Расчет двигателя внутреннего сгорания

Содержание
Введение
Задание
1. Анализ основных параметров двигателя прототипа
2. Определение индикаторных показателей рабочего цикла прототипа двигателя
2.1 Определение индикаторных показателей рабочего цикла прототипа двигателя
2.2 Определение индикаторных показателей рабочего цикла рассчитываемого двигателя
3. Расчет процесса впуска
4. Расчет процесса сжатия
5. Расчет процесса сгорания
6. Расчет процесса расширения
7. Определение индикаторных показателей цикла
8. Определение эффективных показателей цикла
9. Определение экономических показателей
10. Оценка влияния продолжительности сгорания на индикаторные показатели рабочего цикла
Литература
Приложение

ВВЕДЕНИЕ
Основными задами курса является улучшение показателей топливной экономичности, повышение мощности двигателей и крутящего момента, снижение показателей токсичности двигателя.
Выполнение данных задач требует от специалистов, связанных с производством и эксплуатацией автомобильных и тракторных двигателей, глубокого знания теории, конструкции и расчета двигателей внутреннего сгорания.
В основе теплового расчета двигателей внутреннего сгорания заложены представления о закономерном характер скорости сгорания топлива. Тепловой расчет двигателя позволяет определить индикаторный и эффективные показатели и основные показатели и основные размеры цилиндров проектируемого двигателя.
При выполнении теплового расчета студенты углубляют свои знания по теории рабочего цикла и приобретают практические навыки в выборе исходных данных в проведении расчетов.

ЗАДАНИЕ
на курсовую работу по теории рабочих процессов двигателей
студента группы АТ – 441
1. Тема курсовой работы – «Расчет двигателя внутреннего сгорания» 2/+10/0/4,6/17
2. Исходные данные к работе
— двигатель прототип – КамАЗ-740;
— требуется увеличить эффективную мощность на 10 кВт;
— увеличить частоту вращения двигателя не требуется;
— модернизация осуществляется путем увеличения рабочего объёма цилиндра;
— требуется оценить влияние угла опережения воспламенения на показатели рабочего процесса.

1. Анализ основных параметров двигателя прототипа
КамАЗ-740 представляет собой четырехтактный восьмицилиндровый V-образный дизельный двигатель, с углом развала цилиндров 90°.
Техническая характеристика
Марка КамАЗ-740
Эффективная мощность, кВт 154
Частота вращения при номинальной мощности, мин-1 2600
Удельный расход топлива, г/кВт∙ч 178
Диаметр цилиндра, мм 120
Ход поршня, мм 120
Рабочий объем цилиндров, л 10,85
Степень сжатия 17

2. Определение индикаторных показателей рабочего цикла прототипа двигателя
2.1 Определение индикаторных показателей рабочего цикла прототипа двигателя
Среднее эффективное давление
(2.1)
где Nе – эффективная мощность, кВт;
τ – тактность двигателя;
Vh – рабочий объём одного цилиндра, л;
n – номинальная частота вращения, мин-1;
i – число цилиндров.
;
Давление механических потерь
(2.2)
где а, в – эмпирические коэффициенты [1, стр. 43], а = 0,04 и в = 0,0135;
Сп – средняя скорость поршня;
м/с (2.3)

тогда
рм = 0,04+0,0135∙10,4 = 0,1804;
Среднее индикаторное давление
рi = рм + рe, МПа (2.4)
рi = 0,655+0,1804 = 0,8354;
Индикаторная мощность
кВт (2.5)
;
Индикаторный расход топлива
г/кВт∙ч (2.6)

Выбор исходных данных для теплового расчёта
Расчет выполняем применительно к использованию двигателя в нормальных атмосферных условиях
1. Давление окружающей среды р0 = 0,1013 МПа;
2. Давление перед впускными клапанами рк, учитывая относительно небольшие потери во впускной трассе, для двигателя без наддува можно принять равным атмосферному рк = р0 = 0,1013 МПа;
3. Температура окружающей среды Т0 = 293 К;
4. Температура свежего заряда перед впускными клапанами также может быть принята равной температуре окружающей среды Тк = Т0 = 293 К;
5. Степень сжатия принимаем ε = 17 [1];
6. Коэффициент наполнения ηv для дизельных двигателей находится в пределах ηv = 0,8…0,9. Примем ηv = 0,86;
7. Для четырехтактных безнаддувных дизелей давление остаточных газов принимаем рr = 0,11 МПа [1];
8. Применительно к номинальному режиму работы температура остаточных газов Тr для четырехтактных дизельных двигателей колеблется в пределах 700…800 К, принимаем Тr = 750 К [1];
9. Величина подогрева свежего заряда от нагретых деталей двигателя ΔТ зависит, главным образом, от типа двигателя и скоростного режима, для четырехтактных дизелей ΔТ = 10…20 градусов, принимаем ΔТ = 15 градусов;
10. Массовая доля углерода в топливе С = 0,855;
11. Массовая доля водорода в топливе Н = 0,13
12. Массовая доля кислорода в топливе О = 0,01
13. Коэффициент избытка воздуха принимаем a = 1,8;
14. отношение радиуса кривошипа к длине шатуна λ = R/Lш. λ = 1/3,8 = 0,263 [1];
15. Средний показатель политропы сжатия n1 выберем равным n1 = 1,37[1];
16. Для принятого элементарного химического состава дизельного топлива полагаем низшую теплотворную способность Hu равной 42,5 МДж/кг.
17. Характер сгорания m в дизельных двигателях находится в пределах m = 0,03…3, примем m = 0,3;
18. Условная продолжительность сгорания φz для дизелей находится в пределах 80…120 град. ПКВ. Примем φz = 100 град. ПКВ;
19. Средний показатель политропы расширения n2 выберем равным n2 = 1,4;
20. Коэффициент использования теплоты ψ учитывает потери теплоты в стенки, на перетекание газов, для дизельных двигателей ψ = 0,8…0,9. Выбираем ψ = 0,86;
21. Понижение температуры в охладителе надувочного воздуха ΔТохл. Так как охладитель надувочного воздуха отсутствует, примем ΔТохл = 0;
22. Показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре примем nн = 1, т.к. компрессор отсутствует;
23. Угол опережения зажигания Θ выберем по номограмме, Θ = 10 град. ПКВ [1, стр. 23, рис. 2.1];
24. Шаг расчета процессов сжатия и расширения примем ;
25. Шаг расчета процесса сгорания примем .
2.2 Определение индикаторных показателей рабочего цикла рассчитываемого двигателя
Среднее эффективное давление

Давление механических потерь

где а, в – эмпирические коэффициенты ([1] стр.43), а = 0,04 и в=0,0135;
Сп – средняя скорость поршня;
Сп = S n/30, [м/с]
Сп = 0,12∙2600/30 = 10,4;
тогда
рМ = 0,09+0,0135∙10,4 = 0,1804;
Индикаторное давление
рi = рм + рe, [МПа]
рi=0.1804+0,5941=0,7745;
Индикаторная мощность

;
Индикаторный расход топлива

3. Расчет процесса впуска
Давление рабочего тела в конце такта впуска
, [МПа](3.1)
где ε – степень сжатия двигателя;
ηv – коэффициент наполнения;
рк – давление перед впускными клапанами, МПа;
Тк — температура перед впускными клапанами, МПа;
рr – давление остаточных газов, МПа;

Коэффициент остаточных газов
(3.2)

Температура рабочего тела в конце впуска
Та = (Тк+ΔТ+γТr)/(1+γ), [К] (3.3)
Ta = (293+15+0,0331∙750)/(1+ 0,0331) = 322,1615 [K]
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания одного килограмма ДТ
(3.4)

Удельный объем рабочего тела в конце такта впуска
(3.5)

4. Расчет процесса сжатия
Параметры рабочего тела в процессе сжатия определяются по уравнениям политропного процесса.
Текущие давления (с шагом Δα=10 град ПКВ)
(4.1)
где V – текущие значения удельного объема, определяемые по зависимости
(4.2)
где σ = S/r кинематическая функция перемещения поршня ([1],стр. 65);
Таблица 4.1
Расчёт процесса сжатия

α, град ПКВ
V, м3/кг
р, МПа
Т, К

180
1,068
0,087
322,2

190
1,062
0,087
322,8

200
1,045
0,089
324,7

210
1,017
0,093
328

220
0,978
0,098
332,9

230
0,927
0,105
339,4

240
0,867
0,115
348

250
0,796
0,129
359,1

260
0,718
0,149
373,2

270
0,633
0,178
391

280
0,543
0,219
413,7

290
0,453
0,281
442,6

300
0,364
0,378
479,6

310
0,281
0,538
527,6

320
0,208
0,815
590,3

330
0,147
1,314
671,5

340
0,101
2,196
771,4

350
0,072
3,457
871.9

Удельная работа сжатия
(4.3)
lay =
тепловой параметр сгорание цикл

5. Расчет процесса сгорания
Для дизельных двигателей с коэффициентом избытка воздуха больше единицы, δ=1;
Тогда коэффициент эффективности сгорания
, (5.2)
где δ – коэффициент выделения теплоты;
ψ – коэффициент использования теплоты.

Общая удельная использованная теплота сгорания
(5.3)

Максимальное значение химического коэффициента молекулярного изменения (при α<1)
, (5.4)

Максимальное значение действительного коэффициента молекулярного изменения

(5.5)
;
Давление в конце участка 1-2 (при к=1.29)
; (5.6)
Температура
; (5.7)
Доля выгоревшего топлива
; (5.8)
Коэффициент молекулярного изменения
; (5.9)
Приращение коэффициента молекулярного изменения
; (5.10)

Отвлеченная скорость сгорания
; (5.11)
Максимальная скорость нарастания давления газов
; (5.12)
Таблица 5.1
Расчет процесса сгорания

φ
α, град ПКВ
v2, м3/кг
v1, м3/кг
Кv2
Кv2-v1
Кv1-v2
p1, МПа

1
2
3
4
5
6
7
8

0
350
0,072
—
—
—
—
—

5
355
0,065
0,072
0,4589
0,3869
0,44332
3,456

10
360
0,063
0,065
0,44478
0,37978
0,3959
4,917

15
365
0,065
0,063
0,4589
0,3959
0,37978
6,286

20
370
0,072
0,065
0,50832
0,44332
0,3869
6,939

25
375
0,084
0,072
0,59304
0,52104
0,42432
6,77

30
380
0,101
0,084
0,71306
0,62906
0,49204
6,05

35
385
0,122
0,101
0,86132
0,76032
0,59106
5,126

40
390
0,147
0,122
1,03782
0,91582
0,71432
4,226

45
395
0,176
0,147
1,24256
1,09556
0,86182
3,451

50
400
0,208
0,176
1,46848
1,29248
1,03456
2,818

55
405
0,243
0,208
1,71558
1,50758
1,22548
2,316

60
410
0,281
0,243
1,98386
1,74086
1,43458
1,921

65
415
0,322
0,281
2,27332
1,99232
1,66186
1,611

70
420
0,364
0,322
2,56984
2,24784
1,90932
1,366

75
425
0,408
0,364
2,88048
2,51648
2,16184
1,172

80
430
0,453
0,408
3,19818
2,79018
2,42748
1,017

85
435
0,498
0,453
3,51588
3,06288
2,70018
0,892

90
440
0,543
0,498
3,83358
3,33558
2,97288
0,79

95
445
0,588
0,543
4,15128
3,60828
3,24558
0,707

100
450
0,633
0,588
4,46898
3,88098
3,51828
0,639

p1(Kv1-v2)
x2
Δx=x2-x1
2qzΔx
[9]+[12]
p2, МПа
β1-2
T2, К

9
10
11
12
13
14
15
16

0

3,456
1,0025
883,3

1,53211392
0,1311
0,1311
0,3253
0,4328
4,917
1,0075
1108,3

1,9466403
0,2926
0,1614
0,4004
0,5109
6,286
1,013
1344,4

2,38729708
0,4437
0,1510
0,3746
0,4817
6,939
1,018
1529,1

2,6846991
0,5736
0,1299
0,3221
0,4057
6,77
1,022
1651,9

2,8726464
0,6799
0,1063
0,2637
0,3228
6,05
1,0255
1719,1

2,976842
0,7640
0,0840
0,2084
0,2499
5,126
1,0285
1743,2

3,02977356
0,8287
0,0646
0,1604
0,1987
4,226
1,0305
1737,3

3,01871632
0,8774
0,0486
0,1207
0,1604
3,451
1,032
1712

2,97414082
0,9133
0,0359
0,0891
0,1316
2,818
1,0335
1675

2,91539008
0,9395
0,0261
0,0648
0,1144
2,316
1,034
1631,8

2,83821168
0,9582
0,0187
0,0463
0,1016
1,921
1,0345
1585,9

2,75582818
0,9714
0,0132
0,0327
0,0923
1,611
1,035
1539,8

2,67725646
0,9806
0,0092
0,0228
0,0858
1,366
1,035
1494,9

2,60813112
0,987
0,0063
0,0157
0,0842
1,172
1,035
1452,1

2,53367648
0,9913
0,0043
0,0107
0,0820
1,017
1,035
1412

2,46874716
0,9943
0,0029
0,0072
0,0814
0,892
1,0355
1374,8

2,40856056
0,9962
0,0019
0,0048
0,0823
0,79
1,036
1340,6

2,3485752
0,9975
0,0013
0,0032
0,0825
0,707
1,036
1309,3

2,29462506
0,9984
0,0008
0,0021
0,0828
0,639
1,036
1280,7

2,24818092
0,9990
0,0005
0,0013
0,0834
0,582
1,032
1254,9

Таблица 5.3

φ
w0
v2,м3/кг
v1,м3/кг
v2-v1
p2, МПа
p1, МПа
Δp/2
[5]∙[8]

0
0
0,072

0,072
3,456

1,728
0,124416

5
0,131
0,065
0,072
-0,007
4,917
3,456
4,1865
-0,02931

10
0,293
0,063
0,065
-0,002
6,286
4,917
5,6015
-0,0112

15
0,444
0,065
0,063
0,002
6,939
6,286
6,6125
0,013225

20
0,574
0,072
0,065
0,007
6,77
6,939
6,8545
0,047981

25
0,68
0,084
0,072
0,012
6,05
6,77
6,41
0,07692

30
0,764
0,101
0,084
0,017
5,126
6,05
5,588
0,094996

35
0,829
0,122
0,101
0,021
4,226
5,126
4,676
0,098196

40
0,877
0,147
0,122
0,025
3,451
4,226
3,8385
0,095963

45
0,913
0,176
0,147
0,029
2,818
3,451
3,1345
0,090901

50
0,94
0,208
0,176
0,032
2,316
2,818
2,567
0,082144

55
0,958
0,243
0,208
0,035
1,921
2,316
2,1185
0,074148

60
0,971
0,281
0,243
0,038
1,611
1,921
1,766
0,067108

65
0,981
0,322
0,281
0,041
1,366
1,611
1,4885
0,061029

70
0,987
0,364
0,322
0,042
1,172
1,366
1,269
0,053298

75
0,991
0,408
0,364
0,044
1,017
1,172
1,0945
0,048158

80
0,994
0,453
0,408
0,045
0,892
1,017
0,9545
0,042953

85
0,996
0,498
0,453
0,045
0,79
0,892
0,841
0,037845

90
0,998
0,543
0,498
0,045
0,707
0,79
0,7485
0,033683

95
0,998
0,588
0,543
0,045
0,639
0,707
0,673
0,030285

100
0,999
0,633
0,588
0,045
0,582
0,639
0,6105
0,027473

Удельная работа газов в процессе сгорания
[МДж/кг](5.13)

6. Расчет процесса расширения
Давление рабочего тела в конце расширения
[МПа], (6.1)

Температура рабочего тела в конце расширения
[К], (6.2)

Текущие величины давления и температуры
;(6.3)
(6.4)
Таблица 6.1
Расчет процесса расширения

α, град ПКВ
v, м3/кг
р, МПа
Т, К

450
0,633
0,582
1237

455
0,676
0,53
1204,7

460
0,718
0,487
1176

465
0,758
0,451
1150,6

470
0,796
0,421
1128,1

475
0,833
0,396
1108,2

480
0,867
0,374
1090,6

485
0,898
0,356
1075

490
0,928
0,34
1061,4

495
0,954
0,327
1049,5

500
0,978
0,316
1039,3

505
0,999
0,307
1030,4

510
1,017
0,299
1023

515
1,033
0,293
1016,8

520
1,045
0,288
1011,9

525
1,055
0,284
1008,1

530
1,062
0,282
1005,4

535
1,066
0,28
1003,8

540
1,068
0,279
1003,3

Удельная работа в процессе расширения
(6.4)

7. Определение индикаторных показателей цикла
Удельная работа цикла
(7.1)

Среднее индикаторное давление цикла
(7.2)

Индикаторный КПД цикла
(7.3)

Удельный индикаторный расход топлива
(7.4)

8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЦИКЛА
Давление механических потерь
рМ = а+в∙сп , МПа; (8.1)
рМ = 0,09+0,0135∙10,4 = 0,1804
Среднее эффективное давление
ре = рi – pм , МПа (8.2)
ре = 0,783 – 0,1804 = 0,6026
Эффективный КПД
(8.3)

Удельный эффективный расход топлива
(8.4)

Диаметр цилиндра

(8.5)

Ход поршня
, дм (8.6)

Рабочий объём
(8.7)

Эффективная мощность
(8.8)

Таблица 8.1
Сравнение показателей

Показатель
Рассчитываемый двигатель
Двигатель-прототип

Nе, кВт
164,09
154

n, мин-1
2600
2600

D, мм
126
120

pе, МПа
0,655
0,6026

gе, г/кВт∙ч
223
178

АНАЛИЗ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА
В результате увеличения рабочего объёма цилиндра с 1,356 л до 1,592 л. произошло повышение мощности двигателя с 154 кВт до 164,09 кВт. Удельный эффективный расход топлива повысился значительно. Считаю данное мероприятие нецелесообразным.
8.1 Определение мощностных показателей
nmin=600 мин-1; nн=2600 мин-1;
Таблица 8.1

n1
n2
n3
n4
n5
n6
n7
n8

600
900
1200
1500
1800
2100
2400
2600

Изменение среднего эффективного давления
(8.9)
где реМАХ – максимальное значение среднего эффективного давления по внешней характеристике
реМАХ = КМ∙рЕН, [МПа](8.10)
РеМАХ = 0,6026∙1,15 = 0,6926;
где Км – коэффициент приспособляемости по крутящему моменту (Км=1,15);
рен — среднее эффективное давление на номинальном режиме;
ар – постоянная величина,
ар = РЕН(Км-1)/(nн-nм)2=2,79∙10-7
nн ,nм — частоты вращения на номинальном и максимальном режиме работы (nн*0,7=nм);
nm = 1820 мин-1

Механический КПД
(8.11)

Крутящий момент
(8.12)

8.2 Определение экономических показателей
К экономическим показателям двигателя относятся удельный эффективный расход топлива и эффективный КПД.
Эффективный удельный расход топлива

пу = Пе . Туб хг.кВт∙чъ (9ю1)
где Gt – часовой расход топлива может быть найден
[кг/ч] (9.2)
Цикловой расход топлива можно допустить пропорциональным среднему индикаторному давлению
(9.3)
где GТЦН, рiН — цикловой расход топлива и среднее индикаторное давление на номинальном режиме работы;
Величина циклового расхода на номинальном режиме
(9.4)
;
Удельный эффективный расход топлива по скоростной характеристике, для карбюраторного двигателя
(9.5)
Часовой расход топлива
Gt = ge ∙Ne / 1000, [кг/ч] (9.6)

8.3 Внешняя скоростная характеристика
Для оценки динамических качеств и экономичности проектируемого автомобиля необходимо знать внешнюю скоростную характеристику двигателя. Эту характеристику можно получить расчетным путем, используя результаты теплового расчета.
Внешняя характеристика определяется для интервала от минимальной частоты вращения вала до номинальной. Шаг расчета выбирается так, чтобы получить восемь расчетных режимов по характеристике. Для дизельных двигателей минимальная частота вращения выбирается из интервала 600-700 об/мин.
Определение показателей по ВСХ

n, мин-1
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
2600

ре, МПа
0,4847
0,6639
0,7928
0,8714
0,8999
0,8781
0,8061
0,7303

рм, МПа
0,0697
0,08455
0,0994
0,11425
0,1291
0,14395
0,1588
0,1687

рi, МПа
0,5544
0,7484
0,8922
0,9857
1,0290
1,0221
0,9649
0,8990

Ne, кВт
18,032
37,043
58,981
81,043
100,428
114,332
119,954
117,717

М, Н∙м
287,012
393,068
469,389
515,974
532,824
519,939
477,318
432,385

ηм
0,874
0,887
0,889
0,884
0,875
0,859
0,835
0,812

Gt, кг/ч
5,233
9,781
14,397
18,668
22,375
25,319
27,147
27,428

ge,г/кВт∙ч
277,760
252,722
233,622
220,460
213,236
211,949
216,600
223,000

9. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ УСЛОВНОЙ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ СГОРАНИЯ НА ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО ДВИГАТЕЛЯ

, град ПКВ
, МДж/кг

, МПа
, г/КВт*ч
, К
, МПа

80
0,7959
0,4989
0,7920
169,787
1857,9
7,557

85
0,7932
0,4972
0,7893
170,371
1829,4
7,385

90
0,7897
0,4950
0,7857
171,137
1804,6
7,225

95
0,7854
0,49,23
0,7815
172,056
1779,9
7,077

100
0,7807
0,4893
0,7768
173,107
1755
6,77

105
0,7754
0,4861
0,7716
174,273
1730,6
6,811

110
0,7699
0,4826
0,7660
175,536
1706,3
6,692

115
0,7640
0,4789
0,7602
176,891
1683,1
6,581

120
0,7578
0,4750
0,7541
178,320
1661,3
6477

ВЫВОД
При уменьшении продолжительности сгорания происходит снижение максимального давления цикла, максимальной температуры цикла, удельного индикаторного расхода топлива. Индикаторная работа цикла, индикаторный КПД и среднее индикаторное давление цикла повышаются при уменьшении продолжительности сгорания. Исходное значение =100 град ПКВ считаю наиболее оптимальным для данного двигателя.

Рисунок 1. График зависимости доли сгоревшего топлива и отвлеченной скорости сгорания от угла поворота коленчатого вала в процессе сгорания

Рисунок 2 — График зависимости удельного эффективного расхода топлива и часового расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала

Рисунок 3 — График зависимости эффективной мощности и крутящего момента от частоты вращения коленчатого вала

Рисунок 4 — График зависимости давления и температуры от угла поворота коленчатого вала в процессе сгорания

Рисунок 1- Индикаторная диаграмма двигателя в Р-V координатах
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Фарафонтов М.Ф. Автомобильные двигатели Учебное пособие для студентов-заочников.
— Челябинск ЧГТУ, 1990. – 70с.
2. Колчин А.И. Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей Учеб. Пособие
для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. – М. Высшая школа, 1980. — 400с.
3. Вибе И.И. Теория двигателей внутреннего сгорания Конспект лекции. — Челябинск ЧПИ, 1974. – 252.
4. Теория рабочих процессов ДВС Методические указания по выполнению курсовой работы/ Составители Шароглазов Б.А., Кавьяров С.И. Челябинск — ЧГТУ, 1997. – 12с.
5. Конструирование и расчет ДВС Методические указания по курсовому проекту / Составители Бунов В.М., Галичин В.Г. — Челябинск ЧПИ, 1989. – 32с.