Тепловой и динамический расчет двигателей внутреннего сгорания

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ

САМАРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра

“Тракторы и автомобили”

Пояснительная записка

к курсовой работе по тракторам и автомобилям.

Раздел 1 “Тепловой и динамический расчет двигателей внутреннего сгорания”

Выполнил: студент И-IV-8

Кухарь А.А.

Принял: доцент

Мусин Р.Б.

Кинель 2002 г.

 Задание на выполнение курсовой работы

Вариант

Прототип

Nе, кВт

n, об/мин

Назначение

Тип ДВС

ε

Топливо

12

КамАЗ 740

157

2650

автомобиль

В-8

17,2

дизельное

Реферат

Курсовая работа состоит из расчетно-пояснительной записки и графической части. Содержит тепловой и динамический расчеты автотракторного двигателя:

·        

·        

·        

·        

·        

·        

·        

На листе графической части выполняются:

·        

·        

·        

·        

В пояснительной записке объемом 22 страницы машинописного текста, приводятся основные расчеты, необходимые графики и рисунки.

Графическая часть курсового проекта состоит из 1-го листа формата А1, выполненного с соблюдением требований ЕСКД.

Введение

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.

Анализ тенденций развития конструкций тракторов и автомобилей показывает большую перспективность применения поршневых двигателей в ближайшие 15 ... 20 лет.

От будущего специалиста в области механизации сельскохозяйственного производства требуется широкий научный и технический кругозор, умение с наибольшим экономическим эффектом использовать современную сельскохозяйственную технику.

Важным элементом подготовки инженеров данного направления является курсовая работа по разделу «Основы теории тракторных и автомобильных двигателей».

Цель курсовой работы состоит в овладении методикой и навыками самостоятельного решения по проектированию и расчету автотракторных двигателей внутреннего сгорания на основе приобретенных знаний при изучении курса «Основы теории тракторных и автомобильных двигателей».

Содержание

 TOC \o "1-3" \h \z Задание на выполнение курсовой работы.. \h 2

Реферат. \h 3

Введение. \h 4

1. Расчет рабочего цикла двигателя. \h 6

1.1. Выбор исходных параметров для теплового расчета. \h 6

1.2. Процесс впуска. \h 6

1.3. Процесс сжатия. \h 6

1.4. Процесс сгорания. \h 7

1.5. Процесс расширения. \h 8

1.6. Определение среднего индикаторного давления. \h 9

1.7. Определение основных размеров двигателя и показателей его топливной экономичности  \h 9

1.8. Построение индикаторной диаграммы.. \h 12

2. Динамический расчет двигателя. \h 14

2.1. Определение силы давления газов. \h 14

2.2. Определение сил инерции. PAGEREF _Toc26780098 \h 15

2.3. Определение сил, действующих на шатунную шейку коленчатого вала. \h 15

2.4. Построение диаграммы тангенциальных сил. \h 16

3. Расчет и построение регуляторной характеристики тракторного дизеля. \h 19

3.1. Регуляторная характеристика в функции от частоты вращения коленчатого вала. \h 19

4. Заключение. \h 21

5. Список использованной литературы.. \h 22

Приложения. \h 23

1. Расчет рабочего цикла двигателя

1.1. Выбор исходных параметров для теплового расчета

Одним из важных этапов выполнения первого раздела курсовой работы является выбор параметров для теплового расчета. Правильный выбор этих параметров позволит получить высокие мощностные и экономические показатели, отвечающие современному уровню развития двигателестроения.

Учитывая исходные данные, принимаем:

Коэффициент избытка воздуха

Коэффициент наполнения

Степень повышения давления

1.2. Процесс впуска

В двигателях без наддува воздух в цилиндры поступает из атмосферы, и при расчете рабочего цикла давление окружающей среды принимается равным

Давление остаточных газов:

Принимаем

Давление в конце впуска:

Выбираем значение

Температура в конце впуска:

В двигателях без наддува

1.3. Процесс сжатия

Расчет давления  и температуры  в конце сжатия проводят по уравнениям политропического процесса:

где

Находим температуру и давление в конце сжатия:

1.4. Процесс сгорания

Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива определяется по его элементарному составу.

Для жидких топлив соответственно в [кг воздуха/кг топлива] и  [киломоль воздуха/кг топлива]:

где: 0,23 и 0,21 – соответственно значения массового и объемного содержания кислорода в 1 кг воздуха;

– соответственно массовые доли углерода, водорода и кислорода, содержащихся в топливе. Из [1] (приложение 3) определяем средние значения этих величин:

Действительное количество воздуха, поступившее в цилиндр:

где

Количество остаточных газов в цилиндре двигателя равно:

где

Число киломолей продуктов сгорания 1 кг жидкого топлива в [кмоль/кг]:

Действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси характеризует изменение объема газов при сгорании и равен:

Давление в конце сгорания определяется по формуле:

где

Температура в конце сгорания определяется из уравнения сгорания:

                                                      (1.4.1.)

где:

Средняя молекулярная теплоемкость для свежего заряда:

Средняя молекулярная теплоемкость для продуктов сгорания:

Подставляем все известные данные в (1.4.1.) и приводим его к квадратному уравнению:

Из этого уравнения определяем значение температуры

1.5. Процесс расширения

Значения давления  и температуры  газов в конце процесса расширения рассчитывают по уравнениям политропического процесса:

где

где

Для проверки теплового расчета и правильности выбора параметров процесса выпуска используем формулу проф. Е.К. Мазинга:

Принятое в начале расчета значение

Отклонение – меньше одного процента.

1.6. Определение среднего индикаторного давления

Теоретическое среднее индикаторное давление можно определить по построенной индикаторной диаграмме:

где a, c, z, z', b, a), мм2;

Величина среднего теоретического индикаторного давления подсчитывается аналитическим путем на основании формулы:

Точность построения индикаторной диаграммы оценивается коэффициентом погрешности:

Коэффициент  не должен превышать 3…4%.

Действительное среднее индикаторное давление определяется по формуле:

где

 – потери индикаторного давления на выполнение вспомогательных ходов.

1.7. Определение основных размеров двигателя и показателей его топливной экономичности

Определим среднее давление механических потерь в двигателе:

где

Среднее эффективное давление:

Механический КПД двигателя:

Исходя из заданной величины эффективной мощности  и среднего эффективного давления

С другой стороны, рабочий объем цилиндра равен:

где

Диаметр цилиндра определяется из выражения:

где  – отношение хода поршня к диаметру цилиндра. Принимаем

Ход поршня:

По найденным значениям  и  определяем основные параметры и показатели двигателя:

  • рабочий объем цилиндра:

  • эффективная мощность:

  • эффективный крутящий момент:

  • средняя скорость поршня:

Оценка работы двигателя, с точки зрения использования рабочего объема, а также тепловой и динамической напряженности, производится по удельной литровой и поршневой мощностям:

В качестве измерителей топливной экономичности двигателя при работе его на номинальной мощности принимаются эффективный удельный расход топлива:

где

Часовой расход топлива:

Индикаторный КПД двигателя вычисляется по выражению:

где

3:

где В – удельная газовая постоянная.

Результаты теплового расчета двигателя и его основные размеры приведены в таблице 1:

Таблица 1

Давление газов, МПа

0,092

4,563

7,3

7,3

0,3811

Температура газов, К˚

336,7

971

2195

1343

Среднее давление, МПа

0,7697

0,9531

КПД

0,51225

0,80758

0,41368

Удельный эффективный расход топлива

203,37

Размеры двигателя

117,6

112

1,1586

1.8. Построение индикаторной диаграммы

После окончания расчета рабочего цикла двигателя приступаем к построению индикаторной диаграммы. Индикаторная диаграмма строится совмещенной: теоретическая и действительная в координатных осях

Размеры индикаторной диаграммы по оси абсцисс (объемы) принимаем 130 мм, высота по оси ординат (давление) – 180 мм.

На оси абсцисс откладываем произвольный отрезок, изображающий объем камеры сгорания

   

Выбираем масштаб давлений:

В принятом масштабе давлений по оси ординат отмечают точки  на оси абсцисс, второе – точке

Через точки  и  проводим прямые, параллельные оси абсцисс. Точки  и  соединяются политропой сжатия, а точки  и  – политропой расширения. Промежуточные точки этих кривых определяются из условия, что каждому значению  на оси абсцисс соответствуют следующие значения давлений:

 – для политропы сжатия;

 – для политропы расширения,

где  и  – искомые давления в промежуточных точках на политропах сжатия и расширения;

 – отношение объемов, выраженных в единицах длины (по чертежу);

 и  – показатели политроп сжатия и расширения.

Результаты расчетов ординат точек политроп запишем в таблицу 3:

Таблица 3

политропа сжатия

политропа расширения

7,2

17,1

49,1

114

4,52

-

-

-

10

12,3

31,3

72

2,88

-

-

-

10,5

11,7

-

-

-

19.2

183

7.30

20

6,2

12,1

28

1,11

8.8

84

3.37

30

4,1

6,9

16

0,64

5.4

52

2.07

40

3,1

4,7

11

0,43

3.9

37

1.47

50

2,5

3,4

8

0,32

2.9

28

1.12

100

1,2

1,3

3

0,12

1.3

12

0.49

110

1,1

1,2

3

0,11

1.1

11

0.44

123

1

1

2

0,09

1

10

0.38

2. Динамический расчет двигателя

Основной целью динамического расчета является определение сил и моментов, действующих в кривошипно-шатунном механизме и установление закономерностей их изменения за рабочий цикл двигателя.

На поршень действуют силы давления газов  и силы инерции  масс деталей кривошипно-шатунного механизма, совершающих возвратно-поступательное движение.

2.1. Определение силы давления газов

Сила давления газов определяется по формуле:

                                                                            (2.1.1.)

где  – текущее значение давления газов по индикаторной диаграмме, МПа;

 – диаметр цилиндра, м.

Для последующих расчетов необходимо построить график изменения силы давления газов в функции угла поворота коленчатого вала.

Для этого необходимо индикаторную диаграмму, построенную в координатах

Индикаторную диаграмму перестраивают в развернутую по методу Брикса: ниже индикаторной диаграммы на диаметре, соответствующем ходу поршня, строится полуокружность радиусом, равным половине отрезка

Из этого нового центра  проводим лучи через каждые 30˚ до пересечения с полуокружностью. Точки пересечения этих лучей с полуокружностью проектируются на кривые политроп сжатия и расширения индикаторной диаграммы. Полученные точки пересечения сносим по горизонтали вправо на вертикальные линии соответствующих углов  развернутой диаграммы. Проведя через найденные точки кривую, получим развернутую индикаторную диаграмму за рабочий цикл.

Сила давления газов на поршень подсчитывается по формуле (2.1.1.), и величины этой силы для каждого угла поворота коленчатого вала записываются в таблицу 4.

Для определения газовых сил  по развернутой диаграмме давлений  необходимо пересчитать масштаб:

где

2.2. Определение сил инерции

Действующая на поршень сила инерции масс, совершающих возвратно-поступательное движение, равна:

где  – сила инерции первого порядка;

 – сила инерции второго порядка;

Следовательно,

где

Значения масс деталей кривошипно-шатунного механизма принимаем из [1] (приложение 4):

Поршень:                  

Шатун:          

Угловая скорость вращения коленчатого вала равна:

Определив силы  и

2.3. Определение сил, действующих на шатунную шейку коленчатого вала

На шатунную шейку действуют две силы: сила

Сила, действующая по шатуну, определяется по уравнению:

где

Центробежная сила инерции равна:

где

Геометрическая сумма сил  и  образует результирующую силу

Сила  раскладывается на две составляющие:

1.       – радиальная, действующая по радиусу кривошипа:

2.     

Результирующая сила  подсчитывается по формуле:

Полученные значения всех сил при разных углах поворота коленчатого вала приведены в таблице 4:

Таблица 4

Силы, Н

0

49.3

-19732.9

-19683.7

0.0

-19683.7

-11512.6

31196.3

30

-78.8

-15644.9

-15723.7

-11377.5

-11587.4

25750.0

60

-78.8

-5920.5

-5999.3

-6636.5

-504.1

13727.5

90

-78.8

3945.9

3867.0

3867.1

-2232.5

14278.7

120

-78.8

9866.0

9787.2

6125.6

-8965.1

21374.3

150

-78.8

11698.0

11619.2

3212.0

-11562.5

23297.6

180

-78.8

11839.7

11760.9

0.0

-11760.9

23273.6

210

-13.8

11698.2

11684.4

-3228.8

-11627.5

23364.3

240

230.5

9867.3

10097.8

-6318.6

-9250.3

21703.1

270

893.6

3948.8

4842.3

-4841.9

-2796.4

15106.0

300

3011.7

-5916.7

-2905.0

3213.7

-243.3

12187.3

330

12905.8

-15642.1

-2736.4

1980.6

-2016.0

13672.9

360

43544.7

-19732.9

23811.8

0.0

23811.8

12299.2

390

39889.7

-15647.6

24242.1

17536.2

17869.3

18652.7

420

12758.0

-5924.3

6833.7

7559.2

575.9

13294.8

450

6116.9

3942.9

10059.9

10061.2

-5805.7

20028.8

480

3869.8

9864.8

13734.5

8598.1

-12580.1

25580.9

510

3003.8

11697.8

14701.6

4065.7

-14629.8

26456.7

540

1409.3

11839.7

13249.0

0.0

-13249.0

24761.7

570

49.3

11698.4

11747.6

-3245.0

-11690.5

23428.9

600

49.3

9868.6

9917.8

-6204.6

-9086.0

21512.8

630

49.3

3951.7

4001.0

-4000.2

-2311.3

14391.0

660

49.3

-5912.9

-5863.6

6487.0

-489.6

13643.1

690

49.3

-15639.4

-15590.2

11287.5

-11483.5

25617.0

На основании расчетов строим график сил

2.4. Построение диаграммы тангенциальных сил

Под диаграммой сил  построим суммарную диаграмму тангенциальных сил  откладываются вверх по оси абсцисс, а отрицательные – вниз.

Для двигателей с равномерным чередованием вспышек угол смещения графика тангенциальной силы относительно графика для первого цилиндра определяется по формуле:

где

Определив углы смещения для всех цилиндров и используя график тангенциальной силы для одного цилиндра, заполним таблицу 5:

Таблица 5

Угол

поворота коленвала

Значения тангенциальных сил для

соответствующих цилиндров, Н

1

2

3

4

5

6

7

8

0

0

-4842

10061

0

3867

0

0

-4000

5086,2

13

30

-11378

3214

8598

-3229

6126

17536

-3245

6487

24109,3

61

60

-6637

1981

4066

-6319

3212

7559

-6205

11288

8945,3

23

90

3867

0

0

-4842

0

10061

-4000

0

5086,2

13

120

6126

17536

-3245

3214

-3229

8598

6487

-11378

24109,3

61

150

3212

7559

-6205

1981

-6319

4066

11288

-6637

8945,3

23

180

0

10061

-4000

0

-4842

0

0

3867

5086,2

13

210

-3229

8598

6487

17536

3214

-3245

-11378

6126

24109,3

61

240

-6319

4066

11288

7559

1981

-6205

-6637

3212

8945,3

23

270

-4842

0

0

10061

0

-4000

3867

0

5086,2

13

300

3214

-3245

-11378

8598

17536

6487

6126

-3229

24109,3

61

330

1981

-6205

-6637

4066

7559

11288

3212

-6319

8945,3

23

360

0

-4000

3867

0

10061

0

0

-4842

5086,2

13

390

17536

6487

6126

-3245

8598

-11378

-3229

3214

24109,3

61

420

7559

11288

3212

-6205

4066

-6637

-6319

1981

8945,3

23

450

10061

0

0

-4000

0

3867

-4842

0

5086,2

13

480

8598

-11378

-3229

6487

-3245

6126

3214

17536

24109,3

61

510

4066

-6637

-6319

11288

-6205

3212

1981

7559

8945,3

23

540

0

3867

-4842

0

-4000

0

0

10061

5086,2

13

570

-3245

6126

3214

-11378

6487

-3229

17536

8598

24109,3

61

600

-6205

3212

1981

-6637

11288

-6319

7559

4066

8945,3

23

630

-4000

0

0

3867

0

-4842

10061

0

5086,2

13

660

6487

-3229

17536

6126

-11378

3214

8598

-3245

24109,3

61

690

11288

-6319

7559

3212

-6637

1981

4066

-6205

8945,3

23

После построения графика определяется среднее значение тангенциальной силы (средняя ордината диаграммы) по выражению:

где 2;

2;

Для контроля правильности вычисления сил выполним проверку сравнения среднего значения тангенциальной силы

  и 

где

Различие в полученных расчетом значениях сил  не должно быть больше

           

3. Расчет и построение регуляторной характеристики тракторного дизеля

Для анализа работы двигателя, устанавливаемого на тракторе, предусмотрено построение регуляторной характеристики. Эта характеристика показывает изменение основных показателей двигателя (эффективная мощность, крутящий момент, частота вращения коленчатого вала, удельный и часовой расходы топлива) в зависимости от скоростного режима работы.

В курсовой работе выполняются регуляторные характеристики в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя.

3.1. Регуляторная характеристика в функции от частоты вращения коленчатого вала

На оси абсцисс характеристики откладываем в принятом масштабе значения чисел оборотов

где

Кривая эффективной мощности

На регуляторном участке характеристики эффективная мощность линейно увеличивается от значения  при холостом ходе до  номинальной величины  при частоте вращения

Таблица 6

20

40

60

80

100

530

1060

1590

2120

2650

17

41

67

87

100

26.78

64.60

105.6

137.1

157,552

Крутящий момент двигателя  при холостом ходе до номинального момента  при номинальной частоте вращения. На безрегуляторной ветви:

Часовой расход топлива:

где

где

Часовой расход топлива на безрегуляторной ветви характеристики уменьшается до значения

Результаты расчетов, необходимые для построения регуляторной характеристики, показаны в таблице 7.

Таблица 7

2862

0

0

8,01

2250

2650

567,8

157,552

32,04

203.37

2120

617.6

137.1

31.2

217.5

1590

634.3

105.6

29.7

360

1060

582.0

64.60

27.9

630

530

482.5

26.78

25,63

957.1

4. Заключение

Первый раздел курсового проекта “Тепловой и динамический расчет двигателя” выполнен в соответствии с заданием на основе методической и учебной технической литературы.

Рассчитанные показатели рабочего цикла, работы, размеров, кинематики и динамики проектируемого двигателя отличаются от прототипа топливной экономичностью и габаритными размерами. Снижение удельного расхода топлива на 17 г/кВт ч достигнуто уменьшением хода и диаметра поршня, т.е. снижением габаритов, скорости и потерь на трение.

В целом  из выполненного проекта следуют выводы:

1.     

2.     

3.     

5. Список использованной литературы

1.     

2.     

3.     

4.     

5.     

Приложения

Тепловой расчет ДВС дизеля – результаты расчета ЭВМ

          Самаpский сельскохозяйственный институт         

              Кафедpа ~Тpактоpы и автомобили~             

           Тепловой pасчет дизельного двигателя

 

Исходные данные: Степень сжатия  17.2

                 Наличие наддува  Нет

                 Коэффициент избытка воздуха  1.5

                 Эффективная мощность Ne, кВт  157.552

                 Низшая теплота сгоpания, кДж/кг  42790

                 Частота вpащения коленчатого вала, об/мин  2650

                 Коэффициент повышения давления пpи наддуве  1

                 Теоpетически необходимое кол-во воздуха, кг возд./кг топл.  14.452

 

Pасчетные данные:

Давление газов, МПа:          pr  .105

                              pa  9.199695E-02

                              pc  4.562941

                              pz  7.300706

                              pb  .3811252

Темпеpатуpа газов, К          Tr  873.5644

                              Ta  336.721

                              Tc  970.9865

                              Tz  2195.082

                              Tb  1341.944

Сp.индикатоpное давление, МПа Pi(I)  1.003289

                              Pi  .953124

КПД                           hi  .5122523

                              hm  .8075801

                              he  .4136848

Удельный эффективный pасход

топлива, г/(кВт*час)          ge  .2033718

Pасход топлива, кг/час        Gt  32.04163

Ход поpшня, мм                 S  117.6

Диаметp поpшня, мм             D  112

Pабочий объем цилиндpа, л     Vh  1.154543

Литpаж двигателя, л           Vл  9.268815

Удельная литpовая мощность, кВт/л Nл  16.7261

Удельная поpшневая мощность, кВт/дм¤ Nп  19.6699

 

Составляющие теплового баланса:

Теплота эквивалентная эффективной работе, Дж/c  Qe 157552

Теплота унесенная с газами, Дж/c                Qп 132673.9

Теплота неучтенных потеpь, Дж/c               Qост 90624.42

Общее количество теплоты, Дж/c                  Qo 380850.3

Динамический расчет ДВС – результаты расчета ЭВМ

   

   alf     Pr          Pc           Py           T

>    0       49.3    -11512.6    -19732.9         0.0   

>   30      -78.8    -11512.6    -15644.9    -11377.5   

>   60      -78.8    -11512.6     -5920.5     -6636.5   

>   90      -78.8    -11512.6      3945.9      3867.1   

>  120      -78.8    -11512.6      9866.0      6125.6   

>  150      -78.8    -11512.6     11698.0      3212.0   

>  180      -78.8    -11512.6     11839.7         0.0   

>  210      -13.8    -11512.6     11698.2     -3228.8   

>  240      230.5    -11512.6      9867.3     -6318.6   

>  270      893.6    -11512.6      3948.8     -4841.9   

>  300     3011.7    -11512.6     -5916.7      3213.7   

>  330    12905.8    -11512.6    -15642.1      1980.6   

>  360    43544.7    -11512.6    -19732.9         0.0   

>  390    39889.7    -11512.6    -15647.6     17536.2   

>  420    12758.0    -11512.6     -5924.3      7559.2   

>  450     6116.9    -11512.6      3942.9     10061.2   

>  480     3869.8    -11512.6      9864.8      8598.1   

>  510     3003.8    -11512.6     11697.8      4065.7    

>  540     1409.3    -11512.6     11839.7         0.0   

>  570       49.3    -11512.6     11698.4     -3245.0   

>  600       49.3    -11512.6      9868.6     -6204.6   

>  630       49.3    -11512.6      3951.7     -4000.2   

>  660       49.3    -11512.6     -5912.9      6487.0   

>  690       49.3    -11512.6    -15639.4     11287.5   

   

   alf     Z           Rш         Prez

>    0   -19683.7     31196.3    -19683.7   

>   30   -11587.4     25750.0    -15723.7   

>   60     -504.1     13727.5     -5999.3   

>   90    -2232.5     14278.7      3867.0   

>  120    -8965.1     21374.3      9787.2   

>  150   -11562.5     23297.6     11619.2   

>  180   -11760.9     23273.6     11760.9   

>  210   -11627.5     23364.3     11684.4   

>  240    -9250.3     21703.1     10097.8   

>  270    -2796.4     15106.0      4842.3   

>  300     -243.3     12187.3     -2905.0   

>  330    -2016.0     13672.9     -2736.4   

>  360    23811.8     12299.2     23811.8   

>  390    17869.3     18652.7     24242.1   

>  420      575.9     13294.8      6833.7   

>  450    -5805.7     20028.8     10059.9   

>  480   -12580.1     25580.9     13734.5   

>  510   -14629.8     26456.7     14701.6   

>  540   -13249.0     24761.7     13249.0   

>  570   -11690.5     23428.9     11747.6   

>  600    -9086.0     21512.8      9917.8   

>  630    -2311.3     14391.0      4001.0    

>  660     -489.6     13643.1     -5863.6   

>  690   -11483.5     25617.0    -15590.2