Тепловой расчёт двигателя ЗМЗ-24

2.3.3 Частота вращения коленчатого  вала. В карбюраторных двигателях  частота вращения коленчатого  вала легковых автомобилей находится  в пределах n=4500-5700 .

С увеличением частоты  вращения коленвала потери тепла  за цикл снижаются за счет сокращения времени на теплообмен между газом  и стенками цилиндра, что увеличивает  индикаторный КПД. Но, поскольку увеличение частоты вращения коленчатого вала сопровождается увеличением сил  инерции, которые нагружают детали КШМ, мы не можем выбрать максимальную частоту из-за необходимости увеличения размеров и массы этих деталей. Принимаю n=5000 (по заданию кафедры).

2.3.4 Давление окружающей  среды Р_{0 -} постоянная величина. Р₀=0,1МПа

2.3.5 Температура окружающей  среды Т₀ (атмосферного воздуха). Принимается среднее значение Т₀=288 К.

2.3.6 Давление остаточных газов Р_r, МПа, определяется давлением окружающей среды, в которую происходит выпуск отработавших газов и оборотами двигателя:

pr = 0,11 + 0,2⋅10^-5⋅(n - 1500) = 0,11 + 0,2⋅10^-5⋅(5000 - 1500) = 0,117 МПа

2.3.7 Температура остаточных газов T_r, К, для КБД изменяется в пределах 900 - 1100 К . При увеличении a и e - Т_r снижается, а при увеличении n увеличивается.

Tr = 900 + 0,025⋅(n - 2000) + 400⋅(α - 0.8) + 10⋅(10 - ε) =

900 + 0,025⋅(5000 - 2000) + 400⋅(0,9 - 0.8) + 10⋅(10 – 0,86 ) = 1106,4 К

2.3.8 Степень подогрева заряда на впуске DТ=10 - 20 К [2]. На DТ влияют: длина, материал трубопровода впускной системы; скорость движения воздушного заряда во впускной системе. При увеличении диаметра цилиндра D, увеличении n и e - DТ уменьшается.

ΔТ = 5 + 4⋅10^-3⋅(6000 - n) = 5 + 4⋅10^-3⋅(6000 - 5000) = 9 К

2.3.9 Гидравлические потери С во впускной системе уменьшаются при увеличении проходных сечений, обработке внутренней поверхности впускной системы, правильным выбором фаз газораспределения. Коэффициент сопротивления С изменяется в пределах 2,5 - 4,0 [2]. Он учитывает падение скорости свежего заряда после входа его в цилиндр и гидравлические сопротивления впускной системы двигателя.

Свп = 3.

2.3.9 Средняя скорость воздуха в проходных сечениях впускных клапанов W_кл [50-130м/с] может достигать 130 м/с. Эта скорость зависит от диаметра впускного клапана и частоты вращения коленвала. При уменьшении диаметра впускного клапана и увеличении n, средняя скорость W_кл увеличивается. В модернизированном двигателе W_кл не изменяется.

Wкл = 70 + 0,75⋅10^-2⋅(n - 1500) = 70 + 0,75⋅10^-2⋅(5000 - 1500) = 96,25 м/с

2.3.10 Показатель политропы сжатия (условный) n₁=1,32 - 1,40 [2]. При повышении n увеличивается и n₁; при повышении средней температуры процесса сжатия n₁ - уменьшается; с уменьшением интенсивности охлаждения двигателя n₁ - увеличивается; с уменьшением отношения поверхности охлаждения к объему цилиндра n₁ - увеличивается. Учитывая все это принимаем n₁=1,38.

2.3.11 Коэффициент эффективного теплоиспользования x_z=0,85 - 0,9 [2] это параметр, учитывающий потери теплоты в процессе сгорания. При увеличении оборотов двигателя x_z возрастает с улучшением процесса смесеобразования и сгорания. На номинальной частоте вращения x_z снижается за счет увеличения фазы догорания. Примем значение x_z=0,9.

2.3.12 Коэффициент полноты индикаторной диаграммы учитывает уменьшение теоретического среднего индикаторного давления вследствие отклонения действительного процесса от расчетного. Принимаем j_i=0,96.

2.3.13 С увеличением продолжительности догорания топлива, снижается относительный теплообмен и утечки газа, n₂ уменьшается. Показатели политропы расширения для бензиновых ДВС изменяются в диапазоне n₂=1,23-1,3. Примем n₂=1,26

2.3.14 Вид и марка применяемого топлива

В качестве топлива для  данного двигателя применяется  бензин.

 кг; где: 

- содержание углерода кг;

- содержание водорода кг;

 - содержание кислорода в соединениях  топлива кг;

Для карбюраторных двигателей, где в качестве топлива используется бензин, с составным содержанием:

, , , кг/моль, кДж/кг,

 

3. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

Тепловой расчет позволяет с  достаточной степенью точности аналитическим  путем проверить степень совершенства действительного цикла реально  работающего двигателя. На основе установленных  исходных данных (тип двигателя, мощность, частота вращения коленчатого вала, число и расположение цилиндров, отношение S/D, степень сжатия) проводят тепловой расчет двигателя, в результате которого определяют основные энергетические, экономические и конструктивные параметры двигателя. По результатам  теплового расчета строят индикаторную диаграмму. Параметры, полученные в  тепловом расчете, являются исходными  при проведении динамического и  прочностных расчетов.

3.1 Расчет процесса впуска

 

3.1.1 Давление впуска:

 мПа

 

3.1.2 Коэффициент остаточных  газов:

 

 K, где:

 

  - температура газов на впуске, - степень подогрева заряда, - давление газов на впуске.

3.1.3 Температура свежего  заряда:

 

 K

3.1.4 Коэффициент наполнения:

 K

3.1.5 Объём цилиндра в  конце впуска:

 

 Л, где:

 

- объём камеры сжатия, - объём камеры сгорания:

 

 Л

 

 Л

3.2 Расчет процесса сжатия

 

3.2.1 Давление рабочей смеси  в конце процесса сжатия:

 

 мПа

3.2.2 Температура рабочего  тела в конце процесса сжатия:

 

 K

3.2.3 Расчет материального  баланса рабочего цикла:

 

, где:

3.2.4 Расчет объёма камеры  сжатия:

 

 Л

 

3.3 Расчет материального  баланса рабочего цикла

 

3.3.1 Теоретически необходимое  количество воздуха:

 

 кмоль/кг

3.3.2 Количество свежего заряда:

 

 кмоль/кг

3.3.3 Количество компонентов  продуктов сгорания:      

 

  Так как  , то k принимаем равным 0,47.

 

Оксид углерода:

 

 кмоль/кг

 

Диоксид углерода:

 кмоль/кг

 

 

Водород:

 

 кмоль/кг

 

Водяной пар:

 

 кмоль/кг

 

Азот воздуха:

 

 кмоль/кг

3.3.6 Теоретический коэффициент  молярного изменения рабочего  тела:

 

3.3.7 Действительный коэффициент  молярного изменения рабочего  тела:

 

 

3.3.8 Средняя мольная изохорная  теплоёмкость:

 

 

 

 

3.4. Расчет процесса сгорания

 

3.4.1 Температура сгорания:

 

Запишем уравнение сгорания:

 

 

После  подстановки  теплоемкости  в  виде  линейной  зависимости  от температуры  в  уравнение  сгорания  последнее  превращается  в  квадратное

относительно  :

 

, отсюда:

 

 

 

 

 кДж/кг

 

  , где:

 

 K

3.4.2 Степень повышения  давления:

 

 

3.4.3 Степень предварительного  расширения:

 

Степень предварительного расширения для бензинового двигателя p=1

 

 

 

 

3.4.4 Давление газов в  конце процесса сгорания:

 

  мПа

 

Действительное давление газов в конце процесса сгорания равно  :

 

 мПа

3.4.5 Объём цилиндра в  конце процесса сгорания:

 

 Л

3.5 Расчет процесса расширения

 

3.5.1 Давление газов:

 

 мПа

 

Для бензинового двигателя

3.5.2 Температура газов  в конце процесса расширения:

 

 K

3.5.3 Объём цилиндра в  конце процесса расширения:

 

 Л

3.6 Расчет индикаторных  показателей цикла

 

3.6.1 Среднее индикаторное  давление цикла: 

 

 

3.6.2 Индикаторная мощность:

 

 кВт

3.6.3 Индикаторный крутящий  момент:

 

 Нм

3.6.4 Индикаторный КПД:

 

 

 

3.6.5 Удельный индикаторный  расход топлива:

 

 г/кВтЧ

 

3.7 Определение механических  потерь

3.7.1 Среднее давление механических  потерь:

 

 мПа, где:

 

 м/с

 

Коэффициенты  и выбираем исходя из отношения S/D. Так как S/D=1, то:

 

;

3.7.2 Среднее эффективное  давление:

 

 мПа

3.7.3 Эффективная мощность  двигателя:

 

 кВт

3.7.4 Эффективный крутящий  момент двигателя:

 

 Нм

 

 

 

3.7.5 Механический КПД двигателя:

3.7.6 Эффективный КПД двигателя:

 

3.7.7 Удельный эффективный  расход топлива:

 

 г/кВтЧ

3.7.8 Часовой расход топлива:

 

 кг/ч

3.7.9 Литровая мощность  двигателя:

 

 кВт/л

 

 

 

5 ПОСТРОЕНИЕ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ

Определим давление рабочего тела в  промежуточных точках:

Процесс сжатия:

Процесс Сгорания:

Таблица 5.1 Давление газа в промежуточных  точках процессов

л
0,08	8,625	19,562	1,6236	1	1	6,246
0,202	3,415	5,441	0,45	0,396	0,11	1,942
0,324	2,129	2,837	0,235	0,246	0,171	1,068
0,446	1,547	1,825	0,151	0,179	0,114	0,712
0,568	0,823	0,764	0,083	0,141	0,084	0,524
0,69	1	1	0,063	0,115	0,065	0,405

 

Проконтролируем диаграмму по :

, МПа

 

Вывод:

В результате проведенного теплового расчета  двигателя ЗМЗ-24 цель модернизации была достигнута: мощность двигателя  возросла, расход уменьшился.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература:

1. Методические указания к выполнению теплового расчета в контрольных работах, курсовых и дипломных проектах: Методичка. / Под ред. И.И. Тимченко, Д.И. Тимченко, А.А. Ефремов – Харьков: ХАДИ, 2008. 36 страниц.

 

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 

ДВС – А34.ЗМЗ-24 .0000.000 ПЗ