Тепловой расчет ДВС и разработка основных конструктивных элементов поршня

ВВЕДЕНИЕ

Цель работы:  Закрепить и углубить теоретические знания по курсу «Двигатели внутреннего сгорания», получить навыки практических расчетов определения основных параметров индикаторной диаграммы  и навыки проектирования поршней для двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

В настоящем курсовом проекте будет проведен классический тепловой расчет ДВС и разработаны основные конструктивные элементы поршня с, как наиболее напряженного элемента поршневой группы.

1. Исходные данные (вариант 20)

Тип двигателя: 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.

Эффективная мощность = 59 кВт.

Частота вращения коленчатого вала = 5900 об/мин.

Степень сжатия ε = 8,7.

Коэффициент избытка воздуха α = 0,95.

Температура окружающей среды =300 К.

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

Давление остаточных газов  = (1,05…1,25) .

Температура остаточных газов = 900…1100 К.

Подогрев свежего заряда на впуске ΔТ = 0…20 град.

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.

Отношение теплоемкости остаточных газов () к теплоемкости свежего заряда ()  = 1…1,03.

Коэффициент дозарядки =1,04.

Газовая постоянная для воздуха R = 287 .

Массовая доля углерода =0,855.

Массовая доля водорода =0,145.

Низшая теплота сгорания .

Кажущаяся молекулярная масса     топлива .

2. Тепловой расчет двигателя

2.1. Расчет характеристик рабочего тела

2.1.1. Количество свежей смеси

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

,        (2.1)

где 0,23 – массовая доля кислорода в воздухе,                                                           

.                  (2.2)

Проверим полученные данные по следующему соотношению:

, где  - масса 1 кмоль воздуха.

Действительное количество воздуха, участвующего в сгорании, составляет

.                                            (2.3)

Свежий заряд (горючая смесь) в карбюраторных двигателях состоит из воздуха и испарившегося топлива и его количество определяется как

.                           (2.4) 

2.1.2. Состав и количество продуктов сгорания                        

Состав и количество продуктов сгорания рассчитываются с использованием данных о составе топлива и коэффициенте избытка воздуха "α".

Считается, что количество свободного водорода  однозначно связано с количеством оксида углерода СО соотношением .

Тогда количество продуктов сгорания будет равно:

=        0,42ּ,                      (2.5)

                                          (2.6)

                                                   (2.7)

,                                 (2.8)

                              (2.9)

Суммарное количество продуктов сгорания будет

                             (2.10)

2.1.3. Молярные или объемные доли компонентов продуктов сгорания

     ,  .                                                                                   (2.11)

Проверка: ,      .

2.1.4. Теоретический коэффициент молярного изменения рабочей смеси        

.                                                                          (2.12)

Полученный коэффициент молярного изменения рабочей смеси находится в рекомендуемых для ДсИЗ пределах .

2.2. Расчет процессов газообмена

2.2.1. Условия на впуске

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

Плотность заряда на впуске равна

                                                          (2.13)

2.2.2. Давление рабочего тела в конце такта впуска

Принимая среднюю скорость во впускном тракте равной ω = 80м/с, определяем величину гидравлических потерь в трубопроводе:

.                                        (2.14)

удовлетворяет рекомендованному соотношению .

Давление в конце впуска  определяется величиной гидравлических потерь во впускном трубопроводе:

,                                                                         (2.15)

Проверкой правильности определения величины  является условие , таким образом значение  найдено верно.

2.2.3. Коэффициент остаточных газов

Коэффициент остаточных газов  зависит от давления и температуры остаточных газов ( и ), подогрева заряда ΔТ, температуры окружающей среды _, давления в конце впуска  и степени сжатия ε:

.                                                                             (2.16)

По исходным данным принимаем =1,25, =900 К и ΔТ=20 К. Тогда

.

Полученное значение  попадает в рекомендованный диапазон от 0,04 до 0,1.

2.2.4. Температура конца впуска

Температура заряда в конце впуска  зависит от температуры на входе , а также от подогрева заряда во впускном трубопроводе ΔТ и его подогрева в цилиндре от остаточных газов (этот подогрев зависит от величины  и ). Приняв  = 1,02, получим:

, (2.17)

что согласуется со среднестатистическими данными ().

2.2.5. Коэффициент наполнения

Коэффициент наполнения  будем вычислять по следующей формуле:

                 (2.18)

Полученное значение коэффициента наполнения входит в рекомендованный промежуток .

2.3. Расчет процесса сжатия

При расчете процесса сжатия предполагаем, что он протекает в течение всего хода поршня от НМТ до ВМТ и считаем его политропным