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

Тип двигателя	дизельный
Степень сжатия, ε	14,5
Максимальное давление, Pz, МПа	6,7
Частота вращения коленчатого вала двигателя, n, об/мин	3800
Число цилиндров двигателя, i	6
Диаметр цилиндра,  dц, м	0,095
Ход поршня, S, м	0,102
Длина шатуна, lш, м	0,26

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:

          

m
c_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:
m
c_v^” =                        (4.8)

m
c_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.

После подстановки в уравнение сгорания известных параметров в виде числовых значений и последующих преобразований оно превращается  в квадратное уравнение:
АТ_z² + ВТ_z + С = 0,                                            (4.10)
где А, В, С –  числовые коэффициенты.


2,740 · 10^–3 Т_z² + 30,549 Т_z – 75781,564 = 0.

Тогда решение уравнения имеет вид
                                          (4.11)

               
Максимальная  температура сгорания равна  Т_z = 2089 К.

Теоретическое максимальное давление цикла определяется по формуле:


Р_z¢ = Р_z.                                                       (4.12)


                                              Р_z¢ = 6,7  МПа.
5 Расчет процесса расширения
Степень предварительного расширения для дизельных двигателей определяется по формуле:

 

r = (m / l_z ) × (Т_z  / Т_с) ;                                           (5.1)


r = (1,049 / 2,060) · (2089 / 821) = 1,296.
Объем  цилиндра в точке  Z определяется по формуле:
V_z = V_c  r;                                                    (5.2)


V_z = 0,054 · 10^{– 3} × 1,296 = 0,070 · 10^{– 3}  м³.


 

Степень  последующего  расширения определяется по формуле:
d = e / r;                                                      (5.3)


d = 14,5 / 1,296 = 11,188.

Давление и температура в цилиндре в конце процесса расширения определяются по формулам:


                                                  (5.4)

                                               (5.5)
где  n₂ – показатель политропы расширения, n₂ = 1,26 [2].
Р_в = 6,7 / 11,188^1,26 = 0,320 МПа;


Т_в = 2089 / 11,188^{1,26 – 1}   = 1117 К.
6 Индикаторные показатели работы двигателя
После определения параметров характерных точек индикаторной диаграммы вычисляются показатели рабочего процесса.

Средним индикаторным давлением  Р_i  называют отношение работы газов  за цикл L_i  к рабочему объему  V_h четырехтактного двигателя. Среднее индикаторное давление теоретического цикла для  дизелей определяется по формуле:
           (6.1)
     
Среднее индикаторное давление  действительного цикла для  четырехтактного двигателя определяется по формуле:
Р_i = j_п Р_i
¢
,                                                      (6.2)

 

где  j_п  – коэффициент полноты индикаторной диаграммы, j_п  = 0,94 [2].


Р_i = 0,94 · 0,882 = 0,829 МПа.
Индикаторный коэффициент  полезного  действия  h_i характеризует  степень  совершенства рабочего процесса в двигателе и представляет собой отношение теплоты, эквивалентной  индикаторной работе  цикла, к теплоте сгорания топлива:
                                            (6.3)

Удельный индикаторный  расход  топлива определяется по формуле:

                                        (6.4)
 г/кВт.ч.
Индикаторная мощность двигателя определяется по формуле:
                                     (6.5)
где   i – число цилиндров двигателя, i = 6;

       n – частота вращения коленчатого вала двигателя, n = 3800 об/мин;

       t – коэффициент тактности двигателя, для 4-х тактных ДВС t = 4,
 кВт.

7 Эффективные показатели работы двигателя
Эффективные показатели характеризуют  двигатели в целом, так как учитывают не только потери теплоты, но и механические потери в  двигателе. Для их определения вначале находят среднее давление  механических потерь:
Р_м = 0,103 + 0,012 C_m ,                                         (7.1)
где С_m – средняя скорость поршня, м/с:
                                                   (7.2)

Среднее давление механических потерь равно:
Р_м = 0,103 + 0,012 · 12,92 = 0,258 МПа.
Среднее эффективное  давление определяется по формуле:


Р_е  = Р_i  –  Р_м;                                                   (7.3)
Р_е = 0,829 – 0,258 = 0,571 МПа.
Механический КПД  двигателя определяется по формуле:
                                                  (7.4)

Эффективный КПД двигателя определяется по формуле:


h_е
= h_i
h_м ;                                              (7.5)
h_е
= 0,374 × 0,689 = 0,258.
Удельный эффективный расход  топлива определяется по формуле:


                                                  (7.6)

Эффективная мощность двигателя, определяется по формуле:


N_е = N_i  h_м.                                                (7.7)



N_е = 113,88 × 0,689 = 78,46 кВт.
8 Построение индикаторной  диаграммы
Индикаторная диаграмма строится в координатах давление Р – V. По оси абсцисс откладываются вычисленные ранее объемы V_a, V_c, V_z, V_в, соответствующие положению характерных точек индикаторной диаграммы. По оси ординат откладываются вычисленные ранее давления P_a, P_c, P_z, P_в. По значениям объемов и давлений находим положение характерных точек индикаторной диаграммы ("а", "с", "z", "в").

Далее необходимо определить координаты промежуточных точек политроп сжатия "а" – "с" и расширения "z" – "b". Для этого выразим значение давлений Р этих политроп при заданном текущем объеме V.

Расчет политропы сжатия
                                               (8.1)
Расчет политропы расширения
                                             (8.2)
Объем цилиндра определяется по формуле:
V
=
V_c
+
F
_п
 
S.                                               (8.3)
Ход поршня определяется по формуле:



S

 =
R
(1 – cos
j + l (1 – cos
2j) / 4),                              (8.4)
где  R – радиус кривошипа коленчатого вала (берется по заданию как половина

              хода поршня), R  = 0,051 м;

      j  – угол  поворота коленчатого вала, град.

       l – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна:
                                                      (8.5)
где l
_ш – длина шатуна, l
_ш = 0,26 м.

Пример расчета при   j  = 180º.
S  = 0,051 · (1 – cos 180º + 0,196 · (1 – cos (2 · 180º)) / 4) = 0,102 м;

      

     

    
Результаты  расчетов политропных процессов расширения и сжатия приведены в таблице 2.
             Таблица 2 – Результаты расчета политропных процессов сжатия и расширения

j, °	S, м	V = Vc+ F п × S, м3	Сжатие			Расширение
			Va / V	(Va   / V)n1	P, МПа	V / Vz	(V / Vz)n2	P, МПа
180	0,102	0,777 · 10–3	1	1	0,088	11,188	20,962	0,320
210	0,096	0,734 · 10–3	1,059	1,080	0,095	10,486	19,318	0,347
240	0,080	0,621 · 10–3	1,251	1,353	0,119	8,871	15,648	0,428
270	0,056	0,451 · 10–3	1,723	2,084	0,183	6,443	10,458	0,641
300	0,029	0,259 · 10–3	3,000	4,407	0,388	3,700	5,199	1,289
330	0,008	0,111 · 10–3	7,000	13,832	1,217	1,586	1,788	3,747
360	0	0,054 · 10–3	14,5	36,970	3,253	1	1	6,7

Индикаторная диаграмма дизельного двигателя  изображена на рисунке 1.
Список использованных источников
     1 В. М Кленников., Ю. И. Боровских и др. Устройство автомобиля. – М.: Высшая школа, 1978. – 165 с.

     2  С. И. Сухопаров, Р. К. Гизатуллин. Термодинамика и транспортные двигатели: методические указания по выполнению контрольной  работы "Расчет рабочего процесса автотранспортного двигателя". – Гомель/БелГУТ , 2005. – 18 с.
Содержание 

Введение…………………………………………………………………….	3
1 Расчет объема камеры сгорания…………………………………………	4
2 Расчет процесса наполнения…………………………………………….	5
3 Расчет параметров сжатия рабочего тела в цилиндре…………………	6
4 Расчет процесса сгорания………………………………………………..	7
5 Расчет процесса расширения…………………………………………….	10
6 Индикаторные показатели работы двигателя…………………………..	11
7 Эффективные показатели работы двигателя…………………………...	13
8 Построение индикаторной  диаграммы…………………………………	15
Список использованных источников……………………………………...	18