ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

Б3.Б.8.3 Двигатели внутреннего сгорания

Б3.В.1 Силовые агрегаты

Б3.В.9 Тракторы и автомобили

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗНИЯ

 

к выполнению курсовой работы

 

для студентов специальности

23.03.02 машины и оборудование для городского хозяйства.

23.03.03 автомобили и автомобильное хозяйство.

35.03.06 технические системы в агробизнесе.

35.03.06 технический сервис в агропромышленном комплексе.

 

Уфа 2015

Обсуждены и одобрены на заседании кафедры «Автомобили и машинно – тракторные комплексы» «» ноября 2015 года (протокол №).

 

Рекомендовано к опубликованию методической комиссией механического факультета «» ноября 2015г. (протокол №).

 

 

Составители: д.т.н., профессор Баширов Р.М.,

к.т.н., доцент Костарев К.В.

 

Ответственный за выпуск:

зав. кафедрой, к.т.н., Костарев К.В.

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ (ПРОЕКТА)…………………………………………………………
ОФОРМЛЕНИЕ РАБОТЫ ….……………………………………
1 ВЫБОР ТИПА И ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЯ И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНИМАЕМОГО СПОСОБА СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ………………… ………………………...
2 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ……………………………..
2.1 Процесс впуска………………………………………………
2.2 Процесс сжатия……………………………………………..
2.3 Процесс сгорания………………………………………........
2.4 Процесс расширения………………………………………..
2.5 Процесс выхлопа……………………………………………
3 ПОСТРОЕНИЕ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ……………………………………………………….
3.1 Построение индикаторной диаграммы……………………
3.2 Определение индикаторных показателей работы двигателя (рi, hi и gi)…………………………………..………...
3.3 Определение эффективных показателей работы двигателя……………………………………………………..…..
4 УТОЧНЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОМПЛЕКСНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СТЕПЕНИ ФОРСИРОВАННОСТИ ДВИГАТЕЛЯ………………………….…
5 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ………………………….....
6 КИНЕМАТИЧЕСКИЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА ………………..
6.1. Построение графика инерционных усилий……………….
6.2. Построение графика тангенциальных сил………………..
6.3. Расчет массы маховика……………………………………
7 СВОДНЫЕ ДАННЫЕ СПРОЕКТИРОВАННОГО ДВИГАТЕЛЯ…….…………………………………………………..
БИБЛИОГРАФИЯ………………………………………………..

ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОЙ

РАБОТЫ

 

Цель курсовой работы – овладение методикой и навыками самостоятельного решения инженерных задач в области двигателей внутреннего сгорания.

Студенту выдается задание на курсовую работу по расчету двигателя трактора (автомобиля).

Курсовая работа состоит из разделов:

- выбор типа и основных параметров двигателя и обоснование принимаемой формы камеры сгорания и схемы коленчатого вала, анализ процессов смесеобразования и сгорания (для принятой камеры сгорания) с использованием индикаторной диаграммы;

- тепловой расчет двигателя;

- построение индикаторной диаграммы, удельных сил инерции и диаграммы удельных тангенциальных усилий для одного цилиндра, и суммарной удельной тангенциальной силы для всех цилиндров и определение индикаторных и эффективных показателей двигателя;

- тепловой баланс двигателя;

- изображение усилий, действующих на детали кривошипно-шатунного механизма (КШМ) при заданном его положении;

- расчет массы маховика.

ОФОРМЛЕНИЕ РАБОТЫ

 

Все расчеты выполняются в международной системе измерений СИ.

Курсовая работа (проект) оформляется строго соблюдая требования стандарта предприятия – СТО 0493582-003-2006 в виде пояснительной записки формата А4 с необходимыми схемами, таблицами, графиками.

Все графики строятся в одинаковом масштабе.

Графический материал выполняется карандашом на ватмане формата А1.

Приводимые в пояснительной записке схемы должны иметь порядковые номера и подрисуночные надписи. В тексте на них должны содержаться соответствующие ссылки.

Необходимые для расчетов коэффициенты должны приниматься обосновано (с соответствующими пояснениями и ссылкой на литературный источник цифрами в квадратных скобках, соответствующих нумерации списка литературы, приводимого в конце пояснительной записки).

 

ВЫБОР ТИПА И ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

ДВИГАТЕЛЯ И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНИМАЕМОГО

СПОСОБА СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ

Тип двигателя (дизельный или с искровым зажиганием (ДсИЗ)), число и расположение цилиндров принимаются с учетом его назначения, условий работы и технико-экономических показателей (сложность конструкции и проведения технического обслуживания, моторесурс, стоимость изготовления и ремонта, экономичность и т.д.).

Обоснование выбора приводится в пояснительной записке.

Форму коленчатого вала (расположение колен) следует определять с учетом необходимости обеспечения высокой равномерности крутящего момента и упрощения решения вопросов уравновешивания двигателя.

Принимаемые формы коленчатого вала двигателя, камеры сгорания и способ смесеобразования следует обосновать, учитывая назначение двигателя и требования к его технико-экономическим показателям и простоте конструкции.

В пояснительной записке следует дать подробный анализ процессов смесеобразования и сгорания (для принятой камеры сгорания) с использованием развернутой индикаторной диаграммы.

 

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

Тепловой расчет двигателя производится с целью нахождения показателей рабочего цикла, необходимых для построения индикаторной диаграммы и определения мощностных и экономических показателей работы двигателя.

Расчет рабочего цикла производится для режима работы двигателя, соответствующего номинальной мощности и нормальным условиям окружающей среды. Необходимые для расчета двигателя значения степени сжатия, коэффициента наполнения цилиндров, показатели политроп сжатия и расширения, параметров окружающей среды, коэффициента использования тепла, а для дизеля – и степени повышения давления и давления наддува принимаются на основании лекционного материала и литературных источников.

Индикаторная диаграмма строится расчетным путем на основе вычисленных основных параметров характерных точек для процессов впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска.

Предварительно ориентируясь на заданную мощность (N_е) и выполненные двигатели и принятый коэффициент избытка воздуха (α) назначаются приближенные значения удельного расхода топлива (g_e) номинальной частоты вращения коленчатого вала (n) и коэффициента наполнения цилиндра двигателя (h_v).

Дается обоснование принятых значений g_{e ,} n и h_v.

После этого проводится ориентирвочный расчет двигателя следующим образом. Находится ориентировочное значение цикловой подачи топлива (g_ц в мм³/цикл):

, (2.1)

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

g_e- эффективный удельный расход топлива в г/(кВт∙ч) (предварительно принимается ориентируясь на выполненные двигатели);

t - коэффициент тактности двигателя (τ=1– если двухтактный и 0,5 - четырехтактный);

N_e - эффективная мощность двигателя, кВт;

ρ_Т - плотность топлива, г/мм³.

 

Для определения объема воздуха, поступающего в цилиндр двигателя в процессе впуска V_о, необходимо предварительно вычислить его плотность на впуске (кг/м³):

= , (2.2)

где: p₀ - давление окружающей среды (или давление наддува p_к дизелей с наддувом), МПа;

Т_о- температура окружающей среды (или надувочного воздуха Т_к), К;

R_в- газовая постоянная воздуха, .

 

Учитывая, что для сгорания одного кг топлива требуется примерно L_o^/= 14,5 кг воздуха, для вычисленной цикловой подачи находится требуемый объем воздуха (м³):

V_о = , (2.3)

где: ΔV ^/- цикловая подача топлива, г/цикл;

α- коэффициент избытка воздуха.

Приняв коэффициент короткоходности (к) определяются ориентировочные значения диаметра (D) и хода

 

 

поршня (S), м:

, (2.4)

и S=к∙D, (2.5)

где: к- коэффициент короткоходности;

η_v- коэффициент наполнения цилиндра свежим зарядом

Ориентируясь на эти значения, ведется уточненный тепловой расчет двигателя. Окончательные значения D и S уточняются по результатам теплового расчета двигателя.

Тепловой расчет начинается с процесса впуска.

Процесс впуска

Температура в конце процесса впуска Т_а в К:

, (2.6)

где: Т₀ – температура окружающей среды, К; (Т₀=293 К)

DТ – подогрев свежего заряда, К;

g_r – коэффициент остаточных газов;

Т_r – температура статочных газов, К.

(Т_r=1000…1100 К – для ДсИЗ, и800…900 К – для дизелей).

Для двигателя с наддувом вместо Т_о принимается Т_к – температура воздуха после компрессора, К:

Т_к= (2.7)

где: n_k – показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре.

Для центробежных нагнетателей с охлаждаемым корпусом n_k=1,4…1,8 – без охлаждаемого корпуса

n_k=1,8…2,0 – с охлаждаемым корпусом.

Давление в конце впуска p_а, в кПа:

p_а= (0,85…0,9)∙p₀ , (2.8)

где p₀– давление окружающей среды (или в случае наддува - давление наддува p_к), кПа.

 

Процесс сжатия

Давление в конце сжатия p_с , кПа:

p_с = p_а · ε ⁿ¹ , (2.9)

Температура в конце сжатия Т_с, К:

Т_с= Т_а · ε^n1-1, (2.10)

где: n₁ - средний показатель политропы сжатия.

 

Величину n₁ можно (определить, если она не задана) по эмпирической формуле профессора В.А. Петрова, как функцию от угловой скорости вращения коленчатого вала.

Процесс сгорания

Предварительно находится теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива (кмоль/кг):

, (2.11)

где: С, Н и О – содержание углерода, водорода и кислорода в топливе, кг.

Затем определяется действительное количество воздуха (кмоль/кг):

L= a×L₀, (2.12)

Дается обоснование выбранного значения коэффициента избытка воздуха a.

Вычисляется число молей газов после сгорания:

- при a>1: ; (2.13)

- при a<1: . (2.14)

Находятся последовательно химический β₀ и действительный β коэффициенты молярного изменения:

. (2.15)

. (2.16)

Мольная теплоемкость чистого воздуха в конце сжатия μ_v^c, в кДж/(кмоль·К):

, (2.17)

где: а = 20,16 и в = 1,738×10^-3 – постоянные коэффициенты.

 

Для продуктов сгорания (в конце сгорания):

- при a<1 ,

- при a>1 (2.18)

 

Мольная теплоемкость при постоянном давлении:

, (2.19)

где: mR=8,314 кДж/ (кмоль·К) – универсальная газовая постоянная.

Температура в конце сгорания Т_z определяется по формулам:

- для дизеля: , (2.20)

- для ДсИЗ: . (2.21)

где: x– коэффициент использования тепла.

для ДсИЗ x=0,85...0,95; для дизелей x=0,7…0,85;

Q_н– низшая удельная теплота сгорания (у дизельных топлив Q_H=42500 кДж/кг, бензина Q_H=44000 кДж/кг);

DQ –потеря тепла из-за неполноты сгорания для случая, когда

a<1. DQ=119950 (1-a) L_о , кДж/кг;

Затем находится степень нарастания давления l.

Для дизельных двигателей величину l следует принять в соответствии с типом камеры сгорания и затем определить максимальное давление сгорания P_z:

P_z= l×P_c, (2.23)

 

Для ДсИЗ величина l определяется после вычисления температуры в конце сгорания Т_z:

, (2.24)

По величине l определяется P_z:

P_z= l×P_c, (2.25)

Процесс расширения

Для дизеля находится cтепень предварительного расширения ρ:

, (2.26)

и затем степень последующего расширения δ:

, (2.27)

Давление в конце расширения p_e, кПа:

,

Температура в конце расширения Т_e, К:

- для дизеля: (2.28)

- для ДсИЗ: (2.29)

Показатель политропы расширения n₂ определяется также по эмпирическим формулам профессора В.А. Петрова.

 

Процесс выхлопа

 

Давление в конце выхлопа p_r , кПа:

p_r=k_r× p₀ , (2.31)

где: p₀ – давление окружающей среды (или давление наддува p_к), кПа.

k_r– коэффициент, зависящий от сопротивления выпускного тракта.

- для ДсИЗ и двигателей без наддува k_r=(1.05…1.25);

- для двигателей с наддувом k_r=(0,75…0,98).