Расчет двигателя внутреннего сгорания

                       МИНЕСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Автомобили»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема задания: «Расчет двигателя внутреннего  сгорания»

 

Семестровое задание по курсу

 

«Тепловые двигатели»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проверил:

Драгунов Г.Д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Челябинск

ВВЕДЕНИЕ

Прогресс в автомобильной промышленности, дальнейшее увеличение грузооборота 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  автомобильных двигателей основными  задачами являются: расширение использования  двигателей, снижение расхода топлива и удельной массы двигателей, стоимости их производства и эксплуатации. На принципиально новый уровень ставится борьба с токсичными выбросами двигателей в атмосферу, а также задачи по снижению шума и вибрации в процессе их эксплуатации. Значительно больше внимания уделяется использованию электронно-вычислительных машин при расчетах и испытаниях двигателей. В настоящее время вычислительная техника широко используется на моторостроительных заводах, в научно-исследовательских центрах, конструкторских и ремонтных организациях, а также высших учебных заведениях.

Выполнение сегодняшних  задач требует от специалистов, связанных  с производством и эксплуатацией  автомобильных двигателей, глубоких знаний теории, конструкции и расчета  двигателей внутреннего сгорания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

Таблица 1. Исходные данные

Тип двигателя	Карбюраторный 4х-тактный
Прототип	ВАЗ
Мощность (Ne)	55 КВт
Частота вращения (n)	5600 об/мин
Расположение и количество цилиндров	4, рядное

Таблица 2. Данные необходимые  для расчета

Давление окружающей среды (P0)	0.1013 МПа
Давление перед впускными  клапанами (PK)	0,1013 МПа
Температура окружающей среды (Т0)	293 К
Степень сжатия (ε)	8,5
Низшая теплота сгорания (Нu)	44 МДж/кг
Коэффициент наполнения (ηv)	0,79
Давление остаточных газов(Pr)	0,11 МПа
Температура остаточных газов (Тr)	1000 K
Подогрев свежего заряда (ΔТ)	20 К
Массовая доля углерода в топливе (С)	0,855
Массовая доля водорода в топливе (Н)	0,145
Массовая доля кислорода  в топливе (О)	0
Коэффициент избытка  воздуха (α)	0,87
Отношения радиуса кривошипа  к длине шатуна (λ)	1/36
Показатель политропы  сжатия (n1)	1,37
Показатель характера  сгорания (m)	3,5
Продолжительность сгорания (φ2)	50
Показатель политропы  расширения (n2)	1,32
Коэффициент эффективности  сгорания(ξ)	0,9
Понижение температуры  в охладителе надувочного воздуха	0
Показатель политропы  сжатия в компрессоре	1
Угол опережения воспламенения(θ)	25
Шаг расчета процесса сгорания(Δφ)	5

 

1.2 Расчет процесса впуска

1) Температура воздуха  после компрессора: T_к´=T₀=293 (K)

2) Температура воздуха  охладителя надувочного воздуха: T_k=T₀=293 (K)

3) Давление рабочего  тела в конце впуска:

(МПа)

4) Коэффициент остаточных  газов:

5) Температура рабочего тела в конце впуска:

6) Теоретически необходимое  количество воздуха для сгорания 1 кг топлива в килограммах:

7) Удельный объем рабочего  тела в конце впуска:

 

1.3 Расчет процесса сжатия

Параметры рабочего тела в процессе сжатия определяются по уравнениям политропного процесса.

1) Текущие значения  давления определяем по зависимости:

, где n₁=1,37

где V – текущие значения удельного объема

 

 

2) Текущие значения удельного объема определяем по зависимости:

где σ – кинематическая функция перемещения поршня

3) Текущие значения  температуры определяем по зависимости:

,где n₁=1,37.

Таблица 3. Параметры рабочего тела в процессе сжатия при повороте коленвала на угол α

α, град	σ	V, м3/кг	P, МПа	T, К
0	0	0,1261	1,6408	767,27
5	0,0049	0,1284	1,6111	762,16
10	0,0194	0,1351	1,5026	747,95
15	0,0434	0,1465	1,3448	725,86
20	0,0766	0,1622	1,1697	699,03
25	0,1186	0,1822	0,9975	669,59
30	0,1689	0,2058	0,8442	640,09
40	0,2919	0,2639	0,6004	584,56
50	0,4398	0,3338	0,4352	535,21
60	0,6059	0,4123	0,3258	494,98
70	0,7830	0,4959	0,2530	462,29
80	0,9639	0,5814	0,2035	435,87
90	1,1419	0,6655	0,1691	417,07
100	1,3122	0,7460	0,1446	397,47
110	1,4670	0,8192	0,1272	383,94
120	1,6059	0,8848	0,1145	373,15
130	1,7254	0,9413	0,1052	364,70
140	1,8240	0,9878	0,0984	359,57
150	1,9010	1,0242	0,0936	353,49
160	1,9560	1,0502	0,0905	350,22
170	1,9890	1,0658	0,0887	348,32
180	2,000	1,0710	0,0881	347,69

Объем, давление, и температура  для α = 25 соответствует параметрам рабочего тела V_y, P_y, T_y в конце сжатия

4) Удельная работа  политропного процесса сжатия:

 

 

1.4 Расчет процесса сгорания

1) Фактор теплоемкости:

для

2) Общая удельная использованная  теплота в процессе сгорания:

3) Максимальное значение  химического коэффициента молекулярного  изменения:

где

Тогда

4) Максимальное значение  действительного коэффициента молекулярного  изменения:

Расчет текущих давлений и температур ведется по элементарным участкам 1-2 с шагом Δφ=5.

Давление в конце  участка 1-2(при расчете вречную при постоянном отношении теплоемкостей К=const) определяется по зависимости:

Температура:

 

В этих уравнениях:

V₁ – удельный объем рабочего тела в начале участка.

V₂ – удельный объем рабочего тела в конце участка.

P₁ – давление в начале участка.

x₁ – доля выгоревшего топлива в начале( для первого участка x₁=0),

x₂ – тоже для конца участка, определяемая по зависимости:

φ₁ – угол ПКВ, отсчитываемый от начала сгорания до конца участка φ₂ = α₂ + θ

φ₂ – угол ПКВ от ВМТ до конца участка

β_1-2 – среднее значение действительного коэффициента молекулярного изменения.

β₁ – значение в начале участка

β₂ – значение в конце участка, определяемое по зависимости:

Все расчеты приведены  в таблице 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 4. Показатели процесса сгорания

φ, град ПКВ	α, град ПКВ	V2, м3/кг	KV2	V1, м3/кг	KV2 – -V1	KV1 – -V2	P1, МПа	P1(KV1 -V2)	x2	Δx	2qZΔx	[9]+[12]	P2=[13]/[6]	β1-2	T2, К
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
0	-25	0,182	1,437	0,18	1,257	1,237	0,990	1,225	0	0	0	1,2256	0,9745	1	667,43
5	-20	0,162	1,280	0,182	1,098	1,275	0,974	1,242	0,0002	0,0002	0,0009	1,2437	1,1320	1,0000	690,77
10	-15	0,146	1,157	0,162	0,994	1,134	1,132	1,284	0,0049	0,0047	0,0206	1,3046	1,3116	1,0002	722,80
15	-10	0,135	1,067	0,146	0,920	1,021	1,311	1,340	0,0301	0,0252	0,1105	1,4507	1,5755	1,0015	799,91
20	-5	0,128	1,013	0,135	0,878	0,939	1,575	1,479	0,1058	0,0756	0,2	1,8106	2,0621	1,0061	989,44
25	0	0,126	0,995	0,128	0,866	0,887	2,062	1,829	0,2630	0,1572	0,6888	2,5184	2,9059	1,0165	1355,05
30	5	0,128	1,013	0,126	0,887	0,866	2,905	2,518	0,5001	0,2370	1,0383	3,5567	4,0087	1,0343	1870,98
35	10	0,135	1,067	0,128	0,939	0,878	4,008	3,519	0,7503	0,2501	1,0958	4,6157	4,9154	1,0562	2366,48
40	15	0,146	1,157	0,135	1,021	0,920	4,915	4,526	0,9203	0,1700	0,7449	5,2711	5,1590	1,0751	2644,79
45	20	0,162	1,280	0,146	1,134	0,994	5,159	5,131	0,9864	0,0660	0,2892	5,42085	4,7792	1,0858	2685,83
50	25	0,182	1,437	0,162	1,278	1,098	4,779	5,250	0,9989	0,0125	0,0550	5,3059	4,1606	1,0893	2615,77

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5) Отвлеченная скорость сгорания  определяется по зависимости:

Произведем расчет для  некоторых углов φ:

Таблица 5. Значения отвлеченной скорости сгорания

φ	ω0
0	0
5	0,0009
10	0,022
15	0.13
20	0,45
25	1,01
30	1,55
35	1,55
40	0,906
45	0,26
50	0,031

 

6) Удельная работа  газов в процессе сгорания  определяется по зависимости:

где n – число элементарных участков процесса сгорания.

Определение удельной работы процесса сгорания целесообразно выполнить  с помощью таблицы:

Таблица 6. Определение  удельной работы процесса сгорания

α, град ПКВ	V2, м3/кг	V1, м3/кг	P2, МПа	P1, МПа	V2-V1
-25	0,182	0,180	0,974	0,990	0,002	0,98	0,002
-20	0,162	0,182	1,132	0,974	-0,019	1,05	-0,020
-15	0,146	0,162	1,311	1,132	-0,015	1,22	-0,019
-10	0,135	0,146	1,575	1,311	-0,011	1,44	-0,016
-5	0,128	0,135	2,062	1,575	-0,006	1,81	-0,012
0	0,126	0,128	2,905	2,062	-0,002	2,48	-0,005
5	0,128	0,126	4,008	2,905	0,002	3,45	0,008
10	0,135	0,128	4,915	4,008	0,006	4,46	0,030
15	0,146	0,135	5,159	4,915	0,011	5,03	0,057
20	0,162	0,146	4,779	5,159	0,015	4,96	0,078
25	0,182	0,162	4,160	4,779	0,019	4,46	0,088
lyz							0,190

 

7) Теперь по результатам расчета  процесса сгорания построим графики  давления, температуры, доли сгоревшего  топлива и отвлеченной скорости  сгорания в зависимости от  угла ПКВ.

Рисунок 1. График зависимости  давления от угла ПКВ

Рисунок 2. График зависимости  температуры от угла ПКВ

Рисунок 3. График зависимости  отвлеченной скорости сгорания от угла ПКВ

Рисунок 4. График зависимости  доли сгоревшего топлива от угла ПКВ

 

 

 

1.5 Расчет процесса расширения

Давление и температуру  в процессе расширения определяют по уравнениям политропного процесса:

Удельная работа в  процессе расширения:

 

1.6 Определение  индикаторных показателей цикла

1) Удельная работа  цикла

2) Среднее индикаторное  давление цикла:

3) Индикаторный КПД  цикла:

4) Индикаторный удельный  расход топлива:

 

1.7 Определение эффективных показателей  двигателя, диаметра цилиндра  и хода поршня.

1) Среднее давление  механических потерь определим  по зависимости:

где a и b – эмпирические коэффициенты(для нашего случая a=0,08;b=0,016)

- средняя скорость поршня( S – ход поршня (принимается по прототипу); n – частота вращения(принимается по заданию))

Тогда

2) Эффективный КПД

где η_м – КПД механических потерь

P_e=P_i – P_M = 1,043 – 0,3184 = 0,725

Тогда

3) Удельный эффективный расход топлива

4) Диаметр цилиндра

где τ, i – тактность двигателя и число цилиндров двигателя

5) Ход поршня

6) Средняя скорость  поршня

Расхождение со значением  средней скорости поршня вычисленной  в первом случае: 1,2%

 

7) Рабочий объем цилиндра