1508
.pdfФедеральное агентство по образованию Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
(СибАДИ)
Кафедра “Теплотехника и тепловые двигатели”
Р А С Ч Е Т
АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Методические указания к курсовому проекту по двигателям внутреннего сгорания
для студентов, обучающихся по специальности “Автомобили и автомобильное хозяйство”
Составитель П.Л.Шевченко
Омск Издательство СибАДИ
2008
УДК 621.43 ББК 31.365
Рецензент канд. техн. наук, доц. И.М. Князев (СибАДИ)
Работа одобрена научно-методическими советами специальностей 190601, 190201, 140607 для студентов, выполняющих курсовой или дипломный проект по дисциплинам "Двигатели внутреннего сгорания", "Автомобильные двигатели".
Расчет автомобильных двигателей: Методические указания к курсовому проекту по двигателям внутреннего сгорания для студентов, обучающихся по специальности “Автомобили и автомобильное хозяйство” / Сост. П.Л. Шевченко. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2008. –28с.
Благодаря графоаналитическому методу построения диаграмм: сил давления газов, сил инерции, суммарных и тангенциальных сил, значительно сокращается время выполнения курсового проекта и упрощается определение ошибок, полученных в результате построения диаграмм.
Предназначены для студентов, выполняющих курсовой или дипломный проект по двигателямвнутреннего сгорания.
П.Л. Шевченко, 2008
2
Оглавление |
|
1.Тепловой расчет карбюраторного двигателя.................................................. |
4 |
1.1. Определение параметров рабочего тела................................................... |
4 |
1.2. Процесс впуска.......................................................................................... |
5 |
1.3. Процесс сжатия.......................................................................................... |
7 |
1.4. Процесс сгорания....................................................................................... |
8 |
1.5. Процесс расширения и впуска................................................................ |
10 |
1.6. Показатели работы цикла........................................................................ |
11 |
1.7. Тепловой баланс двигателя..................................................................... |
13 |
2. Динамический расчет двигателя ................................................................... |
17 |
2.1. Построение индикаторной диаграммы................................................. |
17 |
2.2. Построение диаграммы инерционных сил |
|
от возвратно-поступательно движущихся масс.......................................... |
21 |
2.3. Построение диаграммы суммарных сил............................................... |
22 |
2.4. Построение диаграммы тангенциальных сил ...................................... |
23 |
2.5. Расчет маховика..................................................................................... |
24 |
Библиографический список ................................................................................ |
27 |
3
1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ КАРБЮРАТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Произвести тепловой расчет карбюраторного двигателя, предназначенного для грузового автомобиля. По данным расчета определить размеры цилиндра двигателя и предполагаемую экономичность.
Исходные данные для расчета:
–эффективная мощность Ne = 85 кВт;
–частота вращения коленчатого вала nN = 3200 мин-1;
–применяемое топливо – бензин А-80;
–низшая теплотворная способность топлива Ни = 44 МДж/кг;
–молекулярная масса топлива mT = 114;
–состав топлива С = 0,855, Н = 0,145, ОТ = 0;
–степень сжатия ε = 7;
–коэффициент избытка воздуха на номинальном режиме работы двигателя αN =0,9.
1.1. Определение параметров рабочего тела
Теоретический расход воздуха (кмоль), необходимый для сгорания одного килограмма топлива,
L0 12 01,209 C 3 H O8T 12 01,209
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
0,855 3 |
0,145 |
|
|
0,514. |
||
8 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
Действительный расход воздуха (кмоль), необходимый для сгорания одного килограмма топлива на номинальном режиме работы двигателя,
L = αN L0 = 0,9∙0,514 = 0,463.
При изменении скоростного режима двигателя от n=nN, где n=0,7nN, значение коэффициента избытка воздуха можно принять постоянным и равным 0,9. При скоростном режиме двигателя n<0,7nN имеет место уменьшение значения коэффициента избытка воздуха, которое можно определить по формуле
|
|
n |
2,36 |
|
|
0,7 |
|
||
|
||||
a aN 0,78 |
|
. |
||
|
|
nN |
||
Количество свежего заряда (кмоль)
4
Ì 1 |
L |
1 |
0,463 |
|
1 |
0,471. |
mT |
|
|||||
|
|
|
114 |
|||
Количество отдельных компонентов (кмоль), входящих в состав продуктов сгорания, полученных в результате сгорания 1 кг топлива:
MСО 0,418 L0 |
|
1 a |
|
0,418 0,514 |
1 0,9 |
0,0148; |
||||||||||||||||||
1 K |
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
|
|
0,855 |
|
1 0,45 |
|||||||||||
MСО |
|
MCO |
|
|
0,0148 0,0564; |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
2 |
12 |
|
|
|
|
|
|
|
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
MH2 K MCO |
|
0,45 0,0148 0,00667; |
||||||||||||||||||||||
MH |
O |
|
H |
MH |
|
|
|
0,145 |
0,00667 0,0658; |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
MN2 0,791 a L0 |
0,791 0,9 0,514 0,366; |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
K MH2 /MCO 0,45. |
|
|
||||||||||||||||
Суммарное количество продуктов сгорания (кмоль) |
||||||||||||||||||||||||
M2 МСО МСО |
МН |
2 |
МН |
О |
МN |
2 |
0,0148+0,0564+ |
|||||||||||||||||
|
|
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
+0,00667+0,0658+0,336=0,5096. |
|
|||||||||||||||||||||||
Химический коэффициент молекулярного изменения |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
Ì 2 |
|
|
|
0,5097 |
1,082. |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
Ì1 0,471
1.2.Процесс впуска
Параметры окружающей среды: P0=0,1 MПа, Т0=293 К. Плотность воздуха (кг/м3), поступающего в двигатель,
|
P 10 |
6 |
|
0,1 10 |
6 |
|
|
0 |
|
|
|
|
1,189. |
R T0 |
|
|
|
|||
|
|
|
287 293 |
|||
Среднюю скорость поршня на номинальном режиме работы двигателя принимаем равной СN=8,6 м/с.
Ход поршня (м)
Sp 30 CN 30 8,6 0,0794. nN 3200
Отношение площади поршня к проходному сечению впускного клапана
FN / fкл = 5,5.
Скорость (м/с) свежего заряда в проходном сечение клапана
5
Wвп 0,05433 Sp nN Fn / fкл 0,05433 0,0794 3200 5,5 77,1.
Сопротивление впускной системы с учетом коэффициента затухания скорости принимаем
2 3,6.
Давление в цилиндре двигателя в конце впуска (МПа)
P P 2 |
|
Wвп2 |
0,1 |
3,6 77,12 1,189 |
0,0873. |
|
|
|
|||||
a |
0 |
2 |
|
2 106 |
|
|
|
|
|
|
|||
Давление остаточных газов (МПа) при номинальной мощности
PrN 0,1 0,539 10 5 nN 0,1 0,539 10 5 3200 0,1175.
Давление остаточных газов (МПа) для различных скоростных режимов можно определять по формуле
n 2
Pr 1,035 P0 PrN 1,035 P0 n .
N
Температуру остаточных газов при номинальной мощности принимаем равной Т r= 1050 K. Для различных скоростных режимов температура остаточных газов может быть определена по формуле
|
|
n |
0,333 |
|
n |
|
T |
360 . |
|
T |
370 |
|
10 |
|
|||||
|
|
||||||||
r |
|
|
|
|
|
|
rN |
|
|
|
nN |
nN |
|
|
|||||
Степень подогрева свежего заряда при номинальной мощности принимаем ∆ТN = 15 оC. Для различных скоростных режимов степень подогрева свежего заряда можно определять по формуле
110 0,0125n
T TN 110 0,0125nN .
Коэффициент дозарядки для номинальной мощности принимаем φN =1,07; для различных скоростных режимов его можно определять по формуле
n
ä N 0,18 0,18 n .
N
Коэффициент остаточных газов
|
|
r |
|
T0 T |
|
PrN |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
Tr |
Pa N PrN |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
293 15 |
|
|
0,1175 |
|
0,064. |
|||||
|
0,0873 7 1,07 0,1175 |
||||||||||
|
1050 |
|
|
|
|
|
|||||
6
Температура рабочего тела в конце наполнения (К)
T |
T0 T r Tr |
|
293 15 1,1 0,064 1050 |
358, |
|
|
|||
a |
1 r |
|
1 0,064 |
|
|
|
|||
где Ñp2 /Cp1 1,1- для карбюраторных двигателей; Сp2 – изобарная
теплоемкость продуктов сгорания; Сp1 – изобарная теплоемкость свежего заряда.
Коэффициент наполнения
|
|
T0 |
|
Pa N |
Pr |
|
293 |
|
0,0873 7 1,07 0,115 |
0,850. |
|
T T |
P 1 |
293 15 |
0,1 7 1 |
||||||||
V |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
||
1.3. Процесс сжатия
Показатель адиабаты сжатия определяется на основании значений теплоемкостей рабочего тела в начале и в конце сжатия. После определения показателей адиабаты определяем показатель политропы сжатия. При этом учитывается тот факт, что теплоемкость безвоздушной смеси больше теплоемкости воздуха, а поэтому при определении показателя политропы показатель адиабаты уменьшается на 0÷0,4.
Минимальную температуру рабочего тела в конце сжатия принимаем равной tc1= 400 °C, а действительную температуру рабочего тела в конце сжатия принимаем равной 450 °C.
Теплоемкость рабочего тела в конце сжатия (кДж/кмоль)
mcv ñ 21,475 0,00306 tc tc1 =21,475+0,00306
(450-400)=21,628.
Теплоемкость рабочего тела в начале сжатия (кДж/кмоль)
mcv a 20,759 0,0008 ta = 20,759+0,0008∙85=20,827 , где tα=Ta –273 = 358 – 273 = 85 °C.
Показатель адиабаты сжатия
K1 |
1 8,315 |
tc ta |
|
|
|
1 8,315 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
mcv c tc mcv |
a ta |
|||
|
|
|
450 85 |
|
|
1,381. |
|
|
21,628 450 20,827 85 |
||||||
|
|
|
|
||||
Показатель политропы сжатия
n1 = K1 – 0,02 = 1,381 – 0,02 = 1,361.
7
Температура рабочего тела в конце сжатия (К)
Tc Ta n1 1 358 71,361 1 722,7.
Ошибка в расчете температуры рабочего тела в конце сжатия (%)
tc |
|
Tc 273 te |
100 |
722,7 273 450 100 0,156, |
|
||||
|
|
Tc 273 |
722,7 273 |
|
что вполне допустимо.
Если ошибка составляет больше 5 %, задают новое значение tс и расчет повторяют.
Давление в конце сжатия (МПа)
Pc Pa n1 0,0873 71,361 1,23 .
1.4.Процесс сгорания
Врасчетных циклах принято считать, что процесс сгорания топлива происходит при постоянном объеме. Вся теплота, выделенная при сгорании топлива, расходуется на изменение внутренней энергии. Потери теплоты, при приближении расчетного цикла к действительному, учитываются коэффициентом использования теплоты, который принимаем равным ξ=0,9.
Температура рабочего тела в конце сгорания определяется на основании значений внутренних энергий в начале сгорания в точке С
ив конце сгорания в точке Z.
Общее уравнение сгорания на участке С-Z имеет вид
|
Hu Hu |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
L |
Uc |
rUc |
1 r |
|
Uz. |
|||
|
|
|
|
|
|||||
Коэффициент использования теплоты, для различных скоростных режимов двигателя, можно определить по формуле
|
n |
0,4 |
|
n |
|
|
|
0,51. |
|
|
|
0,49 |
|
N |
|||||
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
nN |
nN |
|
|
|
|||||
Потери теплоты (МДж) за счет недогорания топлива при α<1
Í u 114 (1 a) L0 114 (1 0,9) 0,514 5,8586.
Внутренняя энергия (МДж) свежего заряда в точке С
Uc 8,591 0,02299 tc tc1 = 8,591 + 0,02299(450 – 400) = 9,74.
Внутренняя энергия (МДж) продуктов сгорания при α = 0,7
U1ñ 9,1123 0,02459 tc tc1 9,1123 0,02459(450 400) 10,34.
8
Внутренняя энергия (МДж) продуктов сгорания с учетом принятого коэффициента избытка воздуха в конце такта сжатия
Uc U1c Ac1,25 1,69 a 0,7 0,9565 a 0,7 1,65 10,34 1,1351,251,69 0,9 0,7 0,9565 0,9 0,7 1,65 10,657,
|
U |
10,34 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
гдеA |
|
|
1c |
|
|
|
|
1,135. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Uc1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
с |
9,1123 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Действительный коэффициент молекулярного изменения |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
1,082 0,064 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,077. |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
1 r |
|
|
1 0,064 |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Внутренняя энергия (МДж) рабочего тела в точке Z |
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Hu Hu |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
Uz |
|
L |
|
|
|
Uc rUc |
1 r |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
0,9 44 5,85 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
9,74 0,064 10,657 |
|
|
|
|
|
|
73,81. |
||||||||
|
0,463 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,077 1 0,064 |
|
||||||||||
Значение внутренней энергии продуктов сгорания при α = 0,7 для точки Z может быть определено по уравнению
U1z Uz1 Uz tz tz1 ,
где Uz1 64,6528.
Принимаем нижнее значение температуры рабочего тела в точке Z, tz1=2300 °C. С учетом принятого коэффициент избытка воздуха внутренняя энергия рабочего тела в точке Z может быть выражена уравнением
Uz U1z AzB,
где Az U1z /Uz1; В = [16∙(α - 0,7) - 9,075∙(α - 0,7)1,65] = 2,5624.
После некоторых преобразований получим (°С)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
73,854 |
|
|
|
|
Uz |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
tz |
|
|
|
Uz1 |
|
|
tz1 |
|
|
|
64,6528 |
||
|
B |
|
|
|
2,56 |
|
|||||||
1 |
|
|
|
|
|
Uz |
|
1 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
64,6528 |
|
||
|
|
z1 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
2300 2499. |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
0,03207 |
|
|
|
|
|||
Tz tZ 273 2499 273 2773 К.
Давление (МПа) рабочего тела в конце сгорания
P |
Pc Tz |
|
1,077 1,234 |
2772 |
5,098. |
|
|
|
|||
z |
Tc |
722,7 |
|
|
|
|
|
|
|||
9
Степень повышения давления (МПа)
Pz 5,098 4,131. Pc 1,234
1.5.Процесс расширения и впуска
Показатель адиабаты расширения определяем на основании значений теплоемкостей рабочего тела в начале и в конце расширения.
Теплоемкость рабочего тела (кДж/кмоль) для точки Z при α = 0,7
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
mcv 1z (mcv)z1 (mc)z tz tz1 28,1099 |
|||||||||||
|
|
|
0,003172(2499 2300) 28,7284. |
|
|
|||||||
Теплоемкость рабочего тела (кДж/кмоль) |
в точке Z с учетом |
|||||||||||
выбранного коэффициента избытка воздуха |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
(mc |
) |
28,7284 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Az |
|
|
v 1z |
|
|
1,022; |
|
|
|
|
|
|
|
|
28,1099 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
(mcv)z1 |
|
|
|
|
|||
|
|
1,1 |
6,75 ( 0,7) 3,95 ( 0,7) |
1,75 |
28,7284 |
|||||||
mcv |
z mcv |
1z |
Az |
|
||||||||
|
1,0221,1 |
6,75 (0,9 0,7) 3,95 (0,9 0,7)1,75 29,8694. |
||||||||||
Теплоемкость рабочего тела (кДж/кмоль) |
в точке В при α = 0,7 |
|||||||||||
mcv 1b (mcv )b1 (mcv )b tb tb1 26,1738
0,002664 1450 1400 26,307.
Теплоемкость рабочего тела (кДж/кмоль) в точке В с учетом выбранного коэффициента избытка воздуха
|
|
|
26,307 |
|
A |
mcv 1b |
|
1,0051; |
|
|
|
|||
b |
|
26,1738 |
||
|
mcv b1 |
|
||
mcv b mcv 1b Ab1,7 6 0,7 3,516 0,7 1,75 26,307
1,00511,7 6 0,9 0,7 3,516 0,9 0,7 1,75 27,3053.
Показатели адиабаты расширения
К2 |
1 8,315 |
tz |
tb |
|
1 8,315 |
||
|
|
|
|
||||
|
|
|
(mcv )z tz (mcv )b tb |
||||
|
|
|
2499 1450 |
|
1,249. |
||
|
29,869 2499 27,3053 1450 |
||||||
|
|
|
|
||||
Показатель политропы расширения принимаем равным показателю адиабаты расширения, т.е. n2=K2.
10