МИНИСТЕРСТВООБРАЗОВАНИЯ РФ
КАЗАНСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТИМ. А. Н. ТУПОЛЕВА.
КАФЕДРА АД иС
Расчетно-пояснительнаязаписка к курсовой работе
«Тепловойрасчет ДВС»
подисциплине «Автомобильные двигатели»
Выполнил:студент гр. 1372
Маркин А.В.
Руководитель:
БерезовскийА.Б.
Казань 2007
ОГЛАВЛЕНИЕ.
1. Выбор расчетныхрежимов. 3
2. Топливо. 4
3. Параметрырабочего тела. 4
4. Параметрыокружающей среды и остаточные газы. 5
5. Процесс пуска. 5
6. Процесс сжатия. 7
7. Процесс сгорания.8
8. Процессрасширения. 10
9. Процесс выпуска. 10
10. Индикаторныепараметры рабочего цикла. 11
11. Эффективностьпараметров двигателя. 11
12. Основныепараметры цилиндров и двигателей. 12
13. Построениевнешней скоростной характеристики (график). 18-19
14. Построениерасчетной индикаторной диаграммы (график). 20
15. Скруглениерасчетной индикаторной диаграммы (график). 20
16. Списокиспользуемой литературы. 21
Исходныеданные.
1. Мощностьдвигателя, Ne = 87 кВт;
2. Частота вращенияколенчатого вала, nN = 6000 об/мин;
3. Тактностьдвигателя,τ = 4;
4. Количество цилиндров,i = 4;
5. Степень сжатия, ε = 10,3;
6. Тип охлаждения –жидкостное.
Режимы дляпроведения теплового расчета:
а) режим минимальнойчастоты вращения nmin =1000об./мин.
б) режим максимальногокрутящего момента nM =0,53nN = 3200 об./мин.
в) режим максимальной(номинальной) мощности nN =6000об./мин.
г) режим максимальнойскорости движения автомобиля
nmax = 1.05nN = 6300об./мин.
Подбораналогов
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
Тепловойрасчет двигателя
Расчет проводится длязаданной частоты вращения коленчатого вала карбюраторного двигателя n = 6000об/мин.
Топливо. В соответствии сзаданной степенью сжатия ε = 10,3 можно использовать бензин марки АИ-93. ПРЕМИУМ-95 и АИ-98 ЭК
Средний элементарныйсостав и молекулярная масса бензина
С = 0,855; Н = 0,145; mт = 115 кг/кмоль.
Определим низшую теплотусгорания 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 избыткавоздуха α = 0,96 на основных режимах
(литература 1). Нарежимах минимальной частоты вращения α = 0,86.
Количество горючей смеси.
/> кмоль гор.см./кг. топл.
Количество отдельныхкомпонентов продуктов сгорания при К = 0,5
/>
кмольСО2/кгтопл.
/> кмольСО/кгтопл.
/>
кмольН2О/кгтопл.
/>
кмольН2/кгтопл.
/> кмольN2/кгтопл.
Общее количествопродуктов 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 втаблицупараметры 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 окружающейсреды и остаточные газы.
Давление и температураокружающей среды при работе двигателей без наддува
Рк = Ро = 0,1 МПа и Тк =То = 293 К
Температура остаточныхгазов.
(рис. 5.1 литература 1принимаем).
При номинальных режимахкарбюраторного двигателя Тr =1070 К
Давление остаточныхгазов.
Для карбюраторногодвигателя на номинальном скоростном режиме:
PrN = 1,18 Po = 1,18*0,1 = 0,118 МПа.
Процесс пуска.
Температура подогревасвежего заряда. С целью получения хорошего наполнения карбюраторных двигателейна номинальных скоростных режимах принимается Δ ТN = 8ºС. (1)
Плотность заряда навыпуске.
Ρr = Ро *106 / (RBTO) = 0,1*106 / (287*293) = 1,189 кг /м3,
где RB – 287 Дж / (кг.град.) – удельнаягазовая постоянная для воздуха.(1)
Потери давления навпуске.
При учете качественнойобработки внутренних поверхностей впускных систем для карбюраторного двигателяможно принять β2 + ξВП = 2,8 и
ωВП = 95 м/с.
β – коэффициентзатухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра.
ξВП – коэффициентсопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому ее сечению.
ωВП – средняяскорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы. (1)
Тогда ΔРа на всехскоростных 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 двигателепри nN = 6000 мин-1.
Ра = Ро – ΔРа = 0,1– 0,0150 = 0,085 Мпа.
Коэффициент остаточныхгазов.
При nN = 6000 мин-1.
/>
φоч = 1 – коэффициенточистки.
φдоз = 1,12 –коэффициент дозарядки на номинальном скоростном режиме.
Температура в концевпуска.
Та = (То + ΔТ +γr * Tr) / (1 + γr) =(293+8+0,0385*1070) / (1+0,0385) = 329
Коэффициент наполнения.
/>
Результаты вычисленийзанесем 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 помонограмме средний показатель адиабаты сжатия к1 = 1,3765 и средний показательполитропы сжатия n1 = 1,37.(1)
Давление в колнцесжатия.
При nN = 6000 мин-1
Рс = Раεn = 0,085*10,31,376 = 2,1036 Мпа.
Температура в концесжатия.
Тс = Таεn-1 = 329*10,31,376-1 = 792 К.
Средняя мольнаятеплоемкость 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 = 21,969кДж / (кмоль град).
б) остаточных газов
/>определяется методом интерполяциипо 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/(кмольград).
(m/>)/>= 24,44+(24,586 – 24,44)* 0,01/0,05 = 24,469кДж/(кмоль град).
(m/>)/>= 24,041+(24,469 – 24,041)* 19/100 = 24,122 кДж/(кмольград).
в) рабочей смеси
/> кДж/(кмоль град).
(m/>)/>= /> кДж/(кмоль град).
Результаты вычисленийзаносим 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 молекулярногоизменения горючей смеси:
/>
Коэффициент молекулярногоизменения рабочей смеси:
/>
Количество теплоты,потерянное вследствие химической неполноты сгорания:
ΔНu = 119950*(1-α)*L0кДж/кг. = 119950*(1-0,96)*0,516 = 2476 кДж/кг.
Теплота сгорания рабочейсмеси:
Нраб.см. = /> кДж/кмольраб.см.
Средняя мольнаятеплоемкость продуктов сгорания:
(m/>)/>= />
кДж/кмоль град.
Определяется поэмпирическим 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 использованиятеплоты ξz принимаем = 0,88:
(1)
Температура вконце 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 давлениесгорания теоретическое:
pz = pc*μ* Tz/ Тс= 2,1036*1,061*2825/792 = 7,963 МПа.
Максимальное давлениесгорания действительное:
Pzд = 0,85* pz = 0,85*7,963 = 6,7689 МПа.
Степень повышениядавления:
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
Процессырасширения и выпуска.
Средний показательадиабаты расширения К2 определяется по номограмме рис. 4.8 при заданном εдля 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 вконце 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 принятойтемпературы 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 параметрырабочего цикла.
Теоретическое среднее индикаторноедавление:
/>МПа.
/> МПа.
Среднее индикаторноедавление:
pi = φu* Рj, =0,96*1,1588 = 1,1124 МПа.
Где φu = 0,96 – коэффициент полнотыиндикаторной диаграммы.
Индикаторный КПД ииндикаторный удельный расход топлива:
/>
/> г/кВт. Ч
Эффективные показателидвигателя.
Среднее давлениемеханических потерь для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести иотношением S/D≤1.
Pм = 0,034 + 0,0113* Vп.ср МПа.
Для нашего карбюраторногодвигателя, 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 эффективноедавление и механический КПД:
Ре = Рj — Рм = 1,1124 – 0,2103 = 0,9021 МПа.
ηм = />.
Эффективный КПД иэффективный 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
Основныепараметры двигателя.
Литраж двигателя:
/> дм3.
Рабочий объем одногоцилиндра:
/> дм3.
Диаметр цилиндра. Так какход 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 мощностьдвигателя:
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
Построениеиндикаторных диаграмм.
Определяем объем камерысгорания:
Vc = />дм3.
Находим полный объемцилиндра:
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 различнымиуглами φ поворота коленчатого вала, определяем положение поршня поформуле:
х = />
Задаем λ = 0,285
Затем при этих углахφ находим текущий объем над поршневого пространства:
Vх = Vc + хFп.
Определяем давление налинии сжатия и расширения при выбранных углах поворота коленчатого вала:
/>;
/>;
Результаты расчетаприведены в таблице № 1.
Таблица № 1. № φº х, дм. Vх, дм3
/>/>
/> 1 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 0,05185 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 0,05185 0,118/0,085 0,1015
Скругление индикаторнойдиаграммы.
Учитывая быстроходностьрассчитываемого двигателя, устанавливаем следующие фазы газораспределения:
Начало ( точка r,) — 20º до ВМТ; окончание(точка а,,) — 60º после НМТ.
Начало ( точка b,) — 60º до НМТ; окончание (точкаа,) — 20º после ВМТ.
Угол опережения зажиганияпринимаем 30º (точка с,), продолжительность периода задержки воспламенения– Δφ = 10º, отсюда 30 – 10 = 20º( точка f)
Полоңениеточки 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 этодавление достигает через 10º после ВМТ.
Нарастание давления отточки с,, до точки z составитΔр/Δφ = 0,417, что означает плавную работу двигателя.
Результаты расчетаположения характерных точек приведены в таблице № 2.
Таблица № 2Обозначение 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 0,05185 0,1015
c/>/> ВМТ 360 0,05185 2,5243 zд 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
/>
/>
/>
Списокиспользуемой литературы.
1. А.И. Колчин, В.П.Демидов «Расчет автомобильных и тракторных двигателей» М.: Высшая школа, 2002год.