Проект вихрокамерного 4-циліндрового дизельного двигуна для легкового автомобіля (стр. 1 из 4)
Курсова робота
з дисципліни «Автомобільні двигуни»
на тему «Проект вихрокамерного 4-циліндрового дизельного двигуна для легкового автомобіля»
Зміст
1. Вступ
1.1 Перелік умовних позначень
2. ПЕРШИЙ ЕТАП. ТЕПЛОВИЙ РОЗРАХУНОК
2.1 Параметри робочого тіла
2.1.1 Кількість горючої суміші М1, кмоль. гор. суміші/кг палива
2.1.2 Кількість окремих компонентів продуктів згоряння при обраному α
2.1.3 Загальна кількість продуктів згоряння, кмоль пр. зг. /кг палива
2.2 Параметри навколишнього середовища і залишкові гази
2.3 Процес наповнення (впуску)
2.4 Процес стиску
2.5 Процес згоряння
2.6 Процес розширення і випуску
2.7 Індикаторні параметри робочого циклу
2.8 Ефективні показники двигуна
2.9 Визначення основнихрозмірів двигуна
2.10 Побудова індикаторної діаграми двигуна
3. Тепловий баланс
3.1 Загальна кількість теплоти, введеної в двигун із паливом, Дж/с
3.2 Теплота, еквівалентна ефективній роботі за 1с, Дж/с
3.3 Теплота, передана охолодженому середовищу, Дж/с
3.4 Теплота, віднесена до відпрацьованих газів, Дж/с
3.5 Невраховані втрати теплоти, Дж/с
4. Розрахунок та побудова зовнішньої швидкістної характеристики двигуна
5. Порівняння основних показників проектованого двигуна і прототипу
6. ДРУГИЙ ЕТАП. ДИНАМІЧНИЙ РОЗРАХУНОК ДВИГУНА
6.1 Сили тиску газів
6.2 Приведеннямас частинкривошипно-шатуного механізму
6.3 Сили інерції
6.4 Сумарні сили
6.5 Крутний момент одного циліндра
7. ТРЕТІЙ ЕТАП. РОЗРОБКА ТА КОНСТРУЮВАННЯ ДЕТАЛЕЙ ДВИГУНА
8. ЧЕТВЕРТИЙ ЕТАП. РОЗРАХУНОК СИСТЕМ ДВИГУНА
1. Вступ
Однією з приоритетних галузей інтенсивного розвитку країни є автомобільна промисловість. Інтенсивний розвиток автомобільної промисловості стимулює активізацію багатьох інших галузей.
Найголовнішою частиною сучасного авто є силовий агрегат. У більшості випадків це двигун внутрішнього згорання (ДВЗ). Двигун – це енергосилова мамашина, яка перетворює будь-який вид енергії в механічну роботу. Для руху авто необхідний двигун – джерело механічної енергії. Більшість сучасних автомобілів мають поршневі (теплові) двигуни (дизельні або бензинові).
Початок розвитку ДВЗ відноситься до 60-х років минулого століття. К кінцю 19 століття, коли була організована промислова переробка нафти, ДВЗ, працюючи на рідинному паливі, знайшли широке розповсюдження. В Росії перший бензиновий двигун було зроблено в 1889р. В 1899р. в Петербурзі розробили перший в світі двигун з запалюванням від стиску (дизель).
В області розвитку та оновлення автомобільних двигунів головними задачами є розширення використання дизелів, зниження паливної економічності та удільної маси двигунів, вартість їхнього випуску та експлуатації. На принципово новий рівень ставиться боротьба с токсичними вибросами двигунів в атмосферу, а також задачі по зниженню шума та вібрації в процесі іх експлуатації.
1.1 Перелік умовних позначень
D – діаметр циліндра
S – хід поршня
R – радіус кривошипа
L – довжина шатуна
і – число циліндрів
ε – ступінь стиску
α – коефіцієнт надлишку повітря
λ – ступінь підвищення тиску
Ра – тиск наприкінці впуску
Рс – тиск наприкінці стиску
Рz – тиск газів наприкінці згорання
Рb – тиск наприкінці розширення
Рr – тиск залишкових газів
Ре – середній ефективний тиск
Vл – літраж
Vh – робочий обсяг одного циліндра
Vc – обсяг камери сгорання
Va – повний обсяг циліндра
Nemax – максимальна потужність
n – частота обертання колінчатого вала
Memax – максимальний крутний момент
Nл – літрова потужність
gе – ефективна питома витрата палива
ηv – коефіцієнт наповнення
ηі – індикаторний ККД
ηм – механічний ККД
ηе – ефективний ККД
2. Перший етап. Тепловий розрахунок
Таблиця 1
| Паливо | Вміст масових частоквуглецю, водню такисню в 1кг палива | Молекулярна маса палива,mnкг/кмоль | Нижча теплота згоранняНn , МДж/кг | ||
| С | О | Н | |||
| дизель | 0,87 | 0,126 | 0,004 | 180...200 | 42,5 |
2.1 Параметри робочого тіла
Теоретично необхідна кількість повітря для згорання 1 кг палива
у кмоль повітря на 1кг палива
L0 = 1/0,21 * [gc/12 + gн/4 – gо/32] = 1/0,21*[0,87/12 + 0,126/4 – 0,004/32] = 4,761904 * [0,075 + 0,0315 – 0,000125] = 4,761904 * 0,10275 = 0,495 кмоль повітря / кг палива;
У кілограмах повітря на 1кг палива
l0 = 1/0,23 * [(8 * gc)/3 + 8 * gн – gо] = 1/0,23 * [(8*0,87)/3 + 8 * 0,126 –
– 0,004]= 14, 452 кг повітря / кг палива;
2.1.1 Кількість горючої суміші М1, кмоль. гор. суміші/кг палива
М1 = α*L0 = 1,3 * 0,50655= 0,643
2.1.2 Кількість окремих компонентів продуктів сгорання при обраному α
МСО2 = gc/12 = 0,87/12 = 0,072кмоль/кг пал;
МН2О = gн/2 = 0,126/2 = 0,063 кмоль/кг пал;
МО2 = 0,21 * (α – 1) * L0 = 0,21 * (1,3 – 1) * 0,495 = 0,031кмоль/кг пал;
МN2 = 0,79 * α * L0 = 0,79 * 1,3 * 0,495 = 0,508 кмоль/кг пал.
2.1.3 Загальна кількість продуктів згоряння, кмоль пр. зг. /кг палива
М2 = МСО2 + МН2О + МО2 + МN2 = 0,072 + 0,063 + 0,031 + 0,508 = 0,675
2.2 Параметри навколишнього середовища і залишкові гази
Атмосферні умови Р0 = 0,1 МПа; Т0 = 288º К;
Величина підігріву свіжого повітря ΔТа = 20 К;
Температура залишкових газів Тr = 800 К;
Тиск залишкових газів Р r = (1,05...1,25) * Р0 = 1,15 * 0,1 = 0,115 МПа
2.3 Процес наповнення (впуску)
Щільність заряду на впуску, кг/м3
ρ0=р0*106/(В*Т0),де
В=287 Дж/(кг*К)- питома газова постійна повітря.
ρ0=0,1*106/(287*288)=1,21 кг/м3
Витрати тиску на впуску: ΔРа = (0,03....0,18) Р0 = 0,08 * 0,1 = 0,008 МПа
Тиск в кінці пуска у точці “а”: Ра = Р0 – ΔРа = 0,1 – 0,008 = 0,092 МПа
Коефіцієнт залишкових газів в кінці впуску в точці “r”:
γr = [(Т0 + ΔТа)/Тr] * [Рr/((ε * Ра) – Р r)] = [(288 + 20)/800] * [0,115/((23 * 0,092) – 0,115)] = 0,022
Температура у кінці процесу пуска в точці “а”
Та = (Т0 + ΔТа + γr * Тr)/(1 + γr)=(288 + 20 + 0,022 * 800)/(1 + 0,022) =318,63 К
Коєфіцієнт наповнення
ηv = [Т0 * (φдоз * ε * Ра]/[(Т0 + ΔТа) * (ε – 1) * Р0] = 288 * [ (1,05 * 23 * 0,092 – 0,115)]/[(288 + 20) * (23 – 1) * 0,1] = 0,852
К1 = 1,375 – приймаємо по номограмі
n 1 = К1 – 0,022 = 1,372 – 0,022 = 1,35
2.4 Процес стиску
Тиск наприкінці стискання у точці “с”
Рс = Ра * εn1 = 0,092 * 231,35 = 0,092 * 68,918 = 6,352 МПа
Тс = Та * εn1-1 = 318,63 * 231,35-1 = 954,76 К
Середня мольна теплоємкість горючої суміші наприкінці процеса стискання точці “с”
μС ́vm= μСvm = 20,6 + 0,002638 * t˚с = 20,6 * 0,00263 * 681,76 = 36,937 кДж/(кмоль*град).
Тс = tc + 273 → tc = Тс – 273 = 954,76 – 273 = 681,76 К
Коефіцієнт використання теплоти ξzна ділянці сгорання с – z: ξz = 0,85
2.5 Процес згоряння
Коефіцієнт молекулярної зміни горючої суміші:
µ0 = М2/М1 = 0,675/0,643 = 1,05
Коефіцієнт молекулярної зміни робочої суміші:
µ = (µ0 + γr)/(1 + γr) = (1,05 + 0,022)/(1 + 0,022) = 1,072/1,022 =1,048
Кількість теплоти, втраченої внаслідок неповного згоряння палива,кДж/кг:
;Середня молна телоємкість продуктів сгоряння,(кДж/моль·град):
Коефіціент використання теплоти
;Ступінь підвищення тиску
;Температура наприкинці видимого процесу згоряння визначаємо:
Tz=2086,741,К
Максимальний тиск газів у циліндрі наприкінці згоряння, Мпа
Рz = λ * Рс = 1,5 * 6,35 = 9,527 Мпа
2.6 Процес розширення і випуску
Вибираємо показник політропи розширення n2 по номограмі
Ступінь попереднього розширення на ділянці z-c:
ρzc =(μ * Тz)/ (λ * Тс) = (1,048 * 2086,741)/(1,5 * 954,76) = 1,527
Ступінь послідовного розширення
δ = ε/ ρzc = 23/1,527 = 15,06
Температура у точці “в”
Тв = Тz * [1/ δ(n2-1)] = 2086,741 * [1/15,06(1,18-1)] = 1280,733 К
Тиск у точці “в”
Рв = Рz * (1/ δn2) = 9,527 * (1/15,061,18) = 0,388 МПа
Процес випуска відпрацювавших газів
Перевірим коректність вибору Тr при розрахунку процеса впуску
Тr = Тв/ ( Рв/Р r) = 1280,733/(0,388/0,115) = 376 К
2.7 Індикаторні параметри робочого циклу
Середній теоретичний (розрахунковий) індикаторний тиск, МПа.
Р́і = [Рс/(ε – 1)] * [λ * (ρzc – 1) + {(λ * ρzc)/(n 2 – 1)} * ((1 – 1/δ(n2-1)) – (1/(n 1 – 1)) * (1 – 1/ε(n1-1) = [6,352/(23 – 1)] * [1,5 * (1,527 – 1) + {(1,5 * 1,527)/(1,18 – 1)} * ((1 – 1/15,06(1,18-1)) – (1/(1,35 – 1)) * ((1 – 1/23^( 1,35 – 1)) = 1,098 МПа
Середній індикаторний тиск дійсного циклу, МПа
Рі = Р́і * φ. Приймаємо φ = 1,105 → Рі = 1,098 * 0,92 = 1,01 Мпа.
Індикаторний ККД
ηі = (Рі * l0 * α)/ (Ни * ρ0 * ηv) = (1,01 * 14,452 * 1,3)/(42,5 * 1,21 * 0,852) = 0,433
Індикаторна дійсна витрата палива, г/(кВт * ч)
gі = 3600/(Ни * ηі) = 3600/(42,5 * 0,433) = 195,554 г/(кВт * ч)
2.8 Ефективні показники двигуна
Середній тиск механічних втрат, МПа
Рм = 0,089 * 0,0135 * Vп.ср. = 0,089 + 0,0135 * 13,057 = 0,224 МПа
Середня швидкість поршня
Vп.ср. = (S * n)/30 = (0,0784 * 5000)/30 = 13,057 м/с
Середній ефективний тиск, МПа
Ре = Рі – Рм = 1,01 – 0,224 = 0,786 МПа
Механічний ККД
ηм = Ре/ Рі = 0,786/1,01 = 0,778
Ефективний ККД
ηе = ηм * ηі = 0,778 * 0,433 = 0,337
Ефективна витрата палива, г/(кВт * ч)
gе = 3600/(Ни * ηе) = 3600/(42,5 * 0,337) = 251,28
Годинна витрата палива, кг/год
Gп = gе *Nе = 251,28 * 40,5/1000 = 10,177 кг/год
2.9 Визначення основних розмірів двигуна
Літраж двигуна, л
Vл = ΣVh = (30*τ*Nе)/(Ре*n) = (30 * 4 * 40,5)/(0,77 * 5000) = 1,237 л.
Робочий обсяг одного циліндра, л
Vh = Vл/і = 1,237/4 = 0,309 л
Обираємо відношення S/D = 1,105
Діаметр циліндра двигуна, мм
= 
= 70,9 мм.Хід поршня, мм
S = S/D * D = 1,105 * 70,9= 78,343 мм.
Отриманні значення округляємо до найближчих цілих значеннь:
D = 71 мм; S = 78 мм.
На основі отриманих S і D вироховуємо основні параметри та показники двигуна:
Літраж, л
Vл = (π * D² * S * і)/4 * 10⁶= (3,14 * 71² * 78 * 4)/ 4 * 10⁶= 1,235 л.