Курсовая работа (т): Тепловой и динамический расчет двигателя внутреннего сгорания

Положение точки с" определяется из выражения

р_с" =(1,15÷1,25) р_с=1,25·1,6189=2,024 МПа;

р"_с=2,024/0,05=40,5 мм.

Действительное давление сгорания: p_zд=0,85p_z=0,85·6,8016=5,7814 МПа;

_zд/М_р=5,7814/0,05=116 мм.

Нарастание давления от точки с" до z_д составляет 5,7814-2,024=3,757 МПа или 3,757/12=0,34 МПа/град п.к.в., где 12° положение точки z_д по горизонтали (для упрощения дальнейших расчетов можно принять, что действительное максимальное давление сгорания p_zд достигается через-10° после в.м.т., т. е. при повороте коленчатого вала на 370°).

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.

Координаты точек действительной индикаторной диаграммы сведены в Таблицу 10. Построена индикаторная диаграмма по данным точкам (в соответствии с рисунком рис. 1).

Таблица 10

Координаты точек действительной индикаторной диаграммы

Рисунок 1. Индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя.

2. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

В реальном двигателе потери тепла возрастают из-за трения, теплообмена, неполноты сгорания и других причин. В связи с этим эффективный КПД η_e цикла имеет меньшее значение по сравнению с величиной η_t

Распределение тепловой энергии топлива, сгорающего в двигателе, наглядно иллюстрируется составляющими внешнего теплового баланса, которые определяются при установившемся тепловом состоянии двигателя в процессе его испытаний. Приближенно составляющие теплового баланса можно найти аналитически по данным теплового расчета двигателя.

Тепловой баланс позволяет определить тепло, превращенное в полезную эффективную работу, т. е. установить степень достигнутого совершенства теплоиспользования и наметить пути уменьшения имевшихся потерь. Знание отдельных составляющих теплового баланса позволяет судить о теплонапряженности деталей двигателя, рассчитать схему охлаждения, выяснить возможность использования теплоты отработавших газов и т. д.

В общем виде внешний тепловой баланс двигателя может быть представлен в виде следующих составляющих:

Q_о=Q_e+Q_r+Q_в+Q_н.с+Q_ост=Н_иG_т/3,6                                          (2.1.1)

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

теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя за 1 с: Q_e=1000N_е;

теплота, потерянная с отработавшими газами:

Q_r=(G_Т /3,6)·{M₂ [(mc"_V)+8,315]·t_r-M₁[(mc_V)+8,315]·t_o}   (2.1.2)

Теплота, передаваемая охлаждающей среде:

Q_в=c·i··n^m·(H_u -ΔH_u)/(α·H_u)                                               (2.1.3)

где с=0,45-0,53-коэффициент пропорциональности для четырехтактных двигателей. В расчетах принято с=0,5; i-число цилиндров; D-диаметр цилиндра, см; n-частота вращения коленчатого вала двигателя, мин^-1; m=0,5-0,7-показатель степени для четырехтактных двигателей. В расчетах принято для карбюраторного двигателя при n=1000 мин^-1 m=1,6, а на всех остальных скоростных режимах m=0,65.

Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива:

Q_н.с.=ΔН_и·G_Т / 3,6;                                                                   (2.1.4)

неучтенные потери теплоты: Q_ост.=Q_о-(Q_е+Q_r+Q_в+Q_н.с.)

Знание абсолютных значений составляющих теплового баланса позволяет осуществить количественную оценку распределения теплоты в двигателе. Если же необходимо сравнить распределение теплоты в различных двигателях или оценить степень теплоиспользования конкретного двигателя, то составляющие теплового баланса удобнее представлять в относительных величинах, например, в процентах по отношению ко всей теплоте, подведенной с топливом: q_о=q_e+q_r+q_в+q_н.с+q_ост=100%

Величины отдельных составляющих теплового баланса двигателя не являются постоянными, а изменяются в процессе его работы в зависимости от нагрузки, быстроходности и других факторов.

Характер распределения теплоты, подводимой в цилиндр с топливом, в процессе превращения в полезную эффективную работу наглядно может быть представлен в виде кривых теплового баланса. Графические зависимости строятся на основании определения каждой составляющей в зависимости от частоты вращения, нагрузки, качества смеси и т. д. Необходимые для построения указанных кривых теплового баланса данные получают при проведении специальных испытаний двигателя либо путем использования результатов ранее выполненных экспериментов. Тепловой баланс может быть также построен по данным теплового расчета двигателя с использованием формул.

Общее количество теплоты, введенной в двигатели при номинальном скоростном режиме (все данные взяты из теплового расчета) карбюраторного двигателя: Q_o=43930·15,11/3,6=184384 Дж/с;

Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1 с карбюраторного двигателя: Q_e=1000·48,59=48590 Дж/с;

Теплота, передаваемая охлаждающей среде карбюраторным двигателем:

_B=0,5·4·6,5^1+2·0,65·5600^0,65·(43930-2083,9)/(0,96·43930)=79348 Дж/с;

Теплота, унесенная с отработавшими газами карбюраторного двигателя:

_r=(15,11/3,6){0,5483[25,25+8,315]·815-0,5051[20,775+8,315]20}=50979 Дж/с;

где (mc"_V)=25,250 кДж/(кмоль·град)-теплоемкость отработавших газов при α=0,96 и t_r=T_r-273=1088-273=815°С);

(mc_V)=20,775 кДж/(кмоль·град)-теплоемкость свежего заряда;

Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива карбюраторного двигателя: Q_н.с.=2481·15,11/3,6=10413 Дж/с;

Неучтенные потери теплоты карбюраторного двигателя:

_ост=184384-(48590+50979+79348+10413)=-4946 Дж/с;       (2.1.5)

Составляющие тепловых балансов карбюраторного двигателя представлены в таблице 11.

Таблица 11

Составляющие теплового баланса

Из приведенных таблиц и рисунков видно, что основная часть теплоты топлива расходуется на эффективную работу, нагрев охлаждающей среды и потери с отработавшими газами. На величину теплоты, отводимой охлаждающей средой, оказывают влияние многие эксплуатационные и конструктивные факторы. С увеличением частоты вращения двигателя и температуры охладителя, а также коэффициента избытка воздуха величина Q_в уменьшается, а с увеличением размеров охлаждающей поверхности и отношения хода поршня к диаметру цилиндра двигателя возрастает. Из всего количества теплоты, отдаваемой охладителю, наибольшая часть (до 60-65%) воспринимается стенками цилиндра и камеры сгорания во время процессов сгорания и расширения, остальная часть - в течение выпуска.

Уменьшение доли теплоты, отводимой с охладителем, повышает долю теплоты, отводимой с выпускными газами. В двигателях с газотурбинным наддувом такое перераспределение теплоты приводит к повышению располагаемой энергии выпускных газов и, следовательно, к увеличению работы в газовой турбине. Этот принцип реализуется в комбинированных двигателях с уменьшенным теплоотводом от рабочего тела («адиабатный дизель») за счет тепловой изоляции деталей камеры сгорания и выпускного трубопровода керамическими материалами.

3. РАСЧЕТ ВНЕШНИХ СКОРОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

На основании тепловых расчетов, проведенных для четырех скоростных режимов работы бензиновых двигателей, получены и сведены в таблицу 12 необходимые величины параметров.

Таблица 12

Параметры внешней скоростной характеристики

Коэффициент приспособляемости по скоростным характеристикам карбюраторного двигателя: К=М_еmax/М_eN=82,93/82,91=1;

Для сравнения различных методов построения скоростных характеристик и проверки правильности выполнения теплового расчета для нескольких скоростных режимов двигателя дополнительно приведен расчет изменения мощности и удельного расхода топлива на основе процентных соотношений между параметрами относительной скоростной характеристики карбюраторного двигателя. Результаты расчета сведены в таблице 13. Внешние скоростные характеристики (в соответствии с рисунком. 2, 3, 4).

Таблица 13

Параметры внешней скоростной характеристики

Рисунок 2. Внешние скоростные характеристики g_e и М_е.

Рисунок 3. Внешние скоростные характеристики N_e и G_T.

Рисунок 4. Внешние скоростные характеристики η_υ и α.

На основе сравнения полученных данных с кривыми N_e и g_е, построенными по результатам теплового расчета, можно сделать следующие выводы:

Точки относительной характеристики практически полностью совпадают с внешней скоростной характеристикой мощности рассчитываемого двигателя.

Точки относительной характеристики удельного расхода топлива несколько отличаются от кривой g_е, построенной по данным теплового расчета, в сторону увеличения g_е и особенно при малых значениях частоты вращения коленчатого вала. Максимальное расхождение составляет при п=1000 мин^-1 около 23% [350 и 284 г/(кВт·ч)].

4. КИНЕМАТИКА

Выбор λ и длины L_ш шатуна.

В целях уменьшения высоты двигателя без значительного увеличения инерционных и нормальных сил отношение радиуса кривошипа к длине шатуна предварительно было принято в тепловом расчете λ=0,285 [6]

При этих условиях L_ш=R/λ=32,5/0,285=114,0 мм.

Принятые значения L_ш и λ обеспечивают движение шатуна без задевания за нижнюю кромку цилиндра. Следовательно, перерасчета величин L_ш и λ не требуется.

Перемещение поршня