МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Гуров М.Н., Журкин В.Б., Спицын А.В., Маков П.В.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОЙ РАБОТЫ ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ «ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ АВТОМОБИЛЕЙ И ТРАКТОРОВ»

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Москва, 2014

УДК 629.113

ББК 39.15

Г 95

Рецензент:

Плешаков В.В., профессор кафедры ТИ-12

Гуров М.Н., Журкин В.Б., Спицын А.В., Маков П.В.

Методические указания по выполнению курсовой работы по учебной дисциплине «Энергетические установки автомобилей и тракторов»: учебно-методическое пособие. – М.: МГУПИ, 2014, 68 с.

Методическое пособие предназначено для самостоятельной работы студентов по выполнению курсовой работы. В пособии приведены последовательность выполнения курсовой работы, необходимые статистические данные для выбора исходных величин при выполнении теплового расчёта двигателя, методика расчёта и построение ВСХ двигателя, методика расчёта изменения суммарной силы, действующей на элементы кривошипного механизма по углу поворота коленчатого вала.

© МГУПИ, 2014

Содержание

Введение 5

1. Состав курсовой работы 5

2. Тепловой расчет 5

2.1 Выбор и обоснование параметров и показателей двигателя 6

2.2 Состав топлива 12

2.3 Определение степени сжатия 12

2.4 Низшая теплотворная способность топлива 15

2.5 Теоретически необходимое количество воздуха 15

2.6 Параметры состояния окружающей среды 16

2.7 Параметры состояния рабочего тела в характерных точках рабочего цикла 16

3. Показатели двигателя 26

3.1 Индикаторные показатели 26

3.2 Эффективные показатели двигателя 27

3.3 Основные геометрические размеры и показатели двигателя. 29

4. Методика построения индикаторной диаграммы 30

5. Скоростные характеристики двигателей. 38

5.1 Общие сведения 38

5.2 Построение внешней скоростной характеристики 39

6. Динамический расчет двигателя 41

6.1 Общие сведения 41

6.2 Исходные материалы к динамическому расчету двигателя 44

6.3 Приведение масс элементов кривошипно-шатунного механизма 49

6.4 Диаграмма сил инерции масс KШM, движущихся возвратно-поступательно 52

6.5. Диаграммы суммарных сил, действующих в КШМ 52

7. Пример теплового расчета двигателя 53

Приложение 1 Графические зависимости для определения , 62

Приложение 2 Графическая зависимость для определения 63

Приложение 3 Основные показатели двигателей 64

Приложение 4 Пример оформления графической части курсового проекта 65

Список литературы 68

Введение

Тепловой расчёт является первым этапом проектирования двигателя.

Грамотно выбранные и согласованные между собой исходные показатели являются залогом правильного расчёта параметров рабочего цикла и показателей двигателя. Результаты теплового расчёта, динамики и кинематики двигателя являются основой расчёта энергетических, экономических показателей при проектировании двигателя и расчета его элементов конструкции.

Приведённый в пособии материал позволит студенту осмысленно подойти к выполнению расчётов и анализу полученных результатов.

1. Состав курсовой работы

Курсовая работа состоит из двух частей: текстовой и графи­ческой (Приложение А).

Курсовая работа выполняется в соответствии с заданием, в котором указывается тип двигателя, конструктивная схема двигателя, тип ТПА и смесеобразования, расчетный режим - частота вращения - n об/мин, и эффективная мощность - N_e кВт, топливо и атмосферные условия - барометрическое давление - p₀ МПа и температура воздуха t °С.

Текстовая часть, выполненная на лис­тах писчей бумаги формата А4 рукописным или печатным способом, представляет собой расчетно-пояснительную записку в сброшюрован­ном виде и должна включать: "Титульный" лист, листы "Задание", "Содержание", "Введение"; разделы:

1. Тепловой расчет двигателя;

2. Расчет скоростной характеристики двигателя;

3. Динамический расчет двигателя;

а также "Заключение (выводы)", "Список использованных источни­ков", "Приложения".

Графическая часть в объеме двух листов формата А2 и включет индикаторные диаграммы, ВСХ, диаграммы сил и моментов действующих в кривошипно-шатунном механизме.

Другие требования к выполнению курсовой работы изложены в стандарте предприятия СТП МГУПИ 2068752-5-2006, которые необходимо соблюдать при выполнении курсового проекта.

2. Тепловой расчет

Качественный и количественный анализ процессов, протекающих в цилиндре поршневого ДВС, может быть выполнен на основании теп­лового расчета. Целью его является закрепление знаний студентов по теории ДВС и привитие будущим специалистам умений и навыков применении теории и научных методов анализа к решению практичес­ких задач, связанных с определением параметров рабочего цикла в характерных точках рабочего цикла, а также энер­гетических и экономических показателей проектируемого или модер­низируемого двигателя, на основании которых рассчитываются основ­ные размеры двигателя (диаметр цилиндра D, ход поршня S, радиус кривошипа R, длина шатуна L), определяются силы и моменты, дейс­твующие в КШМ, выполняются расчеты механизма газораспределения и систем двигателя, а также проверяются на прочность его (двигате­ля) основные детали.

2.1 Выбор и обоснование параметров и показателей двигателя

Непосредственному расчету предшествует предварительное согласование показателей и размеров двигателя, определяемых замыслом конструкции автомобиля и двигателя, и уровнем совершенства их элементов.

На данном этапе принимаются и взаимно увязываются величины: заданная мощность – N_{e max}, коэффициенты наполнения- η_v, коэффициенты избытка воздуха- α, среднего эффективного давления газов – p_е, мПа, основные геометрические размеры двигателя - диаметр цилиндра - D мм, ход поршня – S мм, Ψ=S/D. Выбор и согласование показателей осуществляется в соответствии с материалом рекомендуемого учебника «Автомобильные двигатели» Ч.1, «Теория двигателей».

Коэффициентом наполнения называется отношение действительного количества свежего заряда, поступившего в цилиндр, к тому количеству, которое могло бы заполнить рабочий объем при условиях на впуске соответствующих окружающей среде или выходу из компрессора).

где: ρ – плотность заряда на впуске, – количество воздуха (свежего заряда) действительно поступившего в цилиндр.

Таблица 2.1 Статистические показатели коэффициента наполнения двигателя

Тип двигателя	ην
Без наддува:
бензиновый	0,70 – 0,90
дизель	0,80 – 0,94
С наддувом	0,90 – 0,98

На рис. 2.1 и рис. 2.2 представлены зависимости, характеризующие изменения коэффициента наполнения в зависимости от режима работы двигателя и давления наддува.

Меньшее значение у двигателя с принудительным воспламенением объясняется большим сопротивлением его впускной системы. Уменьшение с падением частоты вращения коленчатого вала объясняется увеличением обратного выброса при движении поршня к ВМТ. Снижение с ростом оборотов объясняется увеличением гидравлического сопротивления на впуске двигателя. Повышение на указанных режимах обеспечивается регулированием фаз газораспределения и конфигурацией впускной трассы с целью повышения эффективности динамического напора воздуха на впуске двигателя.

Увеличение (рис. 2.3) с ростом нагрузки у двигателя с принудительным воспламенением объясняется уменьшением сопротивления впускной трассы при открытии дроссельной заслонки.

Падение у дизеля объясняется увеличением подогрева воздушного заряда в связи с увеличением температуры корпусных деталей.

Повышение с ростом давления наддува (рис. 2.4) объясняется повышением наполнения цилиндров свежим воздушным зарядом.

Рисунок 2.1 Изменение η_ν при работе двигателя на ВСХ: 1- двигатель с непосредственным впрыском “Renault”; 2 – АЗЛК-412; 3 – двигатель с непосредственным впрыском; 4 – ГАЗ-24; 5 – ГАЗ-53; 6 – ЗИЛ-375.

Рисунок 2.2 Изменение η_ν при работе двигателя на ВСХ: 1 – дизель с непосредственным смесеобразованием с ТКР π_к=3; 2 – дизель с ПЦН, π_к=1,9; 3 – дизель без наддува S/D=1,2; 4 – дизель без наддува S/D=1,0; 5 – малоразмерный быстроходный дизель S/D=1,0 без наддува.

В зависимости от типа смесеобразования, условий сгорания топлива, способа регулирования мощности, режима работы двигателя и других факторов количество воздуха, приходящееся на каждую массовую или объемную единицу топлива, может быть больше, равно или меньше теоретически необходимого для полного сгорания топлива.

Рисунок 2.3 Изменение η_v и δ_п от нагрузки при n=const

1 - η_v=f(N_e) дизель

2 - η_v=f(N_e) ЗИЛ-375 n=2000 об/мин

3 - δ_п=f(N_e) дизель

Рисунок 2.4 Зависимости η_v=f(π_к), P_a/P_k=f(π_к)

Для количественной оценки соотношения «топливо – воздух», то есть, качественного состава смеси, введено понятие коэффициента избытка воздуха, представляющего собой отношение действительного количества воздуха, содержащегося в горючей смеси, к количеству воздуха, теоретически необходимому для полного сгорания, содержащегося в ней топлива.

где - количество воздуха в кг теоретически необходимое для сгорания в расчете на 1 кг топлива; и - количество воздуха и топлива, действительно поступивших в цилиндры двигателя.

Максимальные значения энергетических индикаторных показателей (p_i, M_i, N_i) достигается не при , а при некотором обогащении смеси ( ), когда величина достигает максимума, несмотря на неизбежное уменьшение из-за неполноты сгорания. Это обусловлено особенностями рабочих процессов в двигателе, благодаря которым с обогащением смеси до увеличение выделения теплоты на единицу заряда преобладает над снижением индикаторного КПД ( ).

При обеспечивается максимальная скорость сгорания, что позволяет сгореть максимально возможное количество смеси вблизи ВМТ.

Смеси обогащённые до сгорают быстрее стехиометрических ( ), что способствует выделению теплоты вблизи ВМТ и более полному превращению выделившего при сгорании теплоты в работу. При работе двигателя по внешней скоростной характеристике величина остается практически постоянной на всех режимах. У дизеля же с непосредственным смесеобразованием на режиме , на режиме . Меньшие значения характерны для дизелей без наддува, большие для дизелей с регулируемым наддувом. Для двигателей с принудительным воспламенением на режиме , на режиме . (рис. 2.5)

При работе двигателя по нагрузочной характеристике величина у двигателей с принудительным воспламенением с ростом нагрузки возрастает до 1,15 потом резко падает до 0,9-0,95. У дизеля величина с ростом нагрузки снижается с 4-5 до 1,3-1.8.

Рисунок 2.5 Регулировочная характеристика по составу смеси при постоянном положении дроссельной заслонки

При расчете цикла, в зависимости от заданного режима, выбираются значения на основе статистических данных, как минимум на режимах максимального крутящего момента ( ) и максимальной мощности ( (табл. 2.2).

В двигателях с воспламенением от сжатия нижнее значение коэффициента избытка воздуха ограничивается пределом дымления. Оно зависит от типа смесеобразования, степени совершенства рабочего процесса и других факторов. В дизелях с неразделенными камерами сгорания значения α на номинальном режиме обычно принимают не ниже 1,5-1,6, при разделенных – не ниже 1,2-1,3. При значениях α, применяемых в дизелях, содержание в ОГ выбросов СО и СН меньше, чем в бензиновых двигателях, а оксидов азота NO_х больше вследствие высоких значений максимального давления цикла p_z. Зависимости содержания токсичных веществ в ОГ от нагрузки приведены на рис. 2.6,б.

При определении частоты вращения режима M_emax рекомендуется использовать статистические данные по величине коэффициента динамичности (табл. 1)

Таблица 1 Значение коэффициента динамичности

Тип двигателя
Дизель без наддува	0,4-0,6
Дизель с наддувом	0,3-0,9
Бензиновый двигатель	0,5-0,7

Рисунок 2.6 Зависимость содержания в ОГ токсичных веществ CH, CO, NO_x: а – от α (бензиновые двигатели); б – от нагрузки (дизель); К – показатель дымности

Таблица 2.2 Статистические значения коэффициента избытка воздуха α на N_{e max}

Факторы, влияющие на значение α	α
1. Бензиновые двигатели:
карбюраторные:	0,80 – 0,95
с впрыском топлива:
центральным	0,85 – 0,95
распределенным	0,90 – 0,95
непосредственным	0,90 – 0,95
с форкамерно-факельным зажиганием	0,85 – 0,98
2. Дизели
с неразделенными камерами:
объемное смесеобразования	1,50 – 1,70
пленочное	1,50 – 1,60
с разделенными камерами:
предкамерные	1,40 – 1,50
вихрекамерные	1,30 – 1,45
с наддувом	1,50 – 2,20

Для определения диаметра цилиндра D и хода поршня S необходимо выбрать их отношение Ψ=S/D. Различают короткоходные (Ψ<1) и длинноходные (Ψ ≥ 1) двигатели.

Величина Ψ=S/D определяет среднюю скорость поршня V_п.с и соответствующие механические потери, а также размеры двигателя. Согласно формуле V_п.с=Sn/30 при увеличении частоты вращения n для сохранения V_п.с в допустимых пределах необходимо уменьшить ход поршня S и следовательно Ψ. Чрезмерное уменьшение Ψ недопустимо, так как при этом ухудшается процесс смесеобразования и сгорания топлива, а его увеличение вызывает рост механических потерь и износ деталей цилиндропоршневой группы. Кроме того, Ψ влияет на наполнение цилиндров свежим зарядом, условия протекания теплообмена между рабочим телом и стенками внутрицилиндрового объема, на теплонапряженность, массово-габаритные и другие показатели двигателя.

При заданном V_h увеличение Ψ приводит к повышению силы давления газов на поршень. Также увеличиваются «вредные» объемы в надпоршневом зазоре. В результате экономические и экологические показатели двигателя ухудшаются.

Пределы изменения Ψ у современных двигателей приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3 Отношение S/D

Тип двигателя	Ψ
Бензиновый	0,7 – 1,05
Дизель	0,9 – 1,2