Создание двигателя внутреннего сгорания оппозитной компрессии

XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Создание двигателя внутреннего сгорания оппозитной компрессии

Любимов М.А. 1
1МАОУ Лицей№4
Каменских Е.Р. 1
1МАОУ Лицей№4
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Вступление

В наше время в сфере автомобилестроения наиболее остро стоит проблема экономии топлива. По данным нефтегазовой компании British Petroleum на 2010 год оставшихся 1383,2 миллиардов баррелей хватит на ближайшие 46 лет. Для решения данной проблемы был создан проект в области физики под названием – Двигатель внутреннего сгорания оппозитной компрессии (ДВСОпК).

Цель проекта: Создание 3д модели, а также расчетов мощности ДВСОпК.

Задачи, которые необходимо выполнить:

Разработать технические требования к двигателю, основываясь на существующей модели.

Рассчитать его показатели, основываясь на данных требованиях.

Сравнить с основной моделью.

Создать компьютерную модель двигателя.

Напечатать модель на 3д принтере.

Методы работы:

Изучение специализированой литературы

Моделирование

Анализ

Сравнение

Синтез

Технические требования

В качестве образцов для задания необходимых технических требований будут использованы следующее образцы двигателей: ВАЗ-2106, ВАЗ-2112, RENAULT 1,6i. Сравнительная таблица параметров приведена в Приложении (см. Таблица 1).

Изучив данные сравнительной таблицы, выбран двигатель RENOULT 1,6i в качестве образца для выведения технических требований.

Для создания модели двигателя будем ориентироваться на следующие параметры:

Рабочий объем двигателя, см3: 1598

Мощность (л. с.) при 6000 об/мин: 113

Крутящий момент, Н*м: 152

Степень сжатия: 11

Расход топлива смешанный, л/100 км: 6,9

После расчетов данных параметров для ДВСОпК, а также учитывая параметры 3д модели, в заключении проведем сравнительный анализ показателей с выбранным двигателем.

Принцип работы двигателя

Данный двигатель имеет стандартный цикл, состоящий из 4 тактов:

Впуск

Сжатие

Рабочий ход

Выпуск

Этапы цикла: Топливо проходит через клапан во впускном отверстии входя в верхнюю или нижнюю (в зависимости от начального положения поршней) полусферу двигателя (на фото синего цвета). При этом поршни(на фото серого цвета) находятся выше (ниже) мертвой точки двигателя – положения, в котором поршни составляют горизонтальный диаметр. Далее поршни двигаются навстречу друг-другу сжимая топливо между собой, до момента подрыва заряда искрой в свече зажигания. После подрыва поршни начинают расходиться, совершая тем самым рабочий ход. В определенный момент клапан в выходном отверстии открывается, выпуская выхлопные газы. Энергия проходит через конвертер постоянного вращения (КПВ)(на фото черного цвета), который переводит колебательное движение поршня во вращательное.

Расчет параметров ДВСОпК

Расчет эффективной мощности.

Для расчетов мощности была использована следующая формула:

где - плотность заряда, - коэффициент заполнения, - коэффициент эффективного КПД, - минимальная теплота сгорания топлива, - коэффицент избытка воздуха, - минимально необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, - объем двигателя, - число оборотов в минуту.

Для начала найдем объем V. Для этого рассчитаем площадь сечения двигателя как сумму площадей фигур в него входящих:

Получим, что . Следовательно, зная что высота двигателя равна 10 мм, получим объем равный

Далее расчитаем плотность заряда и коэффицент избытка воздуха (КИВ). Предполагается гипотетическая модель двигателя, то КИВ примем равным 2,4. Для рассчета массы топлива на основе КИВ применим следующее уравнение:

Получим, что масса топлива , зная плотность бензина, найдем объем занимаемый топливом .

Для расчетов тех же параметров для воздуха воспользуемся следующей формулой объема.

Примем воздух за идеальный газ состоящий из кислорода, плотность которого равна . Найдем объем . Отсюда масса равна .

Вычислим плотность заряда по формуле:

Вернемся к уравнению эффективной мощности. Примем следующие параметры равными:

, так как данные параметры – табличные. Подставим значения в уравнение и получим:

Расчет крутящего момента

Для расчета данного параметра применим следующую формулу:

в которой . Получим .

Расчет степени сжатия

Расчитаем данный параметр как:

Примем Получим .

Расчет расхода топлива

Для рассчета параметра расхода топлива воспользуемся следующей формулой:

Выведем F:

Примем , так как рассматриваем движение в городе. Вычислим . После этого, разделим получим:

Найдем объем топлива расходуемый при совершении 2000 оборотов в минуту и умножим на полученный коэффицент. Получим .

Техническое сравнение с образцом.

Показатели двигателей

RENAULT 1,6i

ДВСОпК

Рабочий объем, см3

1598

1656

Мощность, л. с.

при об/мин

113

6000

972

2000

Крутящий момент, Н*м

при об/мин

152

4200

1533

4200

Расход топлива смешанный, л/100 км

6,9

13

Степень сжатия

12

24

Сравнив параметры двигетелей ДВСОпК и RENAULT 1,6i, можно сказать, что первый мощнее в 8 раз, при этом расходуя в 1,9 раз больше топлива.

Финансово-экономическое сравнение

Для проведения сравнения финансовых параметров, были определены основные элементы сравнения:

Примерная стоимость двигателя

Месячный расход топлива

Годовой расход топлива

Сравнение будет проводится между двигателями, приведенными в Таблице 1: ВАЗ-2106, ВАЗ-2112, RENAULT 1,6i, а также ДВСОпК, данные которого приведены в главе «Расчет параметров ДВСОпК». Полный анализ с числовыми значениями приведен в Приложении (см. Таблицы 2, 3, 4).

Вывод по финансово-экономическому сравнению: данная модель ДВСОпК дороже в производстве и в содержании. Однако если сравнить мощности с образцом, мы получим, что расход может быть много меньше (1,625 л), а данный результат, представленный в таблицах, можно отнести к более мощной модели.

Вывод

Проанализировав результаты работы, следует указать, что цель проекта достигнута: создана 3д модель двигателя и рассчитаны ее параметры. В своей основе двигатель имеет инновационный способ работы поршневой системы, который необходимо в дальнейшем экспериментально изучить и провести корректировку модели в условиях выявленных проблем.

Вместе с тем, один из технических параметров – расход топлива – не отвечает поставленной задаче. Проанализировав этот недостаток, возможно предположить, что произошло несоответствие большой формы и переизбытка мощности. При сравнении теоретических расчетов расхода топлива со стандартными двигателями, эффективная мощность превышает образцовую в 8 раз.

Таким образом, модель двигателя, о которой идет речь в проекте, может быть переклассифицирована на использование в тяжелой технике и транспорте.

Источники

Луканин В. Н. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Учебник. /Луканин В.Н., Морозов К.А., Хачиян А.С. – М.: Высшая школа, 1995.

Фомин Ю.Я. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Учебник. /Фомин Ю.Я., Горбань А.И., Добровольский В.В. – Л.: Судостроение, 1993. – 344 с. ил.

Лебедев О.Н. Двигатели внутреннего сгорания речных судов. Учебник. / Лебедев О.Н., Сомов В.А., Калашников С.А – М.: Транспорт, 1990. – 328 с. ил.

Ваншейдт В.А. Дизели. Изд-е 3-е, переработ, и дополн. Справочник. /Под ред. В.А. Ваншейдта, Н.Н. Иванченко, Л.К. Коллерова. – Л.: Машиностроение, 1977. – 480 с.

Орлин А.С. Двигатели внутреннего сгорания. Теория и расчёт рабочих процессов. Изд-е 4-е, переработ, и дополн. /Под ред. А.С. Орлина и М.Г. Круглова. – М.: Машиностроение, 1984.

Колчин А.И. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей. 3-е издание. /Колчин А.И. – М.: Высшая школа,2002 – 496 с.

Drive2. Какое топливо выбрать для Magnum 318 (занимательная математика)? [Электронный ресурс]. - URL. https://a.d-cd.net/eg2fb1s-1920.jpg.

Тмклазер. Таблица плотностей веществ. [Электронный ресурс]. – URL. https://тмклазер.рф/raznoe/plotnost-zheleza-v-kg-na-m3-plotnost-zheleza-konverter-velichin-konverter-edinicz-plotnosti-plotnosti-razlichnyh-veshhestv.html.

BP Statistical Review of World Energy. [Электронный ресурс]. – URL: https://www.bp.com/en/global/corporate/news-and-insights/reimagining-energy.html.

Wikipedia. Oxygen. [Электронный ресурс]. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Кислород

Глоссарий

Рабочий объем двигателя - важнейший конструктивный параметр (характеристика) двигателя внутреннего сгорания, складывается из рабочих объемов всех цилиндров. 

 Степень сжатия — отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.

Смешанный расход топлива – усредненные значения расхода в городе и на трассе.

Крутящий момент – векторная физическая величина, характеризующая действие силы на механический объект, которое может вызвать его вращательное движение.

Плотность заряда – среднее отношение суммы масс частей смеси к сумме их объемов.

Коэффициент заполнения – отношение объема цилиндра к объему заряда.

Коэффициент эффективного КПД – отношение полезной работы ко всей произведенной.

Минимальная теплота сгорания топлива – минимальная энергия, выделяющаяся при сгорании 1 кг топлива.

Приложение

Приложение 1:

Таблица 1 «Сравнение базовых параметров»:

Показатели двигателей

ВАЗ-2106

ВАЗ-2112

RENAULT 1,6i

Расположение,

число цилиндров

Рядный 4

Число клапанов

8

16

16

Рабочий объем, см3

1569

1499

1598

Мощность, л. с.

при об/мин

75,5

5400

90,7

5600

113

6000

Крутящий момент, Н*м

при об/мин

116

3000

127

3700

152

4200

Расход топлива смешанный, л/100 км

8,5

7,4

6,9

Степень сжатия

8,5

9

11

Приложение 2: Таблицы финансово-экономического сравнения

Таблица 2:

Таблица 3:

Таблица 4:

П риложение 3: Чертежи деталей

Приложение 4: Фотографии 3д модели

Просмотров работы: 39