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, Pz, 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, lш, 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.
Fп = πD2 / 4,(1.3)
где D – диаметр поршня, D = 0,095 м.
Площадь поршня согласно формуле (1.3) составит:
Fп= 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 Vа,Vв – 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 Ро – 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 То – температура воздушного заряда на входе в двигатель, То = 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 n1 – показатель политропы сжатия, n1 = 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 икислорода в топливе по массе,
[2]. кмоль.Количество свежего заряда в цилиндре, кмоль, приходящегося на 1 кг топлива, определяется по формуле:
М1 = a Lо, (4.2)
где a– коэффициент избытка воздуха, a = 1,3 [2].
М1 = 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, Нu = 42500 кДж/кг [2];
mcvc – средняя молярная теплоемкость свежего заряда.
mcv” – средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания.
Средняя молярная теплоемкость свежего заряда определяется по формуле:
mcvc= 20,16 + 1,74 ×10-3Тс; (4.7)
mcvc = 20,16 + 1,74 ×10-3 ∙ 821 = 21,589.
Средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания определяется по формуле:
mcv” =
(4.8)mcv” =
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 Тz и теплоемкости продуктов сгорания mcv” при этой же температуре.
После подстановки в уравнение сгорания известных параметров в виде числовых значений и последующих преобразований оно превращается в квадратное уравнение:
АТz2 + ВТz + С = 0, (4.10)
где А, В, С – числовые коэффициенты.
2,740 · 10–3Тz2 + 30,549 Тz– 75781,564 = 0.
Тогда решение уравнения имеет вид
(4.11)Максимальная температура сгорания равна Тz = 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.