Курсовая работа: Расчет двигателей внутреннего сгорания

ВВЕДЕНИЕ

Тепловой расчет двигателя служит для определения параметров рабочего тела в цилиндре двигателя, а также оценочных показателей рабочего процесса, для оценки мощностных и экономических показателей, позволяющих оценить мощность и расход топлива.

Задачей динамического расчета является определение сил, действующих в механизмах преобразования энергии рабочего тела в механическую работу двигателя.

В настоящей работе тепловой и динамический расчеты выполняются для режима номинальной мощности.

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

Цель изучения дисциплины -- овладение основами термодинамики, теории и расчета двигателей внутреннего сгорания.

Теоретические знания курса закрепляются выполнением курсовой работы.

Курсовая работа является заключительным этапом изучения дисциплины «Транспортная энергетика». Основная ее цель -- развитие у студентов навыков инженерных расчетов по специальным дисциплинам.

При выполнении курсовой работы следует:

• изучить конструкцию механизмов и систем двигателя прототипа;

• дать технико-экономическое обоснование проектируемого двигателя, указать преимущества и перспективность конструктивных решений с учетом современных требований;

• выполнить соответствующие расчеты и произвести графическое построение необходимых графиков (зависимостей).

Исходные данные к курсовой работе представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Исходные данные

2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

Тепловой расчет -- это начальный этап всех работ, связанных с проектированием двигателя.

2.1 Свежий заряд и продукты сгорания

Количество свежего заряда или горючей смеси для ДВС с воспламенением от искры, кмоль/кг топлива:

(2.1)

где -- коэффициент избытка воздуха: для ДВС с воспламенением от искры 0,7--1,18, для дизельных 1,2--1,65;

L0 -- теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кмоль/кг: для двигателей с воспламенением от искры 0,512, для дизелей 0,495;

-- молекулярная масса паров топлива, кмоль/кг: для двигателей с воспламенением от искры 110--120, для дизелей 180--220.

Количество продуктов сгорания для ДВС с воспламенением от искры

(б <1):

(2.2)

где К -- отношение числа киломолей водорода к окиси углерода, составляющее от 0,45 до 0,50.

(2.3)

(2.4)

(2.5)

(2.6)

Общее количество продуктов неполного сгорания, кмоль/кг:

(2.7)

Теоретический коэффициент молекулярного изменения:

(2.8)

Действительный коэффициент молекулярного изменения:

(2.9)

где: гr -- коэффициент остаточных газов: для ДВС с воспламенением от искры от 0,06 до 0,10, для дизелей от 0,03 до 0,06.

2.2 Процесс впуска

Расчет процесса впуска заключается в определении величин давления Ра, МПа, температуры Та, К, конца впуска и коэффициента наполнения :

(2.10)

(2.11)

(2.12)

Давление Р0 и температуру Т0 окружающей среды обычно принимают 0,1 МПа и 293 К соответственно. Степень сжатия е принять по данным двигателя прототипа. Остальные данные, полученные экспериментальным путем, принять по табл. 2.

Значения параметров процессов впуска для современных двигателей с воспламенением от искры: Ра = (0,8--0,9) Р0; Та = 320--360 К; = 0,7--0,8.

Таблица 2 - Параметры процесса газообмена

2.3 Процесс сжатия

Параметры рабочего тела в конце процесса сжатия -- давление Рс, МПа, и температуру Тс, К, определяют из уравнений политропного процесса по формулам:

(2.13)

где -- средний показатель политропы сжатия, величина которого зависит от многих факторов. Для приближенных расчетов его значение имеет следующие величины: 1,36--1,37 -- ДВС с воспламенением от искры; 1,37--1,38 -- дизели.

(2.14)

Параметры конца сжатия по опытным данным:

Рc = 0,9--1,6 МН/м2; Tc = 550--750 К -- ДВС c воспламенением от искры.

2.4 Процесс сгорания

Расчет процесса сгорания заключается в определении максимальных значений температуры Тz и давления Рz в цилиндре двигателя. Однако подсчет величины Тz представляет определенные трудности и ее принимают по опытным данным:

2400--2800 К -- для ДВС с воспламенением от искры.

Давление конца сгорания в двигателях с воспламенением от искры, МПа, определяют по формуле:

(2.15)

Вследствие потерь в ДВС с воспламенением от искры действительное давление конца сгорания, МПа:

(2.16)

2.5 Процесс расширения

Расчет процесса расширения заключается в определении давления Рв, МПа, и температуры Тв, К, по уравнениям политропного процесса:

(2.17)

где -- средний показатель политропы расширения. Эту величину принимают по опытным данным: 1,24--1,25 -- ДВС с воспламенением от искры.

(2.18)

2.6 Индикаторные показатели рабочего цикла

Теоретическое среднее индикаторное давление для двигателей с воспламенением от искры, МПа:

(2.19)

Действительное среднее индикаторное давление:

(2.20)

где = 0,92--0,97 -- коэффициент полноты индикаторной диаграммы.

Индикаторный КПД:

(2.21)

где -- количество воздуха, кг, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг топлива: 14,96 -- ДВС с воспламенением от искры;

с0-- плотность заряда на впуске, кг/м3:

(2.22)

где В = 287 Дж/кг·град -- удельная газовая постоянная для воздуха.

Индикаторный удельный расход топлива, г/кВт·ч:

(2.23)

Величину Нu в следует принять в МДж/кг.

2.7 Эффективные показатели рабочего цикла

Среднее эффективное давление, МПа:

(2.24)

где Рм -- среднее давление механических потерь, которое подсчитывают с учетом средней скорости поршня , м/с:

Рм =0,04 + 0,013· (2.25)

Где средняя скорость поршня, м/с.

Рм = 0,04 + 0,013·6 = 0,118

Механический КПД:

(2.26)

Эффективный КПД:

(2.27)

Эффективный удельный расход топлива, г/кВт·ч:

(2.28)

Величину Нu в следует принять в МДж/кг.

2.8 Основные размеры двигателя

Литраж двигателя, л, дм3:

(2.29)

где: т-- 4 -- тактность современных транспортных двигателей.

Рабочий объем одного цилиндра, дм3:

(2.30)

где: i -- число цилиндров.

Диаметр цилиндра и ход поршня, мм:

(2.31)

(2.32)

где S/D -- отношение хода поршня к диаметру цилиндра, которое по опытным данным имеет следующие значения: 0,7--1,0 -- для ДВС с воспламенением от искры.

Значения D и S округляют до целого числа и по полученным величинам подсчитывают показатели двигателя:

литраж, дм3:

(2.33)

эффективная мощность, кВт:

(2.34)

крутящий момент, Нм:

(2.35)

часовой расход топлива, кг/ч:

(2.36)

средняя скорость поршня, м/с:

(2.37)

Полученное значение сравнивают с заданной мощностью. Если расхождение составляет более 5 %, следует принять другие значения диаметра цилиндра и хода поршня.

(2.38)

2.9 Построение индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма -- зависимость давления газов в цилиндре от величины объема, освобождаемого поршнем, который пропорционален ходу поршня.

Построение индикаторной диаграммы двигателя внутреннего сгорания производится с использованием данных расчета рабочего процесса.

В начале построения на оси абсцисс откладывают отрезок АВ, соответствующий рабочему объему цилиндра, т. е. величине, равной ходу поршня в масштабе в 1:1.

Масштаб диаграммы, мм:

ход поршня - MS = 1 мм;

давления - Mp = 0,04 МПа.

Отрезок ОА, соответствующий объему камеры сгорания, и приведенная величина рабочего объема цилиндра - AB, определяются из соотношений:

(2.39)

(2.40)

Затем по данным теплового расчета на диаграмме откладывают в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках: а, с, с'', z?, b, r.

Ординаты характерных точек:

(2.41)

(2.42)

(2.43)

(2.44)

(2.45)

(2.46)

(2.47)

Максимальная высота диаграммы (точка z):

(2.48)

Построение политроп сжатия и расширения можно производить графическим или аналитическим методом.

Из начала координат проводят луч ОС под произвольным углом б к оси абсцисс (для получения достаточного количества точек на политропах рекомендуется б = 15°). Далее из начала координат проводят луч OD и ОЕ под определенными углами в1 и в2 к оси ординат. Эти углы определяют из соотношений:

(2.49)

(2.50)

где: n1 и n2 -- соответствующие показатели политроп

Политропу сжатия строят с помощью лучей ОС и OD. Из точки с проводят горизонталь до пересечения с осью ординат; из точки пересечения c осью ординат; из точки пересечения - линию под углом 45 0 к вертикали до пересечения с лучом ОD, а из этой точки -- вторую горизонтальную линию, параллельную оси абсцисс.

Затем из точки с проводят вертикальную линию до пересечения с лучом ОС; из точки пересечения под углом 45 0 к вертикали -- линию до пересечения с осью абсцисс, а из этой точки -- вторую вертикальную линию, параллельную оси ординат, до пересечения со второй горизонтальной линией. Точка пересечения этих линий будет промежуточной точкой политропы сжатия. Точку 2 находят аналогично точке 1, принимая ее за исходную.

Политропу расширения строят с помощью лучей ОС и ОЕ начиная от точки z, аналогично построению политропы сжатия.

Скругление индикаторной диаграммы. Так как рассчитываемый двигатель достаточно быстроходный (n = 5600 об/мин), то фазы газораспределения устанавливают с учетом получения хорошей очистки цилиндра от отработавших газов и возможности дозарядки в конце впуска.

В связи с этим начало открытия впускного клапана (точка r') принимают за 14° до прихода поршня в ВМТ, закрытия - через 46° после прохода поршнем НМТ (точка a'').

Начало открытия выпускного клапана (точка b') -- за 46° до прихода поршня в НМТ, а закрытие (точка a') -- через 14° после прохода поршнем ВМТ.

В соответствии с принятыми фазами газораспределения, углом опережения зажигания и периодом задержки воспламенения определяют положение точек r', а', а'', c', f, b' по формуле для перемещения поршня, мм:

(2.51)

где: л - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Выбор величины л производят при проведении динамического расчета, а при построении индикаторной диаграммы предварительно принимается л = 0,265.

Расчеты ординат точек r', а', а'', c', f, b' сведены в таблице 3.

Соединив плавными кривыми точки r с а', c' с c'' и далее с z? и кривой расширения, b' с b'' и линией выпуска, получаем скругленную действительную индикаторную диаграмму ra'ac'fc'' z? b'b''r.

Таблица 3 - Результаты расчёта точек индикаторной диаграммы

Полученная диаграмма acz'zba является расчетной индикаторной диаграммой, по которой можно определить величину теоретического индикаторного давления p'i, МН/м2:

(2.52)

где: F' -- площадь скругленной диаграммы acz0b''a, мм, отрезок АВ, мм;

Мp -- масштаб давлений.

(2.53)

Значение должно быть равно значению , полученному в результате теплового расчета (ошибка 5 %).

3. ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Динамический расчёт кривошипно-шатунного механизма заключается в определении суммарных сил и моментов, возникающих от давления газов и сил инерции.

В течение каждого рабочего цикла силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме, непрерывно изменяются по величине и направлению. Поэтому для характера изменения сил по углу поворота коленчатого вала их величины определяют для ряда различных положений вала через каждые 30 град ПКВ. В отдельных случаях через 10 град ПКВ.

Последовательность выполнения расчета следующая:

1. Строим индикаторную диаграмму в координатах р-V.

2. Перестраиваем индикаторную диаграмму, выполненную по результатам теплового расчета, в координаты р-ц.

3. Определяем силу давления газов на днище поршня для положений коленчатого вала, отстоящих друг от друга на 30° ПКВ в пределах (0…720)° ПКВ.

За начало отсчета принимаем такое положение кривошипа, когда поршень находится в начале такта впуска.