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. 1371 Золев А.В.
Руководитель: Сосницкий А.Б.
Казань 2007
Содержание
Исходные данные. 3
1. Тепловой расчет двигателя. 4
2. Основные параметры двигателя. 15
3. Построение индикаторныхдиаграмм. 17
Список используемой литературы… 21Исходные данные
1. Мощностьдвигателя, Ne = 87 кВт;
2. Частотавращения коленчатого вала, nN = 6000 об/мин;
3. Тактностьдвигателя, τ = 4;
4. Количествоцилиндров, i = 4;
5. Степеньсжатия, ε = 10,3;
6. Типохлаждения – 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 аналоговВеличина
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
1. Тепловой расчет двигателя
Расчет проводится для заданной частоты вращения коленчатоговала карбюраторного двигателя n = 6000об/мин.
Топливо. В соответствии с заданной степеньюсжатия 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 = 115кг/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. Теоретическоенеобходимое количество воздуха для сгорания 1кг. топлива
/>кмоль возд/кг топл.
/>кмоль
возд./кг топл.
Коэффициент избытка воздуха α = 0,96 на основныхрежимах
(литература 1). На режимах минимальной частоты вращенияα = 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 таблицупараметры 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
Параметрыокружающей среды и остаточные газы.
Давление итемпература окружающей среды при работе двигателей без наддува
Рк = Ро =0,1 МПа и Тк = То = 293 К
Температураостаточных газов.
(рис. 5.1литература 1 принимаем).
Приноминальных режимах карбюраторного двигателя Тr = 1070 К
Давлениеостаточных газов.
Длякарбюраторного двигателя на номинальном скоростном режиме:
PrN = 1,18 Po = 1,18*0,1 = 0,118 МПа.
Процесспуска.
Температураподогрева свежего заряда. С целью получения хорошего наполнения карбюраторныхдвигателей на номинальных скоростных режимах принимается Δ ТN = 8ºС.
(1)
Плотностьзаряда на выпуске.
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 на впуске.
Приучете качественной обработки внутренних поверхностей впускных систем длякарбюраторного двигателя можно принять β2 + ξВП= 2,8 и
ωВП= 95 м/с.
β– коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечениицилиндра.
ξВП– коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому еесечению.
ωВП– средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы.
(1)
ТогдаΔРа на всех скоростных режимах двигателя рассчитывается поформуле:
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
Давлениев конце пуска.
Вкарбюраторном двигателе при nN = 6000 мин-1.
Ра= Ро – ΔРа = 0,1 – 0,0150 = 0,085 Мпа.
Коэффициентостаточных газов.
При nN = 6000 мин-1.
/>
φоч= 1 – коэффициент очистки.
φдоз= 1,12 – коэффициент дозарядки на номинальном скоростном режиме.
Температурав конце впуска.
Та= (То + ΔТ + γr * Tr) / (1 + γr)= (293+8+0,0385*1070) / (1+0,0385) = 329
Коэффициентнаполнения.
/>
Результатывычислений 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
Процесссжатия.
При ε =10,3 и Та = 329 К, nN = 6000 мин-1 определяем по монограмме средний показательадиабаты сжатия к1 = 1,3765 и средний показатель политропы сжатия n1 = 1,37.
(1)
Давлениев колнце сжатия.
При nN = 6000 мин-1
Рс= Раεn= 0,085*10,31,376 = 2,1036 Мпа.
Температурав конце сжатия.
Тс= Таεn-1 =329*10,31,376-1 = 792 К.
Средняямольная теплоемкость в конце сжатия.
а) свежейсмеси (воздуха)
/>20,6 + 2,638 * 10-3 * tc, где tc = Тс — 273 ºС
/>20,6 + 2,638 * 10-3 * 519 = 21,969 кДж / (кмольград).
б)остаточных газов
/>определяется методом интерполяции по табл. 3.8 при nN = 6000 мин-1, α =0,96 и tc = 519 ºС.
(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).
Результатывычислений заносим в таблицу. параметры Процесс сжатия
n, мин-1 1000 3200 6000 6300
к1 1,3751 1,3757 1,3765 1,3766
n1 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
Процесссгорания.
Коэффициентмолекулярного изменения горючей смеси:
/>
Коэффициентмолекулярного изменения рабочей смеси:
/>
Количествотеплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания:
ΔНu = 119950*(1-α)*L0кДж/кг. = 119950*(1-0,96)*0,516 =2476 кДж/кг.
Теплотасгорания рабочей смеси:
Нраб.см.= /> кДж/кмоль раб.см.
Средняямольная 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 процессасгорания: 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
Процессырасширения и выпуска
Среднийпоказатель адиабаты расширения К2 определяется по номограмме рис.4.8 при заданном ε для соответствующих значений α и Tz, а средний показатель политропырасширения n2, оценивается по величине среднего показателяадиабаты:
ε =10,3; α = 0,96; Tz = 2825 К; К2 = 1,2528; n2 = 1,252.
Давление итемпература 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;
Проверкаранее принятой температуры остаточных газов:
/>К;
Δ Тr = />,
ГдеΔ 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
Индикаторныепараметры рабочего цикла.
Теоретическое среднее индикаторное давление:
/>МПа.
/> МПа.
Среднееиндикаторное давление:
pi = φu* Рj, = 0,96*1,1588 = 1,1124 МПа.
Где φu = 0,96 – коэффициент полнотыиндикаторной диаграммы.
Индикаторный КПД и индикаторный удельный расход топлива:
/>
/> г/кВт. Ч
Эффективныепоказатели двигателя.
Среднеедавление механических потерь для бензиновых двигателей с числом цилиндров дошести и отношением S/D≤1.
Pм = 0,034 + 0,0113* Vп.ср МПа.
Для нашегокарбюраторного двигателя, предварительно приняв ход поршня S равным 78 мм., получим значениесредней скорости поршня:
/> м/с.
Тогда: Pм = 0,034 + 0,0113*15,6 = 0,2103 МПа.
Среднееэффективное давление и механический КПД:
Ре= Рj — Рм = 1,1124 – 0,2103 =0,9021 МПа.
ηм= />.
ЭффективныйКПД 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
2. Основные параметры двигателя
Литраж двигателя:
/> дм3.
Рабочий объем одного цилиндра:
/> дм3.
Диаметр цилиндра. Так как ход поршня предварительнобыл 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
3. 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 коленчатоговала, определяем положение поршня по формуле:
х = />
Задаем λ = 0,285
Затем при этих углах φ находим текущий объем надпоршневого пространства:
Vх = Vc + хFп.
Определяем давление на линии сжатия и расширения привыбранных углах поворота коленчатого вала:
/>;
/>;
Результаты расчета приведены 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
Продолжениетаб. 1.
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
Скруглениеиндикаторной диаграммы.
Учитываябыстроходность рассчитываемого двигателя, устанавливаем следующие фазыгазораспределения:
Начало ( точка r,) — 20º до ВМТ; окончание (точкаа,,) — 60º после НМТ.
Начало ( точка b,) — 60º до НМТ; окончание (точкаа,) — 20º после ВМТ.
Уголопережения 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 = 2,5243МПа.
Действительное давление сгорания:
Pzд = 0,85* pz = 0,85*7,9635 = 6,769 МПа.
Принятосчитать, что это давление достигает через 10º после ВМТ.
Нарастание давления от точки с,, до точки z составит Δр/Δφ = 0,417, что означает плавнуюработу двигателя.
Результатырасчета положения 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 Список используемой литературы
1. Колчин А.И., Демидов В.П. «Расчет автомобильных итракторных двигателей» М.: Высшая школа, 2002 год.