Тепловой расчет двигателя автомобиля

Введение

Автомобили в структуре современного промышленного и сельскохозяйственного производства являются мобильными транспортными средствами, получившими широкое распространение. От знания устройства автомобилей и умение грамотно эксплуатировать их во многом зависит эффективное и экономичное использование транспортных средств.

При изучении дисциплины «Автомобили» рассматриваются конструкции основных современных автомобилей и их двигателей, теория, конструирование и расчет двигателей и автомобилей.

Проведение практических расчетов закрепляет основы теории и расчёта автомобилей и позволяет освоить основные технические показатели и характеристики автомобилей.

Составной частью курсовой работы является проведение теплового расчёта двигателя проектируемого автомобиля. Тепловой расчёт позволяет аналитически с достаточной степенью точности определить основные параметры вновь проектируемого или модернизируемого двигателя, а также оценить индикаторные и эффективные показатели его работы. Результаты теплового расчёта ДВС в дальнейшем используются для расчёта и построения теоретической внешней скоростной характеристики двигателя, в свою очередь используемую при расчёте динамики автомобиля.

1. Определение необходимой мощности двигателя

При установившемся движении мощность автомобиля расходуется на преодоление сопротивления дороги и воздуха.

где G_a, G_r – вес автомобиля и груза, Н;

P_w – сила сопротивления воздуха при скорости движения V (м/с), Н;

h_тр – КПД трансмиссии; (0.8 – 0.92) h_тр=0,82

f – осредненный коэффициент сопротивления качению, который обычно находится экспериментально для определенных дорожных условий и шин. f=0,025–0,035, принимаем f=0,025

P_w = k×F×V²

где k – коэффициент обтекаемости, Н × с²/м⁴ принимаем k=0.5

F – площадь лобового сопротивления, м²

F=B_r•H_r=1.65•2.15=3.5 м²

B_r, H_r – габаритные ширина и высота, м;

P_w=0.5•3.5•376.36=667.5 H

кВт

2.Тепловой расчёт двигателя

Выбор исходных данных для расчёта рабочего цикла двигателя.

Для выполнения теплового расчёта использовалась программа на ЭВМ, разработанная по методике, изложенной в [1].

Элементарный состав топлива

Жидкое моторное топливо нефтяного происхождения характеризуется следующим элементарным составом (по массе)

C+H+O=1 кг

где C, H, O – содержание соответственно углерода, водорода и кислорода в 1 кг топлива.

При выполнении расчётов рабочего цикла двигателя кроме элементарного состава топлива следует задать удельную низшую теплоту сгорания Q_н и среднюю молярную массу m_т топлива.

C=0.855 кг

H=0,145 кг

Q_н=115 г./моль

m_т=44000 кДж/кг

Коэффициент избытка воздуха

Коэффициент избытка воздуха a определяет состав горючей смеси. Его значение зависит от типа смесеобразования, условий воспламенения и сгорания топлива, а также от режима работы двигателя. Коэффициент избытка воздуха влияет на количество выделяемой теплоты и состав продуктов сгорания.

Рекомендуемые величины a для номинального режима работы: карбюраторных бензиновых двигателей – 0,85–0,95; принимает a=0.85

Степень сжатия

В двигателях с воспламенением от электрической свечи значение ε ограничивается по условию предупреждения явления детонации и выбор её зависит от антидетонационных свойств топлива. Большое значение для бездетонационной работы карбюраторного двигателя имеют также материалы, применяемые при изготовлении камеры сгорания. Например, замена чугунной головки блока на алюминиевую позволяет повысить ε на 0,5, а замена чугунного поршня на алюминиевый – на 0,4…0,7. Характерные величины степени сжатия ε: для бензиновых карбюраторных двигателей – 6…11; принимаем ε=6,69899

Подогрев заряда

Степень подогрева заряда DТ – изменение его температуры при движении по впускному тракту и внутри цилиндра. Значение подогрева заряда DТ зависит от конструкции и установки на двигателе впускного трубопровода, организации его подогрева и скоростного режима двигателя. Повышение DТ улучшает процесс испарения топлива, но при этом снижается плотность заряда, что отрицательно влияет на наполнение цилиндров и мощность двигателя.

Для четырехтактного автотракторного двигателя значение DТ принимают в следующих пределах:

- для карбюраторных двигателей – I0…30 К, DТ=10 К; принимаем DТ=10К

Давление и температура остаточных газов

Температура остаточных газов для карбюраторных двигателей 900–1100 К. Давление остаточных газов зависит от числа и расположения клапанов, сопротивления впускного и выпускного трактов, фаз газораспределения, частоты врaщения и нагрузки двигателя, способа наддува и других факторов и определяется давлением среды в которую происходит выпуск отработавших газов, то есть давлением окружающей среды при выпуске в атмосферу или давлением перед турбиной при газотурбинном наддуве.

Для автотракторных двигателей без наддува при выпуске в атмосферу давление остаточных газов принимают:P_r=(1,05 … 1,25) P₀,

где P₀ – давление окружающей среды, P₀ = 0,1013 МПа.

P_r=0,108 МПа.

Понижение давления на впуске

У четырёхтактных автотракторных двигателей значение DP_a составляет: для карбюраторных двигателей – (0,05–0,2) P_k

Показатель политропы сжатия

Ориентировочные значения показателя политропы сжатия для современных автотракторных двигателей находятся в следующих пределах: для карбюраторных двигателей (при полном открытии дроссельной заслонки) – 1,34…1,39; принимаем n₁=1.34

Показатель политропы расширения

Ориентировочные значения среднего показателя политропы расширения для современных автомобильных и тракторных двигателей при номинальной нагрузке находится в пределах: для карбюраторных двигателей – 1,23–1,30; принимаем n₂=1.25

Коэффициент использования теплоты

Коэффициент использования теплоты для современных автотракторных двигателей находится в следующих пределах: для карбюраторных двигателей – 0,85–0,95; принимаем ξ=0,85

Коэффициент полноты диаграммы

Коэффициент полноты диаграммы принимают: для карбюраторных двигателей – 0,94–0,97; принимаем φ_п=0,949

3. Расчет внешней скоростной характеристики двигателя

Расчет внешней скоростной характеристики двигателя проектируемого автомобиля ведем по источнику [6] с. 26 – 27, а также при помощи компьютерной программы для данного расчета.

Согласно исходным данным получаем соответствующие параметры внешней скоростной характеристики.

Графический материал прилагается.

4.Подбор передаточных чисел трансмиссии

Передаточное число трансмиссии состоит из трех составляющих:

i_тр=i_k•i_д•i₀,

где i_k – передаточное число коробки передач (на высшей передаче), по НИИАТ i_k=1

i₀ – передаточное число главной передачи;

i_д – передаточное число в дополнительной коробке – делителе, i_д=1,25 (1 – 1.5).

Максимальную скорость автомобиль развивает на высшей передаче:

V=2•π•r_k•n_н/i_тр,

где r_k – радиус качения колеса.

Отсюда i₀=2•π•r_k•n_н/i_k•i_д•V.

Для определения радиуса качения колеса находится нормальная нагрузка на одну шину полностью нагруженного автомобиля:

;

,

где R_з1, R_п1 – нагрузка на одну шину задней и передней оси соответственно, Н;

m_а и m_г – масса автомобиля и груза соответственно, кг;

n_шз и n_шп – число шин задней и передней оси соответственно;

β – степень загруженности задней оси: β=R_з/R₀,

где R_з – масса, приходящаяся на заднюю ось автомобиля – прототипа с грузом (полная масса), кг.

R₀ – общая масса автомобиля-прототипа с грузом.

β= 3610/5170=0.698

По нагрузке на одну шину подбирается её модель. Принимаем шину 235–15/9,35–15, [1]

Затем определяется радиус качения колес с учетом коэффициента вертикальной деформации шины.

r_k=0.5•d+λ_см•H

где λ_см – коэффициент вертикальной деформации шины (коэффициент смятия); λ_см=0,8–0,85; [1]

принимаем λ_см=0,82

Н – высота профиля, м; Н=В•0,82=0,1927

d – посадочный диаметр обода, м; d=0,381 м;

r_k=0,5•0,381+0,82•0,1927=0,3485 м

i₀=2•π•r_k•n_Н/i_k2•V

n_H=2580 об/мин=43 об/с

V=70 км/ч=19,44 м/с

i_0(расч)=2•3,14•0,3485•43/19,44=4,84

уточним i_0(расч), принимаем z₁=15

z₂=z₁•i_0(расч)

z₂=15•4.84=72.6; принимаем z₂=73

i_0(уточ)=z₂/z₁

i_0(уточ)=73/15=4.86

Максимальная окружная сила, определяемая сцеплением колес с дорогой реализуется на низких передачах при малых скоростях движения, при которых

R_kmax=φ•λ_k•G

где λ_k – коэффициент нагрузки ведущих колес движущегося автомобиля.

λ_k=K•λ_ст;

где К – коэффициент перераспределения нагрузки по осям при разгоне с максимальным ускорением, при приводе на заднюю ось К=1,05–1,12 [1]; принимаем К=1,08

λ_ст=G_B/G

λ_ст=0,698

λ_к=1,08•0,698=0,75

φ – коэффициент сцепления для сухой грунтовой поверхности, φ=0,65–0,7; принимаем φ=0,68

Максимальный динамический фактор автомобиля:

D_max=φ•λ_k

D_max=0,68•0,698•108=103

Отсюда передаточное число в КПП на первой передаче:

где z – число степеней коробки передач; z=4

Передаточные отношения на следующих передачах определяются по формулам:

i_k2 = i_k1/q = 10.6/2.2 = 4.8

i_k3 = i_k2/q = 4.8/2.2 = 2.2

i_k4 = i_k3/q = 2.2/2.2 = 1

Уточним передаточные числа:

Для первой передачи

i_k1^// = i_k1/i_k1^/ = 10.6 / 2 = 5.3

i_k1 = 10.6

i_k1^/ = 2

принимаем z₁ = 34

z₂ = z₁•i_k1^/ = 34•2 = 68

∑z = 34+68 = 102

z₃ = ∑z / (1+i_k1^//) = 102/(1+5.3) = 16.199 ≈ 16

z₄ = ∑z – z₃ = 102 – 16 = 86

i_k1^// = z₄ / z₃ = 5.375

i_k1(уточ) = i_k^/ • i_k1(уточ)^// = 2 • 5.375 = 10.75

Для второй передачи

i_k2^// = i_k2^/i_k1^/ = 4,8 / 2 = 2.4

i_k2 = 4.8

i_k2^/ = 2

∑z = 102

z₅ = ∑z / (1+i_k2^//) = 102 / (1+2.4) = 30

z₆ = ∑z – z₅ = 72

i_{k2 (уточ)}^// = z₆ / z₅ = 2.4

i_k2(уточ) = i_k2^/ • i_k2(уточ)^// = 2 • 2.4 = 4.8

Для третьей передачи

i_k3^// = i_k3 / i_k3^/ = 2.2 / 2 = 1.1

i_k3 = 2.2

i_k3^/ = 2

∑z = 102

z₇ = ∑z / (1+i_k3^//) = 102 / (1+1.1) = 48.57 ≈ 48

z₈ = ∑z – z₇ = 102 – 48 = 54

i_k3(уточ)^// = z₈ / z₇ = 1.1

i_k3(уточ) = i_k3 • i_k3(уточ)^// = 2 • 1.1 = 2.2

i_{тр (на 1)} = 10.75 • 1 • 4.84 = 52.03

i_{тр (на 2)} = 4.8 • 1 • 4.84 = 23.232

i_{тр (на 3)} = 2.2 • 1 • 4.84 = 10.65

i_{тр (на 4)} = 1 • 1 • 4.84 = 4.84

5. Динамический расчёт автомобиля

Графическое изображение зависимости динамического фактора от скорости движения автомобиля называется динамической характеристикой автомобиля. Для построения теоретической динамической характеристики необходимы данные внешней скоростной характеристики двигателя [M_e=f(n)], параметры ходовой части (r_k) и передаточные числа трансмиссии (i_тр).

На зависимости M_e=f(n) выделяют не менее пяти точек. Для выделенных точек последовательно определяют:

1. Скорость движения автомобиля

V = 2 • π • r_k• n / i_тр

2. Силу сопротивления воздушного потока

P_w = k • F • V²

3. Касательную силу тяги на колесах

P_k = M_e • i_тр • ξ_тр / r_k

4. Динамический фактор порожнего автомобиля

D = (P_k – P_w) / G_a

Каждая линия динамической характеристики автомобиля определяется не менее чем по пяти точкам. Вышеперечисленную последовательность повторяют для каждой передачи КПП, изменяя величину передаточного отношения трансмиссии.

Рассмотрим 1-ю передачу:

i_k1 = 10.75; i₀ = 4.84; r_k = 0.3485; i_тр = 52.03

Берем любые пять точек из данных внешней скоростной характеристики. Для них:

1. Ищем скорость движения автомобиля по заданным пяти точкам:

V₁ = 2 • 3.14 • 0.3485 • 645 / 52.03 • 60 = 0.1666

V₂ = 2 • 3.14 • 0.3485 • 1032 / 52.03 • 60 = 0.7235

V₃ = 2 • 3.14 • 0.3485 • 1419 / 52.03 • 60 = 0.9948

V₄ = 2 • 3.14 • 0.3485 • 1999 / 52.03 • 60 = 1.4014

V₅ = 2 • 3.14 • 0.3485 • 2580 / 52.03 • 60 = 1.8087

Ищем силу сопротивления воздушного потока по заданным пяти точкам:

P_w(1) = 0.5 • 3.5 • (0.1666)² = 0.2916

P_w(2) = 0.5 • 3.5 • (0.7235)² = 0.916

P_w(3) = 0.5 • 3.5 • (0.9948)² = 1.7319

P_w(4) = 0.5 • 3.5 • (0.4014)² = 3.4369

P_w(5) = 0.5 • 3.5 • (0.8087)² = 5.7249

2. Ищем касательную силу тяги по заданным пяти точкам:

P_k(1) = 196.56809 • 52.03 • 0.82 / 0.3485 = 24064.56

P_k(2) = 205.25848 • 52.03 • 0.82 / 0.3485 = 25128.47

P_k(3) = 206.49996 • 52.03 • 0.82 / 0.3485 = 25280.45

P_k(4) = 194.3955 • 52.03 • 0.82 / 0.3485 = 23798.58

P_k(5) = 165.53103 • 52.03 • 0.82 / 0.3485 = 20264.89

3. Ищем динамический фактор порожнего автомобиля по заданным пяти точкам:

D₍₁₎ = (24064.56 – 0.2916) / 24525 = 0.9812

D₍₂₎ = (25128.47 – 0.916) / 24525 = 1.0246

D₍₃₎ = (25280.45 – 1.7319) / 24525 = 1.0307

D₍₄₎ = (23798.58 – 3.4369) / 24525 = 0.9702

D₍₅₎ = (20264.89 – 5.7249) / 24525 = 0.8261

Рассмотрим 2-ю передачу:

i_k2 = 4.8; i₀ = 4.84; r_k = 0.3485; i_тр = 23.232

Рассмотрим 3-ю передачу:

i_k3 = 2.2; i₀ = 4.84; r_k = 0.3485; i_тр = 10.65

Рассмотрим 4-ю передачу:

i_k4 = 1; i₀ = 4.84; r_k = 0.3485; i_тр = 4.84

Динамическую характеристику строят для автомобиля определенного веса. Для того, чтобы её применить для анализа динамических свойств автомобиля различного веса, её необходимо дополнить, то есть сделать универсальной.

В начале строят характеристику порожнего автомобиля, а затем её дополняют. Определяют максимальное значение коэффициента загрузки:

Г_max = (m_a+ m_г) / m_a

где m_a и m_г – соответственно масса автомобиля и груза.

Г_max = (2500+2500) / 2500 = 2

Из точки, заданной максимальной скорости движения проводят вторую вертикальную координатную ось, с уменьшением в Г_max раз масштабом динамического фактора. Горизонтальную ось разбивают на разные отрезки и проводят вертикальные линии. На вертикальных осях равные значения динамического фактора соединяют наклонными прямыми.

6. Топливная экономичность автомобиля

Статистической обработкой топливно-экономических характеристик ДВС установлено, что удельный расход топлива определяется удельным расходом его при максимальной мощности двигателя и степенью использования мощности и частоты вращения.

Топливно-экономическую характеристику строят в предложении установившегося движения автомобиля по горизонтальной дороге с полной нагрузкой в следующей последовательности:

1. Задаются коэффициенты сопротивления качению автомобиля f:

f₁ = f = 0.025

f₂ = f + 0.03 = 0.055

f₃ = f + 0.05 = 0.075

2. По универсальной динамической характеристике автомобиля определяют необходимую передачу для движения автомобиля.

3. Задаются пятью значениями скорости движения на определённой передаче.

4. Определяют соответствующие заданным значения скорости, величины частот вращения коленчатого вала двигателя.

n = 30 • V • i_тр / (π • r_k), об/мин

5. Определяют величины сил сопротивления воздушного потока P_w и сопротивление качению автомобиля P_f

P_f = f • (G_a + G_r)

При известных сопротивлениях P_w и P_f определяют необходимую для движения автомобиля мощность двигателя.

N_e^/ = [(P_w + P_f) • V] / (10³ • ξ_тр), кВт

6. Используя внешнюю скоростную характеристику двигателя, определяют степени использования мощности и частоты вращения И и Е

И = N_e^/ / N_eg

E = n^/ / n_N

7. По расчётным формулам определяют значения К_И и К_Е – коэффициенты, учитывающие степень использования мощности и частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Для карбюраторных двигателей:

К_И = 3.27 – 8.22 • И + 9.13 • И² – 3.18 • И³

К_Е = 1.25 – 0.99 • Е + 0.98 • Е² – 0.24 • Е³

8. Определяют удельный расход топлива:

g_e = g_eN • К_И • К_Е, г/кВт•ч

Величину g_eN принимают по данным внешней скоростной характеристики.

9. Определяют расход топлива на 100 км пути:

Q_s = (g_e • N_e^/) / (36 • V • ρ_т), л

где ρ_т – плотность топлива, кг/л

10.Строят топливно-экономическую характеристику автомобиля

Для коэффициента сопротивления качению автомобиля f₁

f₁ = 0.025

Определяем 4-ю передачу для движения автомобиля при f₁

4. n₁ = 645; n₂ = 1032; n₃ = 1419; n₄ = 1999; n₅ = 2580.

4. P_f = 0.025 • (2500 + 2500) • 9.8 = 1225

P_w1 = 41.3513; P_w2 = 105.8594; P_w3 = 200.1403; P_w4 = 397.1857;

P_w5 = 661.621

5. N_e1^/ = [(41.3513 + 1225) • 4.861] / (10³• 0.82) = 7.5071

N_e2^/ = [(105.8594 + 1225) • 7.7776] / (10³• 0.82) = 12.6231

N_e3^/ = [(200.1403 + 1225) • 10.6942] / (10³• 0.82) = 18.5863

N_e4^/ = [(397.1857 + 1225) • 15.0653] / (10³• 0.82) = 29.8033

N_e5^/ = [(661.621 + 1225) • 19.44] / (10³• 0.82) = 44.73

6. И₁ = 7.5071 / 13.270.31 = 0.5657

И₂ = 12.6231 / 22.17119 = 0.5693

И₃ = 18.5863 / 30.66978 = 0.606

И₄ = 29.8033 / 40.68328 = 0.7326

И₅ = 44.73 / 44.7 = 1.0007

E₁ = 645 / 2580 = 0.25

E₂ = 1032 / 2580 = 0.4

E₃ = 1419 / 2580 = 0.55

E₄ = 1999 / 2580 = 0.78

E₅ = 2580 / 2580 = 1

7. К_И1 = 3.27 – 8.22 • 0.5657 + 9.13 • (0.5657)² – 3.18 • (0.5657)³ = 0.9661

К_И2 = 3.27 – 8.22 • 0.5693 + 9.13 • (0.5693)² – 3.18 • (0.5693)³ = 0.9628

К_И3 = 3.27 – 8.22 • 0.606 + 9.13 • (0.606)² – 3.18 • (0.606)³ = 0.934

К_И4 = 3.27 – 8.22 • 0.7326 + 9.13 • (0.7326)² – 3.18 • (0.7326)³ = 0.898

К_И5 = 3.27 – 8.22 • 1.0007 + 9.13 • (1.0007)² – 3.18 • (1.0007)³ = 1.0003

К_Е1 = 1.25 – 0.99 • 0.25 + 0.98 • (0.25)² – 0.24 • (0.25)³ = 1.06

К_Е2 = 1.25 – 0.99 • 0.4 + 0.98 • (0.4)² – 0.24 • (0.4)³ = 0.996

К_Е3 = 1.25 – 0.99 • 0.55 + 0.98 • (0.55)² – 0.24 • (0.55)³ = 0.962

К_Е4 = 1.25 – 0.99 • 0.78 + 0.98 • (0.78)² – 0.24 • (0.78)³ = 0.959

К_Е5 = 1.25 – 0.99 • 1 + 0.98 • (1)² – 0.24 • (1)³ = 1

8. g_e1 = 353.33316 • 0.9661 • 1.05 = 361.837

g_e2 = 327.89315 • 0.9628 • 0.996 = 314.433

g_e3 = 315.17315 • 0.934 • 0.962 = 283.186

g_e4 = 319.94317 • 0.898 • 0.959 = 275.53

g_e5 = 353.33316 • 1.0003 • 1 = 353.455

9. Q_s1 = (361.837 • 7.5071) / (36 • 4.861 • 0.75) = 20.697

Q_s2 = (314.433 • 12.6231) / (36 • 7.7776 • 0.75) = 18.901

Q_s3 = (283.186 • 18.5863) / (36 • 10.6942 • 0.75) = 18.229

Q_s4 = (275.53 • 29.8033) / (36 • 15.0653 • 0.75) = 20.188

Q_s5 = (353.455 • 47.73) / (36 • 19.44 • 0.75) = 30.121

Для коэффициента сопротивления качению автомобиля f₂

f₂ = 0.055

Определим 3-ю передачу для движения автомобиля при f₂:

Для коэффициента сопротивления качению автомобиля f₃

f₃ = 0.075

Определим 3-ю передачу для движения автомобиля при f₃:

Заключение

Составной частью курсовой работы является проведение теплового расчёта двигателя проектируемого автомобиля. Тепловой расчёт позволил аналитически с достаточной степенью точности определить основные параметры вновь проектируемого двигателя, а также оценить индикаторные и эффективные показатели его работы. Результаты теплового расчёта ДВС в дальнейшем использовались для расчёта и построения теоретической внешней скоростной характеристики двигателя, в свою очередь используемую при расчёте динамики автомобиля.

Список литературы

1. Автомобиль: основы конструкции/ Н.Н. Вишняков, В.К. Вахламов, А.Н. Нарбут и др. – М.: Машиностроение, 1986. – 304 с.; ил.

2. Осепчугов В.В., Фрумкин А.К. Автомобиль: анализ конструкций, элементов расчета. – М.: Машиностроение, 1989. – 304 с.; ил.

3. Литвинов А.С., Фаробин Я.Е. Автомобиль: теория эксплуатационных свойств. – М.: Машиностроение, 1989. – 240.; ил.

4. Устройство автомобиля/ Е.В. Михайловский, К.Б. Серебряков, Е.Я. Тур. – М.: Машиностроение, 1987. – 352 с.; ил.

5. Краткий автомобильный справочник. – М.: Транспорт, 1982. – 464 с. – (НИИАТ)

6. Автомобили: Методические указания по курсовому проектированию/ Сост. В.В. Макаров. – Йошкар–Ола: МарГТУ, 2001. – 44 с.