (0,8…0,9) Р0].

9)  Низшая теплотворная способность бензина Ни = 10500 ккал/кг

[1кал = 4,1868 Дж].

2.2.  Определение параметров конца впуска

1)  Коэффициент остаточных газов

[0,06…0,10].

2)  Определение температуры газов в цилиндре в конце впуска

[350…3900 К].

3)  Коэффициент наполнения

[0,75…0,85],

где - коэффициент дозарядки [1,05…1,1].

2.3. Определение параметров конца сжатия

1)  Давление газов в цилиндре в конце сжатия

[1,0…1,5 МПа].

2)  Температура газов в цилиндре в конце сжатия

[650…7800 К].

2.4.  Расчет рабочего тепла

Состав бензина: С = 0,855; Н = 0,145; О2 = 0.

Молекулярная масса бензина μ = 110…120.

1)  Определение теоретически необходимого количества воздуха для полного сгорания 1 кг топлива

кг возд. / кг топлива,

где 0,23 – массовая доля кислорода в воздухе;

В молях

кг возд. / кг топлива,

где 0,21 – объемная доля кислорода в воздухе.

2)  Определение количества горючей смеси перед сгоранием в кг

кг.

3)  Количество горючей смеси в молях

кмоль.

4)  Определение продуктов сгорания при α = 0,9.

При неполном сгорании (α < 1) топлива выделяются следующие компоненты газов: СО; СО2; Н2; Н2О и N2.

Для случая α < 1 принимаем К = 0,5, (К – отношение числа молей водорода и окиси углерода. При α > 1- К = ∞ ).

4.1) Число молей СО в продуктах сгорания

кмоль / кг;

4.2) Число молей СО2 в продуктах сгорания:

кмоль / кг;

4.3) Число молей Н2 в продуктах сгорания:

кмоль / кг;

4.4) Число молей Н2О в продуктах сгорания:

кмоль / кг;

4.5) Число молей N2 в продуктах сгорания:

кмоль / кг.

5)  Суммарное количество продуктов сгорания:

= 0,5078 кмоль / кг.

6)  Определение потери низшей теплотворности бензина для случая

α < 1 из-за недостатка воздуха:

кмоль / кг

7)  Определение химического коэффициента молекулярного изменения:

.

8) Определение действительного коэффициента молекулярного изменения:

2.5.  Определение параметров конца сгорания

Уравнение сгорания для бензиновых двигателей имеет вид:

.

Для удобства определения внутренних энергий 1 кмоля свежей смеси и продуктов сгорания для различных значений α построены графики U = f (t) в интервале температур 300…8000 С и 1900…25000 С (рис. 2.1; 2.2).

Для упрощения расчета теплоемкость свежей смеси принята равной теплоемкости воздуха.

Значения внутренних энергий воздуха и продуктов сгорания для бензина при различных α и для дизельного топлива при α = 1 в интервале температур от 00 С до 25000 С представлены в таблице 2.1.

Для данного двигателя tс = Тс – 273 = 779 – 273 =5060 С.

Из графиков (рис. 2.1) для α = 0,9 имеем: внутренняя энергия 1 кмоля свежей смеси при температуре сжатия tс =5060 С.

Uc = 2635 ккал / кмоль.

То же продуктов сгорания при tс =5060 С – кмоль / кг; обозначим ее через «А», тогда левая часть уравнения сгорания:

ккал / кмоль.

При выполнении курсового проекта студент должен построить графики, аналогичные рис. 2.1. и 2.2. для интервалов температур, рассчитанных для его варианта.

Следовательно

ккал / кмоль,

где – внутренняя энергия продуктов сгорания при температуре сгорания ТZ.

Значение максимальной температуры сгорания tZ в 0 С определим из графика (рис. 2.2) для α = 0,9.

Таблица 2.1.

Внутренняя энергия воздуха и продуктов сгорания при различных температурах

Температура 0 С	Внутренняя энергия продуктов сгорания ккал / кмоль	Внутренняя энергия воздуха ккал / кмоль
Бензин α = 1	Бензин α = 0,9	Бензин α = 0,8	Дизельное топливо α = 1
0 100 200	0 538 1093	0 526 1083	0 522 1071	0 538 1094	0 498 1002
300 400 500	1668 2265 2883	1651 2241 2851	1632 2211 2810	1670 2265 2890	1520 2052 2601
600 700 800	3522 4182 4860	3481 4131 4800	3429 4068 4724	3530 4200 4870	3166 3746 4340
900 1000 1100	5555 6264 6985	5483 6181 6892	5394 6079 6777	5550 6280 7000	4946 5561 6186
1200 1300 1400	7720 8465 9219	7616 8349 9088	7487 8206 8935	7740 8480 9240	6820 7461 8109
1500 1600 1700	9954 10751 11528	9839 10597 11362	9673 10416 11167	10000 10750 11550	8763 9421 10080
1800 1900 2000 2100	12309 13097 13889 14686	12131 12907 13687 14472	11923 12685 13451 14222	12300 13120 13900 14700	10750 11420 12100 12780
2200 2300 2400 2500	15488 16291 17098 17907	15262 16053 16848 17606	14998 15775 16557 17341	15520 16310 17100 17920	13460 14140 14830 15520

U,

ккал/кмоль

			α = 1 α = 0,9 α = 0,8
	Продукты сгорания
		Воздух

5000

4000

3000

2000

1000

t0 C

Рис. 2.1. Значения внутренней энергии воздуха и продуктов сгорания для различных α в интервале температур t = 300…8000 С.

(Данный график получен из таблицы 2.1.)

U,

ккал/кмоль

		Продук-ты сгора-ния	α = 1
		α = 0,9		α = 0,8
			Воздух
				α = 1 α = 0,9 α = 0,8

16000