Тепловой и динамический расчет двигателя. 4

ВВЕДЕНИЕ

 

Двигатели внутреннего сгорания относятся  к наиболее распространенным тепловым машинам. Эти двигатели, работающие на жидком топливе нефтяного происхождения, явились надежной основой развития автотракторостроения.

Факторами, влияющими на конструкцию ДВС, являются необходимость увеличения удельной мощности, повышение надёжности и возможность использования двигателей в различных условиях эксплуатации при минимальных расходах топлива, стоимости и затратах материалов.

Экономичность и надежность двигателей в значительной степени зависят от систем питания, охлаждения, смазки, автоматизации, регулирования  и других систем.

Поэтому рассмотрения особенностей работы, конструирования и расчета  этих систем имеет важное значение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

Курсовой проект содержит:  22 страницы, 3таблицы, 4 источников литературы,  1 лист формата А1.

 

ТЕПЛОВОЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ.

 

Целью курсовой работы является овладение методикой и навыками самостоятельного решения инженерных задач. Разработан двигатель внутреннего сгорания, рабочий чертёж маховика.

В процессе работы построены  индикаторная диаграмма, график инерционных  и тангенциальных сил для одного цилиндра.

Провели анализ влияния  заданного параметра на технико-экономические  показатели работы двигателя внутреннего сгорания. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

  Введение

1 Выбор типа и основных  параметров двигателя внутреннего сгорания

2 Тепловой расчёт двигателя

3 Построение индикаторной  диаграммы и определение основных 

    показателей работы двигателя

4 Анализ влияния заданного  параметра на технико-экономические 

    показатели  работы двигателя

5 Тепловой баланс двигателя

6 Определение основных  размеров и комплексных показателей  двигателя

7 Кинематический и  динамический расчёт кривошипно-шатунного

     механизма  двигателя

8 Расчет системы питания

9 Регуляторная характеристика двигателя

10 Техническая характеристика двигателя

 

 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ВЫБОР ТИПА И ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ  ДВИГАТЕЛЯ

 

 

1. Выбор типа двигателя.

 

В соответствии с данными  варианта для расчета задан двигатель  внутреннего сгорания эффективной мощностью 168 кВт; трактор.

Для трактора я выбрал дизельный двигатель. Потому что дизельное топливо более дешевле чем бензин. Для дизельного двигателя можно применять топливо с широким диапазоном фрикционного состава, у дизелей неограниченная агрегатная мощность, токсичность выхлопных газов намного меньше и выше долговечность. Хотя у дизельного двигателя больше себестоимость, металлоемкость, дымность выхлопных газов и сложнее по конструкции. Я выбрал дизельный двигатель и потому, что единица энергии, вырабатываемое дизельными двигателями в 2 раза дешевле, чем в карбюраторных двигателях. Себестоимость мощности в дизелях получается в 2 раза меньше.

 

 

2. Обоснование принимаемого способа смесеобразования.

 

Я принимаю полураздельную камеру сгорания ЦНИДИ с объемно – пленочным смесеобразованием .

При объемном смесеобразовании все топливо впрыскивается в  объем камеры сгорания, при этом снижаются затраты на изготовление и обслуживания топливной системы (форсунок и насоса высокого давления).

Так при камере ЦНИДИ (на объем в поршне приходится более 78…84% объема камеры сгорания) отверстия  распылителя ориентируются так, что значительная часть вырабатываемого  топлива под малым углом попадает на стенки камеры и организованное движение воздуха так же «размазывается» на поверхности. Часть топлива оказывается впрыснутой в объем камеры сгорания.

Как и при пленочном  смесеобразовании, воспламеняется топливо, впрыснутое в объем камеры. В результате обеспечивается сравнительно малая жесткость процесса сгорания . В двигателях с такими камерами расход топлива примерно на 6% ниже чем в предкамерных.

Недостатком этих двигателей является сравнительная низкая термостойкость острых кромок камеры и высокая чувствительность к показателям работы топливной аппаратуры, определяющим качество образования топливной пленки.

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

 

Цикловая подача топлива, г/цикл:

                                           , [г/цикл]                                             (1)

где n и i – частота вращения коленчатого вала (мин^-1) и число цилиндров двигателя;

g_e – эффективный удельный расход топлива, г/(кВт*ч)

τ – коэффициент тактности двигателя(τ=2- четырехтактный двигатель)

N_e – эффективная мощность двигателя, кВт.    

                                            [г/цикл]           

Плотность заряда на впуске, кг/м³:

                                        , [кг/м³] (2)

где Р₀ – давление окружающей среды, МПа

R_в – газовая постоянная воздуха, Дж/(кг*К), R_в=0,29 Дж/(кг*К)

Т_К – температура окружающей среды, К, Т_К=

 К     

                                         [кг/м³]  

Необходимый объем воздуха, л:

                                           ,  [л]  (3)

где L_Т=14,5 кг – количество воздуха необходимое для сгорания 1кг топлива. 

                                 [л]  

Ориентировочное значение диаметра цилиндра, м:

                                           , [м]                                                       (4) 

где η_Н=0,9 – коэффициент наполнения цилиндра свежим зарядом

       к=1 – коэффициент короткоходности  

                                         [м]

Ориентировочное значение хода поршня, м:

                                         , [м]  (5)

[м]

2.1 Процесс впуска

 

Определяем температуру в конце процесса впуска:

                             

, [К]                                                   (6)

где Т_о – температура окружающей среды, К;

      DТ –подогрев свежего заряда, К;

       g_r –коэффициент остаточных газов;

       Т_r –температура остаточных газов, К,

Принимаем:

Т_о =293 К [стр.19 /3/];

DТ =20-для двигателей без наддува [стр.18 /3/];

g_r =0,03…0,06 - в четырехтактных дизелях без наддува и с наддувом [стр.19 /3/],

g_r =0,05;

Т_r =700…900 К для дизелей [стр. 8 /4/], Т_r =850 К.

 

 

[К]

 

Определяем температуру  после компрессора, К

Где  n_k-показатель полиотропы сжатия воздуха в компрессоре [стр.9 /3/];

n_k=1,4…1,8; принимаем n_k=1,6

 [К]

 

Определяем давление в конце  впуска, кПа:

                                          Р_а =(0,85…0,9)· Р₀ ,  [кПа]                                       (7)

где Р_о– давление наддува, кПа.

Принимаем по заданным параметрам Р_о =105кПа [стр.14 /3/].

                                               Р_а =0,9·105=94,5 [кПа]

2.2 Процесс сжатия

Величину среднего показателя политропы сжатия определяем по эмпирической формуле профессора В.А. Петрова, как функцию угловой скорости вращения коленчатого вала ω, для дизеля:

 (8)

 

       

                                                

Определяем давление в конце  сжатия, кПа:

                                               Р_с =Р_а·εⁿ¹,  [кПа]                                                  (9)

где  n₁- средний показатель политропы сжатия.

Р_с =94,5·17,7^1,35=4572,9  [кПа]

Определяем температуру  в конце сжатия, К:

                                                Т_с = Т_а · ε^n1-1,  [К]                                            (10)

Т_с = 338,6·17,7 ^1,35-1 =925,7 [К]

2.3 Процесс сгорания

Определяем  теоретически необходимое количество воздуха (в  молях) на сгорание 1 кг топлива:

                                     

, [кмоль/кг]                              (11)

где С – содержание углерода в топливе;

       Н  – содержание водорода в топливе;

       О – содержание кислорода в топливе.

Принимаем состав топлива: С=0,87;  Н=0,124; О=0,006;

 [кмоль/кг]

Определяем действительное количество воздуха, кмоль/кг:

                                             L=a·L₀ , [кмоль/кг]                                              (12)

где a - коэффициент избытка воздуха.

Для дизелей с объемным смесеобразованием a=1,35…2,0 [стр.31 /3/].

Принимаем a=1,5.

L=1,5·0,492=0,738 [кмоль/кг]

 

Определяем число молей продуктов  сгорания 1 кг топлива при a >1:

                                             

                                                                                  

Определим химический коэффициент  молярного изменения:

                                                                                     (14)  

Находим действительный коэффициент молярного изменения:

                                   

                                   (15)

Определяем теплоёмкость газов для чистого воздуха, кДж/кмоль·град:

                                    m·С^с_n=а+в·Т_с , [кДж/кмоль·град]                                (16)

где а=20,16; в=1,738·10^-3 – постоянные коэффициенты [стр.10 /4/].

m·С^с_n=20,16+1,738·10^-3 ·925,7 =21,77 [кДж/кмоль·град]

Для продуктов сгорания при a >1:

                              

                          (17)

Теплоёмкость при постоянном давлении:

                                          m·С^z_р =m·С^z_n +m·R                                                     (18)

где  m·R =8,314- универсальная газовая постоянная [стр.10 /4/].

m·С^z_р =

m·С^z_р =

Температура в конце  сгорания Т_z определяется для дизеля из выражения:

                              

                    (19)

где x- коэффициент использования тепла;

       Q_H –низшая удельная теплота сгорания, кДж/кг;

        l- степень повышения давления.

Для дизелей с полураздельными камерами сгорания величина

 l =1,7…2,2 [стр.10/4/];

принимаем l =1,9 с учетом несовершенства конструкции двигателя;

для дизелей x= 0,7…0,9[стр.10/4/];

принимаем x=0,8 с учетом обогащения смеси (a =1,5) и несовершенством процесса смесеобразования;

для дизельных топлив Q_H = 42500 кДж/кг  [стр.10/4/].    

Решая квадратное уравнение, определяем Т_z , К:

 [К]

Определяем давление в конце сгорания, кПа:

                                           

, [кПа]                                                   (20)

                                      [кПа]

2.4 Процесс расширения

Определяем степень предварительного расширения:

                                   

                                  (21)

Степень последующего расширения:

                                                     

                                                            (22)

Давление в конце  расширения, кПа:

                                                       

                                                      (23)

           где n₂ – показатель политропы расширения, который можно определить  по эмпирической формуле профессора В.А. Петрова для дизельного двигателя.

                             

                     (24)

[кПа]

Температура в конце  расширения, К:

[К]

2.5 Процесс выхлопа

Давление в конце выхлопа  для двигателей без наддува, кПа:

                                             Р_r =к_r· Р_о, [кПа]                                                  (25)

где к_r=(1.05…1.25) [стр. 11 /4/].

Р_r =1,1·105=115,5 [кПа]

3 ПОСТРОЕНИЕ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ  И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ  РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ

 

3.1 Построение индикаторной диаграммы.

 

Для построение индикаторной диаграммы выбираем масштабы:

- для давления: 30 кПа/мм

- для объёма : 10 мм = V_c [стр.11 /4/].

Определяем промежуточные точки  политроп сжатия и расширения по уравнениям:

- для сжатия:

,              (26)

-для расширения:

                                            .                                        (27)

- для сжатия:

 

 

для расширения:

3.2 Определение индикаторных  показателей.

Среднее теоретическое индикаторное давление Р_i^` определяем графическим и аналитическим методами.

Графическое  определение  среднее теоретического индикаторного  давление Р_i^`.

                                               

, [кПа]                                                (28)

где A- площадь индикаторной диаграммы, мм²;

 l =V_h =167 длина диаграммы по оси, мм;

 m=30 кПа/мм - масштаб давления.

 F=6573,15мм²;

кПа

Для аналитического определения теоретического индикаторного среднее давление используем для дизеля формулу:

                 

              (29)

(кПа)

Действительное среднее  индикаторное давление определяем с  учетом округления диаграммы и затрат на осуществления насосных ходов поршня:

                                              Р_i =f· Р_ia^`-DР, [кПа]                                              (30)

где DР=Р_r-Р_а, кПа (принимается DР=(5…25)), DР=20

f=0,92…0,95- коэффициент округления

Р_i =0,94·1180,8-20=1090 (кПа)

Среднее индикаторное давление Р_i это такое условное постоянное давление в цилиндре двигателя, которое, действуя в течение одного хода поршня совершает такую же работу, что и переменное давление внутри цилиндра.

Определяем процент несовпадения величин среднего индикаторного давления вычисленных  графическим и аналитическим методом:

Действительная погрешность DР_i = 4,7 % не превысила допустимую

DР_i = 3…5%.

Индикаторный коэффициент  полезного действия определяем по формуле:

                                       

                                                    (31)

Находим индикаторный удельный расход топлива:

                                   

кг/кВт·ч                           (32)

3.3 Определение эффективных  показателей работы двигателя.

Среднее эффективное давление:

                                                      Р_е=Р_i-Р_м ,[кПа]                                               (33)

где Р_м –механические потери мощности, [кПа].

Р_м=(0,9+(0,11…0,15)Сm)10², [кПа]

где Сm – средняя скорость поршня, [м/с].

 

 (м/с).

 (кПа)

Предварительно определяем среднее эффективное давление:

    Р_е=1090-240,8=849,2 [кПа]

Определяем эффективных  коэффициент полезного действия:

                                                      h_с=h_i·h_м ,                                                         (34)

где h_м -механический коэффициент полезного действия.                           

                                                                                                                         (35)

                                                                                                           (36)

h_с=0,487·0,78=0,38

Эффективный удельный расход топлива:

 (кг/кВт·ч)

 

 

3.4 Физический смысл  величин Р_е, h_е, g_e.

 Среднее эффективное  давление Р_е – это значение условного постоянного давления в цилиндре двигателя, при котором совершается работа равная эффективной работе цикла. Это мера удельной работы (в кПа ), характеризующая полезную работу, получаемую с единицы рабочего объёма цилиндра.

Эффективных коэффициент полезного действия h_е показывает какая часть теплоты подведенная за цикл расходуется на совершение эффективной работы.

Эффективный удельный расход топлива g_e указывает на количество топлива израсходованного на получение единицы работы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ

Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом:

                                                        Q=Qн·G_T,[кДж/ч]                                        (37)

где G_T –часовой расход топлива,  кг/ч.

                                                          G_T = q_e· N_eн                                                  (38)

                                                    G_T = 0,222·168=37,3 [кг/ч]

                                               Q=42500·37,3=1585250[кДж/ч]                                                                                             Теплота, эквивалентная эффективной работе:

                                                        Q_e=3600·N_e , ,[кДж/ч]                                    (39)

                                                  Q_e=3600·168=604800[кДж/ч]

                                                                                                          (40)

                                                       

Теплота передаваемая охлаждающей  среде:

                                                      , [кДж/ч]                      (41)

где С-коэффициент, равный 0,45…0,53[стр.17 /4/]                                                                       

                                  , [кДж/ч]

                                                                                                         (42)

                                                        

Теплота уносимая с отработавшими  газами:

                                                  Q_г =С_р·(Т_r- T_o)·(G_в+G_т),  [кДж/ч]                        (43) 

где  С_р – средняя теплоемкость отработавших газов при  постоянном давлении,

С_р =1.04 кДж/кг·град [стр.17 /4/]

G_в – часовой расход воздуха, кг/ч

                                                              G_в =a·L₀ · G_т ,                                             (44)

где L₀ – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива,

                                               

                                  (45)

                                                    

                                                     G_в =1,5·14,3739 · 37,3=804,2 [кг/ч]

                                     Q_r =1,04·(804,2- 293)·(804,2+37,3)=487464,12 [кДж/ч]

                                                                                                             (46)

                                                           

Неучтенные потери:

                                                         Q_н.у. =Q-( Q_e+ Q_г + Q_в),  [кДж/ч]                     (47)

         Q_н.п. =1585250-(604800+ 487464,12 + 358454,87)=134531  [кДж/ч]

                                                                                                 (48)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ  И КОМПЛЕКСНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ

 

Рабочий объем одного цилиндра

                                              

[м³]                                            (49)

где i – число цилиндров.

 

[м³]

Предварительный диаметр  цилиндра:

                                              

, [м]                                                 (50)

 

, [м]

Ход поршня:

                                                     S=к·D(м)                                                  (51)

                                                          S =1·0,147=0,147 (м)

          Радиус кривошипа:              , [м]

                                                          

, [м]

Длину шатуна определяем по формуле:

                                                   

, [м]                                                  (52)

где l - постоянная кривошипно-шатунного механизма, который принимается с учетом параметров выполненных двигателей:  l=0.23…0.31(стр. 197/3/).

Принимаем  l=0.31 для уменьшения износа деталей поршневой группы .

                                                            м

Удельная литровая мощность двигателя:

                                                           , [кВт/м³]                                       (53)

 кВт/м³

Удельная поршневая  мощность двигателя:

                                            

, [кВт/м²]                                     (54)

 кВт/м²

 

 

 

7 КИНЕМАТИЧЕСКИЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ  РАСЧЕТ КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА

 

7.1 ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКА ТАНГЕЦИАЛЬНЫХ УСИЛИЙ.

Определяем удельную массу поступательно движущихся частей:

                                        m_s = m_п +0.275m_ш [кг/м²]                                (55)

где m_п - удельная масса поршня, кг/м²

      m_ш - удельная масса шатуна, кг/м²

Приближенное значение удельных масс:

m_п =150…300 кг/м² [стр.19 /4/]

m_ш =250…400 кг/м² [стр.19 /4/]

Принимаем m_п =200кг/м², m_ш =300 кг/м²

m_s = 200 +0.275·300=282,5 кг/м²

Определяем параметры  для построения графика инерционных  сил по методу Толе:

                             А= m_s ·w² ·r·(1+l)·10^-3 , [кПа]                                         (56)

А= 282,5·251,3² ·0,0735·(1+0,31)·10^-3=1717,76 кПа

                             В = m_s ·w² ·r·(1-l)·10^-3, [кПа]                                           (57)

В= 282,5 ·251,3² ·0,0735·(1-,31)·10^-3=904,8 кПа

                                С =3· m_s ·w² ·r·l·10^-3, [кПа]                                             (58)

С =3· 282,5 ·251,3² ·0,0735·0,31·10^-3=1219,48[кПа]

Построение графика  инерционных усилий возвратно –  поступательно движущихся деталей  кривошипно-шатунного механизма проведем согласно рекомендациям (стр.19 /4/)

7.2 ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКА ТАНГЕЦИАЛЬНЫХ СИЛ.

Строим полукруг Брикса, для чего проводим ниже индикаторной диаграммы полуокружность радиусом:

, [м] (59)

                                                          

, [м]

 

От  точки О- центра полуокружности откладываем отрезок  ОО₁ равный:

                                                               мм                          (60)

Дальнейшее построение ведем согласно рекомендациям (стр.20,/4/).

Определение значений Р_г  и Р_j  проводим используя индикаторную диаграмму и графика инерционных усилий. Для этого определяем положение поршня для каждого положения кривошипа- S_i на  полукруге Брикса.