ГОУ «Приднестровский Государственный университет им. Т.Г.Шевченко»
Бендерский политехнический филиал
Кафедра «Автомобили и техническое обслуживание автотранспорта»
Специальность 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство»
КУРСОВОВЙ ПРОЕКТ
По дисциплине: «Автомобильные двигатели»
На тему: Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания прототипа
ЗМЗ 40522.10
Расчетно-пояснительная записка
КП 190601 АД.190601 057.15.000.000.ПЗ
Разработал проект
Студент группы
Руководитель курсового проектирования
Содержание:
Введение
Устройство двигателя внутреннего сгорания
Работа двигателя внутреннего сгорания
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗМЗ-40522.10
Выбор основных параметров проектируемого двигателя
Основные положения.
Выбор исходных данных для теплового расчета двигателя.
Состав смеси, характеризуемый коэффициентом избытка воздуха a.
Выбор топлива.
Возможный прототип двигателя и источники информации о нем
1.6 Устройство двигателя прототипа.
1.7. Принцип работы двигателя.
2. Расчет характеристик рабочего тела.
2.1. Выбор топлива. Характеристика.
2.2. Элементный состав топливовоздушной смеси.
2.3. НИЗШАЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА.
2.4. КОЛИЧЕСТВО СВЕЖЕЙ СМЕСИ.
СОСТАВ И КОЛИЧЕСТВО ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ.
Молярные и объемные доли компонентов продуктов сгорания
2.7. Теоретический коэффициент молярного изменения
3. Расчет процессов газообмена
3.1. Параметры окружающей среды.
3.2. Параметры остаточных газов.
3.3. Процесс впуска
4. Расчет процесса сжатия
4.1. Давление. Температура рабочего тела.
4.2. Средние молярные теплоемкости тел.
4.3. Число молей газов.
5.Расчет процесса сгорания
5.1. Молярные изменения смесей
5.2.Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания.
5.3. Максимальная температура газов в процессе Тz.
5.4. Давление в конце процесса сгорания
6. Расчет процесса расширения.
6.1. Давление и температура
7. Определение индикаторных показателей двигателя.
7.1. Среднее индикаторное давление
7.2. Индикаторный КПД
7.3. Удельный индикаторный расход
8.Опредление эффективных показателей двигателей.
8.1. Среднее давление механических потерь.
Среднее эффективное давление.
Механический КПД двигателя.
Эффективный КПД двигателя.
Удельный эффективный расход топлива.
Часовой расход топлива
9. Определение основных параметров и показателей двигателя
9.1. Рабочий объем двигателя.
9.2.Рабочий объём цилиндра
9.3. Диаметр цилиндра
9.4. Площадь поршня
9.5.Расчетный рабочий объем цилиндра
9.6. Действительная мощность двигателя
9.7. Эффективный крутящий момент.
9.8. Литровая мощность
9.9. Показатели напряжённости двигателя.
10 . Сравнение основных параметров двигателя и заданного прототипа
11. Построение индикаторной диаграммы.
12 .Тепловой баланс двигателя.
13. Построение свернутой индикаторной диаграммы
14. Динамический расчет двигателя
15. Кинематический расчет двигателя
Введение
В настоящее время двигатель внутреннего сгорания является основным видом автомобильного двигателя. Двигателем внутреннего сгорания (сокращенное наименование – ДВС) называется тепловая машина, преобразующая химическую энергию топлива в механическую работу. Различают следующие основные типы двигателей внутреннего сгорания: поршневой, роторно-поршневой и газотурбинный. Из представленных типов двигателей самым распространенным является поршневой ДВС, поэтому устройство и принцип работы рассмотрены на его примере.
Достоинствами поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечившими его широкое применение, являются: автономность, универсальность (сочетание с различными потребителями), невысокая стоимость, компактность, малая масса, возможность быстрого запуска, многотопливность.
Вместе с тем, двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков, к которым относятся: высокий уровень шума, большая частота вращения коленчатого вала, токсичность отработавших газов, невысокий ресурс, низкий коэффициент полезного действия. В зависимости от вида применяемого топлива различают бензиновые и дизельные двигатели. Альтернативными видами топлива, используемыми в двигателях внутреннего сгорания, являются природный газ, спиртовые топлива – метанол и этанол, водород.
Водородный двигатель с точки зрения экологии является перспективным, т.к. не создает вредных выбросов. Наряду с ДВС водород используется для создания электрической энергии в топливных элементах автомобилей.
Устройство двигателя внутреннего сгорания
Поршневой двигатель внутреннего сгорания включает корпус, два механизма (кривошипно-шатунный и газораспределительный) и ряд систем (впускную, топливную, зажигания, смазки, охлаждения, выпускную и систему управления).
Корпус двигателя объединяет блок цилиндров и головку блока цилиндров. Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Газораспределительный механизм обеспечивает своевременную подачу в цилиндры воздуха или топливно-воздушной смеси и выпуск отработавших газов.
Впускная система предназначена для подачи в двигатель воздуха. Топливная система питает двигатель топливом. Совместная работа данных систем обеспечивает образование топливно-воздушной смеси. Основу топливной системы составляет система впрыска.
Система зажигания осуществляет принудительное воспламенение топливно-воздушной смеси в бензиновых двигателях. В дизельных двигателях происходит самовоспламенение смеси.
Система смазки выполняет функцию снижения трения между сопряженными деталями двигателя. Охлаждение деталей двигателя, нагреваемых в результате работы, обеспечивает система охлаждения. Важные функции отвода отработавших газов от цилиндров двигателя, снижения их шума и токсичности предписаны выпускной системе.
Система управления двигателем обеспечивает электронное управление работой систем двигателя внутреннего сгорания.
Работа двигателя внутреннего сгорания
Принцип работы ДВС основан на эффекте теплового расширения газов, возникающего при сгорании топливно-воздушной смеси и обеспечивающего перемещение поршня в цилиндре.
Работа поршневого ДВС осуществляется циклически. Каждый рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала и включает четыре такта (четырехтактный двигатель): впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.
Во время тактов впуск и рабочий ход происходит движение поршня вниз, а тактов сжатие и выпуск – вверх. Рабочие циклы в каждом из цилиндров двигателя не совпадают по фазе, чем достигается равномерность работы ДВС. В некоторых конструкциях двигателей внутреннего сгорания рабочий цикл реализуется за два такта – сжатие и рабочий ход (двухтактный двигатель).
Задачами теплового расчета ДВС являются определение показателей, характеризующих экологичность, экономичность и эффективность рабочего процесса, а также определение максимального давления в цилиндре и переменных давлений в зависимости от хода поршня, необходимых для расчета деталей двигателя на прочность.
Рассмотрение отдельных процессов в двигателях и их расчет позволяют установить зависимость давления газов от угла поворота коленчатого вала. По данным расчета можно определить показатели эффективности и совершенства конструкции двигателей.
На основании теплового расчета с достаточной точностью может быть построена индикаторная диаграмма, представляющая собой зависимость давления в цилиндре двигателя Р от текущего объема надпоршневого пространства V.
Индикаторная диаграмма необходима для дальнейшего выполнения динамического расчета.
Автомобильный двигатель ЗМЗ-40522.10
Автомобильный двигатель ЗМЗ-40522.10
Бензиновый, 4-цилиндровый, рядный, инжекторный двигатель. Скоростной, динамичный, тяговитый и экономичный двигатель.
Обладает повышенной мощностью и крутящим моментом по срав¬нению с базовой моделью - ЗМЗ-4062.
Двигатель обладает высокой эластичностью в разгонной динамике и тяговыми свойствами, что придает автомобилю необыкновенные качества в движении, обеспечивая комфортную и уверенную езду.
Двигатель ЗМЗ-40522.10 в составе автомобиля оснащен трехкомпонентным нейтрализатором отработанных газов, что удовлетворяет требованиям по экологии ЕВРО-2.
Предназначен для установки на грузовые автомобили малой грузоподъемности и микроавтобусы.
Сцепление: тип диафрагменное, привод гидравлический
Электрооборудование: номинальное напряжение 12V
Применение двигателя ЗМЗ-40522.10: Газель, Волга;
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Количество цилиндров 4
Рабочий объем, л 2,46
Степень сжатия 9,3
Номинальная мощность брутто при частоте вращения коленчатого вала мин1, кВт (л.с.) 111,8(152) 5200
Максимальный крутящий момент брутто при частоте вращения коленчатого вала мин1, Нм (кгс м) 210(21,5) 4200+200
Минимальный удельный расход топлива, г/кВт (г/лсч) 269,3 (198)
Диаметр цилиндра и ход поршня, мм 95,5x86
Масса, кг 192,9
Тип двигателя Бензиновый впрысковый
Экология Правила ЕЭК ООН
(экологический класс 2)
1 Выбор основных параметров проектируемого двигателя.
1.1. Основные положения.
Рассмотрение отдельных процессов в двигателях и их расчет позволяют установить зависимость давления газов от угла поворота коленчатого вала. По данным расчета можно определить число и основные размеры цилиндров двигателя и установить его показатели напряженности.
При проведении теплового расчета необходимо правильно выбирать исходные данные и опытные коэффициенты, входящие в отдельные формулы.
1.2. Выбор исходных данных для теплового расчета двигателя.
Расчет рабочего цикла производится для режима двигателя, соответствующего номинальной (полной) мощности и нормальным условиям окружающей среды, за исключением случаев, оговоренных в задании.
Для проведения теплового расчета для других режимов работы двигателя используется те же зависимости, что и при номинальном режиме. Отличие заключается в выборе значений параметров или коэффициентов, необходимых для расчета рабочих процессов с учетом их значений на номинальном режиме. Тепловой расчет двигателя может быть проведен так же при минимальной частоте вращения коленчатого вала nmin = 700…1000 мин-1 или на режиме максимального крутящего момента при nм = 0,53 nN, мин-1.
Предварительно все расчеты выполняются в черновиках и согласовываются с консультантом.
В качестве исходных данных для выполнения теплового расчета задается или предварительно выбирается ряд конструктивных и регулировочных параметров двигателя, а также указываются некоторые конструктивные особенности, наличие которых может повлиять на выбор либо некоторых первичных исходных параметров, либо параметров на дальнейших этапах расчета.
Исходными данными для проведения теплового расчета проектируемого двигателя являются:
Тип двигателя по способу воспламенения рабочей смеси: с искровым зажиганием (ДсИЗ), от степени сжатия (дизель).
Тип двигателя по роду применяемого топлива: бензиновый, газовый, дизель.
Наличие или отсутствие наддува. При наличии наддува указываются: его тип (с приводным нагнетателем или с турбокомпрессором); наличие или отсутствие промежуточного охлаждения; примерное значение степени повышения давления при наддуве.
Тип степени охлаждения: жидкостная или воздушная.
тип топливной системы (ТС), системы питания. См. табл. 1.1.
Системы питания двигателей. Таблица 1.1.
Тип ДВС
Тип топливной системы
ДсИЗ Системы впрыскивания бензина (рис. 5.2.) [4]
- распределенное впрыскивание топлива во впускной трубопровод (основной вариант), (рис. 5.4.) [4]
- центральное впрыскивание топлива (рис. 5.8.) [4]
- впрыскивание топлива в цилиндр (рис.5.10.) [4]
- карбюраторная система (рис.5.14.) [4]
Дизель Системы разделенного типа (рис.5.23.) [4]
- непосредственного действия разделенного типа с моноблочным ТНВД.
- непосредственного действия разделенного типа с секционным ТНВД;
- аккумуляторная с электронным управлением и насос – форсунками (рис. 5.36.) [4]
Примечание: ТНВД – топливный насос высокого давления.
Число клапанов на цилиндр (2,3,4,5)
Тип камеры сгорания КС (для ДсИЗ) или тип камеры сгорания и способ Смесеобразования (для дизелей), таблица 1.2.
Таблица 1.2.
Тип ДВС
Тип камеры и тип смесеобразование ( для дизелей)
ДиИЗ Шатровая (для ДиИЗ с 4 клапанами на цилиндр, применяется всегда) полисферическая, полусферическая клиновая, полуклиновая, плоскоовальная (рис. 1.1.)
Дизель Неразделенные камеры сгорания (НР-КС): объемное смесеобразование; пристаночное смесеобразование. Разделенные камеры сгорания (Р-КС) (применяются редко)
Вихревая камера сгорания (ВКС), предкамера (ПК)
Количество цилиндров i, и их расположение (разное Р, V - образное)
Тактность двигателя ĩ (2,4).
Номинальная эффектная мощность Nе, кВт при номинальной частоты вращения коленчатого вала nN, мин -1.
Степень сжатия ε.
Для ДсИЗ без наддува выбор степени сжатия определяется многими факторами, важнейшими из которых являются: тип ТС, тип камеры сгорания (КС); скоростной режим двигателя; диаметр цилиндра двигателя; октановое число топлива.
Ориентировочные значения системы сжатия дл ДиИЗ приведены в таблице 1.3.
Степень сжатия двигателей.
Таблица 1.3.
Тип ДВС Тип топливной системы Степень сжатия ε
ДсИЗ Распределенное впрыскивание топлива во впускной трубопровод 8…10
Центральное впрыскивание топлива 7…9
Впрыскивание топлива в цилиндр 10…12
Карбюраторная система 6…12
Примечание: при прочих равных условиях большое значение ε характерны для шатровых КС, а меньше для клиновых, полуклиновых и плоскоовальных (последние применяются редко) Большое значение ε характерны для ДсИЗ с малыми геометрическими размерами цилиндра и большей частотой вращения.
В двигателях с искровым зажиганием ДсИЗ ε ограничивается по условию предупреждения появления детонации и выбор её зависит от антидетонационных свойств топлива (табл. 1.4.)
Зависимость степени сжатия от октанового числа бензина. Таблица 1.4.
Октановое число бензина 73…76 77…78 81…90 91…100 >100
Степень сжатия ε 6,6…7 7,1…7,5 7,6…8,5 8,6…9,5 До 12
1.3. Состав смеси, характеризуемый коэффициентом избытка воздуха a.
Топливовоздушная смесь в зависимости от режима работы двигателя имеет различное относительное содержание топлива и воздуха. Качество ТВС оценивается коэффициентом избытка воздуха a.
Коэффициент избытка воздуха a выбирают в зависимости от сорта топлива, вида смесеобразования, типа двигателя и других факторов.
При a = 1 воздуха в смеси ровно столько, сколько необходимо для полного сгорания всего находящегося в нем топлива (стехиометрическая смесь).
При a < 1 (богатая топливная смесь) воздуха меньше, чем необходимо для полного сгорания находящегося в ТВС топлива.
При a > 1 (бедная смесь) в ТВС имеется избыток воздуха.
При номинальной мощности двигателя значения а находятся в следующих пределах:
Для ДсИЗ:
- а = 0,85…0,95, большое значение а относятся к двигателям с лучшими условиями смесеобразования;
- а = 1 для двигателей с трехкомпонентным нейтрализатором отработавших газов;
- а = 0,8…0,95 для карбюраторных бензиновых двигателей;
- а = 0,7…1 для бензиновых двигателей с впрыском топлива и электрическим зажиганием;
- а = 1,0…1,05 для газовых двигателей, работающих на сжатом метановом газе;
- а = 0,9…0,95 для газовых двигателей, работающих на сжиженном пропан - бутановом газе.
Для дизелей выбор коэффициента избытка воздуха а зависит от типа КС, способа смесеобразования, наличия или отсутствия наддува:
- а = 1,50…1,60 для дизелей без наддува и с неразделенным или объемно-пристеночным смесеобразованием;
- а = 1,45…1,55 для дизелей без наддува и с неразделенными КС и пристеночным смесеобразованием;
- а = 1,4…1,50 для дизелей с разделенными КС;
- а = 1,25…1,45 для дизелей вихрекамерных и предкамерных;
- для дизелей с наддувов значение а должно быть увеличено на 0,2…0,3 единицы по сравнению с аналогичным безнаддувным вариантом.
1.4. Выбор топлива.
Элементный состав топлива задается в массовых долях, показывающих содержание углерода и водорода, а иногда и кислорода (gс , gн , gо) в топливе, с учетом конструктивных особенностей двигателей и рекомендаций завода – изготовителя двигателей или автомобилей.
1.5. Возможный прототип двигателя и источники информации о нем
На основании исходных данных выбирается прототип, в качестве которого следует выбрать двигатель одинаковый с проектируемым по назначению, имеющий более высокие, динамические и экономические показатели среди других двигателей. Мощность проектируемого двигателя может отличаться и даже значительно, от мощности прототипа.
Необходимая мощность двигателя может быть получена путем изменений (в допустимых пределах) размеров, числа цилиндров, частоты вращения коленчатого вала, применения наддува, повышения степени сжатия, изменения формы камеры сгорания или смесеобразования и т.д.
Основные показатели двигателей прототипов приведены в приложении П1.
1.6. Устройство двигателя прототипа.
В пояснительной записке КП необходимо представить поперечный и продольный разрез двигателя прототипа с указанием позиций конструктивных элементов. Описать устройство, назначение основных механизмов, узлов двигателя.
Представить назначение всех систем ДВС: системы питания, зажигания, охлаждения и смазки. Описать устройство системы питания двигателя прототипа.
Примечание: в приложении П2 представлены поперечные и продольные разрезы некоторых ДВС.
1.7. Принцип работы двигателя.
С учетом конструктивных особенностей двигателей с искровым зажиганием и дизельных двигателей, описать их рабочие процессы с разделением на такты.
Привести схему и порядок работы цилиндров для двигателя. Порядок работы большинства цилиндровых двигателей 1-3-4-2 реже 1-2-4-3, для шести цилиндровых порядок работы цилиндров 1-4-2-5-3-6 и восьмицилиндровых 1-5-4-2-6-3-7-8.
На рисунке 12 и 13 показаны схемы и порядок работы четырехцилиндрового и восьмицилиндрового двигателей.
Рис. 12. 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
2. Расчет характеристик рабочего тела.
2.1. Выбор топлива. Характеристика.
Товарными топливами для поршневых ДВС являются бензины, дизельные топлива, сжатые и сжиженные газы; перспективными – синтетические (преимущественно из угля и газа) и газоконденсатные топлива, водород.
В качестве добавок к товарным нефтяным топливам используют спирты, эфиры, некоторые растительные масла (после соответствующей переработки).
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 таблицах 2.1. и 2.2.
ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА БЕНЗИНОВ (ГОСТ 2084-77)
Таблица 2.1.
Показатели А-76 АИ-91
неэтилиро
ванный АИ-93
неэтилиро
ванный АИ-95
неэтилиро
ванный
неэтилированный этилированный
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
76
Не норм.
0,013
35
Не норм.
70
55
115
100
180
160
195
185
66,7
66,7…93,3
0,1
-
76
Не норм
0,17
35
Не норм.
70
55
115
100
180
160
195
185
66,7
66,7..93,3
0,1
Желтый
82,5
91
0,013
35
Не норм.
70
55
115
100
180
160
205
195
66,7
66,7..93,3
0,1
-
85
93
0,013
35
Не норм.
70
55
115
100
180
160
205
195
66,7
66,7..93,3
0,1
-
85
95
0,013
30
Не норм.
75
55
120
105
180
160
205
195
66,7
66,7..93,3
0,1
-
ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА БЕНЗИНОВ (ГОСТ Р 51105-97) Таблица 2.2.
Показатели Нормаль-80 Регуляр-91 Премиум-95 Супер-98
Октановое число, не менее:
моторный метод
исследовательский метод
Содержание свинца, мг/дм3,
не более
содержание марганца, мг/дм3
Массовая доля серы, %,
не более
Объемная доля бензола, %,
не более
Плотность при 15 ºС, кг/м3
76
80
0,010
50
0,05
5
700…750
82,5
91
0,010
18
0,05
5
725…780
85
95
-
-
0,05
5
725…780
98
98
-
-
0,05
5
725…780
2.2. 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)
При использовании кислородосодержащих топлив СхНуОz (модифицированные бензины с добавкой оксигенатов, спирты, эфиры) учитывают кислород топлива
gi + gH + gот = 1 (2.2)
где gi; gH; gот - соответственно массовые доли углерода, водорода и кислорода в 1 кг топлива.
В таблице 2.7. приведены физико-химическая характеристика жидких нефтяных топлив с указанием молярной массы и элементного состава топлива.
Элементный состав газовых топлив газовое топливо представляет собой смесь различных углеводородов (горючая составляющая) и негорючего компонента, обычно азота.
Состав газообразного топлива (сжатые и сжиженные газы) определяются в объемных единицах М3 или молях
ΣСxHyOz + rN = 1 (2.3)
где rN – молярная или объемная доля азота состав сжатого природного газа (СПГ) включат метан, группу более сложных углеводородов (этан, пропан, бутан) и не более 7% негорючих компонентов.
Сжиженные нефтяные газы (СНГ) – это горючие газы, основными компонентами в которых являются пропан С3Н3 и бутан С4Н10
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЖИДКИХ НЕФТЯНЫХ ТОПЛИВ
Таблица 2.7.
Показатели Обозначение Размерность Бензины Дизельное топливо
А-76
летний АИ-93
(А-92) летний АИ-95 «Экстра»
с МТБЭ АИ-98 Летнее Зимнее
-35 ºС
-45 ºС Аркти
ческое А
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 106
0,855
0,145
44,0
784
295 110
0,865
0,135
43,3
755
305 110
0,864
0,133
0,0133
42,9
765
300 115
0,87
0,13
-
43
725
300 230
0,873
0,127
-
42,8
836
220…240 235
0,869
0,131
43,03
220…240 240
0,87
0,13
43,0
818
220…240
СТ = 1,69 √ ρ
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).
2.3. НИЗШАЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА.
НИЗШАЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ЖИДКИХ ТОПЛИВ МОЖЕТ БЫТЬ НАЙДЕНА НА ИЗВЕСТНОЙ ФОРМУЛЕ Д.И.МЕНДЕЛЕЕВА
НИ = 33,91GC + 125,6GH – 10,89 (GОТ - GS) – 2,51 (9 GH + GH2О) (2.4)
НИ = 43.24
ГДЕ GH, GС, GОТ, GS, GH2О – МАССОВЫЕ ДОЛИ ВОДОРОДА, УГЛЕРОДА, КИСЛОРОДА ТОПЛИВА, СЕРЫ, ВОДЫ В ТОПЛИВЕ.
В УПРАВЛЕНИИ КОЭФФИЦИЕНТЫ ПОДОБРАНЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО. ВЕЛИЧИНА 9GН СООТВЕТСТВУЕТ МАССОВОЙ ДОЛЕ В ОГ ВОДЯНОГО ПАРА, ОБРАЗУЮЩЕГОСЯ ПРИ СГОРАНИИ ВОДОРОДА, МАССОВАЯ ДОЛЯ КОТОРОГО В ТОПЛИВЕ РАВНА GН.
ЕСЛИ ТОПЛИВО ВКЛЮЧАЕТ ТОЛЬКО УГЛЕРОД И ВОДОРОД GC + GН = 1
НИ = 34,013 GC + 69,09 GН (2.5)
УДЕЛЬНАЯ НИЗШАЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ СЖАТОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА НАХОДИТСЯ В ПРЕДЕЛАХ (3,2…3,6)104 КДЖ/М3 (В РАСЧЕТАХ ОБЫЧНО ПРИНИМАЕТСЯ 3,5 • 104 КДЖ/М3).
НИЗШАЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ У ПРОПАНА И БУТАНА СООТВЕТСТВЕННО -45,97•103 КДЖ/КГ И 45,43•103 КДЖ/КГ.
2.4. 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
ℓ0 = (8/3 GС + 8GН - GСТ)/0,232 КГВ/КГТ (2.6)
ℓ0 =14,59
L0 = (GC/12 + GН/4 + GОТ/32)/0,21 КМОЛЬ/КГТ (2.7)
L0 = (0.865/12 + 0.135/4)/0.21 = 0.504
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, КМОЛЬОС/КГТ (2.8)
М1 = 1 *0.504 +1/110 = 0.513
М1 = 0.9*0.504+1/110=0,462
М1 = 0.75*0.504+1/110=0,387
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 (2.11)
К ≈ 0.48
ОТДЕЛЬНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ
Мсо2=gc/12 – 2 × (1-α)/(1+K) × 0.21 × Lo (кмоль CO2/кг топлива) (2.12)
Мсо2= 0,865.12+21-1.1+0,48 = 0,0721 (кмоль CO2/кг топлива)
Мсо2=0.865/12 – 2 × (1-0.9/1+0.48) × 0.21 ×0.504 = 0.05677 (кмоль CO2/кг топлива)
Мсо2=0.865/12 – 2 × (1-0.75/1+0.48) × 0.21 ×0.504 = 0.03381 (кмоль CO2/кг топлива)
Мсо= 2 × (1-α)/(1+K) × 0.21 × Lo (кмоль СО/ кг топлива) (2.13)
Мсо= 2 *(1-1)/(1+0,48)*0.21*0.504 = 0
Мсо=2*1-0.9/1+0.48*0.21*0.504= 0.01530 (кмоль СО/ кг топлива)
Мсо=2*1-0.75/1+0.48*0.21*0.504= 0.03826 (кмоль СО/ кг топлива)
Мн2о= GH/12 – 2К × (1-α)/(1+K) × 0.21 × Lo ( кмоль Н20/ кг топлива) (2.14)
Мн2о= 0.135/2+2*0.48*(1-1)/(1+0.48) = 0,0675( кмоль Н20/ кг топлива
Мн2о=0.135/12 – 2*0.383*(1-0.9)/(1+0.48)*0.21*0.504= 0.00538( кмоль Н20/ кг топлива
Мн2о=0.135/12 – 2*0.383*(1-0.75)/(1+0.48)*0.21*0.504= -0.0034( кмоль Н20/ кг топлива
МН2= 2К × (1-α)/(1+K) × 0.21 × Lo ( кмоль Н2/ кг топлива) (2.15)
МН2 = 2*0.8*(1-1)/(1+0.48)*0.21*0.504=0 ( кмоль Н2/ кг топлива)
МН2=2*0.383*(1-0.9)/(1+0.48)*0.21*0.504= 0.00586( кмоль Н2/ кг топлива)
МН2=2*0.383*(1-0.75)/(1+0.48)*0.21*0.504= 0.01465( кмоль Н2/ кг топлива)
MN2=0.79 × А × Lо ( кмоль N2/кг топлива) (2.16)
MN2=0.79*1*0.504= 0.3982
MN2=0.79 × 0.9 × 0.504=0.3583 ( кмоль N2/кг топлива)
MN2=0.79 × 0.75 × 0.504=0.2986 ( кмоль N2/кг топлива)
Суммарное количество продуктов сгорания в Дс ИЗ
М2 = Мсо2 + Мсо + Мн2о + Мн2 +МN2 кмольс/КГт (2.17)
М2 = 0.0721+0+0.0675+0+0.3982=0.538
2.6. Молярные и объемные доли компонентов продуктов сгорания
rсо = Мсо/М2, rсо2 = Мсо2/М2 , r H2 = МH2/М2
(2.23)
rH2O = МH2O/М2 , r H2 = МH2/М2, rО2 = МО2/М2
rсо2 = Мсо2/М2=0.0721/0.538=0.1340 ,
rH2O = МH2O/М2=0.0675/0.538=0.1255,
r N2 = МN2/М2=0.3982/0.538=0.74
Проверка Σri = 0.134+0.1255+0.7401=0.9997=1
2.7. Теоретический коэффициент молярного изменения
μо = М2/М1 (2.24)
μо =0.538/0.513=1.049
Для ДсИЗ μо = 1,02…1,12,. Результаты расчетов свести в таблицу 2.8.
Параметры Единицы измерения Режим эксплуатации двигателя
nN nМ nтм
Частота вращения n мин -1 5200 2756 1000
Рабочее тело, его компоненты
Коэффициент избытка воздуха a 1 0.9 0.75
Количество свежей смеси М1 кмольсс/КГт 0.513 0,4626 0,387
Количество СО2 , МСО2 кмольсо2/КГт 0.0721 0.0567 0.0338
Количество СО, МСО кмольсо/КГт 0 0.0153 0.0382
Количество Н2О, МН2О кмольн2о/КГт 0.0675 0.0053 -0.0034
Количество Н2, МН2О кмольн2/КГт 0 0.0058
0.0146
Количество N2, МN2 кмольN2/КГт 0.3982 0.3583 0.2986
Количество О2, МО2 кмольо2/КГт
Количество продуктов сгорания М2 кмольпр.С2/КГт 0.538 0.4416 0.3853
Теоретический коэффициент молярного изменения μо 1.049 0.954 0.995
3. Расчет процессов газообмена
3.1. Параметры окружающей среды.
а) 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) = 288…298К
То =293 К
3.2. 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, МПа (3.2)
Большое значение Рr принимаются для двигателей с высокой частотой вращения коленчатого вала n, а также при наличии в системе выпуска нейтрализатора отработавших газов.
pr = 1,1 × 0,1 = 0,11 Мпа
Ориентировочные пределы, значений Рr для четырехтактных двигателей на номинальном режиме следующие:
для Д и ИЗ 0,102…0,125 МПа
для дизелей без наддува 0,105…0,125 МПа.
Давление Рr увеличивается с увеличением n и увеличением сопротивление на выпуске.
Давление Рri на различных скоростных режимах двигателя может быть определено по формуле:
Рri = Ро(1,035 + Ар×10-8 • n2), МПа (3.4)
Рri =0.1(1.035+0.1327*108*52002)= 0.1071 МПа
где Ар = (Рr – Ро • 1,035)•108/nN2• Ро
Ар =(1.1-0.1* 1.035) *108/70002*0.1=0.1327
где Рr – давлении е остаточных газов на номинальном режиме, МПа;
n – частота вращения коленчатого вала расчетная, мин-1;
nN – номинальная частота вращения коленчатого вала, мин-1;
Ар – коэффициент коррекции давления.
Температура отработавших газов Тr зависит (3.4) от состава смеси, частоты вращения, степени сжатия и типа двигателя.
Тr уменьшается с увеличением степени сжатия ε и с уменьшением а при а<1,0 и при увеличении а>1,0 (для Д с ИЗ), а также с увеличением а (дизели) и уменьшением n.
При номинальном режиме температура остаточных газов Тr варьируется в пределах:
для Д с ИЗ 900…1100К
для дизелей 700…900К
для газовых двигателей 750…1000К
Температура остаточных газов Tr по монограмме Tr=1000
3.3. 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, обычно колеблется в пределах:
для Д с ИЗ 0…25°С
для дизелей без наддува +20…40°С
для двигателей с наддувом (-5) до 10°С
Величина подогрева свежего заряда ∆Т уменьшается с увеличением n и при распределенном впрыскивании бензина с Д и ИЗ, при этом ∆Т выше в ДВС с воздушным охлаждением.
Принимаем температуру подогрева свежего заряда для номинального скоростного режима ∆ТH=6
Для заданного скоростного режима работы двигателя температура подогрева свежего заряда определяется по формуле:
∆Т=AT(110-1.0125*n), где
AT=∆ТH/(110-0.0125*n)=6/(110-0.125*7000)=0.2667
∆Т=0.2667*(110-0.125*5200)=12
б) плотность заряда на выпуске
ρк = Рк • 106/R6 • Тк или ρо = Ро • 106/RВ • То кг/м3 (3.5)
ρо =0.1*106/287*293=1.189
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 = Рк - ∆Ра или Ра = Р0 - ∆Ра, МПа (3.6)
Ра =0.1-0.0052= 0.0948 МПа
Величина ∆Ра зависит от скорости потока смеси ωвп и сопротивления впускной системы:
∆Ра =( (β2+ ξВn)×ω ^2 вп×ƿ_0 ×〖10〗^(-6))/2 МПа (3.7)
∆Ра=2.5*0.01142*52002*1.189*10-6/2=0.0052 МПа
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
(β2+ξвп)=2.5...3,5 – для дизелей без наддува
ωвп=60...120 м/с для Дс ИЗ, при этом при распределенном впрыскивании не более 80…85 м/с, для дизелей 50…80м/с
Проверка правильности определения величины Ра:
Ра = (0,8…0,9)Р0 – для Д и ИЗ
(3.8)
Величина Ра увеличивается с уменьшением nном и уменьшением сопротивления впускного тракта.
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.
Без учета продувки и дозарядки цилиндра
γг = (То + ∆Т)/Тr • Рr/(εРа-Рrφ) (3.9)
γг =(293+12)/1000*0.1071/(9.3*0.0948-0.11)= 0.047
С учетом продувки и дозарядки цилиндра
γг=(То+∆Т)/Тг × ( (φоч×Рг)/(ε×φдоз×Ра-φоч×Рг)φ) (3.10)
γг=293+12/1000*1*0.1071/9.3*1.06*0.0948-1*0.1071=0.039
где φоч – коэффициент очистки,
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…1,15
φ = коэффициент, учитывающий различие в теплоемкостях свежего заряда и остаточных газов.
Значение коэффициента φ зависит от коэффициента а.
Значение коэффициента φ. Таблица 3.1.
Тип двигателя ДсИЗ Дизели
Коэффициент избытка воздуха а 0,8 0,9 1,0 1,2 1,5…1,8
Коэффициент φ 1,13 1,15 1,17 1,14 1,1
д) Температура в конце впуска.
Температура заряда в конце впуска Та зависит от температуры на входе То, а также от подогрева заряда во впускном трубопроводе ∆Т и его подогрева в цилиндре от остаточных газов γг и Тr
Без учета продувки и дозарядки цилиндра
Та = То + ∆Т + γг Тr/1+ γг , к (3.11)
Та =293+20+0.047*1020/1+0.047=331
ж)коэффициент наполнения.
φ¬¬1= φдоз
Коэффициент наполнения ηv характеризует качество процесса впуска и представляет собой поправку, учитывающую отклонения условий внутри цилиндра от условий на впуске в двигатель.
Без учета продувки и дозарядки цилиндра.
ηv = То (ε • Ра - φ • Рr) / (То + ∆Т)•(ε - 1)•Ро (3.13)
ηv =293(9.3*1.06*0.0948-1*0.1071)/(293+12)*(9.3-1)*0.1=0.9657
В таблице 3.2 приведены ориентировочные параметры процессов газообмена.
Ориентировочные параметры процессов газообмена. Таблица 3.2.
параметры ДсИЗ
карбюраторные Центральное
впрыскивание Распределенное
впрыскивание
γг 0,06…0,082 0,06…0,1 0,04…0,06
Рr, МПа 0,105…0,120 0,105…0,120 0,105…0,125
Тr, к 900…1100 900…1000 900…1000
ηv 0,70…0,90 0,75…0,82 0,80…0,90
Ра, МПа 0,085…0,09 0,08…0,09 0,085…0,095
∆Т, к 0…25 0…25 0…25
Та, к 320…370 325…360 310…340
4. Расчет процесса сжатия
4.1. Давление. Температура рабочего тела.
Процесс сжатия характеризуется давлением Рс и температурой Тс рабочего тела в конце процесса.
Рс = Ра • ε n1 , МПа (4.1)
Рс =0.0948*9.31.368=2.003
Тс = Та • ε n1-1 , к (4.2)
Тс =331*9.31.368-1=752
где n1 – показатель политропы сжатия.
Значение n1 может быть определено по номограмме рис.4.1. следующим образом. Через принятое значение степени сжатия ε проводится ордината до пересечения с соответствующей кривой температур Та. Через полученную точку пересечения проводят линию, параллельную оси абсцисс, до пересечения с осью ординат, на которой нанесены в масштабе значения показателя адиабаты сжатия k1.
Показатель адиабаты k1 служит ориентиром для уточнения при выборе n1, исключающим грубые ошибки и в следствии искажения теплообмена между сжимаемым зарядом и станками цилиндра. Можно полагать
n1 = (k1 + 0,02)…( k1 – 0,04)
Рис. 4.1 Номограмма для определения показателя адиабаты сжатия k1
4.2. Средние молярные теплоемкости тел.
Средняя молярная теплоемкость заряда (воздуха) в конце сжатия без учета влияния остаточных газов в интервале температур 273…1800К
µСv = aс + bсТс = 20,16 + 1,74 • 10-3 Тс кДЖ/кмоль•град (4.3)
Средняя молярная теплоемкость в конце сжатия может быть определена также по следующей рекомендации – свежей смеси (воздуха)
(µСv)tcto = 20,6+2,638•10-3 tc (4.4)
(µСv)tcto= 20,6+2,638•10-3*479=21.86
где tс = Тс – 273°С tс=752-273= 479
- остаточных газов (mСv//). Определяется методом интерполяции по таблице 4.1. для бензиновых двигателей или таблице 4.2. для дизелей в зависимости от tc и а; - рабочей смеси.
(µСv/)tcto = 1/ 1+ γг [(µСv)tcto + γ(µСv//)tcto ] (4.5)
(µСv/)tcto=1/1+0.039[(21.86+0.039*24.058)]= 21.943
По таблице 4.1 интерполированием определяем
µCvtc=24,150 при tc=500°C ̎ ἀ=1 коэффициент избытка воздуха
µCv=23.712 при при tc=400°C ̎ ἀ=1 коэффициент избытка воздуха
а при tc=540
(mc v ̎) _to^tc=23.712 +(24,150-23.712)×79/100=24.058кДж
4.3. Число молей газов.
Число молей остаточных газов
Мr = а•γгLо, кмоль (4.6)
Мr =1*0.039*0.504=0,0196 кмоль
Число молей газов в конце сжатия до сгорания
Мс = М1 + Мг кмоль (4.7)
Мс = 0.513+0,0196=0,532 кмоль
Ориентировочные значения показателя политропы и параметров конца сжатия приведены в таблице 4.1.
Показатели политропы и параметры конца сжатия. Таблица 4.3.
параметры ДсИЗ Дизели без наддува Дизели с наддувом
n = 1800..2600 n = 3000..4500
n1 1,34…1,38 1,34…1,37 1,36…1,39 1,38…1,4
Рс, МПа 1,4…2,6 3,5…5,0 4…6,5 6…8
Тс, к 650…850 800…950 850…1150 900…1000
5.Расчет процесса сгорания
5.1. Молярные изменения смесей
Расчетный коэффициент молекулярного изменения горючей смеси (свежей смеси)
μо = М2/М1, (5.1)
μо=1.049
Число молей газов после сгорания
Мz = М2 + Мr, кмоль (5.2)
Мz =0.538+0,0196 =0,557 кмоль
Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси
β = Мz/Мс = М2 + Мr/М1 + Мr = μо + γг/1 + γг, (5.3)
β =1.049+0.039/1+0.039=1.0471
значения μ в зависимости от а находятся в следующих пределах:
для четырехтактных карбюраторных двигателей
β = 1,02…1,12
∆Q = 119950 • (1-а) Lо, кДж/кг (5.11)
∆Q =119950*(1-1)*0.504=0
Hраб = (Hu -∆Hu )/M1•(1+ γг)
Hраб =(43240-0)/0.513•(1+0.039) = 81125
5.2.Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания.
Для расчетов рабочих процессов двигателей обычно пользуются средними мольными теплоемкостями при постоянном объеме mСv и при постоянном давлении mСр.
При неполном сгорании топлива (а <1) продукты сгорания состоят из смеси углекислого газа СО2, окиси углерода СО, водяного пара Н2О, свободного водорода Н2 и азота N2
При этом
(μСvz//)tztc = 1/М2 [Мсо2 (μСvсо2)tztc + Мсо (μСvсо)tztc + Мн2о (μСvн2о)tztc + Мн2(μСvн2)tztc + МN2(μСvN2)tztc ], кДЖ/кмоль•град (5.4)
При полном сгорании топлива (а≥1) продукты сгорания состоят из смеси углекислого газа, водяного пара, азота, а при а>1 и кислорода.
(mСvz//)tztc = (1/0.538[0.0721(39,123 + 0,003349 • t)+ 0.0675 (26,670 + 0,004438 • t)+ 0.3982(21,951 + 0,001457 • t) = 24.822+0.000208tz
Средние молярные теплоемкости отдельных газов при постоянном объеме определяются по формулам таблица 5.1. для интервала температур 1501 до 2800°С.
Таблица теплоемкостей отдельных газов Таблица 5.1.
Наименование газа Формулы для определения средних мольных теплоемкостей отдельных газов при постоянном объеме, кДж/(кмоль•град), для интервала температур 1501…2800°С
Азот N2
Водород Н2
Оксид углерода СО
Углекислый газ СО2
Водяной пар Н2О μсvN2 = 21,951 + 0,001457 • t
μсvн2 = 19,678 + 0,001758 • t
μсvсо = 22,490 + 0,001430 • t
μсvсо2 = 39,123 + 0,003349 • t
μсvн2о = 26,670 + 0,004438 • t
Для определения мольной теплоемкости продуктов сгорания могут быть использованы следующие соотношения.
Для ДсИЗ (0,7 ≤ а ≤ 1,25)
μСvz// = (18,42 + 2,6а) + (15,5 + 13,8/а) • 10-4 Тz (5.6)
μСvz// = (18,42 + 2,6*1) + (15,5 + 13,8/1) • 10-4 Тz=21.02 Тz
Средняя теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении, при а > 1
μСvz// = μСvz + 8,314 (5.8)
5.3. Максимальная температура газов в процессе Тz.
для ДсИЗ (а < 1)
ξ (Qи - ∆Qи)/М1(1+γг) + mСvс/ • Тс = μ mСvz// • Тz (5.10)
0.98*81125+(21.943*479)=1.0471*(24.822+0.00208t)tz=0
0.00217t2+25.99t-90012=0
tz= (-25.99±√(〖25.99〗^2-4•0.00217•90012))/(2• 0.00217) =2759 K
где ξ – коэффициент использования теплоты на участке видимого сгорания рабочей смеси, ξ = 0,8…0,9; λ – степень повышения давления, только для дизелей.
Ни – низшая теплота сгорания топлив, кДж/ кг; ∆Ни – потеря части теплоты сгорания из-за химической теплоты сгорания топлива при а < 1
где Lо – теоретически необходимое количество воздуха в киломолях для сгорания 1 кг топлива
5.4. Давление в конце процесса сгорания
Теоретическое давление в конце процесса сгорания
Рzт = Рс • μ • Тz / Тс МПа, (5.13)
Рzт =2.003*1.0471*2759/7452=7.694 МПа,
Действительное давление в конце процесса сгорания для ДсИЗ
Рzд = 0,85 Рz
(5.13)
Рzд=0.85*7.694=6.539
Степень предварительного расширения
ρ = β/λ • Тz/Тс (5.14)
ρ =1.049/3.841*2759/752=1.001
для ДиИЗ ρ = 1
степень повышения давления
λ = Рz/Рс (5.15)
λ =7.694/2.003=3.841
Ориентировочные расчетные значения основных параметров процесса в ДсИЗ.
Таблица 5.2.
параметр Численное значение
ξ 0,80…0,95
λ 3,2…4,2
Рz, МПа 3,5…8,0
Тz, К 2400…2900
Ориентировочные расчетные значения основных параметров процесса сгорания для дизелей без наддува.
Таблица 5.3.
Тип камеры сгорания и способ смесеобразования Параметры
ξ λ Рz, МПа
Камера в поршне объемное или объемно-пристеночное смесеобразование 0,70…0,85 1,7…2,2 7,5…9,5
Камера в поршне: пристеночное смесеобразование 0,65…0,75 1,4…1,8 6,5…8
Разделенные камеры сгорания 0,60…0,75 1,2…1,8 5,5…7,5
6. Расчет процесса расширения.
6.1. Давление и температура
Давление и температура газов в конце расширения определяется по формулам политропного процесса:
для ДсИЗ
Рв = Рz/εn2; Тв = Тz/εn2-1 (6.1)
Рв =7.694/9.31.254=0.469
Тв =2759/9.31.254-1=1565.87
где n2 – показатель поли тропы; Показатель поли тропы n2 определяется по номограммам рис.6.1. и рис. 6.2. При этом значение показателя поли тропы расширения n2 незначительно отличается от значения показателя адиабаты расширения k2, n2≈k2.
Определение k2 проводится следующим образом: по имеющимся значениям ε или δ и Тz определяют точку, которой соответствует значение k2 при а = 1
Для нахождения значения k2 при заданном а необходимо полученную точку перенести по горизонтали на вертикаль, соответствующую а = 1 и далее параллельно вспомогательным кривым по вертикали, соответствующей заданному значению а.
Проверяем правильность ранее принятого значения температуры остаточных газов (погрешность не должна превышать 5% для всех скоростных режимов работы двигателя).
Рис. 6.1 Номограмма для определения показателя адиабаты расширения к2 для бензинового двигателя
Тr = Рв/3√Рв/Рr
Тr=1565.87 3√0.469/0.11=965.67 (6.3)
∆ = Тr - Тr /Тr – 100%
∆ =1000-965.67/1000=3.4%
Tb=2759 / 9,31,251-1 = 1565.87 K
Если это отклонение больше, то необходимо изменить заданные значения Тr и Рr и повторить расчет.
Ориентировочные значения показателя поли тропы и параметров конца расширения приведены в таблице 6.1.
Таблица 6.1.
Параметры ДсИС Дизель без наддува
n2 1,23…1,30 1,18…1,28
Рв, МПа 0,35…0,60 0,20…0,50
Тв, К 1200….1700 1000…1200
7. Определение индикаторных показателей двигателя.
7.1. Среднее индикаторное давление
Среднее индикаторное давление цикла для нескругленной индикаторной диаграммы.
Для двигателей с искровым зажиганием
Р´i = Pc / ε-1 [λ / n2 – 1 (1-1/εn2-1) – 1/n1-1(1-1/ εn1-1] МПа (7.1)
Р´i = Pc / ε-1 [λ / n2 – 1 (1-1/εn2-1) – 1/n1-1(1/ εn1-1] МПа (7.2)
Р´i =2.003/9.3-1[3.841/1.254-1(1-1/9.31.254-1)-1/1.368-1(1-1/9.31.368-1]= 1.209
Среднее индикаторное давление цикла для скугленной индикаторной диаграммы
Действительное среднее индикаторное давление рассчитывается с учетом коэффициента полноты индикаторной диаграммы и средних насосных потерь на газообмен.
Рi= Р’i×φпд-∆Pi , МПа (7.2)
Рi=1.209*0.955-0.0152= 1,139
где φпд – коэффициент полноты индикаторной диаграммы.
∆Pi - среднее давление насосных потерь на газообмен
∆Pi = Рr – Ра, МПа (7.3)
∆Pi =0.11-0.0948=0.0152
При проведении расчетов потери на газообмен учитываются в работе затрачиваемой на механические потери
Pi = Pi’• φпд, МПа (7.4)
Pi =1.209*0.955=1,154
Значения коэффициента полноты φпд ДсИЗ и дизелей приведены в таблице 7.1.
Таблица 7.1.
Тип двигателя и особенности смесеобразования Значения φпд
ДсИЗ с распределенным впрыскиванием бензина ε = (9…11)
n = 4000…5600 мин-1 0,94…0,97
ДсИЗ с центральным впрыскиванием бензина, карбюраторные 0,92…0,95
Дизели, камера в поршне, объемное или объемно-пристеночное смесеобразование, n = 2000…2800 мин -1 0,92…0,95
Дизели, камера в поршне, объемное или объемно-пристеночное смесеобразование n = 3000…4000 мин-1 0,90…0,92
Дизели с разделительными камерами сгорания:
Предкамерные
С вихревыми камерами 0,90…0,93
0,92…0,95
Значения Рi при работе при номинальной нагрузке
ДсИЗ 0,9…1,2 МПа
Карбюраторные 0,6…1,4 МПа
Дизели без наддува 0,7…1,1 МПа
Дизели с наддувом до 2,5 МПа
7.2. Индикаторный КПД
ηi = Рi • ℓ0 • а / Qи • ρ0 • ηV (7.6)
ηi =1,154*14.9*1/43.24*1.189*0.9657=0,339
ρ0 = ρк
7.3. Удельный индикаторный расход
gi = 3600/Qи • ηi г/кВт•ч (7.7)
gi = 3600/43.24*0.339=245
ДсИЗ
ηi = 0,28…0,38; gi = 215…290 г/кВт•ч
8.Опредление эффективных показателей двигателей.
8.1. Среднее давление механических потерь.
Среднее давление механических потерь в двигателе определяется по эмпирическим формулам с учетом числа цилиндров и отношением S/Д при полностью открытом дросселе и крайнем положении рейки топливного насоса ТНВД.
Рм = а + b • Сn (8.1)
0,0240,0053МПа
где Сn – средняя скорость поршня за один его ход в м/с;
а, b – постоянные коэффициенты, зависящие от типа двигателя и имеющие соответственно размер МПа и МПа•с/м.
Величина сn принимается по статистическим данным по прототипу или вычисляется, если ориентировочно известен ход поршня S и частота вращения n.
Сn = S•n/зо, м/с (8.2)
Сn =86*5200/3*104=14.9
Примерные значения средней скорости поршня Сn для различных типов двигателей на номинальном режиме приведены в таблице 8.1.
Таблица 8.1.
Тип двигателя nN, мин-1 Сn, м/с
Бензиновые двигатели грузовых автомобилей 3000…3500 8,0…10,5
Бензиновые двигатели легковых автомобилей 4000…6000 10,0…15,0
Дизели грузовых автомобилей 2000…2600 6,0…12,0
Дизели легковых и грузовых автомобилей 4000…4500 10,0…14,00
Значения коэффициентов а и b для различных двигателей приведены в таблице 8.2.
Таблица 8.2.
Тип двигателя а, МПа b, МПа • с/м
ДсИЗ с распределенным впрыскиванием бензина
ε = 9…11, n = 4000…5500 мин-1 0,024 0,0053
ДсИЗ карбюраторные и с центральным впрыскиванием бензина:
S/Д > 1, i < 6
S/Д < 1, i = 8
S/Д < 1, i < 6
0,049
0,039
0,034
0,0152
0,0132
0,0113
Дизели с камерой в поршне и Д ≤ 120 мм 0,090 0,012
Дизели с разделенными камерами сгорания:
С вихревой
С предкамерной
0,089
0,103
0,0135
0,0153
Среднее эффективное давление.
Среднее эффективное давление Ре определяется по среднему индикаторному давлению Рi и среднему давлению потерь Рм
Pe=Pi-Pм (8.3)
Pe=1.154-0.102=1,052
Механический КПД двигателя.
ηм=Ре/Рi (8.4)
ηм=1.052/1.154= 0.911
8.4 Эффективный КПД двигателя.
Эффективный КПД определяется по значениям индикаторного и механического КПД
ηе=ηi×ηm (8.5)
ηе=0.339*10.911= 0.30
8.5 Удельный эффективный расход топлива.
gе = gi/ηм г/кВт•ч (8.6)
gе = 3600/Qи • ηе г/кВт•ч
gе =3600/43.24*0.30=277.52
8.6. Часовой расход топлива
Gтд = gе • Nе • 10-3 кг/ч (8.7)
Gтд =277.52*118*10-3 =32.747 кг/ч
Примерные значения эффективных показателей двигателей приведены в таблице 8.3.
Таблица 8.3.
Тип двигателя Ре, МПа ηм ηе gе г/(кВт•ч)
ДсИЗ с распределенным впрыскиванием бензина 0,85..1,05 0,7…0,9 0,23…0,28 290…330
9. Определение основных параметров и показателей двигателя
9.1. Рабочий объем двигателя.
По заданным значениям эффективной мощности Ne при частоте вращения КВ nN, тактности двигателя τ и расчётному эффективному давлению определяем объём всех цилиндров (литраж двигателя).
Vᴧ=(30ῖ×Ne)/(Pc×n) (л)
(9.1)
Vᴧ=30*4*118/1.052*5200=2.58л
9.2.Рабочий объём цилиндра
Vh=Vл/i (л) (9.2)
Vh=2.58/4=0.645
где i – число цилиндров
9.3. Диаметр цилиндра
С учётом хода поршня S=86 предварительно принятого прототипа определяем диаметр цилиндра.
Дц=100〖∛(4V _(h )/πκ)〗_ (мм) (9.3)
Дц=1003√4*0.645/3.14*0.9=97 (мм)
(9.3)
где К – это отношение S/D
значение диаметра округляем до целых единиц
9.4. Площадь поршня
Fn=П〖Д_ц^² /4〗_
Fn=3.14*972/4= 73.86см2
9.5.Расчетный рабочий объем цилиндра
V_лд=π〖Д_ ^²∙s∙i /4〗_ ∙〖10〗^6 (9.5)
V_лд=3,14*97 2*86*4/4∙〖10〗^6=2.54л
9.6. Действительная мощность двигателя
N_ед=(P_(е )∙n)/(30τ∙V_лд ) квт
〖 N〗_ед=1.052*5200*2.54/30*4=115.7
Погрешность
∆=(N_е-N_ед)/N_е ∙100% (9.6)
∆=118-1115.7/118*100%=1.9%
9.7. Эффективный крутящий момент.
МN = 9550 • Nед / n, (Н м) (9.7)
MN=9550*115.7/5200=212.48(Hм)
9.8. Литровая мощность
Литровая мощность характеризует степень формирования двигателя
Nл = Nед / iVлд кВт/л (9.8)
Nл =115.7/2.54=45.55 кВт/л
В таблице 9.1. приведены примерные значения литровой мощности двигателей.
Таблица 9.1.
Тип двигателя Nл, кВт/л
ДсИЗ с распределительным впрыскиванием бензина ε = 9…11 nN > 5500 мин-1 35…55
ДсИЗ с центральным впрыскиванием ε = 8,5…10 nN > 4500 мин-1 25…45
ДсИЗ карбюраторные C 20…45
Дизели легковых и грузовых автомобилей СnN = 3000…400мин-1 20…28
Дизели грузовых автомобилей CnN < 3000мин-1 10…20
9.9. Показатели напряжённости двигателя.
Удельная поршневая мощность
Nn=Neд/ i • π D2 / 4 (кВт/дм2) (9.9)
где D – диаметр поршня, дм.
Nn=115.7/4*3.14*0.972/4=21.36 (кВт/дм2)
Значение удельной поршневой мощности для
ДсИЗ - 15…35кВт/дм2
Для дизелей - 15…25кВт/дм2
Удельная масса в килограммах на 1 кВт мощности двигателя
gN=Gдв/Nед (кг/кВт) (9.10)
193/115.7=1.66
Удельная литровая масса в килограммах на литр рабочего объема цилиндра
gn=Gдв/Nл (кг/л) (9.11)
Gдв /vh*4
193/0.645*4=74.8
Примерные значения удельной и литровой масс лежат в пределах
Для ДсИЗ
gN=1.6…6,0 кг/кВт ; gл=75…150кг/л
10 . Сравнение основных параметров двигателя и заданного прототипа
По результатам теплового расчета проводится технико – экономический анализ полученных основных показателей и параметров. (таблица 10.1)
Анализ должен завершаться выводами о преимуществах и недостатков проектируемого двигателя.
В случае значительных отклонений необходимо объяснить какими особенностями проектируемого двигателя эти показатели обеспечиваются.
Таблица 10.1
Вид двигателя параметры
Nе,
кВт nN
мин-1 Vh,
л ε S, мм D,
мм Nл
кВт/л Ре
МПа gе
г/кВт•ч
Проектируемый
Двигатель 115.7 5200 2.58 9.3 86 97 45.55 1.052 277.5
Прототип 118 5200 2.464 9.3 86 95.5 270
12 .Тепловой баланс двигателя.
В общем виде внешний тепловой баланс двигателя определяется из следующих составляющих
Q_о=Q_е+Q_г+Q_в+Q_(н.с.)+ Q_ост
где Q_о - общее количество теплоты, введенной в двигатель с
топливом, Дж/с;
Q_е- теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя за время 1 с, Дж/с;
Q_г- теплота, потерянная с отработавшими газами, Дж/с;
Q_в- теплота, передаваемая охлаждающей среде, Дж/с;
Q_(н.с.)- теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива, Дж/с;
Q_ост - неучтенные потери теплоты, Дж/с.
Общее количество теплоты определится по формуле
Q_о=(Q_H⋅G_m)/3.6 , Дж/c;
Q_о=43240*32.1/3.6=385556 Дж/с;
где G_m- часовой расход топлива,
G_m=N_e⋅g_e⋅〖10〗^(-3), кг/ч.
G_m=115.7*277.52*10-3=32.1
Теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя определится по формуле
Q_e=1000⋅N_e Дж/c.
Qe=1000*1115.7=115700
Теплота, потерянная с отработавшими газами, определится
по формуле
Q_г=G_m/3,6⋅[M_2⋅┤[ 〖(μc〗_v^" )_to^tr ├]⋅t_r-M_1 ┤[(〖μc〗_y )_to^tk+8,315├]⋅t_k ],Дж/с ;
Q_г=32.1/3.6*[0.538*[24.058]*727-0.0513[(20.839)+8.315]*20.759]=110158
где tr = T_r − 273, °С;
〖(μc〗_v^" )_to^tr- теплоемкость отработавших газов (определяется из
приложения табл. 3 для двигателей с искровым зажиганием, и
табл. 4 для дизелей), кДж/(кмоль⋅град);
(〖μc〗_y )_to^tk- теплоемкость свежего заряда. Определяется методом интерполяции исходя из следующих значений:
- при температуре t_k=0℃ (〖μc〗_y )_to^tk=20,759 кДж/(кмоль⋅град);
- при температуре t_k=100°С (〖μc〗_y )_to^tk=20,839 кДж/(кмоль⋅град).
Теплота, передаваемая охлаждающей среде, определится по
формуле:
- для двигателей с искровым зажиганием
Q_в=c⋅i⋅D^(1+2⋅m)⋅n^m⋅((Q_H-∆Q_H ))/(α⋅Q_H ),Дж/c;
Q_в=0.5*4*971+2*0.68*52000.68*(43340-0/0.98*43340)= 143447Дж/с;
где с - коэффициент пропорциональности, с = 0,45…0,53 для четырехтактных двигателей;
i - число цилиндров;
D - диаметр цилиндра, см;
n - частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1;
m - показатель степени, m = 0,5…0,7 для четырехтактных двигателей.
Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания
топлива, определится по формуле
Q_(H.C.)=(〖∆Q〗_H⋅G_m)/3,6,Дж/с
Q_(н.с.)=0 Дж/с;
Неучтенные потери теплоты определятся по формуле
Q_ост=Q_о-(Q_е+Q_г+Q_в+Q_(н.с.) ),Дж/с.
Q_ост = 385556 – (115700+ 110158 +143447)=16251
Составляющие теплового баланса сводятся в табл. 2.1, приведенной в расчетно-пояснительной записке.
Таблица 2.1
Составляющие теплового баланса Q,Дж/с
Общее количество теплоты, введенной в двигатель с
Топливом
385556
Теплота, эквивалентная эффективной работе 115700
Теплота, эквивалентная эффективной работе 110158
Теплота, передаваемая охлаждающей среде 143447
Теплота, потерянная из-за химической неполноты
сгорания топлива 0
Неучтенные потери теплоты 16251
Тепловой баланс в процентах по отношению ко всему количеству подведенной теплоты
qе + qохл + qог + qн.с + qост=100%
qe= (115700×100)/385556= 30.01%
qв= (110158×100)/385556= 28.57%
qог= (143447×100)/385556 = 37.2% (12.12)
qн.с= (Qн.с×100)/Qo = 0%
qост=(16251×100)/385556 =4.21%
30.01+28.57+37.2+0+4.21=100%
Средние значения отдельных составляющих внешнего теплового баланса, отнесенные к теплоте, введенной с топливом при работе двигателя на номинальном режиме приведены в таблице 12.1.
Примерные значения отдельных составляющих внешнего теплового баланса (в процентах)
Таблица 12.1
Двигатели qe qохл qoг Qн.c qост
ДсИЗ 22…30 20…35 30…55 0…45 3…10
Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания прототипа ЗМЗ 40522.10
Курсовая работа по предмету «Транспорт»