Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО Пензенский государственный университет

Кафедра (предметная комиссия) «Транспортные машины»____________

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Студет Пронин В.В. код _________ группа 10МД1

(фамилия, инициалы)

1. Тема ______«Конструирование ДВС»_______________________

________________________________________________________________

2. Срок представления работы к защите “___” _________ 201__г.

3. Исходные данные для проектирования (научного исследования) _______

Дизельный двигатель для магистрального тягача. Номинальная мощность двигателя 160 кВт. Номинальная частота вращения коленчатого вала 2500 мин^-1.Рекомендуемый прототип 8ЧН 12/12. Провести тепловой расчет ДВС, для деталей поршневой и шатунной группы.______________________

4. Содержание пояснительной записки курсового проекта (работы):

4.1. Выбор основных параметров двигателя__________________________

4.2. Определение параметров рабочего цикла двигателя________________

4.3. Тепловой расчет двигателя_____________________________________

4.4. Определение теоретических характеристик двигателя_______________

4.5. Построение индикаторной диаграммы___________________________

4.6. Тепловой баланс двигателя____________________________________

4.7. Скоростные характеристики двигателя___________________________

5. Перечень графического материала: _1-й графический лист индикаторная диаграмма ДВС.

Руководитель работы _____________ ____________________

(подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Задание принял к исполнению ____________ “___” _________ 201__ г.

Реферат

Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки и графической части. Содержит тепловой, кинематический, динамический и прочностной расчет автотракторного двигателя:

Расчет рабочего цикла двигателя;

Определение основных размеров двигателя;

Эффективные и экономические показатели двигателя;

Тепловой баланс двигателя;

Построение индикаторной диаграммы;

Скоростные характеристики двигателя;

Кинематический расчет КШМ;

Динамический расчет двигателя;

Прочностные расчеты основных деталей.

Введение

Современные поршневые двигатели внутреннего сгорания достигли высокой степени совершенства, продолжая тенденцию непрерывного роста удельных (литровой и поршневой) мощностей, снижения удельной материалоемкости, токсичности отработанных газов, снижения удельных расходов топлива и масел, повышения надежности и долговечности.

Анализ тенденций развития конструкций тракторов и автомобилей показывает большую перспективность применения поршневых двигателей в ближайшие 10 ...15 лет.

Важным элементом подготовки инженеров данного направления является курсовая работа по разделу «Теория рабочих процессов в ДВС».

Цель курсовой работы состоит в овладении методикой и навыками самостоятельного решения по проектированию и расчету автотракторных двигателей внутреннего сгорания на основе приобретенных знаний при изучении дисциплины «Теория рабочих процессов и моделирование ДВС».

Проектирование двигателя включает: тепловой, кинематический, динамический и прочностной расчеты двигателя.

1.Тепловой расчет проектируемого двигателя

Тепловой расчёт позволяет с достаточной степенью точности аналитическим путем определить основные параметры вновь проектируемого двигателя. Он даёт исходные данные для кинематического, динамического расчётов, а также расчётов теплонапряженного состояния основных деталей двигателя.

1.1 Выбор недостающих исходных данных.

Исходя из требования обеспечить приемлемые динамические качества грузового автомобиля, примем, что на 1 тонну его массы должна приходиться мощность 6…16 кВт. Тогда требуемая мощность двигателя

Рабочий объём двигателя: iV_h' = 10,85 л.

Таким образом, требуемая литровая мощность двигателя

Полученный показатель литровой мощности может быть обеспечен только при использовании наддува. Оценим потребные давления за компрессором Р_к для номинального режима и режима максимального крутящего момента, приняв в соответствии с современными требованиями

Зададимся номинальной частотой вращения

Основные расчетные частоты вращения для дизелей:

1) режим минимальной частоты

2) режим наибольшего крутящего момента

;

3) промежуточный режим

4) Максимальная частота вращения коленчатого вала на режиме холостого

хода, ограниченная регулятором

.

Примем степень сжатия двигателя ε = 17, что с одной стороны позволит избежать чрезмерных значений Р_z, а с другой стороны обеспечит надёжный запуск двигателя. Будем считать, что в двигателе реализуется объёмное смесеобразование в неразделённых камерах сгорания.

У дизелей для обеспечения выгодного протекания ВСХ применяют прямой корректор подачи топлива, с которым коэффициент избытка воздуха α возрастает по мере увеличения частоты вращения. Наименьшим значениям α соответствует частота n_м, при которой развивается наибольший крутящий момент. Для снижения дымности при частотах вращения n < n_м, используется обратный корректор, обедняющий смесь.

У дизелей с наддувом значения α следует задавать на 10…20% выше, чем у безнаддувных – во избежание чрезмерных тепловых нагрузок на детали ЦПГ.

Характер зависимости Т_r(n) формируется, в основном, под влиянием изменения цикловых подач топлива прямым и обратным корректорами.

Основные свойства дизельного топлива – средний элементарный состав, молекулярная масса m_т, низшая теплотворная способность Н_u , теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива l₀ (или L₀), приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Основные свойства дизельного топлива

Величина	Ед.изм.	Бензин	Диз.топливо	Метанол	Этанол	Диметилэфир
С*	кг/кг топл	0,855	0,87	0,375	0,52	0,522
Н*	кг/кг топл	0,145	0,126	0,125	0,13	0,13
О*	кг/кг топл	-	0,004	0,5	0,35	0,348
mr	кг/кмоль	115	190	32	46	46
Hu	кДж/кг	43930	42440	19950	27720	28800
l0	кг возд/кг топл	14,957	14,452	4,11	5,79	9,061
L0	кмоль/кг топл	0,516	0,45	0,22	0,31	0,31

Теоретически необходимое количество воздуха в кг для сгорания 1кг топлива

,

Теоретически необходимое количество воздуха в кмоль для сгорания 1 кг топлива

,

.

Коэффициент избытка воздуха

,

.

Низшая теплота сгорания топлива

,

.

Для более полной характеристики тепловой оценки топлива необходимо знать не только теплоту сгорания самого топлива, но и теплоту сгорания топливовоздушной смеси.

Теплота сгорания рабочей смеси: ,

Потребные значения давления Р_к за компрессором для обеспечения заданной мощности N_e дизеля и характера кривой крутящего момента ориентировочно определяют в следующем порядке:

Для номинального режима работы двигателя

Исходя из эмпирических данных при среднем наддуве давление за компрессором ,

где .

Температура за компрессором ,

где - показатель политропы сжатия в компрессоре.

.

Глубина охлаждения заряда в ОНВ ,

Для расчёта процессов газообмена необходимо задаться некоторыми параметрами впускной и выпускной систем. Для лучшего наполнения и очистки на каждый цилиндр устанавливается по два впускных и выпускных клапана.

Диаметр и высота подъема впускных клапанов, соответственно

.

Общая площадь сечения клапанных щелей

.

Коэффициент гидравлического сопротивления впускного клапана

;

,

где .

Коэффициент расхода впускного клапана

.

Диаметр каждого выпускного клапана

Общая площадь сечения выпускных клапанов

.

Коэффициент гидравлического сопротивления выпускного клапана

;

,

где

Коэффициент расхода выпускного клапана

1.2 Определение параметров рабочего тела.

Количество горючей смеси

.

,

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания обогащенной смеси (α > 1):

- углекислый газ ,

;

- водяной пар ,

;

- кислород ,

;

- азот ,

.

Общее количество продуктов сгорания

,

1.3 Расчёт основных процессов цикла.

Процессы газообмена.

Основная задача расчёта газообмена состоит в определении количественных и качественных показателей наполнения цилиндров свежим зарядом и очистки их от отработавших газов. Степень очистки и наполнения цилиндра определяется потерями давления свежего заряда в различных элементах впускной трассы.

Потеря давления в воздухоочистителе (МПа)

,

где для дизелей при работе на номинальной мощности.

Давление за воздухоочистителем (МПа) ,

Плотность заряда за воздухоочистителем (кг/м³)

,

Степень повышения давления в компрессоре ,

- принятое значение давления за компрессором (МПа).

Температура за компрессором ,

где n_к – показатель политропы сжатия в компрессоре. Ориентировочно, для центробежных компрессоров n_K = 1,2…1,6.

Снижение давления в ОНВ ,

где (для дизелей).

Давление за охладителем наддувочного воздуха ,

.

Температура заряда за ОНВ ,

.

Потеря давления во впускном трубопроводе (МПа)

,

где (для дизелей).

Давление во впускном трубопроводе, перед клапаном (МПа)

.

Средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускного клапана (м/с)

Плотность заряда во впускном трубопроводе перед клапаном (кг/м³)

,

.

Потеря давления во впускном клапане (МПа)

,

.

Давление в цилиндре в конце впуска (МПа) ,

Давление остаточных газов (МПа) ,

,

где - давление в выпускной системе ,

Зададимся подогревом заряда при впуске ΔТ от стенок впускного трубопровода (коллектора), стенок цилиндра и днища поршня. При значения ΔТ составляют: 20…30 К - у дизелей с наддувом. При подогрев ΔТ: 10…15 К - у дизелей с наддувом. Изменение подогрева по частоте вращения принимается линейным.

Зададимся значением коэффициента до зарядки

Коэффициент остаточных газов

где температура остаточных газов для дизелей.

Температура заряда в цилиндре в момент окончания впуска (К)

,

,

где - коэффициент, учитывающий различие теплоемкости свежего заряда и остаточных газов.

Коэффициент наполнения, характеризующий качество процессов теплообмена

1.4 Процессы сжатия и сгорания.

Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси

,

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

,

Теплота сгорания рабочей смеси, кДж/кмоль

,

Средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания при температуре

t_с°=564 C, определяется по таблице с помощью интерполяции, кДж/(кмоль К)

где 23,157 и 23,320 значения теплоемкости продуктов сгорания при 500 соответственно при

где 23,541 и 23,716 значения теплоемкости продуктов сгорания при 600

соответственно при

Тогда средняя мольная теплоемкость при 564 будет равна

Мольная теплоёмкость смеси свежего заряда и остаточных газов, кДж/(кмоль К) ,

,

где ,

.

,

.

Показатель политропы сжатия: ,

.

Расчетное давление окончания сжатия в точке с₂ (ВМТ), МПа:

,

Температура окончания сжатия (К): ,

или

.

Коэффициент использования тепла при сгорании определяем, основываясь на статистических данных для двигателей различных типов. Эта величина учитывает потери тепла при сгорании, вызванные теплообменом со стенками цилиндра и днищем поршня, диссоциацией продуктов сгорания, утечками рабочего тела и др. У дизелей более высокие значения выбираются при газотурбинном наддуве, способствующем созданию условий для смесеобразования и сгорания. для дизелей.

Величина степени повышения давления для дизелей устанавливают по опытным данным, для дизелей , мы принимаем равной 1,65.

Температура Т_Z в конце сгорания определяется из уравнения первого начала термодинамики, записанного в виде

,

Получаем квадратное уравнение относительно t_z, °C

,

Обозначив

.

Решение этого уравнения

,

.

Переведем в К

Определяем давление в конце сгорания ,

Степень предварительного расширения ,

.

Процессы расширения и выпуска.

Степень последующего расширения ,

Учитывая, что по опытным данным величина среднего показателя политропы расширения незначительно отличается от показателя адиабаты и, как правило, в меньшую сторону, при предварительных расчетах величину можно определить по величине

Давление в конце расширения (МПа) ,

Температура (К) в конце расширения ,

Температура остаточных газов (К)

Проверка совпадения с выбранными в начале расчёта значениями температуры остаточных газов Т_r ,

.

Допустимая погрешность [Δ] не должна превышать 30%.

1.5 Показатели цикла и двигателя в целом.

Индикаторные показатели.

Теоретическое среднее индикаторное давление цикла (МПа)

Действительное среднее индикаторное давление (МПа), с учетом скругления диаграммы рабочего цикла ,

Индикаторный КПД

,

.

Удельный индикаторный расход топлива (г/кВт ч)

,

.

Индикаторная мощность (кВт)

,

где iVh’ – полный рабочий объем двигателя (л), имеющего i цилиндров.

Индикаторный крутящий момент (Н м) ,

1.6 Механические потери.

Механические потери в ДВС оцениваются средним давлением механических потерь Р_m, которое в зависимости от средней скорости поршня рассчитывается по формуле ,

.

,

Таблица 1.2 – Значение коэффициентов и для дизелей

Тип дизеля	ам	bм
с неразделенными камерами сгорания	0,089	0,0118
вихрекамерные	0,089	0,0135
предкамерные	0,103	0,0153

Механический коэффициент полезного действия

,

.

1.7 Эффективные показатели.

Среднее эффективное давление цикла (МПа)

,

Эффективный коэффициент полезного действия

,

.

Удельный эффективный расход топлива (г/кВт час)

,

Эффективная мощность (кВт)

,

Эффективный крутящий момент (Н м):

,

.

Часовой расход топлива (кг/час):

,

.

1.8 Построение и анализ ВСХ

По результатам теплового расчета двигателя строится внешняя скоростная характеристика (ВСХ). Характер протекания ВСХ оценивается:

1. Коэффициентом приспособляемости

.

где М_е,max – максимальный крутящий момент, М_е – крутящий момент при номинальной мощности.

2. Скоростным коэффициентом

где n_M и n_N – частоты вращения коленчатого вала, соответствующие максимальному крутящему моменту и номинальной мощности.

3. Литровой мощностью двигателя:

Чем выше К_m и ниже К_с, тем лучше двигатель приспосабливается к изменению внешней нагрузки, а автомобиль обладает высокими динамическими характеристиками.

1.10

Тепловой баланс.

Тепловой баланс позволяет определить тепло, превращенное в полезную эффективную работу, т.е. установить степень достигнутого совершенства теплоиспользования и наметить пути уменьшения имевшихся потерь.

Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом

,

Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1 секунду

,

.

Теплота, передаваемая охлаждающей среде

,

где С – коэффициент пропорциональности С=0,45 … 0,53, а

m – показатель степени m = 0,6 … 0,7.

Теплота, унесенная с отработавшими газами

,

,

где .

Неучтенные потери теплоты

.