Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания прототипа ММЗ Д-245.30 Е2

ММЗ Д 245.30 Е2.docx

ГОУ «Приднестровский Государственный университет им. Т.Г.Шевченко»
Бендерский политехнический филиал
Кафедра «Автомобили и техническое обслуживание автотранспорта»
Специальность 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство»
По дисциплине: «Автомобильные двигатели»
На тему: Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания прототипа
Расчетно-пояснительная записка
АД.190601.068.09.000.000.ПЗ
Кокуркин Сергей Александрович
Руководитель курсового проектирования
Чудак Светлана Ивановна
Выбор основных параметров и исходных данных для теплового расчета
Устройство двигателя прототипа 7ст.
1. Продольный разрез двигателя
2. Поперечный разрез двигателя
Системы двигателя 8ст.
2.Система охлаждения
3.Система выпуска отработавших газов
Принцип работы двигателя 15ст.
Расчет характеристик рабочего тела 17ст.
1.Элементный состав топливовоздушной смеси
2.Количество свежей смеси
3.Количество свежей смеси М1 для дизелей
4.Состав и количество продуктов сгорания
5.Отдельные компоненты продуктов сгорания
6.Суммарное количество продуктов сгорания
7.Молярные и объемные доли компонентов продуктов сгорания
8.Теоретический коэффициент молярного изменения
Расчет процесса газообмена 21ст.
1.Параметры окружающей среды
2.Параметры остаточных газов
Процесс впуска 22ст.
Расчет процесса сжатия 24ст.
Расчет процесса сгорания 27ст.
1.Молярные изменения смесей
2.Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания
3.Максимальная температура газов в процессе Тz
4.Давление в конце процесса сгорания
Расчет процесса расширения 29ст.
Определение индикаторных показателей двигателя 30ст.
2.Удельный индикаторный расход
Опредление эффективных показателей двигателей 31ст.
1.Среднее эффективное давление
2.Механический КПД двигателя
3.Эффективный КПД двигателя
4.Удельный эффективный расход топлива
5. Часовой расход топлива
Определение основных параметров и показателей двигателя 32ст.
1.Рабочий объём цилиндра
4.Расчетный рабочий объем цилиндра
5. Расчетная эффективная мощность
6.Эффективный крутящий момент
8.Показатели напряжённости двигателя
Сравнение основных параметров двигателя и заданного прототипа 34ст.
Построение индикаторной диаграммы 35ст.
Тепловой баланс двигателя 39ст.
Скоростная характеристика двигателя 41ст.
Динамический расчет двигателя 44ст.
1 Расчёт сил действующих в КШМ
Кинематический расчет двигателя 50ст.
Список использованной литературы 54ст.
Значительный рост всех отраслей народного хозяйства требует перемещения большого количества грузов и пассажиров. Высокая маневренность проходимость и приспособленность для работы в различных условиях делает автомобиль одним из основных средств перевозки грузов и пассажиров. Автомобильный транспорт обслуживает все отрасли народного хозяйства и занимает одно из ведущих мест в единой транспортной системе страны. Основным агрегатом автомобильного транспорта является двигатель внутреннего сгорания. В настоящее время двигатель внутреннего сгорания является основным видом автомобильного двигателя. Двигателем внутреннего сгорания называется тепловая машина преобразующая химическую энергию топлива в механическую работу.
Достоинствами поршневого двигателя внутреннего сгорания обеспечившими его широкое применение являются:
универсальность (сочетание с различными потребителями);
невысокая стоимость;
возможность быстрого запуска;
Вместе с тем двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков к которым относятся:
высокий уровень шума;
большая частота вращения коленчатого вала;
токсичность отработавших газов;
низкий коэффициент полезного действия.
Стремление получить максимальный эффективный коэффициент полезного действия ДВС требует использования в нем более сложных решений и технологий. Двигатель и потребляемое топливо дают максимальный эффект в том случае когда двигатель создан в расчете именно на потребляемое им топливо.
Данная дисциплина «Автомобильные двигатели» изучается студентами Бендерского политехнического филиала ГОУ ПГУ им. Т.Г.Шевченко всех форм обучения специальности 190601 «АиАХ».
Выбор основных параметров и исходных данных для теплового расчета
Тип двигателя по способу воспламенения рабочей смеси
Тип двигателя по роду применяемого топлива
Наличие или отсутствие наддува
Тип топливной системы
непосредственного действия разделенного типа с моноблочным ТНВД
Число клапанов на цилиндр
Неразделенные камеры сгорания
Количество цилиндров и их расположение порядок работы
Номинальная эффективная мощность при номинальной частоте вращения
Максимальный крутящий момент
Минимальная частота вращения колен вала
Рекомендуемое топливо
Эффективный удельный расход топлива
Рабочий объем цилиндра
Устройство двигателя прототипа
Система смазки дизеля в соответствии с ниже приведенными рисунком 1 и является комбинированной. Т.е. часть деталей двигателя смазывается под давлением а часть путем разбрызгивания.
Подшипники коленчатого и распределительного валов втулка промежуточной шестерни шатунный подшипник коленчатого вала компрессора механизм привода клапанов (коромысла) и подшипник вала турбокомпрессора смазываются под давлением от масляного насоса.
Гильзы поршни поршневые пальцы штанги толкатели кулачки распределительного вала и привод топливного насоса смазываются разбрызгиванием.
Система смазки: 1-картер масляный;2- форсунки охлаждения поршней;3-вал коленчатый;4- вал распределительный;5-шестерня промежуточная;6-горловина маслозаливная;7- пробка масляного картера;8-маслоприемник;9- насос масляный;10- радиатор масляный;11-клапан редукционный (радиаторный);12- центробежный масляный фильтр;13- клапан сливной;14-клапан предохранительный;15-датчик давления;16- турбокомпрессор;17- компрессор;18- топливный насос высокого давления;19-масляный канал оси коромысел.
Масляный насос 9 — шестеренного типа односекционный крепится болтами к крышке первого коренного подшипника. Насос подает масло по патрубку и каналам блока цилиндров в центробежный фильтр 12 в котором оно очищается от посторонних примесей продуктов износа и от продуктов разложения масла вследствие нагрева и окисления.
Из центробежного фильтра очищенное масло поступает в радиатор для охлаждения и по маслоподводящей трубке к подшипнику вала турбокомпрессора 16. Из масляного радиатора масло поступает в магистраль дизеля.
В корпусе центробежного масляного фильтра имеются редукционный 11 сливной 13 предохранительный 14 клапаны.
При запуске дизеля непрогретое масло вследствие большого сопротивления радиатора через редукционный (радиаторный) клапан поступает непосредственно в магистраль дизеля минуя радиатор.
Предохранительный клапан (клапан центробежного фильтра) служит для поддержания давления масла перед ротором фильтра 08 МПа. При повышении давления выше указанного часть неочищенного масла сливается через клапан в картер дизеля.
Редукционный и предохранительный клапаны не регулируемые.
На работающем дизеле категорически запрещается отворачивать пробки редукционного и предохранительного клапанов. Сливной клапан отрегулирован на давление 025 035 МПа и служит для поддержания необходимого давления масла в главной магистрали дизеля. Избыточное масло сливается через клапан в картер дизеля.
Из главной магистрали дизеля по каналам в блоке цилиндров масло поступает ко всем коренным подшипникам коленчатого и шейкам распределительного валов. От коренных подшипников по каналам в коленчатом вале масло поступает ко всем шатунным подшипникам. От первого коренного подшипника масло по специальным каналам поступает к втулкам промежуточной шестерни и шестерни привода топливного насоса а также к топливному насосу.
Детали клапанного механизма смазываются маслом поступающим от заднего подшипника распределительного вала по каналам в блоке головке цилиндров сверлению в IV стойке коромысел во внутреннюю полость оси коромысел и через отверстие к втулке коромысла от которой по каналу идет на регулировочный винт и штангу.
Система охлаждения предназначена для охлаждения деталей двигателя нагреваемых в результате его работы. На современных автомобилях система охлаждения помимо основной функции выполняет ряд других функций в том числе:
нагрев воздуха в системе отопления вентиляции и кондиционирования;
охлаждение масла в системе смазки;
охлаждение отработавших газов в системе рециркуляции отработавших газов;
охлаждение воздуха в системе турбонаддува;
Система охлаждения двигателя: 1-расширительный бачок ;2-радиатор системы рециркуляции отработавших газов ;3-теплообменник отопителя ;4-датчик температуры охлаждающей жидкости ;5-насос охлаждающей жидкости ;6-датчик температуры охлаждающей жидкости на выходе радиатора;7-термостат ;8-масляный радиатор;9-дополнительный насос охлаждающей жидкости;10-радиатор системы охлаждения .
Радиатор предназначен для охлаждения нагретой охлаждающей жидкости потоком воздуха. Для увеличения теплоотдачи радиатор имеет специальное трубчатое устройство.
Наряду с основным радиатором в системе охлаждения могут устанавливаться масляный радиатор и радиатор системы рециркуляции отработавших газов. Масляный радиатор служит для охлаждения масла в системе смазки.
Радиатор системы рециркуляции отработавших газов охлаждает отработавшие газы чем достигается снижение температуры сгорания топливно-воздушной смеси и образования оксидов азота. Работу радиатора отработавших газов обеспечивает дополнительный насос циркуляции охлаждающей жидкости включенный в систему охлаждения.
Теплообменник отопителя выполняет функцию противоположную радиатору системы охлаждения. Теплообменник нагревает проходящий через него воздух. Для эффективной работы теплообменник отопителя устанавливается непосредственно у выхода нагретой охлаждающей жидкости из двигателя.
Для компенсации изменения объема охлаждающей жидкости вследствие температуры в системе устанавливается расширительный бачок. Заполнение системы охлаждающей жидкостью обычно осуществляется через расширительный бачок.
Циркуляция охлаждающей жидкости в системе обеспечивается центробежным насосом.
Термостат предназначен для регулировки количества охлаждающей жидкости проходящей через радиатор чем обеспечивается оптимальный температурный режим в системе. Термостат устанавливается в патрубке между радиатором и «рубашкой охлаждения» двигателя.
Вентилятор радиатора служит повышения интенсивности охлаждения жидкости в радиаторе.
Датчик температуры охлаждающей жидкости фиксирует значение контролируемого параметра и преобразует его в электрический сигнал.
Система выпуска отработавших газов состоит из выпускного коллектора турбокомпрессора приемной выхлопной трубы центрального и заднего глушителей каталитического нейтрализатора отработавших газов.
Элементы системы выпуска соединены резьбовыми соединениями или хомутами. На автомобилях с дизельными двигателями для снижения токсичности отработавших газов применяется нерегулируемый каталистический окислительный нейтрализатор.
Турбокомпрессор: 1 – уплотнительное кольцо; 2 – труба возврата масла
к блоку цилиндров; 3 – прокладка; 4 – уплотнительное кольцо; 5 – болт; 6 – шланг к вакуумной камере для контроля повышения давления; 7 – болт; 8 – труба подачи масла от кронштейна масляного фильтра; 9 – пустотелый болт; 10 – уплотнительные кольца; 11 – болт; 12 – термозащитный экран; 13 – турбокомпрессор; 14 – гайка; 15 – гайка; 16– колено выпускного коллектора для крепления турбокомпрессора; 17 – болт; 18 – прокладка; 19 – приемная выхлопная труба с нейтрализатором; 20 – болт; 21 – стойка для промежуточного переходного элемента; 22 – переходной элемент; 23 – болт; 24 – болт
Система выпуска отработавших газов: 1 – подвеска; 2 – кронштейн; 3 – болт; 4 – каталитический нейтрализатор; 5 – гайка; 6 – прокладка; 7 – болт; 8 – приемная выхлопная труба; 9 – прокладка; 10 – колено выпускного коллектора; 11 – гайка; 12 – приемная выхлопная труба с каталитическим нейтрализатором; 13 – передний хомут; 14 – гайка; 15 – гайка; 16 – кронштейн; 17 – подвеска; 18 – задний глушитель; 19 – задний хомут; 20 – гайка; 21 – гайка; 22 – подвеска; 23 – центральный глушитель.
Система питания: 1-топливный бак;2-фильтр грубой очистки топлива;3-трубки топливные низкого давления;4-топливный насос высокого давления;5-топливоподкачивающий насос;6-трубки топливные высокого давления;7-фильтр тонкой очистки топлива (неразборный);8-воздухоочиститель;9-фильтр тонкой очистки топлива (со сменным фильтрующим элементом);10-свеча накаливания;11-впускной коллектор;12-выпускной коллектор;13-глушитель;14-форсунка;15-трубка отвода топлива в бак;16-головка цилиндров;17-турбокомпрессор;18-трубка пневмокорректора;19-охладитель надувочного воздуха
Принцип работы двигателя
Полуоборот коленчатого вала
Угол поворота коленчатого вала град
Схема и порядок работы четырехцилиндрового двигателя (1-3-4-2)
Рабочие процессы двигателя.
-й такт. Впуск. Соответствует 0°—180° поворота коленвала. Через открытый на приблизительно 345—355° впускной клапан воздух поступает в цилиндр на 190—210° клапан закрывается. При этом до 10—15° поворота коленвала одновременно открыт и выхлопной клапан. Время совместного открытия клапанов называется перекрытием клапанов.
-й такт. Сжатие. Соответствует 180°— 360° поворота коленвала. Поршень двигаясь к ВМТ (верхней мёртвой точке) сжимает воздух от 16 (в тихоходных двигателях) до 25 (в быстроходных) раз.
-й такт. Рабочий ход расширение. Соответствует 360°—540° поворота коленвала. При распылении топлива в горячий воздух происходит инициация сгорания топлива то есть частичное его испарение образование свободных радикалов в поверхностных слоях капель и в парх. Наконец оно вспыхивает и сгорает по мере поступления из форсунки а продукты горения расширяясь двигают поршень вниз. Впрыск и соответственно воспламенение топлива происходит чуть раньше момента достижения поршнем мёртвой точки вследствие некоторой инертности процесса горения. Отличие от опережения зажигания в бензиновых двигателях в том что задержка необходима только из-за наличия времени инициации которое в каждом конкретном дизеле— величина постоянная и изменению в процессе работы не подлежит. Сгорание топлива в дизеле происходит таким образом столько времени сколько длится подача порции топлива из форсунки. Вследствие этого рабочий процесс протекает
при относительно постоянном давлении газов из-за чего двигатель развивает большой крутящий момент. Из этого следуют два важных
Процесс горения в дизеле длится ровно столько времени сколько требуется для впрыска данной порции топлива но не дольше времени рабочего хода. Это приводит к тому что рабочий процесс в дизеле протекает при постоянном давлении.
Соотношение топливовоздух в цилиндре дизеля может существенно отличаться от стехиометрического причем очень важно обеспечить избыток воздуха так как пламя факела занимает небольшую часть объёма камеры сгорания и атмосфера в камере должна
до последнего обеспечить нужное содержание кислорода. Если этого не происходит возникает массивный выброс несгоревших углеводородов с сажей (тепловоз «даёт медведя»).
-й такт. Выпуск. Соответствует 540°—720° поворота коленвала. Поршень идёт вверх через открытый на 520—530° выхлопной клапан выталкивая отработавшие газы из цилиндра.
Расчет характеристик рабочего тела
Товарными топливами для поршневых ДВС являются бензины.
Автомобильные бензины представляют собой смесь низкокипящих углеводородов выкипающих в диапазоне температур 35 205°.Основной характеристикой бензина является октановое число ОЧ (цифры в марке бензина).Выбор марки бензина производится с учетом степени сжатия необходимого октанового числа ОЧИ или ОЧМ с уточнением рекомендуемого топлива для двигателя прототипа.
Норма для марок (по ГОСТ 305-82)
Цетановое число не менее
% перегоняется при температуре ºС
% перегоняется при температуре (конец перегонки) ºС не выше
Кинем аттическая вязкость при 20 ºС
Температура застывания ºС не выше для климатической зоны:
Температура помутнения ºС не выше для климатической зоны:
Температура вспышки в закрытом тигле ºС не ниже:
для тепловозных и судовых дизелей и газовых турбин
для дизелей общего назначения
Массовая доля серы % не более:
Плотность при 20 ºС кгм3 не более
1.Элементный состав топливовоздушной смеси.
При использовании кислородосодержащих топлив СхНуОz (модифицированные бензины с добавкой оксигенатов спирты эфиры) учитывают кислород топлива
где gс; gот - соответственно массовые доли углерода водорода и кислорода в 1 кг топлива.
Низшая теплота сгорания жидких топлив может быть найдена по известной формуле
Qи = 34013 gc + 6909 gн
где gH gс gот gs gH2О – массовые доли водорода углерода кислорода топлива серы воды в топливе.
Qи = 34013*0873+6909*0127=385
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг жидкого топлива
= (83 gс + 8gн )0232 КГвКГт
= (83* 0873 + 8*0127 )0232 = 144 КГвКГт
L0 = (gc12 + gн4 )021 кмольКГт
L0 = (087312 + 01274 )021=05 кмольКГт
3.Количество свежей смеси М1 для Дс ИЗ
М1 = а ·L0 + 1т кмольосКГт
Для Ne номинальная 18
М1 = а ·L0 + 1т = 18*05+1115=091 кмольосКГт
М1 = а ·L0 + 1т =175*05+1115=088кмольосКГт
М1 = а ·L0 + 1т =17*05+1115=086 кмольосКГт
4 Состав и количество продуктов сгорания
Состав и количество продуктов сгорания рассчитывается с использованием данных о составе топлива и коэффициенте избытка воздуха а
Расчет производится в киломолях на 1 кг топлива (кмолькг)
5 Отдельные компоненты продуктов сгорания
Мсо2 = gс12 кмоль со2 КГт
Мн2о = gн2 кмоль Н2О КГт
МN2 = 079 а ·L0 кмоль N2 КГт
Мо2 = 021 · ( а - 1) L0 кмоль О2 КГт
Мсо2 = 087312 = 0073кмоль со2 КГт
Мн2о = 01272 = 0063 кмоль Н2О КГт
МN2 = 079* 18*05 = 0711 кмоль N2 КГт
Мо2 = 021 *08*05 = 0084 кмоль О2 КГт
Мсо2 = 087312 = 0073 кмоль со2 КГт
МN2 = 079* 175*05 = 069 кмоль N2 КГт
Мо2 = 021 *075*05 = 0079 кмоль О2 КГт
МN2 = 079* 17*05 = 067 кмоль N2 КГт
Мо2 = 021 *07*05 = 0074 кмоль О2 КГт
М2 = Мсо2 + Мн2о + Мо2 +МN2 кмольсКГт
М2= 0073+0063+0084+0711=0931
М2= 0073+0063+0079+069=0905
М2= 0073+0063+0074+067=088
rсо2 = Мсо2М2 r H2 = Мо2М2
rH2O = МH2OМ2 r N2 = МN2М2
r N2 =07110.931=0.76
ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОЧЕГО ТЕЛА
Режим эксплуатации двигателя
Рабочее тело его компоненты
Коэффициент избытка воздуха a
Количество свежей смеси М1
Количество продуктов сгорания М2
Теоретический коэффициент молярного изменения о
Расчет процесса газообмена
1. Параметры окружающей среды
То = 273 + (15 25) = 288 298К
Тк = То (РкРо) nк – 1 nк - Тохл
То – температура атмосферного воздуха(288К)
Рк – давление надувочного воздуха МПа; (015)
Ро – атмосферное давление воздуха МПа;(01)
nк – показатель политропы сжатия воздуха в нагнетателе (компрессоре);(14)
Тохл - изменение температуры заряда при его охлаждении в воздушном холодильнике К.(55)
Тк = 288*(01501)14-114 -55=325 К
2. Параметры остаточных газов
Рr = (075 098) Рк МПа
Рr = 095*015=0147 МПа
Давление Рri на различных скоростных режимах двигателя может быть определено по формуле:
Рri = Ро(1035 + Ар×10-8 · n2) МПа
где Ар = (Рr – Ро · 1035)·108nN2· Ро
где Рr – давлении е остаточных газов на номинальном режиме МПа;
n – частота вращения коленчатого вала расчетная мин-1;
nN – номинальная частота вращения коленчатого вала мин-1;
Ар – коэффициент коррекции давления.
Ар = (Рr – Ро · 1035)·10-8nN2· Ро =(0147-01*1035)*0000000015760000*01= =00435*174= 007569
Рri = Ро(1035 + Ар×10-8 · n2)=01*(1035+ 007569*000000001*5760000)=0104
Процесс впуска определяется подогревом свежего заряда Т и плотностью заряда ρо характеризуется следующими основными параметрами: давлением Ра и температурой Та заряда в конце процесса наполнения – начала сжатия; давлением Рr и температурой Тr остаточных газов; коэффициентом остаточных газов γr и коэффициентом наполнения v.
а) подогрев свежего заряда Т.
Величина подогрева свежего заряда от стенок Т зависящая от наличия специального устройства для подогрева от конструкции впускного трубопровода типа системы охлаждения быстроходности двигателя и наддува обычно колеблется в пределах:
для двигателей с наддувом (-5) до 10°С
Величина подогрева свежего заряда Т уменьшается с увеличением n и при распределенном впрыскивании бензина с Д и ИЗ при этом Т выше в ДВС с воздушным охлаждением.
б) плотность заряда на выпуске
ρк = Рк · 106R6 · Тк кгм3
где RВ = 287 Дж·кг·град – удельная газовая постоянная для воздуха
ρк =015*100000287*325=15000093275=16
в) давление рабочего тела в конце такта впуска.
Давление в конце впуска Ра определяется величиной гидравлических потерь Ра во впускном трубопроводе
Величина Ра зависит от скорости потока смеси вп и сопротивления впускной системы:
где - коэффициент затухания скорости
вп - коэффициент сопротивления впускной системы
вп – средняя за процесс впуска скорость в наименьшем сечении впускного тракта мс
ρк - плотность заряда на впуске кгм3
По опытным данным в современном автомобильном двигателе при номинальном режиме.
Ра = =4*6400*16*000001*012=002048
Ра = Рк - Ра =015 - 002048= 0129
г) Коэффициент остаточных газов
Коэффициент остаточных газов γг зависит от давления и температуры остаточных газов (Рм и Тм) подогрева заряда Т температуры окружающей среды (То или Тк) и степени сжатия :
Величина коэффициента остаточных газов γг характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания и определяет относительное содержание их в горючей смеси.
С учетом продувки и дозарядки цилиндра
5-5900*014717*103*0129-0147*11 =0027
где φоч – коэффициент очистки (1)
φдоз – коэффициент наполняемости учитывающий различие в теплоемкостях свежего заряда и остаточных газов(103)
φ – коэффициент учитывающий различие в теплоемкостях свежего заряда и остаточных газов(11)
д) Температура в конце впуска.
Температура заряда в конце впуска Та зависит от температуры на входе То а также от подогрева заряда во впускном трубопроводе Т и его подогрева в цилиндре от остаточных газов γг и Тr
Та = (То + Т + φ · φдоз γг · Тr ) (1+ γг · φдоз )
Та=(325-5+11*103*0027*900)(1+0027*103)=338 К
ж)коэффициент наполнения.
Коэффициент наполнения v характеризует качество процесса впуска и представляет собой поправку учитывающую отклонения условий внутри цилиндра от условий на впуске в двигатель.
5*(17*0129-0147)320*16*0147=088
Расчет процесса сжатия
Процесс сжатия характеризуется давлением Рс и температурой Тс рабочего тела в конце процесса.
где n1 – показатель политропы сжатия
Значение n1 может быть определено по номограмме следующим образом.
Через принятое значение степени сжатия проводится ордината до пересечения с соответствующей кривой температур Та. Через полученную точку пересечения проводят линию параллельную оси абсцисс до пересечения с осью ординат на которой нанесены в масштабе значения показателя адиабаты сжатия k1.
Показатель адиабаты k1 служит ориентиром для уточнения при выборе n1 исключающим грубые ошибки и в следствии искажения теплообмена между сжимаемым зарядом и станками цилиндра. Можно полагать
n1 = (k1 + 002) ( k1 – 004)
Рс=0129*17 1363 =0129*475=61 МПа
Тс=338*17 0363 =338*28=9464 К
Средние молярные теплоемкости тел
Средняя молярная теплоемкость заряда (воздуха) в конце сжатия без учета влияния остаточных газов в интервале температур 273 1800К
mСv = aс + bсТс = 2016 + 174 · 10-3 Тс кДЖкмоль·град
mСv =2016+174*0001*9464=218
Средняя молярная теплоемкость в конце сжатия может быть определена также по следующей рекомендации – свежей смеси (воздуха)
(mСv)tcto = 206+2638·10-3 tc
(mСv)tcto=206+2638*0001*6734=224
- остаточных газов (mСv). Определяется методом интерполяции по таблице 1 для дизельных в зависимости от tc и а; - рабочей смеси.
(mСv)tcto = 1 1+ γг [(mСv)tcto + γ(mСv)tcto ]
Средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания
кДж (кмоль· град) дизеля при а
Таблица 4 продолжение
(mСv)tcto =24885+(24993-24657)092=252
(mСv)tcto=1(1+0027)(224+0027*252)=225
1.Число молей газов.
Число молей остаточных газов
Мr=18*0027*05=00243 кмоль
Число молей газов в конце сжатия до сгорания
Расчет процесса сгорания
1.Молярные изменения смесей
Расчетный коэффициент молекулярного изменения горючей смеси (свежей смеси)
Число молей газов после сгорания
Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси
= МzМс = М2 + МrМ1 + Мr = о + γг1 + γг
2 Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания.
Для расчетов рабочих процессов двигателей обычно пользуются средними мольными теплоемкостями при постоянном объеме mСv и при постоянном давлении mСр.
При полном сгорании топлива (а≥1) продукты сгорания состоят из смеси углекислого газа водяного пара азота а при а>1 и кислорода.
(Сvz)tztc = 1М2 [Мсо2 (Сvсо2)tztc + Мн2о (Сvн2о)tztc + Мн2(Сvн2)tztc + Мо2(Сvо2)tztc ]кДЖкмоль·град
Средние молярные теплоемкости отдельных газов при постоянном объеме определяются по формулам для интервала температур 1501 до 2800°С.
Формулы для определения средних мольных теплоемкостей отдельных газов при постоянном объеме кДж(кмоль·град) для интервала температур 1501 2800°С
сvN2 = 21951 + 0001457 · t
сvн2 = 19678 + 0001758 · t
сvсо = 22490 + 0001430 · t
сvсо2 = 39123 + 0003349 · t
сvн2о = 26670 + 0004438 · t
Мсо2 (mСvсо2)tztc=091*(39123 + 0003349 · t)= 3560193+000304759t
Мн2о (mСvн2о)tztc=0063*(26670 + 0004438 · t)= 168021+0000279594t
МN2(mСvN2)tztc=0.711*(21951 + 0001457 · t)= 15607161+0001035927t
(mСvz)tztc = 10.931*(0.91*(35.60193+0.00304759t)+0.711* (15.607161+0.001035927t)-0.063*(1.68021+0.000279594t)=1.074(323977563+00027733069t+11096691471+0000736544097t-010585323-0000017614422t)=1.074(43388594541+0003492236575t)= 46599350537034+000375066208155t
Для определения мольной теплоемкости продуктов сгорания могут быть использованы следующие соотношения.
Сvz = (202 + 092а) + (155 + 138а) · 10-4 tz
Сvz=21.04+28.4· 10-4 tz=20.89+0.00284 tz
3.Максимальная температура газов в процессе tz.
Температура Тz определяется из уравнений сгорания:
(Сvz + 8314) tz = QиM1(1+γг) + (Сvс + 8314λ) Тс
2(20.89+0.00284 tz+8.314) tz=0.85*385000.91*1.027+(22.5+8.314*1.7) 9464
78808 tz+ 00028968 tz2=350161+ 3467022832
028968 tz2+2978808 tz- 6968632832=0
D=29788082+4*0.0028968*6968632832=16948
где – коэффициент использования теплоты на участке видимого сгорания рабочей смеси (085)
λ – степень повышения давления только для дизелей(17)
Теоретическое давление в конце процесса сгорания
Рzт = Рс · · Тz Тс МПа
Рzт=61*102*2588946.4=17 МПа
Действительное давление в конце процесса сгорания для ДТ
Степень предварительного расширения
ρ=1021.7*2588946.4=1641
Степень повышения давления
Расчет процесса расширения.
Давление и температура газов в конце расширения определяется по формулам политропного процесса:
Рв=10.3710351263=054 мПа
Тв = 258810350263=1399 К
где – степень последующего расширения
Определение индикаторных показателей двигателя
Среднее индикаторное давление
Среднее индикаторное давление цикла для нескругленной индикаторной диаграммы.
Для дизельных двигателей
Рi = Pc -1 [λ (ρ - 1) + λρ n2 - 1 (1-1n2-1) – 1n1-1(1-1 n1-1]МПа
Рi=6216[1.7*(1.64-1)+1.7*1.640363*(1-11.8)-10363(1-128)]=03875( 1.088+3.41-1.77)=1.06
Действительное среднее индикаторное давление рассчитывается с учетом коэффициента полноты индикаторной диаграммы и средних насосных потерь на газообмен.
где φпд – коэффициент полноты индикаторной диаграммы.
i = Рi · 0 · а Qи · ρк · V
i=09752*14.4*18385*1.6*0.88=0.47
gi = 3600 Qи · i гкВт·ч
gi=3600385*0.47=1989 гкВт·ч
Опредление эффективных показателей двигателя
Среднее давление механических потерь в двигателе определяется по эмпирическим формулам с учетом числа цилиндров и отношением SД при полностью открытом дросселе и крайнем положении рейки топливного насоса ТНВД.
где Сn – средняя скорость поршня за один его ход в мс;
а b – постоянные коэффициенты зависящие от типа двигателя и имеющие соответственно размер МПа и МПа·см.
Рм=0.090+0.012*6=0.162
1.Среднее эффективное давление.
Среднее эффективное давление Ре определяется по среднему индикаторному давлению Рi и среднему давлению потерь Рм
Pe=09752-0.162=08132
2.Механический КПД двигателя.
3.Эффективный КПД двигателя.
Эффективный КПД определяется по значениям индикаторного и механического КПД
4.Удельный эффективный расход топлива.
gе=19890.83=2394 гкВт·ч
5.Часовой расход топлива
Gтд = gе · Nе · 10-3 кгч
Gтд=2394*81*0.001=194 кгч
Определение основных параметров и показателей двигателя
Рабочий объем двигателя.
По заданным значениям эффективной мощности Ne при частоте вращения КВ nN тактности двигателя и расчётному эффективному давлению определяем объём всех цилиндров (литраж двигателя).
Vл=30*4*810.8132*2400=9720195168=498л
С учётом хода поршня S предварительно принятого прототипа определяем диаметр цилиндра.
Dц= 100 3√4Vh ·К (мм
Dц=100*=100*=100*=112
Vлд = П · Dц2 · S · i 4 · 106 л
Vлд =314*812*125*44*1000000=1816778881000000=26 л
5.Расчетная эфективная мощность
Ne=08132*4*1245*240030*4=81 квт
6.Эффективный крутящий момент.
МN = 9550 · Nе nе (Н м)
МN=9550*812400=3222 (Н м)
Литровая мощность характеризует степень формирования двигателя
Nл=814*1245=163 кВтл
8Показатели напряжённости двигателя.
Удельная поршневая мощность
Nn=Ne i · D2 4 (кВтдм2)
где D – диаметр поршня дм.
Nn=81(4*314*125444)=206(кВтдм2)
Удельная масса в килограммах на 1 кВт мощности двигателя
Удельная литровая масса в килограммах на литр рабочего объема цилиндра.
Сравнение основных параметров двигателя и заданного прототипа
По результатам теплового расчета проводится технико – экономический анализ полученных основных показателей и параметров.
Анализ должен завершаться выводами о преимуществах и недостатков проектируемого двигателя.
В случае значительных отклонений необходимо объяснить какими особенностями проектируемого двигателя эти показатели обеспечиваются.
Построение индикаторной диаграммы.
Индикаторную диаграмму строят при максимальной мощности Ne nN. Построение диаграммы производится на листе миллиметровой бумаги формата А4.
Построение производиться следующим образом для получения нормальной конфигурации индикаторной диаграммы рекомендуется принимать масштабы с таким расчетом чтобы отношение высоты диаграммы к ее ширена было близко 1.5
Построение диаграммы проводиться в координатах (P;V) по оси абсцисс откладывается объем камеры сжатия с учетом масштабного значения
которое обычно находиться в пределах 15 20мм. Тогда полный объём
цилиндров на чертеже будет равен.
где Vc- рабочий объём Vh -полный объём цилиндра
Значение Vа откладываться с начала координат через концы отрезков Vc и Va проводят вертикальные линии характеризующие ВМТ и НМТ.давлений при выше указном значении Vc выбирается в пределах соответствия с принятой величиной mр=0.02 0.04 мПамм.
По шкале давлений оси координат по абсцисс и на линиях ВМТ и НМТ наносятся основные точки индикаторной диаграммы гaczb положение которых соответствует величинам давления Ра; Рс PZ Pb Рг кроме этого наноситься линия Ро. Так как значения величин Ра Рb Рг графически близки друг к другу то допускается условно откладывать Рa Рr на 1 1.5 мм соответственно выше и ниже атмосферного давления. После этого проводится построение линий политропы сжатия и политропы расширения. Для построений линии политропы сжатия предварительно выбирается 6-8 промежуточных точек на оси абсцисс между объемами Vа и Va со значениями.
V1=1.2VС; V2=1.3 V3=1.5 V4=1.8 V5=20 V6=2.2VC
Через концы этих полученных точек проводятся верх тонкие вертикальные линии на которых откладывается значение давлений РХ2; Рхз; Рх4; P Рх6. Эти значения определяется из уравнений политропы сжатия в которых отношение VaVi изменяются в пределах степени сжатия .
Px1=0129*(132600936)1363 =478
Px2=0129*(132601014)1363=429
Px3=0129*(13260117)1363=353
Px4=0129*(132601404)1363=275
Px5=0129*(13260156)1363=238
Px6=0129*(132601716)1363=209
Для построения политропы расширения определяется давление при тех же промежуточных объемах V1 V2 V3 V4 V5V6 с учетом политропы расширения.
Py1=054*(132600936)1263=1536
Py2=054*(132601014)1263=1388
Py3=054*(13260117)1263=1159
Py4=054*(132601404)1263=92
Py5=054*(13260156)1263=805
Py6=054*(132601716)1263=714
Теоретическая нескругляемая индикаторная диаграмма строится по точкам r a c z b r и округляется. Положение точки с' определяется углом опережения зажигания а положение точки z' находиться ориентировочно по формуле :
(С’) Рc’=(1.15 1.25)×Рc ;
Положение точки Z' должно быть смещено вправо от линии ВМТ на 10-15° поворота колен вала.
Положение точки b' должно соответствовать моменту открытия впускного клапана. Положение точки b" обычно располагается на половине расстояния между точками а и b. Затем проводят линию атмосферного давления Рo линию впуска Рa и линию впуска гa и линию выпуска b'r.
Индикаторная диаграмма цикла строится аналогично диаграмме карбюраторного двигателя за исключением следующих отличий:
масштабное значение объема Vс принимается равным Vс = 10мм;
масштаб давления выбирается в пределах mр = 003 005 МПамм;
действительное максимальное давление цикла рz = рz;
линия политропы расширения строится не из точки zа из точки z.
Положение точки z на индикаторной диаграмме определяется степенью предварительного расширения ρ:
Далее находятся объемы в промежуточных точках линии расширения:
V1 = 12 V2 = 15 V3 = 2Vz и т.д
V1=12*012792=0153504
Давления этих объемов находят также из уравнения политропы расширения:
рb1 = рb (VаV1) рb2 = рb (VаV2)n2 ; рb3 = рb (VаV3)n2 и т.д
рb1=054*(13260153504)1263=822
рb2=054*(1326019188)1263=62
рb3=054*(1326025584)1263=431
При этом отношение VаVi изменяется в пределах от 1 до где – степень последующего расширения.
Дальнейшее построение аналогично построениям индикаторной диаграммы для карбюраторных двигателей. Теоретическая (нескругленная) индикаторная диаграмма дизеля скругляется в точках cz и b. Линию Z Z у дизелей скругляют вблизи точки Z.
У двигателей с наддувом линия выпуска может проходить как выше так и ниже линии впуска и может в значительной части совпадать с линией впуска.
На рисунке 1 приведены индикаторные диаграммы четырехтактных двигателей с искровым зажиганием и дизелей.
Рис.1 Индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя.
Переведеные данные в мм. mp=0.12 МПамм mv=0.02
Тепловой баланс двигателя.
Тепловой баланс оценивает распределение тепла вносимое в двигатель топливом идущее на полезную работу и на потери. Точное определение отдельных статей теплового баланса может быть выполнено на основании лабораторных исследований. Однако ориентировочно они могут быть определены на основании теоретических расчетов.
Тепловой баланс подсчитывают в абсолютных единицах теплоты за один час работы двигателя или за время расходования 1кг или 1м3 топлива.
В общем виде уравнение внешнего теплового баланса в абсолютных единицах можно представить так:
Qo = Qe + Qохл+ Qог + Qн.с. + Qост
где Qо - теплота сгорания израсходованного топлива; Qe - теплота эквивалентная эффективной работе двигателя; Qохл - теплота отводимая от двигателя охлаждающей средой (жидкостью или газом); Qог - теплота отводимая отработавшими газами; Qн.с. -теплота не выделившаяся при сгорании топлива из-за неполноты сгорания; Qм -теплота отводимая смазочным маслом ; Qосг - теплота отводимая в результате лучистого и конвективного теплообмена.
Величину каждой составляющей теплового баланса определяют в кДжч или в процентах по отношению ко всему количеству подведенной теплоты.
Теплоту сгорания израсходованного топлива (располагаемую теплоту) определяют по низшей теплоте сгорания топлива Нu(кДжкг) или Н'u(кДжм ) и часовому расходу жидкого топлива GT(кгч) или газообразного топлива VT(м3ч):
Q0 = или Q0 = VTH'u (кДжч)
Q0= 38500*194=746900 (кДжч)
Теплота эквивалентная эффективной работе двигателя (кДжч)
Qe=38500*194*03901=29136569(кДжч)
где e-эффективный КПД.
Теплоту передаваемую охлаждающей среде определяют по эмпирическим формулам (кДжч):
для бензинового двигателя дизеля:
Qохл=C*i*D1+2m*nm(1α)
Qохл=045*4*112 23 *240007*0.55=053*4*2589*2323*055=7012612
где С - коэффициент пропорциональности (для четырехтактных двигателей С=045 053); D - диаметр цилиндра дм; m - показатель степени (для четырехтактных двигателей m = (06 07); n - частота вращения коленчатого вала мин-1;
Теплоту унесенную отработавшими газами приближенно определяют как разность энтальпии газа в выпускном трубопроводе и энтальпии
поступающего в двигатель воздуха.
Для двигателей работающих на жидком топливе
Qог= GT(M2×mc"v×T'г- M1×mc'v-T0)
Qог= 19.4(0.931*25.2*800-0.91*22.5-288)= 358133409
где mc"p mc’р - мольные теплоемкости при постоянном давлении соответственно продуктов сгорания при температуре Тг и свежего заряда при температуре Т0 кДж(кмоль-К); Т'г - температура отработавших газов за выпускным трубопроводом (турбокомпрессором) К. Её величина берется по экспериментальным данным при отсутствии таковых подсчитывается по формуле: Т'г=Тг-(70 100) Тг - температура остаточных газов в конце процесса выпуска К; Т0 - температура свежего заряда при поступлении его во впускной патрубок компрессора или при отсутствии наддува во впускной патрубок двигателя К.
Теплота потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива (для бензиновых двигателей α 1)
Qост+ Qм+ Qн.с =746900-(29136569+7012612+358133409)= 27274781
Тепловой баланс в процентах по отношению ко всему количеству
qе + qохл + qог + qн.с + qост=100%
Средние значения отдельных составляющих внешнего теплового баланса отнесенные к теплоте введенной с топливом при работе двигателя на номинальном режиме приведены в таблице 8
Примерные значения отдельных составляющих внешнего теплового баланса (в процентах)
Скоростная характеристика двигателя.
Частота вращения коленчатого вала nj
wei2 =3.14*100030=10467
wei3 =3.14*150030=157
wei4 =3.14*200030=2093
wei5 =3.14*240030=2512
wei6 =3.14*260030=2721
Nei1= 81* (7852512) + (7852512)2– (7852512)3= 308
Nei2 = 81 * (104672512) + (104672512)2– (104672512)3=42
Nei1= 81 * (1572512) + (1572512)2– (1572512)3= 625
Nei1= 81* (20932512) + (20935512)2– (20932512)3=769
Nei1= 81 * (25122512) + (25122512)2– (25122512)3= 81
Nei1= 81 * (27212512) + (27212512)2– (27212512)3= 798
Me1 = (Ne1we1)*103 =( 308785)*1000 =3917
Me1 = (Ne1we1)*103 =( 4210467)*1000 = 4008
Me1 = (Ne1we1)*103 =( 625157)*1000 = 398
Me1 = (Ne1we1)*103 = (7692093)*1000 = 3672
Me1 = (Ne1we1)*103 = (812512)*1000 = 3225
Me1 = (Ne1we1)*103 = (7982721)*1000 =2933
Величины давлений в промежуточных точках политропы сжатия и политропы расширения.
Политропа расширения
Величины давлений P и хода поршня S
Динамический расчет двигателя
Для расчета деталей кривошипно-шатунного механизма на прочность и выявление нагрузок на трансмиссию машин необходимо определить величины и характер изменения сил и моментов действующих в двигателе.
С этой целью проводят динамический расчет кривошипно-шатунного механизма в следующем порядке.
Индикаторная диаграмма строится на листе бумаги форматав верхнем левом углу.
В правом верхнем углу строится диаграмма фаз газо- распределения а под нею схема кривошипно-шатунного механизм с указанием точек приложения и знаков (+ -) действия сил.
Схемы КШМ с указанием точек приложения и знаков действия сил
Построенная скругленная индикаторная диаграмма пользуясь методом Брикса развёртывается в диаграмму
Избыточных сил давления газов (МПа) по углу поворота коленчатого вала в масштабе 1 мм = 2°.
Ниже полуокружности наносятся координаты и строятся
графики перемещения скорости и ускорения поршня ширина
графиков равна 2·R высота в любом масштабе.
Руководствуясь найденными размерами двигателя (S и D)
определяется масса частей движущихся возвратно-поступательно и масса частей совершающих вращательное движение. Для этой цели необходимо задаться конструктивными массами поршневой и шатунной группы используя техническую характеристику двигателя или рассчитать пользуясь таблицой 10.
Значения масс поршня шатуна и коленчатого вала определяются по формуле
где - конструктивная масса детали отнесенная к площади
поршня кгм2 (принимаем из табл. 10);
– площадь поршня м2.
Конструктивные массы деталей отнесенные к площади поршня в кгм2
Конструктивная масса
Поршень (алюминиевый
Колено вала без противовесов ( ):
- стальной кованый вал со сплошными шейками;
- чугунный литой вал с полыми шейками
Масса частей движущихся возвратно-поступательно:
где - масса комплекта поршня (поршень + палец) кг;
– масса шатуна приведенная к поршню
где – масса шатуна кг.
Масса вращающихся деталей:
где - масса колена без противовесов (масса кривошипа) кг;
– масса шатуна приведенная к коленчатому валу
Соответствие выбранных масс необходимо проверить по значению максимальной удельной силы инерции по формуле
Удельную силу инерции движущихся масс определяем по формуле
Силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс
Аналогично рассчитываем другие значения и результаты вводим в таблицу 13.
Центробежной силы инерции вращающихся масс
Центробежная сила инерции KR является результирующей двух сил:
- силы инерции вращающихся масс шатуна
- силы инерции вращающихся масс кривошипа
Суммарной силы действующей на поршень
где РГ – сила давления газов ( берется из развернутой индикаторной диаграммы).
Нормальной силы перпендикулярной к оси цилиндра
Силы действующей вдоль шатуна
Нормальной силы действующей вдоль радиуса кривошипа
Тангенциальной силы касательной окружности кривошипа
Данные для построения свернутой и развернутой индикаторной диаграммы.
Таблица 13 продолжение
Кинематический расчет двигателя
После выполнения динамического расчета производится кинематический расчет рассматриваемого двигателя.
Для достижения этой цели в расчетно-пояснительной записке необходимо оформить таблицу значений перемещения скорости и ускорения поршня рассчитанных через 20 градусов поворота коленчатого вала (табл. 14).
При расчете значений для двигателя с центральным кривошипно-шатунным механизмом следует воспользоваться формулами:
- перемещения поршня
Аналогично рассчитываем другие значения и результаты вводим в таблицу 14.
Аналогично рассчитываем другие значения и результаты вводим в таблицу 14
Данные для построения графиков перемещения скорости и ускорения поршня
Таблица 14 продолжение
В результате выполненной работы был произведен тепловой кинематический и динамический расчеты двигателя.
Согласно тепловому расчету с повышением режима эксплуатации двигателя количество сгораемых компонентов растет кроме СО2 и Н2О не изменяется. При расчете процессов все интервалы значений были соблюдены. По результатам расчетов объем двигателя растачивается с 475 до 498.Эвективная мощность не изменяется. Ход поршня не изменен а цилиндр растачивается на 2 мм.
По результатам динамических расчетов была построена свернутая и развернутая индикаторная диаграмма.
По результатам кинематических расчетов определены скорость ускорение и перемещение поршня и построены их графики.
Список использованной литературы
Алексеев И.В. Богданов С.Н. Пришвин С.А. и др. Ч.1. Методика выполнения теплового расчета. Учебное пособие по курсовому проектированию двигателей внутреннего сгорания. М: МАДИ 2004 – 85с.
Артамонов М.Д. Морин М.М. Скворцов Г.А. Основы теории и конструирования автотракторных двигателей. М: Высшая школа 1978 – 134с.
Зейпетдинов Р.А. Дьяков И.Ф. Ярыгин С.В. Проектирование автотракторных двигателей. Учебное пособие. Ульяновск: УлГТУ 2004 – 168с.
Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн.1. Теория рабочих процессов: Учебник для вузов Под.ред. В.Н.Луканина и М.Г.Шатрова. М: Высшая школа 2007 – 479с.
Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. 4-ое издание Под.ред А.С. Орлина М.Г.Круглова. М: Машиностроение 1983 – 372с.
Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей. 4-ое издание Под.ред А.С. Орлина М.Г.Круглова. М: Машиностроение 1985 – 465с.
Лиханов В.А. Деветьяров Р.Р. Расчет двигателей внутреннего сгорания. Учебное пособие. Киров: Вятская ГСХА 2008 – 69с.
Стуканов В.А. Основы теории автомобильных двигателей и автомобилей. Учебное пособие. М: Форум. ИНФРА 2005 – 368с.

диграмма с и р.cdw

АД.190601.068.09.000.001.Д
Свернутая и развернутая
индикаторная диаграмма двигателя
ПГУ им. Т.Г. Шевченко