Расчет дизильного двигателя

   МИНИСТЕРСТВО  СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА  И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ

РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ

   Московский  государственный агроинженерный университет

имени В.П.Горячкина 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа:

ТРАКТОРЫ  И АВТОМОБИЛИ 
 
 
 
 

Выполнил :

студент 

Принял: 
 
 
 
 

Москва 2006 год

Содержание

                  стр.

Введение………………………………………………………………… 3

Исходные данные………………………………………………………. 3

1. Тепловой расчёт  …………………………………………………….. 4

   1.1. Топливо…………………………………………………………… 4

   1.2. Параметры  рабочего тела……………………………………….. 4

   1.3. Параметры остаточных газов…………………………………… 4

   1.4. Процесс  впуска………………………………………………….. 5

   1.5. Процесс  сжатия………………………………………………….. 6                                                                                    

   1.6. Процесс  сгорания……………………………………………….. 7

   1.7. Процессы  расширения и выпуска………………………………. 8

   1.8. Индикаторные  параметры рабочего цикла ……………………. 9

   1.9. Эффективные  показатели двигателя …………………………… 9

   1.10. Основные  параметры цилиндра и двигателя…………………. 10

   1.11. Построение  индикаторной диаграммы……………………….. 11

   1.12. Тепловой  баланс двигателя……………………………………. 13

2.Построение  теоретических характеристик двигателя……………… 15

3.Кинематический  расчет………………………………………………. 16

4. Динамический  расчёт………………………………………………… 17

   4.1. Силы  давления газов……………………………………………… 17

   4.2. Приведение  масс частей кривошипно-шатунного  механизма…. 17

   4.3. Удельные  и полные силы инерции………………………………. 17

   4.4. Удельные  суммарные силы ……………………………………… 18

   4.5. Крутящие  моменты……………………………………………….. 20

   4.6. Расчет маховика………………………………………………….. 20                                                                            

5. Работа двигателя  с использованием частичных режимов…………. 21

   5.1.Исходные  данные…………………………………………………. 21

   5.2.Расчет  частичных режимов……………………………………….. 21

6. Расчёт системы  питания двигателя…………………………………… 24

   6.1.Определение  регулировочных параметров топливной  системы

   дизеля…………………………………………………………………… 24

7. Проверка системы  пуска……………………………………………… 28

    7.1.Определение  мощности пускового устройства………………… 28

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

Список использованной литературы…………………………………… 29

Приложение……………………………………………………………… 30 

Введение

      Целью выполнения курсовой работы является закрепление теоретических знаний, полученных в лекционном курсе “Основы теории и расчета автотракторных двигателей”, приобретение умений и навыков по анализу рабочих процессов в цилиндрах, системах и механизмах двигателя, влияние на них и на показатели двигателя в целом эксплуатационных факторов.

Исходные  данные

1. Тепловой расчёт

1.1. Топливо

       В соответствии с ГОСТ 305-82 принимаем дизельное топливо (для работы в летних условиях – марки Л; для работы в зимних условиях – марки З). Цетановое число – не менее 45.

      Средний элементарный состав дизельного топлива

С=0,87; Н=0,126; О = 0,04.

Низшая  теплота сгорания топлива 

Н_и=33,91*С + 125,6*Н – 10,89*(О-S)-2,51*(9*Н + W) =

= 33,91*0,87 + 125,.6*0,126 – 2,51*9*0,126 = 42440 кДж/кг.

1.2. Параметры рабочего  тела.

     Теоретически  необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

L₀ = 1/0,208*(С/12 + Н/4 - О/32) = 1/0,208*(0,87/12+0,126/4-0,04/32) =

= 0,5 кмоль  возд/кг топл ; 

l₀ = 1/0,23*(8/3*C + 8*H - O) = 1/0,23*(8/3*0,87+8*0,126 – 0,04) =

=14,45 кг  возд/кг топл 

Количество  свежего заряда

М₁=α*L₀ =1,4*0,5 = 0,7 кмоль св.зар./кг топл.

Количество  отдельных компонентов  продуктов 

=С/12 = 0,87/12 = 0,0725 кмоль СО₂/кг топл;

= Н/2 =0,126/2 = 0,063 кмоль Н₂О/кг топл

=0,202*(a-1)*L₀=0,202*(1,4 - 1) * 0,5 = 0,0416 кмоль О₂/кг топл;

М_N2= 0,792*α*L₀=0,792*1,4*0,5 = 0,554 кмоль N₂/кг топл;

Общее количество продуктов сгорания:

М₂ = =

= 0,0725 + 0,063 + 0,0416 + 0,5544 = 0,7315 кмоль пр.сг/кг  топл 

1.3. Параметры остаточных газов

  Температура остаточных газов Т_r зависит от ряда факторов. В частности, при увеличении степени сжатия температура Т_r снижается, а при увеличении частоты вращения возрастает.

     При работе на номинальном режиме величина Т_r для дизеля изменяется в пределах 600…900 К. Примем Т_r = 7530 К.

     Давление  остаточных газов p_r определяется давлением среды, в которую происходит выпуск отработавших газов, зависит от числа и расположения клапанов, сопротивлений выпускного тракта, фаз газораспределения, частоты вращения, нагрузки других факторов.

В двигателях без наддува p_r= (1,05…1,25)*p₀

Примем  р_r = 1,05*0,1= 0,105 МПа. 

1.4. Процесс впуска

     Температура подогрева свежего  заряда. Даже без специального устройства для подогрева может достигать 15¸20°С. Принимаем  ΔТ=20°С .

     Плотность заряда на впуске

где

R_B = 287 -удельная газовая постоянная для воздуха.

  Потери давления на впуске в двигателе за счет сопротивления впускного канала определим по формуле

     В соответствии со скоростными режимами (n_N = 1800 об/мин) и при качественной обработке внутренних поверхностей впускных систем можно принять:

(β²+ξ_вп)=2,7 и ω_вп= 70 м/с.

b - коэффициент затухания скорости движения заряда;

x_вп – коэффициент сопротивления впускной системы.

ω_вп = 50¸130 м/с – средняя скорость движения заряда.

Давление  в конце впуска:

р_а=р₀-Δр_а= 0,1-0,008 = 0,092 МПа

Коэффициент остаточных газов. Характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания.

Температура в конце впуска:

Т_а=(Т₀+ΔТ+γ_r*Т_r)/(1+γ_r)=(293+20+0,03*750)/(1+0,03) = 326 К.

Коэффициент наполнения представляет собой отношение действительного количества свежего заряда, поступившего в цилиндр в процессе впуска, к тому количеству, которое могло бы поместиться в рабочем объёме цилиндра при условии, что температура и давление в нём равны температуре и давлению среды на впуске. Повышению η_v способствует уменьшение гидравлических сопротивлений системы впуска, повышение давления p_a в конце впуска, уменьшение количества остаточных газов и их давление, снижение температуры подогрева рабочей смеси. Величина η_v для четырёхтактных дизельных двигателей может быть определена по формуле

1.5. Процесс сжатия

       При работе двигателя на номинальном режиме средний показатели адиабаты и политропы сжатия можно принять примерно равными

     Определяем  по номограмме [1] рис.4.4.  n₁ » k₁ = 1,37

Давление  в конце сжатия:

=0,092*17^1,37= 4,462 МПа,

Температура в конце сжатия:   

Т_с=Т_а* ε^n1-1 = 326 * 17^1,37-1 = 930К.

Средняя мольная теплоёмкость в конце сжатия:

а)воздуха  =20,6+2,638*10^-3*t_c =

= 20,6 + 2,638*10^-3 *657 = 22,33 кДж/(кмоль*град)

где t_c=Т_с-273⁰С = 930 –273 = 657°С

б) остаточных газов (mc”_v)_t0^tc – определяется методом интерполяции по табл.3.9

= 24,168 кДж/(кмоль*град)

в) рабочей  смеси 

=1/(1 + 0,03)*(22,33 + 0,03*24,168) = 22,386 кДж/(кмоль*град) 

1.6. Процесс сгорания

Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси

m₀ = М₁/М₂ = 0,7315/0,7 = 1,045

Коэффициентом молекулярного изменения  рабочей смеси

     μ = (μ₀+ γ_r)/(1+ γ_r) = (1,045+0,03)/(1+0,03)=1,044

Теплота сгорания рабочей  смеси

Н_раб.см=Н_и/(М₁(1+γ_r))= 42440/(0,7*(1+0,03)) = 58860 кДж/кмоль раб.см.

Средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания

Средние мольные теплоемкости отдельных  газов определяются по эмпирическим формулам, приведённым в табл.3.7. для интервала температур от 1501 до 2800 ⁰С:

Коэффициент использования теплоты зависит от совершенства организации процессов смесеобразования и сгорания топлива.

Принимаем x_z= 0,82. 

Степень повышения давления:

λ= p_z/ p_с= 2

Температура в конце видимого процесса сгорания

=

=0,82*58860+(22,459+8,315*2)*657+2270*(2-1,044) =

= 1,044*(32,475+0,00191*t_z

Или

0,00199*t_z² + 33,904*t_z – 76069

Т_z= t_z+273 = 2007+273=2280К.

Максимальное  давление сгорания:

p_z= p_с *l = 2* 4,462 = 8,92 МПа

Степень предварительного расширения

1.7.  Процессы расширения  и выпуска

Степень последующего расширения

d = e/r = 17/1,28 = 13,28

Средние показатели адиабаты и политропы  расширения k₂, n₂ определяются по номограмме 4.9 при d = 13,28 и Т_z = 2280К:

k₂ =1,2728; n₂ = 1,26.

Давление  и температура  в конце процесса расширения

Проверка  ранее принятой температуры  остаточных газов:

     допустимо

где Δ – погрешность расчёта. 

1.8. Индикаторные параметры рабочего цикла

Теоретическое среднее индикаторное давление

Среднее индикаторное давление

р_i=φ_и* р_i^’ = 0,95*1,011 = 0,96 МПа.

φ_и = 0,95 – коэффициент полноты диаграммы.

Индикаторный  КПД 

η_i=р_i*l₀*α/(H_и*ρ₀*η_v) = 0,96*14,45* 1,4/(42,44*1,189*0,854)= 0,45

Индикаторный  удельный расход топлива

q_i=3600/(η_i*H_и) = 3600/(42,44*0,45)= 189 г/(кВт*ч) 

1.9. Эффективные показатели двигателя

Среднее давление механических потерь

p_м= а + b*n_H = 0,092 + 1,01* 1800 = 0,274 МПа

n_H = 1800 об/мин;   a = 0,092;   b = 1,01*10^-4  по [2].

Среднее эффективное давление и механический КПД

p_e= р_i- p_м = 0,96 – 0,274 = 0,686 МПа

η_м = p_e/ р_i = 0,686/0,96 = 0,714

Эффективный  КПД и эффективный  удельный расход топлива 

η_е= η_i*η_м = 0,45*0,714=0,321 

q_е=3600/(η_е*H_и) =3600/(0,321*42,44) = 264 г/(кВт*ч) 

1.10. Основные параметры цилиндра и двигателя

Литраж  двигателя:

t = 4 –тактность двигателя.

Рабочий объём одного цилиндра:

V_h=V_л/i =2,91/3 = 0,972 л

i = 3 –  число цилиндров

Диаметр цилиндра.

 Принимаем  S/D = 1

S – ход поршня;

D – диаметр поршня.

Окончательно  принимаем D = 110 мм и S = 110 мм.

      Основные  параметры и показатели двигателя  определяются по окончательно принятым значениям D и S:

Площадь поршня F_п=π*D²/4 = p*110²/4 = 9498 мм² = 94,98 см²;

Литраж  двигателя V_л=π*D²*S*i /(4*10⁶) = p*110²*110*3/(4*10⁶) = 3,134 л;

Эффективная номинальная мощность двигателя 

N_e= p_e*V_л*n/(30*τ) = 0,686*3,134*1800/(30*4) = 32,2 кВт;

Удельная  литровая мощность двигателя

N_л=N_e/V_л=32,2/3,134=10,27 кВт/л;

Эффективный крутящий момент

М_e=3*10⁴*N_e/(π*n) = 3*10⁴*32,2/(p= 170,9 Н.м;

Часовой расход топлива G_т=g_e*N_e = 32,2*0,264 = 8,5 кг/ч.

Удельная поршневая  мощность

N_п = N_e/(i*F_п) = 32,2/(3*94,98*10^-2) = 11,3 кВт/дм²

Сводим данные расчета в таблицу 1.1. 

Основные параметры  цилиндра и двигателя    Таблица 1.1

1.11. Построение индикаторной диаграммы

     Индикаторная диаграмма дизеля построена для номинального режима работы двигателя аналитическим методом, т.е. при N_е = 32,2 кВт и n_Н = 1800 об/мин.

     Масштабы  диаграммы: масштаб хода поршня М_s=1 мм в мм; масштаб давления М_р=0.05 МПа в мм.

     Величины  в приведенном масштабе, соответствующие рабочему объёму цилиндра и объёму камеры сгорания:

     АВ=S/M_s= 110/1= 110 мм; ОА=АВ/(ε-1)= 110/(17-1)= 6,87 мм.

Ординаты  характерных точек:

P_z/M_p=8,92/0,05=178,4 мм.

z'z = ОА*(r-1) = 6,87*(1,28-1) = 1,9 мм

P_а/M_p=0,092/0,05 = 1,8 мм;

P_с/M_p=4,462/0,05= 89,2 мм;

P_b/M_p= 0,343/0,05 = 6,9 мм;

P_r/M_p=0,105/0,05 = 2,1 мм ;

P₀/M_p=0,1/0,05 = 2 мм.

Построение  политроп сжатия и расширения аналитическим  методом:

а) политропа  сжатия

 Отсюда  

где ОВ = ОА + АВ = 6,87 + 110 = 116,9 мм;

б) политропа  расширения

 Отсюда  

Расчеты сводим в таблицу 1.2.

Таблица 1.2.

Определим фазы газораспределения

Впуск – начало (точка r¹) за 25° до в.м.т..

Впуск – окончание (точка а") - 60° после в.м.т..

Выпуск  – начало (точка b') - 60° до н.м.т..

Выпуск  – окончание (точка а') - 25° после в.м.т..

Угол  опережения впрыска (точка с') - 20°.

Продолжительность периода задержки воспламенения (точка f) - Dj₁ = 8°.

Определим положение точек по формуле для  определения преемещения поршня

l = 0,27 – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Расчеты сводим в таблицу 1.3.

     Таблица 1.3.

Положение точки с"

р_с" = (1,15¸1,25)*p_c = 1,15*4,46 = 5,1 МПа

р_с" / M_p = 5,1 / 0,05 = 102,6 мм 

1.12. Тепловой баланс  двигателя

Общее количество теплоты, введенной в двигатель:

Q₀ = Н_и*G_т/3,6= 42440*8,5/3,6 = 100205 Дж/с;

Теплота, эквивалентная  эффективной работе за 1 с:

Q_е=1000*N_e=1000*32,2=32200 Дж/с

Теплота, передаваемая охлаждающей среде:

Q_в=c*i*D^1+2m*n^m*(1/ α) = 0,48*3*11^1+2*0,65*1800^0,65*(1/1,4) = 33371 Дж/с

где

с = (0,45¸0,53) – коэффициент пропорциональности;

i = 3 – число цилиндров;

D – диаметр цилиндра, см;

m = (0,6¸0,7) – показатель степени;

n = 1800 об/мин – частота вращения коленчатого вала.

Теплота, унесённая  с отработавшими газами:

где

 табл.3.9.

при a=1,4 и t_r = T_r –273 = 784 –273 = 511°C

где

табл. 3.6. (воздух) при t₀ = T₀ – 273 = 293 – 273 = 20°C

Неучтённые потери теплоты:

Q_ост=Q_о-( Q_е+ Q_r + Q_в ) = 100205-(32200 + 27185 + 33371) = 7449 Дж/с

Расчеты сводим в таблицу 1.4. 

     Таблица 1.4.