Работа: Расчет двигателя

МИНИСТЕРСТВООБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственноеобразовательное учреждение

высшегопрофессионального образования

ТЮМЕНСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Филиал г.Салехард

Кафедра АТХ

Курсоваяработа

Подисциплине:

«Теория,расчет и конструкция тепловых двигателей и энергетических установок»

На тему:«Расчет двигателя»

Салехард 2009г.

ЗАДАНИЕ

Выполнить расчет четырехтактного дизельного двигателя по следующим исходным данным:

Параметры ЯМЗ — 238А Номинальная мощность, кВт 200

Номинальная частота вращения, мин-1

2300 Число и расположение цилиндров 8-V Степень сжатия e 16,5 S/D 1,0 Диаметр цилиндра D, мм 125 Ход поршня S, мм 125

Рабочий объем цилиндров Vл, л

11,85 Скорость поршня, м/с 9,8 Минимальный удельный расход топлива, г/кВт × ч 209 Расположение клапанов верхнее

1. Тепловой расчет двигателя

При тепловом расчете вновьпроектируемого двигателя предварительно рассчитывают параметры действительногоцикла, строят индикаторную диаграмму и определяют основные размеры: диаметр иход поршня.

Исходными данными для расчетаявляются: Ре — мощность (номинальная),

nн — частота вращения (номинальная),e- степень сжатия.

В ходе расчета необходимозадаваться некоторыми коэффициентами, принимая во внимание данные посуществующим двигателям. Порядок расчета следующий.

1.1 Процессывпуска и выпуска

а). Задаемся значениями: То;ро; Тr<sub/>; рr; DТ; ра.

Температура То идавление ро окружающей среды принимаются в соответствии со стандартнымиатмосферными условиями: То=273+15=298 К; ро=0,1 МПа.

Температура Тr и давление рr остаточных газов зависят отчастоты вращения и нагрузки двигателя, сопротивления выпускного тракта, способанаддува.

Для двигателей с газотурбиннымнаддувом:

рr=( 0,75…0,95 )рк= (0,75÷0,95 )×0,22 = 0,165 ÷ 0,209 МПа, рr=0,209 МПа

давление надувочного воздуха ркдля существующих двигателей:

рк=(1,5…2,2)ро.= (1,5…2,2)×0,1 = 0,15÷ 0,22 МПа, рк=0,22 МПа

Температура остаточных газовзависит в основном от коэффициента избытка воздуха a,степени сжатия e, частоты вращения коленчатоговала, нагрузки.

/>

DТ-степеньподогрева свежего заряда во впускном тракте зависит от частоты вращения,наличия наддува и принимается для дизельных с наддувом 0…10/>. Принимаем значение DТ=100 .

Давление в конце впуска рапринимается из следующих соотношений

ра = рх — Dра= 0,22 – 0,022 = 0,198 МПа

У двигателей потери давления Dраза счет сопротивления впускного тракта находятся: Dра= ( 0,03 ÷ 0,1 )× рх = 0,0066 ÷ 0,022 МПа, Dра= 0,022МПа

б). Определяем величины: gr (коэффициент остаточных газов),Тa<sub/>(температура конца наполнения) и hv (коэффициент наполнения) последующим формулам:

/>

/>

/> 

Температура воздуха закомпрессором:

/>,

где nк — показатель политропы сжатия вкомпрессоре, принимается в пределах 1,4…2. Примем nк = 1,6.

в). В зависимости от принятогозначения коэффициента избытка воздуха a определяем массу свежего заряда,введенного в цилиндры двигателя (ориентировочно):

М1 = alо / 29, кмоль,

где lo<sub/>= 14,5 кг. воздуха/ кг. топлива –для дизельного двигателя.

М1 = 1,7*14,5<sub/>/29=0,85 кмоль

Для принятия значения aнеобходимо учесть способ смесеобразования, примем 1,7.

Масса воздуха в кмолях: Lo<sub/>=lo/29 = 14,5/29 = 0,5 кмоль

1.2 Процесс сжатия

Определяем параметры процессасжатия: n1; рс; Тс; Мс.

а). Показатель политропы сжатия п1определяется из соотношения:

n1 = 1,41 – 100/nн=1,41 – 100/2300=1,366,

где nн – номинальная частота вращенияколенчатого вала двигателя.

б). Давление конца сжатия:

/>.

в). Температура конца сжатия:

/>

г). Масса рабочей смеси в концесжатия:

/>, кмоль

д). Теплоемкость рабочей смеси вконце сжатия:

Сv.c=20,16+1,74×10-3Тс=20,16+1,74×10 -3.1149,58=22,16,

кДж/(кмоль.град).

1.3 Процесссгорания

а). Определяют массупродуктов сгорания в цилиндрах двигателя.

/>/>

/>

где С = 0,87; Н = 0,125 –соответственно элементарный состав топлива для дизтоплива (ориентировочно).

б). Определяют температуру газовв цилиндре в конце процесса сгорания из уравнений:

/>

Сrz– теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении:

Сrz =(20,2 + 0,92/a) + (15,5 + 13,8/a) 10–4 Тz + 8,314,

m -коэффициент молекулярного изменениярабочей смеси в ходе сгорания

m=/>

x — коэффициентиспользования теплоты в ходе сгорания, для дизелей — x=0,7…0,9, примем 0,8.

Нu — низшая теплотворная способность топлива: длядизтоплива — />;

Подставим и послепреобразования получим:

0,00244×Tz2 +30.04×Tz+ ( — 66192.74 ) = 0

/>

Tz1 = 2220.46 K

Тz2 = отрицательная температура, а она не может бытьтакой в конце процесса сгорания.

в). Определяют максимальноедавление газов в цилиндре по формулам:

рz = l × рc<sub/>=1,5×8,96 = 13,44 МПа

где l степень повышения давления, которое примем равным 1,5.

1.4 Процессрасширения

Определяем параметры процессарасширения: n2; рb; Тb.

а). Показатель политропны расширенияn2 определяется из соотношения:

n2 = 1,22 + 130 / nн.=1,22+130/2300=1,276

б). Давление и температура концарасширения:

/>

/>

где /> — степень последующего расширения,

/> - степень предварительногорасширения.

Полученные расчетные значения(указанны в скобках) термодинамических параметров процессов цикла необходимосопоставить с данными табл. 1.

Таблица 1 Предельные значенияпараметров процессов цикла

Тип двигателя

pc, МПа

pz ,<sub/>МПа

Тс, К

Тz<sub/>, К

Тb, К

Двигатели с наддувом

6…8

 (8,96)

10…15

(13,44)

1000

 (1149,58)

1900…2800 (2220,46) 1100…1200 (1082,1)

1.5 Индикаторныепоказатели цикла

а). Определяем среднееиндикаторное давление (теоретическое) газов

/>

/>МПа

б). Определяют среднееиндикаторное давление (действительное) газов:

pi = jпр11,

где jп – коэффициент полнотыиндикаторной диаграммы, учитывающий ее скругление в ВМТ и НМТ, как результатналичия фаз газораспределения, угла опережения впрыскивания топлива илизажигания, а также скорости сгорания топлива. Значения jп принимаются для дизельныхдвигателей 0,9…0,96.

pi =0,96×1,26=1,2096 МПа

в). Определяем индикаторный КПДцикла:

/>,

г). Определяем индикаторныйудельный расход топлива:

/>

1.6 Эффективныепоказатели двигателя

а). Определяем среднее давлениемеханических потерь:

/>,

где /> — средняя скорость поршня,принимается по двигателю-прототипу (сп= 9,8 />),

/> и /> — эмпирические коэффициенты,приведенные в табл. 2.

Таблица 2 Значения коэффициентов /> и />

Тип двигателя

/>

/>

Дизели с неразделенной камерой сгорания 0,105 0,012 Дизели с разделенной камерой сгорания 0,105 0,0138

/>

б). Определяем среднееэффективное давление газов:

/>=1,2096-0,2226=0,987 МПа.

в). Определяем механический КПДдвигателя:

/>.

г). Определяем эффективный КПД двигателя:

/>.

д). Определяем удельныйэффективный расход топлива:

/>.

Полученные расчетные значения(указаны в скобках) индикаторных и эффективных показателей сопоставляем сданными табл.3.

Таблица 3 Предельные значения индикаторныхи эффективных показателей современных поршневых двигателей

Тип двигателя

pi,

МПа

hi

bi,

г/кВт*ч

pe,

МПа

he

be,

г/кВт.ч

Дизели с наддувом

0,8…2

( 1,2096 )

0,42…0,5

( 0,42 )

200…170

( 201,68 )

0,7…1,8

( 0,987 )

0,38…0,45

( 0,34 )

210…175

( 246 )

1.7 Определениеосновных размеров двигателя

а). Определяем рабочий объем одногоцилиндра по заданным значениям мощности, частоты вращения и расчетному значениюсреднего эффективного давления газов (ре):

/>, л ,

где /> - число цилиндров двигателя,/> — тактностьдвигателя.

/>.

Литраж двигателя состовляет10,432 л.

б). Выбираем отношение хода (S) поршня к диаметру (D) по прототипу двигателя и задаемся/>: попрототипу равняется 1,0:

/>, мм;

S = (S/D) × D=1,0*119=119 мм.

Определяем литровую мощность попрототипу и по проектируемому двигателю:

/>

/>

Результаты теплового расчетасводим в табл. 4.

Таблица 4 Характеристикадвигателей

Параметры

двигателя

Ре,

кВт

nн,

мин-1

e

D,

мм

S,

мм

S/D

Vл ,

Л

bе ,

г/кВт*ч

Рл,

/>

Прототип 200 2300 16,5 125 125 1,0 11,85 209 16,88 Проектир. 200 2300 16,5 119 119 1,0 10,576 246 18,91

2. Построение расчетной индикаторной диаграммы

Индикаторнаядиаграмма дизельного двигателя построена для номинального режима работыдвигателя, т. е. при Ne<sub/>= 200 кВт и n = 2300мин –1, аналитическим методом.

Для дизелей отношение /> изменяется впределах 1…d .

Масштабыдиаграммы: масштаб хода поршня Ms= 1 мм в мм; масштаб давлений Мр = 0,05 МПа в мм.

Величиныв приведенном масштабе, соответствующие рабочему объему цилиндра и объемукамеры сгорания:

AB=S/Ms=119/l,0 = 119мм; ОА = АВ/(ε–1)= 119/(16,5–1)= 7,68 мм.

Максимальнаявысота диаграммы (точка г) pz/Mp =13,44/0,05=268,8 мм.

Ординатыхарактерных точек:

pа/Mp<sub/>=0,198/0,05 = 3,96 мм;

рс/Мр=8,96/0,05 = 179,26 мм;

рb/Мр=0,511/0,05 = 10,22 мм;

рг/Мр= 0,209/0,05 = 4,18 мм;

рк/Мр=0,22/0,05=4,4мм.

Построениеполитроп сжатия и расширения аналитическим методом:

а)политропа сжатия px=pa(Va/Vx)n1. Отсюда

рх/Мр, мм =(ра/Мр)(ОВ/ОХ)n1= 3,96(133,07/ОХ)1,36 мм,

б)политропа расширения px=рb(Vb/Vx)n2 Отсюда

рх/Мр, мм =(рb/Мр)(ОВ/ОХ)n2= 10,22(133,07/ОХ)1,282 мм.

Результатырасчета точек политроп приведены в табл 5.

Таблица5

Политропа сжатия Политропа расширения № ОХ ОВ/ОХ (ОВ/ОХ)^n1 px/Mx, мм рх, Мпа (ОВ/ОХ)^n2 px/Mx, мм рх, Мпа 1 7,68 16,49 46,01 179,20 8,96 35,75 268,80 13,44 2 10,00 12,67 32,08 127,06 6,35 25,53 209,35 10,47 3 20,00 6,33 12,45 49,29 2,46 10,54 86,45 4,32 4 40,00 3,17 4,83 19,12 0,96 4,35 35,70 1,78 5 60,00 2,11 2,78 10,99 0,55 2,59 21,28 1,06 6 80,00 1,58 1,87 7,42 0,37 1,80 14,74 0,74 7 90,00 1,41 1,60 6,32 0,32 1,55 12,68 0,63 8 100,00 1,27 1,38 5,47 0,27 1,35 11,09 0,55 9 110,00 1,15 1,21 4,80 0,24 1,20 9,82 0,49 10 126,68 1,00 1,00 3,96 0,20 1,00 8,20 0,41

Скруглениеиндикаторной диаграммы. Начало открытия впускного клапана (точка г')устанавливается за 20° до прихода поршня в в.м.т., а закрытие (точка а") —через 56° после прохода поршнем н.м.т.; начало открытия выпускного клапана(точка b') принимается за 56° до приходапоршня в н.м.т., а закрытие (точка а') — через 20° после прохода поршнем в.м.т.Учитывая быстроходность двигателя, угол опережения впрыска равным 20°, а продолжительностьпериода задержки воспламенения ∆φ>= 8°.

/>

Рис 3.1 Индикаторная диаграмма

3. Построение внешней скоростной характеристики двигателя

Внешняя скоростнаяхарактеристика строится для двигателей, используемых в качестве энергетическойустановки автотранспортных средств.

Внешняя скоростная характеристика дизельного двигателяпредставлена в Приложении 2. В основу определения энергетических иэкономических показателей двигателя положены следующие эмпирическиезависимости, предложенные С.Г. Лейдерманом:

/>

/>/>

Численныезначения коэффициентов в уравнениях приведены в табл. 6

Таблица 6

Коэффициенты дляпостроения скоростной характеристики

Тип двигателя

/>

/>

/>

/>

/>

/>

Дизель с неразделенной камерой сгорания 0,7 1,3 1 1,55 1,55 1

Задаемсячастотой вращения /> из расчета, чтобы отношение/> былократным 0,1 т.е. />=0,2; 0,3; 0,4…1,0; — для дизелейи бензиновых двигателей средней и большой мощностей.

Для дизелястроится регуляторная ветвь скоростной характеристики из условия, что на этомучастке мощность, момент и часовой расход топлива изменяются по линейномузакону. При работе на регуляторе частота вращения изменяется от />до/>(максимальнойчастоты вращения на холостом ходу)

/>= ( 1+0,08)×2300 = 2484об/мин

гдеd-коэффициент неравномерности регулятора, принимается в пределах 0,07…0,08.

Часовойрасход топлива ВТ.х на регуляторной ветви определяется изсоотношения:

ВТ.х=(0,25…0,30)ВТ.мах = ( 0,25 ÷ 0,30 ) × 49,2 = 14,76кг/ч

Вращающиймомент и часовой расход топлива подсчитываются по формулам:

/>, кНм,

где /> — частотавращения коленчатого вала в />, />-мощность в кВт;

/> .

Все расчетные данные заносятся в табл. 7

Таблица 7 Показателидвигателя для построения скоростной характеристики

обороты Ре, кВт be, г/кВт ч Te, Нм Bt, кг/ч 460 43,2 253,872 934,4348 10,96727 690 68,4 239,112 986,3478 16,35526 920 94,4 228,288 1020,957 21,55039 1150 120 221,4 1038,261 26,568 1380 144 218,448 1038,261 31,45651 1610 165,2 219,432 1020,957 36,25017 1840 182,4 224,352 986,3478 40,9218 2070 194,4 233,208 934,4348 45,33564 2300 200 246 865,2174 49,2

/>

Рис 4.1. Внешнескоростная характеристика двигателя

 

4. КИНЕМАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

Конечной целью кинематическогорасчета двигателя является определение ускорения поршня.

Основными геометрическимипараметрами, определяющими законы движения элементов КШМ, являются: r – радиус кривошипа коленчатоговала (r=59,5 мм), lш – длина шатуна (lш =228,8мм). Параметр l= r/<sub/>lш является критериемкинематического подобия КШМ. Для двигателя l = r/<sub/>lш =0,26. Порядок кинематическогорасчета двигателя следующий.

а). Определяем по формуламперемещение Sx, скорость Cп и ускорениепоршня jп в зависимости от угла поворотаколенчатого вала (с интервалом 30о).

/>,

/>,

/>

б). Полученные значениякинематических параметров оформляем в таблицу 8: