Дизельный двигатель 100 кВт с системой турбонаддува для легкового автомобиля

006 Егоров Тепловой расчет.docx

Тепловой расчёт позволяет с достаточной степенью точности аналитическим путём определить основные параметры проектируемого двигателя а также проверить степень совершенства действительного рабочего цикла реально существующего двигателя.
Прототипом для дипломной работы является двигатель ЗМЗ-5143
Расчет производиться на четырех режимах работы:
n1=1000 мин-1 n2=1800 мин-1 n3=3000мин-1nN = 4000 мин –1
В соответствии с заданной степенью сжатия = 16 выбираю основным топливом – дизельное:
- для работы в летних условиях – марки ДЛ;
- для работы в зимних условиях – марки ДЗ.
Основным показателем дизельного топлива является цетановое число которое в первую очередь определяет способность топлива к самовоспламенению что является необходимым условием работы двигателя с воспламенением от сжатия. Цетановое число топлива – не менее 45 [1 с.44].
Средний элементарный состав топлива [1 с.48]
где С Н О – углерод водород кислород соответственно.
Низшая теплота сгорания топлива
Под низшей теплотой сгорания понимается количество теплоты которое выделяется при полном сгорания топлива но без учета теплоты конденсации водяного пара.
Если известен элементарный состав жидкого топлива то для приближен -ного определения его низшей теплоты сгорания обычно пользуются формулой Д. И. Менделеева
где W – количество водяных паров в продуктах сгорания массовой или объемной единицы топлива.
Параметры рабочего тела
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива
Для полного сгорания массовой или объемной единицы топлива необходимо вполне определенное количество воздуха которое определяется по элементарному составу топлива
кмоль возд.кг топл [1 с.48] (11)
кг возд.кг топл [1 с.48] (12)
где L0 – теоретически необходимое количество воздуха в кмоль для сгорания 1 кг топлива кмоль возд.кг топл.;
3 – массовое содержание кислорода в 1 кг воздуха;
08 – объемное содержание кислорода в 1 кмоль воздуха;
Коэффициент избытка воздуха
Уменьшение коэффициента избытка воздуха до возможных пределов уменьшает размеры цилиндра и следовательно повышает литровую мощность дизеля но одновременно с этим значительно возрастает теплонапряженность двигателя особенно деталей поршневой группы увеличивается дымность выпускных газов. Принимаю
т.к. двигатель выполнен на базе бензинового [1 с.49].
Количество свежего заряда
кмоль св. зар.кг топл [1 с.50] (13)
где – коэффициент избытка воздуха;
Количество отдельных компонентов продуктов сгорания
В продуктах сгорания находятся следующие компоненты:
СО – окись углерода; Н2О – вода; СО2 – углекислый газ; N2 – азот; Н2 – водород.
а) Количество углекислого газа
в) Количество кислорода
кмоль О2кг топл. [1 с.50] (14)
г) Количество азота
кмоль N2кг топл. [1 с.50] (15)
Общее количество продуктов сгорания
кмоль пр. сг.кг топл [1 с.51] (16)
Расчет проводим при помощи ЭВМ полученные данные заносим в таблицу 4
Таблица 3. Параметры газов
кмоль св. зар.кг топл
кмоль пр. сг.кг топл
Общие параметры окружающей среды
Атмосферные условия
Давление за охладителем компрессора (давление наддува)
Давление за компрессором
где охл – коэффициент сохранения полного давления на участке включающем охладитель.
охл =095 097 принимаю охл =097
Температура после компрессора
где – степень повышения давления;
– показатель политропы сжатия компрессора.
где р1 – давление воздуха перед компрессором.
где 0 – коэффициент сохранения полного давления на участке до компрессора.
=096 098 принимаю 0 =098
– в зависимости от степени сжатия = 16 и вида компрессора – осевой и центробежный принимаю из установленных пределов
Температура после компрессора с учетом охладителя
где Е – тепловая эффективность охладителя надувочного воздуха.
Тохлажд. агента = Т0 т.к. охлаждающий агент воздух
Принимаю Е из установленных пределов Е=075 085 Е=08
Температура и давление остаточных газов
В зависимости от степени сжатия = 16 принимаю из установленных пределов
Температура подогрева свежего заряда
В зависимости от степени сжатия и вида компрессора принимаю из пределов [1 с.67]:
Плотность заряда на впуске
где– 287 Дж(кгград) – удельная газовая постоянная для воздуха [2с.68].
Потери давления на впуске
где – коэффициент затухания скорости движения заряда
– коэффициент сопротивления впускной системы
– средняя скорость движения заряда
В зависимости от степени сжатия = 16 определяю давление на впуске для дизельных двигателей с турбокомпрессором принимаю . В соответствие со скоростным режимом двигателя [1 с.67].
Давление в конце впуска
Коэффициент остаточных газов
Температура в конце впуска
Коэффициент наполнения
Расчет проводим при помощи ЭВМ полученные данные заносим в таблицу 5.
Таблица 4 . Параметры окружающей среды и процесс впуска
Средние показатели адиабаты и политропы сжатия
При работе дизеля на номинальном режиме можно с достаточной степенью точности принять показатель политропы сжатия приблизительно равным показателю адиабаты который определяется по номограмме рис. 4.4 [1 с.73].
Давление и температура в конце сжатия:
Средняя мольная теплоёмкость в конце сжатия:
б) Остаточных газов:
Определяется по табл. 3.9 [1с.60] методом интерполяции
кДж(кмоль град.) [1с.74] (28)
Расчет проводим при помощи ЭВМ полученные данные заносим в таблицу 6.
Таблица 5. Процесс сжатия
Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси
Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси
Теплота сгорания рабочей смеси
кДжкмоль· раб. см [1с.59] (31)
Средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания
Коэффициент использования теплоты
В связи с увеличением теплонапряженности двигателя и создания более благоприятных условий для протекания процесса сгорания принимаем [1с.76]:
Степень повышения давления
Так как для уменьшения газовых нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма целесообразно иметь максимальное давление сгорания не выше 11-12 МПа [1с.77] принимаем по рекомендациям:
λ=125λ=155λ=205λ=205
Температура в конце видимого процесса сгорания
Максимальное давление сгорания
Действительное давление сгорания
Степень предварительного расширения
Степень последующего расширения
Средние показатели адиабаты и политропы расширения
С учетом того что показатель адиабаты расширения практически не отличается от показателя политропы расширения т. к. достаточно большие размеры цилиндра принимаем его по номограмме [1с.83 рис. 4.9].
Давление и температура в конце расширения
Проверка ранее принятой температуры остаточных газов
Расчет проводим при помощи ЭВМ полученные данные заносим в таблицу 7.
Таблица 6. Процесс сгорания расширения и выпуска
Индикаторные параметры рабочего тела
Теоретическое среднее индикаторное давление
Среднее индикаторное давление
где – коэффициент полноты диаграммы
принимаю – для дизелей.
Индикаторный коэффициент полезного действия
Индикаторный удельный расход топлива
Основные параметры цилиндра двигателя
Расчет проводим на номинальном режиме работы
Среднее давление механических потерь
где – средняя скорость поршня.
Принимаем – для дизелей.
Среднее эффективное давление
Среднее эффективное давление представляет собой отношение эффективной работы на валу двигателя к единице рабочего объема цилиндра. В расчетах двигателей определяется по среднему индикаторному давлению
С ростом среднего эффективного давления улучшаются условия использования рабочего объема цилиндра что дает возможность создавать более легкие и компактные двигатели.
По эффективной мощности частоте вращения коленчатого вала и эффективному давлению определяется литраж двигателя
Рабочий объём цилиндра
Окончательно принимаю D=87 мм S=94 мм.
Средняя скорость поршня
Эффективные показатели двигателя
Механический коэффициент полезного действия
Величина механического КПД возрастает с уменьшением потерь на трение и на привод вспомогательных механизмов а также с увеличением нагрузки до определенных пределов.
Эффективный коэффициент полезного действия
Эффективный КПД двигателя характеризует степень использования теплоты топлива в двигателе с учетом всех потерь – тепловых и механических.
Эффективный удельный расход топлива
Эффективная мощность
Эффективный крутящий момент
Часовой расход топлива
Литровая мощность двигателя
Расчет проводим при помощи ЭВМ полученные данные заносим в таблицы 8 и 9.
Таблица 7. Индикаторные и эффективные показатели
Таблица 8. Внешняя скоростная характеристика
По данным таблиц 8 и 9 стоим графики внешней скоростной характеристики двигателя и теплового расчета
Общее количество теплоты введенной в двигатель с топливом для дизелей
Теплота эквивалентная эффективной работе за 1 с
Теплота передаваемая окружающей среде
где С – коэффициент пропорциональности принимаю С=053 [1с.141] ;
D – диаметр цилиндра см;
m – показатель степени принимаю m=068 [1с.141];
Теплота унесенная с отработавшими газами а также использованная на привод газовой турбины
кДж(кмоль град.) определяется по табл. 3.9 [1 с.61] методом интерполяции при α=16 и tr=Tr – 273 =748 – 273 =475 ºC
кДж(кмоль град.) - определяется по табл. 3.6 (графа «Воздух») [1 c. 58] методом интерполяции tк=Tк – 273 =309 – 273 =35 ºC
Неуточнённые потери теплоты
Полученные значения заносим в таблицу
Таблица 9 Тепловой баланс двигателя
Составляющая теплого баланса
Теплота эквивалентная эффективной работе
Теплота передаваемая охлаждающей среде
Теплота унесенная с отработавшими газами
Неуточненные потери теплоты
Общее количество теплоты введенной в двигатель с топливом
В ходе теплового расчета были определены параметры рабочего цикла проектируемого двигателя на номинальном режиме определена топливная экономичность двигателя среднее индикаторное давление.
По результатам теплового расчета построена внешняя скоростная характеристика. Из которой следует что проектируемый двигатель имеет хорошую топливную экономичность (минимальный удельный эффективный расход топлива ge = 205 гкВт ч) хорошие энергетические показатели (максимальная эффективная мощность составляет 1009 кВт).
На основании заданной мощности определены размеры цилиндра. Принято для проектируемого двигателя S = 87 мм D = 94 мм рабочий объем двигателя 2235 л.

008 Егоров Динамический расчет.docx

1.3 Динамический расчет
Построение расчётной индикаторной диаграммы
Объём камеры сгорания:
полный объём цилиндра:
Va = Vc+Vhсм 3 [1с.96] (66)
Va = 37+560 = 597 см 3
Определение масштабов давлений и объёмов
Масштабы выбираем с тем условием чтобы высота индикаторной диаграммы составляла 14 её длины.
где – длина индикаторной диаграммы по высоте
где – длина индикаторной диаграммы по ширине.
Определение переходных точек диаграммы
Координаты точки z':
где АВ – ширина диаграммы
Координаты точки b’:
Проводим координатные оси. По оси абсцисс откладываем в заданном масштабе объемы ( и ). По оси ординат откладываем в заданном масштабе давления. Пересечение перпендикуляров соответствующих объемов и давлений строим переходные точки процесса. Прямыми отрезками соединяем крайние точки процессов происходящих при р=const и V=const.
Определение промежуточных точек политроп сжатия и расширения
С помощью ЭВМ строим промежуточные точки политроп сжатия и расширения
Таблица 10. Промежуточные точки политроп сжатия и расширения
Политропа расширения
Положение точки рс’’
Кинематика двигателя
Выбор λ и длины шатуна
где LШ – длина шатуна LШ = 148 мм – по параметрам прототипа.
Угловая скорость вращения коленчатого вала
Точки от 180 –360 имеют зеркальное отражение
Точки от 180 –360 имеют зеркальное отражение.
Расчет проводим при помощи ЭВМ полученные данные заносим в таблицу 11.
Таблица 11 Кинематика двигателя
Силы действующие на поршень
В динамическом расчёте определяют Р – суммарную силу действующую на поршень (движущие усилия) отнесённую к 1 м 2 площади поршня (для одного цилиндра) и суммарное касательное усилие отнесённое к 1 м 2 площади поршня (для всего двигателя). Силы определяемые в динамическом расчете:
N – сила прижимающая поршень к цилиндру;
К – сила направленная по кривошипу и вызывающая сжатие или расширение шеек коленчатого вала (при этом необходимо ещё определить и центробежную силу масс приведённых к шатунной шейке)
При работе двигателя сила движущая поршень будет в любой момент определяться (отнесённая к 1 м2 площади поршня).
В состав этой силы входят:
РГ – давление газов;
РО – давление картерных газов действующих на поршень снизу;
Рj – сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс.
Построение диаграммы движущих усилий
Перестроение индикаторной диаграммы в развернутую индикаторную диаграмму
По данным из таблицы 1 и раздела 1 строим развернутую индикаторную диаграмму.
Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма
Массы поршневой группы шатуна и неуравновешенные части одного колена вала без противовеса определяю методом интерполяции по таблице [1таб.8.1с.166] в зависимости от диаметра цилиндра и типа двигателя. Принимаю для поршня для шатуна
Неуравновешенные части одного колена вала без противовеса
Масса поршневой группы
Масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов
Определение массы шатуна сосредоточенной на оси поршневого пальца.
Масса шатуна сосредоточенная на оси поршневого пальца которая равна 275% от .
Масса шатуна сосредоточенная на оси кривошипа
Массы совершающие возвратно-поступательное движение.
Массы совершающие вращательное движение
Удельные и полные силы инерции
Удельная сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс
Далее записываем в таблицу значения для каждого угла поворота кв
Центробежная сила инерции вращающихся масс
Центробежная сила инерции вращающихся масс шатуна
Центробежная сила инерции вращающихся масс кривошипа
Удельные суммарные силы
Удельная сила сосредоточенная на оси поршневого пальца
Удельная нормальная сила
где - угол отклонения оси шатуна от оси цилиндра
Удельная сила действующая вдоль шатуна
Удельная и полная сила действующая по радиусу кривошипа
Удельная и полная тангенциальная сила
Расчеты проводим с помощью ЭВМ результаты заносим в таблицу 12
Таблица 12 Удельные и полные суммарные силы.
Продолжение таблицы 12
По полученным данным строим среднюю удельную тангенциальную силу
По площади заключенной под кривой рТ
Период изменения крутящего момента четырехтактного двигателя с равными интервалами между вспышками
Суммарный кутящий момент
Крутящий момент одного цилиндра
Расчет и суммирование значений крутящих моментов всех четырех цилиндров осуществляется с помощью ЭВМ. Полученные данные заносятся в таблицу 14 в которой суммируем значения крутящих моментов всех цилиндров двигателя через каждые 10 º угла поворота коленчатого вала.
По данным таблицы 13 строим диаграмму суммарного крутящего момента двигателя.
Таблица 13. Суммарный крутящий момент двигателя
Средний крутящий момент двигателя
По данным теплового расчета
По площади заключенной под кривой Мкр
где ММ – масштаб крутящего момента;
ОА – длина диаграммы крутящего момента; ОА=120мм
Погрешность построения
Максимальный и минимальный крутящие моменты двигателя
Равномерность крутящего момента
Избыточная работа крутящего момента
где Fabc – площадь над прямой среднего крутящего момента мм2;
Mφ – масштаб угла поворота коленчатого вала на диаграмме.
Силы действующие на шатунную шейку коленчатого вала.
Суммарная сила действующая на шатунную шейку по радиусу кривошипа
Результирующая сила действующая на шатунную шейку.
Построение полярной диаграммы сил действующих на шатунную шейку.
Для построения полярной диаграммы сил действующих на шатунную шейку коленчатого вала с помощью ЭВМ производим расчет суммарной силы действующей на шатунную шейку по радиусу кривошипа а также результирующей силы действующей на шатунную шейку через каждые 10 º угла поворота коленчатого вала.
Силы действующие на колено вала
Суммарная сила действующая на колено вала по радиусу кривошипа
Результирующая сила действующая на колено вала
Расчет значений суммарной силы действующей на колено вала по радиусу кривошипа и результирующей силы действующей на колено вала осуществляется с помощью ЭВМ. Полученные данные заносятся в таблицу 14
Таблица 14. Полные силы действующие на шатунную шейку
Продолжение таблицы 14.
Средняя максимальная и минимальная силы действующие на шатунную шейку
где МT – масштаб диаграммы силы действующей на шатунную шейку;
ОА – длина диаграммы крутящего момента; ОА=480мм.
Силы действующие на коренные шейки
Проекции сил действующих на проекции Т и К i-го кривошипа
где γк – угол между кривошипами i и (i+1)-го цилиндров
Нагрузки на 1-ю и 2-ю коренные шейки равны нагрузкам действующим на 5-ю и 4-ю шейки но смещены на 360 º.
Полученные данные заносим в таблицу 15
Средняя максимальная и минимальная силы действующие на наиболее нагруженную коренную шейку
В четырехцилиндровом двигателе полностью уравновешены силы инерции первого а также центробежные силы. В целях разгрузки коренных шеек от местных инерционных сил целесообразно установить противовесы на продолжении щек прилегающих к ним.
Параметры противовеса
В целях экономии материала коленчатого вала принимаем силу действующую со стороны противовеса Рпр3=Рпр4=-8 кН. Из прототипа принимаем расстояние до центра тяжести ρ=35 мм расстояние между центром коренной шейки и центром противовеса l1=845 мм расстояние между центрами коренных шеек l=113 мм. Следовательно сила инерции одного противовеса:
Таблица 15 Силы действующие на коренную шейку
Продолжение таблицы 15
Суммарная сила действующая на колено вала по радиусу кривошипа с учетом противовеса
Проекции сил действующих на проекции Т и К i-го кривошипа с учетом противовесов
Определяем по формулам (112) и (113). Нагрузки на 1-ю и 2-ю коренные шейки равны нагрузкам действующим на 5-ю и 4-ю шейки но смещены на 360 º. Расчет значений осуществляется с помощью ЭВМ. Полученные данные заносятся в таблицу 16 Наиболее нагруженной является 3 шейка.
Средняя максимальная и минимальная силы действующие на наиболее нагруженную коренную шейку с учетом противовесов
Таблица 16. Силы действующие на коренную шейку
Продолжение таблицы 16.
Продолжение таблицы 16
Равномерность хода двигателя
Колебание угловой частоты при установившемся режиме работы двигателя вследствие неравномерности крутящего момента характеризуется коэффициентом неравномерности хода. Для автомобильного двигателя принимаем
Момент инерции движущихся масс двигателя приведенных к оси коленчатого вала

002 Егоров Тепловой.cdw

Дизель мощностью 100 кВт для
легкового автомобля повышенной
проходимости с разработкой
системы турбонаддува с РСА
МГТУМАМИ.140501.002 ГР

003 Егоров Динамический 1.cdw

МГТУМАМИ.140501.003 ГР
Дизель мощностью 100 кВт для
легкового автомобля повышенной
проходимости с разработкой
системы турбонаддува с РСА