Тепловой расчет и конструирование поршня двигателя внутреннего сгорания

ОГЛАВЛЕНИЕ:

                                                                                                                        Стр.              Введение…………………………………………………………………….1

1. Методика выполнения теплового расчета………………………………….3

         1.1. Расчет характеристик рабочего тела……………………………….3

1.2. Расчет процессов газообмена……………………………………….5

1.3. Расчет процесса сжатия……………………………………………..7

1.4. Расчет процесса сгорания…………………………………………...8

1.5. Расчет процесса расширения……………………………………….12

1.6. Определение индикаторных показателей двигателя……………...14

1.7. Механические (внутренние) потери и эффективные показатели двигателя……………………………………………………………..16

1.8. Определение размеров цилиндра…………………………………..18

1.9. Методика построения индикаторной диаграммы…………………20

2. Основы проектирования поршня………………………………………….26

Литература………………………………………………………………..28

Приложение………………………………………………………………29

Дополнительные исходные данные:                                                                          Тип двигателя: двигатель с искровым зажиганием (ДсИЗ), 4-х тактный.

Тип системы охлаждения: жидкостная.

Тип топливной системы (ТС): карбюраторная.

Число клапанов на цилиндр – 2.

Тип камеры сгорания (КС) – шатровая.       

Число и расположение цилиндров: i = 4, однорядное.

Вид топлива – бензин.

Атмосферное давление воздуха на входе в двигатель Р₀ = 0,1Мпа.

Давление остаточных газов Р_r = (1,05…1,25)Р_а (увеличиваются с увеличением числа оборотов). При этом  Р_а = Р₀ – 0,016 Мпа.

Температура остаточных газов Т_r = 900…1100К (уменьшается: с увеличением ε          и с отклонением в меньшую или большую сторону от α = 1,0).

Подогрев свежего заряда на впуске ΔТ = 0…20 град. (уменьшается с увеличе-нием числа оборотов).

Суммарный фактор сопротивления впускного тракта (β² + ζ) = 3,0 (β – коэффициент затухания скорости; ζ – коэффициент сопротивления впускной системы, учитывающий потери давления на местных сопротивлениях и потери давления на трение).

Средняя за процесс впуска скорость смеси в наименьшем сечении впускного тракта, т.е. в клапане ω = 60…100 м/с (уменьшается с увеличением числа оборотов).

Отношение теплоемкости остаточных газов () к теплоемкости свежего заряда ()  = 1…1,03 (уменьшается с увеличением "α").

Коэффициент дозарядки =1,04.

Газовая постоянная для воздуха R = 287дж/(кгּК).                                      

Ориентировочные значения массовых долей углерода g_с и водорода g_н, а также значения низшей теплоты сгорания H_низи кажущейся молекулярной массы топлива µ_т приведены в нижеследующей таблице

gс	gн	µт ,кг/кмоль	Hниз ,МДж/кг
0,855	0,145	115	44

1. Методика выполнения теплового расчета.

1.1 Расчет характеристик рабочего тела.

1.1.1  Количество свежей смеси.

Количество воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания топлива рассчитывается на основании массового состава топлива:

=15 кг_в/ кг_т. 

 =0,5 кмоль_в/кг_т.

Действительное количество воздуха, участвующего в сгорании, составляет

L _д = αּL _т =0.92 0.5=0.46 кмоль_в/кг_т.    

Количество свежей смеси M₁, поступающей в цилиндр будет

M₁ = αּL _т + =0,92ּ0,5+(1/115)=0.468 кмоль_в/кг_т.         

1.1.2. Состав и количество продуктов сгорания.

Состав и количество продуктов сгорания рассчитываются с использованием данных о составе топлива и коэффициенте избытка воздуха "α". Расчет проводится в киломолях на 1кг топлива (кмоль/кг). 

Считается, что количество свободного водорода  однозначно связано с количеством оксида углерода СО соотношением  К = /= 0,50.

Тогда:

= 0,42ּ,=0,42 =0,0112(кмоль/кг). 

= =0,06005 (кмоль/кг).                                                                              

=0,5ּ0,06005=0,030025 (кмоль/кг). 

==0,042475(кмоль/кг). 

 =0,79ּ0,92ּ0,5=0,3634(кмоль/кг). 

Суммарное количество продуктов сгорания в киломолях будет:

=0,06005+0,0112+0,042475+0,030025+0,3634=            

=0,50715 (кмоль/кг).                                                                                                                              

1.1.3. Молярные или объемные доли компонентов продуктов сгорания.

=0,01050188705

=0,05630699266

= 0,02815349633

=0,03982746899

=0,34074872828       

=0,52446142669 (для дизеля).

Проверка:

0,01050188705+0,05630699266+0,02815349633+

+0,03982746899+ +0,34074872828+0,52446142669=1       

1.1.4. Теоретический коэффициент молярного изменения рабочей смеси.

==1,08

Для ДсИЗ . Причем меньшие значения  соответствуют большим значениям α.

Вывод:Теоретический коэффициент молярного изменения рабочей смеси входит в пределы  теоритического значения для ДсИЗ.

1.2            Расчет процессов газообмена.

1.1.1.  Условия на впуске.

Для ДВС без наддува значения атмосферного давления и температуры на входе в двигатель принимаются за значения давления и температуры рабочего тела перед впускными клапанами.  

Тогда плотность заряда на впуске будет

==1,185143

1.1.2.  Давление рабочего тела в конце такта впуска.

  Давление в конце впуска Р_к.вп определяется величиной гидравлических потерь во впускном трубопроводе

Р_к.вп = Р₀ – ΔР_вп  =0,1-0,011377=0,088623MПа.              где

ΔР_вп = ==0,011377MПа.

Проверка правильности определения величины Р_к.вп:

Р_к.вп = (0,8…0,9)Р₀.

Р_к.вп =0,88 ּ0,1=0,088 MПа.

Вывод: давление в конце впуска определено правильно т.к. входит в пределы теоритического давление в конце впуска.

1.1.3.  Коэффициент остаточных газов.

Коэффициент остаточных газов γ_r зависит от давления и температуры остаточных газов (Р_r и Т_r), подогрева заряда ΔТ, температуры окружающей среды Т_0, давления в конце впуска Р_к.вп  и степени сжатия ε:

==0,042

Величина γ_r:

─  уменьшается с увеличением степени сжатия (ε), давления в конце впуска (Р_к.вп)  и температуры остаточных газов (Т_r);

─  возрастает с увеличением давления остаточных газов (Р_r) и частоты вращения (n).

Вывод: коэффициент остаточных газов найден верно так как входит в пределы теоритического значения γ_r =0,4…0,1.

1.2.4. Температура конца впуска.

Температура заряда в конце впуска Т_к.вп зависит от температуры на входе Т₀, а также от подогрева заряда во впускном трубопроводе ΔТ и его подогревав цилиндре от остаточных газов (этот подогрев зависит от величины γ_r и Т_r):

 = 331К.

Величина  Т_к.вп зависит от Т₀, ΔТ, γ_r и мало зависит от Т_r.

Вывод:  температура заряда в конце впуска найдено правильно так как входит в теоритическое значения    Т_к.вп=320…370 К.

1.2.5. Коэффициент наполнения.

Коэффициент наполнения η_v рассчитывается для заданных значений Р₀, Т₀, ε, ΔТ, φ₁ и по ранее рассчитанным значениям Р_к.вп, Т_к.вп, γ_r по следующей формуле:

    ,          =0,884

Вывод: коэффициент наполнения найден верно так как входит в пределы η_v=0.7…0.9

1.3         Расчет процесса сжатия.

При расчете процесса сжатия предполагается, что он протекает в течение всего хода поршня от НМТ до ВМТ. Сам процесс сжатия считается политропным с постоянным показателем политропы n₁.

Для определения n₁ рекомендуется эмпирическая зависимость: