Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Забайкальский государственный университет»

(ФГБОУ ВО «ЗабГУ»)

Факультет строительства и экологии

Кафедра транспортных и технологических систем

Курсовой проект

по дисциплине: "Энергетические установки транспортных и транспортно-технологических машин и оборудования"

на тему: "Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания"

Выполнил:

ст. гр. ЭТМ(с)-18

Аксенов С. В.

Проверил:

Чебунин А.Ф.

Чита 2022



Реферат

поршень, воздух, температура, кпд, степень сжатия, дизель, давление, цилиндр.

Целью курсового проекта является тепловой расчет поршневого двигателя внутреннего сгорания технологической машины.

Исходные данные:

Тип - дизельный;

Мощность эффективная - 135кВт;

Тип машины - технологическая машина;

Частота вращения коленчатого вала номинальная - 2600 об/мин.;

Степень сжатия - 17.



Содержание

Введение

1. Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания

1.1 Топливо

1.2Параметры рабочего тела

1.3Параметры окружающей среды и остаточные газов

1.4Температура и давление остаточных газов

1.5 Процесс впуска

1.6 Процесс сжатия

1.7 Процесс сгорания

1.8 Процесс

1.9 Индикаторные параметры рабочего цикла

1.10 Эффективные показатели двигателя

1.11 Основные параметры цилиндра и двигателя

2. Построение индикаторной диаграммы

3. Тепловой баланс

Заключение

Список использованных источников

Приложение А - индикаторная диаграмма двигателя



Введение

Прогресс в автомобильной промышленности, дальнейшее увеличение грузооборота автомобильного транспорта предусматривает не только количественный рост автопарка, но и значительное улучшение использования имеющихся автомобилей, повышение культуры эксплуатации, увеличение межремонтных сроков службы.

В области развития и совершенствования автомобильных двигателей основными задачами являются: расширение использования дизелей, снижение топливной экономичности и удельной массы двигателей, стоимости их производства и эксплуатации. На принципиально новый уровень ставится борьба с токсичными выбросами двигателей в атмосферу, а также задачи по снижению шума и вибрации в процессе их эксплуатации. Значительно больше внимания уделяется использованию электронно-вычислительных машин при расчетах и испытаниях двигателей. В настоящее время вычислительная техника широко используется на моторостроительных заводах, в научно-исследовательских центрах, конструкторских и ремонтных организациях, а также в высших учебных заведениях.

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



1. Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания

Произвести расчет четырехтактного дизеля, предназначенного для технологической машины. Дизель восьмицилиндровый (i=8) с неразделенными камерами сгорания, объемным смесеобразованием, частотой вращения коленчатого вала при максимальной мощности n=2600мин^-1 и степенью сжатия е=17. Расчет выполнить для двух вариантов двигателя:

а) дизель без наддува с эффективной мощностью N_e=135 кВт;

б) дизель с турбонаддувом p_к=0,17 Мпа (центробежный компрессор с охлаждаемым корпусом и лопаточным диффузором и радиальная турбина с постоянным давлением перед турбиной).

1.1 Топливо

В соответствии с ГОСТ 305-82 для рассчитываемого двигателя принимаем дизельное топливо (для работы в летних условиях-марки Л и для работы в зимних условиях-марки З). Цетановое число топлива-не менее 45.

Средний элементарный состав дизельного топлива:

С=0,870; Н=0,126; С=0,004.

Низшая теплота сгорания топлива:

H_u=33,91C+125,60H-10,89(O-S)-2,51(9H+W)=

=33,91?0,87+125,60?0,126-10,89?0,004-2,51?9?0,126=

=42,44 МДж/кг=42440 кДж/кг.

1.2 Параметры рабочего тела

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:



Коэффициент избытка воздуха. Уменьшение коэффициента избытка воздуха б 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. Лучшие образцы современных дизелей без наддува со струйным смесеобразованием устойчиво работают на номинальном режиме без существенного перегрева при б=1,4-1,5, а с наддувом при б=1,6-1,8. В связи с этим можно принять: б=1,4-для дизеля без наддува и б=1,7-для дизеля с наддувом. двигатель внутреннего сгорания цилиндр

Количество свежего заряда:

при б=1,4:

при б=1,7:

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания:

При б=1,4:

При б=1,7:

Общее количество продуктов сгорания:

При б=1,4:

При б=1,7:

1.3 Параметры окружающей среды и остаточные газы

Атмосферные условия:

Давление окружающей среды для дизелей:

без наддува:

с наддувом:

p_к=0,17 МПа.

Температура окружающей среды для дизелей:

без наддува:

с наддувом:

где n_к-показатель политропы сжатия (для центробежного нагнетателя с охлаждаемым корпусом принят n_к=1,65).

1.4 Температура и давление остаточных газов

Достаточно высокое значение е=17 дизеля без наддува снижает температуру и давление остаточных газов, а повышенная частота вращения коленчатого вала несколько увеличивает значения Т_r и p_r. При наддуве температурный режим двигателя повышается и увеличивает значения Т_r и p_r. Поэтому можно принять для дизелей:

без наддува:

с наддувом:

1.5 Процесс впуска

Температура подогрева свежего заряда. Рассчитываемый двигатель не имеет специального устройства для подогрева свежего заряда. Однако естественный подогрев заряда в дизеле без наддува может достигать 15-20°С, а при наддуве за счет уменьшения температурного перепада между деталями двигателя и температурой наддувочного воздуха величина подогрева сокращается. Поэтому принимаем для дизелей:без наддува ?Т=20°С; с наддувом ?Т=10°С.

Плотность заряда на впуске

без наддува:

с наддувом:

Потери давления на впуске в двигателе:

без наддува:

с наддувом:

где (в²+о_вп)=2,7 и щ_вп=70 м/с приняты в соответствии со скоростным режимом двигателей и с учетом небольших гидравлических сопротивлений во впускной системе дизеля с наддувом и без наддува.

Давление в конце впуска:

без наддува:

с наддувом:

Коэффициент остаточных газов:



без наддува:

с наддувом:

Температура в конце впуска:

без наддува:

с наддувом:

Коэффициент наполнения:

без наддува:

с наддувом:

1.6 Процесс сжатия

Средние показатели адиабаты и политропы сжатия. При работе дизеля на номинальном режиме можно с достаточной степенью прочности принять показатель политропы сжатия приблизительно равным показателю адиабаты, который определяется по номограмме:

а) для дизеля без наддува при е=17 и Т_а=326 К:

б) для дизеля с наддувом при е=17 и Т_а=384 К:

Давление и температура в конце сжатия:

и

без наддува:

с наддувом:

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:

а) воздуха:

для дизеля без наддува:

где t_c=T_c-273=930-273=657°С;

для дизеля с наддувом:

где t_c=T_c-273=1071-273=798°С;

б) остаточных газов:

для дизеля без наддува при б=1,4 и t_c=657°C

для дизеля с наддувом при б=1,7 и t_c=798°C

в) рабочей смеси

для дизеля без наддува:

для дизеля без наддува:

1.7 Процесс сгорания

Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси в дизелях:

без наддува:

с наддувом:

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси в дизелях:

без наддува:

с наддувом:



Теплота сгорания рабочей смеси в дизелях:

без наддува:

с наддувом:

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания в дизелях:

без наддува:

с наддувом:

Коэффициент использования теплоты для современных дизелей с неразделенными камерами сгорания и хорошо организованным струйным смесеобразованием можно принять для двигателей без наддува о=0,82, а при наддуве в связи с повышением теплонапряженности двигателя и созданием более благоприятных условий для протекания процесса сгорания-о=0,86.

Степень повышения давления в дизеле в основном зависит от величины цикловой подачи топлива. С целью снижения газовых нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма целесообразно иметь максимальное давление сгорания не выше 11-12 Мпа. В связи с этим целесообразно принять для дизеля без наддува л=2,0, а с наддувом л=1,5.

Температура в конце видимого процесса сгорания:

для дизеля без наддува:

или:

откуда:

для дизеля с наддувом:

или:

откуда:

Максимальное давление сгорания для дизелей:

без наддува

с наддувом

Степень предварительного расширения для дизелей:

без наддува

с наддувом

1.8 Процесс расширения

Степень последующего расширения для дизелей:

без наддува:

с наддувом:

Средние показатели адиабаты и политропы расширения для дизелей выбираются следующим образом. На номинальном режиме можно принять показатель политропы расширенияс учетом достаточно больших размеров цилиндра, несколько меньше показателя адиабаты расширения, который определяется по номограмме. Для дизелей:

без наддува при д=13,28; Т_z=2280 Ки б=1,4; k₂=1,2728, а n₂принимаем равным 1,260;

с наддувом при д=12,06; Т_z=2192 Ки б=1,7; k₂=1,2792, а n₂принимаем равным 1,267.

Давление и температура в конце расширения для дизелей:

без наддува:



с наддувом:

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов для дизелей:

без наддува:

что допустимо;

с наддувом:

что допустимо.

1.9 Индикаторные параметры рабочего цикла

Теоретическое среднее индикаторное давление



для дизеля без наддува:

для дизеля с наддувом:

Среднее индикаторное давления для дизелей:

без наддува:

где коэффициент полноты диаграммы принят ц_и=0,95;

с наддувом:

Индикаторный КПД для дизелей:

без наддува:

с наддувом:

Индикаторный удельный расход топлива для дизелей:

без наддува:

с наддувом:



1.10 Эффективные показатели двигателя

Среднее давление механических потерь:

где средняя скорость поршня предварительно принята х_п.ср=10,2 м/с.

Среднее эффективное давление и механический КПД для дизелей:

без наддува:

с наддувом:

Эффективный КПД и эффективный удельный расход топлива для дизелей:

без наддува:

с наддувом:

1.11 Основные параметры цилиндра и двигателя

Литраж двигателя:

Рабочий объем цилиндра:

Диаметр и ход поршня дизеля, как правило, выполняются с отношением хода поршня к диаметру цилиндра S/D ?1. Однако уменьшение S/Dдля дизеля, так же как и для карбюраторного двигателя, снижает скорость поршня и повышает з_м. В связи с этим целесообразно принять S/D=1:

Окончательно принимаем D=S=110 мм.

По окончательно принятым значениям Dи Sопределяются основные параметры и показателя двигателя:

что достаточно близко к ранее приятому значению х_п.ср=10,2 м/с;

для дизеля без наддува

для дизеля с наддувом



2. Построение индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма дизельного двигателя построена для дизельного двигателя аналитическим методом

Масштабы диаграммы: масштаб хода поршня-М_s=1 мм в мм; масштаб давлений-М_p=0,1 МПа в мм.

Приведенные величины рабочего объема цилиндра и объема камеры сгорания соответственно:

AB=S/M_s=110/1=110мм; OA=AB/(е-1)=110/(17-1)=7мм.

Максимальная высота диаграммы (точки z^?и z) и положение точки zпо оси ординат:

Ординаты характерных точек:

Построение политроп сжатия и расширения проводится аналитическим методом:

а) политропа сжатия p_x=p_a(V_a/V_x)ⁿ¹, остюда:

мм,

где OB=OA+AB=110+7=117 мм;

б) политропа расширения p_x=p_b(V_b/V_x)ⁿ², отсюда:

мм.

Результаты расчета точек политроп сведены в таблицу.

Теоретическое среднее индикаторное давление

p_i?=F?M_p/AB=1254*0,0/110=1,14МПа,

что очень близко к величине p_i?=1,266 МПа, полученной в тепловом расчете (F?-площадь диаграммы acz?zba).

№ точек	OX, мм	OB/OX	Политропа сжатия	Политропа расширения
				px/Mp, мм	px, МПа		px/Mp, мм	px, МПа
1	7	16,7	48,27	75,2	7,52 ( с)	35,4	170	17(z)
2	8	14,6	40,116	64,2	6,42	29,87	143	14,3
3	10	11,7	29,572	47,3	4,73	22,56	108	10,8
4	15	7,8	16,92	27	2,7	13,5	65	6,5
5	30	3,9	6,514	10,4	1,04	5,6	27	2,7
6	53	2,2	2,961	4,7	4,7	2,7	13	1,3
7	81	1,4	1,589	2,5	0,25	1,531	7	0,7
8	100	1,1	1,14	1,8	0,18	1,13	5,4	0,54
9	117	1	1	1,6	0,16 (а)	1	4,8 (b)	0,48 (b)

Скругление индикаторной диаграммы. Учитывая достаточную быстроходность рассчитываемого дизеля и величину наддува, ориентировочно устанавливаются следующие фазы газораспределения: впуск-начало (точка r?) за 25° до в.м.т. и окончание (точка а??)-60° после н.м.т.; выпуск-начало (точка b?) за 60° до н.м.т. и окончание (точка а?)-25° после в.м.т.

С учетом быстроходности дизеля принимается угол опережения впрыска 20° (точка с?) и продолжительность периода задержки воспламенения ?ц₁=8° (точка f).

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения впрыска определяется положение точек b?, r?, a?, a??, c? и f по формуле для перемещения поршня:

где л-отношение радиуса кривошипа к длине шатуна. Выбор величины л производится при проведении динамического расчета, а при построении индикаторной диаграммы ориентировочно устанавливаем л=0,270.

Результаты расчета ординат точек b?, r?, a?, a??, c? и f приведены в таблице.

Точка	Положение точки	ц°	(1-cosц)+(1-cos2ц)	Расстояние АХ точек от в.м.т., мм
b?	60°до н.м.т.	120	1,601	88,1
r?	25° до в.м.т.	25	0,122	6,71
a?	25° после в.м.т.	25	0,122	6,71
a??	60° после н.м.т.	120	1,601	88,1
c?	20° до в.м.т.	20	0,076	4,2
f	(20-8°) до в.м.т.	12	0,038	2,1

Положение точки с?? определяют из выражения

Действительное давление сгорания

p_zд=0,85р_z=0,85?11,307=9,61 МПа;

p_zд/М_р=9,61/0,1=96,1 мм.

Нарастание давления от точки с?? до z_д составляет 9,61-8,625 =0,985 МПа или 0,985/12=0,082 МПа/град п.к.в., где 12°-положение точки z_д по горизонтали (для упрощения дальнейших расчетов можно принять, что действительное максимальное давление сгорания p_zд достигается через 10° после в. м. т., т. е. при повороте коленчатого вала на 370°).

Соединяя плавными кривыми точки rca?, c?cc??и далееcz_ди кривой расширения b?cb?? (точка b??располагается между точками bи a) и далее cr?и r,получаем скругленную индикаторную диаграмму ra?ac?fc??z_дb?b??r.

3. Тепловой баланс

Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом для дизелей:

без наддува:

с наддувом:

Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1с, для дизелей:

без наддува:

с наддувом:

Теплота, передаваемая охлаждающей среде, для дизелей:

без наддува:

с наддувом:

где С-коэффициент пропорциональности (для четырехтактных двигателей С=0,45-0,53); i-число цилиндров; D-диаметр цилиндра, см; m-показатель степени (для четырехтактных двигателей m=0,6-0,7); n-частота вращения коленчатого вала двигателя, мин^-1.

Теплота, унесенная с отработавшими газами (в дизеле с наддувом часть теплоты отработавших газов используется в газовой турбине),

для дизеля без наддува:

для дизеля с наддувом:

Неучтенные потери теплоты:

для дизеля без наддува:

для дизеля с наддувом:

Составляющие теплового баланса представлены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Составляющие теплового баланса	Дизель без наддува	Дизель с наддувом
	Q, Дж/с	q,%	Q, Дж/с	q,%
Теплота, эквивалентная эффективной работе	135500	27	179500	29,7
Теплота, передаваемая охлаждающей среде	145577	29	150961	25
Теплота, унесенная с отработавшими газами	136150	27,1	164770	27,3
Неучтенные потери теплоты	84623	16,9	109069	18
Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом	501850	100	604300	100

Заключение

В результате выполнения курсового проекта был произведен тепловой расчет двигателя. При выполнении теплового расчета были определены параметры рабочего тела в цилиндре двигателя, а также оценочные показатели процесса, позволяющие определить размеры двигателя и оценить его мощностные и экономические показатели.

В результате проектирования были рассчитаны и выбраны следующие значения и параметры:

- степень сжатия е = 17;

- диаметр поршня D = 110мм;

- ход поршня S = 110 мм;

- площадь поршня F _п = 95 см ²;

- литраж V _л = 8,359 л;

- мощность двигателя N_e = 179,5 кВт;

- литровая мощность N _л = 21,47 кВт/дм³.

В приложении построена индикаторная диаграмма двигателя.



Список использованных источников

1. Колчин А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. пособие для вузов. / А.И. Колчин, В.П. Демидов - 4-е изд.,стер. - М.: Высш. шк., 2008. - 496 с.

Размещено на Allbest.ru

...