Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Липецкий государственный технический университет

Кафедра управления автотранспортом

КУРСОВАЯ РАБОТА

по конструкции и основам расчета энергетических установок

Студент Долгополов Н.В.

Преподаватель

профессор Ляпин С.А.

Липецк 2015 г



Таблица 1. Исходные данные

Параметр, обозначение, ед. измерения	Значение
Марка автомобиля	ВАЗ-2104
Максимальная мощность, км/ч	150
1. Тип двигателя и его назначение	ДсИЗ
2. Номинальная мощность, КВт	54,2
3. Частота вращения коленчатого вала двигателя, соответст вующая номинальной мощности, об/мин	5600
4. Коэффициент избытка воздуха, б	0,9
5. Давление турбонаддува, МПа	-
6. Охлаждение воздуха после компрессора ?Tохл, К	-
7. Диаметр цилиндра, D, м	0,082
8. Ход поршня, S, м	0,08
9. Тип топливной системы	карбюраторная
10. Тип системы охлаждения	жидкостная
11. Число клапанов на цилиндр, кл i	2
12. Тип камеры сгорания и тип смесеобразования(дизели)	-
13. Число и расположение цилиндров, i	4 в ряд
14. Степень сжатия е	8,5
15. Состав топлива	Бензин: Углерода С - 0,855 Водорода H - 0,145 Кислород О- 0
16 Низшая теплота сгорания Н u, кДж/кг	44000
17 Температура окружающей атмосферы T0 , K	298
18 Давление окружающей атмосферы p0 , МПа	0,1

Определение мощности двигателя для проектируемого автомобиля производится из условия его движения на прямой передаче с максимальной скоростью V _max , на ровном горизонтальном участке дороги с асфальтобетонным покрытием.

1. Мощность двигателя, соответствующая максимальной скорости автомобиля определяем по формуле 1:

N_V = (*f_V* V _max+k_w*F* V³_max)/(з_тр*k_p), (1)

N_V= (14469,8*0,03*41,667+0,25*1,87*(41,667)³) = 59,1 кВт

где = m_а* g - полный вес автомобиля, Н (=14469,8 Н);

m_а - полная масса, кг (m_a=1475 кг);

f_V -коэффициент сопротивления качению при скорости автомобиля V_a;

f_V=f₀+k_v*v²_a,

f₀ - нормативный коэффициент сопротивления качению, (f₀=0,018);

k_v =7 *10^-6 - динамический коэффициент, с²/м²; з_тр =0,925 -0,85 - КПД трансмиссии автомобиля на высшей передаче, (з_тр =0,925);

K_p - коэффициент коррекции, учитывающий потери мощности на привод генератора, компрессора кондиционера, насоса гидроусилителя руля, вентилятора системы охлаждения, потери в выхлопной системе и т. п., K_p=0,95;

V _max - максимальная скорость автомобиля, м/с (V _max=41,667 м/с);

k_w - коэффициент аэродинамического сопротивления (коэффициент обтекаемости), Н·с2/м4, по прил. 1: k_w=0,25;

F - лобовая площадь (площадь лобового сопротивления) автомобиля, м2 (F=1,87 м²).

Для легкового и грузового автомобиля со стандартным кузовом F=0.8BH, где В, Н - соответственно габаритная ширина и высота автомоби-

ля, м (B=1,62 м; H=1,443 м).

f_V= 0,018+7*10^-6*(41,667)² = 0,03;

N_V= (14469, 8*0,03*41,667+0,25*1,87*(41,667)³) = 59,1 кВт.

2. Максимальная мощность двигателя определяем по формуле 2:

N_{e max} = N_V/ [a*(n_V/n_N) + b*(n_V/n_N)² - c*(n_V/n_N)³], (2)

где a, b, c - коэффициенты, значения которых зависят от типа и конструкции двигателя (принимаем a,b,c=1);

n_N - частота вращения коленчатого вала, соответствующая максимальной мощности, мин-1 (об/мин);

(nv/nN)=1,2 для двигателя с искровым зажиганием (ДсИЗ) - отношение частоты вращения коленчатого вала двигателя при движении автомобиля с V_max к частоте вращения коленчатого вала двигателя при максимальной мощности N_{e max}.

N_{e max} = 59, 1/[1*1,2+1*1,2²-1*1,2³] = 64,8 кВт.

3. Частота вращения коленчатого вала двигателя(об/мин) при движении автомобиля с V_max определяем по формуле (3):

n_V= V_max *u^в_кп *u_гп /(0,377 · r_к), (3)

где V_max - максимальная скорость автомобиля, км/ч;

u^в_кп - передаточное число коробки передач на высшей передаче;

u_гп - передаточное число главной передачи;

r_k - кинематический радиус колеса (радиус качения), м.

r_k= r_ст*д_д

Статический радиус при известных конструктивных параметрах шин можно найти из соотношения:

r_ст= 0,5*d+?*л_см*B , мм

d - посадочный диаметр обода, мм; ?- отношение высоты профиля колеса к его ширине (Н/B) (?=0,7);

л_см - коэффициент, учитывающий смятие шины под нагрузкой (л_см=0,8);

д_д - коэффициент деформации пневматической шины.Для легковых автомобилей принимают д_д =1,05.

Диагональные и радиальные шины различаются не только конструкцией, но и маркировкой. В моем случае используются радиальные шины с маркировкой 175/70R13:

175 - условная ширина профиля шины (В), мм; 70 - отношение высоты профиля (Н) к её ширине (В), %; «R» - обозначение радиальной шины;

13 - посадочный диаметр , дюйм.

r_ст = 0,5*0,33+0,7*0,8*0,175 = 0,263 м;

r_k = 1,05*0,263 = 0,276 м;

n_V=(150*0,801*4,1)/(0,377*0,276)=4734,32 об/мин.

4. Частота вращения коленчатого вала двигателя(об/мин), соответствующая N_{e max} :

для ДсИЗ - n_N=n_V /1,2 = 4734,32/1,2=3945,27 об/мин .

Остальные исходные данные представлены в таблице 1.



1. Тепловой расчет двигателя

Параметры окружающей среды принимаются в соответствии с ГОСТ: Т₀=298 К, р₀=0,1 Мпа.

Выбираем топливо для двигателя: бензин АИ-95

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива определяем по формулам (4) и (5):

l₀ = (1/0,23)*(8/3*C+8*H-O); (4)

l₀ = (1/0,23)*(8/3*0,855+8*0,145-0) = 14,956 кг воздуха/кг топлива.

L₀ = (1/0,208)*(C/12+H/4-O/32); (5)

L₀ = (1/0,208)*0,855/12+0,145/4-0) = 0,517 кмоль воздуха/кг топлива.

Количество свежего заряда определяем по формуле (6):

принимаем m_т=115 кг/моль

М₁ = б*L₀+1/m_т; (6)

М₁ = 0,9*0,517+1/115 = 0,474 кмоль воздуха/кг топлива

Давление в конце такта впуска определяем по формуле (7):

p_a = о_вп*p_k; (7)

При отсутствии наддува p_k= p₀ , о_вп - коэффициент, учитывающий суммарные потери давления при впуске (коэффициент сопротивления впускной системы).

Для четырехтактных бензиновых двигателей о_вп = 0,80…0,90, принимаем о_вп =0,87. Тогда давление определяем по формуле (8):

p_a = о_вп*p₀; (8)

p_a = 0,85*0,1 = 0,085 МПа.

Выбор степени сжатия

В соответствии с выбранным топливом бензин Аи-92, применением на двигателе жидкостного охлаждения, принимаем е= 8,5.

Величина подогрева свежего заряда

Для бензинового двигателя ?T = 0...20⁰.

С учетом жидкостного охлаждения, принимаем ?T=5⁰

Параметры остаточных газов

Давление p_r определяется по эмпирической зависимости:

- для двигателей с выпуском газов в атмосферу определяется по формуле (9): p_r = о_вып*p₀, (9)

где p₀ - давления соответственно атмосферное ;

о_вып -коэффициент, учитывающий сопротивление выпускного тракта в зависимости от его конструкции и режимных факторов.

принимаем коэффициент сопротивления выпускной системы о_вып = 1,16

Температура остаточных газов

принимаем T_r = 900 K.

Тогда давление

p_r =1,16*0,1=0,116 МПа.

Коэффициент остаточных газов определяем по формуле (10):

г_r = о_оч * * ; (10)

принимаем о_доз= о_оч= о=1

г_r = 1 * * = 0,064.

Количество рабочей смеси рассчитывается по уравнению (11):



M = M₁+M_r = M₁*(1+ г_r); (11)

M = 0,474*(1+0,064) = 0,5043 кг рабочей смеси/кг топлива.

Температура рабочей смеси определяется по формуле (12):

T_a = ; (12)

T_a = = 339 K.

Коэффициенты наполнения для двигателя без наддува определяется по формуле (13):

з_v = о_доз****(1- ); (13)

з_v = 1****(1- ) = 0,794

Давление и температуру в конце сжатия вычислим по уравнениям (14) и (15):

принимаем n₁ = 1,36

p_c = p_a*е^n₁; (14)

p_c = 0,085*8,5^1,36 = 1,561 МПа;

T_c = T_a*е^(n₁-1); (15)

T_c = 339*8,5^0,36 = 737 K.



2. Расчет параметров процесса сгорания

При б = 0,9 < 1, то сгорание будет неполным и продукты сгорания будут рассчитываться по формуле (16):

M₂ = ++++; (16)

и включать следующие компоненты: принимаем k=0,5;

а) количество оксида углерода: = 2**0,208*L₀= =2**0,208*0,517=0,01434 кмоль;

б) количество диоксида углерода: = + =-

- 0,01434=0,05691кмоль;

в) количество водорода: = 2*k**0,208*L₀= =2*0,5**0,208*0,517= 0,00717 кмоль;

г) количество водяного пара: = - = - 0,00717=

=0,06533 кмоль;

д) количество азота: = 0,792*б*L₀=0,792*0,9*0,517=0,36852 кмоль.

Тогда

М₂ = 0,01434+0,05691+0,00717+0,06533+0,36852 = 0,51227 кмоль.

Объемные доли компонентов в продуктах сгорания определяем по формуле (17):

R_i = ; (17)

а) = = = 0,02799;

б) = = = 0,11110;

в) = = = 0,01399;

г) = = = 0,12753;

д) = = = 0,71939.

Проверка: = 1

= 0,02799+0,11110+0,01399+0,71939+0,12753 = 1.

Коэффициент молекулярного изменения:

а) горячей смеси определяется по формуле (18);

б) рабочей смеси определяется по формуле (19):

µ₀ = ; (18)

µ₀ = = 1,081.

µ_{раб.смеси} = ; (19)

µ_{раб.смеси} = = 1,076.

Температура продуктов сгорания в конце сгорания определяется по формуле (20):

T_z = t_z +273; (20)

где t_z - температура в конце видимого сгорания, ⁰С.

Температура в конце видимого сгорания определяется по формуле (21):

t_z = ; (21)



уравнения A*+B*+C=0 в котором коэффициенты A,B,C определяют решая уравнение (22) для бензиновых двигателей при б < 1:

+ = µ_{раб.смеси}**; (22)

где - Коэффициент использования низшей теплоты сгорания для карбюраторных двигателей 0,8…0,95; для дизелей 0,7…0,88;

H_u кДж/ кг - низшая теплота сгорания топлива (H_u= 44000 кДж/кг);

?H_u -Количество теплоты потерянной вследствие химической неполноты сгорания бензина;

при б < 1 ?H_u определяем по формуле (23):

?H_u = 119950*(1- б)*L₀; (23)

?H_u = 119950*(1-0,9)*0,517 = 6201 кДж/кг.

Температуру в конце сжатия определяем по формуле (24):

t_c = T_c - 273; (24)

t_c =737 - 273 = 464 ⁰c.

коэффициент использования теплоты принимаем = 0,86

Мольную теплоемкость воздуха при постоянном объеме в конце сжатия определим методом интерполирования по формуле (25):

= + *(464-400); (25)

= 21,475 + * 64 = 21,671 кДж/(кмоль*⁰с).

Мольную теплоемкость остаточных газов при t_с = 464 ⁰с определим интерполированием по температуре и коэффициенту избытку воздуха, при б=0,9 по формуле (26):

= + *(464-400); (26)

= 23,450 + * 64 = 23,717 кДж/(кмоль*⁰с).

Полученные данные подставляем в уравнение (22) и находим С по формуле (27):

С = + ; (27)

C = + = 74568.

Тогда С = µ_{раб.смеси}**

Для определения , значения теплоемкостей продуктов сгорания представим в виде формул:

= = + + + +;

Где а) = 0,02799*(22,490+0,00143*) = =0,6295+0,000040*;

б) = 0,11110*(39,123+0,003349*) = =4,3466+0,000372*;

в) = 0,01399*(19,678+0,001758*) = =0,2753+0,000025*;

г) = 0,71939*(26,670+0,004438*) = =19,1861+0,003193*;

д) = 0,12753*(21,951+0,001457*) = =2,7994+0,000186*.

Тогда = 27,2369+0,003816*.

Подставим найденные значения и получим квадратное уравнение:

1,076*(27,2369+0,003816*)* = 74568.

Преобразуем уравнение в вид A*+B*+C=0, получим:

0,0041*+29,3069*-74568 = 0

По полученному уравнению находим по формуле (21):

= = 1990 ⁰c.

Подставим найденное значение в формулу (20) и найдем T_z:

T_z = 1990 + 273 = 2263 ⁰c.

Расчетное давление в конце сгорания определим по формуле (28):

p_zp = µ_{раб.смеси}*p_c*; (28)

p_zp = 1,076*1,561* = 5,1574 МПа.

Действительное максимальное давление в конце сгорания определяем по формуле (29):

p_z = 0,85*p_zp; (29)

p_z =0,85*5,1574 = 4,3838 МПа.

Степень повышения давления определяется по формуле (30):

л = ; (30)

л = = 3,30.



3. Расчет параметров расширения

Для бензиновых двигателей определяем p_b и T_b по формулам (31) и (32):

p_b = p_zp/(е^n₂); (31)

T_b = T_z/(е^(n₂-1)); (32)

Средний показатель политропы расширения n₂ принимаем по значению показателя адиабаты K₂ с учетом поправки определяем по формуле (33):

n₂ = K₂ - ?n₂; (33)

где К₂ - показатель адиабаты расширения, (К₂ = 1,33 + 0,00076*е -

-0,000014*T_z - 0,0462*б ;

?n₂ = у*n*10^-5;

Для е= 8,5; б=0,9; Т_z = 2263 K

K₂ = (1,33+0,00076*8,5-0,000014*2263-0,0462*0,9) = 1,263.

Принимаем у=0,15. Тогда

n₂ = 1,263 - 0,15*5600*10^-5 = 1,255.

Подставим n₂ в формулы (31) и (32), получаем:

p_b = 5,1574/(8,5^1,255) = 0,35 МПа;

T_b = 2263/(8,5^0,255) = 1311 K.

3.1. Проверим правильность принятия p_r и T_r при расчете г_r.

Для p_r = 0,116 МПа; T_r = 900 K, определим T_rp по формуле (34):

T_rp = T_b* ; (34)

T_rp = 1311* = 918 K.

= = 0,02 < 0,1. Следовательно, T_r и p_r приняты правильно.

4. Определение индикаторных показателей цикла

Расчетное среднее индикаторное давление определим по формуле (35):

p_ip = * [ * (1- ) - *(1- )]; (35)

p_ip = *[ * (1- ) - * (1- )] = 1,0505 МПа.

Действительное среднее индикаторное давление определяем по формуле (36):

p_i = ф_п * p_ip; (36)

где ф_п - коэффициент полноты диаграммы (ф_п = 0,96);

p_i = 0,96 * 1,0505 = 1,0085 МПа.

Индикаторный КПД при p_k = p₀ и T_k = T₀ находим по формуле (37):

з_i = ; (37)

з_i = = 0,3390

Удельный индикаторный расход топлива определим по формуле (38):

g_i = ; (38)

где Н_u (МДж/кг)

g_i = = 241,4 г /(кВm*ч).



5. Расчет эффективных показателей

Принимаем среднюю скорость поршня W_сп = 16,2 м/с.

Тогда условное среднее давление механических потерь определим по формуле (39):

p_m = A+ B*W_сп; (39)

p_m = 0,04 + 0,0135*16,2 = 0,2587 МПа.

Механический КПД оценивает механические потери в двигателе. Определим механический КПД по формуле (40):

з_m = 1- ; (40)

з_m = 1- = 0,74.

Среднее эффективное давление находим по формуле (41):

p_e = p_i - p_m; (41)

p_e = 1,0085 - 0,2587 = 0,7498 МПа.

Эффективный КПД определим по формуле (42):

з_e = з_i * з_m; (42)

з_e = 0,3390 * 0,74 = 0,2509.

Удельный расход топлива находим по формуле (43):

g_e = ; (43)

g_e = = 326,1 г /(кВm*ч).

6. Определение размеров цилиндра и показатели двигателя

Рабочий объем цилиндра находим по формуле (44):

V_h = ; (44)

V_h = = 0,4630 дм³.

6.1. Диаметр цилиндра определим по формуле (45):

D = ; (45)

Принимаем = 1,05. Тогда

D = = 0,82 дм.

Ход поршня находим по формуле (46):

S = D* ; (46)

S = 0,82 * 1,05 = 0,86 дм.

Предварительно принимаем D = 82 мм и S = 86 мм.

Определим среднюю скорость поршня по формуле (47):

W_сп = S*n/30; (47)

W_сп = 0,086*5600/30 = 16,05 м/с.

* 100% = 0,93 % < 3 %.

Отклонения скорости поршня в допустимых пределах. Окончательно принимаем S = 86 мм и D = 82 мм.

Рабочий объем цилиндра определим по формуле (48):

V_h = * S; (48)

скорость двигатель автомобиль мощность

V_h = * 0,86 = 0,454 дм³.

Литраж двигателя находим по формуле (49):

iV_h = 4*V_h; (49)

iV_h = 4*0,454 = 1,820 л.

Номинальную мощность определим по формуле (50):

N_{e max} = ; (50)

N_{e max} = = 64,0 кВm.

Литровую мощность находим по формуле (51):

N_ел = N_{e max} / iV_h; (51)

N_ел = 64,0 / 1,820 = 35,2 кВm/дм³.

Часовой расход топлива определим по формуле (52):

G_т = N_{e max} / g_e; (52)

G_т = 64,0 * 326,1 / 1000 = 20,87 кг/ч.

Эффективный крутящий момент находим по формуле (53):

M_eN = ; (53)

M_eN = = 109,14 Н*м.

7. Построение индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма - графическая зависимость давления газа в цилиндре от надпоршневого объема ( перемещения поршня или угла поворота коленчатого вала). Индикаторная диаграмма строится с использованием результатов теплового расчета.

Объём камеры сгорания определим по формуле (54):

V_c = V_h/(е-1) (54)

Полный объём цилиндра определим по формуле (55):

V_a = V_h+V_c (55)

Находим V_c и V_a по формулам (54) и (55):

V_c = 0,454/(8,5-1) = 0,061 дм³

V_a = 0,454+0,061 = 0,515 дм³.

При построении диаграммы ее масштабы рекомендуется выбирать с таким расчетом, чтобы получить высоту, равную 1,2 - 1,7 ее основания.

Принимаем высоту и ширину диаграммы: H=120 мм; B=60 мм.

В начале построения на оси абсцисс откладывают отрезок АВ, соответствующий рабочему объему цилиндра V_h , т.е. по величине равной ходу поршня S в масштабе M_s = S/AB, в зависимости от S масштаб принять 1:1, 1,5:1 или 2:1. Рекомендуется при S ? 80 мм M_s = 1 мм S /мм чертежа.

При этом длина отрезка AB =S/ M_s должна войти в рекомендуемый диапазон 70…100 мм. Отрезок ОА, мм, соответствующий объему камеры сгорания V_c , определяется из соотношения ОА = АВ / (е -1). Отрезок, соответствующий полному объему цилиндра ОВ в мм определяется по формуле: ОВ = OA+ AB. При построении диаграммы используют следующий ряд масштабов давлений: M_p = 0,02; 0,025; 0,04; 0,05;

0,07 - 0,10 МПа в 1 мм. При p_z ? 5 МПа рекомендуется выбирать M_p =

= 0,025 МПа/мм, при p_z ? 5 МПа - M_p = 0,05 МПа/мм.

Определим масштабный коэффициент по формуле (56):

m_p = p_zp/H; (56)

m_p = 5,1574/120 = 0,043 МПа/мм.

Ближайший кратный масштаб: m_p = 0,04.

Определим масштаб объемов по формуле (57):

m_v = V_a/H; (57)

m_v = 0,515/120 = 0,0043 дм³/мм.

Ближайший кратный масштаб: m_v = 0,004.

По данным теплового расчета на диаграмме откладывают в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках: a,c, z_p, z,b,r диаграммы , а так же давление p₀ .

Построение политроп сжатия и расширения можно производить графическим или аналитическим методами. Давления для построения политроп вычисляем по уравнениям в 8-10 точках по формулам:

Сжатие P_x=P_a*()ⁿ¹, расширение P_xp=P_b*()ⁿ².

Результаты заносим в таблицу 1.



Таблица 1. Результаты расчетов давлений политроп

Px
Pxp

8. Тепловой баланс

Теплоту, выделившуюся при сгорании топлива определяем по формуле (58):

Q₀ = H_u*G_т/3,6; (58)

Q₀ = 44000*20,87/3,6 = 255078 Дж/с.

Теплоту, эквивалентную эффективной работе за 1 с находим по формуле (59):

Q_e = 1000/N_e; (59)

Q_e = 1000*64 = 64000 Дж/с.

Теплоту, передаваемую окружающей среде определим по формуле (60):

Q_охл = ; (60)

принимаем С= 0,49; m=0,65; i=4. Тогда

Q_охл = = 64586 Дж/с.

Теплоту, отнесенную отработавшими газами определим по формуле (61):

Q_г = * [M₂* - M₁*]; (61)

Определим и по формулам (62) и (63):

= + 8,315; (62)

= T_r-273; (63)

= 900-273 = 627 ⁰c.

Мольную теплоемкость остаточных газов при t_r= 627 ⁰C определим интерполированием по температуре и коэффициенту избытку воздуха определим по формуле (64):

= + * (627-600); (64)

= 24,284 + * 27 = 24,399 кДж/(кмоль*⁰с).

Подставим найденное значение в формулу (62):

= 24,399 + 8,315 = 32,714 кДж/(кмоль*град).

Теплоемкость свежего заряда (воздуха) определим по формуле (65) при t₀ = T₀-273 = 298-273 = 25 ⁰c:

= + * (25-0); (65)

= 20,759 + * 25 = 20,779 кДж/(кмоль*⁰с).

= 20,779 + 8,315 = 29,094 кДж/(кмоль*град).

Подставим найденные значения в формулу (61) и найдем Q_г:

Q_г = * [0,51227*32,714*627-0,474*29,094*25] = 58916 Дж/с.

Теплоту, потерянную из-за неполноты сгорания топлива определим по формуле (66):

Q_н.с. = ?H_u*G_т/3,6; (66)

Q_н.с = 6201*20,87/3,6 = 35949 Дж/с.

Оставшуюся теплоту определим по формуле (67):

Q_ост = Q₀ - Q_e - Q_охл - Q_г - Q_н.с; (67)

Q_ост = 255078 - 64000 - 64586 - 58916 - 35949 = 31627 Дж/с.

Размещено на Allbest.ru

...