Тепловий розрахунок ДВС

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ РФ
КАЗАНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ
УНІВЕРСИТЕТ ІМ. А. Н. Туполева.
КАФЕДРА АТ і С

Розрахунково-пояснювальна записка до курсової роботи
«Тепловий розрахунок ДВС»
з дисципліни «Автомобільні двигуни»
Виконав: студент гр. 1372
Маркін А.В.
Керівник:
Березовський А.Б.
Казань 2007

ЗМІСТ.
1. Вибір розрахункових режимів. 3
2. Паливо. 4
3. Параметри робочого тіла. 4
4. Параметри навколишнього середовища і залишкові гази. 5
5. Процес пуску. 5
6. Процес стиснення. 7
7. Процес згоряння. 8
8. Процес розширення. 10
9. Процес випуску. 10
10. Індикаторні параметри робочого циклу. 11
11. Ефективність параметрів двигуна. 11
12. Основні параметри циліндрів і двигунів. 12
13. Побудова зовнішньої швидкісної характеристики (графік). 18-19
14. Побудова розрахункової індикаторної діаграми (графік). 20
15. Округляє розрахункової індикаторної діаграми (графік). 20
16. Список використаної літератури. 21

Вихідні дані.
1. Потужність двигуна, Ne = 87 кВт;
2. Частота обертання колінчастого вала, nN = 6000 об / хв;
3. Тактность двигуна, τ = 4;
4. Кількість циліндрів, i = 4;
5. Ступінь стиснення, ε = 10,3;
6. Тип охолодження - рідинне.
Режими для проведення теплового розрахунку:
а) режим мінімальної частоти обертання nmin = 1000об./мін.
б) режим максимального крутного моменту nM = 0,53 nN = 3200 об. / хв.
в) режим максимальної (номінальної) потужності nN = 6000об./мін.
г) режим максимальної швидкості руху автомобіля
nmax = 1.05nN = 6300 об. / хв.
Підбір аналогів

Величина				Проектований двигун
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

Тепловий розрахунок двигуна
Розрахунок проводиться для заданої частоти обертання колінчастого вала карбюраторного двигуна n = 6000об/мін.
Паливо. Відповідно до заданим ступенем стиснення ε = 10,3 можна використовувати бензин марки АІ-93. ПРЕМІУМ-95 і АІ-98 ЕК
Середній елементарний склад і молекулярна маса бензину
С = 0,855; Н = 0,145; mт = 115 кг / кмоль.
Визначимо нижчу теплоту згоряння палива
Нu = 33,91 З +125,60 Н-10, 89 (OS) -2,51 (9H + W) = 33,91 * 0,855 +125,6 * 0,145-2,51 * 9 * 0,145 = 43,93 МДж / кг = 43930кДж/кг.
Параметри робочого тіла. Теоретичне необхідну кількість повітря для згоряння 1 кг. палива
кмоль пов / кг палив.
кмоль
возд. / кг палив.
Коефіцієнт надлишку повітря α = 0,96 на основних режимах
(Література 1). На режимах мінімальної частоти обертання α = 0,86.
Кількість горючої суміші.
кмоль гор.см. / кг. палив.
Кількість окремих компонентів продуктів згоряння при К = 0,5

кмольСО2/кгтопл.
кмольСО / кгтопл.

кмольН2О/кгтопл.

кмольН2/кгтопл.
кмольN2/кгтопл.
Загальна кількість продуктів згоряння:
М2 = МСО2 + МСО + МН2О + МН2 + Мn2 = C/12 + H / 2 + 0,79 αL0 = 0,0655 + 0,0057 + 0,0696 + 0,0029 + 0,3923 = 0,5361 кмоль пр. сг / кг палив.
Результати занесемо в таблицю

параметри	Робоче тіло; карбюраторний двигун
n, хв-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 СВ / 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

Параметри навколишнього середовища і залишкові гази.
Тиск і температура навколишнього середовища при роботі двигунів без наддуву
Рк = Ро = 0,1 МПа і Тк = Те = 293 К
Температура залишкових газів.
(Рис. 5.1 література 1 приймаємо).
При номінальних режимах карбюраторного двигуна ТR = 1070 До
Тиск залишкових газів.
Для карбюраторного двигуна на номінальному швидкісному режимі:
PrN = 1,18 Po = 1,18 * 0,1 = 0,118 МПа.
Процес пуску.
Температура підігріву свіжого заряду. З метою отримання хорошого наповнення карбюраторних двигунів на номінальних швидкісних режимах приймається Δ ТN ​​= 8єС. (1)
Щільність заряду на випуску.
Ρr = Ро * 106 / (RBTO) = 0,1 * 106 / (287 * 293) = 1,189 кг / м3,
де RB - 287 Дж / (кг.град.) - питома газова постійна для повітря. (1)
Втрати тиску на впуску.
При обліку якісної обробки внутрішніх поверхонь впускних систем для карбюраторного двигуна можна прийняти β2 + ξВП = 2,8 і
ωВП = 95 м / с.
β - коефіцієнт загасання швидкості руху заряду в перерізі циліндра.
ξВП - коефіцієнт опору впускної системи, віднесений до найбільш вузькому її перерізу.
ωВП - середня швидкість руху заряду в найменшому перетині впускної системи. (1)
Тоді ΔРа на всіх швидкісних режимах двигуна розраховується за формулою:
ΔРа = (β2 + ξвп) А2nn2ρо10-6 / 2, де Аn = ωвп / nN
Аn = 95 / 6000 = 0,0158
ΔРа = 2,8 * 0,01582 * 60002 * 1,189 * 10-6 / 2 = 0,0150
Тиск в кінці пуску.
У карбюраторному двигуні при nN = 6000 хв-1.
Ра = Ро - ΔРа = 0,1 - 0,0150 = 0,085 МПа.
Коефіцієнт залишкових газів.
При nN = 6000 хв-1.

φоч = 1 - коефіцієнт очищення.
φдоз = 1,12 - коефіцієнт дозарядки на номінальному швидкісному режимі.
Температура в кінці впуску.
Та = (То + Т + γr * Tr) / (1 + γr) = (293 +8 +0,0385 * 1 070) / (1 +0,0385) = 329
Коефіцієнт наповнення.

Результати обчислень занесемо в таблицю.

параметри	Процес впуску і газообміну
n, хв-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, єC	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

Процес стиснення.
При ε = 10,3 і Та = 329 К, nN = 6000 хв-1 визначаємо за монограмі середній показник адіабати стиснення к1 = 1,3765 і середній показник політропи стиснення n1 = 1,37. (1)
Тиск в колнце стиснення.
При nN = 6000 хв-1
Рс = Раεn = 0,085 * 10,31,376 = 2,1036 Мпа.
Температура в кінці стиснення.
Тс = Таεn-1 = 329 * 10,31,376-1 = 792 К.
Середня мольна теплоємність в кінці стиснення.
а) свіжої суміші (повітря)
20,6 + 2,638 * 10-3 * tc, де tc = Тс - 273 єС
20,6 + 2,638 * 10-3 * 519 = 21,969 кДж / (кмоль град).
б) залишкових газів
визначається методом інтерполяції за табл. 3.8 при nN = 6000 хв-1, α = 0,96 і tc = 519 єС.
(1)
(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) робочої суміші
кДж / (кмоль град).
(M ) = кДж / (кмоль град).
Результати обчислень заносимо в таблицю.

параметри	Процес стиснення
n, хв-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, ЄК	803	796	792	792
tc, єС	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

Процес згоряння.
Коефіцієнт молекулярного зміни горючої суміші:

Коефіцієнт молекулярного зміни робочої суміші:

Кількість теплоти, втрачене внаслідок хімічної неповноти згорання:
ΔНu = 119950 * (1-α) * L0 кДж / кг. = 119950 * (1-0,96) * 0,516 = 2476 кДж / кг.
Теплота згоряння робочої суміші:
Нраб.см. = кДж / кмоль раб.см.
Середня мольна теплоємність продуктів згоряння:
(M ) =
кДж / кмоль град.
Визначається за емпіричними формулами таб. 3.7 література 1.
(M ) = * [0,0655 * (39,123 +0,003349 tz) +0,0057 * (22,49 +0,00143 tz) +0,0696 * (26,6 + +0,004438 tz) +0,0029 * (19,678 + 0,001758 tz) +0,3923 * (21,951 +0,001457 tz) = 24,657 + 0,002077 tz] кДж / кмоль град.
Коефіцієнт використання теплоти ξz приймаємо = 0,88:
(1)
Температура в кінці видимого процесу згоряння: при n = 6000 хв
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 - вісімдесят одна тисяча сто тридцять два = 0, звідки
tz =
= 2552 єС;
Tz = tz + 273 = 2825 К;
Максимальний тиск згорання теоретичне:
pz = pc * μ * Tz / Тс = 2,1036 * 1,061 * 2825/792 = 7,963 МПа.
Максимальний тиск згорання дійсне:
Pzд = 0,85 * pz = 0,85 * 7,963 = 6,7689 МПа.
Ступінь підвищення тиску:
λ = pz / pc = 7,963 / 2,1036 = 3,786.

параметри	Процес згоряння
n, хв-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 + 0,002034 tz	24,6566 + 0,002077 tz	24,6566 + 0,002077 tz	24,6566 + 0,002077 tz
ξz	0,83	0,92	0,88	0,86
tz, єС	2330	2643	2552	2509
Tz, ЄК	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

Процеси розширення і випуску.
Середній показник адіабати розширення К2 визначається за номограми рис. 4.8 при заданому ε для відповідних значень α і Tz, а середній показник політропи розширення n2, оцінюється за величиною середнього показника адіабати:
ε = 10,3; α = 0,96; Tz = 2825 К; К2 = 1,2528; n2 = 1,252.
Тиск і температура в кінці процесу розширення:
Рв = Pz / εn2 і Тв = Tz / εn2-1:
Рв = 7,9635 / 10,31,252 = 0,4296 МПа, Тв = 2825/10 ,31,252-1 = 1570 К;
Перевірка раніше прийнятої температури залишкових газів:
До;
Δ ТR = ,
Де Δ ТR - похибка розрахунку - 4,6% допустима похибка.

параметри	Процес розширення і випуску.
n, хв-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

Індикаторні параметри робочого циклу.
Теоретичне середнє індикаторне тиск:
МПа.
МПа.
Середнє індикаторне тиск:
pi = φu * Рj, = 0,96 * 1,1588 = 1,1124 МПа.
Де φu = 0,96 - коефіцієнт повноти індикаторної діаграми.
Індикаторний ККД і індикаторний питома витрата палива:

г / кВт. Ч
Ефективні показники двигуна.
Середній тиск механічних втрат для бензинових двигунів з числом циліндрів до шести і ставленням S / D ≤ 1.
Pм = 0,034 + 0,0113 * Vп.ср МПа.
Для нашого карбюраторного двигуна, попередньо прийнявши хід поршня S рівним 78 мм., Отримаємо значення середньої швидкості поршня:
м / с.
Тоді: Pм = 0,034 + 0,0113 * 15,6 = 0,2103 МПа.
Середнє ефективне тиск і механічний ККД:
Ре = Рj - Рм = 1,1124 - 0,2103 = 0,9021 МПа.
ηм = .
Ефективний ККД і ефективний питома витрата палива:
ηе = ηj * ηм = 0,3388 * 0,811 = 0,2748
Gе = г / кВт.год.

параметри	Індикаторні та ефективні параметри двигуна.
n, хв-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.год	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.год	263	237	298	313

Основні параметри двигуна.
Літраж двигуна:
дм3.
Робочий об'єм одного циліндра:
дм3.
Діаметр циліндра. Так як хід поршня попередньо був прийнятий S = 78 мм, то:
мм.
Остаточно приймається D = 88 мм, S = 78 мм.
Площа поршня:
дм.
Літраж двигуна:
дм3 ..
Потужність двигуна:
Nе = кВт.
Літрова потужність двигуна:
Nл = кВт / л.
Крутний момент:
Ме = Н * М.
Часовий витрата палива:
GT = Nе * Gе * 10-3 = 86 * 298 * 10-3 = 25,5 кг / ч.

параметри	Основні параметри і показники двигуна.
n, хв-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 / год	4,57	13,88	25,51	26,53

Побудова індикаторних діаграм.
Визначаємо об'єм камери згоряння:
Vc = дм3.
Знаходимо повний об'єм циліндра:
Vа = Vc + Vh = 0,05 + 0,4822 = 0,534
Розраховані точки:
ВМТ: Pr = 0,118 Mpa; Рс = 2,1036 МПа; Pz = 7,9635 МПа.
НМТ: Ра = 0,085 Mpa; Рв = 0,4296 МПа.
Переймаючись різними кутами φ повороту колінчастого валу, визначаємо положення поршня за формулою:
х =
Задаємо λ = 0,285
Потім при цих кутах φ знаходимо поточний обсяг над поршневого простору:
Vх = Vc + хFп.
Визначаємо тиск на лінії стиснення і розширення при вибраних кутах повороту колінчастого валу:
;
;
Результати розрахунку наведені в таблиці № 1.

Таблиця № 1.

№	φє	х, дм.	Vх, дм3
1	0	0	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	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	0,05185	0,118 / 0,085	0,1015

Округляє індикаторної діаграми.
Враховуючи швидкохідність розраховується двигуна, встановлюємо наступні фази газорозподілу:
Початок (точка r,) - 20є до ВМТ; закінчення (точка а,,) - 60є після НМТ.
Початок (точка b,) - 60є до НМТ; закінчення (точка а,) - 20є після ВМТ.
Кут випередження запалювання приймаємо 30є (точка с,), тривалість періоду затримки запалення - Δφ = 10є, звідси 30 - 10 = 20є (точка f)
Полоңеніе точки с,, визначаємо з виразу:
РС,, = (1,15 ... 1,25) рс = 1,2 * 2,1036 = 2,5243 МПа.
Дійсне тиск згорання:
Pzд = 0,85 * pz = 0,85 * 7,9635 = 6,769 МПа.
Прийнято вважати, що це тиск сягає через 10є після ВМТ.
Наростання тиску від точки з,, до точки z складе Δр / Δφ = 0,417, що означає плавну роботу двигуна.
Результати розрахунку положення характерних точок наведені в таблиці № 2.
Таблиця № 2

Позначення	Положення	φє	х, дм.	Vх, дм3
r	20єдо ВМТ	700	0,03002	0,064158576	0,118
r	20є після ВМТ	20	0,03002	0,064158576	0,085
a	60є після НМТ	240	0,62668	0,434125563	0,113038
f	30єдо ВМТ	330	0,06614	0,078968975	1,179456
c	20єдо ВМТ	340	0,03002	0,064158576	1,569637
r	ВМТ	360	0	0,05185	0,1015
c	ВМТ	360	0	0,05185	2,5243
zд	10є після ВМТ	370	0,0076	0,054966315	6,769
b	60єдо НМТ	480	0,62668	0,434125563	0,556816
b''	НМТ	540	0,78	0,52765	0,334927

Список використаної літератури.
1. А.І. Колчин, В.П. Демидов «Розрахунок автомобільних і тракторних двигунів» М.: Вища школа, 2002 рік.