Расчет рабочих процессов бензинового четырехтактного карбюраторного двигателя

Контрольная работа №1.

Расчет рабочих процессов бензинового четырехтактного карбюраторного двигателя.

 

Таблица 1.  Исходные данные.

 

 

 

Показатели	Значения
Номинальная мощность , кВт	100
Число цилиндров, шт	6
Расположение цилиндров, °	V90
Тип двигателя	Карбюраторный
Частота вращения коленчатого вала, об/мин	4000
Степень сжатия	7,5
Коэффициент избытка воздуха	0,85

 

 

 

 

1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ.

1.1. Выбор исходных  данных.

1.1.1. Топливо.

 

Степень сжатия проектируемого двигателя ε =7,5. В качестве топлива выбираем бензин марки А-76.

Элементарный состав топлива: С+Н+О=1

где C=0,855; H=0,145; О=0.

Молекулярная масса топлива: МT = 115 (кг/кмоль).

Низшая теплота сгорания топлива:

Нu  = 33,91 C + 125,60 H  - 10,89 (O - S)  - 2,51 (9 H + W);

Нu  = 33,91* 0,855 + 125,60 * 0,145  - 2,51 (9 * 0,145)  =  43930  (кДж/кг).

1.1.2. Параметры рабочего тела.

 

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива:

L0 = 1/0,208 ( С/12 + Н/4 – О/32) = 1/0,208 + (0,855/12 + 0,145/4 ) =

     =  0,516    ( кмоль возд./кг топл.)

l0 = μв * L0 , где μв – масса 1 кмоль воздуха  (28,9 кг/моль).

l0 = 28,9 * 0,517 = 14,941   (кг возд./кг топл.)

 

Далее расчет ведем для режима максимальной мощности. Для остальных расчетов результаты сводим в таблицу 2.

Коэффициент избытка воздуха   α  = 0,85 (из задания).

Горючая смесь состоит из воздуха и испарившегося воздуха  и определяется:

М1 = α Lo + 1/ Мт

Количество горючей смеси:

М1  =  0,85*0,517 + 1/115 = 0,448 ( кмоль/кг).

 

При неполном сгорании топлива (α < 1 ) продукты сгорания представляют собой смесь окиси углерода (СО), углекислого газа (СО2) , водяного пара (Н2О), свободного водорода (Н2) , и азота (N2) . Количество отдельных составляющих продуктов сгорания и их сумма при  К=0,5 (К - постоянная зависящая от отношения количества водорода к окиси углерода, содержащихся в продуктах сгорания cоставляет для бензина 0,45 – 0,5. Примем к = 0,5 ):

МСО =2*[(1-a)/(1+K)]*0,208*Lo;

МСО = 2* [ (1- 0,85)/(1+ 0,5) ]*0,208*0,517 = 0,022 (кмоль/кг топл.)

МСО

=С/12 - 2*[(1-a)/(1+K)]*0,208*Lo;

МСО =  0,855/12-2*[(1-0,85)/(1+0,5)]*0,208*0,517 = 0,049 (кмоль/кг топл.)

МН

=2*К*[(1-a)/(1+K)]*0,208*Lo;

МН = 2*0,5*[(1-0,85)/(1+0,5)]*0,208*0,517 =  0,011 (кмоль/кг топл).

МН

О=Н/2-2*К*[(1-a)/(1+K)] *0,208*Lo

МН О = 0,145/2-2*0,5*[(1-0,85)/(1+0,5)]*0,208*0,517=0,062 (кмоль/кг топл).

МN

=0,792*a Lo;

МN =  0,792*0,85*0,517 = 0,347 (кмоль/кг топл.)

 

Суммарное количество продуктов сгорания:

М2 =  МСО+МСО

+МН + МН О + МN ;

М2 =  0,022+0,049+0,011+0,062+0,347 = 0,491 (кмоль/кг топл).

Проверка:

М2 = С/12+Н/2+0,792*a*Lo;

М2 = 0,855/12+0,145/2+0,792*0,85*0,517 = 0,491 (кмоль/кг топл).

 

 

Таблица 2. Результаты расчетов рабочего тела.

Параметры	Рабочее тело
	Карбюраторный двигатель
n	1000	2000	3000	4000
a	0,86	0,95	0,97	0,85
М1	0,453	0,500	0,510	0,448
МСО	0,051	0,064	0,067	0,049
МСО	0,020	0,007	0,004	0,022
МН О	0,063	0,069	0,071	0,062
МН	0,010	0,004	0,002	0,011
МN	0,352	0,389	0,397	0,347
М2	0,496	0,533	0,541	0,491

 

1.1.3. Параметры  окружающей среды и остаточных  газов.

Атмосферное давление и температура окружающей среды при работе двигателя без наддува:

po=0,101 МПа; To=293 К. Температуру остаточных газов принимаем на основании опытных данных по рис.1:

Об/мин.	1000	2000	3000	4000
Тr , K	900	960	1000	1025

 

Давление остаточных газов Pr за счёт расширения фаз газораспределения и снижения сопротивлений при конструктивном оформлении выпускных трактов рассчитываемого двигателя можно принять на номинальном скоростном режиме:

РrN = 1,18* Р0 = 1,18 * 0,101 = 0,118 (МПа).

Рис.1 Исходные данные для теплового расчета карбюраторного двигателя.

Ар = (РrN - Р0*1,035) *108/(nN2*Р0)

Ар  =  (0,118 – 0,101*1,035)*108/40002*0,101 = 0,8.

Находим давление остаточных газов Рr:

Рr  = Р0* (1.035+ Ар*10-8*n2)

Рr = 0,101* (1,035+0,8*10-8*40002) = 0,117 (МПа).

1.2. Процесс впуска.

Температура подогрева свежего заряда. С целью получения хорошего наполнения двигателей на номинальных скоростных режимах принимается ΔTN = 8 °С для карбюраторного двигателя. Тогда на остальных режимах значения ΔT рассчитываются по формуле:

ΔT = AT (110 – 0,0125n) = 0,13·50 = 6,67 (К);

где AT = ΔTN / (110 – 0,0125 nN) = 8 / (110 – 0,0125·4000) = 0,13;

Плотность заряда на впуске:

ρо = р0 *106 /(RВ*TО) = 0,101*106/(287*293) = 1,189 (кг/м3)

где Rв = 287 Дж/(кг·град) – удельная газовая постоянная для воздуха

Потери давления на впуске. В соответствии со скоростными режимами (n = 4000 мин –1) и при учёте качественной обработки внутренних поверхностей впускных систем можно принять для карбюраторного двигателя :

β2 + ξвп = 2,8  и  ωвп = 95 м/с.

Тогда ΔРа на всех скоростных режимах двигателей рассчитывается по формуле:

ΔPа = (β2 + ξ вп) A2nn2 p010-6 /2

где An = wвп / nN ;   при nN = 4000 мин –1,

ΔPа = 2,8*0,0242*40002*1,189*10-6/2 = 0,016 (МПа)

Давление в конце впуска в карбюраторном двигателе:

при nN = 4000 мин –1:

Pa = P0 − ΔPa = 0,101− 0,016 = 0,085 (МПа);

Коэффициент остаточных газов. При определении  γr для карбюраторного двигателя без надува принимается коэффициент очистки:

φоч = 1,

а коэффициент дозарядки на номинальном скоростном режиме:

φдоз = 1,10

 что вполне возможно получить при подборе угла опаздывания закрытия впускного клапана в пределах 30…60°. При этом на минимальном скоростном режиме (n = 1000 мин –1) возможен обратный выброс в пределах 5 %, т.е.:

φдоз = 0,95.

 На остальных режимах  значения φдоз можно получить, приняв линейную зависимость φдоз от скоростного режима. Тогда при nN = 4000 мин -1:

gr = T0 + DT/Tr* φоч Pr /e φдоз Pa - φоч Pr = (285+8)/1025 * 0,118/(7,5*1,1*0,084- 0,118)    = 0,059 ;

Температура в конце впуска в карбюраторном двигателе:

Та = (To +DТ + γr*Тr)/(1+ γr);

Та = (293+8+0,059*1025)/(1+0,059) = 341,3 (К).

Коэффициент наполнения карбюраторного двигателя:

hv = To/ (To +DТ)*1/e - 1 *1/P0 *(e φдоз Pa - φоч Pr)

hv = 285/(285+8)*1/(7,5 – 1)*1/1,189*(7,5*1,1*0,084 - 1*0,118) = 0,070

Таблица 3. Результаты расчетов процесса впуска

Параметры	Процесс впуска
	Карбюраторный двигатель
n	1000	2000	3000	4000
a	0,86	0,95	0,97	0,85
Tr	900	960	1000	1025
Pr	0,105	0,108	0,112	0,117
DT	12,675	11,050	9,425	6,670
DPа	0,001	0,004	0,009	0,016
Pа	0,100	0,097	0,092	0,085
φдоз	0,95	1,00	1,05	1,10
Параметры	Процесс впуска
	Карбюраторный двигатель
gr	0,056	0,053	0,054	0,059
hv	0,887	0,938	0,933	0,070
Та	337,192	337,066	338,164	341,300

Таблица 3. Результаты расчетов процесса впуска (продолжение)

1.3. Процесс сжатия

Средние показатели адиабаты сжатия при работе двигателя на номинальном режиме определяем по номограмме (рис.2 стр.11)

при e = 7,5 и Та = 341,3 К: k1 = 1,378 (при 4000 об/мин);

средний показатель политропы сжатия принимаем несколько меньше k1 :

n1= k1-0,02 = 1,358

Давление в конце сжатия:

рс = ра* e n 1;

рс =0,085*7,51,358 =  0,085*15,43 = 1,31 (МПа).

Температура в конце сжатия:

Тс = Та*e( n 1-1) ;

Тс =341,3*7,5(1,358-1) = 341,3*2,06 = 702,11 (К).

tc = Тс – 273;

tc = 702,11 - 273=429,11 0C.

 

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:

Рис.2 Номограмма для определения показателя адиабаты сжатия k1

  

 

 

 

 

а) свежей смеси (воздуха) для карбюраторного двигателя:

при nN = 4000 мин–1

 (mC ) = 20,6 + 2,638*10-3*tc = 20,6 + 2,638*10-3*429,11 =

                  =  21,73 (кДж/(моль* град)) ;

при n = 3000 мин–1

Тс = 338,164*7,5(1,358-1) = 338,164*2,06 = 696,62 (К)

tc = 696,62 – 273 = 423,62 0C

(mC ) = 20,6 + 2,638*10-3*tc = 20,6 + 2,638*10-3*423,62 =

                  =  21,72 (кДж/(моль* град)) ;

 

при n = 2000 мин–1

Тс = 337,066*7,5(1,358-1) = 337,0966*2,06 = 694,36 (К)

tc = 694,36 – 273 = 421,36 0C

(mC

) = 20,6 + 2,638*10-3*tc = 20,6 + 2,638*10-3*421,36 =

                  =  21,71 (кДж/(моль* град)) ;

 

при n = 1000 мин–1

Тс = 337,192*7,5(1,358-1) = 337,192*2,06 = 694,62 (К)

tc = 694,62 – 273 = 421,62 0C

(mC

) = 20,6 + 2,638*10-3*tc = 20,6 + 2,638*10-3*421,62 =

                  =  21,71 (кДж/(моль* град)) ;

б) остаточных газов

при nN = 4000 мин–1

 (mC ) определяем методом интерполяции (таблица 4 стр.14)

a = 0,85;     tc = 429,11 0С

(mC )   = 23,303 + (23,707 – 23,303) * 29/100 = 23,42 (кДж/кмоль*град)

23,303 и 23,707 значения при 400 и 500 0С соответственно.

при n = 3000 мин–1

a = 0,97;    tc = 423,62 0С

(mC )t0400  = 23,586 + (23,712 – 23,586) *0,02/0,05 = 23,64

 (mC )t0500  = 24,014+ (24,15 – 24,014) *0,02/0,05 = 24,07

(mC )t0tc  = 23,64 + (24,07 – 23,64) *23,62/100 = 23,74

при n = 2000 мин–1

a = 0,95;    tc = 421,36 0С

23,586 и 24,014 из таблицы

(mC )t0tc  = 23,586 + (24,014 – 23,586) *21,36/100 = 23,68

при n = 1000 мин–1