Курсовая работа: Тепловой и динамический расчет двигателя ВАЗ-2103

Введение

Тепловой расчет двигателя служит для определения параметров рабочего тела в цилиндре двигателя, а также оценочных показателей рабочего процесса, для оценки мощностных и экономических показателей, позволяющих оценить мощность и расход топлива.

В основе методики расчета лежит метод В.И. Гриневецкого, в дальнейшем усовершенствованный Е.К. Мазингом, Н.Р. Брилингом, Б.С. Стечкиным и др.

Задачей динамического расчета является определение сил, действующих в механизмах преобразования энергии рабочего тела в механическую работу двигателя.

В настоящей работе тепловой и динамический расчеты выполняются для режима номинальной мощности.

1. Двигатель ВАЗ 2103

Двигатель четырехтактный, карбюраторный, рядный, с верхним расположением распределительного вала. Система охлаждения двигателя - жидкостная, закрытого типа, с принудительной циркуляцией жидкости. Двигатель имеет комбинированную систему смазки: под давлением и разбрызгиванием.

Характеристика двигателя ВАЗ 2103

2. Тепловой расчет двигателя

Исходные данные для теплового расчета поршневого двигателя внутреннего сгорания.

марка автомобильного двигателя ВАЗ-2103

номинальная мощность двигателя N_e = 55,0 кВт.частота вращения коленчатого вала n = 5350 об/мин.число тактов ф = 4

число цилиндров и расположение цилиндров i = 4Ркоэффициент избытка воздуха = 0.86

степень сжатия е = 8.6

отношение хода поршня к диаметру цилиндров S/D = 1.03

тип двигателя бензиновый

Примечание: у прототипа номинальная мощность двигателя N_e = 52,5 кВт. частота вращения коленчатого вала n = 5600 об/мин. степень сжатия е = 8.5, отношение хода поршня к диаметру цилиндров S/D = 80/76 = 1.053

Для расчета двигателя в качестве топлива принимаем бензин А-92 с элементарным составом по массе: g_c = 0,85; g_n = 0,15; g₀ = 0.

Низшая теплота сгорания данного топлива Н_и = 44000 кДж/кг.

Давление и температуру окружающей среды принимаем равными р₀ = 0,1 МПа, Т₀ = 298 К.

В начале сжатия температура отработавших газов для бензиновых ДВС изменяется в пределах от 800 до 1200 К, для расчета принимаемТ_r = 900 К.

Давление остаточных газов: р_r = (1,05...1,25) · p₀ МПа

Принимаем р_r = 1,2·0,1 = 0,12 МПа

Температура подогрева свежего заряда для бензиновых ДВС изменяется в пределах: ДТ= 5...30 К, принимаем ДТ = 15 К.

Величина потери давления на впуске для бензиновых ДВС Д р_а = (0,06…0,2) ?р₀ МПа

Принимаем Д р_а = 0,06·0,01 = 0,006 МПа

Примечание: при сравнении результатов расчетов допустимые значения промежуточных расчетных параметров взяты из [5].

2.1 Процесс наполнения

Давление газов в цилиндре в конце впуска:

МПа.

Коэффициент остаточных газов вычисляется по формуле:

;

допустимое значение (0,04..0,12)

Температура газов в цилиндре в конце впуска:

K; допустимое значение(320…370)

Коэффициент наполнения вычисляется по формуле:

;

допустимое значение(0,70…0,9)

Выводы: результаты расчетов соответствуют допустимым значениям

2.2 Процесс сжатия

Давление и температура газов в конце сжатия вычисляются по формулам:

МПа; допустимое значение(1,2..2,5)

К; допустимое значение(550..900)

где n₁ - показатель политропы сжатия;

n₁ = 1,35…1,39 для бензиновых двигателей

Принимаем: n₁ = 1,35

Выводы: результаты расчетов соответствуют допустимым значениям

2.3 Процесс сгорания

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива:

кмоль/кг

где g_c= 0,85; g_n= 0,15; g₀ = 0 - средний элементарный состав топлива для бензина А-92

Количество свежего заряда (кмоль) для бензиновых двигателей определяется по формуле:

где m_I - молекулярная масса топлива. Для бензина m_I = 110…120 кмоль/кг

Принимаем: m_I = 120 кмоль/кг

б - коэффициент избытка воздуха

по заданию: б = 0,86 на основных режимах.

кмоль/кг

Количество продуктов сгорания при работе двигателя на бензине при б < 1:

кмоль/кг

Теоретический коэффициент молекулярного изменения:

Действительный коэффициент молекулярного изменения:

;

допустимое значение(1,02..1,12)

Низшая теплота сгорания топлива Н_и = 44000 кДж/кг.

Потеря тепла вследствие неполноты сгорания топлива:

кДж/кмоль·К

Средняя мольная теплоемкость свежего заряда:

кДж/кмоль·град

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания:

Коэффициент использования теплоты для бензиновых ДВС изменяется в пределах Принимаем:

Максимальная температура сгорания подсчитывается по уравнению:

Подставив в уравнение найденное значение , имеем:

Решаем квадратное уравнение:

,

где А = 2,99 ·10^-3; В = 22,57; С = - 74791,61

К;

допустимое значение(2300..2800)

Теоретическое максимальное давление цикла:

МПа;

допустимое значение (3,0..10,0)

Степень повышения давления

;

допустимое значение(2,0..4,0)

Действительное давление конца сгорания

МПа

где коэффициент уменьшения давления для карбюраторных двигателей.

Принимаем

Выводы: результаты расчетов соответствуют допустимым значениям

2.4 Процесс расширения

Степень предварительного расширения для бензиновых двигателей = 1.

Степень последующего расширения

Температура в конце расширения

,

где средний показатель политропы расширения для бензиновых двигателей. Принимаем: .

К;

допустимое значение(0,35..0,65)

Давление в конце расширения:

МПа;

допустимое значение(1200..1700)

Выводы: результаты расчетов соответствуют допустимым значениям

2.5 Процесс выпуска

Параметры процесса выпуска выбираем в начале расчета (см. стр. 4):

температура отработавших газов для бензиновых ДВС изменяется в пределах от 800 до 1200 К, для расчета принято Т_r = 900 К.;

давление остаточных газов: р_r = (1,15...1,25) · p₀ принято р_r = 1,2·0,1 = 0,12 МПа

Правильность выбора температуры Т_r проверяем по формуле профессора Е.К. Мазинга

К

Погрешность расчета составляет , что меньше предельной - 10%, следовательно, нет надобности уточнять произведенные расчеты.

2.6 Индикаторные показатели

Среднее индикаторное давление теоретического цикла:

МПа

Среднее индикаторное давление действительного цикла:

МПа;

допустимое значение(0,8..1,5)

где коэффициент полноты индикаторной диаграммы,

принимаем:

Индикаторный КПД:

допустимое значение(0,28..0,46)

Удельный индикаторный расход топлива:

г/кВт·ч;

допустимое значение(180..295)

Выводы: результаты расчетов соответствуют допустимым значениям

2.7 Эффективные показатели

Величина механического КПД двигателя выбирается исходя из того, что для бензиновых ДВС изменяется от 0,7 до 0,85. Принимаем: .

Среднее эффективное давление:

МПа;

допустимое значение(0,6..2,1)

Эффективный КПД:

;

допустимое значение(0,25..0,39)

Удельный эффективный расход топлива:

г/кВт·ч;

допустимое значение (215..330)

Выводы: результаты расчетов для р_е соответствует допустимому значению.

Погрешность для з_е

для g_е

Увеличение з_е и соответственно уменьшение g_е обеспечивается увеличением ,что вызывает увеличение р_е.Принятое значение МПа обеспечивает (см. ниже) ход поршня равный прототипу.

2.8 Определение основных размеров двигателя

По эффективной мощности, частоте вращения коленчатого вала и среднему давлению определяем литраж двигателя по формуле:

л.

У прототипа л.

Рабочий объем одного цилиндра:

л,

где i - число цилиндров.

По заданию соотношение S/D = 1.03.

Диаметр цилиндра

м

Ход поршня

м

У прототипа м. м.

Эффективная мощность

кВт

Эффективный крутящий момент

Н·м

Часовой расход топлива

кг/ч

Средняя скорость поршня

м/с

Литровая мощность

кВт/л

Таким образом, найдены основные параметры рабочего цикла двигателя, индикаторные и эффективные показатели его работы, также определены основные размеры двигателя.

тепловой динамический мощностной экономический двигатель

3. Динамический расчет

Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма выполняется с целью определения суммарных сил и моментов, возникающих от давления газов и от сил инерции. Результаты динамического расчета используются при расчете деталей двигателя на прочность и износ.

В течение каждого рабочего цикла силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме, непрерывно изменяются по величине и направлению. Поэтому для характера изменения сил по углу поворота коленчатого вала их величины определяют для ряда различных положений вала через каждые 30 град. поворота коленчатого вала.

3.1 Построение индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма строится в координатах p-V. Построение индикаторной диаграммы двигателя внутреннего сгорания производится на основании теплового расчета.

В начале построения на оси абсцисс откладывают отрезок АВ, соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня в масштабе ms, который в зависимости от величины хода поршня проектируемого двигателя может быть принят 1:1 …1,5:1. Принимаем 1:1.

Отрезок ОА, соответствует объему камеры сгорания, определяется из соотношения

мм

При построении диаграммы выбираем масштаб давления m_р = 0,04 МПа/мм.

Затем по данным теплового расчета на диаграмме откладывают в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках а, с, z', z, b, r.

Таблица 1

По наиболее распространенному графическому методу Бауэра политропы сжатия и расширения строим следующим способом.

Из начала координат проводим луч ОК под углом а₀ = 20° к оси координат. Далее из начала координат проводим лучи ОД и ОЕ под углами ₁ и ₂ к оси ординат. Эти углы определяют из соотношений:

Политропу сжатия строим с помощью лучей ОК и ОД. Из точки С проводим горизонталь до пересечения с осью ординат; из точки пересечения - линию под углом 45° к вертикали до пересечения с лучом ОД, а из этой точки - вторую горизонтальную линию, параллельную оси абсцисс. Затем из точки С проводим вертикальную линию до пересечения с лучом ОК. Из этой точки пересечения под углом 45° к вертикали проводим линию до пересечения с осью абсцисс, а из этой точки - вторую вертикальную линию, параллельную оси ординат, до пересечения со второй горизонтальной линией. Точка пересечения этих линий будет промежуточной точкой 1 политропы сжатия. Точку 2 находим аналогично, принимая точку 1 за начало построения.

Политропу расширения строим с помощью лучей ОК и ОЕ, начиная от точки z, аналогично построению политропы сжатия. Критерием правильности построения политропы расширения является приход ее в ранее нанесенную точку b.

После построения политропы сжатия и расширения производим скругление индикаторной диаграммы с учетом предварения открытия выпускного клапана, опережения зажигания и скорости нарастания давления, а также наносим линии впуска и выпуска. Для этой цели под осью абсцисс проводим на длине хода поршня S как на диаметре полуокружность радиусом R=S/2. Из геометрического центра О' в сторону н.м. т. откладываем отрезок