Расчет двигателя внутреннего сгорания
1. Расчет
параметров рабочего тела
Теоретическое кол-во воздуха
необходимое для сгорания 1 кг топлива, кг, кмоль:
кг;
или в молях:
кмоль.
Проверка:
.
кмоль.
Действительное кол-во
воздуха, участвующего в сгорании 1 кг топлива при 
,
кг, кмоль:
;
кг.
;
кмоль.
Суммарное кол-во
свежей смеси, кг, кмоль:
;
кг.
кмоль.
Кол-во отдельных
составляющих продуктов сгорания, кмоль:
,
где 
=0,5;
кмоль.
;
кмоль.
;
кмоль.
;
кмоль.
;
кмоль.
Суммарное кол-во
продуктов сгорания, кмоль:
;
кмоль.
Приращение объема 
и
теоретический коэффициент молекулярного изменения, кмоль:
;
кмоль.
.
2. Расчет процесса
впуска
Для расчета
параметров процесса впуска примем:
приращение температуры в
процессе подогрева заряда от стенок впускной системы 
ºС);
температура остаточных
газов 
(
К);
давление остаточных
газов 
(
МПа/м²=1,15
кг/см²);
суммарный коэффициент,
учитывающий гашение скорости движения потока топливно-воздушной смеси во
впускной системе и сопротивление этой системы, отнесенное к сечению в клапане 
;
скорость движения заряда
в сечении клапана 
м/с);
в карбюраторном
двигателе без наддува впуск воздуха происходит из атмосферы, тогда 
МПа/м²
≈ 1,03 кг/см²),
(
);
плотность заряда на
впуске:
для воздуха:
, 
;
;
кг/м³.
Определим давление
в конце впуска:
;
н/м²≈
0,085 МПа/м².
или
;
кг/см².
Определим
коэффициент остаточных газов, %:
;
Определим
температуру конца впуска, К:
;
К.
Определим
коэффициент наполнения:
.
Принимаем:
;
3.
Расчет параметров сжатия
Определим давление в конце сжатия,
кг/см²:
,
где 
-
показатель политропы сжатия, выбираем 
.
Мн/м²
≈ 11,53 кг/см².
Определим температуру в
конце сжатия, К:
;
К.
4. Расчет
параметров процесса сгорания
Определим параметры конца процесса
сгорания:
Уравнение сгорания для
карбюраторного двигателя при 
< 1:
,
где 
-
коэффициент теплоиспользования, выбираем 
.
Здесь:
,
.
кДж.
Или (старые единицы):
;
ккал/кг.
Определим внутреннюю энергию 1 моля
свежей смеси в конце процесса сжатия:
,
где 
-
теплоемкость свежей смеси 
при
температуре 
;
Принимаем теплоемкость
свежей смеси, равной теплоемкости воздуха.
;
ºС.
Принимаем 
ºС.
,627 кДж/кмоль∙град
≈ 5,165 ккал / кмоль∙град.
Тогда:
21,627∙450 =
9732,15 кДж/кмоль≈ 2328 ккал / кмоль.
Определим внутреннюю энергию 1 кмоля
продуктов сгорания в конце процесса сжатия:
,
где 
-
теплоемкость продуктов сгорания в конце процесса сжатия.
Теплоемкость смеси равна
сумме произведений теплоемкостей отдельных компонентов продуктов сгорания на их
объемные доли.
Для принятого
элементарного состава топлива при объемные доли отдельных
компонентов продуктов сгорания составят:
;
.
;
.
;
.
;
.
;
.
.
Используя данные для ºС
получим:
двигатель
сгорание воздух энергия
Внутренняя энергия
продуктов сгорания при ºС:
;
23,631∙450 = 10634
кДж/кмоль = 2544 ккал / кмоль.
Тогда левая часть
уравнения сгорания решается следующим образом:
;
;
.
кДж/кмоль ≈ 16459
ккал / кмоль.
Примем, что 
ºС.
Находим значения теплоемкостей компонентов продуктов сгорания при 
ºС:
кДж/кмоль∙град. =
6,189 ккал / кмоль∙град.
кДж/кмоль∙град. =
11,246 ккал / кмоль∙град.
кДж/кмоль∙град. =
5,039 ккал / кмоль∙град.
кДж/кмоль∙град. =
8,917 ккал / кмоль∙град.
кДж/кмоль∙град. =
6,079 ккал / кмоль∙град.
∙град. = 7 ккал /
кмоль∙град.
Внутренняя энергия
продуктов сгорания при температуре ºС:
;
кДж/кмоль = 16800 ккал
/ кмоль.
Полученное при ºС
значение
кДж/кмоль.
< 70324,8.
кДж/кмоль∙град. =
7,05 ккал / кмоль∙град.
Тогда:
;
кДж/кмоль = 17649,8
ккал / кмоль.
Искомое значение
температуры сгорания, соответствующее полученному значению 
кДж/кмоль,
находится в интервале температур 2400<
<2500ºC.
Принимая, что при
изменении температуры от 2400 до 2500ºС
меняется
линейно, построив график, находим значения 
ºС
или 
К.
Расчетное давление
конца сгорания, кг/см²:
;
МПа/м²
= 46,4 кг/см².
Степень повышения
давления:
;
.
Максимальное давление
цикла с учетом скругления диаграммы, кг/см²:
;
МПа/м²
= 39,5 кг/см².
5. Расчет
параметров процесса расширения
Определим давление конца расширения 
, кг/см²:
,
где 
-
показатель политропы, 
.
Тогда:
;
МПа/м²
≈ 4 кг/см².
Определим
температуру конца расширения:
;
К.
6. Определение
индикаторных и эффективных показателей двигателя
Рассчитаем среднее
индикаторное давление цикла, кг/см²:
;
Примем коэффициент
скругления индикаторной диаграммы 
, тогда действительное
среднее индикаторное давление составит:
;
МПа/м²
≈ 9,8 кг/см².
Определим основные
показатели цикла.
Доля индикаторного давления,
затраченного на трение и привод
вспомогательных механизмов, Па/м²:
,
где 
м/с.
Тогда:
Па/м²;
МПа/м²
≈ 2 кг/см².
Среднее эффективное
давление цикла:
;
МПа/м²
≈ 7,8 кг/см².
Механический КПД:
;
.
Удельный индикаторный
расход топлива, г/(кВт∙ч):
;
г/(кВт∙ч).
В старых единицах:
;
г/(э.л.с.∙ч).
Удельный эффективный
расход топлива, г/(э.л.с.∙ч):
;
г/(кВт∙ч) ≈
223 г./(э.л.с.∙ч).
Индикаторный КПД цикла 
,
г/(кВт∙ч),
и 
МДж/кг:
;
.
В старых единицах:
;
.
Принимаем 
.
Эффективный КПД цикла:
;
.
Часовой расход топлива:
;
кг/ч.
7. Определение
основных размеров и удельных показателей двигателя
Определим рабочий объем двигателя,
л.:
;
л.
В старых единицах:
;
л.
Рабочий объем одного
цилиндра, л:
;
л.
Определим диаметр
цилиндра, мм:
Обозначим отношение хода
поршня S к диаметру цилиндра D:
,
где К - показатель
короткоходности или длинноходности двигателя.
Для карбюраторных
двигателей:
.
Принимаем К = 0,9 (для
быстроходности карбюраторного двигателя 
об/мин).
Тогда:
.
Отсюда:
;
мм.
;
мм.
Примем:=100 мм.=90 мм.
л.
л.
Проверим среднюю
скорость поршня, м/с:
.
м/с.
;
9 < 12,0
Площадь поршня, см²:
;
мм²
= 78,5 см².
Эффективный крутящий
момент двигателя, H∙м:
;
H∙м.
Определим литровую
мощность, кВт/л:
;
кВт/л.
Определим литровую массу
двигателя, кг/л:
;
кг/л. 
кг,
прототип ЗИЛ-130.
Поршневая мощность,
кВт/дм²:
;
кВт/дм².
Радиус кривошипа:
мм.
Длина шатуна:
,
где 
мм.
Заключение
В результате выполнения
курсовой работы по дисциплине «Тепловые двигатели и нагнетали» были рассчитаны
основные параметры двигателя ЗИЛ-130 (V-образный восьми цилиндровый двигатель с
мощностью 108,9 кВт и частотой вращения коленчатого вала 3000 об/мин): рабочий
объем двигателя л.,
рабочий объем одного цилиндра л., диаметр цилиндра
D=100 мм., средняя скорость поршня м/с, литровая мощность
двигателя 
кВт/л,
а также были изучены детали и механизмы, модели основных систем двигателя, и
получены навыки конструирования двигателей внутреннего сгорания.
Список литературы
1. Тепловые двигатели и нагнетатели: методические указания к
практическим занятиям и самостоятельной работе / Сост.: А.М. Эфендиев; ФГОУ ВПО
«Саратовский ГАУ». - Саратов, 2006. - 52 с.
. Автомобильные двигатели / В.М. Архангельский (и др.) - М.:
Машиностроение, 1977. - 495 с.
. Методические указания для выполнения курсовой работы по теории
автотракторных двигателей / Сост. Г.М. Легошин; ИМЭСХ. - Саратов, 1990.
. Тепловой расчет автомобильных двигателей: метод. указания к выполнению
самостоятельной работы по курсу «Автомобильные двигатели» / Сост.: Н.Н.
Третьяков, Ю.Н. Юдин; СГТУ. - Саратов, 1989. - 45 с.
. Руководство к выполнению курсовой работы по дисциплине «Теория и
расчет тракторных и автомобильных двигателей». Для студентов факультета
механизации процессов сельскохозяйственного производства / Шумило И.А. -
Барнаул: Алт. СХИ, 1977. - 62 с.