Рабочие процессы, конструкция и основы расчёта тепловых двигателей и энергетических установок

Рабочие процессы, конструкция и основы расчёта тепловых двигателей и энергетических установок

Федеральное агентство по высшему профессиональному образованию Российской Федерации

Государственное учреждение высшего профессионального образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СЕРВИСА И ЭКОНОМИКИ

Курсовая работа на тему: «Рабочие процессы, конструкция и основы расчёта тепловых двигателей и энергетических установок»

Санкт - Петербург

Содержание

Исходные данные

Введение

1. Выбор прототипа

1.1 Обоснование выбора прототипа

1.2 Краткая характеристика прототипа

2. Обоснование и выбор параметров рабочего цикла ДВС

2.1 Степень сжатия

2.2 Потери давления между нагнетателями и цилиндром

2.3 Потери давления в охладителе воздуха

2.4 Величина подогрева заряда в цилиндре ДВС

2.5 Перепад температуры воздуха в охладителе надувочного воздуха

2.6 Коэффициент избытка воздуха

2.7 Коэффициент остаточных газов

2.8 Температура остаточных газов

2.9 Условный показатель политропы сжатия

2.10 Коэффициенты использования теплоты в точках b и z индикаторной диаграммы

2.11 Условный показатель политропы расширения

2.12 Максимальное давление сгорания

2.13 Механический КПД

2.14 Коэффициент полноты диаграммы

3. Расчёт параметров рабочего цикла, индикаторных и эффективных показателей двигателя

3.1 Температура воздуха после нагнетания

3.2 Температура воздуха перед впускными органами

3.3 Давление воздуха в начале сжатия

3.4 Температура заряда в начале сжатия

3.5 Коэффициент наполнения

3.6 Давление и температура в конце сжатия

3.7 Степень повышения давления

3.8 Действительное количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

3.9 Теоретический коэффициент молекулярного изменения

3.10 Количество продуктов сгорания

3.11 Расчётный коэффициент молекулярного изменения

3.12 Текущее значение коэффициента молекулярного изменения в точке z

3.13 Средняя изобарная теплоёмкость продуктов сгорания

3.14 Средняя изохорная теплоёмкость сжимаемого заряда на интервале 0…Тс

3.15 Температура продуктов сгорания при максимальном давлении цикла Рz

3.16 Степень предварительного расширения

3.17 Степень последующего расширения

3.18 Давление и температура в конце расширения

3.19 Среднее индикаторное и среднее эффективное давления

3.20 Удельный индикаторный и удельный эффективный расходы топлива

3.21 Индикаторный и эффективный коэффициенты полезного действия

3.22 Индикаторная и эффективная мощности двигателя

3.23 Расход воздуха на горение

4. Построение расчётной индикаторной диаграммы

Список использованной литературы

Исходные данные

. Эффективная мощность Nе=65 кВт;

. Частота вращения коленчатого вала n=5600 об/мин;

. Давление окружающей среды Ро=0,1 МПа;

. Температура окружающей среды То=20 ºС;

. Давление наддува (продувки) Рк= б/н;

. Степень сжатия ε=8,2;

7. Тип двигателя: бензиновый;

.Число цилиндров: 4;

. Расположение цилиндров: 2;

. Вид топлива: бензин.

Введение

Данная работа выполняется с целью углубления и закрепления теоретических знаний по дисциплине «рабочие процессы, конструкция и основы расчёта тепловых двигателей и энергетических установок», освоения методики теплового расчёта ДВС, научиться обоснованно выбирать необходимые параметры и анализировать результаты вычислений, усовершенствовать навыки в выполнении расчётно-графических работ.

Целью работы является освоение и практическое применение расчёта рабочего процесса ДВС с заранее выбранного прототипа.

В соответствии с исходными данными за основу для выбора прототипа будет принят бензиновый двигатель.

1. Выбор прототипа

.1 Обоснование выбора прототипа

Согласно исходных данных в качестве прототипа для расчёта выбираем двигатель Opel X12XE.

1.2 Краткая характеристика прототипа

Тип: бензиновый.

Расположение и число цилиндров: 4 цилиндровый

Рабочий объем, л:1,196

Диаметр цилиндра и ход поршня, мм:79/61

Крутящий момент двигателя, Нм при 5600 об/мин:110.

Бензиновый двигатель данного типа предназначен для применения в качестве автомобильных силовых агрегатов. Двигатель OPEL Х12ХЕ выполняет экологические нормативы ЕВРО-2 и отличается надежностью.

Область применения: двигателя OPEL Х12ХЕ:

Легковые автомобили OPEL.

2. Обоснование и выбор параметров рабочего цикла ДВС

На основе анализа исходных данных и характеристик прототипа согласно рекомендаций, приведённых в методических указаниях [1], определяем конкретные численные значения каждого параметра рабочего цикла ДВС.

При выборе параметров учтём следующие особенности ДВС:

Рк= 0 МПа - отсутствие наддува в соответствии с исходными данными;

n=5600 об/мин > 1000 об/мин - высокооборотный двигатель в соответствии с исходными данными;

тактность двигателя - 4-х тактный в соответствии с прототипом;

карбюраторный бензиновый двигатели в соответствии с прототипом;

размерность цилиндров - малоразмерные (диаметром менее 200 мм) в соответствии с прототипом.

2.1 Степень сжатия

В соответствии с исходными данными степень сжатия ε=8,2. Согласно [1, с. 6] ε=6…12 - для карбюраторных бензиновых двигателей.

2.2 Потери давления между нагнетателями и цилиндром

Согласно [1, с. 6] потери давления между нагнетателями и цилиндром ΔРа=0,01…0,02 МПа - для двигателей без наддува. Отсутствие наддува у прототипа вызывает уменьшение ΔРа. Однако большое значение n обуславливает увеличение ΔРа.

Учитывая взаимное влияние указанных факторов принимаем среднее значение ΔРа в указанном диапазоне: ΔРа=0,016 МПа.

2.3 Потери давления в охладителе воздуха

Согласно [1, с. 6] потери давления в охладителе воздуха ΔРх=0,0005…0,0015 МПа. Отсутствие наддува у прототипа и отсутствие ΔРвп вызывает уменьшение ΔРх. Однако среднее значение Т0 обуславливает некоторое увеличение ΔРх.

Учитывая взаимное влияние указанных факторов принимаем чуть больше минимального значение ΔРх в указанном диапазоне: ΔРх=0,0006 МПа.

2.4 Величина подогрева заряда в цилиндре ДВС

Согласно [1, с. 6] величина подогрева заряда в цилиндре ДВС ΔТа=0…40 К. Отсутствие наддува у прототипа вызывает уменьшение ΔТа. Однако большое значение n обуславливает также уменьшение ΔТа.

Учитывая взаимное влияние указанных факторов принимаем чуть больше минимального значение ΔРа в указанном диапазоне: ΔТа=8 К.

2.5 Перепад температуры воздуха в охладителе надувочного воздуха

Согласно [1, с. 6] перепад температуры воздуха в охладителе надувочного воздуха ΔТохл=20…120 К. Отсутствие наддува у прототипа вызывает уменьшение ΔТохл. Однако среднее значение Т0 обуславливает некоторое увеличение ΔТохл.

Учитывая взаимное влияние указанных факторов принимаем чуть больше минимального значение ΔТохл в указанном диапазоне: ΔТохл=33 К.

2.6 Коэффициент избытка воздуха

Согласно [1, с. 6] коэффициент избытка воздуха α=0,85…1,1 - для карбюраторных двигателей. Отсутствие наддува у прототипа вызывает уменьшение α. Однако большое значение n обуславливает увеличение α.

Учитывая взаимное влияние указанных факторов принимаем среднее значение α в указанном диапазоне: α=1.

2.7 Коэффициент остаточных газов

Согласно [1, с. 7] коэффициент остаточных газов γг=0,02…0,06 - для четырёхтактных двигателей. Большое значение у прототипа n и отсутствие наддува вызывает увеличение γг. Однако отсутствие у прототипа ΔРвп ΔРвып обуславливает уменьшение γг.

Учитывая взаимное влияние указанных факторов принимаем среднее значение γг в указанном диапазоне: γг=0,04.

2.8 Температура остаточных газов

Согласно [1, с. 7] температура остаточных газов Тг=800…1000 К. Большое значение у прототипа n вызывает увеличение Тг. Однако среднее значение Т0 и α обуславливает незначительное уменьшение Тг.

Учитывая взаимное влияние указанных факторов принимаем больше среднего значение Тг в указанном диапазоне: Тг=920 К.

2.9 Условный показатель политропы сжатия

Согласно [1, с. 7] условный показатель политропы сжатия n1=1,34…1,42 - для четырёхтактного двигателя. Наличие у прототипа большого значения n вызывает увеличение n1. Однако среднее значение Т0 обуславливает незначительное уменьшение n1.

Учитывая взаимное влияние указанных факторов принимаем больше среднего значение n1 в указанном диапазоне: n1=1,41.

2.10 Коэффициенты использования теплоты в точках b и z индикаторной диаграммы

Согласно [1, с. 7] коэффициенты использования теплоты в точках b и z индикаторной диаграммы ξb=0,75…0,9 и ξz=0,5…0,65 - для высокооборотных двигателей. Малое значение ε у прототипа вызывает уменьшение ξb. Однако большое значение n обуславливает увеличение ξb и уменьшение ξz.

Учитывая взаимное влияние указанных факторов принимаем больше среднего значение ξb и меньше среднего значение ξz в указанном диапазоне: ξb=0,8 ξz=0,54.

2.11 Условный показатель политропы расширения

Согласно [1, с. 7] условный показатель политропы расширения для высокооборотных двигателей n2=1,15…1,24. Отсутствие наддува у прототипа вызывает увеличение n2. Однако большое значение n и несколько меньше среднего значение ξz обуславливает уменьшение n2.

Учитывая взаимное влияние указанных факторов принимаем меньше среднего значение n2 в указанном диапазоне: n2=1,17.

2.12 Максимальное давление сгорания

Согласно [1, с. 8] максимальное давление сгорания Рz=6…15 МПа. Отсутствие наддува у прототипа и большое значение n вызывает уменьшение Рz. Однако меньше среднего значение диаметра цилиндра обуславливает некоторое увеличение Рz.

Учитывая взаимное влияние указанных факторов принимаем меньше среднего значение Рz в указанном диапазоне: Рz=7 МПа.

2.13 Механический КПД

Согласно [1, с. 8] механический КПД ηм=0,7…0,95. Большое значение n вызывает уменьшение ηм. Меньше среднего значение диаметра цилиндра обуславливает незначительное увеличение ηм.

Учитывая взаимное влияние указанных факторов, принимаем значительно меньше среднего значение ηм в указанном диапазоне: ηм =0,72.

2.14 Коэффициент полноты диаграммы

Согласно [1, с. 8] коэффициент полноты диаграммы Φ=0,92…0,96 для четырёхтактных двигателей.

Принимаем среднее значение Φ в указанном диапазоне: Φ =0,94.

3. Расчёт параметров рабочего цикла, индикаторных и эффективных показателей двигателя

.1 Температура воздуха после нагнетания

Температура воздуха после нагнетания для дизелей без наддува будет:

3.2 Температура воздуха перед впускными органами

Температура воздуха после нагнетания Тк для дизелей будет:

3.3 Давление воздуха в начале сжатия

Давление воздуха в начале сжатия Ра определим по формуле:

3.4 Температура заряда в начале сжатия

3.5 Коэффициент наполнения

Коэффициент наполнения ηн рассчитаем по формуле:

Согласно [1, с. 9] для карбюраторных двигателей ηн=0,7…0,85.

3.6 Давление и температура в конце сжатия

Давление в конце сжатия Рс будет:

Температура в конце сжатия Тс будет:

Согласно [1, с. 9] для карбюраторных двигателей без наддува Рс =0,7…2 МПа; Тс =650…750К.

3.7 Степень повышения давления

Степень повышения давления λ определим по формуле:

Согласно [2, с. 78] бензиновых двигателей λ=3,2…4,4.

3.8 Действительное количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

Действительное количество воздуха для сгорания 1 кг топлива МД будет:

Где согласно [1, с. 10] МТ=14,33 кгвозд/кгтопл - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива.

3.9 Теоретический коэффициент молекулярного изменения

Теоретический коэффициент молекулярного изменения β0 равен:

3.10 Количество продуктов сгорания

Количество продуктов сгорания Мг будет:

3.11 Расчётный коэффициент молекулярного изменения

Расчётный коэффициент молекулярного изменения β равен:

3.12 Текущее значение коэффициента молекулярного изменения в точке z

Текущее значение коэффициента молекулярного изменения в точке z определим по формуле:

3.13 Средняя изобарная теплоёмкость продуктов сгорания

Среднюю изобарную теплоёмкость продуктов сгорания срz вычислим по формуле:

где Т~Тг - температура продуктов сгорания;

3.14 Средняя изохорная теплоёмкость сжимаемого заряда на интервале 0…Тс

Среднюю изохорную теплоёмкость сжимаемого заряда на интервале 0…Тс определим по формуле:

3.15 Температура продуктов сгорания при максимальном давлении цикла Рz

Температура продуктов сгорания Тz при максимальном давлении цикла Рz определяется путём решения квадратного уравнения вида:

где ;

;

где µR=8,32кДж/(кмольК);

;=0,495 кмоль возд/кмоль топл.

Уравнение будет иметь вид:

В результате решения уравнения получаем Тz=1905К.

Согласно [1, с. 11] для двигателей на номинальном режиме работы Тz=1900…2100К.

3.16 Степень предварительного расширения

Степень предварительного расширения ρ:

3.17 Степень последующего расширения

Степень последующего расширения δ:

3.18 Давление и температура в конце расширения

Давление в конце расширения Рb будет:

Температура в конце сжатия Тb будет:

Согласно [2, с. 84] для карбюраторных ДВС Рb =0,35…0,6 МПа; Тb =1200…1700К.

3.19 Среднее индикаторное и среднее эффективное давления

Среднее индикаторное Рi и среднее эффективное Ре давления для четырёхтактных двигателей определим по формулам:

Согласно [1, с. 11] для карбюраторных двигателей Рi =0,8…1,2 МПа

3.20 Удельный индикаторный и удельный эффективный расходы топлива

Согласно [1, с. 12] для карбюраторных двигателей bi =0,245…0,3 кг/кВтч

3.21 Индикаторный и эффективный коэффициенты полезного действия

Индикаторный ηi и эффективный ηе коэффициенты полезного действия будут:

Согласно [1, с. 12] для карбюраторных двигателей ηi =0,35…0,29

3.22 Индикаторная и эффективная мощности двигателя

Индикаторная Ni мощность будет:

где i=4 - число цилиндров;=0,5 - коэффициент тактности;=0,00196 м³ - рабочий объём цилиндра в соответствии с прототипом.

Эффективная мощность двигателя Ne=65 кВт в соответствии с исходными данными на расчёт.

3.23 Расход воздуха на горение

Проверка правильности расчёта индикаторных и эффективных показателей:

где ρк=1,184кг/м³ - плотность воздуха;

Получаем:

4. Построение расчётной индикаторной диаграммы

Диаграмму строим в координатах Р-V/Vс. По оси ординат откладываем давление, по оси абсцисс откладываем безразмерную величину V/Vс, значение которой изменяется от 1 до ε. Результаты расчётов политроп сжатия и расширения приведены в таблице 4.1.

двигатель индикаторный нагнетатель цилиндр

Характерными точками для политропы сжатия являются:

Характерными точками для политропы расширения являются:

Линии выпуска и впуска строим без проведения расчётов по характерным точкам:

Расчётная индикаторная диаграмма приведена на Рисунке 1.

Проверка правильности построения расчётной индикаторной диаграммы сводится к сравнению площади индикаторной диаграммы Sabzcr с площадью прямоугольника Sg со сторонами Vs и Pi, построенного в том же масштабе, что и индикаторная диаграмма.

Диаграмма считается построенной правильно при:

Рисунок 4.1 - Индикаторная диаграмма

Список использованной литературы

1. В.В. Дыбок «Рабочие процессы, конструкция и основы расчёта тепловых двигателей и энергетических установок», методические указания, СПб 2005 г.

. А.И. Колчин, В.П. Демидов «Расчёт автомобильных и тракторных двигателей», Москва, 2002 г.