Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Анализ конструкции исследуемого двигателя

2. Тепловой расчет

2.1 Выбор топлива

2.2 Параметры рабочего тела

2.3 Параметры окружающей среды и остаточных газов

2.4 Процесс впуска

2.5 Процесс сжатия

2.6 Процесс сгорания

2.7 Процессы расширения и выпуска

2.8 Индикаторные параметры рабочего цикла

2.9 Эффективные показатели двигателя

2.10 Основные параметры цилиндра и двигателя

2.11 Построение индикаторной диаграммы

2.12 Тепловой баланс двигателя

2.13 Таблица сравнения показателей проектируемого двигателя с показателями заданного прототипа

Список литературы

Введение

Двигатель ВАЗ-2111 разработан для использования на автомобилях десятого семейства Волжского автомобильного завода. По заданию необходимо произвести тепловые расчёты четырёхтактного бензинового двигателя ВАЗ-2111 с распределённым впрыском топлива и электронной системой управления зажигания и питания. Эффективная мощность двигателя с впрыском топлива Ne = 59 кВт при частоте вращения коленчатого вала n = 5400 об/мин. Исследуемый двигатель рядный, четырёхцилиндровый. Степень сжатия составляет 10,2. Расчёты производим на номинальном режиме работы который составляет 5400 об/мин.

1. Анализ конструкции исследуемого двигателя

Двигатель ВАЗ-2111 представляет из себя конструкцию с рядным расположением цилиндров. Цикл работы двигателя предусматривает работу в четыре такта. Подача топлива в цилиндры осуществляется форсунками. Конструкцией двигателя предусмотрено верхнее положение распределительного вала. Система охлаждения ДВС - жидкостная, закрытого типа, с принудительной циркуляцией жидкости. Комбинированная система смазки предусматривает: смазку узлов путём подачи масла под давлением и смазку механизмов за счёт разбрызгивания масла, вращающимися механизмами. Данный двигатель имеет четыре цилиндра, рабочий объём составляет 1,5 литра. Степень сжатия 9,9, номинальная мощность при 5600 об/мин. составляет 56,4 кВт. Диаметр цилиндра 82 мм, ход поршня 71мм. Число клапанов - 8, Минимальная частота вращения коленчатого вала 750-900 об/мин. Максимальный крутящий момент при 3000 об/мин составляет 115,7 Н*м.

Двигатель ВАЗ - 2111 можно рассматривать как модернизацию моделей 21083 и 2110. На исследуемом двигателе применяется модифицированный блок цилиндров, он отличается от блока 21083 наличием дополнительных крепежных отверстий под кронштейн генератора, модуль зажигания и датчик детонации. Коленчатый вал двигателя ВАЗ - 2111 выполнен с увеличенными противовесами. Так же противовесы подвержены дополнительной механической обработке по диаметру и боковым поверхностям, что позволило снизить вибрации и повысить надёжность вала.

К основным доработкам данной модели можно отнести электронный блок управления режимами работы двигателя - контроллер (Bosch, «Январь» или GM) который позволяет снизить выброс вредных веществ в атмосферу и повышает экономичность.



Рисунок 1.

Поперечный разрез двигателя ваз 2111

1 - пробка сливного отверстия поддона картера; 2 - поддон картера; 3 - масляный фильтр; 4 - насос охлаждающей жидкости; 5 - выпускной коллектор; 6 - впускной коллектор; 7 - форсунка; 8 - топливная рампа; 9 - ресивер; 10 - крышка головки блока цилиндров; 11 - крышка подшипников распределительного вала; 12 - распределительный вал; 13 - шланг вентиляции картера; 14 - регулировочная шайба клапана; 15 - сухари клапана; 16 - толкатель; 17 - пружины клапана; 18 - маслоотражающий колпачок; 19 - направляющая втулка клапана; 20 - клапан; 21 - свеча зажигания; 22 - головка блока цилиндров; 23 - поршень, 24 - компрессионные кольца; 25 - маслосъёмное кольцо; 26 - поршневой палец; 27 - блок цилиндров; 28 - шатун; 29 - коленчатый вал; 30 - крышка шатуна; 31 - указатель уровня масла; 32 - приёмник масляного насоса.

2. Тепловой расчет

2.1 Выбор топлива

Элементарный состав газообразного топлива выражается в объемных единицах (м3 или моль)

Средний элементарный состав газообразного топлива

Газообразное топливо	Содержание, м3 или моль
	Метан СH4	Этан С2H6	Пропан С3H8	Бутан С4H10	Тяжелые углеводороды СnHm	Водород H2	Окись углерода СO	Углекислый газ СO2	Азот N2
Природный газ	90,0	2,96	0,17	0,55	0,42	0,28	0,47	5,15
Синтезгаз	52,0	-	-	-	3,4	9,0	11,0	-	24,6
Светильный газ	16,2	-	-	-	8,6	27,8	20,2	5,00	22,2

Для расчетов выберем Природный газ. Основным компонентом природного газа является Метан, при его использовании на автомобильном транспорте выброс углекислого газа снижается на 25%, угарного газа на 75%. Так же к достоинству можно отнести низкую стоимость данного топлива. Мало распространён ввиду малого количества заправочных станций и дорогостоящего оборудования.

Низшая теплота сгорания топлива

Hu'=35 МДж/м3

2.2 Параметры рабочего тела

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 м3 топлива

моль возд/моль

Коэффициент избытка воздуха: б=1,1.

Количество свежего заряда: M1'=бL0'=1,1•954.8=1050,3 моль гор.см/моль топл;

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания:

углекислого газа моль CO2/моль топл;

водяного пара моль H2O/моль топл;

кислорода

моль O2/моль топл;

моль N2/моль топл;

Общее количество продуктов сгорания

моль

пр. сг/моль топл;

Таблица 1

Параметры	Рабочее тело
n	5400
б	1.1
M1	1.05
MCO2	0.10148
MCO	0
MH2O	0.19511
MO2	0.00413
MN2	0.1784
M2	0.4791

2.3 Параметры окружающей среды и остаточных газов

Давление и температура окружающей среды при работе двигателя без наддува:

(1/стр.107)

Температура остаточных газов. При постоянном значении степени сжатия е=10,2 температура остаточных газов практически линейно возрастет с увеличением скоростного режима при б=const, но уменьшается при обогащении смеси. Учитывая уже определенные значения n и б, можно принять по графику рис. 5.2 ([1] стр 107) значение Тr=1030 К.

Давление остаточных газов рr за счет расширения фаз газораспределения и снижения сопротивлений при конструктивном оформлении выпускных трактов рассчитываемых двигателей можно принять на номинальном скоростном режиме: prN=0.110 МПа.

Тогда величины давлений на остальных режимах работы двигателя можно подсчитать по формулам:

pr=p0(1.035+Ap10-8n2),

где Ap=(prN-p01.035)108/(nN2p0)

При nN=5400 мин-1 Ap=(0.11.-0.1*1.035)108/54002*0.1=0.2229

2.4 Процесс впуска

Температура подогрева свежего заряда:

С целью получения хорошего наполнения двигателя на номинальном скоростном режиме принимается ДТr=6°C.

Плотность заряда на впуске:

(1/стр.108)

где - удельная газовая постоянная для воздуха.

В соответствии со скоростным режимом двигателя (n=5400 об/мин) и при условии качественной внутренней поверхности впускной системы можно принять:

и ,

где в -коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра; овп - коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому сечению; щвп-средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы. Тогда рассчитывается по формуле:

=( в2+ овп)Ann2сk10-6/2=2.5 ? 0.01692 ? 54002 ? 1.189 ? 10-6/2=0.0134 МПа,

Аn=щВП/nN=95/5400=0.0169

- потери давления на впуске. (1/стр.108)

Давление в конце впуска:

Рa =P0 -ДP=0,1-0.0134=0.0866 МПа (1/стр.109)

Коэффициент остаточных газов. При определении для двигателя с впрыском топлива и электронным управлением принимается коэффициент очистки цоч =1, а коэффициент дозарядки на номинальном скоростном режиме цдоз=1.145, а при nmin=900 цдоз=0.96. На остальных расчетных режимах цдоз определяется по рис. 5.2 (стр.107). Тогда:

Температура в конце впуска:

К. (1/стр.109)

Коэффициент наполнения:

(1/стр.109)



Таблица 2

Параметры	Процесс впуска и газообмена
n	5400
б	1.1
Tr	1030
pr	0.110
ДT	6
Дpa	0.0134
pa	0.0866
цдоз	1.145
гr	0.0343
Ta	333
зн	0.959

2.5 Процесс сжатия

Средний показатель адиабаты сжатия k1 при е=10,2 и рассчитанных значениях Та определяется по номограмме рис. 4.4 ([1] стр.73), а средний показатель политропы сжатия n1 принимается несколько меньше k1. При выборе n1 учитывается, что с уменьшением частоты вращения теплоотдача от газов в стенки цилиндра увеличивается, а n1 уменьшается по сравнению с k1 более значительно.

Определяем показатель адиабаты сжатия при е=10.2 и рассчитанном значении , (1/рис.4.4)

Таблица 3

	5400
	333
	1.3786
	1.378

Давление в конце сжатия:

=0.0866 ? 10,21.378=2,12МПа, (1/стр.110)

где n1 = 1.378 принят несколько меньше k1= 1.3786.

Температура в конце сжатия:

=333 ? 10,21.378-1=801 К.

Средняя мольная теплоёмкость в конце сжатия:

а) свежей смеси (воздуха).

= 20,6 + 2,638 ? 10-3 ?528 =22,01,

где =801-273?С=528?С.

б) остаточных газов.

-определяется методом интерполяции по таблице 3.8 (1/стр.59)

кДж/(кмоль град)

где 23.521 и 23.948 значения теплоемкости продуктов сгорания при 5280С соответственно при б=1.1 взятые по таблице 3.8 (1/стр.59).

в) рабочей смеси

=1/(1+0.0383) ? (22,01+0.0383 ? 24,18)=22,09 кДж/(кмоль ? град).

Таблица 4

Параметры	Процесс сжатия
n	5400
k1	1.3786
n1	1.378
pc	1.92
Tc	809,9
tc	516,2
(mcV)t0tc	22,01
(mc//V)t0tc	24,18
(mc/V)t0tc	22,09

2.6 Процесс сгорания

Коэффициент молекулярного изменения горючей и рабочей смеси

(1/стр.112)

м0=0.6147/0.5763=1.066 и

м=(1.066+0.0343)/(1 +0.0343) = 1.017

Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания, и теплота сгорания рабочей смеси:

=0 кДж/кг (1/стр.112)

Теплота сгорания рабочей смеси:

 (1/стр.112)

Hраб.см=(43930)/[0.5763 · (1+0.0383)]=73415,8 кДж/кмоль раб.см

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания:

Коэффициент использования теплоты:

зависит от совершенства организации процессов смесеобразования и сгорания топлива. Поэтому ориентировочно принимается согласно рис. 5.2(1/ стр.107) в пределах, которые имеют место у работающих двигателей.

Таблица 5

	5400
	0,98

Температура в конце видимого процесса сгорания:

(1/стр.113)

0.98 · 70281,6+21.9606 · 516,2=1.017 · (24.9512+0.002107tz)tz или

0.00214tz2+25,375tz-82572,912=0,

Откуда: двигатель сжатие сгорание индикаторный

tz=[-25,375+(25,3752+4·0.00214·82572.912)Ѕ]/(2·0.00214)=26580C;

Tz=tz+273=2658+273=2931 K.

Максимальное давление сгорания теоретическое:

=2,12 · 1.017 · 2931/801=7.88 МПа. (1/стр.115)

Максимальное давление сгорания действительное :

=0.85 · 7.88=6.7 МПа. (1/стр.115)

Степень повышения давления :

=7.88/2,12=3.71 (1/стр.115)

Таблица 6

Параметры	Процесс сгорания
n	5400
м0	1.0018
м	1.017
ДHи	0
Hраб.см	70281,6
(mc//V)t0tz	24.9512+0.002107tz
оz	0.98
tz0C	2658
Tz K	2931
pz	7.88
pzд	6,7
л	3,71

2.7 Процессы расширения и выпуска

Средний показатель адиабаты расширения k2 определяется по номограмме рис. 4.8 ([1] стр.82) при заданном е=10,2 для соответствующих значений б=1.1 и Tz=2931 К, а средний показатель политропы расширения n2 оценивается по величине среднего показателя адиабаты:

k2=1.228, тогда принимаем n2=1.252.

Давление и температура в конце процесса расширения

и (1/стр.115)

pb=7.88/10,21.252=0.432 МПа,

Тb=2931/10,21.252-1=1662 K.

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов:

(1/стр.115)

Тr=1662/(0.432/0.11)1/3=1053 K; Д Тr=100?(1053-1030)/1030=2.2%.

Таблица 7

Параметры	Процесс расширения и впуска
n	5400
k2	1.2526
n2	1.252
pb	0.432
Tb	1662
Tr	1053
ДTr %	-2,2

2.8 Индикаторные параметры рабочего цикла

а) теоретическое индикаторное среднее давление:

(1/стр.116)

МПа

б) среднее индикаторное давление:

=0.96 ? 1.46=1.4 МПа, (1/стр.117)

где цu=0.96 - коэффициент полноты диаграммы;

в) индикаторный К.П.Д. и индикаторный удельный расход топлива:

и (1/стр.117)

зi=1.07 · 14.975 · 1.1/(43.93 · 1.189 · 0.959)=0.351,

gi=3600/(43.93 · 0.351)=233,5 г/(кВт ч).

2.9 Эффективные показатели двигателя

а) среднее давление механических потерь:

(1/стр.117)

,

где S=71 мм - ход поршня, тогда

хп.ср=71 · 5400/30000=12,78 м/с, тогда

pм=0,034+0.0113 · 12,78=0.178 МПа.

б) среднее эффективное давление и механический К.П.Д

ре=рi+pм=1.07-0.178=0,892 МПа (1/стр.117)

зм=0,892/1.07=0.833

в) эффективный К.П.Д. и эффективный удельный расход топлива:

г/(кВт•ч) (1/стр.118)

Таблица 8

Параметр	Индикаторные и эффективные параметры двигателя
n	5400
pi/	1.46
pi	1.4
зi	0.367
gi	223,3
нп.ср	12,78
pM	0.178
pe	0,892
зM	0.860
зe	0.315
ge	260,15

2.10 Основные параметры цилиндра и двигателя

Vл=30 · ф ·Ne/(pe · n)=30 · 4 · 59/(0,892 · 5400)=1,47 л. (1/стр.118)

Рабочий объем одного цилиндра:

Vh=Vл/i=1,47/4=0.3675 л, (1/стр.118)

где - число цилиндров, =4.

Диаметр цилиндра. Так как ход поршня предварительно был принят S=80 мм, то

D=2 ·103[Vh/(р · S)]Ѕ=2 ·103[0.3675/(3,14 ·71)]Ѕ=81,2 мм.

Окончательно принимаю: D=82 мм и S=71 мм.

Основные параметры и показатели двигателей определяются по окончательно принятым значениям D и S:

площадь поршня:

=3,14 ·822/(4 ·100)=52,78

литраж двигателя:

Vл=р ·D2 ·S ·i/(4 ·106)=3,14 ·822 ·71·4/(4 ·106)=1,5 л. (1/стр.119)

мощность двигателя:

=0.892 ·1,5 ·5400/(30 ·4)=60,21 кВт. (1/стр.119)

крутящий момент:

=3 · 104 · 60,21/(3,14 · 5400)=106,5 Н·м. (1/стр.119)

часовой расход топлива:

=60,21 · 260,15 · 10-3=15,77 кг/ч. (1/стр.119)

литровая мощность:

Nл=Ne/Vл=60,21/1,5=40,14 кВт/л (1/стр.119)

Таблица 9

Параметр	Основные параметры и показатели двигателя
n	5400
Fп см2	52,78
Vл, л	1,5
Nл, кВт/л	40,14
Ne, кВт	60,21
Me, Н*м	106,5
GT, кг/ч	15,77

2.11 Построение индикаторной диаграммы

Индикаторную диаграмму строим для номинального режима работы двигателя, т. е. при Nе = 59 кВт и и n=5400 об/мин, аналитическим методом.

Масштабы диаграммы: масштаб хода поршня Ms=1 мм в мм; масштаб давлений Мр=0,05 МПа в мм.

Величины в приведенном масштабе, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:

АВ=S/МS=71/1,0 = 71 мм; (1/стр.119)

ОА = АВ/(е-1)= 71/(10.2-1)=7,71 мм. (1/стр.119)

рz/Мр= 7,88/0,05 = 157,6 мм.

Ординаты характерных точек:

pa/Mp= 0,0866/0,05 = 1.7 мм;

рс/Мр= 2,12/0,05 = 42,4 мм;

рв/Мр=0,432/0,05 = 8,64 мм;

рr/Мр= 0,11/0,05 = 2.2 мм;

ро/Мр=0,1/0,05= 2 мм.

Построение политроп сжатия и расширения аналитическим методом:

а) политропа сжатия

(1/стр.120)

Отсюда

(1/стр.120)

где ОВ=ОА+АВ=7,71+71=78,71 мм;

б) политропа расширения

(1/стр.120)

Результаты расчета точек политроп:

Скругление индикаторной диаграммы осуществляется на основании следующих соображений и расчетов. Начало открытия впускного клапана (точка r') устанавливается за 250 до прихода поршня в в.м.т., а закрытие (точка a'') - через 700 после прохода поршнем н.м.т.; начало открытия выпускного клапана (точка b') принимается за 600 до прихода поршня в н.м.т., а закрытие (точка a') - через 300 после прохода поршнем в.м.т. Учитывая быстроходность двигателя и работу на сжиженном газе, угол опережения зажигания принимается равным 400 (точка с'). А продолжительность периода задержки воспламенения Дц1=70. Точка f расположена за 330=400-70 до в.м.т

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения зажигания определяют положение точек , , , , , по формуле для перемещения поршня:

,

где - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Расчеты ординат точек , , , , , сведены в таблицу 11.

Таблица 11

Обозначе-ния точек	Положения точек			Расстояние точек от в.м.т.(AX), мм
	250 до в.м.т.	25	0,0655	2,3
	300 после в.м.т.	30	0,1223	4,3
	700 после н.м.т.	110	1,6069	57,0
	400 до в.м.т.	40	0,2313	8,2
	330 до в.м.т.	33	0,1697	6,0
	600 до н.м.т.	120	1,6667	59,2

Положение точки определяется из выражения:

p=(1.15…1.25)pc=1.25·2.12=2.65 МПа

p/Мр=2.65/0.05=53 мм

pZд/Мр=6.7/0.05=134 мм

Нарастание давления от точки с'' до точки zД составит 6.7-2.65=4.05 МПа или 4.05/15=0.27 МПа/град п.к.в., где 150 - положение точки zД по горизонтали, в которой pzД достигает своего максимального значения.

Соединяя плавными кривыми точки с , с и далее с b и кривой расширения с и линией выпуска получим скругленную действительную индикаторную диаграмму двигателя с впрыском топлива.

2.12 Тепловой баланс двигателя

Тепловой баланс в общем виде:

Q0=Qе+Qг+Qв+Qн.с.+Qост.=HиGт/3,6, (1/стр.125)

где Q0 - общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом:

Q0=43930 ? 15.77/3.6=192437.8 Дж/с.

Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1 сек:

Qе=1000Ne=1000 ?60.21=60210 Дж/с. (1/стр.125)

Теплота, потерянная с отработавшими газами:

Qr=(Gт/3,6){М2[(mcV?)t0tг+8,315]tг-М1[(mcV?)t020+8,315]t0}, (1/стр.125)

где (mcV?)t0tг - теплоемкость отработавших газов (определяется методом интерполяции при б=1.1 по табл.3.8 (1/стр.59):

tr=Tr-273=1053-273=780°C

(mcv//)t0tг=24.798+(25.208-24.798)?80/100=25.126 Дж/(кмоль град);

Qr=(15,77/3,6){0.613[25.126+8.315]780-0.602[20,775+8,315]20}=68508.6 кДж/(кмоль град).

Теплота, передаваемая охлаждающей среде:

QB=ciD1+2mnm(Hu-?Hu)/(бHu)=0.5•4•8,21+2•0.65•54000.65•(43930-0)/(1.1•43930)=61300 Дж/с,

где с=0,45-0,53 - коэффициент пропорциональности для четырехтактных двигателей. В расчетах принято с=0,5; i=4 - число цилиндров; D - диаметр цилиндра, см; m=0,5 - 0,7 - показатель степени для четырехтактных двигателей.

Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива:

Qн.с.=?HиGт/3,6=0 Дж•с, так как ?Hи=0 при б=1.1. (1/стр.125)

Неучтенные потери тепла:

Qост = Q0 -(Qе+Qг+Qв+Qн.с)=192438.7-(60210+68508.6+61300+0)=3420 Дж/с. (1/стр.125)

Составляющие теплового баланса:

Таблица 12

Составляющие теплового баланса	Q, Дж/с	q, %
Теплота, эквивалентная эффективной работе	60210	31,2
Теплота, передаваемая охлаждающей среде	61300	31.8
Теплота, унесенная с отработавшими газами	68508.6	35.6
Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива	0	0
Неучтенные потери теплоты	3420	1.4
Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом	192437.8	100

2.13 Таблица сравнения показателей проектируемого двигателя с показателями заданного прототипа

Таблица 13

Параметры	,				,	,	е	S/D, мм
Прототип	5400	52,78	1,5	38,75	57,2	115	9,9	71/82
Расчетный ДВС	5400	52,78	1,5	40.14	60.21	106.5	10,2	71/82

Вывод: В спроектированном двигателе из-за повышения степени сжатия с 9,9 до 10,2 удалось увеличить максимальную мощность двигателя.

Список литературы

1. Автомобили: конструкция и эксплуатационные свойства; учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений. В.К. Вахламов. Издательский центр «Академия» 2009г.

2. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей: Учебное пособие для вузов. А.И. Колчин, В.П. Демидов - 3-е издание. Москва: Высшая школа 2002г.

Размещено на Allbest.ru

...