На главную

Курсовая работа: Тепловой расчет ДВС


Курсовая работа: Тепловой расчет ДВС

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А. Н. ТУПОЛЕВА.

КАФЕДРА АД и С

 

Расчетно-пояснительная записка к курсовой работе

«Тепловой расчет ДВС»

по дисциплине «Автомобильные двигатели»

Выполнил: студент гр. 1372

Маркин А.В.

Руководитель:

Березовский А.Б.

Казань 2007


ОГЛАВЛЕНИЕ.

1.  Выбор расчетных режимов. 3

2.  Топливо. 4

3.  Параметры рабочего тела. 4

4.  Параметры окружающей среды и остаточные газы. 5

5.  Процесс пуска. 5

6.  Процесс сжатия. 7

7.  Процесс сгорания. 8

8.  Процесс расширения. 10

9.  Процесс выпуска. 10

10.  Индикаторные параметры рабочего цикла. 11

11.  Эффективность параметров двигателя. 11

12.  Основные параметры цилиндров и двигателей. 12

13.  Построение внешней скоростной характеристики (график). 18-19

14.  Построение расчетной индикаторной диаграммы (график). 20

15.  Скругление расчетной индикаторной диаграммы (график). 20

16.  Список используемой литературы. 21


Исходные данные.

1.  Мощность двигателя, Ne = 87 кВт;

2.  Частота вращения коленчатого вала, nN = 6000 об/мин;

3.  Тактность двигателя, τ = 4;

4.  Количество цилиндров, i = 4;

5. Степень сжатия, ε = 10,3;

6.  Тип охлаждения – жидкостное.

Режимы для проведения теплового расчета:

а) режим минимальной частоты вращения nmin = 1000об./мин.

б) режим максимального крутящего момента nM =0,53nN = 3200 об./мин.

в) режим максимальной (номинальной) мощности nN = 6000об./мин.

г) режим максимальной скорости движения автомобиля

 nmax = 1.05nN = 6300 об./мин.

Подбор аналогов

Величина

Проектируемый

двигатель

Ne, кВт 86/4/6000
Ме, Н*м 136,2/6000
ε 10,3
Vл, л 1,9
D/S 88/78
Nл = Nе/Vл 45,1

Тепловой расчет двигателя

Расчет проводится для заданной частоты вращения коленчатого вала карбюраторного двигателя n = 6000об/мин.

Топливо. В соответствии с заданной степенью сжатия ε = 10,3 можно использовать бензин марки АИ-93. ПРЕМИУМ-95 и АИ-98 ЭК

Средний элементарный состав и молекулярная масса бензина

С = 0,855; Н = 0,145; mт = 115 кг/кмоль.

Определим низшую теплоту сгорания топлива

Нu = 33,91С+125,60Н-10,89(O-S)-2,51(9H+W) = 33,91*0,855+125,6*0,145-2,51*9*0,145 = 43,93 МДж/кг = 43930кДж/кг.

Параметры рабочего тела. Теоретическое необходимое количество воздуха для сгорания 1кг. топлива

кмоль возд/кг топл.

кмоль

возд./кг топл.

Коэффициент избытка воздуха α = 0,96 на основных режимах

(литература 1). На режимах минимальной частоты вращения α = 0,86.

Количество горючей смеси.

 кмоль гор.см./кг. топл.

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания при К = 0,5

кмольСО2/кгтопл.

 кмольСО/кгтопл.

 

кмольН2О/кгтопл.

 

кмольН2/кгтопл.

 кмольN2/кгтопл.

Общее количество продуктов сгорания:

 М2 = МСО2 + МСО + МН2О + МН2 + МN2 = C/12 + H/2 + 0,79αL0 = 0,0655 + 0,0057 + 0,0696 + 0,0029 + 0,3923 = 0,5361 кмоль пр.сг/кг топл.

Результаты занесем в таблицу

параметры Рабочее тело; карбюраторный двигатель
n, мин-1  1000  3200  6000  6300
 α  0,86  0,96  0,96  0,96
М1 кмоль. гор.см./кг.топл.  0,4525  0,5041  0,5041  0,5041
МСО2 кмоль СО2/кг.топл.  0,0512  0,0655  0,0655  0,0655
МСО кмоль СО/кг.топл.  0,0200  0,0057  0,0057  0,0057
МН2О кмоль Н2О/кг.топл.  0,0625  0,0696  0,0696  0,0696
МН2 кмоль Н2/кг.топл.  0,0100  0,0029  0,0029  0,0029
МN2 кмоль N2/кг.топл.  0,3515  0,3923  0,3923  0,3923
М2 кмоль пр.сг/кг.топл.  0,4952  0,5361  0,5361  0,5361

Параметры окружающей среды и остаточные газы.

Давление и температура окружающей среды при работе двигателей без наддува

Рк = Ро = 0,1 МПа и Тк = То = 293 К

Температура остаточных газов.

(рис. 5.1 литература 1 принимаем).

При номинальных режимах карбюраторного двигателя Тr = 1070 К

Давление остаточных газов.

Для карбюраторного двигателя на номинальном скоростном режиме:

PrN = 1,18 Po = 1,18*0,1 = 0,118 МПа.

Процесс пуска.

Температура подогрева свежего заряда. С целью получения хорошего наполнения карбюраторных двигателей на номинальных скоростных режимах принимается Δ ТN = 8ºС. (1)

Плотность заряда на выпуске.

Ρr = Ро *106 / (RBTO) = 0,1*106 / (287*293) = 1,189 кг / м3,

где RB – 287 Дж / (кг.град.) – удельная газовая постоянная для воздуха.(1)

Потери давления на впуске.

При учете качественной обработки внутренних поверхностей впускных систем для карбюраторного двигателя можно принять β2 + ξВП = 2,8 и

ωВП = 95 м/с.

β – коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра.

ξВП – коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому ее сечению.

ωВП – средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы. (1)

Тогда ΔРа на всех скоростных режимах двигателя рассчитывается по формуле:

ΔРа = (β2 + ξвп) А2nn2ρо10-6/2, где Аn = ωвп / nN

Аn = 95 / 6000 = 0,0158

ΔРа = 2,8 * 0,01582 * 60002 * 1,189 * 10-6 / 2 = 0,0150

Давление в конце пуска.

В карбюраторном двигателе при nN = 6000 мин-1.

Ра = Ро – ΔРа = 0,1 – 0,0150 = 0,085 Мпа.

Коэффициент остаточных газов.

При nN = 6000 мин-1.

φоч = 1 – коэффициент очистки.

φдоз = 1,12 – коэффициент дозарядки на номинальном скоростном режиме.

Температура в конце впуска.

Та = (То + ΔТ + γr * Tr) / (1 + γr) = (293+8+0,0385*1070) / (1+0,0385) = 329

Коэффициент наполнения.

Результаты вычислений занесем в таблицу.

 параметры  Процесс впуска и газообмена
 n, мин-1  1000  3200  6000  6300
 α  0,86  0,96  0,96  0,96
 Тr , K  900  1010  1070  1080
 Pr , Mpa  0,1039  0,1076  0,118  0,1195
 ΔT , ºC  22,29  16  8  7,14
 ΔPa , Mpa  0,0004  0,0043  0,0150  0,0166
 Pa , Mpa  0,0996  0,0957  0,085  0,0834
 φ , доз  0,95  1,025  1,12  1,13
 γ  0,0418  0,0365  0,0385  0,0390
 Та , К  339  334  329  329
 ηv  0,8699  0,9207  0,9255  0,8939

Процесс сжатия.

При ε = 10,3 и Та = 329 К, nN = 6000 мин-1 определяем по монограмме средний показатель адиабаты сжатия к1 = 1,3765 и средний показатель политропы сжатия n1 = 1,37. (1)

Давление в колнце сжатия.

При nN = 6000 мин-1

Рс = Раεn = 0,085*10,31,376 = 2,1036 Мпа.

Температура в конце сжатия.

Тс = Таεn-1 = 329*10,31,376-1 = 792 К.

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия.

а) свежей смеси (воздуха)

20,6 + 2,638 * 10-3 * tc , где tc = Тс - 273 ºС

20,6 + 2,638 * 10-3 * 519 = 21,969 кДж / (кмоль град).

б) остаточных газов

определяется методом интерполяции по табл. 3.8 при nN = 6000 мин-1 , α = 0,96 и tc = 519 ºС.

 (1)

(m) = 24,014+(24,150 – 24,014)*0,01/0,05 = 24,0412 кДж/(кмоль град).

(m) = 24,44+(24,586 – 24,44)* 0,01/0,05 = 24,469 кДж/(кмоль град).

(m) = 24,041+(24,469 – 24,041)* 19/100 = 24,122 кДж/(кмоль град).

в) рабочей смеси

 кДж/(кмоль град).

(m) =  кДж/(кмоль град).

Результаты вычислений заносим в таблицу.

 параметры  Процесс сжатия
 n, мин-1  1000  3200  6000  6300
 к1  1,3751  1,3757  1,3765  1,3766
 n 1  1,370  1,373  1,376  1,376
 Рс , МПа  2,4309  2,3532  2,1036  2,0655
 Тс , ºК  803  796  792  792
 tc , ºС  530  523  519  519
 (m. cv)to  21,998  21,980  21,969  21,968

 (m)to

 24,169  24,141  24,122  24,121

 (m)to

 22,085  22,056  22,049  22,049

Процесс сгорания.

Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси:

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания:

ΔНu = 119950*(1-α)*L0 кДж/кг. = 119950*(1-0,96)*0,516 = 2476 кДж/кг.

Теплота сгорания рабочей смеси:

Нраб.см. =  кДж/кмоль раб.см.

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания:

(m)=

кДж/кмоль град.

Определяется по эмпирическим формулам таб. 3.7 литература 1.

(m)= *[0,0655*(39,123+0,003349tz)+0,0057*(22,49+0,00143tz)+0,0696*(26,6++0,004438tz)+0,0029*(19,678+0,001758tz)+0,3923*(21,951+0,001457tz)=24,657+ 0,002077tz] кДж/кмоль град.

Коэффициент использования теплоты ξz принимаем = 0,88:

(1)

Температура в конце видимого процесса сгорания: при n = 6000 мин

ξz Нраб.см + (m) tc = μ(m)tz :

 0,88*79193+22,049*519 = 1,061*(24,657+0,002077) tz,

 0,002204+26,165 tz – 81132 = 0, откуда

 tz =

 = 2552 ºС;

Tz = tz + 273 = 2825 К;

Максимальное давление сгорания теоретическое:

pz = pc*μ* Tz/ Тс = 2,1036*1,061*2825/792 = 7,963 МПа.

Максимальное давление сгорания действительное:

Pzд = 0,85* pz = 0,85*7,963 = 6,7689 МПа.

Степень повышения давления:

λ = pz/ pc = 7,963/2,1036 = 3,786.


 параметры  Процесс сгорания
 n, мин-1  1000  3200  6000  6300
 μ0  1,0945  1,0635  1,0635  1,0635
 μ  1,0907  1,0613  1,0612  1,0611
ΔН , кДж/кг  8665  2476  2476  2476
Нраб.см.кДж/кмоль  74813  79348  79193  79155

 (m)

 24,2982+

 0,002034tz

 24,6566+

 0,002077tz

 24,6566+

 0,002077tz

 24,6566+

 0,002077tz

 ξz  0,83  0,92  0,88  0,86
 tz , ºС  2330  2643  2552  2509
 Tz , ºК  2603  2916  2825  2782
 Pz , МПа  8,5967  9,1438  7,9635  7,7011
 Pzд , МПа  7,3072  7,7722  6,7689  6,5459
 λ  3,5364  3,8857  3,7856  3,7285

Процессы расширения и выпуска.

Средний показатель адиабаты расширения К2 определяется по номограмме рис. 4.8 при заданном ε для соответствующих значений α и Tz, а средний показатель политропы расширения n2, оценивается по величине среднего показателя адиабаты:

ε = 10,3; α = 0,96; Tz = 2825 К; К2 = 1,2528; n2 = 1,252.

 Давление и температура в конце процесса расширения:

Рв = Pz/ εn2 и Тв = Tz/ εn2-1:

Рв = 7,9635/10,31,252 = 0,4296 МПа, Тв = 2825/10,31,252-1 = 1570 К;

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов:

К;

Δ Тr = ,

Где Δ Тr – погрешность расчета - 4,6 % допустимая погрешность.


 параметры  Процесс расширения и выпуска.
 n, мин-1  1000  3200  6000  6300
 К2  1,2588  1,2519  1,2529  1,2531
 n2  1,258  1,251  1,252  1,253
 Рв , МПа  0,4573  0,4944  0,4296  0,4144
 Тв , К  1426  1624  1570  1542
 Тr , K  871  977  1021  1019
 Δ Тr , %  3,25  3,24  4,60  5,64

Индикаторные параметры рабочего цикла.

Теоретическое среднее индикаторное давление:

МПа.

 МПа.

Среднее индикаторное давление:

pi = φu* Рj , = 0,96*1,1588 = 1,1124 МПа.

Где φu = 0,96 – коэффициент полноты индикаторной диаграммы.

Индикаторный КПД и индикаторный удельный расход топлива:

 г/кВт. Ч

Эффективные показатели двигателя.

Среднее давление механических потерь для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением S/D≤1.

Pм = 0,034 + 0,0113* Vп.ср МПа.

Для нашего карбюраторного двигателя, предварительно приняв ход поршня S равным 78 мм., получим значение средней скорости поршня:

 м/с.

Тогда: Pм = 0,034 + 0,0113*15,6 = 0,2103 МПа.

Среднее эффективное давление и механический КПД:

Ре = Рj - Рм = 1,1124 – 0,2103 = 0,9021 МПа.

ηм = .

Эффективный КПД и эффективный удельный расход топлива:

ηе = ηj * ηм = 0,3388 * 0,811 = 0,2748

gе =  г/кВт.ч.

параметры  Индикаторные и эффективные параметры двигателя.
 n, мин-1  1000  3200  6000  6300
 Рj , , МПа  1,2115  1,3415  1,1588  1,1138
 Рj , МПа  1,1630  1,2879  1,1124  1,0693
 ηj  0,3292  0,3845  0,3388  0,3288
 gj , г/кВт.ч  249  213  242  249
 Vп.ср , м/с  2,6  8,32  15,6  16,38
 Рм , МПа  0,0634  0,1280  0,2103  0,2191
 Ре , МПа  1,0997  1,1599  0,9021  0,8502
 ηм  0,9455  0,9006  0,811  0,7951
 ηе  0,3113  0,3463  0,2748  0,2614
 gе , г/кВт.ч  263  237  298  313

Основные параметры двигателя.

Литраж двигателя:

 дм3.

Рабочий объем одного цилиндра:

 дм3.

Диаметр цилиндра. Так как ход поршня предварительно был принят S = 78 мм, то:

 мм.

Окончательно принимается D = 88 мм, S = 78 мм.

Площадь поршня:

дм.

Литраж двигателя:

 дм3..

Мощность двигателя:

Nе = кВт.

Литровая мощность двигателя:

Nл =  кВт/л.

Крутящий момент:

Ме =  Н*М.

Часовой расход топлива:

GT = Nе * gе * 10-3 = 86 * 298* 10-3 = 25,5 кг/ч.

параметры  Основные параметры и показатели двигателя.
 n, мин-1  1000  3200  6000  6300
 Fп , дм2

 0,61

 1,9

 45,1

 Vл , л
 Nл , кВт/л
 Nе , кВт  17,38  58,66  86  84,66
 Ме , Н*М  166,06  175,15  136,23  128,39
 GT , кг/ч  4,57  13,88  25,51  26,53

Построение индикаторных диаграмм.

Определяем объем камеры сгорания:

Vc = дм3.

Находим полный объем цилиндра:

Vа = Vc + Vh = 0,05 + 0,4822 = 0,534

Рассчитанные точки:

ВМТ: Pr = 0,118 Mpa; Рс = 2,1036 МПа; Pz = 7,9635 МПа.

НМТ: Ра = 0,085 Mpa; Рв = 0,4296 МПа.

Задаваясь различными углами φ поворота коленчатого вала, определяем положение поршня по формуле:

х =

Задаем λ = 0,285

Затем при этих углах φ находим текущий объем над поршневого пространства:

Vх = Vc + хFп.

Определяем давление на линии сжатия и расширения при выбранных углах поворота коленчатого вала:

;

;

Результаты расчета приведены в таблице № 1.


Таблица № 1.

 № φº х, дм.  Vх , дм3

  

1 0 0 0,05185 0,118/0,085 0,1015
2 10 0,0076 0,056486468 0,085 0,093
3 20 0,03002 0,07016276 0,085 0,085
4 30 0,06614 0,092197744 0,085 0,085
5 40 0,1142 0,121515 0,085 0,085
6 50 0,17192 0,156724604 0,085 0,085
7 60 0,23668 0,196225563 0,085 0,085
8 70 0,30568 0,238318523 0,085 0,085
9 80 0,37617 0,281317616 0,085 0,085
10 90 0,44557 0,32365075 0,085 0,085
11 100 0,51162 0,363939419 0,085 0,085
12 110 0,57246 0,401051708 0,085 0,085
13 120 0,62668 0,434125563 0,085 0,085
14 130 0,67329 0,462562949 0,085 0,085
15 140 0,71171 0,485998946 0,085 0,085
16 150 0,74164 0,504252631 0,085 0,085
17 160 0,76289 0,517268509 0,085 0,085
18 170 0,77575 0,525057997 0,085 0,085
19 180 0,78 0,52765 0,085/0,4296 0,085
20 190 0,77575 0,525057997 0,087011 0,087011
21 200 0,76298 0,517268509 0,08882 0,08882
22 210 0,74164 0,504252631 0,091989 0,091989
23 220 0,71171 0,485998946 0,096777 0,096777
24 230 0,67329 0,462562949 0,103587 0,103587
25 240 0,62668 0,434125563 0,113038 0,113038
26 250 0,57246 0,401051708 0,12606 0,12606
27 260 0,51162 0,363939419 0,144081 0,144081
28 270 0,44557 0,32365075 0,169323 0,169323
29 280 0,37617 0,281317616 0,205346 0,205346
30 290 0,30568 0,238318523 0,257996 0,257996
31 300 0,23668 0,196225563 0,337093 0,337093
32 310 0,17192 0,156724604 0,459275 0,459275
33 320 0,1142 0,121515 0,651825 0,651825
34 330 0,06614 0,092197744 0,953074 0,953074
35 340 0,03002 0,07016276 1,387839 1,387839
36 350 0,0076 0,056486468 1,870278 1,965
37 360 0 0,05185 2,1042/7,964 2,5243
38 370 0,0076 0,056486468 7,154373 6,769
39 380 0,03002 0,07016276 5,453565 5,453565
40 390 0,06614 0,092197744 3,874148 3,874148
41 400 0,1142 0,121515 2,741886 2,741886
42 410 0,17192 0,156724604 1,993858 1,993858
43 420 0,23668 0,196225563 1,50479 1,50479
44 430 0,30568 0,238318523 1,179789 1,179789
45 440 0,37617 0,281317616 0,958543 0,958543
46 450 0,44557 0,32365075 0,804248 0,804248
47 460 0,51162 0,363939419 0,694381 0,694381
48 470 0,57246 0,401051708 0,614892 0,614892
49 480 0,62668 0,434125563 0,556816 0,556816
50 490 0,67329 0,462562949 0,514295 0,501
51 500 0,71171 0,485998946 0,483436 0,473
52 510 0,74164 0,504252631 0,461626 0,427
53 520 0,76298 0,517268509 0,44713 0,395
54 530 0,77575 0,525057997 0,43884 0,360
55 540 0,78 0,52765 0,436143 0,3349
56 550 0,77575 0,525057997 0,118 0,297
57 560 0,76298 0,517268509 0,118 0,252
58 570 0,74164 0,504252631 0,118 0,215
59 580 0,71171 0,485998946 0,118 0,185
60 590 0,67329 0,462562949 0,118 0,146
61 600 0,62668 0,434125563 0,118 0,118
62 610 0,57246 0,401051708 0,118 0,118
63 620 0,51162 0,363939419 0,118 0,118
64 630 0,44557 0,32365075 0,118 0,118
65 640 0,37617 0,281317616 0,118 0,118
66 650 0,30568 0,238318523 0,118 0,118
67 660 0,23668 0,196225563 0,118 0,118
68 670 0,17192 0,156724604 0,118 0,118
69 680 0,1142 0,121515 0,118 0,118
70 690 0,06614 0,092197744 0,118 0,118
71 700 0,03002 0,07016276 0,118 0,118
72 710 0,0076 0,056486468 0,118 0,1098
73 720 0 0,05185 0,118/0,085 0,1015

Скругление индикаторной диаграммы.

Учитывая быстроходность рассчитываемого двигателя, устанавливаем следующие фазы газораспределения:

Начало ( точка r,) - 20º до ВМТ; окончание (точка а,,) - 60º после НМТ.

Начало ( точка b,) - 60º до НМТ; окончание (точка а,) - 20º после ВМТ.

Угол опережения зажигания принимаем 30º (точка с,), продолжительность периода задержки воспламенения – Δφ = 10º , отсюда 30 – 10 = 20º( точка f)

Полоңение точки с,, определяем из выражения:

РС,, = (1,15...1,25)рс = 1,2*2,1036 = 2,5243 МПа.

Действительное давление сгорания:

Pzд = 0,85* pz = 0,85*7,9635 = 6,769 МПа.

Принято считать, что это давление достигает через 10º после ВМТ.

Нарастание давления от точки с,, до точки z составит Δр/Δφ = 0,417, что означает плавную работу двигателя.

Результаты расчета положения характерных точек приведены в таблице № 2.

Таблица № 2

Обозначение Положение  φº  х, дм.  Vх , дм3

 

r

20ºдо ВМТ 700 0,03002 0,064158576 0,118

r

20º после ВМТ 20 0,03002 0,064158576 0,085

a

60º после НМТ 240 0,62668 0,434125563 0,113038
f 30ºдо ВМТ 330 0,06614 0,078968975 1,179456

c

20ºдо ВМТ 340 0,03002 0,064158576 1,569637
r ВМТ 360 0 0,05185 0,1015

c

ВМТ 360 0 0,05185 2,5243
10º после ВМТ 370 0,0076 0,054966315 6,769

b

60ºдо НМТ 480 0,62668 0,434125563 0,556816
b’’ НМТ 540 0,78 0,52765 0,334927


Список используемой литературы.

1. А.И. Колчин, В.П. Демидов «Расчет автомобильных и тракторных двигателей» М.: Высшая школа, 2002 год.


© 2010