Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Тепловой расчет двигателя на рапсовом масле

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

ТЕПЛОВОЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ.

Целью курсового проекта 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 стр

1 Выбор типа и основных параметров двигателя внутреннего сгорания 4

2 Тепловой расчёт двигателя 5

3 Построение индикаторной диаграммы и определение основных

показателей работы двигателя 9

4 Анализ влияния заданного параметра на технико-экономические

показатели работы двигателя 12

5 Тепловой баланс двигателя 14

6 Определение основных размеров и комплексных показателей двигателя 16

7 Кинематический и динамический расчёт кривошипно-шатунного

механизма двигателя 17

8 Расчет системы питания 21

9 Регуляторная характеристика двигателя 23

10 Техническая характеристика двигателя 25

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 ВЫБОР ТИПА И ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЯ

Выбор типа двигателя.

В соответствии с данными варианта для расчета задан двигатель внутреннего сгорания эффективной мощностью 14,7 кВт.

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.

1 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

НА РАПСОВОМ МАСЛЕ

Цикловая подача топлива, г/цикл:

, [г/цикл] (1)

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

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

τ – коэффициент тактности двигателя(τ=0,5- четырехтактный двигатель)

Ne – эффективная мощность двигателя, кВт.

[г/цикл]

Плотность заряда на впуске, кг/м3:

, [кг/м3] (2)

где Р0 – давление окружающей среды, МПа

Rв – газовая постоянная воздуха, Дж/(кг*К), Rв=288 Дж/(кг*К)

То – температура окружающей среды, К, ТК=293 К

[кг/м3]

Необходимый объем воздуха, л:

, [м3] (3)

где LТ=12,6 кг – количество воздуха необходимое для сгорания 1кг топлива.

[м3]

Ориентировочное значение диаметра цилиндра, м:

, [м] (4)

где ηН=0,8 – коэффициент наполнения цилиндра свежим зарядом

к=1,14 – коэффициент короткоходности

[м]

Ориентировочное значение хода поршня, м:

, [м] (5)

[м]

1 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

НА РАПСОВОМ МАСЛЕ

1.1 Процесс впуска

Определяем температуру в конце процесса впуска:

, [К] (6)

где То – температура окружающей среды, К;

DТ –подогрев свежего заряда, К;

gr –коэффициент остаточных газов;

Тr –температура остаточных газов, К,

Принимаем:

То =293 К [стр.19 /3/];

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

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

gr =0,06;

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

Определяем давление в конце впуска:

Ра =(0,85…0,9)· Р0 , [кПа] (7)

где Ро– давление окружающей среды, кПа

Принимаем для нормальных условий Ро =100кПа [стр.14 /3/]

Ра =0,9·100=90 кПа

1.2 Процесс сжатия

Величину n1определяем по эмпирической формуле профессора В.А. Петрова, как функцию угловой скорости вращения коленвала ω, для дизеля:

(8)

Определяем давление в конце сжатия:

Рс =Ра·εn1, [кПа] (9)

где n1- средний показатель политропы сжатия.

Рс =90·161,32=3496,88 [кПа]

Определяем температуру в конце сжатия:

Тс = Та · εn1-1 [К] (10)

Тс = 346,22·16 1,32-1 =840,75 [К]

1.3 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=0,78; Н=0,1; О=0,12;

[кмоль/кг]

Определяем действительное количество воздуха:

L=a·L0 , [кмоль/кг] (12)

где a - коэффициент избытка воздуха.

Для дизелей с объемным смесеобразовании a=1,35…2,0 (стр.31 /3/),

Принимаем a=1,65 (стр.31 /3/)

L=1,65·0,409=0,674кмоль/кг

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

(13)

Определим химический коэффициент молярного изменения:

(14)

Находим действительный коэффициент молярного изменения:

(15)

Определяем теплоёмкость газов для чистого воздуха:

m·Ссn=а+в·Тс [кДж/кмоль·град] (16)

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

m·Ссn=20,16+1,738·10-3 ·840,75=21,62 [кДж/кмоль·град]

Для продуктов сгорания при a >1:

(17)

Теплоёмкость при постоянном давлении:

m·Сzр =m·Сzn +m·R (18)

где m·R =8.314- универсальная газовая постоянная[стр.10 /4/]

m·Сzр =

Температура в конце сгорания Тz определяется для дизеля из выражения:

(19)

где x- коэффициент использования тепла;

QH –низшая удельная теплота сгорания, кДж/кг,

l- степень повышения давления.

Для дизелей с полураздельными камерами сгорания величина l =1,4…2,2 [стр.10/4/],

принимаем l =2,0 с учетом несовершенства конструкции двигателя.

Для дизелей x= 0,7…0,9[стр.10/4/],

принимаем x=0,8 с учетом обогащения смеси (a =1.65) и несовершенством процесса смесеобразования;

Для рапсового масла QH = 37300 кДж/кг [стр.10/4/].

Решая квадратное уравнение, определяем Тz.

Определяем давление в конце сгорания:

[кПа] (20)

кПа

1.4 Процесс расширения:

Определяем степень предварительного расширения:

(21)

Степень последующего расширения:

(22)

Давление в конце расширения:

(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]

1.5Процесс выхлопа

Давление в конце выхлопа для двигателей без наддувом:

Рr =Ро+∆Рr, [кПа] (25)

Где ∆Рr- сопротивление выпускного тракта, для двигателей без наддува ∆Рr=5…25кПа, [стр. 109 /Баширов Р.М. 2010г./]

Рr =100+20=120 кПа

2 ПОСТРОЕНИЕ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ

2.1 Построение индикаторной диаграммы.

Для построение индикаторной диаграммы выбираем масштабы:

- для давления: 30 кПа/мм

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

Определяем промежуточные точки политроп сжатия и расширения по уравнениям:

- для сжатия:

, (26)

-для расширения:

. (27)

- для сжатия:

для расширения:

2.2 Определение индикаторных показателей.

Среднее теоретическое индикаторное давление Рi` определяем графическим и аналитическим методами.

Графическое определение среднее теоретического индикаторного давление Рi`.

, [кПа] (28)

где A- площадь индикаторной диаграммы, мм2;

l =Vh – длина диаграммы по оси, мм;

m=30 кПа/мм - масштаб давления.

F=4377мм2;

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:

Рi =f· Рia, [кПа] (30)

f=0,92…0,95- коэффициент округления

Рi =0,94·814,64=765,76 (кПа)

Среднее индикаторное давление Рi 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 DРi = 3,13 % не превысила допустимую

DРi = 3…5%.

Индикаторный коэффициент полезного действия определяем по формуле:

(31)

Находим индикаторный удельный расход топлива:

кг/кВт·ч (32)

2.3 Определение эффективных показателей работы двигателя.

Среднее эффективное давление:

Ре=Рi-Рм ,[кПа] (33)

где Рм –механические потери мощности, [кПа].

Рм=(0,9+(0,11…0,15)Сm)102, [кПа]

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

(м/с).

(кПа)

Предварительно определяем среднее эффективное давление:

Ре=765,76-162,96=602,8 [кПа]

Определяем эффективный коэффициент полезного действия:

hе=hi·hм , (34)

где hм -механический коэффициент полезного действия.

(35)

(36)

hе = 0,42∙0,78 = 0,327

Эффективный удельный расход топлива:

(кг/кВт·ч)

3 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ

Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом:

Q=Qн·GT,[кДж/ч] (37)

где GT –часовой расход топлива, кг/ч.

GT = qe· Neн (38)

GT = 0,293·16,73=4,90 [кг/ч]

Q=37300·4,9=182770 [кДж/ч] Теплота, эквивалентная эффективной работе:

Qe=3600·Ne , [кДж/ч] (39)

Qe=3600·16,73=60228 [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:

Qг =Ср·(Тr- To)·(Gв+Gт), [кДж/ч] (43)

где Ср – средняя теплоемкость отработавших газов при постоянном давлении,

Ср =1.04 кДж/кг·град [стр.17 /4/]

Gв – часовой расход воздуха, кг/ч

Gв =a·L0 · Gт , (44)

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

(45)

Gв =1,65·12 · 4,9 =97,02 [кг/ч]

Qr =1,04·(900- 293)·(97,02+4,9)= 64340,05 [кДж/ч]

(46)

Неучтенные потери:

Qн.у. =Q-( Qe+ Qг + Qв), [кДж/ч] (47)

Qн.п. =182770-( 60228+ 34608,5+ 64340,05)= 23593,45 [кДж/ч]

(48)

6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ И КОМПЛЕКСНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ

Рабочий объем одного цилиндра

[кВт] (49)

где i – число цилиндров.

[кВт]

Предварительный диаметр цилиндра:

, [м] (50)

[м]

Ход поршня:

S=к·D(м) (51)

S =1,14·0,105=0,12 [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=0.27 для уменьшения износа деталей поршневой группы .

Удельная литровая мощность двигателя:

, [кВт/л] (53)

кВт/л

Удельная поршневая мощность двигателя:

Nп = Nл ∙ S

, [кВт/дм2] (54)

кВт/дм2

4 КИНЕМАТИЧЕСКИЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА

4.1 ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКА ТАНГЕЦИАЛЬНЫХ УСИЛИЙ.

Определяем удельную массу поступательно движущихся частей:

ms = mп +0.275mш [кг/м2] (55)

где mп - удельная масса поршня, кг/м2

mш - удельная масса шатуна, кг/м2

Приближенное значение удельных масс:

mп =150…300 кг/м2 [стр.19 /4/]

mш =250…400 кг/м2 [стр.19 /4/]

Принимаем mп =200кг/м2, mш =300 кг/м2

ms = 200 +0.275·300=282,5 кг/м2

Определяем параметры для построения графика инерционных сил по методу Толе:

А= ms ·w2 ·r·(1+l)·10-3 , [кПа] (56)

А= 282,5·167,462 ·0,06·(1+0,27)·10-3=603,66 кПа

В = ms ·w2 ·r·(1-l)·10-3, [кПа] (57)

В= 282,5 ·167,462 ·0,06·(1-0,27)·10-3=346,98 кПа

С =3· ms ·w2 ·r·l·10-3, [кПа] (58)

С =3· 282,5 ·167,462 ·0,06·0,27·10-3=385,01 кПа

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

4.2 ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКА ТАНГЕЦИАЛЬНЫХ СИЛ.

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

, [мм] (59)

мм

От точки О- центра полуокружности откладываем отрезок ОО1 равный:

мм (60)

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

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

Найденные значений Рг и Рj для удобства дальнейших расчетов заносим в таблицу 1.

α	Рг	±(Рг-Ро)	Рj	Рд=±(Рг-Ро)±Рj	Т
град	кПа	кПа	кПа	кПа	кПа
15	90	-10	-569,4	-579,4	-198,9
30	90	-10	-473,1	-483,1	-316,2
45	90	-10	-333	-343	-293,1
60	90	-10	-171,9	-181,9	-180,9
75	90	-10	-11,1	-21,1	-20,1
90	90	-10	127,2	117,2	117
105	90	-10	231,6	221	196,8
120	90	-10	301,5	291,5	214,8
135	90	-10	333,6	323,6	181,2
150	90	-10	345	335	125,1
165	90	-10	347,1	337,1	62,7
180	90	-10	346,8	336,8	0
195	90	-10	-347,1	-357,1	-66,6
210	95,1	-4,9	-345	-349,9	-132,6
225	103,5	-3,5	-333,6	-337,1	-192,3
240	118,2	-18,2	-301,5	-319,7	-235,5
255	140,4	-40,4	-231,6	-272	-242,1
270	179,1	-79,1	-127,2	-206,3	-137,1
285	241,2	-141,2	11,1	-130,1	-134,7
300	361,2	-261,2	171,9	-89,3	-88,5
315	546	-446	333	-113	-96,3
330	1109,7	-1009,7	473,1	-536,6	-289,8
345	2113,8	-2013,8	569,4	-1444,4	-995,1
360	3496,88	-3396,88	603,6	-2793,28	0
375	6977,7	6877,7	-569,4	6308,3	2088,6
390	3502,5	3402,5	-473,1	2929,4	1834,2
405	1796,7	1696,7	-333	1363,7	1164,9
420	1068,6	968,6	-171,9	796,7	792,6
435	769,2	669,2	-11,1	658,1	684,9
450	572,4	472,4	127,2	599,6	599,4
465	450,9	350,9	231,6	582,5	518,7
480	382,8	282,8	301,5	584,3	430,5
495	331,2	231,2	333,6	564,8	316,2
510	303	203	345	548	204,9
525	294,9	194,9	347,1	542	101,1
540	294,22	194,22	346,8	541,02	0
555	110,1	-10,1	-347,1	-357,2	-66,6
570	110,1	-10,1	-345	-355,1	-132,6
585	110,1	-10,1	-333,6	-343,7	-192,3
600	110,1	-10,1	-301,5	-311,6	-235,5
615	110,1	-10,1	-231,6	-241,7	-242,1
630	110,1	-10,1	-127,2	-137,3	-137,1
645	110,1	-10,1	11,1	1	0
660	110,1	-10,1	171,9	161,8	160,8
675	110,1	-10,1	333	322,9	275,7
690	110,1	-10,1	473,1	463	336
705	110,1	-10,1	569,4	559,3	765,5
720	110,1	-10,1	603,6	593,5	0