2.7 Процесс сжатия

ВВЕДЕНИЕ
В соответствии с рабочей программой учебной дисциплины курсовая
работа выполняется по теме: «Тепловой расчет двигателя». Структура
курсовой работы: титульный лист (приложение А); задание на курсовую
работу; оглавление; введение; основная часть с расчетами, графиками,
схемами, таблицами; заключение; список литературы.
Основная часть с расчетами включает в себя следующие разхделы: 1
ХАРАКТЕРИСТИКА ДВИГАТЕЛЯ; 2 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ;
2.1 Топливо; 2.2 Параметры рабочего тела; 2.3
Параметры окружающей
среды; 2.4 Подогрев свежего заряда; 2.5 Параметры остаточных газов; 2.6
Процесс впуска; 2.7 Процесс сжатия; 2.8 Процесс сгорания; 2.9 Процесс
расширения; 2.10 Процесс выпуска; 2.11 Индикаторные показатели рабочего
цикла; 2.12 Эффективные показатели рабочего цикла; 2.13 Основные
параметры двигателя; 2.14 Исследование влияния высоты местности, на
которой работает двигатель, на
показатели двигателя; 3 ПОСТРОЕНИЕ
ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ; 3.1 Общие положения; 3.2 Выбор
масштабов; 3.3 Построение теоретической диаграммы; 3.4 Построение
действительной
диаграммы;
КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО
4
КИНЕМАТИЧЕСКИЙ
МЕХАНИЗМА;
5
РАСЧЕТ
ДИНАМИЧЕСКИЙ
РАСЧЕТ КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА; 5.1 Определение
действующих сил; 5.2 Определение крутящего момента.
Общий объем курсовой работы составляет не менее 25 страниц
машинописного текста. Курсовая работа оформляется на листах формата А4
с установленным титульным листом (приложение А) и брошюруется в
скоросшиватель. Рекомендуемая гарнитура шрифта Times New Roman-14,
межстрочный
интервал
–
полуторный,
двухстороннее
выравнивание.
Размеры полей: левое – 30 мм, правое – 20 мм, верхнее и нижнее – 20 мм.
Допускается оформление курсовой работы с использованием Microsoft Office
Excel.
Часть 1
1 ХАРАКТЕРИСТИКА ДВИГАТЕЛЯ
Характеристика рассматриваемого в курсовой работе двигателя
приведена в таблице 1.
Таблица 1 - Характеристика рассматриваемого двигателя
№
Наименование параметра
Характеристика,
значение
1 Марка двигателя
ЗиЛ-130
2 Тип
Карбюраторный,
четырехтактный,
бензиновый
3 Число цилиндров
8
4 Диаметр цилиндра, мм
100
5 Ход поршня, мм
95
6 Номинальная частота вращения
3200
коленчатого вала, об/мин
7 Степень сжатия
6,5
8 Расположение цилиндров
двухрядное
Приведенные данные взяты из литературы [2].
2 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ
2.1 Топливо
Топлива, используемые в автотракторных двигателях, представляют
собой смесь различных углеводородов. Основные показатели жидких топлив
приведены в [1].
Так как известен элементарный состав жидкого топлива, то для
приближенного определения его низшей теплоты сгорания Н И , МДж/кг,
пользуемся формулой
Н И  33,91 C  125,6  H  10,89  (O  S )  2,51 (9H  W ), (2.1)
где C, H , O, S - соответственно массовые доли углерода, водорода,
кислорода и серы в 1 кг топлива, кг;
W - количество влаги, содержащейся в 1 кг топлива, кг.
Величина молекулярной массы паров топлива М Т = 115 кг/кмоль.
2.2 Параметры рабочего тела
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг
топлива определяем по формулам
1 8

(2.2)
  C  8H  O  ;
0,23  3

1 C H O
(2.3)
L0 
    ;
0,208  12 4 32 
где l0 - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1
l0 
кг топлива, кг воздуха/кг топлива;
L0 - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1
кг топлива, кмоль воздуха/кг топлива.
Значение коэффициента избытка воздуха  выбираем в соответствии с
рекомендациями литературы [1],  =0,96.
Количество молей горючей смеси M 1 , кмоль горючей смеси/кг
топлива определяем по формуле
M 1    L0 
1
.
MT
(2.4)
Так как  < 1, то имеет место неполное сгорание топлива и продукты
сгорания включают в себя углекислый газ, окись углерода, водяной пар,
водород и азот. Общее количество продуктов сгорания жидкого топлива М 2
, кмоль продуктов сгорания/кг топлива определяем по формуле
(2.5)
M 2  M CO2  M CO  M H 2O  M H 2  M N2 ;
где M CO2 , M CO , M H 2O , M H 2 , M N2 - соответственно количество молей
углекислого газа, окиси углерода,
водяного пара, водорода и азота,
кмоль/кг.
Количество молей углекислого газа определяем по формуле
M CO2 
C
 1 
 2
  0,208  L0 ;
12
1

K


(2.6)
где K - постоянная величина, зависящая от отношения количеств
водорода и окиси углерода, содержащихся в продуктах
сгорания.
В соответствии с рекомендациями литературы [1] принимаем значение
K в пределах 0,45…0,50.
Количество молей окиси углерода определяем по формуле
 1 
M CO  2  
  0,208  L0 .
1

K


Количество молей водяного пара определяем по формуле
(2.7)
M Н 2О 
Н
 1 
 2К  
  0,208  L0 .
2
1

K


(2.8)
Количество молей водорода определяем по формуле
 1 
M Н2  2К  
  0,208  L0 .
1

K


(2.9)
Количество молей азота определяем по формуле
M N2  0,792    L0 .
(2.10)
Для контроля правильности вычислений рассчитываем значение М 2
по формуле
С Н
  0,792    L0 .
12 2
(2.11)
М2
.
М1
(2.12)
M2 
Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси  0 определяем
по формуле (2.12).
0 
Расхождение значений, полученных по формулам (2.5) и (2.11) не
должно превышать 5%, что свидетельствует о правильности расчетов.
2.3 Параметры окружающей среды
Контрольный расчет производим для параметров окружающей среды,
необходимых для динамического расчета при высоте над уровнем моря Н ,
равной 0 метров. По таблице задания принимаем давление окружающего
воздуха р0 = 0,1 МПа, а его температуру Т 0 = 288 0К.
2.4 Подогрев свежего заряда
Величину подогрева свежего заряда Т , 0К,
двигателя принимаем в пределах 0…20 0К [1].
2.5 Параметры остаточных газов
Величину давления остаточных газов
формуле
р Г  k Г  р0 ;
для карбюраторного
р Г , МПа, определяем по
(2.13)
где k Г - коэффициент, принимаемый для автотракторных двигателей
без наддува в пределах 1,05…1,25.
Согласно [1] , значение р Г для бензиновых двигателей находится в
пределах 0,102…0,120 МПа.
По рекомендациям [1] принимаем значение температуры остаточных
газов Т Г в пределах 900…1100 0К.
2.6 Процесс впуска
Потери давления ра , МПа, на преодоление сопротивления впускной
системы двигателя определяем по формуле
ра  k   p0 ;
(2.14)
где k  - коэффициент, принимаемый для карбюраторных двигателей в
пределах 0,05…0,20.
Давление в конце процесса впуска ра , МПа, для двигателя,
работающего без наддува, определяем по формуле (2.15).
ра  р0  ра .
(2.15)
Величину коэффициента остаточных газов
работающего без наддува, определяем по формуле
Г 
Г
для двигателя,
р Г  Т 0  Т 
;
Т Г    ра  р Г 
(2.16)
где  - степень сжатия.
Количество молей остаточных газов М Г ,
определяем по формуле
М Г  М1   Г .
Температуру в конце процесса впуска Т а ,
работающего без наддува, определяем по формуле
Та 
кмоль/кг
топлива,
(2.17)
0
К, для двигателя,
Т 0  Т   Г  Т Г
.
1  Г
(2.18)
T0    ра  р Г 
.
р0  Т 0  Т     1
(2.19)
Коэффициент наполнения V для двигателя, работающего без наддува,
определяем по формуле
V 
2.7 Процесс сжатия
По рекомендациям литературы [1] принимаем значение показателя
политропы сжатия n1 для карбюраторного двигателя в пределах 1,34…1,39.
Давление рc , МПа, в конце процесса сжатия определяем по формуле
рc  ра   n1 .
(2.20)
Температуру Tc , 0К, в конце процесса сжатия определяем по формуле
Tc  Tа   n11 .
(2.21)
Среднюю мольную теплоемкость рабочей смеси
кДж/(кмоль·град) в конце процесса определяем по формуле
mcV   Г  mcV"
mc 
;
1  Г
'
'Vc
mcVc' ,
(2.22)
где mcV - средняя мольная теплоемкость свежей смеси, принимаемая
равной теплоемкости воздуха, кДж/(кмоль·град);
mcV" - средняя мольная теплоемкость остаточных газов,
Дж/(кмоль·град).
"
Теплоемкости mcV и mcV определяем по следующим зависимостям
mcV  20,6  26,38 104  tc ;
(2.23)
 M CO  27,94  190  104  tc  5,49  106  tc2   
2


4
 M CO  20,6  26,7  10  tc  



24
,
95



1
 (2.24)
 
mcV" 
  M H 2O  

4

M2 
53,59 10  tc 



4
6
2
 M H 2  20,68  2,06  10  tc  0,59 10  tc   


4
 M N2  20,4  25 10  tc 

где t c - температура в конце процесса сжатия, 0С.
Количество молей рабочей смеси в конце процесса сжатия М с ,
кмоль/кг топлива, определяем по формуле
М с  М1  М Г .
(2.25)
2.8 Процесс сгорания
Количество молей в конце сгорания M z , кмоль/кг топлива, определяем
по формуле
Mz  M2  M Г .
(2.26)
Определяем действительный коэффициент молекулярного изменения


М2  М Г
.
М1  М Г
(2.27)
Так как  <1, то теплоту сгорания рабочей смеси Н Раб .См. , кДж/кмоль
рабочей смеси, определяем по формуле
Н Раб .См. 
Н И  Н И
;
М 1  1   Г 
(2.28)
где Н И - количество теплоты, потерянное вследствие химической
неполноты сгорания топлива, кДж/кг.
Величину Н И определяем по формуле
Н И  119950  1     L0 .
(2.29)
Значение коэффициента использования тепла  принимаем для
бензинового двигателя в пределах 0,80…0,95 [1].
Температуру в конце видимого процесса сгорания t z , 0С, определяем
из уравнения сгорания
(2.30)
  Н Раб .См.  mcV' C  tc    mcV"Z  t z .
"
Используем для определения mcVZ эмпирические формулы уравнения
сгорания. После подстановки в них числовых значений всех известных
параметров, формула (2.30) примет вид уравнения второго порядка
(2.31)
A  t z2  B  t z  C  0 ;
где А, В, С - числовые значения уравнения, которые определяются по
следующим зависимостям:
A
B
  33,49  М СО2  14,3  М СО  44,38  М Н 2О  

M 2   17,58  М Н 2  14,47  М N2
4

10
. (2.32)


  39,12  М СО2  22,49  М СО  26,67  М Н 2О  

M 2   19,68  М Н 2  21,95  М N2
.

(2.33)
(2.34)
С    Н Раб .См.  mcV' C  tc .
Температуру t z определяем решением квадратного уравнения
 B  B2  4  A  C
.
tz 
2 A
(2.35)
Определяем температуру в конце видимого процесса сгорания Tz , 0К
Tz  t z  273 .
(2.38)
Определяем максимальное теоретическое давление в конце процесса
сгорания р z , МПа, для карбюраторного двигателя
pz 
pc    Tz
.
Tc
(2.39)
Определяем максимальное действительное давление в конце процесса
сгорания р zд , МПа, для карбюраторного двигателя
р zд  0,85  р z .
(2.40)
2.9 Процесс расширения
Значение показателя политропы расширения n2 для бензиновых
двигателей выбираем в пределах 1,23…1,30 [1].
Давление газов в конце процесса расширения р В , МПа, для
карбюраторного двигателя определяем по формуле
рВ 
рZ
 n2
.
(2.41)
Температуру газов в конце процесса расширения TВ ,
бензинового двигателя определяем по формуле
TВ 
TZ
 n2 1
.
0
К, для
(2.42)
2.10 Процесс выпуска
Параметры давления р Г и температуры Т Г конца процесса выпуска
были приняты в разделе 2.5.
*
Определяем уточненное значение температуры Т Г , 0К
ТВ
.
(2.43)
рВ
3
ра
Ошибку Т Г , %, принятого значения температуры Т Г определяем по
Т Г* 
формуле
Т Г*  Т Г
Т Г  100 
.
(2.44)
ТГ
Если значение Т Г не превышает 5%, то выбирать другие параметры
остаточных газов и повторять тепловой расчет нет необходимости.
2.11 Индикаторные показатели рабочего цикла
Теоретическое среднее индикаторное давление
карбюраторного двигателя определяем по формуле
pi* 
pc   
1 
1 
1 

 1  n2 1  
 1  n11  .
  1  n2  1    n1  1   
рi* , МПа, для
(2.45)
Среднее действительное индикаторное давление р i , МПа, определяем
по формуле
(2.46)
pi   И  pi* ;
где  И - коэффициент полноты диаграммы.
По рекомендациям [1] выбираем для бензинового двигателя значение
 И в пределах 0,94…0,97 и заносим в строку К1 таблицы «К» приложения.
Рассчитанное значение давления р i заносим в строку К2 и получаем
подтверждение правильности вычислений.
Индикаторный КПД  i подсчитываем по формуле
pi  l0  
;
(2.47)
H И   К V
где  К - плотность заряда на впуске, кг/м3, определяемая отсутствии
i 
наддува по формуле
р0  106
К 
;
RB  T0
(2.48)
где RB - удельная газовая постоянная воздуха, равная 287
Дж/(кг·град).
Определяем удельный индикаторный расход топлива g i , г/(кВт·ч)
gi 
3600
.
i  Н И
(2.49)
2.12 Эффективные показатели рабочего цикла
Подсчитываем отношение хода поршня S , мм, к диаметру цилиндра
D , мм.
Подсчитываем среднюю скорость поршня VП .Ср , м/с, по формуле
VП .Ср 
S  nH
;
3 104
(2.50)
где n H - номинальная частота вращения коленчатого вала, об/мин.
Определяем среднее давление механических потерь р М , МПа, по
формуле
(2.51)
рМ  а  в  VП .Ср ;
где а, в - коэффициенты, зависящие от типа двигателя.
Значения коэффициентов а, в принимаем для карбюраторного
двигателя [1].
Среднее эффективное давление ре , МПа, определяем по формуле
ре  рi  рМ .
(2.52)
Механический КПД двигателя  М определяем по формуле
М 
ре
.
рi
(2.53)
Эффективный КПД двигателя  e определяем по формуле
 e   i  M .
(2.54)
Эффективный удельный расход топлива g e , г/(кВт·ч), определяем по
формуле
ge 
3600
.
Н И  е
2.13 Основные параметры двигателя
Эффективную мощность четырехтактного двигателя
определяем по формуле
N eH 
pe  V Л  n H
;
30  4
(2.55)
N eH , кВт,
(2.56)
где V Л - литраж двигателя, л.
Часовой расход топлива GT , кг/ч, определяем по формуле
GT  N eH  g e 103 .
(2.57)
2.14 Исследование влияния высоты местности, на которой
работает двигатель, на показатели двигателя
В задании на курсовую работу требуется установить влияние высоты
местности, на которой работает двигатель, на мощность, удельный расход
топлива, максимальное давление газа в цилиндре и температуру в конце
процесса сжатия. Расчеты проводим для трех высот над уровнем моря,
приведенных в задании.
На основании расчетов строят графики изменения мощности,
удельного и часового расходов топлива, максимального давления газа в
цилиндре и температуры в конце процесса сжатия от высоты. Эти данные
используем для последующего анализа.
2.14.1 Выводы (вариант)
Из графиков на рисунках приложений 1…5 следует, что при
увеличении высоты над уровнем моря с 0 до 3000 м:
- мощность двигателя уменьшается с 115,46 кВт до 64,29 кВт;
- удельный эффективный расход топлива увеличивается с 373 г/(кВт*ч)
до 624 г/(кВт*ч);
- часовой расход топлива вначале увеличивается с 43,09 кг/ч до 46,50
кг/ч (при 1500 м) и затем уменьшается до 40,14 кг/ч при 3000 м;
- максимальное действительное давление в конце процесса сгорания
уменьшается с 3,950 МПа до 2,619 МПа;
- температура в конце процесса сжатия изменяется с 688 до 695 0К.
Для повышения мощности двигателя при работе на больших высотах
желательно использовать наддув.
ЛИТЕРАТУРА
1. Колчин А.И. Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных
двигателей. М. - Изд. Высшая школа, 2008. - 496 с.
2. Технические характеристики автомобильных двигателей. - Режим
доступа: http://wikimotors.ru/.