Тепловой и динамический расчет дизельного двигателя

0

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Электроэнергетический факультет

Кафедра электро- и теплоэнергетики

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Тепловые двигатели и нагнетатели»

Тепловой и динамический расчет дизельного двигателя

Пояснительная записка

ОГУ 13.03.01.3017.011

Руководитель

___________ С.А.Наумов

«___»______________2017г

Исполнитель

студент группы 14ТТ(б)ЭоП

____________Н.В.Селищев

«___»______________2017г

Оренбург 2017

Аннотация

Пояснительная записка содержит 34 страницы, в том числе 3 таблицы, 3 источника использованной литературы. Графическая часть выполнена на 2 листах формата А1.

В данном проекте изложен процесс освоения теплового и динамического расчета двигателя внутреннего сгорания. Выработка умения составлять текстовую часть конструкторской документации; закрепление и углубление знаний, полученных в процессе изучения общетехнических дисциплин.

Содержание

Введение………………………………………………………………...……….....		5
1	Тепловой расчет двигателя на номинальном режиме работы….….……	7
1.1	Расчет процессов газообмена …….…..…………………………………...	7
1.2	Расчет процесса сжатия ….………………………………………………..	9
1.3	Расчет процесса сгорания …………………………………………...…….	10
1.3.1	Термохимический расчет процесса сгорания ……………………………	10
1.3.2	Термодинамический расчет процесса сгорания …………………………	12
1.4	Расчет процесса расширения…………………...…………………………	14
1.5	Расчет показателей рабочего цикла двигателя ......………………………	15
1.5.1	Индикаторные показатели цикла ……………………...………………….	15
1.5.2	Эффективные показатели цикла ……...…………………………………..	16
1.5.3	Основные размеры двигателя……………………………….....................	17
1.6	Построение индикаторной диаграммы …………………………………..	19
1.6.1	Выбор масштабов ………….………………………………………………	19
1.6.2	Характерные линии и точки ………………………….…………………	19
1.6.3	Построение политроп сжатия и расширения …………………………….	21
1.6.4	Скругления индикаторной диаграммы …………………………………..	23
2	Кинематика и динамика КШМ …………………………………………...	24
2.1	Расчет кинематических параметров КШМ .……………………………...	24
2.1.1	Перемещение поршня ……………………..………………………………	24
2.1.2	Скорость поршня ………………………………………………...………...	24
2.1.3	Ускорение поршня …………………………...……………………………	25
2.2	Динамический расчет кривошипно – шатунного механизма …….…...	27
2.2.1	Силы давления газов ………………………………..……………………..	27
2.2.2	Приведение масс частей кривошипно – шатунного механизма………...	28
2.2.3	Силы инерции………………………………………………………………	29
2.2.4	Суммарные силы, действующие в кривошипно – шатунном механизме	29
2.2.5	Диаграмма суммарного крутящего момента ….…….…………………...	32
Заключение…………………………………………………………………………		33
Список использованных источников………………………………………..……		34

Исходные данные:

Назначение двигателя	автомобильный
Тип двигателя	карбюраторный
Тактность двигателя	четырехтактный
Номинальная эффективная мощность двигателя	N_е= 75 кВт
Номинальная частота вращения коленчатого вала	.
Число цилиндров	6
Расположение цилиндров	рядное

Степень сжатия 12

Введение

Прогресс в автомобильной и тракторной промышленности, дальнейшее увеличение грузооборота автомобильного транспорта, значительное расширение тракторного парка в сельском хозяйстве предусматривает не только количественный рост автотракторного парка, но и значительное улучшение использования имеющихся автомобилей и тракторов, повышение культуры их эксплуатации, увеличение межремонтных сроков.

В области развития и совершенствования автомобильных и тракторных двигателей основными задачами на современном этапе являются: расширение использования дизелей, снижение топливной экономичности и удельной массы двигателей, стоимости их производства и эксплуатации. Значительно больше внимания уделяется использованию электронно – вычислительных машин пи расчетах и испытаниях двигателей. Намечаются пути использования вычислительной техники непосредственно в конструкции двигателей и в первую очередь в конструкции дизелей.

Выполнение этих задач требует от специалистов, связанных с производством и эксплуатацией автомобильных и тракторных двигателей, глубоких знаний теории, конструкции и расчета двигателей внутреннего сгорания.

Применение двигателей внутреннего сгорания во всех областях народного хозяйства и в самых различных условиях способствует разнообразию конструктивных форм и масштабов их производства. В соответствии с этими особенностями двигателестроения весьма различны и применяемые материалы и технология производства двигателей. Однако только наиболее простые и тяжелые тихоходные стационарные и судовые двигатели, выпускаемые относительно малыми сериями, выполняются в основном в пределах 3 – го класса точности с применением рядовых материалов. В крупносерийном производстве, особенно двигателей специального назначения, применяются качественные материалы с обработкой ряда деталей даже по 1 – му классу точности. Массовое производство транспортных быстроходных двигателей также требует высокой культуры производства (не ниже 2 – го класса точности).

Общие направления двигателестроения – повышение быстроходности, увеличение напряженности, связанное со снижением веса – естественно выдвигают все более высокие требования как к качеству материалов, так и к технологии производства, что является стимулом их дальнейшего улучшения.

Таким образом, интенсивно развивающееся двигателестроение относится к группе производств машин высокой точности, что и определяет прогрессивный характер данной отрасли.

Исходным материалом для проектирования новой машины служит проектное задание, содержащее технические требования, которым должны удовлетворять основные показатели работы новой машины.

Общие требования, которые предъявляются при создании нового двигателя заданной мощности и числа оборотов, сводятся к обеспечению наименьшего веса и габаритов, наибольшей экономичности, наибольшей надежности и увеличения срока службы, наибольшей простоты конструкции и дешевизны производства и эксплуатации, безопасности и удобства обслуживания.

Одновременное удовлетворение этих требований представляет значительные трудности, так как отдельные требования находятся в некотором противоречии между собой.

Так, например, необходимость достижения минимального веса не всегда увязывается с требованием наибольшей экономичности вследствие того, что максимальная мощность двигателя с внешним смесеобразованием получается при несовершенном сгорании топлива. Необходимость получения минимального веса не увязывается и с требованием наибольшего сока службы, так как высоконапряженные двигатели с малым удельным весом естественно подвержены большему износу.

Для создания легкого двигателя необходимо применять качественные материалы и обеспечит высокую точность изготовления, что приводит к удорожанию производства и эксплуатации. Требование повышения экономичности, кроме того, связано с проблемой снабжения топливом. Так, например, для карбюраторного двигателя удовлетворение этого требования определяется в основном повышением степени сжатия и, соответственно, применением топлива с более высоким октановым числом. Вопрос об экономичности двигателя следует рассматривать не только в отношении величины удельного расхода топлива, но также с учетом ресурсов данного топлива, возможностей и трудностей его производства. Высокая ценность топлив, применяемых в двигателях внутреннего сгорания, определяет необходимость тщательного выбора наиболее рационального топлива, а в некоторых случаях перед конструктором встает вопрос создания двигателя, который мог бы работать, например, на жидких топливах различных сортов или даже, при условии смены некоторых деталей, работать на газообразном топливе вместо жидкого (конвертивные двигатели).

Следует отметить, что массовый характер производства двигателей для наземного транспорта обеспечивает их относительную дешевизну даже при необходимой сложности конструкции, применении качественных материалов и высокой точности обработки деталей.

1 Тепловой расчет двигателя на номинальном режиме работы

1.1 Расчет процессов газообмена

Так как по заданию двигатель работает без наддува, то в качестве исходного заряда на впуске принимается давление и температура окружающей среды, ⁰К, МПа:

(1)

(2)

Определим плотность заряда на впуске, ρ_к, кг/м³:

(3)

,

где: R – газовая постоянная;

Определим давление остаточных газов, p_r_н, МПа:

(4)

В соответствии с заданием принимаем температуру остаточных газов равной, Т_r, К:

Определим температуру подогрева свежего заряда, ΔТ_н, К:

Определим давление рабочего тела в конце впуска, р_а, МПа:

(5)

,

где: Δр_а – потери давления во впускной системе;

Определим потери давления во впускной системе, Δр_а, МПа:

(6)

,

где: β – коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра;

ξ_вп – коэффициент сопротивления впускной системы;

ω_вп – средняя за процесс впуска скорость движения смеси в наименьем сечении впускной системы, м/с;

ρ_к – плотность заряда на впуске, кг/м³;

Определим коэффициент остаточных газов, γ_r:

(7)

,

где: ε – степень сжатия;

φ_доз – коэффициент дозарядки;

На номинальном режиме работы величина γ_r для ДсИз должна находиться в пределах 0,06…0,10.

Определим температуру в конце впуска, Т_а, К:

(8)

Величина Т_а согласно статистическим данным при работе на номинальном режиме должна быть в пределах: для карбюраторных ДсИЗ 325-360К

Определим коэффициент наполнения, η_v:

(9)

Значение коэффициента наполнения η_v при работе карбюраторных ДсИЗ без наддува на номинальном режиме находится в пределах 0,75 – 0,82.

1.2 Расчет процесса сжатия

Определим давление в конце процесса сжатия, р_с, МПа:

(10)

,

где: п₁ – показатель политропы сжатия;

Определим температуру в конце процесса сжатия, Т_с, К:

(11)

1.3 Расчет процесса сгорания

1.3.1 Термохимический расчет процесса сгорания

Определим количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг жидкого топлива, в массовых единицах, l_o, кг_{воздуха}/кг_{топлива}:

(12)

Определим количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг жидкого топлива, в объемных единицах, L_o, кмоль/кг_{топлива}:

(13)

Определим количество заряда, находящегося в цилиндре в конце сжатия, М_с, кмоль/кг:

(14)

,

где: М₁ – количество свежего заряда, находящегося в цилиндре, кмоль/кг;

М_r – количество остаточных газов в цилиндре, кмоль/кг;

Определим количество свежего заряда, находящегося в цилиндре, М₁, кмоль/кг:

(15)

,

где: α – коэффициент избытка воздуха(0,85-0,95);

Определим количество остаточных газов в цилиндре, М_r, кмоль/кг:

(16)

Определим количество заряда, находящегося в цилиндре к концу процесса сгорания, M_z, кмоль/кг:

(17)

,

где: М₂ – количество продуктов сгорания, образующихся при сгорании 1 кг жидкого топлива, кмоль/кг;

Определим количество продуктов сгорания, образующихся при сгорании 1 кг жидкого топлива, М₂, кмоль/кг:

(18)

Определим химический коэффициент молекулярного изменения, μ_д:

(19)

Величина m_д находится в пределах: для бензиновых двигателей 1,02 – 1,12

1.3.2 Термодинамический расчет процесса сгорания

Определим теплоемкость заряда в зависимости от температуры конца сжатия, μ_cv_с, кДж/(кмоль·К):

(20)

Определим теплоемкость продуктов сгорания, μ_cvz, кДж/(кмоль·К):

(21)

,

где: Т_z – температура продуктов сгорания;

Определим потери теплоты из – за химической неполноты сгорания богатых смесей, ΔQ_н, кДж/кг:

(22)

Определим температуру в конце процесса сгорания, Т_z, К:

(23)

,

где: a, b, c – коэффициенты;

Определим коэффициент а:

(24)

Определим коэффициент b:

(25)

Определим коэффициент с:

(26)

,

где: ξ – коэффициент использования теплоты;

Q_н – низшая теплота сгорания топлива;

λ – степень повышения давления;

Определим давление газов в конце сгорания, р_z, МПа:

(27)

Степень повышения давления двигателя с искровым зажиганием:

1.4 Расчет процесса расширения

Определим давление в конце процесса расширения, p_b, МПа:

(30)

,

где: п₂ – показатель политропы;

Определим значение температуры в конце процесса расширения, Т_b, К:

(31)

Осуществим проверку ранее принятой температуры остаточных газов, T_r:

(32)

Определим величину погрешности, ΔТ_r, %:

(33)

Расчетное значение температуры отличается от выбранного менее чем на 5%, следовательно значения Т_r и р_r выбраны верно.

1.5 Расчет показателей рабочего цикла двигателя

1.5.1 Индикаторные показатели цикла

Определим среднее индикаторное давление цикла, p_i, МПа:

(34)

,

где: μ_п – коэффициент полноты индикаторной диаграммы;

Определим индикаторный КПД, η_i:

(35)

Определим удельный индикаторный расход топлива, g_i, г/(кВт·ч):

(36)

1.5.2 Эффективные показатели цикла

Определим среднюю скорость поршня, υ_ср, м/с:

(37)

,

где: S – ход поршня, мм;

п – число оборотов вала двигателя;

Определим величину р_м, МПа:

(38)

Определим среднее эффективное давление, р_е, МПа:

(39)

Определим механический КПД, η_м:

(40)

Определим эффективный КПД, η_е:

(41)

Определим удельный эффективный расход топлива, g_e, г/(кВт·ч):

(42)

1.5.3 Основные размеры двигателя

Определим рабочий объем цилиндра, V_h, л:

(43)

,

где: τ – тактность;

i – число цилиндров;

N_e – эффективная мощность, кВт;

Определим диаметр цилиндра, D, мм:

(44)

,

где: ψ – отношение хода поршня к диаметру цилиндра;

Принимаем диаметр цилиндра равным D = 113 мм.

Определим ход поршня, S, мм:

(45)

Определим уточненное значение средней скорости, υ_сру, м/с:

(46)

Определим рабочий объем цилиндра, V_h, л:

(47)

Определим эффективную мощность двигателя, N_е, кВт:

(48)

Определим эффективный крутящий момент, М_е, Н·м:

(49)

Определим часовой расход топлива, G_Т, кг/ч:

(50)

1.6 Построение индикаторной диаграммы

1.6.1 Выбор масштабов

Индикаторная диаграмма строится для номинального режима работы двигателя на основании данных, полученных в тепловом расчете. При этом по оси ординат откладывается давление в абсолютных единицах (МПа), а по оси абсцисс – объем (л).

Определим масштаб по оси абсцисс для хода поршня, М_S, мм_х/мм_д:

Определим масштаб давления, М_р, МПа/мм:

1.6.2 Характерные линии и точки

Определим объем камеры сгорания, V_c, л:

(51)

Определим отрезок, характеризующий объем камеры сгорания, S_c, мм:

(52)

Определим отрезок, характеризующий объем камеры сгорания с учетом принятого масштаба, ОА, мм:

(53)

Определим ход поршня с учетом масштаба, АВ, мм:

(54)

Определим отрезок А_r, мм:

(56)

Определим отрезок А_с, мм:

(57)

Определим отрезок А_z, мм:

(58)

Определим отрезок В_а, мм:

(59)

Определим отрезок В_b, мм:

(60)

1.6.3 Построение политроп сжатия и расширения

При построении политроп сжатия и расширения вычисляется ряд точек для промежуточных объемов (положений поршня), расположенных между V_c и V_a по уравнению политропы:

(61)

Для политропы сжатия:

(62)

(63)

,

где: р_х –давление в искомой точке процесса сжатия;

V_x – объем в искомой точке процесса сжатия;

Отношение изменяется в пределах от ε до 1.

С учетом масштаба, р_хс, мм:

(64)

Определим исходное давление, р_хс, МПа:

(65)

Остальные расчеты аналогичны. Результаты сводим в таблицу 1.

Для политропы расширения:

(66)

,

где: р_х –давление в искомой точке процесса расширения;

V_x – объем в искомой точке процесса расширения;

Отношение изменяется в пределах от 1 до δ.

С учетом масштаба, р_хс, мм:

(67)

Определим исходное давление, р_хс, МПа:

(68)

Остальные расчеты аналогичны. Результаты сводим в таблицу 1.

Таблица 1 – Построение политроп сжатия и расширения

№ точ.	Политропа сжатия				Политропа расширения
№ точ.	ОХ, мм	ОВ/ОХ	р_хс, мм	р_хс, МПа	ОХ₁, мм	ОВ/ОХ₁	р_хс, мм	р_хс, МПа
0	10,7864	12	42,5	2,123	11,4659	11,29	117,9	5,894
1	22,6514	5,71	15,7	0,785	23,26295	5,56	49,4	2,469
2	34,5164	3,75	8,9	0,447	35,06	3,69	29,8	1,491
3	46,3814	2,79	6	0,301	46,85704	2,76	20,9	1,043
4	58,2464	2,22	4,4	0,222	58,65409	2,21	15,8	0,792
5	70,1114	1,85	3,5	0,173	70,45113	1,84	12,6	0,632
6	81,9764	1,58	2,8	0,14	82,24818	1,57	10,4	0,522
7	93,8414	1,38	2,3	0,117	94,04523	1,38	8,9	0,443
8	105,706	1,22	2	0,1	105,8423	1,22	7,7	0,383
9	117,571	1,1	1,7	0,086	117,6393	1,1	6,7	0,336
10	129,436	1	1,5	0,076	129,4364	1	6	0,299

1.6.4 Скругления индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма действительного цикла отличается от теоретической более плавным характером изменения давления.

Скругляются следующие участки индикаторной диаграммы:

- участок в конце процесса сжатия с определением положения точки с^/, соответствующей началу фазы видимого сгорания, и точки с^//, соответствующей действительному значению давления в момент достижения поршнем ВМТ;

- участок в начале процесса расширения с определением положения точки z_д, соответствующей моменту достижения действительного максимального давления р_z_д после прохождения поршнем ВМТ;

- участок в конце процесса расширения, вид которого зависит от фаз газораспределения.

2 Кинематика и динамика КШМ

2.1 Расчет кинематических параметров КШМ

2.1.1 Перемещение поршня

Определим перемещение поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала двигателя с центральным кривошипно – шатунным механизмом, S_x, мм:

(69)

,

где: φ – угол поворота кривошипа, отсчитываемый от оси цилиндра;

λ – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

R – радиус кривошипа;

Остальные расчеты аналогичны. Результаты сводим в таблицу 2.

2.1.2 Скорость поршня

Определим скорость поршня, в зависимости от угла поворота коленчатого вала двигателя с центральным кривошипно – шатунным механизмом, υ_x, м/сек:

(70)

,

где: ω – угловая скорость кривошипа, рад/сек;

(71)

Остальные расчеты аналогичны. Результаты сводим в таблицу 2.

Определим среднюю скорость поршня, υ_ср, м/с:

(72)

Определим максимальную скорость поршня, υ_мах, м/с:

(73)

Определим отношения скоростей, Δ:

(74)

2.1.3 Ускорение поршня

Определим ускорение поршня при постоянной частоте вращения коленчатого вала двигателя, j_п, м/с²:

(75)

Определим максимальное значение ускорения поршня, j_max, м/с²:

(76)

Остальные расчеты аналогичны. Результаты сводим в таблицу 2.

Определим минимальное значение ускорения поршня, j_min, м/с²:

(77)

Таблица 2 – Расчет кинематических параметров КШМ

j , ^о	в натуральных величинах
j , ^о	S_x, мм	υ_п, м/с	j, м/с²
0	0	0	5242
10	1,3	3,6	5110
20	5	7	4726
30	11	10,1	4120
40	19	12,7	3336
50	28,6	14,7	2433
60	39,3	16,1	1474
70	50,8	16,8	522
80	62,5	16,8	-366
90	74,1	16,3	-1147
100	85,1	15,3	-1789
110	95,3	13,9	-2279
120	104,3	12,2	-2621
130	112,1	10,2	-2831
140	118,6	8,2	-2938
150	123,6	6,2	-2973
160	127,1	4,1	-2970
170	129,3	2,1	-2955
180	130	0	-2948
190	129,3	-2,1	-2955
200	127,1	-4,1	-2970
210	123,6	-6,2	-2973
220	118,6	-8,2	-2938
230	112,1	-10,2	-2831
240	104,3	-12,2	-2621
250	95,3	-13,9	-2279
260	85,1	-15,3	-1789
270	74,1	-16,3	-1147
280	62,5	-16,8	-366
290	50,8	-16,8	522
300	39,3	-16,1	1474
310	28,6	-14,7	2433
320	19	-12,7	3336
330	11	-10,1	4120
340	5	-7	4726
350	1,3	-3,6	5110
360	0	0	5242

2.2 Динамический расчет кривошипно – шатунного механизма

2.2.1 Силы давления газов

Силы давления газов определяются для каждого угла поворота коленчатого вала по свернутой индикаторной диаграмме путем перестроения её в развернутую по методу профессора Ф.А. Брикса.

Определим поправку Брикса в масштабе, Δ_Б :

(78)

На свернутой индикаторной диаграмме для определения положения кривошипа коленчатого вала определяется длина отрезка от линии атмосферного давления до линии рассматриваемого процесса (впуска, сжатия, расширения, выпуска), а затем отрезок переносится на развернутую диаграмму и откладывается на вертикали соответствующего угла поворота коленчатого вала. Полученные точки индикаторной диаграммы соединяются сплошной линией.

По развернутой индикаторной диаграмме через каждые 10⁰ угла поворота кривошипа определяются значения р_Г, которые заносят во вторую графу сводной таблицы динамического расчета КШМ.

Определим площадь поршня, F_П, м:

(79)

2.2.2 Приведение масс частей кривошипно – шатунного механизма

Определим величину массы, совершающей возвратно – поступательные движения, m_j, кг:

(80)

,

где, т_П – масса поршня, кг;

т_ШП - масса шатунной группы, сосредоточенной на оси поршневого пальца;

(81)

,

где: т_Ш – масса шатунной группы, кг;

Определим величину массы, совершающей вращательное движения, m_r, кг:

(82)

,

где, т_К – неуравновешенная масса коленчатого вала, кг;

т_ШК - масса шатунной группы, сосредоточенной на оси кривошипа;

(83)

,

2.2.3 Силы инерции

Определим удельную силу инерции в зависимости от угла поворота коленчатого вала, р_j, МПа:

(84)