Тепловой расчет двигателя на номинальном режиме работы

Задание на курсовой проект

 

 

Тепловой и динамический расчет двигателя

 

Исходные данные:	Назначение двигателя………………………………. тракторный
Тип двигателя…………………………... дизельный без наддува
Тактность двигателя……………………..……. четырехтактный
Номинальная эффективная мощность двигателя, Nе …100 кВт
Номинальная частота вращения коленчатого вала2600 об/мин
Число цилиндров………………………………………………..2
Расположение цилиндров……………………………….. рядное
Разработать:	1) Пояснительную записку;
2) Построить кривую динамических показателей
3) Построить кривую кинематических показателей

 

 

Руководитель Наумов С.А.

Дата выдачи задания «____»__________ 2013 г.

 

Исполнитель

студент группы

Дата защиты работы«____»__________ 2013 г.

Аннотация

 

 

Пояснительная записка содержит 35 страниц, в том числе 4 таблицы, 3 источника использованной литературы. Графическая часть выполнена на 2 листах формата А1.

В данном проекте изложен процесс освоения теплового и динамического расчета двигателя внутреннего сгорания.Выработка умения составлять текстовую часть конструкторской документации; закрепление и углубление знаний, полученных в процессе изучения общетехнических дисциплин.

 

 

Содержание

 

 

Введение………………………………………………………………...……….....
	Тепловой расчет двигателя на номинальном режиме работы….….……
1.1	Расчет процессов газообмена…….…..…………………………………...
1.2	Расчет процесса сжатия….………………………………………………..
1.3	Расчет процесса сгорания…………………………………………...........
1.3.1	Термохимический расчет процесса сгорания ……………………………
1.3.2	Термодинамический расчет процесса сгорания …………………………
1.4	Расчет процесса расширения…………………...………………………….
1.5	Расчет показателей рабочего цикла двигателя......………………………
1.5.1	Индикаторные показатели цикла……………………...………………….
1.5.2	Эффективные показатели цикла ……...…………………………………..
1.5.3	Основные размеры двигателя………………………………......................
1.6	Построение индикаторной диаграммы…………………………………..
1.6.1	Выбор масштабов ………….………………………………………………
1.6.2	Характерные линии и точки ………………………….…………………..
1.6.3	Построение политроп сжатия и расширения …………………………….
1.6.4	Скругления индикаторной диаграммы…………………………………..
	Кинематика и динамика КШМ…………………………………………...
2.1	Расчет кинематических параметров КШМ.……………………………..
2.1.1	Перемещение поршня ……………………..………………………………
2.1.2	Скорость поршня ………………………………………………...………..
2.1.3	Ускорение поршня…………………………...……………………………
2.2	Динамический расчет кривошипно – шатунного механизма…….….....
2.2.1	Силы давления газов ………………………………..…………………….
2.2.2	Приведение масс частей кривошипно – шатунного механизма………..
2.2.3	Силы инерции………………………………………………………………
2.2.4	Суммарные силы, действующие в кривошипно – шатунном механизме…………………………………………………………………..
2.2.5	Диаграмма суммарного крутящего момента ….…….…………………..
Заключение…………………………………………………………………………
Список использованных источников………………………………………..……

 

 

Введение

 

 

Прогресс в автомобильной и тракторной промышленности, дальнейшее увеличение грузооборота автомобильного транспорта, значительное расширение тракторного парка в сельском хозяйстве предусматривает не только количественный рост автотракторного парка, но и значительное улучшение использования имеющихся автомобилей и тракторов, повышение культуры их эксплуатации, увеличение межремонтных сроков.

В области развития и совершенствования автомобильных и тракторных двигателей основными задачами на современном этапе являются: расширение использования дизелей, снижение топливной экономичности и удельной массы двигателей, стоимости их производства и эксплуатации. Значительно больше внимания уделяется использованию электронно – вычислительных машин пи расчетах и испытаниях двигателей. Намечаются пути использования вычислительной техники непосредственно в конструкции двигателей и в первую очередь в конструкции дизелей.

Выполнение этих задач требует от специалистов, связанных с производством и эксплуатацией автомобильных и тракторных двигателей, глубоких знаний теории, конструкции и расчета двигателей внутреннего сгорания.

Применение двигателей внутреннего сгорания во всех областях народного хозяйства и в самых различных условиях способствует разнообразию конструктивных форм и масштабов их производства. В соответствии с этими особенностями двигателестроения весьма различны и применяемые материалы и технология производства двигателей. Однако только наиболее простые и тяжелые тихоходные стационарные и судовые двигатели, выпускаемые относительно малыми сериями, выполняются в основном в пределах 3 – го класса точности с применением рядовых материалов. В крупносерийном производстве, особенно двигателей специального назначения, применяются качественные материалы с обработкой ряда деталей даже по 1 – му классу точности. Массовое производство транспортных быстроходных двигателей также требует высокой культуры производства (не ниже 2 – го класса точности).

Общие направления двигателестроения – повышение быстроходности, увеличение напряженности, связанное со снижением веса – естественно выдвигают все более высокие требования как к качеству материалов, так и к технологии производства, что является стимулом их дальнейшего улучшения.

Таким образом, интенсивно развивающееся двигателестроение относится к группе производств машин высокой точности, что и определяет прогрессивный характер данной отрасли.

Исходным материалом для проектирования новой машины служит проектное задание, содержащее технические требования, которым должны удовлетворять основные показатели работы новой машины.

Общие требования, которые предъявляются при создании нового двигателя заданной мощности и числа оборотов, сводятся к обеспечению наименьшего веса и габаритов, наибольшей экономичности, наибольшей надежности и увеличения срока службы, наибольшей простоты конструкции и дешевизны производства и эксплуатации, безопасности и удобства обслуживания.

Одновременное удовлетворение этих требований представляет значительные трудности, так как отдельные требования находятся в некотором противоречии между собой.

Так, например, необходимость достижения минимального веса не всегда увязывается с требованием наибольшей экономичности вследствие того, что максимальная мощность двигателя с внешним смесеобразованием получается при несовершенном сгорании топлива. Необходимость получения минимального веса не увязывается и с требованием наибольшего сока службы, так как высоконапряженные двигатели с малым удельным весом естественно подвержены большему износу.

Для создания легкого двигателя необходимо применять качественные материалы и обеспечит высокую точность изготовления, что приводит к удорожанию производства и эксплуатации. Требование повышения экономичности, кроме того, связано с проблемой снабжения топливом. Так, например, для карбюраторного двигателя удовлетворение этого требования определяется в основном повышением степени сжатия и, соответственно, применением топлива с более высоким октановым числом. Вопрос об экономичности двигателя следует рассматривать не только в отношении величины удельного расхода топлива, но также с учетом ресурсов данного топлива, возможностей и трудностей его производства. Высокая ценность топлив, применяемых в двигателях внутреннего сгорания, определяет необходимость тщательного выбора наиболее рационального топлива, а в некоторых случаях перед конструктором встает вопрос создания двигателя, который мог бы работать, например, на жидких топливах различных сортов или даже, при условии смены некоторых деталей, работать на газообразном топливе вместо жидкого (конвертивные двигатели).

Следует отметить, что массовый характер производства двигателей для наземного транспорта обеспечивает их относительную дешевизну даже при необходимой сложности конструкции, применении качественных материалов и высокой точности обработки деталей.

 

Расчет процессов газообмена

 

Так как по заданию двигатель работает без наддува, то в качестве исходного заряда на впуске принимается давление и температура окружающей среды, ⁰К, МПа:

(1)

(2)

 

Определим плотность заряда на впуске, ρ_к, кг/м³:

 

(3)

,

 

где: R – газовая постоянная;

 

 

 

Определим давление остаточных газов, p_rн, МПа:

(4)

 

 

В соответствии с заданием принимаем температуру остаточных газов равной, Т_r, К:

 

 

Определим температуру подогрева свежего заряда, Δ Т_н, К:

 

 

Определим давление рабочего тела в конце впуска, р_а, МПа:

(5)

,

где: Δ р_а – потери давления во впускной системе;

 

Определим потери давления во впускной системе, Δ р_а, МПа:

 

(6)

,

 

где: β – коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра;

ξ_вп – коэффициент сопротивления впускной системы;

ω_вп – средняя за процесс впуска скорость движения смеси в наименьшем сечении впускной системы, м/с;

ρ_к – плотность заряда на впуске, кг/м³;

 

 

 

Определим коэффициент остаточных газов, γ_r:

 

(7)

,

 

где: ε – степень сжатия;

φ_доз – коэффициент дозарядки;

 

 

На номинальном режиме работы величина γ_r для дизелей должна находиться в пределах 0,02…0,05.

Определим температуру в конце впуска, Т_а, К:

 

(8)

 

 

Величина Т_а согласно статистическим данным при работе дизеля без наддува на номинальном режиме работы должна быть в пределах 330 – 400 К.

Определим коэффициент наполнения, η_v:

 

(9)

 

 

Значение коэффициента наполнения η_v при работе дизеля без наддува на номинальном режиме находится в пределах 0,82 – 0,92.

 

 

Расчет процесса сжатия

 

 

Определим давление в конце процесса сжатия, р_с, МПа:

 

(10)

,

 

где: п₁ – показатель политропы сжатия;

 

 

Определим температуру в конце процесса сжатия, Т_с, К:

(11)

 

Расчет процесса сгорания

 

 

1.3.1 Термохимический расчет процесса сгорания

 

Определим количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг жидкого топлива, в массовых единицах, l_o, кг_{воздуха}/кг_{топлива}:

(12)

 

 

Определим количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг жидкого топлива, в объемных единицах, L_o, кмоль/кг_{топлива}:

(13)

 

 

Определим количество заряда, находящегося в цилиндре в конце сжатия, М_с, кмоль/кг:

(14)

,

 

где: М₁ – количество свежего заряда, находящегося в цилиндре, кмоль/кг;

М_r –количество остаточных газов в цилиндре, кмоль/кг;

 

Определим количество свежего заряда, находящегося в цилиндре дизеля, М₁, кмоль/кг:

(15)

,

 

где: α – коэффициент избытка воздуха;

 

 

Определим количество остаточных газов в цилиндре, М_r, кмоль/кг:

(16)

 

 

 

Определим количество заряда, находящегося в цилиндре к концу процесса сгорания, M_z, кмоль/кг:

(17)

,

 

где: М₂ – количество продуктов сгорания, образующихся при сгорании 1 кг жидкого топлива, кмоль/кг;

 

Определим количество продуктов сгорания, образующихся при сгорании 1 кг жидкого топлива, М₂, кмоль/кг:

 

(18)

 

 

 

Определим химический коэффициент молекулярного изменения, μ_д:

 

(19)

 

 

 

1.3.2 Термодинамический расчет процесса сгорания

 

 

Определим теплоемкость заряда в зависимости от температуры конца сжатия, μ_cvс, кДж/(кмоль·К):

(20)

 

 

Определим теплоемкость продуктов сгорания, μ_cvz, кДж/(кмоль·К):

 

(21)

,

 

где: Т_z – температура продуктов сгорания;

 

Определим потери теплоты из – за химической неполноты сгорания богатых смесей, Δ Q_н, кДж/кг:

(22)

 

 

Определим температуру в конце процесса сгорания, Т_z, К:

 

(23)

,

 

где: a,b,c – коэффициенты;

 

Определим коэффициент а:

 

(24)

 

 

Определим коэффициент b:

 

(25)

 

 

Определим коэффициент с:

 

(26)

,

 

где: ξ – коэффициент использования теплоты;

Q_н – низшая теплота сгорания топлива;

λ – степень повышения давления;

 

 

 

 

Определим давление газов в конце сгорания, р_z, МПа:

(27)

 

 

Определим степень предварительного расширения, ρ:

 

(28)

 

 

 

Расчет процесса расширения

 

 

Определим степень последующего расширения, δ:

 

(29)

 

 

Определим давление в конце процесса расширения, p_b, МПа:

(30)

,

 

где: п₂ – показатель политропы;

 

 

Определим значение температуры в конце процесса расширения, Т_b, К:

 

(31)

 

 

Осуществим проверку ранее принятой температуры остаточных газов, T_r:

 

(32)

 

 

Определим величину погрешности, Δ Т_r, %:

 

(33)

 

 

Расчетное значение температуры отличается от выбранного менее чем на 5%, следовательно значения Т_r и р_r выбраны верно.

 

 

Кинематика и динамика КШМ

 

 

Заключение

 

 

Результатом выполнения курсового проекта стало закрепление и конкретизация знаний по специальности, умение выполнять тепловой и динамический расчет двигателя внутреннего сгорания.

Проведя необходимый расчет, можно сделать вывод, что данный двигатель внутреннего сгорания полностью подходит для использования его в реальности.

 

Задание на курсовой проект

 

 

Тепловой и динамический расчет двигателя

 

Исходные данные:	Назначение двигателя………………………………. тракторный
Тип двигателя…………………………... дизельный без наддува
Тактность двигателя……………………..……. четырехтактный
Номинальная эффективная мощность двигателя, Nе …100 кВт
Номинальная частота вращения коленчатого вала2600 об/мин
Число цилиндров………………………………………………..2
Расположение цилиндров……………………………….. рядное
Разработать:	1) Пояснительную записку;
2) Построить кривую динамических показателей
3) Построить кривую кинематических показателей

 

 

Руководитель Наумов С.А.

Дата выдачи задания «____»__________ 2013 г.

 

Исполнитель

студент группы

Дата защиты работы«____»__________ 2013 г.

Аннотация

 

 

Пояснительная записка содержит 35 страниц, в том числе 4 таблицы, 3 источника использованной литературы. Графическая часть выполнена на 2 листах формата А1.

В данном проекте изложен процесс освоения теплового и динамического расчета двигателя внутреннего сгорания.Выработка умения составлять текстовую часть конструкторской документации; закрепление и углубление знаний, полученных в процессе изучения общетехнических дисциплин.

 

 

Содержание

 

 

Введение………………………………………………………………...……….....
	Тепловой расчет двигателя на номинальном режиме работы….….……
1.1	Расчет процессов газообмена…….…..…………………………………...
1.2	Расчет процесса сжатия….………………………………………………..
1.3	Расчет процесса сгорания…………………………………………...........
1.3.1	Термохимический расчет процесса сгорания ……………………………
1.3.2	Термодинамический расчет процесса сгорания …………………………
1.4	Расчет процесса расширения…………………...………………………….
1.5	Расчет показателей рабочего цикла двигателя......………………………
1.5.1	Индикаторные показатели цикла……………………...………………….
1.5.2	Эффективные показатели цикла ……...…………………………………..
1.5.3	Основные размеры двигателя………………………………......................
1.6	Построение индикаторной диаграммы…………………………………..
1.6.1	Выбор масштабов ………….………………………………………………
1.6.2	Характерные линии и точки ………………………….…………………..
1.6.3	Построение политроп сжатия и расширения …………………………….
1.6.4	Скругления индикаторной диаграммы…………………………………..
	Кинематика и динамика КШМ…………………………………………...
2.1	Расчет кинематических параметров КШМ.……………………………..
2.1.1	Перемещение поршня ……………………..………………………………
2.1.2	Скорость поршня ………………………………………………...………..
2.1.3	Ускорение поршня…………………………...……………………………
2.2	Динамический расчет кривошипно – шатунного механизма…….….....
2.2.1	Силы давления газов ………………………………..…………………….
2.2.2	Приведение масс частей кривошипно – шатунного механизма………..
2.2.3	Силы инерции………………………………………………………………
2.2.4	Суммарные силы, действующие в кривошипно – шатунном механизме…………………………………………………………………..
2.2.5	Диаграмма суммарного крутящего момента ….…….…………………..
Заключение…………………………………………………………………………
Список использованных источников………………………………………..……

 

 

Введение

 

 

Прогресс в автомобильной и тракторной промышленности, дальнейшее увеличение грузооборота автомобильного транспорта, значительное расширение тракторного парка в сельском хозяйстве предусматривает не только количественный рост автотракторного парка, но и значительное улучшение использования имеющихся автомобилей и тракторов, повышение культуры их эксплуатации, увеличение межремонтных сроков.

В области развития и совершенствования автомобильных и тракторных двигателей основными задачами на современном этапе являются: расширение использования дизелей, снижение топливной экономичности и удельной массы двигателей, стоимости их производства и эксплуатации. Значительно больше внимания уделяется использованию электронно – вычислительных машин пи расчетах и испытаниях двигателей. Намечаются пути использования вычислительной техники непосредственно в конструкции двигателей и в первую очередь в конструкции дизелей.

Выполнение этих задач требует от специалистов, связанных с производством и эксплуатацией автомобильных и тракторных двигателей, глубоких знаний теории, конструкции и расчета двигателей внутреннего сгорания.

Применение двигателей внутреннего сгорания во всех областях народного хозяйства и в самых различных условиях способствует разнообразию конструктивных форм и масштабов их производства. В соответствии с этими особенностями двигателестроения весьма различны и применяемые материалы и технология производства двигателей. Однако только наиболее простые и тяжелые тихоходные стационарные и судовые двигатели, выпускаемые относительно малыми сериями, выполняются в основном в пределах 3 – го класса точности с применением рядовых материалов. В крупносерийном производстве, особенно двигателей специального назначения, применяются качественные материалы с обработкой ряда деталей даже по 1 – му классу точности. Массовое производство транспортных быстроходных двигателей также требует высокой культуры производства (не ниже 2 – го класса точности).

Общие направления двигателестроения – повышение быстроходности, увеличение напряженности, связанное со снижением веса – естественно выдвигают все более высокие требования как к качеству материалов, так и к технологии производства, что является стимулом их дальнейшего улучшения.

Таким образом, интенсивно развивающееся двигателестроение относится к группе производств машин высокой точности, что и определяет прогрессивный характер данной отрасли.

Исходным материалом для проектирования новой машины служит проектное задание, содержащее технические требования, которым должны удовлетворять основные показатели работы новой машины.

Общие требования, которые предъявляются при создании нового двигателя заданной мощности и числа оборотов, сводятся к обеспечению наименьшего веса и габаритов, наибольшей экономичности, наибольшей надежности и увеличения срока службы, наибольшей простоты конструкции и дешевизны производства и эксплуатации, безопасности и удобства обслуживания.

Одновременное удовлетворение этих требований представляет значительные трудности, так как отдельные требования находятся в некотором противоречии между собой.

Так, например, необходимость достижения минимального веса не всегда увязывается с требованием наибольшей экономичности вследствие того, что максимальная мощность двигателя с внешним смесеобразованием получается при несовершенном сгорании топлива. Необходимость получения минимального веса не увязывается и с требованием наибольшего сока службы, так как высоконапряженные двигатели с малым удельным весом естественно подвержены большему износу.

Для создания легкого двигателя необходимо применять качественные материалы и обеспечит высокую точность изготовления, что приводит к удорожанию производства и эксплуатации. Требование повышения экономичности, кроме того, связано с проблемой снабжения топливом. Так, например, для карбюраторного двигателя удовлетворение этого требования определяется в основном повышением степени сжатия и, соответственно, применением топлива с более высоким октановым числом. Вопрос об экономичности двигателя следует рассматривать не только в отношении величины удельного расхода топлива, но также с учетом ресурсов данного топлива, возможностей и трудностей его производства. Высокая ценность топлив, применяемых в двигателях внутреннего сгорания, определяет необходимость тщательного выбора наиболее рационального топлива, а в некоторых случаях перед конструктором встает вопрос создания двигателя, который мог бы работать, например, на жидких топливах различных сортов или даже, при условии смены некоторых деталей, работать на газообразном топливе вместо жидкого (конвертивные двигатели).

Следует отметить, что массовый характер производства двигателей для наземного транспорта обеспечивает их относительную дешевизну даже при необходимой сложности конструкции, применении качественных материалов и высокой точности обработки деталей.

 

Тепловой расчет двигателя на номинальном режиме работы

 

 

Расчет процессов газообмена

 

Так как по заданию двигатель работает без наддува, то в качестве исходного заряда на впуске принимается давление и температура окружающей среды, ⁰К, МПа:

(1)

(2)

 

Определим плотность заряда на впуске, ρ_к, кг/м³:

 

(3)

,

 

где: R – газовая постоянная;

 

 

 

Определим давление остаточных газов, p_rн, МПа:

(4)

 

 

В соответствии с заданием принимаем температуру остаточных газов равной, Т_r, К:

 

 

Определим температуру подогрева свежего заряда, Δ Т_н, К:

 

 

Определим давление рабочего тела в конце впуска, р_а, МПа:

(5)

,

где: Δ р_а – потери давления во впускной системе;

 

Определим потери давления во впускной системе, Δ р_а, МПа:

 

(6)

,

 

где: β – коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра;

ξ_вп – коэффициент сопротивления впускной системы;

ω_вп – средняя за процесс впуска скорость движения смеси в наименьшем сечении впускной системы, м/с;

ρ_к – плотность заряда на впуске, кг/м³;

 

 

 

Определим коэффициент остаточных газов, γ_r:

 

(7)

,

 

где: ε – степень сжатия;

φ_доз – коэффициент дозарядки;

 

 

На номинальном режиме работы величина γ_r для дизелей должна находиться в пределах 0,02…0,05.

Определим температуру в конце впуска, Т_а, К:

 

(8)

 

 

Величина Т_а согласно статистическим данным при работе дизеля без наддува на номинальном режиме работы должна быть в пределах 330 – 400 К.

Определим коэффициент наполнения, η_v:

 

(9)

 

 

Значение коэффициента наполнения η_v при работе дизеля без наддува на номинальном режиме находится в пределах 0,82 – 0,92.

 

 

Расчет процесса сжатия

 

 

Определим давление в конце процесса сжатия, р_с, МПа:

 

(10)

,

 

где: п₁ – показатель политропы сжатия;

 

 

Определим температуру в конце процесса сжатия, Т_с, К:

(11)

 

Расчет процесса сгорания

 

 

1.3.1 Термохимический расчет процесса сгорания

 

Определим количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг жидкого топлива, в массовых единицах, l_o, кг_{воздуха}/кг_{топлива}:

(12)

 

 

Определим количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг жидкого топлива, в объемных единицах, L_o, кмоль/кг_{топлива}:

(13)

 

 

Определим количество заряда, находящегося в цилиндре в конце сжатия, М_с, кмоль/кг:

(14)

,

 

где: М₁ – количество свежего заряда, находящегося в цилиндре, кмоль/кг;

М_r –количество остаточных газов в цилиндре, кмоль/кг;

 

Определим количество свежего заряда, находящегося в цилиндре дизеля, М₁, кмоль/кг:

(15)

,

 

где: α – коэффициент избытка воздуха;

 

 

Определим количество остаточных газов в цилиндре, М_r, кмоль/кг:

(16)

 

 

 

Определим количество заряда, находящегося в цилиндре к концу процесса сгорания, M_z, кмоль/кг:

(17)

,

 

где: М₂ – количество продуктов сгорания, образующихся при сгорании 1 кг жидкого топлива, кмоль/кг;

 

Определим количество продуктов сгорания, образующихся при сгорании 1 кг жидкого топлива, М₂, кмоль/кг:

 

(18)