ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

Методические указания

К выполнению курсового проекта

(курсовой работы)

по дисциплине “Рабочие процессы, конструкция и основы расчета автомобильных двигателей” (тепловой и динамический расчет) специальности 190603.02 - “Эксплуатация и обслуживание транспортных и технологических машин и оборудования (автомобильный транспорт)”

 

Ростов-на-Дону, 2007

Составитель: канд. техн. наук, доцент Н.А.Сокол

 

Рабочие процессы, конструкция и основы расчета автомобильных двигателей: Метод. указания/ ДГТУ, Ростов-на-Дону, 2007, 25 с.

 

Методические указания содержат задания к курсовому проекту по дисциплине “Рабочие процессы, конструкция и основы расчета автомобильных двигателей”, необходимые пояснения для ее выполнения и предназначены для студентов 4 курса, очного, 2^го курса сокращенной формы обучения и 5 курса заочного отделения по специальности 190603.02 - “Эксплуатация и обслуживание транспортных и технологических машин и оборудования (автомобильный транспорт)”.

 

 

Печатается по решению методической комиссии факультета «Конструкторский»

 

 

Научный редактор профессор, д-р техн. наук А.Д.Дьяченко

 

 

Рецензент профессор С.И.Ананьев

 

 

Ó ДГТУ, 2007
ВВЕДЕНИЕ

Целью курсового проекта является закрепление знаний студентов по теории поршневых двигателей внутреннего сгорания (ПДВС) и включает в себя тепловой и динамический расчет ПДВС.

Тепловой расчет позволяет определить основные показатели работы ПДВС, проанализировать влияние различных факторов на эффективность работы двигателя в эксплуатации.

Динамический расчет позволяет определить силы и моменты, действующие в кривошипно-шатунном механизме (КШМ) двигателя, оценить их влияние на динамику двигателя, износ и другие эксплуатационные факторы.

Курсовой проект включает в себя тепловой и динамический расчеты двигателя, расчет основных деталей двигателя, расчет системы смазки и системы охлаждения. Курсовая работа включает только тепловой и динамический расчет двигателя и два листа графической работы.

Графическая часть проекта первых 2^х листов выполняется на листах формата А1 в карандаше, с обязательным выполнением всех требований ЕСКД (желательно на миллиметровой бумаге).

На первом листе вычерчиваются: развернутые графики сил давления газов, сил инерции, суммарной силы, а также сил, действующих на шатунную шейку коленчатого вала, и графики крутящих моментов для каждого цилиндра согласно порядка работы двигателей, а также график суммарного крутящего момента и распределение нормальной силы по высоте цилиндра. На втором листе размещаются: полярные диаграммы удельных нагрузок на шейки коленчатого вала; диаграмма износа шатунной шейки, развернутые диаграммы полярных нагрузок на шатунные и коренные шейки коленчатого вала. На третьем листе выполняется чертеж сборочной единицы и деталировка деталей согласно заданию по результатам теплового и динамического расчетов. Пояснительная записка составляет 30...35 листов формата А4. В пояснительной записке проводятся тепловой и динамический расчет двигателя, а также расчеты заданных механизмов и их деталей, расчеты элементов системы смазки и системы охлаждения двигателя. Задание на курсовой проект (курсовую работу) приведено в таблице 2.3. Индивидуальное задание студенты выбирают в соответствии с шифром зачетной книжки. По последней цифре выбирается марка двигателя, по предпоследней - параметры окружающей среды.

 

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

В основу теплового расчета двигателей внутреннего сгорания положено определение значений основных параметров цикла - впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска с последующим определением индикаторных и эффективных показателей, коэффициентов полезного действия, мощностных и экономических показателей. Обычно, тепловой расчет выполняется для режима работы двигателя, соответствующего максимальной мощности и номинальной частоте вращения. В курсовом проекте (курсовой работе) проводится параллельный расчет для различных природно-климатических условий с целью выявления их влияния на технико-экономические показатели работы двигателя.

 

1.1. Параметры рабочего цикла

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания одного килограмма жидкого топлива:

=1/0.23(8С/3+8Н-О) кг/кг(топл.),

где С,Н,О - массовые доли углерода, водорода и кислорода в топливе (табл. 1.1.).

Таблица 1.1.

Вид топлива	Содержание	Низшая теплотворная способность, Нu кДж/кг
С	Н	О
Бензин	0,855	0,145	-
Диз. топливо	0,870	0,126	0,004

 

При расчете в к.моль на кг

L₀= /m_в к.моль/кг,

где m_в = 29 молекулярная масса воздуха.

Количество свежего заряда:

М₁=aL₀+1/m_т -в бензиновых двигателях;

m_т=115 кг/к моль - молярная масса топлива.

М₁=aL₀ - в дизелях,

где a - коэффициент избытка воздуха.

Количество продуктов сгорания:

при a³1 М₂= aL₀ + Н/4 + О/32;

при a£1 М₂=aL₀ + Н/4 + О/32 + 0,21L₀(1-a)

 

1.2. Расчет параметров впуска

При расчете параметров впуска, сжатия, сгорания и расширения в качестве параметров считать давление, температуру и объем с индексами в нижней части, обозначающими соответствующие точки индикаторной диаграммы.

Давление в конце впуска Р_а:

Р_а=Р_о-DР_а,

где Р_о - атмосферное давление, МПа;

DР_а - потери давления во впускной системе, МПа.

Потери давления во впускной системе можно рассчитать по эмпирической формуле:

DР_а=Аn²r_о*10^-10,

где А - коэффициент, учитывающий радиус кривошипа, диаметр поршня, длину шатуна, площадь наименьшего сечения впускной системы, коэффициент сопротивления впускной системы, коэффициент затухания скорости движения заряда.

По опытным данным, в современных автомобильных двигателях на номинальном режиме А=5,4...8,5;

n - частота вращения коленчатого вала, об/мин;

r_о - плотность заряда на впуске, кг/м³.

r_о= Р_о*10⁶/R_bТ_о,

где R_b = 287Дж/кгК - газовая постоянная воздуха;

Т_о - температура окружающего воздуха.

Давление в конце впуска:

Р_а=(0,8...0,95)Р_о - карбюраторные двигатели;

Р_а=(0,8...0,97)Р_о - дизели.

Коэффициент наполнения:

,

где e - степень сжатия;

P_r - давление остаточных газов, при расчете принимаем

P_r=(1,05...1,25) P_о;

T_o¢ = Т_о+DТ - температура свежего заряда с учетом подогрева в впускном трубопроводе;

DТ = 0...20К - карбюраторные двигатели; DТ = 10...40 К - дизели;

h_v = 0,75...0,85 - карбюраторные двигатели; h_v = 0,80...0,90 - дизели.

Температура в конце впуска:

,

где T_r - температура остаточных газов;

T_r = 900...1100К - карбюраторные двигатели; T_r = (600...900)К - дизели.

При выборе T_r следует учитывать, что с увеличением степени сжатия и обогащением рабочей смеси температура остаточных газов уменьшается, а с увеличением частоты вращения возрастает.

T_а = 320...380 К - карбюраторные двигатели; T_а = (310...350) К - дизели.

Коэффициент остаточных газов:

g = 0,05...0,10 - карбюраторные двигатели; g= 0,02...0,60 - дизели.

 

1.3. Расчет параметров сжатия

Средний показатель политропы сжатия n₁ можно определить по эмпирической формуле:

n₁=1,41-100/n,

где n - частота вращения коленчатого вала.

Давление в конце такта сжатия:

Р_с=Р_аeⁿ¹

Р_с = 0,9...2,0 МПа - карбюраторные двигатели; Р_с = 3,5...5,5 МПа - дизели.

Температура в конце сжатия:

Т_с=Т_аe^n1-1

Т_с = 600...900 К - карбюраторные двигатели; Т_с = 700...900 - дизели.

 

1.4. Расчет параметров сгорания

 

Расчет производится на основе уравнения сгорания.

Карбюраторный двигатель:

,

где H_u- низшая теплотворная способность топлива(табл. 1.1).

DH_u = 119950 (1-a)L_о - потеря тепла в связи с неполнотой сгорания жидкого топлива при a<1(кДж/кг);

x - коэффициент использования тепла. Его принимают равным:

0,85...0,95 - карбюраторные двигатели; 0,70...0,85 - дизели;

b - расчетный коэффициент молекулярного изменения.

b=М_z/M_c=(M₂+M_r)/(M₁+M_r)

где M_r=agL_o -число молей остаточных газов;

С_vc и C_vz - соответственно средняя молярная теплоемкость свежего заряда в конце сжатия и продуктов сгорания.

С_vc=20,1+1,736*10^-3*Т_с;

С_vz=(18,4+2,59a)+(15,5+13,8a)*10^-4*Т_z.

Дизельный двигатель:

(С_vс+8,315l)Т_с+xH_u/aL_o(1+g)=bC_pzT_z,

где l - степень повышения давления. Принимается в пределах:

1,6...2,5 - дизели с неразделенными камерами сгорания; 1,2...1,8 - дизели с разделенными камерами сгорания; 3,6...4,0 - бензиновые.

С_рz - средняя молярная теплоемкость для продуктов сгорания дизеля.

С_рz = 8,315+(20+0,92/a)+(13,8/a+15,5)*10^-4T_z

После подстановки теплоемкостей и всех известных величин в уравнение сгорания, получаем квадратное уравнение относительно T_z. Решение этого уравнения дает два корня, один из которых определяет температуру в конце сгорания, другой не имеет физического смысла.

T_z = 2200...2800 К - карбюраторные двигатели; T_z = 1800...2300 К - дизели.

Давление в конце сгорания у карбюраторного двигателя:

P_z=P_cb T_z/T_c, у дизелей:

P_z=lP_c

P_z = 3...5 МПа - карбюраторные двигатели;

P_z = 5...12 МПа - дизели.

Для бензиновых двигателей степень повышения давления l=Р_z/P_c

Степень предварительного расширения у дизелей:

r = b T_z/l T_c

Степень последующего расширения:

d = e/r

d = 10...18; r = 1,2...1,7

 

1.5. Расчет параметров расширения

Давление в конце процесса расширения

для карбюраторного двигателя:

,

для дизельного двигателя:

,

где n₂ - средний показатель политропы расширения. Значения n₂ находятся в пределах:

1,23...1,30 - карбюраторные двигатели; 1,18...1,28 - дизели. Р_в = 0,35...0,60 МПа - карбюраторные двигатели; Р_в = 0,2...0,5 МПа - дизели.

Температура Т_в в конце расширения

для карбюраторного двигателя:

,

для дизельного двигателя:

,

Для карбюраторных двигателей Т_в = 1200...1700 К;

для дизелей Тв = 1000...1200 К.

После расчета процессов цикла необходимо проверить правильность ранее принятой температуры остаточных газов Т_r:

Если ошибка превышает 2%, то необходимо повторить расчет с уточненным значением Т_r.

 

1.6. Расчет индикаторных показателей цикла

Теоретическое среднее индикаторное давление для карбюраторных двигателей:

,

а у дизельных двигателей:

.

Действительное среднее индикаторное давление для округлой индикаторной диаграммы:

Р_i=P_i¢n,

где n - коэффициент полноты индикаторной диаграммы.

Он принимается равным:

0,94...0,97 - карбюраторные двигатели; 0,92...0,95 - дизели. P_i = 0,8...1,2 МПа - карбюраторные двигатели; P_i = 0,6...1,1 МПа - дизели.

Индикаторный КПД для двигателей определяется по формуле:

,

где h_i = 0,28...0,38 - карбюраторные двигатели;

h_i =0,42...0,52 - дизели.

Индикаторный удельный расход топлива;

g_i=36*10⁵/H_uh_I, г/кВт*ч.

У карбюраторных двигателей g_i = 235...290 г/кВт*ч;

у дизелей g_i = 175...220 г/кВт*ч.

 

1.7. Расчет эффективных показателей цикла

Среднее давление механических потерь Р_м определяется по эмпирическим формулам с учетом средней скорости поршня V_ср.

V_ср = Sn/30 м/с,

где S - ход поршня, м;

n - частота вращения коленчатого вала, мин^-1.

Для карбюраторного двигателя:

S/D<1 Р_м = 0,034+0,0113V_ср;

S/D>1 Р_м = 0,049+0,0152V_ср,

где S/D - отношение хода поршня к его диаметру.

Дизельные двигатели с неразделенными камерами сгорания имеют Р_м:

Р_м = 0,089+0,0118 V_ср,

с разделенными камерами сгорания:

Р_м = 0,089+0,0135 V_ср.

Среднее эффективное давление:

Р_е =Р_i - Р_м МПа

Для карбюраторных двигателей Р_е = 0,5...1,1 МПа;

для дизелей Р_е =0,55...0,85 МПа.

Механический КПД определяем по соотношению

h_м = Р_е/Р_i.

Для карбюраторных двигателей h_м = 0,7...0,9,

для дизелей h_м = 0,7...0,82.

Эффективный КПД будет равен

h_е =h_i *h_м.

Для карбюраторных двигателей h_е = 0,21...0,31,

для дизелей h_е = 0,31...0,42.

Удельный эффективный расход топлива;

g_е=36*10⁵/Н_uh_е г/кВт*ч

Для карбюраторных двигателей g_е = 300...325г/кВт*ч,

для дизелей g_е = 270...230 г/кВт*ч.

Эффективная мощность

N_e=Р_enV_hi/30t кВт,

где V_h - рабочий объем цилиндра, л;

i - число цилиндров;

t - коэффициент тактности;

t=2 - двухтактные двигатели, t=4 - четырехтактные двигатели.

Часовой расход топлива

G_т = N_e*g_e/1000 кг/ч.

Результаты расчета сводятся в таблицу 1.2., проводится их анализ и делается вывод о влиянии значения условий работы на показатели двигателя.

Таблица 1.2.

То

Ро

Та

hv

g

Tz

Pz

Pi

Pe

he

Ne

ge

Gт

1 вариант

2 вариант

 

1.8. Построение индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма строится в левом верхнем углу чертежного листа формата А1 (рис.2.1). Диаграмма строится для одного варианта расчета, который выбирается самостоятельно. Масштаб диаграммы выбирают такой, чтобы отношение высоты диаграммы к ее ширине было близким к 1,5. Для этого по оси абсцисс откладывают отрезок V_с=10-15мм и принимаем его равным единице, тогда

V_а=eV_c=V_c+V_h,

V_z=rV_c (только у дизеля)

Отрезки V_c,V_h,V_a отмечают размерными линиями со стрелками и из конечных точек восстанавливают перпендикуляры, на которых в соответствии с выбором масштаба давлений отмечают точки P_c,P_r,P_a,P_о,P_z (P_z¢),P_в.

Через точку Р_о проводят линию атмосферного давления.

Построение политропы сжатия и расширения рекомендуется произвести аналитическим методом. Промежуточные точки давлений Р_х и соответствующие им промежуточные объемы, расположенные между V_c и V_a и между V_z и V_в определяем из следующих зависимостей.

Для политропы сжатия

.

Для политропы расширения

,

где V_х - произвольно выбранный объем;

Р_х - давление соответствующее этому объему