РОСЖЕЛДОР

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

(РГУПС)

Кафедра «Локомотивы и локомотивное хозяйство»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Локомотивные энергетические установки»

Выполнил:

ст. гр. ЛТ-5-607 Воробьева Т.В.

Проверил:

ст. преподаватель Жуков И.В.

г. Ростов-на-Дону

2009 г.

У ДК 621.43

Реферат

Курсовой проект содержит: 26 страниц, 1 рисунок, библиография: 1 литературный источник.

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС, РАСЧЕТНАЯ ИНДИКАТОРНАЯ ДИАГРАММА, ВНЕШНИЙ ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

В данном курсовом проекте приведен расчет рабочего процесса тепловозного двигателя внутреннего сгорания по методу профессора В.И. Гриневецкого. Определены параметры процессов наполнения, сжатия, сгорания, расширения и выхлопа. Рассчитаны индикаторные и эффективные показатели рабочего цикла, габаритные размеры двигателя, внешний тепловой баланс. Построена расчетная индикаторная диаграмма рабочего процесса двигателя.

Содержание

Введение 5

1. Расчет рабочего процесса двигателя 6

1.1. Расчет параметров рабочего процесса 6

1.2. Индикаторные и эффективные показатели рабочего цикла 16

2. Основные размеры двигателя 18

3. Внешний тепловой баланс двигателя 20

4. Построение расчетной индикаторной диаграммы 25

Список использованной литературы 26

1. Введение

Курсовой проект проектируется по заданию, где указаны основные характеристики двигателя: эффективная мощность двигателя N_е, кВт; частота вращения коленчатого вала, n, мин^-1; число цилиндров i; тактность двигателя ; способ наддува или продувки; химический состава топлива.

По заданию:

N_е=2200 кВт;

n=1000, мин^-1;

 =4;

i =16;

С=0,84;

H=0,135;

S=0,004;

O_Т=0,021;

Расчет рабочего процесса двигателя ведется по методу профессора В.И. Гриневецкого, в дальнейшем развитый и дополненный Н.Р. Брилингом, Е.К. Мазингом и др. Для его выполнения обычно задаются: Чтобы решить поставленную задачу, необходимо задаться значениями параметров рабочего процесса, которые выбираются на основе опытных данных существующих двигателей, принятых за образец. Данные параметры будем выбирать, и принимать по ходу выполнения курсового проекта.

2. Расчет рабочего процесса двигателя

2.1. Расчет параметров рабочего процесса

2.1.1. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, определяется по формуле:

(1)

(2)

где С, Н, S, О_т – относительное весовое содержание в топливе водорода, серы и кислорода, (задано по заданию);

_воз – молекулярная масса воздуха, равная 28,95.

Подставляем значения заданные по заданию и находим , по формулам (1) и (2):

2.1.2. Действительное количество свежего заряда воздуха:

(3)

(4)

где – коэффициент избытка воздуха. В дизельных двигателях . Принимаем =2,0.

2.1.3. Количество молей продуктов сгорания в точке «z»¹ и «чистых» продуктов сгорания:

(5)

(6)

Подставляем значения и получаем:

2.1.4. Объемные доли «чистых» продуктов сгорания и избыточного воздуха:

(7)

(8)

Производим проверку, должно соблюдаться равенство: r_o + r_в = 1,0; 0,51+0,49=1.

Процесс наполнения.

2.1.5. Давление в цилиндре двигателя в конце наполнения р_а принимают по опытным данным. При этом справедливы зависимости:

р_а = (0,9…0,95)  р_к – 4-тактные двигатели,

где p_к – давление наддува.

Д ля предварительной оценки требуемого давления наддувочного воздуха проектируемого двигателя можно воспользоваться следующей ориентировочной зависимостью:

где P_к, N_e, n, i – параметры проектируемого двигателя;

P^_к, N^_e, n^, i^ – параметры двигателя-прототипа.

В качестве двигателя прототипа выбираем двигатель 16ЧН26/26 (Д49) со следующими параметрами:

P’_к =0,23 МПа;

N^_e = 2208 кВт;

n’= 1000 мин^-1;

i^ =16.

Далее учитывая что двигатель 4-тактный находим p_а:

р_а = 0,94  0,229 = 0,22 МПа

2.1.6. Температура воздуха во впускном коллекторе:

(9)

где n_к – показатель политропы сжатия воздуха в надувочном компрессоре, принимаем в зависимости от типа компрессора и условий его охлаждения. n_к = 1,7…2,0. Принимаем, что n_к равно 2,0;

p₀ – давление окружающей среды, равное 0,1033 мПа;

Т₀ – температура окружающей среды, равное 288⁰С;

Т_охл – снижение температуры наддувочного воздуха в охладителе. Принимается в зависимости от давления наддувочного воздуха р_к и типа охладителя, принимаем Т_охл= 68 ⁰.

Далее подставляем все заданные значения и находим температуру воздуха во впускном коллекторе по формуле (9):

2.1.7. Коэффициент остаточных газов:

(10)

где Т_r – температура остаточных газов. Зависит в основном от коэффициента избытка воздуха и скоростного режима двигателя. Для номинального режима принимаем Т_r=850 К.

Т – подогрев свежего заряда воздуха от стенок цилиндра в процессе наполнения: Т=0…10 ⁰ для 4 тактных двигателей. Принимаем Т=5 ⁰

– геометрическая степень сжатия, для 4-х тактных двигателей =11…..16. Для нашего двигателя принимаем =13.

P_r – давление в конце выхлопа, находим по формуле P_r=(0,95….1,15)P_p – для двигателей с наддувом;

где P_p – находим из соотношения P_к/P_p и зависит от системы наддува и изменяется в пределах: 1,15….1,3 для 4-тактных двигателей. Так как двигатель 4-тактный то P_p=P_к/1,2=0,229/1,2=0,19 МПа.

Найденное значение P_p подставляем в формулу и находим давление в конце выхлопа МПа.

Все полученные значения подставляем в формулу (10) и находим:

Полученное значение _r необходимо сравнить с опытными данными двигателя-прототипа, полученное расхождение должно быть минимальным.

2.1.8. Температура свежего заряда воздуха в конце наполнения, определяем по формуле

(11)

2.1.9. Коэффициент наполнения определяем по формуле:

(12)

Процесс сжатия.

2.1.10. Как известно, процесс сжатия в реальном двигателе происходит по политропическому закону с переменным показателем политропы. В практике для упрочнения расчетов переменный показатель политропы заменяем некоторым средним показателем n₁ = 1,32…1,39. Значения n₁ показывают, что за весь период сжатия происходит отдача в стенки небольшого количества тепла, т.е. процесс сжатия в реальном двигателе очень близок к адиабатическому.

При этом из имеющего диапазона выбора значений средний показатель политропы сжатия принимаем равный n₁ = 1,34. Далее находим значения давление и температуры в конце сжатия P_c и Т_С по формулам:

(13)

(14)

Процесс сгорания.

2.1.11. Коэффициент молекулярного изменения  характеризует увеличение числа молей рабочего тела в процессе сгорания. Химический, или «чистый» коэффициент _о определяется из условия отсутствия в цилиндре двигателя остаточных газов (т.е. при _о = 0):

(15)

где – увеличение числа молей рабочего тела в процессе сгорания. Определяем по формуле (16):

(16)

Далее найдем коэффициент изменения подставляя полученное значение в формулу (15):

Коэффициент молекулярного изменения (при   0) в точке «z» определяется по формуле:

(17)

2.1.12. Давление в конце сгорания:

(18)

где  – степень повышения давления. Обычно значением  задаются в пределах  = 1,3…2,2. При этом необходимо проверить, чтобы при заданном  давление сгорания P_z не превышало опытных значений двигателя-прототипа. Принимаем равное 1,6. Тогда находим:

2.1.13. Температура в конце сгорания. Температура в точке «z» определяется по уравнению процесса сгорания:

(19)

где _z – коэффициент эффективного выделения тепла до точки «z». Выбирается по опытным данным. Обычно применяют в диапазоне _z = 0,7…0,85; После сравнения с опытными данными принимаем равный _z= 0,82;

Q_н – низшая теплота сгорания, для топлив нефтяного происхождения; равна 42500 кДж/кг;

– средняя мольная теплоемкость при постоянном объеме для смеси воздуха и продуктов сгорания;

– средняя мольная теплоемкость при постоянном давлении для продуктов сгорания.

При определении мольной теплоемкости обычно пренебрегают влиянием остаточных газов, считая свежий заряд состоящим только из воздуха. Так эта теплоемкость определяется для температуры Т_с, то найдем ее по формуле (20):

(20)

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания зависит от T_z, которая нам пока не известна, что затрудняет решение уравнения сгорания. Рекомендуется следующий метод решения. Считая рабочие газы состоящими из «чистых» продуктов сгорания (при  = 1) и избыточного воздуха, можно записать:

(21)

где значения коэффициентов k₁ k₂ и значения теплоемкости можно найти по формулам:

(22)

(23)

Т.к. расчет ведется для температуры Т_z, то:

Тогда:

(24)

Мольная теплоемкость «чистых» продуктов сгорания незначительно изменяется в зависимости от сорта топлива, сжигаемого в двигателе. Поэтому для любого состава топлива можно принять:

(25)

В данном выражении (25) неизвестное значение T_Z, для определения которого необходимо подставить неизвестное , найденные коэффициенты k₁ k₂ в (22) и (23), а так же (24) в выражение (21):

Подставляем полученное выражение в уравнение сгорания (20) и получаем квадратное уравнение относительно T_z:

Решая это уравнение, определяем температуру сгорания, которая получается T_z= 1854 К.

После определения температуры T_z находим степень предварительного расширения  по формуле:

(26)

Необходимо так же и проконтролировать полученные значения P_z и T_z с помощью следующих данных: для двигателей средней быстроходности P_z = 6,0…12,0 МПа, T_z =1700…1900 К; для быстроходных двигателей P_z = 6,0…13,0МПа, T_z =1800…2000 К.

Соответствие значений P_z и T_z можно также проконтролировать по опытным данным двигателя-прототипа. Необходимо помнить, что стремление к форсировке двигателя по степени наддува неизбежно приводит к увеличению Р_z. Однако, Р_z > 13 МПа нежелательны, так как вызывают перенапряжение деталей кривошипно-шатунного механизма и утяжеление двигателя.

Нежелательно и увеличение температуры сгорания T_z свыше 2000 К, которая у нас получилась T_z= 1854 К, так как это способствует более интенсивной диссоциации газов, сопровождающейся отъемом тепла от рабочего тела и сни жением _z. Но полученное значение удовлетворяет условию и, следовательно, принимать условий по снижению температуры не нужно. Снижение температуры T_z можно достигнуть за счет снижения Т_а и увеличения коэффициента избытка воздуха .

Процесс расширения.

2.1.14. Степень последующего расширения:

(27)

2.1.15. Параметры конца процесса расширения (давление и температура в конце расширения) вычисляются по формулам:

(28)

(29)

где n₂ – показатель политропы расширения определяется исходя из баланса теплоты за период расширения. По опытным данным выбирается в диапазоне от n₂ =1,21….1,28; принимаем, равный 1,25.

Далее значения показателя политропы расширения подставляем в (28) (29) и находим давление и температуру в конце расширения: