Определение основных параметров двигателя

Оглавление

Введение…………………………………………………………………………………..3

Задание на проект………………………………………………………………………...4

1. Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания………………………………….5

1.1 Определение общих показателей характеризующих работу двигателя в целом..9

1.2 Определение эффективных показателей двигателя……………………………....10

1.3 Тепловой баланс двигателя………………………………………………………...11

1.4 Определение основных размеров двигателя……………………………………...13

Перечень использованной литературы………………………………………………..15

Введение

Целью курсовой работы является систематизация и закрепление знаний, полученных студентами при изучении теоретического курса дисциплины « Тракторы и автомобили» а также при выполнении практических и лабораторных работ; освоение методики и получение практических навыков теплового и динамического расчета автомобильного (тракторного) двигателя.

Приведенная в настоящем курсовом проекте последовательность расчета двигателя базируется на известных методиках, изложенных в литературе.

Основными задачами курсовой работы являются:

– получение практики применения теоретических знаний для решений задач проектирования с использованием литературных источников;

– развитие творческих способностей и инициативы при решении инженерных задач в области двигателестроения;

– привитие навыков обоснованного принятия инженерных решений на основании анализа и критической оценки параметров и конструктивных особенностей существующих двигателей.

– обретение навыков владения компьютером для выполнения инженерных задач.

Задание на проект

З А Д А Н И Е № _19__

Протопип ___Д-240____

N_e ; кВТ ______50______

n ___________2000_____

ε____________15______

i ____________4_______

Дизель Д-240

Pr =0,108 , МПа

Tr = 825, К

Pa = , Мпа

α = 1,55

ξ = 0,76

n2 = 1,2

Р0 =0,1033 , МПа

Т0 = 288, К

1. Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания

Задачей теплового расчета является определение индикаторных и эффективных показателей, построение индикаторной диаграммы, определение составляющих теплового баланса и основных размеров двигателя.

а) Процесс впуска

Давление, или коэффициент наполнения и температура в конце впуска двигателей без наддува:

Р_а=ɳ_h(ε-1)Р_оТ_о`+Р_rТ_о/εТ_о, МПа ( 1)

Р_а=0,84х(15-1)х0,1033х300+0,108х288/15х288=0,09 МПа.

Т_о` = Т_о+ ∆Т, ( 2 )

Т_о` =288+12=300 К .

где ∆Т -температура подогрева свежего заряда, для дизельных двигателей

10-40⁰.

Т_а=Р_аε/ɳ_h(ε-1)Р_о/Т_о+Р_r/Т_r, К ( 3 )

Т_а=0,09х15/0,84х0,1033(15-1)/288+0,108/825=321 К.

б) Процесс сжатия

Давление (МПа) и температура (К) в конце сжатия:

Р_с= Р_а εⁿ¹ ( 4 )

Р_с=0,09х15^1,35 =3,48 МПа

Т_с= Т_а ε^n1-1 ( 5 )

Т_с=321х15^1,35-1 =828 К

Средний показатель политропы сжатия n₁ зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя, степени сжатия, формы камеры сгорания, размеров цилиндра, материала поршня и головки цилиндров, теплообмена и других факторов.

Показатель пилотропы сжатия n₁ определяем из соотношения

n₁ =1.41-100/n ( 6 )

n₁ =1.41-100/2000=1.36

в) Процесс сгорания

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:

l_о=1/0,23(8/3С+8/1Н-О_т), ( 7 )

l_о=1/0,23(8/3х0,87+8/1х0,126-0,004)=14,4.

Это же количество в молях:

L_o=l_o/28.96, моль ( 8 )

L_o=14.4/28.96=0.49 моль

где 0,23 – массовое содержание кислорода в 1 кг воздуха; µв мольная масса воздуха (28,9 кмоль).

Действительное количество свежего заряда в молях, поступившее в двига- тель для сгорания 1 кг топлива (кмоль):

М₁= αL_o, кмоль ( 9 )

М₁=1,55х0,49=0,76 кмоль

Коэффициент остаточных газов для карбюраторных двигателей и двигателей без наддува:

Y_r=P_rT_o/P_oT_r(ε-1)ɳ_h ( 10 )

Y_r=0.108х288/825х0,1033х(15-1)х0,84=0,031

Число молей остаточных газов:

M_r= Y_r M₁ ( 11 )

M_r=0.031х0,76=0,024 кмоль

Число молей газа, находящегося в цилиндре двигателя в конце сжатия

(кмоль):

M_c= M₁+ M_r, кмоль ( 12 )

М_с=0,76+0,024=0,78 кмоль

Число молей продуктов сгорания (кмоль):

М₂= М₁+ Н₂/4 + О₂/32+0,21L_o(1- α) , кмоль ( 13 )

М₂= 0,76+0,126/4+0,004/32=0,79 кмоль

Число молей продуктов сгорания и остаточных газов (кмоль):

M_z= М₂+ М_r, кмоль ( 14 )

M_z= 0,79+0,024 =0,82 кмоль

Действительный коэффициент молекулярного изменения:

µ=М_z/M_c ( 15 )

µ=0.82/0.78=1.05

Теплоемкость свежепоступившего заряда (рабочей смеси или воздуха)

C_vc = 20,76+ 1,74х10-3Т_c, кДж/кмоль град ( 16 )

C_vc = 20,76+1,74х10^-3х828 =35,2 кДж/кмоль.град

Теплоемкость продуктов сгорания :

C_pz = (8,32 + (20,112+ 0,922/α) + (13,83/α+ 15,55)10-4 . T_z, кмоль.град (17 )

Температура T_zв конце сгорания, определяется из уравнения сгорания:

(С_vc+8,32ƛ)Т_с+ξH_u10³/ М₁(1+Y_r)= µ C_pz T_z ( 18 )

В эти уравнение входят две неизвестные величины C_pz и T_z, для его решения подставляется значение C_pz по уравнению, выраженное через T_z. Тогда выражение приводится к квадратному уравнению относительно T_zвида:

АТ_z ²+ВТ_z+С=0 ( 19 )

Откуда :

Т_z ( 20 )

где для дизельного топлива с составом: С = 0,87; Н = 0,126; О = 0,004 низшая теплота сгорания Н_u = 42437 кДж/кг.

C_pz = (8,32 +(20,112+ 0,922/1,55)+(13,83/1,55+15,55)х10^-4х1029=54,1 , кмоль.град

Давление в конце сгорания (МПа):

Р_z=ƛР_с ( 21 )

Рz=1,6х3,48=5,7 МПа г) Процесс расширения. Давление (МПа) и температура (К) в конце расширения: Рв=Рz.𝛅n2 , МПа ( 22 ) Тв=Тz/𝛅n2-1 , К ( 23 ) где ε/ρ = 𝛅 – степень последующего расширения, ρ- степень предварительного расширения для дизельных двигателей: ρ= 1,2 –1,7. 𝛅=15/1,5=10. Рв=5,7/101,2=0,36 МПа Тв=1029/100,2=651 К 1.1 Определение общих показателей характеризующих работу двигателя в целом Среднее индикаторное давление нескругленной диаграммы : Рi`=(Рс/(ε-1))(ƛ(ρ-1)+ƛρ/n2-1(1-1/𝛅n2-1)-1/n-1(1-1/εn1-1)) ,МПа ( 24 ) Рi`=(3,48/15-1)х(1,6х(15-1)+1,6х1,5/1,2-1х(1-1/101,2-1)х(1-1/151,36-1))=0,89 МПа Среднее индикаторное давление действительного цикла: Рi=vРi`-(Рr-Pa) ,МПа ( 25 ) Рi=0,93х0,89-(0,108-0,09)=0,81 МПа где v– коэффициент скругления индикаторной диаграммы 0,92–0,95.   Среднее эффективное давление Ре=Рiɳм , МПа ( 26 ) Ре=0,81х0,75=0,6 МПа Индикаторная мощность Ni =Pi Vh z n /120 кВт ( 27 ) Ni =0.81х1,18х4х2000 /120 =63,7 кВт где Vh– рабочий объем одного цилиндра, л ; z – число цилиндров; n – частота вращения коленчатого вала, мин-1. Индикаторный коэффициент полезного действия ɳi=αloPi/Huɳvρ ( 28 ) ɳi=1,55х14,4х0,81/42,5х0,85х1,189=0,42 Эффективный коэффициент полезного действия: ɳе=ɳi ɳm ( 29 ) ɳe=0,42х0,75=0,32   1.2 Определение эффективных показателей двигателя Средняя эффективность давления: Ре=Рi ɳm , МПа ( 30 ) Ре=0,81х0,75=0,6 МПа Эффективный удельный и часовой расход топлива: ge=3600/Hu ɳe , г/квт.ч ( 31 ) ge=3600/42,5х0,32=264 г/квт.ч GT=ge Ne/1000 , кг/ч ( 32 ) GT=264х50/1000=13,2 кг/ч

Тепловой баланс двигателя

Распределение тепла, выделяемого при сгорании, происходит на следующие составляющие:

Q_т = Q_e + Q_r + Q_ост + Q_ох , кДж/с ( 33 )

где Q_т – тепло, выделенное при сгорании топлива;

Q_е – тепло, превращенное в эффективную работу Q_e=Q_т ɳ_е ;

Q_г – тепло, теряемое с отработавшими газами, в котором средние молекулярные теплоемкости продуктов сгорания и свежего заряда при постоянном давлении определяются следующим образом:

Q_т= G_T H_u/3600 , кДж/с ( 34 )

Q_т=13,2х42437/3600=155,6 кДж/с

Q_e=155,6х0,32=49,9 кДж/с

Q_r=G_т/3600(М₂С_prT_r`-М₁С_роТ_о) , кДж/с ( 35 )

С_pr=8,32+(20,112+(0,922/α)+(13,83/α)+15,5)10^-4Т_r`, кДж/кмоль град ( 36 )

где температура газов (К) в выхлопной трубе Т_r^` = (0,90 – 0,92) T_rи средняя мо-лекулярная теплоемкость свежего заряда при постоянном давлении

T_r^`=0,90х825=742 К

С_pr=8,32+(20,112+(0,922/1,55)+(13,83/1,55)+15,5)10^-4х742=41,8 кДж/кмоль град

С_ро=8,32+(20,76+1,74х10^-3хТ_о) , кДж/кмоль град ( 37 )

С_ро=8,32+(20,76+1,74х10^-3х288=34 кДж/кмоль град

Q_r=13.2/3600(0,79х41,8х742-0,76х34х288)=61,4 кДж/с

Q_ост – тепло неучтенных тепловых потерь Q_ост = 0,1Q_т.

Q_ост=0,1х155,6=15,56 кДж/с

Q_ох – тепло, отведенное в систему охлаждения двигателя определяем

Q_ох=Q_т - (Q_e+Q_r+Q_ост), кДж/с (38 )

Q_ох=155,6-(49,9+61,4+15,56)=28,8 кДж/с

Составляющие теплового баланса выражаются в процентах

q_т=100% ;

q_e=Q_e/Q_тх100; ( 39 )

q_е=49,9/155,6х100=32

q_r=Q_r/Q_тх100; ( 40 )

q_r=61,4/155,6х100=39,1

q_ох=Q_ох/Q_rх100; ( 41 )

q_ох=28,8/155,6х100=18,5

Определение основных параметров двигателя

Литраж двигателя

V_л =30τ N_e /( P_e n) , л ( 42 )

V_л =30х4х50/(0,63х2000) =4,7 литра

Рабочий объем одного цилиндра

V_h =V_л / z ,л ( 43 )

V_h =4,7 /4 =1,2 литра

Диаметр цилиндра

D=2 10³ , мм ( 44 )

D=2 10³ =110 мм

где τ-тактность двигателя, z-число цилиндров, V_h –рабочий объем цилиндров,

S- ход поршня.

Уточненные параметры и показатели двигателя.

- площадь поршня

F_п = π D² /(4 100) , см² ( 45 )

F_п = 3,14х110² /(4х100) =94,9 см²

-литраж

V_л = π D² S z / (4 10⁶ ) , л ( 46 )

V_л = 3,14х110²х125х4 / (4х10⁶) =1,89 л.

-мощность

N_e =P_e V_л n /30τ , кВт ( 47 )

N_e =0,63х1,89х2000 /30х4 =19,8 кВт.

-литровая мощность

N_л = N_e / V_л , кВт/л ( 48 )

N_л = 19,8 /1,89 =10,4 кВт /л.

-крутящий момент

M_e = 9554 N_e /n , Нм ( 49 )

M_e = 9554х19,8 /2000 =94,5 Нм.

-часовой расход топлива

G_т = N_e ge10^-3 , кг/ч ( 50 )

G_т = 19,8х212х10^-3 =41,9 кг/ч.