Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания ВАЗ 2106, объемом ДВС 1,6л

Содержание

 

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

2.Выбор и обоснование типа транспортного средства ……..............3

3. Тепловой расчет……………………………………………………..4

4. Построение индикаторной диаграммы……………………………21

5. Заключение………………………………………………………….29

6.Список литературы………………………………………………….30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Цели и задачи:

Целью данного курсового  проекта является улучшение эксплуатационных и технических показателей вследствие применения более современных конструкционных  материалов и улучшения тепловых процессов двигателя, а также повышение надёжности его работы, снижение токсичности отработанных газов и улучшение вибрационно-акустических качеств за счёт повышения уравновешенности масс кривошипно-шатунного механизма. В задачи проекта входит расчёт и определение параметров и показателей рабочего цикла, основных размеров, кинематический и динамический анализ, оценка прочности деталей, расчёт и компоновка систем, обслуживающих двигатель.

В курсовом проекте в  качестве прототипа используется автомобиль ВАЗ-2106 легковой, с закрытым четырёхдверным кузовом, с передним расположением двигателя и задними ведущими колёсами, предназначен для перевозки пяти человек и багажа не более 50 кг. Автомобиль рассчитан для эксплуатации при температуре окружающей среды от минус 40⁰ С до плюс 45⁰ С.

На автомобиль устанавливается 4-цилиндровый карбюраторный двигатель  с рядным вертикальным расположением  цилиндров и верхним расположением  распределительного вала рабочим объёмом 1,6 литра. Двигатель приводит в движение автомобиль и его оборудование. В таблице приведены основные показатели и параметры двигателя в сравнении с лучшими отечественными и мировыми аналогами.

 

 

Таблица 1.

Показатели двигателей	ВАЗ-2106	ВАЗ-2112	RENAULT 1,6 i
Расположение, число цилиндров	Рядный 4
Число клапанов	8	16	16
Рабочий объём, см3	1569	1499	1598
Мощность, кВт/л∙с,  при об/мин	55,5/75,5 5400	66,7/90,7 5600	83/113 6000
Крутящий момент, Н∙м,  при об/мин	116 3000	127 3700	152 4200
Расход топлива, л/100 км, смешанный цикл	8,5	7,4	6,9
Степень сжатия	8,5	9	11

 

Таким образом двигатель  ВАЗ 2106 значительно отстаёт от аналогов и на мой взгляд требует значительной модернизации конструкции с целью  дальнейшего повышения производительности, эффективных показателей, а также  уменьшения выбросов вредных веществ в окружающую среду.

 

 

 

1. Выбор и обоснование типа транспортного средства

 

Тип транспортного средства – автомобиль ВАЗ-2106 легковой с закрытым четырёхдверным кузовом.

Масса – 1380 кг.

Скорость – 150 км/ч.

Грузоподъёмность (пассажировместимость) – 400 кг. (5чел.).

Область эксплуатации – Дороги с  твёрдым покрытием.

Характеристики установленного двигателя:

Марка (модель) – ВАЗ 2106

Мощность:

максимально допустимая – 58,8 кВт.

номинальная – 55,5 кВт.

эксплуатационная – 48 кВт.

Крутящий момент:

максимальный – 116 Н∙м

Частота вращения коленчатого вала:

максимальная – 6000 об/мин.

минимально-устойчивая – 900 об/мин.

Расход топлива и масла:

удельный - 308 5 г/кВт∙ч

на 100 км пробега -8,5 л/100 км

Габаритные размеры - 583×541×651

Ресурс – 150000 км.

Определяем эксплуатационную мощность двигателя из условия обеспечения  максимальной скорости движения.

=43 м/с – максимальная скорость  автомобиля

т_а = 1445 кг — масса автомобиля

 — коэффициент суммарного сопротивления дороги. Принимаю

К_В =0,2 — коэффициент обтекаемости, Н с²/м⁴

F =1,7 — лобовая площадь, м²

— коэффициент учета силы инерции  приведенных вращающихся масс

 = 1,04+0,04 i_k, где i_k =1 — передаточное число коробки передач

 = 1,04+0,04*1=1,08

j_a =0,2 — ускорение автомобиля м/с²

=0,85 — КПД трансмиссии.

 

 

=47,6 кВт.

Определяем эффективную мощность:

 кВт.

 

2. Тепловой расчёт и тепловой баланс карбюраторного двигателя

 

Произвести расчет четырехтактного  карбюраторного двигателя, предназначенного для легкового автомобиля. Эффективная мощность двигателя N_е = 56 кВт при частоте вращения коленчатого вала п = 5400 об/мин. Двигатель четырехцилиндровый, i = 4 с рядным расположением. Система охлаждения жидкостная закрытого типа. Степень сжатия ε = 8,5.

При проведении теплового  расчета для нескольких скоростных режимов обычно выбирают 3—4 основных режима. Для карбюраторных двигателей такими режимами являются:

1. режим минимальной частоты вращения n_min =900 об/мин, обеспечивающий устойчивую работу двигателя;
2. режим максимального крутящего момента при n_М = 3000 об/мин;
3. режим максимальной (номинальной) мощности при n_N = 5400 об/мин;
4. режим максимальной скорости движения автомобиля при n_max = 6000 об/мин;

С учетом приведенных  рекомендаций и задания (n_N = 5400 об/ мин) тепловой расчет последовательно проводится для п = 900, 3000, 5400 и 6000 об/мин.

Топливо. В соответствии с заданной степенью сжатия ε = 8,5 можно использовать бензин марки АИ-93.

Средний элементарный состав и молекулярная масса топлива

С =0,855; Н =0,145 и m_т = 115 кг/кмоль.

Низшая теплота сгорания топлива

Параметры рабочего тела. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

кмоль возд/кг топл.;

= кг возд/кг топл.

Коэффициент избытка  воздуха. Стремление получить двигатель достаточно экономичный и с меньшей токсичностью продуктов сгорания, которая достигается при α ≈ 0,95 - 0,98, позволяет принять α = 0,96 на основных режимах, а на режиме минимальной частоты вращения α = 0,86.

Количество горючей  смеси М₁= αL₀ + l/m_т; (1)

при п = 900 об/мин М₁= 0,86 · 0,516+1/115 = 0,4525 кмоль гор. см/кг топл;

при п = 3000, 5400 и 6000 об/мин M₁ = 0,96 · 0,516+1/115= 0,5041 кмоль гор. см/кг топл.

Количество отдельных компонентов  продуктов сгорания при К=0,5 и  принятых скоростных режимах:

при п = 900 об/мин

 кмоль СО₂/кг топл;

 кмоль СО/кг топл;

 

 кмоль Н₂О/кг топл;

 кмоль Н₂/кг топл;

 кмоль N₂/кг топл;

при п = 3000, 5400 и 6000 об/мин

 кмоль СО₂/кг топл;

 кмоль СО/кг топл;

 кмоль Н₂О/кг топл;

 кмоль Н₂/кг топл;

 кмоль N₂/кг топл;

Общее количество продуктов  сгорания

; (2)

 

при п = 900 об/мин

М₂=0,0512+0,02+0,0625+0,01+0,3515=0,4952 кмоль пр. сг/кг топл.

Проверка: М₂ = 0,855/12 + 0,145/2 + 0,792 ∙ 0,86 ∙ 0,516 = 0,4952 кмоль пр. сг/кг топл;

при п = 3000, 5400 и 6000 об/мин

М₂ = 0,0655 + 0,0057+0,0696 + 0,0029 + 0,3923 = 0,5360 кмоль пр. сг/кг топл.

Проверка: М₂ = 0,855/12 + 0,145/2 + 0,792 ∙ 0,96 ∙ 0,516 = 0,5360 кмоль пр. сг/кг топл.

Параметры окружающей среды и остаточные газы. Давление и температура окруж. среды при работе двигателей без наддува р_k=р₀=0,1 МПа и Т_k=Т₀=293 К.

Температура остаточных газов. При постоянном значении степени сжатия ε = 8,5 температура остаточных газов практически линейно возрастает с увеличением скоростного режима при α = const, но уменьшается при обогащении смеси. Учитывая, что при п = 900 об/мин α = 0,86, а на остальных режимах α = 0,96, принимается:

 

п	900	3000	5400	6000	об/мин
Тr	900	1000	1060	1070	МПа

 

Давление остаточных газов р_r за счет расширения фаз газораспределения и снижения сопротивлений при конструктивном оформлении выпускного тракта рассчитываемого двигателя можно получить на. номинальном скоростном режиме

p_rN = 1,18р₀ = 1,18 · 0,1 =0,118 МПа.

Тогда

A_р = (p_rN – p₀ ·1.035) 10⁸/( ₎ = (0,118-0,1·1,035) 10⁸/(5400² • 0,1) = 0,4973;

Р_r = р₀ (1,035 + A_р· 10^-8n²) = 0,1 (1,035+ 0,4973 · 10^-8n²) = 0,1035 + 0,4973·10^-9n². (3)

Отсюда получим:

п	900	3000	5400	6000	об/мин
pr	0,1039	0,1077	0,1170	0,1201	МПа

 

Процесс впуска. Температура подогрева свежего заряда. С целью получения хорошего наполнения двигателя на номинальном скоростном режиме принимается ∆Т_N=8°С. Тогда

;

. (4)

Далее получим:

 

п	900	3000	5400	6000	об/мин
∆Т	18,58	13,64	7,99	6,587	°С

 

Плотность заряда на впуске

,

где R_B = 287 Дж/кг · град — удельная газовая постоянная для воздуха.

Потери давления на впуске. В соответствии со скоростным режимом двигателя (n = 5400 об/мин) и при условии качественной обработки внутренней поверхности впускной системы можно принять β² + ξ_вп = 2,8 и ω_вп = 95 м/с. Тогда

А_n = ω_вп /n_N = 95/5400= 0,01759;

. (5)

Отсюда получим:

при n = 900 об/мин ∆p_α= 2,8 • 0.01759² • 900² • 1,189 ×10^-6/2 = 0,0004 МПа;

при n = 3000 об/мин ∆p_α= 2,8 • 0.01759² • 3000² • 1,189 ×10^-6/2 = 0,004635 МПа;

при n = 5400 об/мин ∆p_α= 2,8 • 0.01759² • 5400² • 1,189 ×10^-6/2 = 0,015 МПа;

при n = 6000 об/мин ∆p_α= 2,8 • 0.01759² • 6000² • 1,189 ×10^-6/2 = 0,0185 МПа.

Давление в конце  впуска

 р_α= p₀ — ∆p_α, (6)

 

п	900	3000	5400	6000	об/мин
рα	0,0996	0,09536	0,085	0,0814	МПа

 

Коэффициент остаточных газов. При определении γ_r для двигателя без наддува принимается коэффициент очистки φ_оч = 1, а коэффициент дозарядки на номинальном скоростном режиме φ_доз = 1,10, что вполне возможно получить при подборе угла опаздывания закрытия впускного клапана в пределах 30—60°. При этом на минимальном скоростном режиме (п = 900 об/мин) возможен обратный выброс в пределах 5%, т. е. φ_доз = 0,95. На остальных режимах значения φ_доз можно получить, приняв линейную зависимость φ_доз от скоростного режима. Тогда

. (7)

При n = 900 об/мин ;

при n = 3000 об/мин ;

при n = 5400 об/мин ;

при n = 6000 об/мин ;

Температура в конце впуска:

(8)

При n = 900 об/мин К;

при n = 3000 об/мин К;

при n = 5400 об/мин К;

при n = 6000 об/мин К;

Коэффициент наполнения:

. (9)

При n = 900 об/мин

при n = 3000 об/мин

при n = 5400 об/мин

при n = 6000 об/мин

Процесс сжатия. Средний показатель адиабаты сжатия k₁при ε =8,5 и рассчитанных значениях Т_а определяется по графику, а средний показатель политропы сжатия n₁ принимается несколько меньше k₁. При выборе n₁ учитывается, что с уменьшением частоты вращения теплоотдача от газов в стенки цилиндра увеличивается, а n₁ уменьшается по сравнению с k₁ более значительно: