Транспортные двигатели

Введение

Во второй половине XIX века произошли события, приведшие впоследствии к появлению наиболее массового средства передвижения – автомобиля. В 1860г. французский механик Этьен Ленуар создал первый двигатель внутреннего сгорания. Однако этот двигатель во многом уступал паровым машинам того времени. Существенно повысить его эффективность удалось механику из Кельна Августу Отто, построившему в 1862г. четырехтактный двигатель внутреннего сгорания со сжатием горючей смеси.

Отто понадобилось 15 лет, чтобы сконструировать работоспособный двигатель. Однако этот двигатель работал на газе, был тихоходным и тяжелым, из-за чего получил применение лишь в стационарных условиях. Только перевод двигателя внутреннего сгорания на жидкое топливо открыл ему широкую дорогу на транспорте. Такой двигатель был создан в 1881г. техническим директором завода Отто в г. Дойце Готтлибом Даймлером.

Претерпев значительные конструктивные изменения, постоянно совершенствуясь, двигатели Отто с принудительным искровым воспламенением и до настоящего времени остались наиболее массовой силовой установкой автомобиля.

В данной контрольной работе необходимо рассмотреть тепловой расчет автомобильного двигателя, определить основные параметры рабочего процесса двигателя. Также необходимо определить индикаторные и эффективные показатели работы двигателя и построить индикаторную диаграмму.

Исходные данные для выполнения контрольной работы приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Исходные данные

1 Расчет объема камеры сгорания

Объем камеры сгорания определяется по формуле:

, (1.1)

где V_c– объем камеры сгорания двигателя, м³;

V_h– рабочий объем цилиндра, м³;

e – степень сжатия; e = 14,5.

Рабочий объем цилиндра определяется по формуле:

, (1.2)

где F_п – площадь поршня, м²;

S – ход поршня, S = 0,102 м.

F_п = πD² / 4,(1.3)

где D – диаметр поршня, D = 0,095 м.

Площадь поршня согласно формуле (1.3) составит:

F_п= 3,14 · 0,095² / 4 = 0,708 · 10^{– 2} м².

Рабочий объем цилиндра согласно формуле (1.2) равен:

V_h = 0,708 · 10^{– 2}× 0,102 = 0,723 · 10^{– 3} м³.

Объем камеры сгорания равен:

V_c = 0,723 · 10^{– 3} / (14,5 – 1) = 0,054 · 10^{– 3} м³.

Объем цилиндра в точках "а" и "b" индикаторной диаграммы для четырехтактного двигателя:

, (1.4)

где V_а,V_в – объем цилиндра в точках "а" и "b" индикаторной диаграммы

соответственно.

V_а = V_в = 0,054 · 10^{– 3} + 0,723 · 10^{– 3} = 0,777 · 10^{– 3} м³.

2 Расчет процесса наполнения

Давление в цилиндре в конце процесса наполнения для четырехтактных ДВС без наддува можно ориентировочно принять:

Р_а = (0,85 – 0,9) Р_о, (2.1)

где Р_о – атмосферное давление воздуха, МПа. Для стандартных атмосферных

условий Р_о = 0,101 МПа [2].

Р_а = 0,87 · 0,101 = 0,088 МПа.

Температура заряда в конце процесса наполнения определяется по формуле:

(2.2)

где Т_о – температура воздушного заряда на входе в двигатель, Т_о = 293 К [2];

Dt – подогрев рабочего тела в цилиндре от стенок в конце наполнения,

Dt = 15 °C [2];

Т_r – температура выпускных газов, Т_r = 800 К [2];

g_r – коэффициент остаточных газов, g_r = 0,05 [2].

Коэффициент наполнения цилиндра определяется по формуле:

(2.3)

3 Расчет параметров сжатия рабочего тела в цилиндре

Давление и температура в конце сжатия определяется по формуле:

(3.1)

(3.2)

где n₁ – показатель политропы сжатия, n₁ = 1,35 [2].

4 Расчет процесса сгорания

Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, определяется по формуле:

(4.1)

где – элементарный состав соответственно углерода, водорода и

кислорода в топливе по массе, [2].

кмоль.

Количество свежего заряда в цилиндре, кмоль, приходящегося на 1 кг топлива, определяется по формуле:

М₁ = a L_о, (4.2)

где a– коэффициент избытка воздуха, a = 1,3 [2].

М₁ = 1,3 × 0,495 = 0,644 кмоль.

Общее количество продуктов сгорания на 1 кг топлива определяется по формуле:

(4.3)

кмоль.

Химический коэффициент молекулярного изменения рабочего тела:

(4.4)

Действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси с учетом наличия в цилиндре остаточных газов определяется по формуле:

(4.5)

Уравнение сгорания для дизельных двигателей имеет вид:

(4.6)

где x – коэффициент использования теплоты, для дизельных двигателей, x = 0,7;

Н_u – низшая теплота сгорания топлива, Н_u = 42500 кДж/кг [2];

mc_vc – средняя молярная теплоемкость свежего заряда.

mc_v^” – средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания.

Средняя молярная теплоемкость свежего заряда определяется по формуле:

mc_vc = 20,16 + 1,74 ×10^-3Т_с; (4.7)

mc_vc = 20,16 + 1,74 ×10^-3 ∙ 821 = 21,589.

Средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания определяется по формуле:

mc_v^” = (4.8)

mc_v^” =

Степень повышения давления в цилиндре определяется по формуле:

l_z = P_z/ P_c. (4.9)

l_z= 6,7 / 3,253 = 2,060.

Подставляя полученные значения величин в уравнения сгорания, получаем уравнение с двумя неизвестными: максимальной температурой сгорания Т_z и теплоемкости продуктов сгорания mc_v^” при этой же температуре.

После подстановки в уравнение сгорания известных параметров в виде числовых значений и последующих преобразований оно превращается в квадратное уравнение:

АТ_z² + ВТ_z + С = 0, (4.10)

где А, В, С – числовые коэффициенты.

2,740 · 10^–3Т_z² + 30,549 Т_z– 75781,564 = 0.

Тогда решение уравнения имеет вид

(4.11)

Максимальная температура сгорания равна Т_z = 2089 К.

Теоретическое максимальное давление цикла определяется по формуле:

Р_z¢ = Р_z. (4.12)

Р_z¢ = 6,7 МПа.

5 Расчет процесса расширения

Степень предварительного расширения для дизельных двигателей определяется по формуле:

r= (m / l_z ) × (Т_z / Т_с) ; (5.1)

r = (1,049 / 2,060) · (2089 / 821) = 1,296.

Объем цилиндра в точке Z определяется по формуле:

V_z = V_cr; (5.2)

V_z = 0,054 · 10^{– 3}× 1,296 = 0,070 · 10^{– 3} м³.

Степень последующего расширения определяется по формуле:

d = e / r; (5.3)

d = 14,5 / 1,296 = 11,188.

Давление и температура в цилиндре в конце процесса расширения определяются по формулам:

(5.4)

(5.5)

где n₂– показатель политропы расширения, n₂ = 1,26 [2].

Р_в = 6,7 / 11,188^1,26 = 0,320 МПа;

Т_в = 2089 / 11,188^{1,26 – 1} = 1117 К.

6 Индикаторные показатели работы двигателя

После определения параметров характерных точек индикаторной диаграммы вычисляются показатели рабочего процесса.

Средним индикаторным давлением Р_i называют отношение работы газов за цикл L_i к рабочему объему V_hчетырехтактного двигателя. Среднее индикаторное давление теоретического цикла для дизелей определяется по формуле:

(6.1)

Среднее индикаторное давление действительного цикла для четырехтактного двигателя определяется по формуле:

Р_i = j_п Р_i¢,(6.2)

где j_п – коэффициент полноты индикаторной диаграммы, j_п = 0,94 [2].

Р_i = 0,94 · 0,882 = 0,829 МПа.

Индикаторный коэффициент полезного действия h_i характеризует степень совершенства рабочего процесса в двигателе и представляет собой отношение теплоты, эквивалентной индикаторной работе цикла, к теплоте сгорания топлива:

(6.3)

Удельный индикаторный расход топлива определяется по формуле:

(6.4)

г/кВт.ч.

Индикаторная мощность двигателя определяется по формуле:

(6.5)

где i – число цилиндров двигателя, i = 6;

n – частота вращения коленчатого вала двигателя, n = 3800 об/мин;

t – коэффициент тактности двигателя, для 4-х тактных ДВС t = 4,

кВт.

7 Эффективные показатели работы двигателя

Эффективные показатели характеризуют двигатели в целом, так как учитывают не только потери теплоты, но и механические потери в двигателе. Для их определения вначале находят среднее давление механических потерь:

Р_м = 0,103 + 0,012 C_m, (7.1)

где С_m – средняя скорость поршня, м/с:

(7.2)

Среднее давление механических потерь равно:

Р_м = 0,103 + 0,012 · 12,92 = 0,258 МПа.

Среднее эффективное давление определяется по формуле:

Р_е = Р_i – Р_м; (7.3)

Р_е = 0,829 – 0,258 = 0,571 МПа.

Механический КПД двигателя определяется по формуле:

(7.4)

Эффективный КПД двигателя определяется по формуле:

h_е = h_ih_м ; (7.5)

h_е = 0,374 × 0,689 = 0,258.

Удельный эффективный расход топлива определяется по формуле:

(7.6)

Эффективная мощность двигателя, определяется по формуле:

N_е = N_ih_м.(7.7)

N_е = 113,88 × 0,689 = 78,46 кВт.

8 Построение индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма строится в координатах давление Р – V. По оси абсцисс откладываются вычисленные ранее объемы V_a, V_c, V_z, V_в, соответствующие положению характерных точек индикаторной диаграммы. По оси ординат откладываются вычисленные ранее давления P_a, P_c, P_z, P_в. По значениям объемов и давлений находим положение характерных точек индикаторной диаграммы ("а", "с", "z", "в").

Далее необходимо определить координаты промежуточных точек политроп сжатия "а" – "с" и расширения "z" – "b". Для этого выразим значение давлений Р этих политроп при заданном текущем объеме V.

Расчет политропы сжатия

(8.1)

Расчет политропы расширения

(8.2)

Объем цилиндра определяется по формуле:

V = V_c + F_пS.(8.3)

Ход поршня определяется по формуле:

S = R(1 – cosj + l (1 – cos2j) / 4), (8.4)

где R – радиус кривошипа коленчатого вала (берется по заданию как половина

хода поршня), R = 0,051 м;

j – угол поворота коленчатого вала, град.

l – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна:

(8.5)

где l_ш – длина шатуна, l_ш = 0,26 м.

Пример расчета при j = 180º.

S = 0,051 · (1 – cos 180º + 0,196 · (1 – cos (2 · 180º)) / 4) = 0,102 м;

Результаты расчетов политропных процессов расширения и сжатия приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Результаты расчета политропных процессов сжатия и расширения

Индикаторная диаграмма дизельного двигателя изображена на рисунке 1.

Список использованных источников

1 В. М Кленников., Ю. И. Боровских и др. Устройство автомобиля. – М.: Высшая школа, 1978. – 165 с.

2 С. И. Сухопаров, Р. К. Гизатуллин. Термодинамика и транспортные двигатели: методические указания по выполнению контрольной работы "Расчет рабочего процесса автотранспортного двигателя". – Гомель/БелГУТ , 2005. – 18 с.

Содержание