Курсовий проект - Тепловой и динамический расчет двигателя Д-243

ПЗ к Д-243.docx

2 Технические характеристики двигателя4
Тепловой расчет и построение индикаторной диаграммы5
1 Определение исходных данных для индикаторной диаграммы.5
2. Построение и анализ индикаторной диаграммы8
3 Индикаторные и эффективные показатели двигателя необходимые для теплового расчета.11
Динамический расчет двигателя12
3 Анализ результатов расчета динамики КШМ и определение момента инерции маховика17
Список использованной литературы21
Тепловой расчет выполняется с целью предварительного определения индикаторных показателей рабочего цикла и эффективных показателей проектируемого двигателя. По заданной номинальной мощности и результатам теплового расчета определяется рабочий объем цилиндров. Выполняются динамический расчет расчет на прочность расчет систем двигателя и др. Выполнение теплового расчета при разных исходных данных позволяет оценить влияние на работу двигателя различных конструктивных и эксплуатационных факторов что в совокупности с результатами экспериментальной доводки опытных образцов позволяет разработать рациональную конструкцию двигателя.
Тепловой расчет как правило выполняется для режима номинальной мощности в связи с чем указанный режим называется расчетным. Традиционно внешняя скоростная характеристика двигателя рассчитывалась на базе теплового расчета номинального режима с помощью эмпирических зависимостей с удовлетворительной точностью описывающих закономерности изменения мощностных и экономических показателей двигателя в зависимости от частоты вращения коленчатого вала. Однако в настоящее время в связи с ужесточением требований к тягово – динамическим и экономическим показателям автомобилей и тракторов все большее распространение получают перспективные турбопоршневые двигателя с пологим протеканием кривой удельного эффективного расхода топлива а также двигатели с постоянной мощностью (ДПМ) имеющие высокий коэффициент приспособляемости. В связи с этим для формирования внешней скоростной характеристики
необходимо выполнение многовариантных тепловых расчетов на частичных скоростных режимах что позволит получить предварительную информацию о требуемом характере изменения параметров наддува и в частности о целесообразности применения охладителя наддувочного воздуха.
2 Технические характеристики двигателя
Тип – четырехтактный тихоходный с непосредственным впрыском топлива жидкостного охлаждения без надува.
Диаметр цилиндра мм – 110
Рабочий объем цилиндров двигателя – 475 л
Степень сжатия – 165
Номинальная мощность кВт (л.с.) – 60 (81)
Двигатель Д-243 классифицируется:
) назначение – транспортное
) по конструкции – поршневой
) по расположению цилиндров – рядный
) по числу цилиндров – 4
) по виду топлива – дизельное
) по способу охлаждения – жидкостное
) по способу смесеобразования – внутреннее
) по способу осуществления рабочего цикла – четырехтактный
) по оборотистости двигателя – тихоходный
) по способу воспламенения – сжатие
) по способу наполнения цилиндра воздухом – без наддува
) по объему – средний
Тепловой расчет и построение индикаторной диаграммы
1 Определение исходных данных для индикаторной диаграммы.
В первую очередь находятся параметры состояния газов в цилиндре. Абсолютное давление pi и абсолютная температура Ti в характерных для диаграммы точках: ”а" - конец всасывания "с" - конец сжатия "Z -конец сгорания и ”в” - конец расширения.
Для этого последовательно рассматриваются все элементы рабочего цикла.
) Давление газов в конце впуска
Где: Р0 Т0 - соответственно давление и температура окружающей среды.
Значение и - по заданию.
- соответственно коэффициент наполнения и степень сжатия. Для карбюраторных двигателей 0 75 0 85 для дизелей со свободным впуском0 82 0 95 для дизелей с наддувом 0 90 0 97.
T0 - температура всасываемого заряда с учетом его подогрева при поступлении в цилиндр
T'0=T0 +T=287+15=302 K;
T - подогрев свежего заряда; чем быстроходнее двигатель тем ниже T. Для безнаддувных дизелей T=(10 30) К для дизелей с наддувом T=(5 10) К для карбюраторных двигателей T=(25 40) К.
- давление остаточных газов.
Где: -по заданию частота вращения коленвала двигателя
Где: – соответственно скорость поршня (мс) и ход поршня (м) берутся по заданию. У карбюраторных двигателей Найденное давление в конце свободного впуска легко проверить:
Можно использовать для определения Ра и формулу Петрова:
но только в пределах допустимых оборотов (
При работе дизеля с наддувом в Формулу (I) вместо Р0 и Т0 следует подставлять значения Pк и Тк - давление и температуру воздуха на выходе из компрессора;
где - показатель политропы сжатия в компрессоре. На основании опытных данных НАТИ принимают:
- для турбокомпрессоров с охлаждаемым корпусом;
- для турбокомпрессоров с неохлаждаемым корпусом.
) Температура газов в конце впуска
Где: – температура остаточных газов
- коэффициент остаточных газов
=003 006 для дизелей без наддува
=008 011 для карбюраторных
) Давление конца сжатия:
Где: - показатель политропы сжатия
Зависимость справедлива для
Дизели без наддува:
Показатель политропы сжатия можно находить по формуле Петрова в пределах её применимости:
) Температура в конце такта сжатия:
У дизелей со свободным впуском:
У дизелей с наддувом при
У карбюраторных двигателей:
) Количество газов находящихся в цилиндре в конце процесса сжатия. Теоретическое количество газов необходимое для сгорания 1кг топлива с составом (С Н и О) кгкг
Где: С Н О – Доли соответственно углерода водорода и кислорода в топливе
3 – Массовое содержание кислорода в 1кг воздуха
96 –1кмоля воздуха кгкмоль
Дизельное топливо: С=087 Н=0126 О=0004
Автомобильный бензин: С=0855 Н=0145 О=00
Действительное количество воздуха поступившее в двигатель:
Где: – коэффициент избытка воздуха
У вихрекамерных дизелей у дизелей с пленочным смесеобразованием у дизелей с объемным смесеобразованием у дизелей с наддувом
Остаточные газы в цилиндре к концу такта сжатия:
=0.031= 0026 кгкмоль
Общее количество газов находящихся в цилиндре в конце сжатия:
) Число молей продуктов сгорания 1кг топлива
С учетом остаточных газов количество газов находящихся в цилиндре в конце сгорания
= 0.857 + 0.026 = 0883 кгкмоль
) Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси
) Температура в конце сгорания определяется из уравнения сгорания
Где: – средняя теплоемкость свежего заряда при постоянном объеме
- степень повышения давления при сгорании
- у дизелей с наддувом
- с пленочным смесеобразованием а так же вихрекамерных
- коэффициент использования теплоты топлива
- с неразделенными камерами
- низшая удельная теплота сгорания
– для дизельных топлив
- средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении
После подстановки в уравнение (22) всех найденных параметров оно приводится к виду:
и решается относительно
) Давление в конце сгорания
Для дизелей известны следующие значения:
- при свободном впуске
- Для карбюраторных бензиновых двигателей
г) Процесс расширения
II) Давление в конце расширения
Где: – степень последующего расширения
– показатель политропы расширения может определяться по формуле
) Температура в конце расширения
2. Построение и анализ индикаторной диаграммы
Строится теоретическая индикаторная диаграмма а координатах P-V.
Для этого на оси абсцисс (рис.1) откладывается отрезок отражающий в масштабе длины диаграммы объем камеры сгорания Vc. Этот отрезок принимаем за единицу объема. Далее откладывается на оси абсцисс отрезки отражающие в принятом масштабе соответствующие объемы:
(предпочтительнее принять тогда и
На оси ординат выбрав масштаб давлений проводятся прямые параллельные оси абсцисс. Точки z` и z соединяются прямой параллельной оси абсцисс. Точки с и z` соединяются прямой параллельной оси ординат (построение выполняется тонкими линиями). Точки «а» и «с» соединяются политропой сжатия а точки «z» и «в» политропой расширения. Промежуточные точки на политропах сжатия и расширения определяются из условия что каждому значению на оси абсцисс соответствуют следующие значения давлений:
а) для политропы сжатия: ==0083 МПа
б) для политропы расширения: = МПа
Где: - показатели политроп сжатия и расширения.
Количество расчетных точек для политроп рекомендуется принимать не менее 5 максимальное количество не ограничивается. Однако при выборе точек необходимо интервалы между точками сокращать по мере приближения к ВМТ.
Все расчеты по политропам сжатия и расширения удобно приводить табличным способ
Расчет политроп сжатия и расширения
По заполненной расчетной таблице строятся политропы сжатия расширения. Наносятся скругления (смрис.I) .
Действительное максимальное давление в конце сгорания у карбюраторных двигателей составляет
Определяется площадь диаграммы в (диаграмма на миллиметровке поэтому площадь легко подсчитать) по которой подсчитывается среднее индикаторное давление «» из выражения:
Где: - принятый масштаб давлений (рекомендуется =002МПамм).
При ориентировочных расчетах нижняя граница индикаторной диаграммы берется по линии внешнего атмосферного давления те. часть площади индикаторной диаграммынеучитывается.
Для проверки величина среднего индикаторного давления определяется расчетом по формуле:
Точность построения индикаторной диаграммы оценивается коэффициентом погрешности:
Действительное среднее индикаторное давление равно:
- потеря индикаторного давления на проведение вспомогательных ходов
Y - коэффициент полноты индикаторной диаграммы
для дизеля Y=092 095
у карбюраторных двигателей Y=094 097
Где: - рабочий объем цилиндра
- тактность двигателя
) Литровая мощность двигателя
) Удельная поршневая мощность
Где: – площадь поршня в м2
Современные автотракторные двигатели имеют следующие эффективные показатели:
а) дизельные без наддува
Результаты теплового расчета двигателя заносятся в таблицу которая показана ниже.
Результаты теплового расчета двигателя.
3 Индикаторные и эффективные показатели двигателя необходимые для теплового расчета.
) -плотность на впуске
Среднее эффективное давление
Эффективный удельный расход топлива
Эффективная мощность
Динамический расчет двигателя
Анализ сил действующих в кривошипно-шатунном механизме (КШМ) необходим для расчета деталей двигателя не прочность и определения нагрузок на подшипники. Детали КШМ подвергаются действию следующих сил (см.рис.2): давление газов в цилиндре (Рr)сил инерции возвратно движущихся деталей КШМ () центробежных сил инерции вращающихся масс (Pc) Силами трения пренебрегают. Силы давления газов зависят от протекания рабочего процесса в цилиндре двигателя и определяются по индикаторным диаграммам. Силы инерции зависят от массы деталёй движущихся с переменными скоростями.
1 Определение сил действующих вдоль оси цилиндра на поршневой палец.
На поршневой палец вдоль оси цилиндра действуют силы давления газов Рr и силы инерции возвратно движущихся масс кривошипно шатунного механизма.
I) Силы давления газов определяется по формуле:
Ро - давление окружающей среды МПа.
Px – текущее давление газа по индикаторной диаграмме МПа.
dц -диаметр цилиндра м.
Определение текущего значения давления газов в функции от угла поворота коленчатого вала производится графоаналитическим методом. Для этого под построенной индикаторной диаграммой строится полуокружность радиусом равным половине длины диаграммы () (см.рис.3). Вправо по горизонтали от центра полуокружности откладывается в том же масштабе отрезок равный
Где:r – радиус кривошипа
- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.
Из конца этого отрезка (точка О1) проводится ряд лучей под углами к горизонтали до пересечения с полуокружностью (рекомендуемый интервал 30° ПКВ однако в начале такта расширения следует взять одну промежуточную точку через ПКВ). Проекции концов этих лучей на соответствующие ветви индикаторной диаграммы указывают какие точки рабочего-процесса соответствует тем или иным углам поворота коленчатого вала (ПКВ) а по масштабной шкале оси ординат можно видеть давление в этих точках. Величины давлений «Рx» и подсчитанные по формуле (55) значения газовых сил «Pr» при различных углах поворота коленчатого вала за период рабочего цикла заносятся в таблицу 3.
) Действующая на поршневой палец сила инерции движущихся возвратно поступательно масс кривошипно-шатунного механизма определяется по уравнению;
Где: - масса совершающая возвратно-поступательное движение
- угловая скорость коленчатого вала.
Входящая в уравнение (56) масса движущихся возвратно-поступательно частей кривошипно-шатунного механизма может быть представлена суммой
где - масса поршневого комплекта кг.
Значение масс выбирают ориентируясь на данные двигателей прототипов (см. таблица 1 Приложение 1).
Суммарную силу инерции движущихся возвратно-поступательно масс рассматривают как алгебраическую сумму. .
Силы инерции первого порядка
C периодом изменения - I оборот коленчатого вала и силы инерции второго порядка
период изменения которой равен 05 оборота коленчатого вала.
Значения угловых частот вращения коленчатого вала берутся при номинальном скоростном режиме двигателя т.е.
Силы инерции удобно определять графическим путем.
Для этого (см. рис. 4) в принятом масштабе проводим из общего центра "О” две полуокружности (одну радиусом r1=mr2 другую радиусомr2= r1) Рядлучейпод углами квертикали.
Вертикальные проекции отрезков лучей пересекающих первую окружность дают в принятом масштабе значения сил при соответствующих углах поворота коленчатого вала а проекции отрезков тех же лучей пересекающих вторую окружность значения сил при углах поворота коленчатого вала соответственно вдвое меньших. Через Центр "О" проводим горизонтальную линию и откладываем на ней как на оси абсцисс значения углов поворота коленчатого вала за рабочий цикл (от О до 720°) по точкам пересечения указанных выше проекций с ординатами проходящими через соответствующие значения углов на оси абсцисс строим кривые и . Путем суммирования ординат кривых и получаем кривую результирующей силы инерции .
) Определив силы Рr и находим алгебраическим сложением их результирующую силу действующую на поршневой палец:
Все расчеты по названным выше силам заносятся в таблицу строится сводный график сил действующих на поршневой палец (диаграмму №2). Для этого на оси абсцисс прямоугольных координат откладывается значения углов поворота коленчатого вала за рабочий цикл (от 0 до 720°) в принятом масштабе и строятся кривые сил Рr и и Pрез в принятом масштабе по оси ординат.
Сила считается положительной если она направлена к центру кривошипа и отрицательной если она направлена от центра кривошипа.
2 Определение сил действующих на шатунную шейку
На шатунную шейку действуют две силы:
) Направленная по шатуну сила Рt возникающая под действием результирующей силы Ррез приложенной к поршневому пальцу
) Центробежная сила инерции Pc от вращающихся неуравновешенных масс
Где: - масса вращающихся неуравновешенных частей
-площадь поршня в мм2
- удельная масса неуравновешенном части коленчатого вела без противовесов (см.табл.2 приложения).
) Для подсчета равнодействующей силы действующей на шатунную шейку сила Pc раскладывается на две составляющие
Тангенциальную силу Т перпендикулярную радиусу кривошипа:
Силу Z направленную по радиусу кривошипа
где - угол отклонения оси шатуна от оси цилиндра при повороте коленчатого вала на угол .
Сила Т считается положительной если она совпадает с направлением вращения коленчатого зала и отрицательной если она направлена в противоположную сторону.
Сила Z складывается с центробежной силой Рс если они направлены в одну сторону и вычитается если она направлена к центру кривошипа.
Значения тригонометрических величин входящих в формулу и для разных значений углов поворота коленчатого вала и отношений rlш приведеныв табл. 3 приложения.
Результирующая сила R подсчитывается по формуле;
Полученные значения сил при различных углах поворота коленчатого вала заносятся в расчетную таблицу динамики КШМ форма которой представлена на следующей стаанице ( анализсилдинамики КШМ проводится через 30° ПКВ начиная с 0° до 720° и плюс одна дополнительная точка - 375° ПКВ. При 360°ПКВ анализируются два значения Рх (точки "с" и "z" индикаторной диаграммы).
На основе данных расчетной таблицы динамики КШМ строятся графики (диаграммы №3 и №4)
3 Анализ результатов расчета динамики КШМ и определение момента инерции маховика
При построении графика тангенциальных сил полежителъные значения силы Т откладываются вверх а отрицательные значения вниз Затем определяется средняя ордината тангенциальной силы Т и проводится на графике.
Где: - суммарная площадь всех участков диаграммы расположенных над осью абсцисс мм2
- суммарная площадь участков расположенных под осью абсцисс мм2
- длина диаграммы мм.
Для многоцилиндровых двигателей строится суммарная диаграмма тангенциальных усилий на которой воспроизводится в тонких линиях диаграмма усилий тангенциальных сил развиваемых в каждом из цилиндров затем они графически складываются и полученная кривая суммарной силы обводится жирно.
Для V -образных двигателей суммарная диаграмма тангенциальных сил находится из сложения соответствующих диаграмм цилиндров правого и левого рядов. Возможны два подхода к построению суммарной диаграммы для таких двигателей: первый основан на построении суммарной силы правого и левого цилиндров 4 «завязанных» на одну шейку а затем полученная на одной шейке равнодействующая складывается графически с такими же графиками сил Тп+Л других шеек. По величине проверяется правильность построения суммарной диаграммы тангенциальных сил и выполнение всего динамического расчета двигателя. Построение правильно если
Где: - масштаб сил Т в Нмм принятый по оси ординат;
r - радиус кривошипа м.
- механический КПД двигателя (из теплового расчёта)
На диаграмме суммарной тангенциальной силы откладывается ордината и выявляется участок на котором избыточная площадка имеет максимальное значение
Соответствующая ей избыточная работа равна
Где: - масштаб площадки Нммм2
- масштаб диаграммы по оси абсцисс
По избыточной работе определяется момент инерции маховика способный обеспечить требуемую степень неравномерности вращения коленчатого вала.
У автотракторных двигателей чем больше число цилиндров тем меньше
В ходе выполнение курсовой работы я научился проводить тепловой и динамический расчет двигателей внутреннего сгорания. При выполнении теплового расчета я научился рассчитывать индикаторные и эффективные показатели двигатели а так же с помощью полученных результатов провел построение индикаторной диаграммы. Так же подробно рассмотрел процессы проходящие в цилиндре ДВС научился рассчитывать температуры и давления комплекса последовательных процессов проходящих за один цикл т.е. впуск сжатие сгорание расширение выпуск отработавших газов.
При выполнении динамического расчета я научился строить диаграммы графо-аналитическим методом большинство диаграммы было построено графо-аналитическим методом. При построении диаграмм мы с помощью формул находили одни силы и строили диаграммы а затем с помощью построенных диаграмм находили сумму и получали результирующую силу.
Завершающим этапом курсового проекта было построение диаграммы нагрузки на шейки коленчатого вала. После построения диаграммы нагрузки мы видим как нагружена шейка коленчатого вала при работе двигателя и какие части шейки коленчатого вала остаются без нагрузки. В ненагруженной части можно определить место под сверление масляного канала.
Курсовой проект был очень интересным его выполнение заняло много времени но это время не прошло впустую. Выполнив курсовой проект я очень много интересного узнал для себя.
Сведения о массах шатунно-поршневых комплектов двигателей
Поршневого комплекта
Удельные массы неуравновешенных частей коленчатого вала без противовесов.
Виды коленчатых валов
Конструктивные массы кгм2
Карбюраторные двигатели
Стальной кованый вал со сплошными шейками
Чугунный литой вал с полыми шейками
Примечание. Большие значения относятся двигателю с большим диаметром цилиндра.
Список использованной литературы
)Методические указания по выполнению курсового проекта
)Материалы лекций по «Теории ДВС». Преподаватель Асанбеков К.А.
)«РАСЧЁТ АВТОМОБИЛЬНЫХ И ТРАКТОРНЫХ ДВГАТЕЛЕЙ»
A.И. Колчин В.П. Демидов; М: «Высшая школа» 1995г.

Графическая часть динамического расчёта дизеля Д-243 _ КП.25.03.01.65.00.12 Д.cdw

Диаграмма сил инерции
График силы Т одного цилиндра
-цилиндрового двигателя
действующей на шатунную шейку
Полярная диаграмма силы R
Диаграмма износа шатунной шейки
динамического расчёта
КП.25.03.01.65.00.16 Д

Индикаторная диаграмма и расчет двигателя Д-243 _ КП.25.03.01.65.00.12 Д.cdw

Индикаторная диаграмма
Индикаторная диаграмма и расчет
КП.23.05.01.65.00.16 Д
Результаты теплового расчета
Тактико-технические характеристики
Количество цилиндров
Максимальный крутящий момент
Диаметр цилиндровход поршня
Номинальная мощность

титульник двс.docx

Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Уральский федеральный университет имени первого Президента России
Кафедра: Подъемно-транспортных машин и роботов
«Тепловой и динамический расчет