МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Сервис и техническая эксплуатация

автотранспортных средств»

Методические указания

к выполнению курсовой работы по дисциплине

«Силовые агрегаты»

Ростов-на-Дону 2013

Составитель: к.т.н., доцент А.И. Шипулин

Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Силовые агрегаты»: Ростов-на-Дону. Издательский центр ДГТУ, 2013. - с

Методические указания содержат необходимые пояснения к выполнению курсовой работы по дисциплине «Силовые

агрегаты» и предназначены для студентов очного, и

сокращенного обучения направления 190600 - «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов».

Печатается по решению методической комиссии факультета «Авиастроение. Транспорт, сервис и эксплуатация».

Научный редактор к.т.н., доцент В.Ю. Валявин

Рецензент д. т. н., проф. А.Д. Дьяченко

© А.И. Шипулин, 2013

© Издательский центр ДГТУ, 2013

I. Цели и задачи курсового проектирования

Выполнение курсовой работы по тепловому расчету двигателей внутреннего сгорания один из этапов подготовки бакалавров в области эксплуатации транспортно-технологических машин и комплексов.

Целью курсового проектирования является систематизация, закрепление и расширение теоретических знаний по дисциплине «Силовые агрегаты», а также более глубокое изучение отдельных разделов данной дисциплины, приобретение опыта самостоятельного решения вопросов, связанных с расчетом двигателей внутреннего сгорания.

Курсовую работу студенты выполняют самостоятельно с учетом современных методов расчетов. Работа над курсовой работой и ее защита должны выявить общую техническую подготовку студента, глубину его теоретических и инженерных знаний.

2. Состав, содержание и объем курсовой работы.

2.1. Задание на курсовую работу. Задание на курсовую работу составляется руководителем работы и утверждается заведующим кафедрой. В задании формулируется тема курсовой работы, указываются основные исходные данные для выполнения расчетов.

2.2. Состав, объем и содержание курсовой работы. Курсовая работа состоит из двух основных частей: пояснительной записки объемом страниц, набранных на ЭВМ на формате и графической части ( ), желательно выполненный с помощью графического редактора на ЭВМ на стандартном формате , в соответствии с ГОСТ 2.301-68.

Пояснительная записка должна иметь следующий вид:

титульный лист; задание на курсовую работу; содержание; введение; основную часть, которая включает тепловой расчет, позволяющий определить основные показатели работы двигателя внутреннего сгорания, построение свернутой и развернутой индикаторной диаграммы двигателя.

Графическая часть курсовой работы может содержать вычерченные графики: свернутой индикаторной диаграммы; развернутой индикаторной диаграммы сил давления газов, удельных сил инерции и суммарной удельной силы.

3. Указания к выполнению курсовой работы

Курсовая работа разрабатывается в следующей последовательности: тепловой расчет двигателя, который включает определение теплоты сгорания топлива, параметров рабочего тела, параметров остаточных газов, расчет процесса впуска, сжатия, сгорания, расширения, определение индикаторных параметров рабочего цикла и эффективных показателей двигателя, расчет теплового баланса двигателя, построение свернутой индикаторной диаграммы и развернутой индикаторной диаграммы сил давления газов, удельных сил инерции и суммарной силы.

Ниже излагаются указания по выполнению каждого раздела курсовой работы.

3.1. Тепловой расчет двигателя. В основу теплового расчета двигателей внутреннего сгорания положено определение значений основных параметров цикла - впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска с последующим определением индикаторных и эффективных показателей, коэффициентов полезного действия, мощностных и экономических показателей. Обычно, тепловой расчет выполняется для режима работы двигателя, соответствующего максимальной мощности и номинальной частоте вращения.

3.1.1. Определение низшей теплоты сгорания топлива производим по формуле

где элементный состав топлива в массовых долях в 1-м кг топлива; цифровые коэффициенты – тепловые эффекты соответствующих составляющих топлива

3.1.2. Определение параметров рабочего цикла

При расчете параметров рабочего цикла в качестве параметров считать: теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1-го кг топлива; количество свежего заряда; общее количество продуктов сгорания.

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1-го кг топлива определяется по формулам с 4 [1]

, или

где теоретически необходимое количество воздуха в кг для сгорания1-го кг топлива; теоретически необходимое количество воздуха в кмолях. для сгорания1-го кг топлива; 0.23-массовое содержание кислорода в 1-м кг воздуха; масса 1-го кмоля воздуха.

Количество свежего заряда определяется по формуле

для бензиновых двигателей ,

для дизельных двигателей

где молекулярная масса паров топлива; коэффициент избытка воздуха.

Общее количество продуктов сгорания определяется по формуле

при и

при

3.1.3. Определение параметров остаточных газов

При расчете параметров остаточных газов в качестве параметров считать: давление и температуру.

Давление остаточных газов определяется по формуле

- без наддува

- с турбонаддувом

В соответствии с рекомендациями температура остаточных газов принимается:

для карбюраторных двигателей ;

для дизельных двигателей -

При выборе температуры остаточных газов, следует учитывать, что с увеличением степени сжатия и обогащением рабочей смеси температура остаточных газов уменьшается, а с увеличением частоты вращения коленчатого вала возрастает

3.1.4. Расчет параметров впуска

При расчете параметров впуска, сжатия, сгорания и расширения в качестве параметров считать: давление, температуру и объем с индексами в нижней части, обозначающими соответствующими точками индикаторной диаграммы

Температура подогрева свежего заряда принимается:

для карбюраторного двигателя ;

для дизельного двигателя

Плотность заряда определяется по формуле

где удельная газовая постоянная для воздуха.

Давление в конце впуска определяется по формуле

где потери давления на впуске в двигатель, которые определяются по формуле

коэффициент, учитывающий радиус кривошипа, диаметр поршня, длину шатуна, площадь наименьшего сечения коэффициента сопротивления впускной системы, коэффициента затухания скорости движения заряда; частота вращения коленчатого вала, .

Коэффициент остаточных газов определяется по формуле

Температура в конце впуска определяется по формуле

Коэффициент наполнения определяется по формуле

3.1.5. Расчет параметров сжатия.

Давление в конце сжатия определяется по формуле

где показатель политропы сжатия, который определяется по формуле ; число оборотов коленчатого вала.

Температура в конце сжатия определяется по формуле

Средняя молярная теплоемкость заряда (воздуха) в конце сжатия (без учета влияния остаточных газов) определяется по формуле

Число молей остаточного газа определяется по формуле

Число молей газов в конце сжатия определяется по формуле

3.1.6. Расчет параметров сгорания

Средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания в двигателе при постоянном объеме определяется по формуле

где температура в конце сгорания.

Число молей газов после сгорания определяется по формуле

Расчетный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси определяется по формуле

Количество теплоты, передаваемое газом на участке индикаторной диаграммы при сгорании 1-го кг топлива определяется по формуле

где - коэффициент использования теплоты; количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания, которая определяется по формуле

Температуру в конце сгорания определяется из уравнения сгорания

Подставив в данное выражение все известные величины, получим уравнение, решение которого позволит определить температуру в конце сгорания. Следует отметить, что температура в конце сгорания должна быть для карбюраторных двигателей ; для дизелей

Теоретическое давление в конце процесса сгорания определяется по формуле для дизельного двигателя

для карбюраторного двигателя

Действительное давление в конце процесса сгорания определяется по формуле

Степень повышения давления у карбюраторных двигателях определяется по формуле

Степень предварительного расширения у дизельных двигателей определяется по формуле

3.1.7. Расчет параметров расширения

Давление в конце процесса расширения определяется по формуле для карбюраторного двигателя

для дизельного двигателя .

где - средний показатель политропы расширения (карбюраторный двигатель) и (дизелей); степень последующего расширения, которая определяется по формуле

Температура в конце процесса расширения определяется по формуле: для карбюраторного двигателя ;

для дизельного двигателя

После расчета параметров цикла необходимо проверить правильность ранее принятого значения температуры остаточных газов (погрешность не должна превышать для нормального скоростного режима). Для этого определяется температура остаточных газов по формуле

Если ошибка превышает 5%, то необходимо повторить расчет с уточнением значения температуры остаточных газов.

3.1.8. Расчет индикаторных показателей рабочего цикла

Теоретическое среднее индикаторное давление цикла определяется по формуле

для карбюраторного двигателя

для дизельного двигателя

Действительное среднее индикаторное давление цикла для скругленной индикаторной диаграммы определяется по формуле

где коэффициент полноты индикаторной диаграммы, который принимается (карбюраторные двигатели) и (дизельные двигатели)

Индикаторный КПД двигателя определяется по формуле

Индикаторный удельный расход топлива определяется по формуле

3.1.9. Расчет эффективных показателей двигателя

Среднее давление механических потерь с учетом средней скорости поршня определяется по формуле

где и - коэффициенты, зависящие для карбюраторных двигателей от отношения хода поршня к диаметру цилиндра (при и при и ); для дизельных двигателей от конструкции камеры сгорания (с неразъемными камерами - и , с разделенными камерами - и средняя скорость поршня, которую определяем по формуле .

Среднее эффективное давление определяется по формуле

Механический КПД определяется по формуле

Эффективный КПД определяется по формуле

Эффективный удельный расход топлива определяется по формуле

Значение расчетной эффективной мощности определяется по формуле

где число цилиндров в двигателе; коэффициент тактности.

Сравниваем полученное расчетное значение эффективной мощности с заданным. Если расхождение в значении мощности не превышает 5%, то можно сделать вывод о правильности проведенного теплового расчета двигателя.

3.1.10. Расчет теплового баланса двигателя

В общем виде внешний тепловой баланс двигателя определяется из следующих составляющих

где - общее количество теплоты, введенное в двигатель с топливом; - количество теплоты, перешедшее в эффективную работу; - потери теплоты в отработавших газах; - количество теплоты, передаваемое охлаждающей жидкости; - потери теплоты вследствие неполноты сгорания топлива; - остаточные потери теплоты, не учтенные остальными составляющими теплового баланса.

Общее количество теплоты, введенное в двигатель с топливом определяется по формуле

где часовой расход топлива, который определяем по формуле

Теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя определяется по формуле

Теплота, потерянная с отработавшими газами определяется по формуле

где средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания и воздуха при заданных коэффициенте избытка воздуха температурах.

Теплота, передаваемая охлаждающей среде определяется по формуле

где коэффициент пропорциональности, зависящий от тактности двигателя; показатель степени, зависящий от тактности двигателя.

Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива определяется по формуле

Остаточные потери теплоты (неучтенные потери) определяются по формуле

Полученные результаты расчета свести в таблицу

Таблица. Основные величины теплового баланса двигателя

Составляющие теплового баланса	Величина
Общее количество теплоты, введенное в двигатель с топливом
Теплота, эквивалентная эффективной работе
Теплота, потерянная с отработавшими газами
Теплота, передаваемая охлаждающей среде
Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива
Неучтенные потери теплоты

3.1.11. Построение свернутой индикаторной диаграммы

Построение свернутой индикаторной диаграммы двигателя производим по данным теплового расчета. Диаграмму строим в прямоугольных координатах ,

где давление газов в цилиндре, а ход поршня.

Высота диаграммы должна быть в больше ее основания. Для построения рекомендуются следующие масштабы. масштабы давления: при принять , при - ; масштабы перемещения поршня: при ходе поршня меньше принять ; при ходе поршня больше - .

Затем от начала координат в масштабе по оси абсцисс откладываем значение приведенной высоты камеры сжатия ( ), которую определяем по формуле

и хода поршня .

Абсцисса точки на индикаторной диаграмме дизельного двигателя определяется по формуле

.

По оси ординат в масштабе откладываем величины давлений в характерных точках диаграммы, а также значение .

Построение политроп сжатия и расширения осуществляем по промежуточным точкам ( ). Значения давлений в промежуточных точках политропы сжатия определяются по формуле - ,

а для политропы расширения - .

Результаты расчета точек политроп свести в таблицу.

Таблица. Величины давлений в промежуточных точках

политропы сжатия и политропы расширения

№ точки		Политропа сжатия		Политропа расширения
1
2
3
4
5
6
7
8
9

Для скругления индикаторной диаграммы воспользуемся диаграммой фаз газораспределения для данного двигателя и в соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения зажигания определим положение точек по формуле для перемещения поршня

Результаты расчета свести в таблицу

Таблица. Положение точек на диаграмме

Точка	Положение точек

По полученным результатам строим свернутую индикаторную диаграмму.

3.2. Построение развернутой индикаторной диаграммы.

Перестроение индикаторной диаграммы в развернутую по углу поворота коленчатого вала производится по методу Ф.А. Брикса. Для этого под свернутой диаграммой строится вспомогательная полуокружность диаметром, равным отрезку хода поршня. Далее от центра полуокружности (точка О) вправо откладывается поправка Брикса, которая определяется по формуле

где радиус кривошипа; безразмерный кинематический параметр, равный отношению радиуса кривошипа к длине шатуна, который составляет .

Полуокружность делится лучами из центра O на 6 равных частей, через каждые из точки проводятся линии, параллельные этим точкам. Новые точки, полученные на полуокружности соответствуют углам поворота коленчатого вала . Из этих точек проводят вертикальные линии до пересечения с линиями индикаторной диаграммы и полученные значения давлений откладываются на вертикалях развертки для соответствующих углов поворота коленчатого вала.

В четырехтактных двигателях построение начинают с положения кривошипа, соответствующего ВМТ в начале такта впуска. Следует учесть, что на свернутой диаграмме давление отсчитывают от абсолютного нуля, а на развернутой - следует показать избыточное давление над поршнем. Для этого на развернутой диаграмме ось абсцисс располагают на продолжении линии атмосферного давления. Это делают по той причине, что со стороны картера на поршень в течение всего цикла действует давление равное атмосферному.

3.2.2. Построение диаграмм сил инерции и суммарной силы

Руководствуясь размерами двигателя ( и ) определяется масса частей, движущихся возвратно-поступательно, и масса частей совершающих вращательное движение. Для этой цели необходимо задаться конструктивными массами поршневой, шатунной групп и коленчатого вала. Значение масс поршня, шатуна и коленчатого вала определяется по формуле

где конструктивная масса детали, отнесенная к площади поршня (принимается из таблицы);

Таблица. Конструктивные массы деталей, отнесенных

к площади поршня

Элементы КШМ	Конструктивная масса
	карбюраторный	дизельный
Поршень (алюминиевый сплав)	80….150	150….300
Шатун	100…200	250…400
Коленчатый вал (кованный)	150…200	200…400
Коленчатый вал (литой)	100…200	150…300

площадь поршня, которая определяется по формуле

После этого производится расчет полного значения масс, а затем массу частей, движущихся возвратно-поступательно по формуле

где масса шатуна, приведенная к поршню,

Масса вращающихся деталей определяется по формуле

где масса шатуна, приведенная к коленчатому валу,

Удельные силы инерции возвратно-поступательных масс определяются по формуле

где угловая скорость коленчатого вала

Величина давления газов для соответствующих углов поворота коленчатого вала ( ) берется из развернутой индикаторной диаграммы.

Суммарная удельная сила, действующая на поршень, определяется алгебраическим сложением

.

Результаты расчета сводим в таблицу

Таблица. Расчетные данные удельной силы давления газов,

удельной силы инерции и удельной суммарной силы

0
30
60
690
720

Затем на развернутой диаграмме, в том же масштабе строят диаграмму удельных сил инерции возвратно-поступательного движения масс и удельной суммарной силы.