Тепловой расчет карбюраторного двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тепловой расчет карбюраторного двигателя

1.Расчёт карбюраторного двигателя

двигатель карбюраторный бензин

1.1 Исходные данные

Эффективная мощность двигателя - N_е = 85 л.с.;

Частота вращения коленчатого вала - n = 5600 мин^-1;

Двигатель четырехцилиндровый, i = 4 с рядным расположением.

Система охлаждения жидкостная закрытого типа.

Степень сжатия е = 8,9

1.2 Топливо

В соответствии с заданной степенью сжатия е = 8,9 в качестве топлива выбираем бензин марки АИ-95.

Средний элементарный состав и молекулярная масса топлива С = 0,830; Н = 0,120 и m_т = 113 кг/кмоль.

Низшая теплота сгорания топлива определяется по формуле:

Н_u = 33,91 · С + 125,60 · Н - 10,89 · (О - S) - 2,51 · (9 · Н + W), кДж/кг (1.1)

где Н_u - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; С, Н, О, S и W - составляющие топлива

Подставляя значения в формулу 1.1, получим:

Н_u = 33,91 · 0,830 + 125,60 · 0,120 - 2,51 · 9 · 0,120 = 43,9 Мдж/кг

= 40507 кДж/кг

1.3 Параметры рабочего тела

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива определяется по формуле:

L₀ = · (), кмоль возд/кг топл. (1.2)

l₀ = · (), кг возд/кг топл. (1.3)

где L₀ - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кмоль возд/кг топл.; l₀ - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кг возд/кг топл.

Подставляя соответствующие значения в формулу 1.2 и 1.3, получим:

L₀ = · () = 0,472 кмоль возд/кг топл.

l₀ = · () = 13,79 кг возд/кг топл.

Коэффициент избытка воздуха. Применяя карбюратор с экономайзером, и стремясь получить двигатель повышенной литровой мощности, коэффициент избытка воздуха принимаем равным б = 0,904, что позволит обеспечить максимальную скорость сгорания и достаточную экономичность.

Количество горючей смеси определяется по формуле:

М₁ = б · L₀ + , кмоль гор. см/кг топл. (1.4)

где М₁ - количество горючей смеси, кмоль гор. см/кг топл.; б - коэффициент избытка воздуха

Подставляя значения в формулу 1.4, получим:

М₁ = 0,904 · 0,472 + = 0,434 кмоль гор. см/кг топл.

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания определяется по формулам:

- двуокись углерода:

= - 2· · 0,21 · L₀, кмоль СО₂/кг топл. (1.5)

- окись углерода:

= 2· · 0,21 · L₀, кмоль СО/кг топл. (1.6)

- паров воды:

= - 2· К · · 0,21 · L₀, кмоль Н₂О/кг топл. (1.7)

- водорода:

= 2· К · · 0,21 · L₀, кмоль Н₂/кг топл. (1.8)

- азота:

= 0,79 · б · L₀, кмоль N₂/кг топл. (1.9)

где , , - количество, соответственно, СО₂, СО, Н₂О, Н₂ и N₂ в продуктах сгорания, кмоль Х/кг топл.; К - постоянная величина, зависящая от отношения количества водорода к окиси углерода, содержащихся в продуктах сгорания (для бензинов К = 0,45-0,5)

Для расчетов принимаем К = 0,45.

Подставляя значения в формулы 1.5-1.9, получим:

= - 2· · 0,21 · 0,472 = 0,057 кмоль СО₂/кг топл.

= 2· · 0,21 · 0,472 = 0,074 кмоль СО/кг топл.

= - 2· 0,45 · · 0,21 · 0,472 = 0,027 кмоль Н₂О/кг топл.

= 2· 0,45 · · 0,21 · 0,472 = 0,033 кмоль Н₂/кг топл.

= 0,79 · 0,904 · 0,472 = 0,337 кмоль N₂/кг топл.

Общее количество продуктов сгорания при б =0,904, определяется по формуле:

М₂ = + + + + , кмоль пр. сг./кг топл. (1.10)

где М₂ - общее количество продуктов сгорания, кмоль пр. сг./кг топл.

Подставляя значения в формулу 1.10, получим:

М₂ = 0,057 + 0,074 + 0,027 + 0,033 + 0,337 = 0,528 кмоль пр.сг/кг топл.

Проверяем расчеты общего количества продуктов сгорания по формуле:

М₂ = + + 0,79 · б · L₀ , кмоль пр.сг/кг топл. (1.11)

Подставляя значения в формулу 1.11, получим:

М₂ = + + 0,79 · 0,904 · 0,472 = 0,528кмоль пр.сг/кг топл.

1.4 Параметры окружающей среды и остаточные газы

Давление и температура окружающей среды. Двигатель будет работать без наддува, поэтому p₀ = 0,103 Мн/м² и Т₀ = 288⁰К.

Температура остаточных газов. Принимаем Т_r = 903⁰К, так как значения е = 8,9 и б = 0,904 снижают Т_r, а высокое число оборотов (n = 5600 мин^-1) увеличивает Т_r.

Давление остаточных газов. Высокое число оборотов увеличивает p_r, но вследствие снижения сопротивлений при конструктивном оформлении выпускного тракта и расширения фаз газораспределения, можно для рассчитываемого двигателя получить p_r 1.2 · p₀. Давление остаточных газов определяется по формуле:

r_r = 1,2 · p₀ , Мн/м² (1.12)

где r_r - давление остаточных газов, Мн/м²; p₀ - давление окружающей среды, Мн/м² (принимаем p₀ = 0,1 Мн/м²)

Подставляя значения в формулу 1.12, получим:

r_r = 1,2 · 0.103= 0,1236 Мн/м² .

1.5 Процесс впуска

Температура подогрева свежего заряда. Учитывая значительную частоту вращения коленчатого вала и желание получить хорошее наполнение цилиндров двигателя, принимаем Т = 12⁰.

Плотность заряда на впуске определяется по формуле:

5T₀ = · 10⁶ , кг/м³ (1.13)

где 5T₀ - плотность заряда на впуске, , кг/м³; В - удельная газовая постоянная для воздуха, дж/кг·град (В = 287 дж/кг·град)

Подставляя значения в формулу 1.13, получим:

5T₀ = 10⁶ = 1,246 кг/м³

Потери давления на впуске определяются по формуле:

= (в² + о_вп) 5T₀ 10^-6 , Мн/м² (1.14)

где - потери давления на впуске, Мн/м²; (в² + о_вп) = 2,8 и = 110 м/с приняты в соответствии со скоростным режимом двигателя и в предположении, что внутренняя поверхность впускной системы будет обрабатываться

Подставляя значения в формулу 1.14, получим:

= 2,8 · · 1,246 · 10^-6 = 0,002 Мн/м²

Давление в конце такта впуска определяется по формуле:

с_а = p₀ - , Мн/м² (1.15)

где с_а - давление в конце такта сжатия, Мн/м²

Подставляя значения в формулу 1.15, получим:

с_а = 0,103 -0,002 = 0,101 Мн/м²

Коэффициент остаточных газов определяется по формуле:

г_r = · , (1.16)

где г_r - коэффициент остаточных газов; Т - температура подогрева свежего заряда, град; Т_r - температура остаточных газов

Подставляя значения в формулу 1.16, получим:

г_r = · = 0,056.

Температура в конце такта впуска определяется по формуле:

Т_а = , ⁰К (1.17)

где Т_а - температура в конце такта впуска, ⁰К

Подставляя значения в формулу 1.17, получим:

Т_а = = 332⁰К

Коэффициент наполнения определяется по формуле:

з_V = · · · (е · с_а - с_r) , (1.18)

где з_V - коэффициент наполнения

Подставляя значения в формулу 1.18, получим:

з_V = · · · (8,9 · 0.101- 1,2) = 8,006.

1.6 Процесс сжатия

Средний показатель адиабаты сжатия при е = 8,9 и Т_а = 323⁰К определяют по графику (см. рис. 7 []) k₁ = 1,250.

Средний показатель политропы сжатия. Учитывая быстроходность рассчитываемого двигателя, принимаем:

n₁ = k₁ - 0,020 , (1.19)

где n₁ - политропа сжатия; k₁ - адиабата сжатия

Подставляя значения в выражение 1.19, получим:

n₁ = 1,250 - 0,020 = 1,23

Давление в конце такта сжатия определяется по формуле:

с_с = с_а · , Мн/м² (1.20)

где с_с - давление в конце такта сжатия, Мн/м²

Подставляя значения в формулу 1.20, получим:

с_с = 0,101 · 8,9^1,36 = 1,75 Мн/м² .

Температура в конце такта сжатия определяется по формуле:

Т_с = Т_а · , ⁰К (1.21)

где Т_с - температура в конце такта сжатия, ⁰К

Подставляя значения в формулу 1.21, получим:

Т_с = 323 · 8,9^{1,36 - 1} = 707 ⁰К.

Средняя мольная теплоемкость в конце такта сжатия определяется по формулам:

- свежей смеси:

 = 20,60 + 2,638 · 10^-3 · t_c , кдж/кмоль·град (1.22)

где mc_V - средняя мольная теплоемкость свежей смеси, , кдж/кмоль·град; t_c - температура в конце такта сжатия, ⁰С (определяется t_c = Т_с - 273 = 707-273 = 434⁰С)

- остаточных газов:

= 23,485 + · 57 = 23,72 кдж/кмоль·град

где m - cредняя мольная теплоемкость остаточных газов, кдж/кмоль·град; 23,485 и 23,899 значения теплоемкости продуктов сгорания, соответственно при 400⁰С и 500⁰С, взятые по табл. 8 при б = 0,904 []

- рабочей смеси:

= · [ + г_r · ] , кдж/кмоль·град (1.23)

где m - средняя мольная теплоемкость рабочей смеси, кдж/кмоль·град

Подставляя значения в формулы 1.22 и 1.23, получим:

= 20,60 + 2,638 · 10^-3 · 435 = 21,74 кдж/кмоль·град

= · [21,74 + 0,035 · 23,72 ] = 21,80 кдж/кмоль·град

1.7 Процесс горения

Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси определяется по формуле:

м₀ = , (1.24)

где м₀ - коэффициент молекулярного изменения горючей смеси

Подставляя значения в формулу 1.24, получим:

м₀ = = 1.21

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси определяется по формуле:

м = , (1.25)

где м - коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

Подставляя значения в формулу 1.25, получим:

м = = 1,20

Количество теплоты, потерянное вследствие неполноты сгорания топлива, определяется по формуле:

H_u = 119950 · (1 - б) · L₀ , кдж/кг (1.26)

где H_u - количество теплоты, потерянное вследствие неполноты сгорания топлива, кдж/кг

Подставляя значения в формулу 1.26, получим:

H_u = 119950 · (1 - 0,904) · 0,472 = 5435 кдж/кг.

Теплота сгорания рабочей смеси определяется по формуле:

H_раб.см = , кдж/кмоль раб. см. (1.27)

где H_раб.см - теплота сгорания рабочей смеси, кдж/кмоль раб. см

Подставляя значения в формулу 1.27, получим:

H_раб.см = = 34250 кдж/кмоль раб. см.

Средняя мольная теплоемкость сгорания продуктов сгорания определяется по формуле:

= · [ + · + · + · + ·] , кДж/кмоль·град. (1.28)

Подставляя значения в формулу 1.28, получим:

= · [0,074 (39,523 + 0,003349 · t_z) + 0,074· (22,490 + 0,001430 · t_z) + 0,027· (26,670 + 0,004438 · t_z) + 0,033 · (19,678 + 0,001758 ·t_z) + 0,337 · (21,951 + 0,001457 · t_z)] = 24,510 + 0,002056 · t_z = 24,510 + 0,002056 · (Т_z - 273) кДж/кмоль·град.

Коэффициент использования тепла. Значительное догорание топлива в процессе расширения при n =5600 мин^-1 будет снижать величину о_z, но использование обогащенной смеси (б = 0,904), обеспечивающей максимальную скорость сгорания, будет несколько уменьшать процесс догорания. Учитывая эти факторы, можно принять о_z = 0,853.

Температура в конце видимого процесса сгорания, определяется по формуле:

о_z · Н_{раб. см.} + · (Т_с - 273) = м · · (Т_z - 273) , (1.29)

Подставляя значения в формулу 1.29, получим:

0,853 · 34250 + 21,80 · (707 - 273) = 0,953 · [24,510 + 0,002056 · (Т_z - 273)] · (Т_z - 273)

или

0,002214 · + 25,288 · Т_z - 85620 = 0;

Т_z = = 2672⁰К.

Максимальное давление сгорания определяется по формуле:

с_z = с_c· м · , Мн/м² (1.30)

где с_z - максимальное давление сгорания, Мн/м²

Подставляя значения в формулу 1.30, получим:ъ

с_z = 1,75· 1,20 · = 5,106 Мн/м².

Степень повышения давления определяется по формуле:

л = , (1.31)

где л - степень повышения давления

Подставляя значения в формулу 1.31, получим:

л = = 2,91

1.8 Процессы расширения и выпуска

Средний показатель адиабаты расширения при е = 8,9, б = 0,904 и Т_z = 2672⁰К определяют по графику (см. рис. 11 []), k₂ = 1,256.

Средний показатель политропы расширения. В соответствии с полученной величиной k₂ = 1,256 принимаем значение n₂ = 1,25.

Давление в конце такта расширения определяется по формуле:

с_b = , Мн/м² (1.32)

где с_b - давление в конце такта расширения, Мн/м²$ n₂ - постоянный показатель политропы расширения

Подставляя значения в формулу 1.32, получим:

с_b = = 0,332 Мн/м² .

Температура в конце такта расширения определяется по формуле:

Т_b = , ⁰К (1.33)

где Т_b - температура в конце такта расширения, ⁰К

Подставляя значения в формулу 1.33, получим:

Т_b = = 1553 ⁰К .

Проверим соответствие ранее заданной температуры остаточных газов по формуле:

Т_r = , ⁰К (1.34)

Подставляя значения в формулу 1.34, получим:

Т_r = = 1101 ⁰К.

Ошибка = 2,5%, что допустимо.

1.9 Индикаторные параметры рабочего цикла

Теоретическое среднее индикаторное давление определяется по формуле:

= · [ · (1 - ) - · (1 - )] , Мн/м² (1.35)

где - теоретическое среднее индикаторное давление, Мн/м²

Подставляя значения в формулу 1.35, получим:

= · [ · (1 - ) - · (1 - )] = 0,975 Мн/м² .

Среднее индикаторное давление определяется по формуле:

с_i = ц_и · , Мн/м² (1.36)

где с_i - среднее индикаторное давление, Мн/м²; ц_и - коэффициент полноты диаграммы (принимается в пределах 0,940,97)

Подставляя значения в формулу 1.36, получим:

с_i = 0,94 · 0,975 = 0,916 Мн/м² .

Индикаторный к.п.д. определяется по формуле:

з_i = , (1.37)

где з_i - индикаторный к.п.д.

Подставляя значения в формулу 1.37, получим:

з_i = = 0,028

Индикаторный удельный расход топлива определяется по формуле:

g_i = , г/кВт·ч (1.38)

где g_i - индикаторный удельный расход топлива, г/кВт·ч

Подставляя значения в формулу 1.38, получим:

g_i = = 295 г/кВт·ч.

1.10 Эффективные показатели двигателя

Среднее давление механических потерь определяется по формуле:

с_м = 0,034 + 0,0113 · v_п.ср , Мн/м² (1.39)

где с_м - среднее давление механических потерь, Мн/м²; v_п.ср - средняя скорость поршня, м/с (предварительно принимаем v_п.ср = 13,5 м/с)

Подставляя значения в формулу 1.39, получим:

с_м = 0,034 + 0,0113 · 13,5 = 0,187 Мн/м².

Среднее эффективное давление определяется по формуле:

с_е = с_i - с_м , Мн/м² (1.40)

где с_е - среднее эффективное давление, Мн/м²

Подставляя значения в формулу 1.40, получим:

с_е = 0,916 - 0,187 = 0,729 Мн/м² .

Механический к.п.д. определяется по формуле:

з_м = , (1.41)

где з_м - механический к.п.д.

Подставляя значения в формулу 1.41, получим:

з_м = = 0,795.

Эффективный к.п.д. определяется по формуле:

з_е = з_i· з_м , (1.42)

где з_е - эффективный к.п.д.

Подставляя значения в формулу 1.42, получим:

з_е = 0,028 · 0,795 = 0,022.

Эффективный удельный расход топлива определяется по формуле:

g_е = , г/кВт·ч (1.43)

где g_е - эффективный удельный расход топлива , г/кВт·ч

Подставляя значения в формулу 1.43, получим:

g_е = = 369 г/кВт·ч.

Часовой расход топлива определяется по формуле:

G_т = g_е · N_е , кг/ч (1.44)

где G_т - часовой расход топлива, кг/ч

Подставляя значения в формулу 1.44, получим:

G_т = 0,369 · 85 = 31,36 кг/ч.

1.11 Основные параметры цилиндра и двигателя

Литраж двигателя определяется по формуле:

V_л = 30 · ф · , л (1.45)

где V_л - литраж двигателя, л; ф - тактность двигателя (для четырехтактных двигателей ф = 4); n - частота вращения коленчатого вала двигателя (по условию n = 5600 мин^-1)

Подставляя значения в формулу 1.45, получим:

V_л = 30 · 4 · = 2,8 л.

Рабочий объем цилиндра определяется по формуле:

V_h = , л (1.46)

где V_h - рабочий объем цилиндра, л; i - число цилиндров (по условию i = 4)

Подставляя значения в формулу 1.46, получим:

V_h = = 0,7 л.

Диаметр и ход поршня. В целях уменьшения скорости поршня и сокращения габаритов двигателя принимаем S/D = 0,85, тогда:

D = 100 · , мм (1.47)

где D - диаметр цилиндра, мм

Подставляя значения в формулу 1.47, получим:

D = 100 · = 89,45 мм.

Ход поршня определяется по формуле:

S = D · , мм (1.48)

где S - ход поршня, мм

Подставляя значения в формулу 1.48, получим:

S = 89,45 · 0,85 = 76,03 мм.

Принимаем D = 90 мм, S = 76 мм.

По окончательно принятым значениям D и S определяем основные параметры и показатели двигателя:

- литраж двигателя:

V_л = , л (1.49)

- площадь поршня:

F_п = , см² (1.50)

где F_п - площадь поршня, см²

- эффективная мощность:

N_е = , кВт (1.51)

- эффективный крутящий момент:

М_е = · , Н·м (1.52)

где М_е - эффективный крутящий момент, Н·м

- часовой расход топлива:

G_т = N_е · g_е , кг/ч (1.53)

- средняя скорость поршня:

v_п.ср = , м/с (1.54)

Подставляя значения в формулы 1.491.54, получим:

V_л = = 1,932 л

F_п = = 65,5 см²

N_е = = 65,7 кВт

М_е = · = 131,4 Н·м

G_т = 88,4 · 0,285 = 25,19 кг/ч

v_п.ср = = 12,55 м/с.

v_п.ср очень близка по сравнению с ранее принятым значением v_п.ср = 13,5 м/с.

1.12 Построение индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя (см. рис. 1.4) построена для номинального режима работы двигателя, т.е. при N_e = = 85 л.с. и n = 5600 мин-¹, аналитическим методом. Масштабы диаграммы: масштаб хода поршня M_S = l мм в мм; масштаб давлений M_p = 0,05 МПа в мм. Величины в приведённом масштабе, соответствующие рабочему объёму цилиндра и объёму камеры сгорания (см. рис. 1.4):

АВ = = = 76 мм;

ОА = = = 9,6мм.

Рис. 1.1. Индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя

Максимальная высота диаграммы (точка z):

= = 102.12 мм.

Ординаты характерных точек:

 = = 2,02 мм;

= = 35 мм;

= = 6,64 мм;

= = 2,4 мм;

= = 2,0 мм.

Построение политроп сжатия и расширения осуществляется аналогичным методом:

- политропы сжатия:

с_х = с_а · . (1.55)

Отсюда

= · , (1.56)

где ОВ = ОА + АВ = 9,6 + 76 = 85,6 мм

Подставляя значения в формулу 1.56, получим:

= 2,02 · мм

- политропы расширения:

с_х = с_b · . (1.57)

Отсюда

= · , (1.58)

Подставляя значения в формулу 1.58, получим:

= 6,64 · мм

Результаты расчетов точек политроп приведены в таблице 1.1. Расчетные точки политроп показаны на рис. 1.1 только для наглядности.

Теоретическое среднее индикаторное давление определяется по формуле:

= · М_с , Мн/м² (1.59)

где F^? - площадь диаграммы aczba, мм (по индикаторной диаграмме F^? = 1470 мм)

Подставляя значения в формулу 1.59, получим:

= · 0,05 = 0,965 Мн/м².

Таблица 1.1.Результаты расчетов точек политроп

Номера точек	ОХ, мм		Политропа сжатия	Политропа расширения
				, мм	сх , Мн/м2		, мм	сх , Мн/м2
1 2 3 4 5 6 7 8 9	8,8 9,9 11,3 15,8 19,7 26,3 39,4 52,5 78,8	9 8 7 5 4 3 2 1,5 1	19,89 16,91 14,10 8,925 6,591 4,455 2,566 1,736 1	31,8 27,0 22,5 14,3 10,5 7,2 4,1 2,8 1,6	1,59 (точка с) 1,35 1,13 0,71 0,53 0,36 0,21 0,14 0,08 (точка а)	15,63 13,46 11,39 7,478 5,657 3,949 2,379 1,660 1	128,2 110,5 93,5 60,5 46,9 32,4 19,5 13,6 8,2 (точка b)	6,41 (точка z) 5,53 4,68 3,02 2,32 1,62 0,97 0,69 0,41

Это очень близко к величине = 0,965 Мн/м², полученной в тепловом расчете.

Скругление индикаторной диаграммфы. Поскольку рассчитываемый двигатель достаточно быстроходный (n = 5600 мин^-1), то фазы газораспределения устанавливают с учетом получения хорошей очистки цилиндра от отработавших газов и возможности дозарядки в конце впуска. В связи с этим открытие впускного клапана (точка r^?) принимают за 18⁰ до прихода поршня в в.м.т., а закрытие (точка а^??) - через 70⁰ после прохода поршнем н.м.т.; начало открытия выпускного клапана (точка b?) принимают за 55⁰ до прихода поршня в н.м.т, а закрытие (точка а?) - через 25⁰ после прохода поршнем в.м.т. С учетом быстроходности двигателя принимают и угол опережения зажигания И = 35⁰, а продолжительность периода задержки воспламенения ц₁ = 5⁰.

В соответствии с принятыми фазами газораспределения, углом опережения зажигания в пределах задержки воспламенения определяют положение точек r^?, а?, а??, с?, f и b? по формуле для перемещения

АХ = · [(1 - cos ц) + (1 - cos2ц)], (1.60)

где л -- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

При построении индикаторной диаграммы предварительно принимается л = 0,285.

Расчеты координат точек r ', а', а", с', f и b ' сведены в табл.

Ординаты точек индикаторной диаграммы

Обозна- чение точек	Положение точек	ц0	(1 - cos ц) + (1 - cos2ц)	Расстояние точек от в.м.т. (АХ), мм
r? а? а?? с? f b?	180 до в.м.т 250после в.м.т. 700 после н.м.т. 350до в.м.т. 300 до в.м.т. 550до н.м.т.	18 25 110 35 30 125	0,062 0,117 1,459 0,224 0,166 1,663	2,7 4,1 51,0 7,8 5,8 58,3

Положение точки с?? определяется из выражения:

определяется по формуле:

МПа;

мм.

Действительное давление сгорания

МПа;

мм.

Соединяя плавными кривыми точки r с а' , с' с с" и далее с z д и кривой расширения, b ' с b "(точка b " располагается обычно между точками b и а ) и линией выпуска b"r' r , получим скругленную действительную индикаторную диаграмму ra'ac'fc" z дb ' b " r .

Размещено на Allbest.ru

...