Тепловой расчет силового агрегата

СИЛОВЫЕ АГРЕГАТЫ

Раздел 1. Тепловой расчет, кинематический и динамический расчет силового агрегата.

Методические указания к курсовому проекту по курсу «Силовые агрегаты» для студентов направления подготовки 190600 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов»

Составитель А.С. БЕРЕЗИН

Утверждены на заседании кафедры

Протокол № от

Рекомендованы к печати

учебно-методической комиссией

направления подготовки 190600

Протокол № от

Электронная копия находится

в библиотеке главного корпуса

ГУ КузГТУ

Кемерово 2016

СОДЕРЖАНИЕ

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

1. Тепловой расчет двигателя………………………………………………….4

1.1. Расчет параметров рабочего тела……………………………………………5

1.2. Расчет процесса наполнения…………………………………………………7

1.3. Расчет процесса сжатия………………………………………………………9

1.4. Расчет процесса сгорания…………………………………………………...11

1.5. Расчет процесса расширения……………………………………………….13

1.6. Индикаторные показатели рабочего цикла………………………………..14

1.7. Эффективные показатели рабочего цикла…………………………………15

1.8. Основные параметры цилиндра и двигателя………………………………17

1.9. Построение индикаторной диаграммы…………………………………….18

1.10. Тепловой баланс……………………………………………………………23

2. Кинематика……………………………………………………………………25

2.1. Перемещение поршня……………………………………………………….27

2.2. Скорость поршня…………………………………………………………….28

2.3. Ускорение поршня…………………………………………………………..29

3. Динамика……………………………………………………………………...31

3.1. Динамический расчет КШМ………………………………………………..31

3.2. Определение сил, действующих на КШМ………………………………...34

3.3. Построение диаграмм износа шатунной шейки коленчатого вала………44

4. Список рекомендуемой литературы………………………………………47

5. Приложение 1………………………………………………………………...48

6. Приложение 2………………………………………………………………...51

Введение

Курсовой проект по курсу «Силовые агрегаты » состоит из четырех частей. В первой части приводится методика выполнения теплового расчета двигателя и расчета теплового баланса. В этой части определяются основные параметры процессов двигателя. Для контроля правильности вычисления параметров в конце каждого пункта расчета приведены ориентировочные значения пределов изменения данного параметра. Вычисленные по формулам значения должны укладываться в рекомендуемые пределы для данного типа двигателя.

Во второй части приводится методика выполнения кинематического расчета. Здесь определяются текущие значения перемещения поршня, скорости поршня и ускорения поршня в диапазоне углов от 0 до 360 градусов угла поворота коленчатого вала. По результатам расчетов должны быть построены графики.

В третьей части проекта определяются силы и моменты, действующие на кривошипно-шатунный механизм двигателя. По результатам динамического расчета на листе графической части формата А1 приводятся графики полных и удельных сил, а также график суммарного крутящего момента двигателя, полярная диаграмма и диаграмма износа шатунной шейки.

В четвертой части проекта выполняется расчет на прочность деталей двигателя и производится расчет систем. К деталям двигателя для которых производится расчет относятся такие детали как: поршень, поршневые кольца, поршневой палец, шатун, шатунные болты, корпус двигателя, гильза цилиндра и шпилька головки блока цилиндров.

Задание на курсовой проект

по курсу «Силовые агрегаты»

Фамилия И.О…………………………… гр…………………..

Таблица 1

Наименование параметра	Обозначение	Единицы измерения	Численные значения
1. Тип двигателя	-	-
2. Назначение	-	-
3. Тип камеры сгорания	-	-
4. Способ смесеобразования	-	-
5. Тип системы охлаждения	-	-
6. Тип газораспределительного механизма	-	-
7. Эффективная мощность	Ne	кВт
8. Номинальная частота вращения коленчатого вала	nN	мин-1
9. Степень сжатия		-
10. Число и расположение цилиндров	i	-
11. Отношение хода поршня к диаметру цилиндра	S/D	-
12. Коэффициент избытка воздуха	α	-
13. Степень повышения давления		-
14. Молекулярная масса топлива	mT	кг/кмоль
15. Давление наддува	Pk	МПа
16. Температура подогрева свежего заряда	∆T	К (оС)

В настоящем методическом указании проводятся методики выполнения теплового расчета двигателя (контрольная работа №1), теплового баланса (контрольная работа №2), кинематического и динамического расчетов, а также образцы выполнения графической части по курсовому проекту.

Для контроля правильности вычислений параметров в каждом из пунктов приведены ориентировочные значения пределов изменения данного параметра. Вычисленные по формулам значения должны укладываться в рекомендуемые пределы для данного типа двигателя.

Коэффициент избытка воздуха

Численное значение коэффициента избытка воздуха приведено в задании. Если это значение не задано, то для режима максимальной мощности принимаются следующие значения коэффициента избытка воздуха:

бензиновые двигатели 0,80 … 0,96;

дизели с неразделенными камерами сгорания 1,5 … 1,7;

вихрекамерные дизели 1,30 … 1,50;

предкамерные дизели 1,40 … 1,50.

Количество горючей смеси

Для бензиновых двигателей:

, кмоль (1.4)

где m_T – молекулярная масса топлива, кг/кмоль

m_T = 110 … 120 кг/кмоль.

Для дизелей:

, кмоль. (1.5)

Состав продуктов сгорания

Состав продуктов сгорания во многом зависит от состава горючей смеси. При сгорании богатых смесей ( <1) продукты сгорания включают в себя CO, CO₂, H₂, H₂O, N₂.

, кмоль (1.6)

где принимается равным 0,45 … 0,50;

, кмоль (1.7)

, кмоль (1.8)

, кмоль (1.9)

, кмоль. (1.10)

При сгорании бедных или стехиометрических смесей ( ) продукты сгорания включают в себя CO₂, H₂O, O₂, N₂.

, кмоль (1.11)

, кмоль (1.12)

, кмоль (1.13)

, кмоль. (1.14)

Расчет процесса наполнения

Плотность заряда на впуске

, кг/м³ (1.16)

где Р₀ = 0,1 МПа – атмосферное давление;

Т₀ = 293 К – температура окружающего воздуха;

В = 287 Дж/кг ∙ град – удельная газовая постоянная воздуха. Принимается одинаковой для воздушного заряда (дизель) и для топливно- воздушной смеси (карбюраторный двигатель).

При расчете двигателя с надувом в дальнейшем следует принять

и ,

где Т_k – температура компрессора, К.

, К (1.17)

где n_k – показатель компрессора, n_k = 1,4 … 2,0 для центробежных нагнетателей.

Потери давления на впуске

С достаточной точностью потери давления на впуске могут быть определенны из уравнения:

, МПа (1.18)

где - коэффициент затухания скорости движения заряда;

- коэффициент сопротивления впускной системы;

- средняя скорость движения заряда в наиболее узком сечении впускной системы, м/с.

Сумма характеризует сопротивление впускной системы и принимается из диапазона 2,5 … 4,0. Скорость движения воздушного заряда в основном определяется скоростью вращения коленчатого вала, рабочим объемом двигателя и площадью наиболее узкого сечения впускной системы = 50 … 130 м/с.

Полученное значение ∆Р_a должно укладываться в допустимые пределы:

для бензиновых двигателей ;

для дизелей .

Давление в конце впуска

, МПа. (1.19)

Температура в конце впуска

, К. (1.21)

Величина Т_а изменяется в пределах:

для бензиновых двигателей Т_а = 320 … 360 К;

для дизелей Т_а = 310 … 350 К.

Коэффициент наполнения

. (1.22)

Величина изменяется в пределах:

для бензиновых двигателей 0,70 … 0,85;

для дизелей 0,80 … 0,90.

Расчет процесса сжатия

Давление в конце сжатия

, МПа, (1.23)

где n₁ – средний показатель политропы сжатия.

Величина n₁ зависит от скорости вращения коленчатого вала, рабочего объема цилиндра, степени сжатия. Влияние названных факторов на величину n₁ определяется интенсивностью тепловыделения по мере сгорания рабочей смеси и теплообмена между рабочим теплом и стенками цилиндра, поршня и камеры сгорания. Если суммарное влияние указанных факторов способствует подводу тепла к рабочему телу или сокращению отвода тепла, то это приводит к увеличению среднего показателя политропы сжатия, и наоборот. Значение показателя политропы сжатия n₁ следует определять по среднему показателю адиабаты k₁. Для этого по номограмме, изображенной на рис.3, для соответствующих значений и T_a определяется величина k₁. Значения показателя политропы сжатия устанавливаются в следующих пределах:

для бензиновых двигателей ;

для дизелей .

Величина n₁ изменяется в следующих пределах:

для бензиновых двигателей n₁ = 1,30 … 1,37;

для дизелей n₁ = 1,32 … 1,40.

Температура в конце впуска

, К. (1.24)

Расчет процесса сгорания

Уравнение сгорания

Для бензиновых двигателей уравнение сгорания имеет вид:

, (1.46)

где - коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси.

Для дизельных двигателей уравнение сгорания имеет вид:

, (1.47)

где , кДж/ - средняя мольная теплоем-

кость продуктов сгорания при постоянном давлении;

- степень повышения давления;

для дизелей с неразделенными камерами сгорания 1,6 … 2,5;

для дизелей с разделенными камерами сгорания 1,2 … 1,8.

Для решения уравнения необходимо величину или (в зависимости от типа двигателя) в нем заменить выражением (1.45). Затем уравнение упростить и привести к виду:

, (1.48)

где t_z – температура конца сгорания, ^оС;

a, b, c – константы.

Решение уравнения (1.48) имеет вид:

, ^оС. (1.49)

, К. (1.50)

Температура конца сгорания изменяется в пределах:

для бензиновых двигателей T_z = 2400 … 2900 К;

для дизелей T_z = 1800 … 2300 К.

Расчет процесса расширения

1.5.1. Степень предварительного расширения (для дизелей)

. (1.54)

Давление в конце расширения

Для бензиновых двигателей;

, МПа. (1.56)

Для дизелей;

, МПа, (1.57)

где n₂ – средний показатель политропы расширения.

Величина n₂ зависит от интенсивности теплообменом между рабочим телом и стенками цилиндра, камеры сгорания и днища поршня. Подвод тепла к рабочему телу или сокращение отвода тепла на линии расширения приводит к уменьшению среднего показателя политропы расширения. Величину n₂ можно оценить по величине адиабаты расширения k₂ для соответствующих значений , и T_z по номограммам (рис. 2,3 прил. 1). По опытным данным показатель n₂ незначительно отличается от показателя k₂ и, как правило, в меньшую сторону.

Индикаторный КПД

, (1.64)

где P_i - среднее индикаторное давление, МПа;

- теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива;

Hu - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг;

- плотность заряда, кг/м³;

- коэффициент наполнения.

Механический КПД

. (1.73)

Эффективный КПД

. (1.74)

Часовой расход топлива

, кг/ч. (1.76)

Рабочий объем двигателя

, л. (1.77)

Рабочий объем цилиндра

, л. (1.78)

Диаметр поршня

, мм. (1.79)

Ход поршня

, мм. (1.80)

Величины S и D следует округлить до четных чисел.

Тепловой баланс

Неучтенные потери тепла

, Дж/с. (%) (1.101)

Величина неучтенных потерь тепла не должна превышать 5% от общего количества тепла Q₀. В противном случае тепловой баланс необходимо пересчитать, изменив значения коэффициентов с и m, принятых в пункте 1.10.3.

КИНЕМАТИКА

Кинематические исследования кривошипно-шатунного механизма необходимы для дальнейшего выяснения сил, действующих на детали и элементы деталей двигателя, основные параметры которых можно определить расчетом. Детальные исследования кинематики кривошипно-шатунного механизма двигателя из-за переменного режима работы двигателя очень сложны. При определении нагрузок на детали двигателя пользуются упрощенными формулами, полученными для условия равномерного вращения кривошипа, которые дают при расчете достаточную точность и существенно облегчают расчет.

Принципиальные схемы кривошипно-шатунного механизма двигателей автотракторного типа показаны:

на рис. 3, а – центральный кривошипно-шатунный механизм, у которого ось цилиндра пересекает ось коленчатого вала (кривошипа);

на рис. 3, б – дезаксиальный, у которого ось цилиндра не пересекает ось коленчатого вала.

Ось цилиндра смещена относительно оси коленчатого вала на величину α. Такое смещение одной из осей относительно другой позволяет несколько изменить давление на стенку цилиндра и уменьшить скорость поршня у в.м.т. (верхней мертвой точки), что благоприятно сказывается на процессе сгорания и уменьшает износ деталей, а также снижает шум при переносе нагрузки от одной стенки цилиндра на другую при изменении направления движения поршня.

Рис. 3. Схемы кривошипно-шатунных механизмов:

а – центрального; б – смещенного (дезаксиального)

На рис. 3 приведены основные обозначения механизмов:

S_x – текущее перемещение поршня (точка А – ось поршневого пальца);

- угол поворота кривошипа ОВ, отсчитываемой от оси цилиндра (АˈО) в направлении вращения коленчатого вала по часовой стрелке (точка О обозначает ось коленчатого вала; точка В – ось шатунной шейки; точка Аˈ - в.м.т.);

- угол отклонения шатуна (АВ) от оси цилиндра;

- угловая скорость вращения коленчатого вала;

- радиус кривошипа;

- ход поршня (точка обозначает н.м.т. (нижнюю мертвую точку));

- длина шатуна;

- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

- расстояние от оси коленчатого вала до в.м.т.

В смещенном кривошипно-шатунном механизме (рис. 3, б) в отличие от принятых обозначений для центрального механизма угол поворота кривошипа отсчитывается от прямой СО, параллельной оси и проходящей через ось коленчатого вала, а .

Дезаксиальный механизм характеризуется величиной относительного смещения ,

где - величина смещения оси цилиндра относительно оси коленчатого вала.

Величины инерционных усилий, действующих в двигателе, зависят от указанных выше размеров и их соотношений.

Установлено, что с уменьшением (за счет увеличения ) происходит снижение инерционных и нормальных сил, но при этом увеличивается высота и масса двигателя. В связи с этим в автомобильных и тракторных двигателях принимают . Конкретные значения для некоторых автомобильных и тракторных двигателей приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Марка двигателя		Марка двигателя
МеМЗ-968	0,28	ЗМЗ-13	0,262
ВАЗ-2101	0,242	ЗМЗ-53	0,257
ВАЗ-2103	0,278	ЗИЛ-130	0,257
ВАЗ-2106	0,295	КамАЗ-740	0,263
АЗЛК-412	0,261	ЯМЗ-236	0,264
ЗМЗ-24	0,287	А-01м	0,264

Расчет кинематики кривошипно-шатунного механизма сводится к определению пути, скорости и ускорения поршня. При этом принимается, что коленчатый вал вращается с постоянной угловой скоростью (если частота вращения коленчатого вала n об/мин, то , 1/с). Это допущение позволяет рассматривать все кинематические величины в виде функциональной зависимости от угла поворота коленчатого вала , который при пропорционален времени.

Перемещение поршня

Перемещение поршня в зависимости от угла поворота кривошипа для двигателя с центральным кривошипно-шатунным механизмом:

, м. (2.1)

Из уравнения (2.1) следует, что при м, а при , м. Значение множителя, заключенного в квадратные скобки, в зависимости от и представлены в табл. 2.2.

Пользуясь выражением (2.1) и данными табл. 2.2, аналитическим путем определяют значение перемещения поршня от в.м.т. до н.м.т. для ряда промежуточных значений (дальнейший динамический расчет требует точности кинематического расчета не более чем через каждые 30^о) и строят кривую (рис. 4).

Перемещение поршня в смещенном кривошипно-шатунном механизме имеет вид

, м. (2.2)

Рис. 4. Построение кривых перемещения поршня аналитическим методом

Таблица 2.2

	Значения при
0,24	0,25	0,26	0,27	0,28	0,29	0,30	0,31
	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000
	0,1640	0,1653	0,1665	0,1678	0,1690	0,1703	0,1715	0,1728
	0,5900	0,5938	0,5975	0,6013	0,6050	0,6088	0,6125	0,6163
	1,1200	1,1250	1,1300	1,1355	1,1400	1,1450	1,1500	1,1550
	1,5900	1,5938	1,5975	1,6013	1,6050	1,6088	1,6125	1,6163
	1,8960	1,8973	1,8985	1,8998	1,9010	1,9023	1,9035	1,9048
	2,0000	2,0000	2,0000	2,0000	2,0000	2,0000	2,0000	2,0000

Скорость поршня

При перемещении поршня скорость его движения является величиной переменной и при постоянной частоте вращения коленчатого вала зависит только от изменения угла поворота кривошипа и отношения :

, м/с. (2.3)

Значения множителя в уравнении (2.3), заключенного в скобки, в зависимости от и приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3

	знак	Значения при	знак
0,24	0,25	0,26	0,27	0,28	0,29	0,30	0,31
	+	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	-
	+	0,604	0,608	0,613	0,617	0,621	0,626	0,630	0,634	-
	+	0,970	0,974	0,979	0,983	0,987	0,992	0,996	1,000	-
	+	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000	-
	+	0,762	0,758	0,753	0,749	0,745	0,740	0,736	0,732	-
	+	0,396	0,392	0,387	0,383	0,379	0,374	0,370	0,366	-
	+	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	-

Из уравнения (2.3) следует, что скорость поршня в мертвых точках ( и 180) равна нулю.

При , а при , т.е. в этих точках абсолютные значения скорости поршня равны окружной скорости оси шатунной шейки коленчатого вала.

Максимальная скорость поршня зависит (при прочих равных условиях) от величины , учитывающей конечную длину шатуна, и достигается при и .

С увеличением максимальные значения скорости поршня растут и сдвигаются в сторону мертвых точек:

, м/с. (2.4)

Рис. 5. Построение кривых скорости поршня аналитическим методом

На рис. 5 представлена кривая изменения скорости поршня в зависимости от , рассчитанная аналитическим методом по формуле (2.3).

Для сравнения быстроходности двигателей в расчетах часто используют среднюю скорость поршня:

, м/с (2.5)

где S и R выражены в м, n – в об/мин и - в рад/с.

Скорость поршня в смещенном кривошипно-шатунном механизме

, м/с. (2.6)

Ускорение поршня

Ускорение поршня

, м/с². (2.7)

Значение множителя в формуле (2.7), заключенного в скобки, в зависимости от и приведены в таблице 2.4.

Таблица 2.4

		Значение при
0,24	0,25	0,26	0,27	0,28	0,29	0,30	0,31
	+	1,240	1,250	1,260	1,270	1,280	1,290	1,300	1,310	+
	+	0,986	0,991	0,996	1,001	1,006	1,011	1,016	1,021	+
	+	0,380	0,375	0,370	0,365	0,360	0,355	0,350	0,345	+
	-	0,240	0,250	0,260	0,270	0,280	0,290	0,300	0,310	-
	-	0,620	0,625	0,630	0,635	0,640	0,645	0,650	0,655	-
	-	0,746	0,741	0,736	0,731	0,726	0,721	0,716	0,711	-
	-	0,760	0,750	0,740	0,730	0,720	0,710	0,700	0,690	-

Максимальное значение ускорения поршня при :

, м/с². (2.8)

Минимальное значение ускорения поршня (м/с²) при:

в точке ; .

(2.9)

в точке ; .

Пользуясь уравнением (2.7) и данными таблицы 2.4, аналитическим путем определяем значения ускорения поршня для ряда значений угла в интервале и строят кривую (рис. 6).

Рис. 6. Построение кривых ускорения поршня аналитическим методом

Значения S_x, V_n и j в зависимости от , полученные на основании построения графиков, заносят в итоговую таблицу.

Ускорение поршня в смещенном кривошипно-шатунном механизме:

, м/с². (2.10)

ДИНАМИКА

Целью динамического расчета является определение сил, действующих на кривошипно-шатунный механизм (КШМ) для дальнейшего расчета на прочность деталей двигателя. Результаты расчета выносятся на лист графической части, который должен содержать:

· Индикаторную диаграмму в координатах P – V;

· Развернутую диаграмму по углу поворота коленчатого вала в координатах ;

· Диаграммы: силы инерции P_j, суммарной силы Р, силы К, силы, действующей вдоль оси шатуна S, тангенциальной силы Т, нормальной силы N;

· Полярную диаграмму сил, действующих на шатунную шейку R_шш;

· Диаграмму суммарного крутящего момента ;

· Диаграмму износа шатунной шейки;

· Диаграмму фаз газораспределения.

Динамический расчет КШМ

3.1.1. Построение диаграммы силы давления газов P_r в координатах (давление – угол поворота коленчатого вала)

Диаграмма силы давления газов строится на основе индикаторной диаграммы (см. раздел 1. теплового расчета двигателя) и представляет собой график силы давления газов на поршень для различных положений коленчатого вала двигателя. Диаграмму получают путем перестроения индикаторной диаграммы из координат P – V «давление - объем» в координаты «давление – угол поворота коленчатого вала» .

Для этого необходимо:

· Построить под индикаторной диаграммой окружность радиусом , мм с центром в точке 0, где – масштаб перемещения поршня, ;

· Отложить от точки 0 в сторону нижней мертвой точки отрезок - поправку Брикса;

· Из полученного центра 0ˈ разбить полуокружность лучами через каждые 30⁰ (рис. 7);

· Из точек, полученных на полуокружности провести вертикальные линии до пересечения с индикаторной диаграммой: перенести ординаты соответствующих точек на координатную сетку для углов п.к.в. и соединить их плавной кривой;

· Определить максимальное значение силы P_r, находящиеся в диапазоне углов п.к.в.

Рис. 7. Перестроение (развертка) индикаторной диаграммы в координатах

Рис. 8. Диаграмма удельных сил давления газов карбюраторного двигателя

Рис. 9. Схема действия сил в КШМ:

а – инерционных и газовых; б – суммарных

Рис. 10. Силы, действующие на шатунную шейку

Сила давления газов

Сила давления газов представляет собой избыточное давление газов на поршень

, МПа, (3.1)

где - соответственно давление газов в рассматриваемой точке индикаторной диаграммы и атмосферное давления, МПа (см. п. 1.9 теплового расчета двигателя).

Центробежные силы

Центробежная сила вращающихся масс КШМ является результатом двух сил и и направлена по радиусу кривошипа.

Для рядных двигателей:

,

, кН. (3.11)

Для V – образных двигателей, имеющих два шатуна на одной шатунной шейке:

, кН. (3.12)

Центробежная сила инерции вращающихся масс шатуна:

, кН. (3.13)

Центробежная сила инерции вращающихся масс кривошипа:

, кН. (3.14)

Суммарные силы

Значения суммарных сил необходимо определить для различных положений КШМ в диапазоне углов от 0 до 720^о п.к.в. с шагом п.к.в. Результаты расчетов, выполненных в п. 3.2.4. и 3.2.5., оформляют в виде таблицы (см. табл. 3.2 для рядных двигателей, табл. 3.2.1 – для V – образных).

Удельная суммарная сила, действующая на поршень:

, МПа. (3.15)

Удельная нормальная сила, действующая перпендикулярно оси цилиндра:

, МПа. (3.16)

Значение для заданного значения приведены в таблице 3.3.

Удельн