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

Тип двигателя	дизельный
Степень сжатия, ε	14,5
Максимальное давление, P z , МПа	6,7
Частота вращения коленчатого вала двигателя, n , об/мин	3800
Число цилиндров двигателя, i	6
Диаметр цилиндра, dц ,м	0,095
Ход поршня, S , м	0,102
Длина шатуна, l ш , м	0,26

1 Расчет объема камеры сгорания

Объем камеры сгорания определяется по формуле:

, (1.1)

где Vc
– объем камеры сгорания двигателя, м3
;

Vh
– рабочий объем цилиндра, м3
;

e – степень сжатия; e = 14,5.

Рабочий объем цилиндра определяется по формуле:

, (1.2)

где Fп
–
площадь поршня, м2
;

S
– ход поршня, S
= 0,102 м.

F
п
=
πD
2
/ 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:

Vh
= 0,708 · 10– 2
× 0,102 = 0,723 · 10– 3
м3
.

Объем камеры сгорания равен:

Vc
= 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.

Vа
= Vв
= 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:

Ра

= (0,85 – 0,9) Ро
, (2.1)

где Р
о
– атмосферное давление воздуха, МПа. Для стандартных атмосферных

условий Ро
= 0,101 МПа [2].

Ра
= 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];

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

gr
– коэффициент остаточных газов, gr
= 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 n
1
– показатель политропы сжатия, n
1
= 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:

М
1
=
a Lо
, (4.2)

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

М
1
= 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;

Нu
– низшая теплота сгорания топлива, Н
u
= 42500 кДж/кг [2];

mcvc
– средняя молярная теплоемкость свежего заряда.

mcv
”
– средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания.

Средняя молярная теплоемкость свежего заряда определяется по формуле:

m
cvc

= 20,16 + 1,74 ×10-3
Тс
; (4.7)

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

Средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания определяется по формуле:

m
cv
”
= (4.8)

m
cv
”
=

Степень повышения давления в цилиндре определяется по формуле:

lz
=
Pz
/
Pc
.
(4.9)

lz
= 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:

АТz
2
+ ВТz
+ С =
0, (4.10)

где А, В, С
– числовые коэффициенты.

2,740 · 10–3
Тz
2
+
30,549 Тz
– 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:

Рz
¢ = Рz
.
(4.12)

Рz
¢ =
6,7 МПа.

5 Расчет процесса расширения

Степень предварительного расширения для дизельных двигателей определяется по формуле:

r=
(m / lz
) × (Тz
/ Тс
) ; (5.1)

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

Объем цилиндра в точке Z
определяется по формуле:

Vz
= Vc
r; (5.2)

Vz
=
0,054 · 10– 3
× 1,296 = 0,070 · 10– 3
м3
.

Степень последующего расшир

ения 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 n
2
– показатель политропы расширения, n
2
= 1,26 [2].

Рв
=
6,7 / 11,1881,26
= 0,320 МПа;

Тв
=
2089 / 11,1881,26 – 1
= 1117 К.

6 Индикаторные показатели работы двигателя

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

Средним индикаторным давлением Рi
называют отношение работы газов за цикл Li
к рабочему объему Vh
четырехтактного двигателя. Среднее индикаторное давление теоретического цикла для дизелей определяется по формуле:

(6.1)

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

Рi
=
jп
Рi
¢
,(6.2)

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

Рi
=
0,94 · 0,882 = 0,829 МПа.

Индикаторный коэффициент полезного действия hi
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:

Рм
=
0,103 + 0,012 Cm
, (7.1)

где Сm
– средняя скорость поршня, м/с:

(7.2)

Среднее давление механических потерь равно:

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

Среднее эффективное давление определяется по формуле:

Ре
= Рi
– Рм
; (7.3)

Ре
=
0,829 – 0,258 = 0,571 МПа.

Механический КПД двигателя определяется по формуле:

(7.4)

Эффективный КПД двигателя определяется по формуле:

hе
=
hi
hм
; (7.5)

hе
=
0,374 × 0,689 = 0,258.

Удельный эффективный расход топлива определяется по формуле:

(7.6)

Эффективная мощность двигателя, определяется по формуле:

Nе
= Ni
hм
.(7.7)

Nе
=
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 Va
, Vc
, Vz
, Vв
,
соответствующие положению характерных точек индикаторной диаграммы. По оси ординат откладываются вычисленные ранее давления Pa
, Pc
, Pz
, Pв
.
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
=
Vc
+
F
п
S
.(8.3)

Ход поршня определяется по формуле:

S
=
R
(1 –
cos
j +
l (1 –
cos
2j) / 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

j, °	S , м	V = Vc + F п × S , м3	Сжатие			Расширение
			Va / V	(Va /V)n 1	P , МПа	V / Vz	(V / Vz )n 2	P , МПа
180	0,102	0,777 · 10–3	1	1	0,088	11,188	20,962	0,320
210	0,096	0,734 · 10–3	1,059	1,080	0,095	10,486	19,318	0,347
240	0,080	0,621 · 10–3	1,251	1,353	0,119	8,871	15,648	0,428
270	0,056	0,451 · 10–3	1,723	2,084	0,183	6,443	10,458	0,641
300	0,029	0,259 · 10–3	3,000	4,407	0,388	3,700	5,199	1,289
330	0,008	0,111 · 10–3	7,000	13,832	1,217	1,586	1,788	3,747
360	0	0,054 · 10–3	14,5	36,970	3,253	1	1	6,7

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

Введение…………………………………………………………………….	3
1 Расчет объема камеры сгорания…………………………………………	4
2 Расчет процесса наполнения…………………………………………….	5
3 Расчет параметров сжатия рабочего тела в цилиндре…………………	6
4 Расчет процесса сгорания………………………………………………..	7
5 Расчет процесса расширения…………………………………………….	10
6 Индикаторные показатели работы двигателя…………………………..	11
7 Эффективные показатели работы двигателя…………………………...	13
8 Построение индикаторной диаграммы…………………………………	15
Список использованных источников……………………………………...	18