Тепловой расчет ДВС. 2

Министерство  образования и  науки Украины

Харьковский национальный автомобильно-дорожный Университет

Кафедра двигателей внутреннего сгорания 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

По дисциплине «Автомобильные двигатели» 
 
 

Выполнил:

ст.гр. А-33 Тарасов С.П.

     Руководитель:

     асс. Денисов А.В. 
 
 

2010

ЗАДАНИЕ НА ВЫПОЛНЕНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ:

    Современные поршневые двигатели внутреннего сгорания достигли высокой степени совершенства, продолжая тенденцию непрерывного роста удельных (литровой и поршневой) мощностей, снижения удельной материалоемкости, токсичности отработанных газов, снижения удельных расходов топлива и масел, повышения надежности и долговечности.

    Особые, подчастую, тяжелые условия работы двигателей требуют их усиленной  доработки с целью улучшения  их качеств и увеличения ресурса  работы.

    Стремлением к  модернизации существующих моделей  двигателей является  большая перспективность применения поршневых ДВС в ближайшие 15 ... 20 лет. 

      1.1 Краткая техническая характеристика двигателя

- Число тактов 4 ;

- Число цилиндров  8 ;

Расположение  цилиндров V-образное ;

Угол развала 90° ;

Порядок работы цилиндров 1-5-4-2-6-3-7-8 ;

Диаметр цилиндра и ход поршня, мм 120x120 ;

Рабочий объем, л 10,85 ;

Номинальная мощность, кВт (л.с.) 154 (210) ;

Максимальный  крутящий момент, Нм (кгс.м) 667 (68) ;

Частота вращения коленвала, мин:

- номинальная 2600 (±50) ;

- при максимальном  крутящем моменте 1600-1800 ;

- на холостом  ходу, не более: минимальная 600 ±50 максимальная 2930;

Модель ТНВД 33-02 ;

Модель форсунки 33-02 ;

Минимальный удельный расход топлива (по внешней скоростной характеристике), г/кВт.ч (г/л.с. .ч) 211 (155).

       1.2. Тип камеры сгорания

      Тороидальная, смещенная от оси поршня на 5 мм, с неразделенными камерами, с объемным смесеобразованием.

      1.3. Корпусные детали

Блок-картер двигателя, блок цилиндров, картер маховика, коллекторов, картер агрегатов.

     Блок-картер двигателя отлит из высокопрочного чугунного литья и снизу закрыт штампованным поддоном. В расточках блоков установлены гильзы цилиндров. В развале блок-картера размещены топливный насос высокого давления, компрессор и насос гидроусилителя рулевого управления.

      Гильзы  цилиндров "мокрого" типа, молибденированные, что исключает образование трещин и разрушений. В развале блок-картера размещены ТНВД, компрессор и насос гидроусилителя рулевого управления. Блок цилиндров отливается из серого чугуна вместе с верхней частью картера.

      1.4. Группа поршня

    Поршни литые из А1-медного сплава, отлиты из алюминиевого сплава со вставкой из износостойкого чугуна под верхнее компрессионное кольцо. В головке поршней выполнена тороидальная камера сгорания с вытеснителем в центральной части, она смещена относительно оси поршня в сторону от выточек под клапаны на 5 мм.

    Поршневой палец из качественной хромо-никелевой стали, закаленный ТВЧ, цилиндрической формы,

    Поршневые кольца правильной цилиндрической формы. Два компрессионных и одно маслосъемное, изготовлены из чугуна СЧ-18. В сечении представляют собой одностороннюю трапецию. Рабочая

поверхность первого компрессионного кольца покрыта слоем молибдена, второго - слоем хрома, изготавливаются индивидуальной отливкой. Боковая поверхность представляет собой сложную овально-бочкообразную форму с занижением в зоне отверстий под поршневой палец. На юбку нанесено графитовое покрытие. Гильзы изготовлены из серого чугуна, легкосъемные,

     Вкладыши представляют собой подшипники скольжения вращающегося типа, биметаллические, сменные, тонкостенные (стальная лента толщиной до 2,5 мм и антифрикционная заливка толщиной 0,3-0,7 мм).

      1.5 Группа шатуна

     Шатуны стальные, кованые, стержни  имеют двутавровое сечение. Верхняя головка шатуна неразъемная, нижняя выполнена с прямым и плоским разъемом. Шатун окончательно обрабатывают в сборе с крышкой 2. поэтому крышки шатунов невзаимозаменяемы. В верхнюю головку шатуна запрессована сталебронзовая втулка, а в нижнюю установлены сменные вкладыши. Крышка нижней головки шатуна крепится с помощью гаек, навернутых на болты, предварительно запрессованные в стержень шатуна. На крышке и стержне шатуна нанесены метки спаренности - трехзначные порядковые номера. Кроме того на крышке шатуна выбит порядковый номер цилиндра. Коренные и шатунные подшипники изготовлены из стальной ленты покрытой слоем свинцовистой бронзы толщиной 0.3 мм, слоем свинцовооловянистого сплава толщиной 0.022 мм и слоем олова толщиной 0.003 мм.

      1.6. Группа коленчатого вала

      Коленчатый вал . изготовлен из высококачественной стали и имеет пять коренных и четыре шатунные шейки, закаленных ТВЧ, которые связаны между собой щеками и сопрягаются с ними переходными галтелями. Для равномерного чередования рабочих ходов расположение шатунных шеек коленчатого вала выполнено под углом 90°. Для уравновешивания сил инерции и уменьшения вибраций коленчатый вал имеет шесть противовесов, отштампованных заодно со щеками коленчатого вала эллиптической формы.

       Гаситель крутильных колебаний предназначен для обеспечения длительной работы коленчатого вала без поломок. закреплен восемью болтами на переднем носке коленчатого вала. С целью исключения повреждения поверхности корпуса гасителя под болты устанавливается шайба. Гаситель состоит из корпуса в который установлен с зазором маховик. Снаружи корпус гасителя закрыт крышкой. Герметичность обеспечивается закаткой (сваркой) по стыку корпуса гасителя и крышки. Между корпусом гасителя и маховиком находится высоковязкостная силиконовая жидкость, дозированно заправленная перед заваркой крышки. Центровка гасителя осуществляется шайбой, приваренной к корпусу Гашение крутильных колебаний коленчатого вала происходит путем торможения корпуса гасителя, закрепленного на носке коленчатого вала, относительно маховика в среде силиконовой жидкости. При этом энергия торможения выделяется в виде теплоты.

      Маховик изготовлен из специального серого чугуна. На его обработанную цилиндрическую поверхность напрессован зубчатый венец, с которым входит в зацепление шестерня стартера при пуске двигателя.

      1.7. Механизм газораспределения.

      Распределительный вал с измененными профилями кулачков и увеличенным радиусом начальной окружности, изготавливается из стали Ст 45 и устанавливается в развале блока на пяти подшипниках скольжения.

      1.8. Система смазки

      Система смазки комбинированная, с мокрым картером. Включает в себя односекционный масляный насос с увеличенной подачей, совмещенный фильтр и водомасляный теплообменник. Вместимость

       системы смазки двигателя – 23 л. Масляный насос служит для создания необходимого давления в системе. Давление масла прогретого двигателя при частоте вращения коленчатого вала 2600 мин-1 должно быть 0,45 ... 0,5 МПа, а при 600 мин-1 — не менее 0,1 МПа.

      1.9. Система охлаждения

      Закрытая, заполняемая низкозамерзающей охлаждающей жидкостью, с автоматическим регулированием температурного режима и принудительной циркуляцией жидкости, создаваемой водяным центробежным насосом. Состоит из трубчато-ленточного радиатора, центробежного насоса, термостата с жидкостным и твердым наполнителями и вентилятора, охлаждающего жидкость, протекающую по трубкам радиатора. 

2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЯТЫХ ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЯ

2.1.Обоснование  выбора входных данных для  теплового расчета

При выборе и  обосновании величины входных параметров и факторов ДВС стоит исходить из основных тенденций и направлений развития современных транспортных двигателей. Основными заданиями, которые решаются двигателестроителями, являются: повышение топливной экономичности, использование альтернативных топлив, снижение уровня токсичности отработавших газов, снижение расходов масла, повышение литровой и поршневой мощности, снижение массогабаритных показателей двигателей.

Тип двигателя

По заданию  кафедры я выбираю четырёхтактный восьмицилиндровый V-образный дизельный двигатель КамАЗ-740, отличающийся высокой мощностью, надёжностью и повышенным ресурсом, который может быть установлен на автомобилях КамАЗ-53212 и -54112.

Степень сжатия

В дизельных  двигателях при увеличении степени  сжатия температура и 

давление в период начала впрыскивания топлива растут, что приводит к более «мягкой» работе двигателя. По заданию кафедры я принимаю степень сжатия ε = 17,5.

Частота вращения КВ

В дизеле с повышением частоты вращения коленчатого вала качество распыливания топлива улучшается, скорость движения воздушного заряда , температура и давление до конца процесса сжатия увеличивается. Однако с

 увеличением  частоты вращения КВ возрастают инерционные нагрузки, увеличиваются размер и масса деталей КШМ, потери на трение, снижаются надежность и долговечность двигателя. Диапазон оборотов дизельного двигателя составляет 1700 - 3000 об/мин. По заданию кафедры принимаю частоту оборотов коленвала n = 2500 об/мин.

Коэффициент избытка воздуха

Для дизелей  без наддува коэффициент избытка  воздуха на номинальном режиме работы в основном ограничивается границей дымовыброса и в зависимости от формы камеры сгорания. Я принимаю значение α = 1,72.

Вид и марка топлива

Способы смесеобразования и сгорания топливовоздушной смеси  определяют требования к топливу, которое используется в ДВС. Для двигателей с внутренним смесеобразованием применяют дизельное топливо. Его характеристики приведены в таблице:

Температура и давление окружающей среды

Температура и  давление окружающей среды To и Po по заданию кафедры равны, соответственно, 285 К и 0,096 МПа.

Давление  избыточных газов

Давление  избыточных газов, pr, Мпа, определяется с учетом конструкции выпускной системы и давления среды, куда осуществляется выпуск. Для двигателей без наддува давление остаточных газов находится в пределах     pr = 0 - 0,125 МПа. Стоит отметить, что давление избыточных газов зависит, в основном, от частоты вращения коленчатого вала и может быть ориентировочно вычислена по формуле:

Pr = 0,112 Мпа.

Температура избыточных газов

Температура избыточных газов для дизелей без наддува  находится в пределах Tr=900-1100 К. У дизелей уменьшение коэффициента избытка воздуха приводит к росту Tr, поэтому приближенная формула имеет вид:

Ступень подогревания свежего  заряда на впуске

Для четырехтактных дизелей без наддува ∆Т = 20-40 К. Стоит помнить, что ступень подогревания зависит от параметров и конструкции двигателя, но

преимущественное  влияние на его величину оказывает  частота оборотов КВ и поэтому  ступень подогрева можно определить по формуле: 

Коэффициент сопротивления впускной системы

Коэффициент учитывает снижение скорости свежего заряда после входа его в цилиндр и гидравлическое сопротивление впускной системы двигателя. Для дизелей рекомендуется применять Свп = 2,8.

Средняя скорость свежего  заряда в проходном  сечении впускного  клапана

Средняя скорость свежего заряда при полном открытии впускного клапана для автотракторных двигателей находится в пределах Wкл = 50 - 150 м/с. Необходимо иметь ввиду, что она для данного типа двигателя, в основном, зависит от частоты вращения КВ и может быть определена по приблизительной зависимости:

Средний показатель политропы  сжатия

Для автотракторных двигателей этот показатель изменяется в пределах

n1 = 1.36 -1.40. Величина его зависит от теплообмена между рабочим телом и

стенками цилиндра. При уменьшении теплообмена n1 необходимо брать ближе к верхней границе. Теплообмен снижается с увеличением частоты вращения коленчатого вала, при уменьшении относительной поверхности цилиндра и повышении температуры охлаждающей жидкости.

Я принимаю значение n₁ = 1,36.

Ступень повышения давления при сгорании

Ступень повышения  давления необходимо принимать только в случае теплового расчета дизеля. Она зависит от типа смесеобразования, формы камеры сгорания и изменяется в таких пределах:

- для однокамерных  с объемным смесеобразованием λ = 1,8 - 2,2. Я выбираю λ = 1.8 по заданию кафедры.

При выборе λ  необходимо учитывать, что увеличение его значения ведет к повышению  нагрузки на детали КШМ, что, в свою очередь, приводит к уменьшению надежности работы двигателя.

Коэффициент эффективного теплоиспользования

Это параметр, который  учитывает потери теплоты в процессе горения. Величина ξ изменяется на номинальном  режиме работы в пределах:

- для дизелей  ξ = 0,70 - 0,85.

Рекомендуется при увеличении частоты оборотов КВ, ступени сжатия, использования воздушной системы охлаждения принимать ξ ближе к верхнему значению. Я принимаю ξ = 0,76.

Средний показатель политропы  расширения

Этот показатель изменяется в пределах:

- для дизелей  n2 = 1,18 - 1,26.

Необходимо учитывать, что он зависит от интенсивности теплообмена между рабочим телом и стенками цилиндра. В тех случаях, когда

увеличивается длительность догорания смеси, то есть снижается коэффициент эффективного теплоиспользования, снижается относительный 

теплообмен, что  приводит к снижению показателя уровня политропы

расширения n2.

Коэффициент полноты индикаторной диаграммы

Для дизелей  φi = 0.92  -0.95, я принимаю значение φi  = 0,93.

2.2. Методика  теплового расчета двигателя

Целью теплового  расчета является определение параметров состояния рабочего тела в характерных точках рабочего цикла для построения индикаторной диаграммы и определения мощностно-экономических показателей двигателя.

2.2.1. Расчет процесса  впуска

Целью расчета  процесса впуска является определение  параметров рабочего тела в конце процесса впуска и оценка эффективности протекания самого процесса. Давление свежего заряда в конце процесса впуска pa, МПа, определяют по формуле:

  где ρ0 – плотность воздуха, кг/м³, которая определяется по формуле:

  ρ0= p0/(R·T0),

  p0 – давление окружающей среды, Па,

  T0 – температура воздуха, который поступает в двигатель, К

  R=287 Дж/(кг·К) – газовая постоянная воздуха. 

Для четырехтактных двигателей без наддува  pa = (0,8 - 0,95)·p0, МПа.

Коэффициент остаточных газов для дизелей:

где ε-ступень  сжатия. Определяется согласно заданию. Коэффициент остаточных газов для  дизелей γ = 0,03 - 0,06.

Температура свежего  заряда, К, в конце процесса впуска определяется по формуле:

Для двигателей без наддува Ta = 310 - 350 К.

Коэффициент наполнения определяется из выражения:

Для дизельных  двигателей ηv = 0,8-0,9.

Объем цилиндра в конце процесса впуска, л, определяется по формуле: 
Va=Vc+Vh=1,439,

где

где D - диаметр поршня, м, определяется в задании,

S - ход поршня, м, определяют по формуле:

S = D · (S / D);

S = 0,12.

S/D = 1-отношение хода поршня к диаметру цилиндра, определяется согласно заданию.

Vc - объем камеры сжатия, л, определяется по формуле:

Vc= Vh/(ε-1);

Vc =0,082.

2.2.2. Расчет процесса  сжатия

Целью расчета  процесса сжатия является определение  параметров рабочего

 тела в  конце процесса сжатия.

Давление рабочей  смеси в конце процесса сжатия, МПа, определяется по формуле:

Для дизелей  pc = 3,5 - 6,5 МПа.

Температура рабочего тела в конце процесса сжатия, К, определяют из выражения:

Для дизельных  двигателей Tc=700-900 К.

Средняя молярная изохорная теплоемкость смеси определяется как теплоемкость воздуха, кДж/(кг·К), из выражения:

tc  = Tc - 273;

tc = 620,6 °C.

2.2.3. Расчет материального  баланса рабочего цикла

Целью расчета  является определение количества компонентов  рабочего

тела на разных этапах протекания рабочего цикла двигателя. Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива, кмоль/кг, определяется из выражения для жидких топлив:

L0=0,495,

Где С, Н, О –  массовые части компонентов жидких топлив.

Количество свежего заряда, кмоль/кг, определяется:

-для дизелей 

Где α - коэффициент избытка воздуха, величина которого задана.

Количество компонентов  продуктов сгорания, кмоль/кг, определяется:

-для жидких  топлив при α≥1:

• Диоксид углерода                     Mco2 = C/12 = 0,0725,
• Водяной пар                               MH2О = H/2 = 0,063,
• Кислород воздуха                     MO2 = 0,21·(α - 1)·L0  = 0,0748,
• Азот воздуха                               MN2 = 0,79·α·L0 = 0,67,

Суммарное количество продуктов сгорания, кмоль/кг, определяется по

формуле:

M2=ΣMi;