Двигатель легкового автомобиля с возможностью форсирования закисью азота
|
Введение 4
1 Состояние вопроса, направление исследования 5
1.1 Применение закиси азота N2O для повышения мощности
автомобильных двигателей 5
1.2 Химия Nitro Boost 7
1.3 Исследование процесса горения газовых топлив с добавкой закиси
азота (Н2-^О-воздух и CH4-N2O-O2-N2) 9
1.4 Предел воспламеняемости 13
2 Тепловой расчет проектируемого двигателя 21
3 Кинематический и динамический расчет кривошипно-шатунного
механизма двигателя 42
3.1 Кинематический расчет кривошипно-шатунного механизма
двигателя 42
3.2 Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма двигателя 44
4 Анализ влияния закиси азота на рабочий процесс бензинового ДВС ... 50
4.1 Влияния закиси азота на максимальную температуру и давление
цикла 50
4.2 Анализ влияния добавки закиси азота на эффективных показатели
бензинового двигателя 54
Заключение 57
Список используемых источников 60
1 Состояние вопроса, направление исследования 5
1.1 Применение закиси азота N2O для повышения мощности
автомобильных двигателей 5
1.2 Химия Nitro Boost 7
1.3 Исследование процесса горения газовых топлив с добавкой закиси
азота (Н2-^О-воздух и CH4-N2O-O2-N2) 9
1.4 Предел воспламеняемости 13
2 Тепловой расчет проектируемого двигателя 21
3 Кинематический и динамический расчет кривошипно-шатунного
механизма двигателя 42
3.1 Кинематический расчет кривошипно-шатунного механизма
двигателя 42
3.2 Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма двигателя 44
4 Анализ влияния закиси азота на рабочий процесс бензинового ДВС ... 50
4.1 Влияния закиси азота на максимальную температуру и давление
цикла 50
4.2 Анализ влияния добавки закиси азота на эффективных показатели
бензинового двигателя 54
Заключение 57
Список используемых источников 60
Чистый кислород снижает температуру самовоспламенения практически любого топлива. Для некоторых легковоспламеняющихся материалов чистый кислород может понизить температуру воспламенения до такой степени, что они самовозгораются при комнатной температуре или просто под действием статического электричества. Например, тряпки, смоченные в растворителях.
Это крайне нежелательно для поршневого двигателя, так как это может привести к детонации/детонации, особенно в хорошо настроенном гоночном двигателе с нагнетателем или турбокомпрессором, при полной нагрузке на больших оборотах.
Повышение степени сжатия в двигателе желательно, поскольку оно увеличивает мощность и крутящий момент при заданном количестве топлива и воздуха, поступающих в двигатель. То есть повышает эффективность. Это обычное дело для гоночных двигателей. Однако стук возникает по совокупности причин. Высокое давление в цикле сжатия в сочетании с горячими точками в двигателе, такими как выпускные клапаны, может привести к преждевременному воспламенению заряда и чрезвычайно хаотичному горению. Это резко увеличивает усилие, действующее на поршень в верхней мертвой точке.
Добавление чистого кислорода усиливает эту тенденцию и может привести к выбросу штока, поломке болтов головки или выходу из строя прокладки головки.
Закись азота (N2O) увеличивает мощность тремя способами. Во- первых, он содержит 33% кислорода, в отличие от воздуха, который содержит около 19%. Это позволяет впрыскивать в цилиндр больше топлива, чем только воздуха. Однако N2O менее химически активен, чем O2в воздухе, потому что он связан с довольно инертным азотом, поэтому он менее склонен к детонации [6].
Большинство систем закиси азота впрыскивают в цилиндр тонкий распыл жидкой закиси азота и жидкого топлива. В жидком состоянии оба они гораздо более плотные, чем в газообразном состоянии, поэтому в цилиндр может попасть больше топлива и окислителя.
В некотором смысле двигатель, сильно форсированный закисью азота, может больше напоминать двухтопливную ракету на жидком топливе, а не двигатель с воздушным дыханием. В таком двигателе, как ракета, и горючее, и окислитель находятся на борту и впрыскиваются в камеру сгорания, и внешний источник воздуха не нужен. Технически это известно как двигатель газогенераторного цикла.
Наконец, цилиндр обычно довольно теплый после предыдущего цикла сгорания. Это существенно охлаждает цилиндр за счет испарения обеих жидкостей, что снижает давление во время цикла сжатия, это уменьшает количество паразитных потерь или потерь мощности при сжатии. Закись азота может использоваться в качестве хладагента. Это жидкость под давлением, но, когда она выходит из цилиндра, давление падает. Это снижает его температуру кипения ниже нуля, вызывая мгновенное кипение, которое потребляет много тепла [7].
Это крайне нежелательно для поршневого двигателя, так как это может привести к детонации/детонации, особенно в хорошо настроенном гоночном двигателе с нагнетателем или турбокомпрессором, при полной нагрузке на больших оборотах.
Повышение степени сжатия в двигателе желательно, поскольку оно увеличивает мощность и крутящий момент при заданном количестве топлива и воздуха, поступающих в двигатель. То есть повышает эффективность. Это обычное дело для гоночных двигателей. Однако стук возникает по совокупности причин. Высокое давление в цикле сжатия в сочетании с горячими точками в двигателе, такими как выпускные клапаны, может привести к преждевременному воспламенению заряда и чрезвычайно хаотичному горению. Это резко увеличивает усилие, действующее на поршень в верхней мертвой точке.
Добавление чистого кислорода усиливает эту тенденцию и может привести к выбросу штока, поломке болтов головки или выходу из строя прокладки головки.
Закись азота (N2O) увеличивает мощность тремя способами. Во- первых, он содержит 33% кислорода, в отличие от воздуха, который содержит около 19%. Это позволяет впрыскивать в цилиндр больше топлива, чем только воздуха. Однако N2O менее химически активен, чем O2в воздухе, потому что он связан с довольно инертным азотом, поэтому он менее склонен к детонации [6].
Большинство систем закиси азота впрыскивают в цилиндр тонкий распыл жидкой закиси азота и жидкого топлива. В жидком состоянии оба они гораздо более плотные, чем в газообразном состоянии, поэтому в цилиндр может попасть больше топлива и окислителя.
В некотором смысле двигатель, сильно форсированный закисью азота, может больше напоминать двухтопливную ракету на жидком топливе, а не двигатель с воздушным дыханием. В таком двигателе, как ракета, и горючее, и окислитель находятся на борту и впрыскиваются в камеру сгорания, и внешний источник воздуха не нужен. Технически это известно как двигатель газогенераторного цикла.
Наконец, цилиндр обычно довольно теплый после предыдущего цикла сгорания. Это существенно охлаждает цилиндр за счет испарения обеих жидкостей, что снижает давление во время цикла сжатия, это уменьшает количество паразитных потерь или потерь мощности при сжатии. Закись азота может использоваться в качестве хладагента. Это жидкость под давлением, но, когда она выходит из цилиндра, давление падает. Это снижает его температуру кипения ниже нуля, вызывая мгновенное кипение, которое потребляет много тепла [7].
В бакалаврской работе проведен расчет основных параметров бензинового двигателя для легкового автомобиля форсированного закисью азота, при стехиометрическом составе смеси. Получены основные выводы по работе:
1. Добавка закиси азота не может применяться для форсирования серийных автомобилей в связи с большой сложностью снижения концентрации оксидов азота в отработавших газах.
2. Добавка закиси азота более эффективна на богатых смесях, так как она приведет к большему расширению границ детонации и, следовательно позволит больше повысить мощность двигателя.
3. Показано что наиболее эффективно применять 2% добавку закиси азота в бензиновых двигателях.
4. Анализ расчетов показал следующие результаты:
- Мощность и крутящий момент возросли при добавке 2% N2O в среднем на 10,8%, а при 5% N2O - на 11,2%;
- Эффективный КПД двигателя увеличился при добавке 2% N2O в среднем на 5,5%, а при 5% N2O - на 6,2%;
- Удельный эффективный расход топлива снизился при добавке 2% N2O в среднем на 1,2%, а при 5% N2O - на 0,4%.;
- Максимальная температура возросла при добавке 2% N2O в среднем на 6,3%, а при 5% N2O - на 6,8%.;
- Максимальное давление в цикле увеличилось при добавке 2% N2O в среднем на 15,6%, а при 5% N2O - на 13,4%.;
Выводы по 1-му разделу
Проведенный обзор влияния закиси азота на процесс сгорания углеводородных топлив показал возможности повышения мощностных характеристик двигателя за счет кратковременной подачи закиси азота в цилиндр двигателя.
Характер потребления закиси азота в смесях водород-закись азота- воздух сильно отличается от поведения в смесях метан-закись азота-воздух. В то время как закись азота полностью диссоциирует при сгорании всех легковоспламеняющихся смесей метана с закисью азота и воздухом, она лишь частично диссоциирует для бедных смесей водорода с закисью азота и воздухом. Для трудновоспламеняющихся смесей водорода с закисью азота и воздухом закись азота практически не расходуется.
Нижний предел воспламеняемости смесей метана с закисью азота достигается при 2,7% метана при энергии воспламенения менее 10 Дж. Это значение увеличивается до 4,7% для энергий воспламенения менее 0,04 Дж. Верхний предел воспламеняемости составляет от 40 до 50% метана при энергии воспламенения менее 10 Дж. Добавление 70% N2сделает смесь инертной.
Выводы по 2-му разделу
Применение закиси азота действительно повышает мощностные характеристики работы двигателя. Также подтверждено расчетами, что для углеводородных топлив более эффективной является добавка 2 % от массы топлива закиси азота, при добавке в 5% прирост мощности практически остается на уровне 2% добавки. Это подтверждает результаты обзора научных источников, где показано, что для метана оптимальной по эффективности прироста мощности является добавка 2,5 % закиси азота, при том, что оптимальной добавка в водород будет 5%.
Выводы по 3-му разделу
По результатам динамического расчета получено, что при добавке закиси азота в бензовоздушную смесь происходит увеличение нагрузки на элементы кривошипно-шатунного механизма. Так суммарные силы, действующие на поршневой палец, возросли на 12% при добавке 2% закиси азота и на 14 % при добавке 5% закиси азота.
Обобщая полученные результаты, можно сказать, что применение добавки закиси азота не вызывает значительного роста нагрузок, величина прироста находиться в пределах запаса прочности деталей КШМ двигателя.
Выводы по 4-му разделу
Проведенный анализ показал, улучшение мощностных и эффективных показателей работы двигателя. Но следует отметить, что добавка закиси азота не может применяться для форсирования серийных автомобилей в связи с большой сложностью снижения концентрации оксидов азота в отработавших газах. А для спортивных автомобилей мощностными режимами работы являются режимы богатой смеси, где добавка закиси азота более эффективна, так как она по мимо повышения мощности приводит к росту детонационной стойкости, а значит при работе на богатой смеси большая доля закиси азота приведет к большему расширению границ детонации и, следовательно позволит больше повысить мощность двигателя. Хотя общая закономерность от снижения эффекта при увеличении добавки закиси азота будет справедлива и для богатых смесей.
1. Добавка закиси азота не может применяться для форсирования серийных автомобилей в связи с большой сложностью снижения концентрации оксидов азота в отработавших газах.
2. Добавка закиси азота более эффективна на богатых смесях, так как она приведет к большему расширению границ детонации и, следовательно позволит больше повысить мощность двигателя.
3. Показано что наиболее эффективно применять 2% добавку закиси азота в бензиновых двигателях.
4. Анализ расчетов показал следующие результаты:
- Мощность и крутящий момент возросли при добавке 2% N2O в среднем на 10,8%, а при 5% N2O - на 11,2%;
- Эффективный КПД двигателя увеличился при добавке 2% N2O в среднем на 5,5%, а при 5% N2O - на 6,2%;
- Удельный эффективный расход топлива снизился при добавке 2% N2O в среднем на 1,2%, а при 5% N2O - на 0,4%.;
- Максимальная температура возросла при добавке 2% N2O в среднем на 6,3%, а при 5% N2O - на 6,8%.;
- Максимальное давление в цикле увеличилось при добавке 2% N2O в среднем на 15,6%, а при 5% N2O - на 13,4%.;
Выводы по 1-му разделу
Проведенный обзор влияния закиси азота на процесс сгорания углеводородных топлив показал возможности повышения мощностных характеристик двигателя за счет кратковременной подачи закиси азота в цилиндр двигателя.
Характер потребления закиси азота в смесях водород-закись азота- воздух сильно отличается от поведения в смесях метан-закись азота-воздух. В то время как закись азота полностью диссоциирует при сгорании всех легковоспламеняющихся смесей метана с закисью азота и воздухом, она лишь частично диссоциирует для бедных смесей водорода с закисью азота и воздухом. Для трудновоспламеняющихся смесей водорода с закисью азота и воздухом закись азота практически не расходуется.
Нижний предел воспламеняемости смесей метана с закисью азота достигается при 2,7% метана при энергии воспламенения менее 10 Дж. Это значение увеличивается до 4,7% для энергий воспламенения менее 0,04 Дж. Верхний предел воспламеняемости составляет от 40 до 50% метана при энергии воспламенения менее 10 Дж. Добавление 70% N2сделает смесь инертной.
Выводы по 2-му разделу
Применение закиси азота действительно повышает мощностные характеристики работы двигателя. Также подтверждено расчетами, что для углеводородных топлив более эффективной является добавка 2 % от массы топлива закиси азота, при добавке в 5% прирост мощности практически остается на уровне 2% добавки. Это подтверждает результаты обзора научных источников, где показано, что для метана оптимальной по эффективности прироста мощности является добавка 2,5 % закиси азота, при том, что оптимальной добавка в водород будет 5%.
Выводы по 3-му разделу
По результатам динамического расчета получено, что при добавке закиси азота в бензовоздушную смесь происходит увеличение нагрузки на элементы кривошипно-шатунного механизма. Так суммарные силы, действующие на поршневой палец, возросли на 12% при добавке 2% закиси азота и на 14 % при добавке 5% закиси азота.
Обобщая полученные результаты, можно сказать, что применение добавки закиси азота не вызывает значительного роста нагрузок, величина прироста находиться в пределах запаса прочности деталей КШМ двигателя.
Выводы по 4-му разделу
Проведенный анализ показал, улучшение мощностных и эффективных показателей работы двигателя. Но следует отметить, что добавка закиси азота не может применяться для форсирования серийных автомобилей в связи с большой сложностью снижения концентрации оксидов азота в отработавших газах. А для спортивных автомобилей мощностными режимами работы являются режимы богатой смеси, где добавка закиси азота более эффективна, так как она по мимо повышения мощности приводит к росту детонационной стойкости, а значит при работе на богатой смеси большая доля закиси азота приведет к большему расширению границ детонации и, следовательно позволит больше повысить мощность двигателя. Хотя общая закономерность от снижения эффекта при увеличении добавки закиси азота будет справедлива и для богатых смесей.
Подобные работы
- Анализ влияния форсирования с применением впрыска воды или закиси азота на рабочий процесс двигателя легкового автомобиля
Магистерская диссертация, машиностроение. Язык работы: Русский. Цена: 5600 р. Год сдачи: 2022