Транспортные двигатели

         Введение 
 
 

        Во второй половине XIX века произошли события, приведшие впоследствии к появлению наиболее массового средства передвижения – автомобиля. В 1860г. французский механик Этьен Ленуар создал первый двигатель внутреннего сгорания. Однако этот двигатель во многом уступал паровым машинам того времени. Существенно повысить его эффективность удалось механику из Кельна Августу Отто, построившему в 1862г. четырехтактный двигатель внутреннего сгорания со сжатием горючей смеси.

        Отто понадобилось 15 лет, чтобы сконструировать работоспособный двигатель. Однако этот двигатель работал на газе, был тихоходным и тяжелым, из-за чего получил применение лишь в стационарных условиях. Только перевод двигателя внутреннего сгорания на жидкое топливо открыл ему широкую дорогу на транспорте. Такой двигатель был создан в 1881г. техническим директором завода Отто в г. Дойце Готтлибом Даймлером.

        Претерпев значительные конструктивные изменения, постоянно  совершенствуясь, двигатели  Отто с принудительным искровым воспламенением и до настоящего времени остались наиболее массовой силовой установкой автомобиля.

        В данной контрольной  работе необходимо рассмотреть тепловой расчет автомобильного двигателя, определить основные параметры рабочего процесса двигателя. Также необходимо определить индикаторные и эффективные показатели работы двигателя и построить индикаторную диаграмму. 

        Исходные данные для выполнения контрольной работы приведены в таблице 1. 

            Таблица 1 –  Исходные данные

 
 
 
 
 
 
 
 

        1 Расчет объема  камеры сгорания 
 
 

        Объем камеры сгорания определяется по формуле:  

                                                     ,                                                 (1.1)

                                                    

где  V_c – объем камеры сгорания двигателя, м³;

       V_h – рабочий объем цилиндра, м³;

         e – степень сжатия; e = 14,5.

        Рабочий объем цилиндра определяется по формуле: 

                                                        ,                                                     (1.2)

                                                        

где  F_п – площадь поршня, м²;

        S – ход поршня, S = 0,102 м.  

         F_п = π D² / 4,                                                     (1.3) 

где D – диаметр поршня, D = 0,095 м.

        Площадь поршня согласно формуле (1.3) составит: 

         F_п = 3,14 · 0,095² / 4 = 0,708 · 10^{– 2} м². 

        Рабочий объем цилиндра согласно формуле (1.2) равен: 

         V_h = 0,708 · 10^{– 2} × 0,102 = 0,723 · 10^{– 3} м³. 

        Объем камеры сгорания равен:  

         V_c = 0,723 · 10^{– 3} / (14,5 – 1) = 0,054 · 10^{– 3} м³. 

        Объем цилиндра  в  точках "а" и "b" индикаторной диаграммы для четырехтактного двигателя: 

                                                     ,                                        (1.4) 

где  V_а, V_в – объем цилиндра  в точках   "а"  и "b"   индикаторной  диаграммы 

             соответственно. 

         V_а = V_в = 0,054 · 10^{– 3} + 0,723 · 10^{– 3} = 0,777 · 10^{– 3} м³. 

        2 Расчет процесса  наполнения 
 
 

        Давление  в цилиндре в конце процесса  наполнения для  четырехтактных ДВС без наддува можно ориентировочно  принять: 

         Р_а  = (0,85 – 0,9) Р_о,                                                                  (2.1) 

где Р_о – атмосферное давление воздуха, МПа.  Для стандартных атмосферных

             условий Р_о = 0,101 МПа [2].  

         Р_а = 0,87 · 0,101 = 0,088 МПа. 

        Температура заряда в конце процесса наполнения определяется по формуле: 

                                                     (2.2) 

где  Т_о – температура воздушного заряда на входе в двигатель, Т_о = 293 К [2];   

       Dt – подогрев рабочего тела в цилиндре от стенок в конце наполнения,

               Dt = 15 °C [2];

       Т_r – температура выпускных газов, Т_r = 800 К [2];

        g_r – коэффициент остаточных газов, g_r = 0,05 [2]. 

         

 

        Коэффициент  наполнения  цилиндра определяется по формуле: 

                                                (2.3) 

         

 
 
 
 
 
 

        3 Расчет параметров  сжатия рабочего  тела в цилиндре

              
 

        Давление и температура  в конце сжатия определяется по формуле: 

                                                           (3.1)

                                                        (3.2) 

где n₁ – показатель политропы сжатия, n₁ = 1,35 [2].  

        

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

        4 Расчет процесса  сгорания 
 
 

        Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, определяется по формуле: 

                                               (4.1) 

где – элементарный состав соответственно углерода, водорода и

                          кислорода в топливе по массе, [2]. 

        

 кмоль. 

        Количество свежего  заряда в цилиндре, кмоль, приходящегося на 1 кг топлива, определяется по формуле: 

        М₁ = a L_о,                                                      (4.2) 

где a – коэффициент избытка воздуха,  a  = 1,3 [2]. 

        М₁ = 1,3 × 0,495 = 0,644 кмоль. 

        Общее количество продуктов  сгорания на 1  кг топлива определяется по формуле: 

                                        (4.3) 

        

 кмоль. 

        Химический коэффициент  молекулярного  изменения рабочего тела: 

                                                     (4.4)

        

 

        Действительный коэффициент  молекулярного  изменения рабочей  смеси с учетом наличия в цилиндре остаточных газов определяется по формуле: 

                                                                                   (4.5) 

        

 

        Уравнение сгорания для дизельных двигателей имеет вид: 

             (4.6) 

где x – коэффициент использования теплоты, для дизельных двигателей, x = 0,7;                

     Н_u – низшая теплота сгорания  топлива, Н_u = 42500 кДж/кг [2];

  mc_vc – средняя молярная теплоемкость свежего заряда.

  mc_v^” – средняя молярная теплоемкость  продуктов сгорания.

        Средняя молярная теплоемкость свежего заряда определяется по формуле:

                  

        mc_vc = 20,16 + 1,74 ×10^-3 Т_с;                                        (4.7)

        mc_vc = 20,16 + 1,74 ×10^-3 ∙ 821 = 21,589. 

        Средняя молярная теплоемкость  продуктов  сгорания определяется по формуле: 

        mc_v^” =                        (4.8)

        mc_v^” =

 

        Степень  повышения давления в цилиндре определяется по формуле: 

        l_z = P_z  / P_c.                                                     (4.9)

        l_z = 6,7 / 3,253 = 2,060. 

        Подставляя полученные значения  величин в уравнения  сгорания, получаем уравнение с двумя  неизвестными:  максимальной температурой сгорания Т_z  и теплоемкости продуктов сгорания mc_v^” при этой же температуре.