Тепловой расчет двигателя при его работе на жидком топливе и переводе его на газ

Краткая техническая характеристика двигателя-прототина. Описание конструкции системы питания. Тепловой расчет двигателя: показатели рабочего процесса и потери. Расчет и построение внешней скоростной характеристики. Построение индикаторной диаграммы.

Рубрика	Транспорт
Вид	курсовая работа
Язык	русский
Дата добавления	18.01.2011
Размер файла	1,5 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра автомобилей и тракторов

По дисциплине: Инжекторные системы впрыска

На тему: «Тепловой расчет двигателя при его работе на жидком топливе и переводе его на газ»

1. Краткая техническая характеристика двигателя-прототина

2. Описание конструкции системы питания

3.Тепловой расчет двигателя

3.1 Параметры свежего заряда рабочего тела

3.2 Параметры рабочего тела в процессе впуска

3.3 Процесс сжатия

3.4 Процесс сгорания

3.5 Процесс расширения

3.6 Индикаторные показатели рабочего процесса

3.7 Механические потери и эффективные показатели двигателя

4. Расчет и построение внешней скоростной характеристики

5. Построение индикаторной диаграммы в координатах P — V

XX век — это мир техники. Могучие машины добывают из недр земли миллионы тонн угля, руды, нефти. Мощные электростанции вырабатывают миллиарды киловатт-часов электроэнергии. Тысячи фабрик и заводов изготавливают одежду, радиоприемники, телевизоры, велосипеды, автомобили, часы и другую необходимую продукцию. Телеграф, телефон и радио соединяет нас со всем миром. Поезда, теплоходы, самолеты с большой скоростью переносят нас через материки и океаны. А высоко над нами, за пределами земной атмосферы, летают ракеты и искусственные Спутники Земли. Все это действует не без помощи электричества.

Сегодня один из самых распространенных тепловых двигателей — двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т.д., во всем мире насчитываются сотни миллионов таких двигателей.

Выпуск двигателей является одним из самых затрато- и трудоемких процессов. Как продукт двигатель требует жесткого соблюдения технических требований, которые в свою очередь обусловлены общими требованиями к автомобилю и сводится к следующему: обеспечению необходимых энергетических характеристик; соблюдению постоянно ужесточающихся международных и российских норм по уровню вредных выбросов и излучению шума; существенному уменьшению эксплуатационных расходов топлива и масла; возможности работы на альтернативных топливах не нефтяного происхождения; снижению расхода природных ресурсов на производство и эксплуатацию двигателей; достижению приемлемых ценовых факторов, позволяющих поддерживать конкурентоспособность автомобилей.

Для выполнения всех этих требований необходимы, во-первых, значительные собственные либо заемные финансовые ресурсы; во-вторых, меры государственного масштаба.

Основные типы автомобильных двигателей, выпускаемые в нашей стране, — бензиновый и дизельный, при доминирующем положении бензиновых. Надо сказать, что в Европе процессы дизелизации происходят на порядок интенсивнее. Бензиновые двигатели применяют чаще на легковых автомобилях, небольших грузовиках и мини-вэнах. Дизельные двигатели применяют в основном на грузовых автомобилях и автобусах, где их преимущества в высокой топливной экономичности и ресурсе наиболее весомы.

Несмотря на достаточное количество производителей, модельный ряд российских автомобилей и двигателей все-таки беден, хотя уровень производства собственно двигателей на российских предприятиях ряд экспертов оценивают как вполне достаточный. В любом случае он выше, чем уровень технологии на многих двигателестроительных заводах, к примеру, в Азии. Однако на российских предприятиях нельзя производить многие высокотехнологичные узлы, необходимые современным двигателям — современный турбонаддув, современную систему управления впрыском топлива. Менее оптимистичные оценки свидетельствуют о низком технологическом уровне. Также необходимо иметь в виду, что еще с советских времен на российских предприятиях существовала проблема нестабильности технологического процесса и, соответственно, качества. Эта трудность существует и сейчас. В сложившейся ситуации большинство российских двигателестроительных заводов вынуждено развиваться самостоятельно, что в современных условиях в ряде случаев практически невозможно. Этим же объясняется нарастающее системное отставание по уровню внедренных конструкторских разработок.

Естественно, что уровень российского двигателестроения, как и автопрома, не столь высок относительно общемировых стандартов. Но от двигателестроительных производителей Бразилии, Индии и даже Китая российских производителей выгодно отличает наличие устойчивой базовой технологии. Это означает, что при равном отставании в области применения высоких технологий российские двигатели будут иметь хорошие конкурентные преимущества на рынках Латинской Америки, Центральной и Южной Азии.

Что в связи с этим может ожидать наших моторостроителей? По ряду оценок, в ближайшие 5-10 лет российские двигателестроительные предприятия могут уйти в нишу дешевых двигателей с более низкими характеристиками по мощности, экологичности, топливопотреблению и, разумеется, по цене. Рынок стран с развитым автомобилестроением будет полностью закрыт для российских моторостроителей. Однако рынок развивающихся автомобильных держав откроет для отечественных производителей моторов новые интересные перспективы.

1. Краткая техническая характеристика двигателя-прототина

Базовый ВАЗ-2109 оснащали поперечно расположенным карбюраторным 1,3-литровым четырехцилиндровым двигателем мощностью 65 л.с., с которым полностью загруженный автомобиль (полезная нагрузка 425 кг) разгоняется до 100 км/ч за 18 с и достигает скорости 156 км/ч. Его прекратили выпускать с 1997 года в связи с прекращением производства недостаточно мощных двигателей типа ВАЗ-2108. Более стильную модель ВАЗ-21093 (которая теперь является единственной «девяткой» в заводской программе) оснащают 72-сильным 1,5-литровым двигателем ВАЗ-21083, у которого при сохранении скоростных и экономических параметров на секунду лучший результат по разгону с места до сотни. ВАЗ-21093i — с 1,5-литровым инжекторным двигателем. Так же выпускалась модификация с двигателем рабочим объемом 1,1 л (ВАЗ-21091).

Краткая техническая характеристика по базовому двигателю:

1. Максимальная мощность N_{e max} = 47,5 кВт

2. Частота вращения при максимальной мощности n_{Ne max} =5600 об/мин

3. Число и расположение цилиндров — 4, рядное расположение

4. Степень сжатия е=9,9

5. Диаметр цилиндра D = 76 мм

6. Ход поршня S = 71 мм

8. Максимальный крутящий момент М_{е max} = 121,6 Н•м

9. Частота вращения при максимальном крутящем моменте n_{Me max} =3400 об/мин

10. Литраж двигателя V_л = 1,3 л

11. Минимальный удельный расход топлива g_e =312 г/кВт•ч

12. Форма камеры сгорания.

Система питания имеет следующие особенности:

увеличена емкость топливного бака до 43 л; пробка заливной горловины топливного бака на некоторых автомобилях снабжена замком;

на топливоподающем трубопроводе установлен топливный фильтр тонкой очистки;

для стабилизации давления на входе в карбюратор предусмотрена обратная топливная ветвь для слива излишков топлива в бак;

использован новый карбюратор, обеспечивающий экономичную смесь — на различных режимах работы двигателя;

для удобства пользования и снижения токсичности при пуске двигателя карбюратор имеет диафрагменное пусковое устройство;

улучшена термостабильность системы подачи воздуха, забор которого в условиях высокой температуры окружающей среды осуществляется из предрадиаторного пространства, а при низких температурах — из зоны выпускного коллектора.

2. Описание конструкции системы питания

Двигатель ваз 2108 с инжекторной системой питания.

Топливопровод с топливной рампой

Форсунка (инжектор) — управляемый электромагнитный клапан, обеспечивающий дозированную подачу топлива в цилиндры двигателя. Существуют форсунки для центрального (одноточечного, моно) и для распределённого (многоточечного) впрыска. Блок управления — электронный блок, управляющий системой впрыска, в частности работой форсунок.

Многие современные автомобили оснащаются системами впрыска топлива. Состояние форсунок — неотъемлемой части системы впрыска — во многом определяет эффективность работы двигателя. Впрыск топлива имеет неоспоримые преимущества по сравнению с карбюраторным принципом смесеобразования. В первую очередь, это более точное дозирование топлива, а следовательно, большая экономичность и приемистость автомобиля и меньшая токсичность отработавших газов. Однако основная исполнительная деталь системы впрыска — форсунка — работает в тяжелых условиях и поэтому весьма требовательна к обслуживанию.

Когда под натиском научно-технического прогресса карбюраторные системы подачи топлива, доминировавшие в автомобильной промышленности продолжительное время, уступили своё место впрысковым системам, лучшие дни традиционных газовых редукторных систем отошли в прошлое. Незадолго до наступления этой новой эры автомобилестроения производители газовой аппаратуры начали активные поиски решений по адаптации традиционных редукторных газовых систем к реальности современного инжекторного автомобиля.

Системы усложнялись введением новых электронных устройств, и каждая новая комбинация провозглашалась гордым именем нового поколения. Однако результат все равно оставался неудовлетворительным, поскольку, как и в редукторной системе, подача газа по-прежнему осуществлялась через смеситель в пространство перед дроссельной заслонкой, далеко от камеры сгорания. Серьёзные недостатки такой стратегии топливоподачи проявлялись в нестабильности работы двигателя, опасности воспламенения газовоздушной смеси, заполняющей впускной коллектор, и разрушения самого впускного коллектора (т.н. хлопки), значительном ухудшении динамических характеристик автомобиля и излишне высоком расходе газа. В конечном счете, после серии неудачных экспериментов пришло понимание, что для осуществления возможности работы инжекторного автомобиля на газовом топливе современная газовая система в своих принципах должна иметь сходные алгоритмы работы с современной бензиновой системой, так же как газовый редуктор повторял логику работы бензинового карбюратора. В такой системе подача топлива должна быть не постоянной, а цикловой, причём расположение подающего газ устройства должно быть максимально приближено к камере сгорания.

Поэтому общепринятая система классификации поколений автомобильных газовых систем, если исходить из принципа дозирования топлива, представляется несколько искусственной, с неподобающим распределением статусов нового поколения.

Распределенный впрыск газа — это принципиально новая технология, которая и является по сути настоящим вторым поколением автомобильных газовых систем. В любом случае нумерация поколений — это вопрос предпочтений, в то время как реальные эксплуатационные свойства систем разных производителей и различия в их конструкциях представляют несомненный интерес.

ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЁННОГО ВПРЫСКА ГАЗА. ОБЩИЙ ПРИНЦИП РАБОТЫ.

Сжиженный нефтяной газ (далее СНГ), хранящийся в баллоне, подаётся под собственным давлением по медным трубопроводам в подкапотное пространство автомобиля. Обычное давление СНГ в баллоне составляет летом 7-12 Атм., а зимой 0.5 — 4 Атм.

При достижении температуры -43°С давление падает до нуля и подача СНГ прекращается.

· 1 — газовый клапан

· 2 — испаритель / регулятор давления СНГ

· 3 — температурный датчик

· 4 — питание от силовой цепи зажигания

· 5 — заземление на корпус автомобиля

· 6 — газовый фильтр 5-7 мкм

· 7 — газовый инжектор

· 8 — бензиновая форсунка

· 9 — кабель эмулятора бензиновых форсунок

· 10 — подающая трубка

· 11 — переключатель вида топлива с индикатором

· 12 — электронный блок управления

· 13 — впускной воздушный коллектор двигателя

· 14 — двигатель автомобиля

СНГ проходит через электромагнитный клапан отсечки и поступает в редуктор. К редуктору подводится охлаждающая жидкость двигателя для подогрева, чтобы СНГ начал активно испаряться. При испарении СНГ расширяется и создает рабочее давление. Величина рабочего давления может быть отрегулирована на заводе изготовителе, либо возможность регулировки может быть предусмотрена на редукторе. Обычно регулировка осуществляется вращением винта, находящегося в центре передней крышки редуктора.

Далее испаренный газ проходит по трубопроводу в фильтр тонкой очистки, где отделяются механические примеси. После фильтра газ проходит по трубопроводу в распределительную рампу, откуда поступает к газовым инжекторам. Газовый инжектор открывается по сигналу электронного блока управления, пропуская дозу газа, и закрывается по окончании сигнала электронного блока. Бензиновая схема топливоподачи повторяется с той лишь особенностью, что газ, в отличие от бензина, очень хорошо смешивается с воздухом, и не требует тщательно сформированного факела распыления.

Электронный блок управления считывает управляющие сигналы бензиновых форсунок, вырабатываемые штатным блоком управления автомобиля, и сигналы дополнительных датчиков, поставляемых с газовой системой, и формирует расчетным образом сигналы управления газовыми инжекторами, отключая при этом сами бензиновые форсунки.

3. Тепловой расчет двигателя

Тепловой расчет двигателя служит для определения параметров рабочего процесса. В первую очередь производится определение этих параметров для базового двигателя, работающего на жидком топливе (в карбюраторном и инжекторном вариантах). В связи с тем, что газовые двигатели создаются на базе бензиновых, тепловой расчет двигателя при изменении конструкции системы питания проводится с целью определения изменения параметров рабочего процесса, мощностных и экономических показателей по сравнению с базовым двигателем.

Использование газового топлива может осуществляться либо при неизменной степени сжатия, либо с ее повышением. Увеличение степени сжатия проводится либо постановкой новой головки блока с уменьшенной камерой сгорания, либо установкой поршней с увеличенной головкой поршня. На двигателях легковых автомобилей, имеющих высокую степень сжатия (8. 10), перевод на газовое топливо (сжиженный газ) проводят без изменения степени сжатия.

Введем следующие обозначения:

А) для карбюраторных двигателей

Б) для газовых двигателей

В) для двигателей с электронным впрыском

3.1 Параметры свежего заряда рабочего тела

Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания :

А) для сгорания 1 кг бензина (С = 0,85; H = 0,145):

Б) для сгорания 1 кг сжиженного нефтяного газа (СНГ), состоящего из 52% пропана (C₃H₈) и 48% бутана (С₄H₁₀):

В) для сгорания 1 кг бензина (С = 0,85; H = 0,145):

Количество свежего заряда в конце впуска:

где — коэффициент избытка воздуха, =0,8 .

м_т — молярная масса паров бензина; м_т=110…120 кг/кмоль.

L_{0 ГТ} — теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания газового топлива. При использовании СНГ в данную формулу подставляется L_{0 СНГ}. Значение б для сжиженного газа лежит в пределах 0,8…0,9.

где для впрыска бензина равно 1.

3.2 Параметры рабочего тела в процессе впуска

Давление окружающей среды Р₀=0,1013 МПа, температура окружающей среды Т₀ = 293 К.