МУ по курсачу ДВС
.pdf
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра: «Теплотехника и энергообеспечение предприятий»
ОД.С.02.01 «Основы теории и расчета автотракторных двигателей»
МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
к выполнению курсового проекта
Специальность: 050501 Профессиональное обучение (агроинженерия) Специализация: механизация сельскохозяйственного производства
Уфа 2010
Методическое пособие разработано профессором Ф.З. Габдрафиковым и ассистентом М.А. Абраровым
Рекомендовано к печати кафедрой «Теплотехника и энергообеспечение предприятий» (протокол № __от «__»_______ 2010г.) и методической комиссией факультета механизации сельского хозяйства (протокол № __от «__»______2010г.).
Рецензент: к.т.н. И.Д.Гафуров
Ответственный за выпуск:
зав. кафедрой, к.т.н., доцент С.З. Инсафуддинов
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА |
5 |
ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЕКТА |
5 |
1 ВЫБОР ТИПА И ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЯ И |
|
ОБОСНОВАНИЕ ПРИНИМАЕМОГО СПОСОБА СМЕСЕОБРАЗО-
ВАНИЯ |
6 |
|
2 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ |
6 |
|
2.1 |
Процесс впуска |
8 |
2.2 |
Процесс сжатия |
8 |
2.3 |
Процесс сгорания |
9 |
2.4 |
Процесс расширения |
10 |
2.5 |
Процесс выхлопа |
11 |
3 ПОСТРОЕНИЕ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ И ОПРЕДЕЛЕ- |
||
НИЕ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ |
11 |
|
3.1 |
Построение индикаторной диаграммы |
11 |
3.2 Определение индикаторных показателей работы двигателя (рi, |
i |
|
и gi) |
|
12 |
3.3 |
Определение эффективных показателей работы двигателя |
14 |
4 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ЗАДАННОГО В ВАРИАНТЕ ПАРАМЕТРА |
||
НА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ДВИ- |
|
||
ГАТЕЛЯ |
15 |
||
5 |
УТОЧНЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОМ- |
|
|
ПЛЕКСНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СТЕПЕНИ ФОРСИРОВАННОСТИ |
|
||
ДВИГАТЕЛЯ |
16 |
||
6 |
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ |
17 |
|
7 |
КИНЕМАТИЧЕСКИЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КРИВО- |
|
|
ШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА |
18 |
||
|
7.1 |
Построение полукруга Брикса и графика инерционных усилий |
19 |
|
7.2 |
Построение графика тангенциальных сил |
20 |
|
7.3 |
Расчет маховика |
21 |
8 |
РАСЧЕТ СИСТЕМЫ ТОПЛИВОПОДАЧИ |
23 |
|
|
8.1 |
Расчет системы топливоподачи дизельного двигателя |
23 |
|
8.1.1 Расчет плунжерной пары |
23 |
|
|
8.1.2 Расчет форсунки |
23 |
|
|
|
3 |
|
8.2 Расчет системы топливоподачи ДсИЗ |
24 |
8.2.1 Диаметр диффузора |
24 |
8.2.2 Диаметр жиклера |
25 |
9 ВНЕШНЯЯ СКОРОСТНАЯ (ДСиЗ) И РЕГУЛЯТОРНАЯ (ДИЗЕЛЯ) |
|
ХАРАКТЕРИСТИКИ |
25 |
10 СВОДНЫЕ ДАННЫЕ СПРОЕКТИРОВАННОГО ДВИГАТЕЛЯ |
29 |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК |
30 |
ПРИЛОЖЕНИЕ |
31 |
4
ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
Цель курсовой проекта – овладение методикой и навыками самостоятельного решения инженерных задач в области двигателей внутреннего сгорания.
Студенту выдается задание на курсовой проект по расчету двигателя трактора (автомобиля).
Курсовой проект состоит из разделов:
-выбор типа и основных параметров двигателя и обоснование принимаемой формы камеры сгорания и схемы коленчатого вала, анализ процессов смесеобразования и сгорания (для принятой камеры сгорания) с использованием индикаторной диаграммы;
-тепловой расчет двигателя;
-построение индикаторной диаграммы, удельных сил инерции, диаграммы удельных тангенциальных усилий для одного цилиндра и суммарной удельной тангенциальной силы для всех цилиндров; определение индикаторных и эффективных показателей двигателя;
-определение основных размеров, удельной и объемной поршневой мощностей двигателя;
-тепловой баланс двигателя;
-изображение усилий, действующих на детали кривошипношатунного механизма (КШМ) при заданном его положении;
-расчет маховика и разработка его рабочего чертежа;
-расчет системы топливоподачи двигателя.
ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЕКТА
Все расчеты выполняются в международной системе измерений СИ. Курсовой проект оформляется строго соблюдая требования стан-
дарта предприятия – СТО 0493582-003-2009 в виде пояснительной записки формата А4 с необходимыми схемами, таблицами, графиками.
Все графики строятся в одинаковом масштабе. Графический материал выполняет на ватмане формата А1.
5
1 ВЫБОР ТИПА И ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЯ И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНИМАЕМОГО СПОСОБА СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ
Тип двигателя (дизельный или с искровым зажиганием (ДсИЗ)), число и расположение цилиндров принимаются с учетом его назначения, условий работы и технико-экономических показателей (сложность конструкции и проведения технического обслуживания, моторесурс, стоимость изготовления и ремонта, экономичность и т.д.).
Обоснование выбора приводится в пояснительной записке.
Форму коленчатого вала (расположение колен) следует определять с учетом необходимости обеспечения высокой равномерности крутящего момента и упрощения решения вопросов уравновешивания двигателя.
Принимаемые формы коленчатого вала двигателя, камеры сгорания и способ смесеобразования следует обосновать, учитывая назначение двигателя и требования к его технико-экономическим показателям и простоте конструкции.
В пояснительной записке следует дать подробный анализ процессов смесеобразования и сгорания (для принятой камеры сгорания) с использованием развернутой индикаторной диаграммы.
2 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ
Тепловой расчет двигателя производится с целью нахождения показателей рабочего цикла, необходимых для построения индикаторной диаграммы и определения мощностных и экономических показателей работы двигателя.
Расчет рабочего цикла производится для режима работы двигателя соответствующего номинальной мощности и нормальным условиям окружающей среды.
Индикаторная диаграмма строится расчетным путем на основе вычисленных основных параметров характерных точек для процессов впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска.
6
Предварительно ориентируясь на заданную мощность Nе, выпол-
ненные двигатели и принятый коэффициент избытка воздуха α |
назна- |
чаются приближенные значения удельного расхода топлива ge |
и коэф- |
фициента наполнения цилиндра двигателя v. |
|
Дается обоснование принятых значений ge и v.
После этого проводится ориентировочный расчет двигателя следующим образом.
Находится ориентировочное значение цикловой подачи топлива gц |
||||||
в мм3/цикл: |
|
|
|
|
|
|
V |
ge |
|
Ne |
|
, |
(2.1) |
60 n |
i |
|
|
|||
|
|
Т |
|
|||
|
|
|
|
|
||
где n и i – частота вращения коленчатого вала, мин-1 и число цилиндров двигателя;
ge - эффективный удельный расход топлива, г/(кВт∙ч);
- коэффициент тактности двигателя (τ=1– если двухтактный и 2 - четырехтактный);
Ne - эффективная мощность двигателя, кВт; ρТ - плотность топлива, г/мм3.
Для определения объема воздуха, поступающего в цилиндр двигателя в процессе впуска Vо, необходимо предварительно вычислить его плотность на впуске к [кг/м3]:
к = |
p0 |
10 |
6 |
, |
(2.2) |
|
Rв |
Т |
|
|
|||
|
о |
|
||||
где p0 - давление окружающей среды (p0=pк для двигателей с наддувом, где pк- давление наддува), МПа;
То- температура окружающей среды (Т0=Тк для двигателей с наддувом, где Тк- температура надувочного воздуха), К;
Rв - газовая постоянная воздуха, Дж
кг 
К .
Для двигателя с наддувом вместо То принимается Тк – температура воздуха после компрессора [К]:
|
|
|
|
nk |
1 |
|
||
|
|
pk |
|
|
|
|
||
Tk |
T0 |
|
|
nk |
, |
(2.3) |
||
po |
||||||||
|
|
|
|
|
||||
где То- температура окружающей среды, К; pк- давление наддува, МПа;
p0 - давление окружающей среды, МПа;
nk – показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре.
7
Учитывая, что для сгорания одного кг топлива требуется примерно Lo/= 14,5 кг воздуха, для вычисленной цикловой подачи находится требуемый объем воздуха [м3]:
Vо = |
L0 |
/ |
V |
, |
(2.4) |
|
К |
103 |
|||
|
|
|
|
где ΔV - цикловая подача топлива, г/цикл; α- коэффициент избытка воздуха.
Дается обоснование выбранного значения коэффициента избытка воздуха .
Приняв коэффициент короткоходности k определяются ориентировочные значения диаметра D [м] и хода поршня S [м]:
D |
3 |
4 Vо |
v |
, |
(2.5) |
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где k- коэффициент короткоходности; |
|
|
|
||
ηv- коэффициент наполнения цилиндра свежим зарядом. |
|
||||
|
S k D |
|
|
(2.6) |
|
Ориентируясь на эти значения, ведется уточненный тепловой расчет двигателя. Окончательные значения D и S уточняются по результатам теплового расчета двигателя.
Тепловой расчет начинается с процесса впуска. |
|
|||||||
2.1 Процесс впуска |
|
|
|
|
|
|
|
|
Температура в конце процесса впуска Та |
[К]: |
|
||||||
Т а |
|
Т 0 |
|
Т |
r |
Т r |
, |
(2.7) |
|
|
|
1 |
r |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где Т – подогрев свежего заряда, К; |
|
|
|
|
||||
r – коэффициент остаточных газов; |
|
|
|
|
||||
Тr – температура остаточных газов, К. |
|
|
|
|||||
Давление в конце впуска pа [кПа]: |
|
|
|
|
||||
ра |
(0,85...0,9) |
р0 . |
|
|
(2.8) |
|||
2.2 Процесс сжатия |
|
|
|
|
|
|
|
|
Давление в конце сжатия pс [кПа]: |
|
|
|
|
||||
|
р |
р |
n1 , |
|
|
|
(2.9) |
|
|
с |
|
а |
|
|
|
|
|
где n1 - средний показатель политропы сжатия; ε- степень сжатия.
8
Величину n1 можно определить (если она не задана) по эмпирической формуле профессора В.А. Петрова, как функцию от угловой скорости вращения коленчатого вала.
Температура в конце сжатия Тс [К]:
Тс Т |
n1 |
1 |
, |
(2.10) |
а |
|
2.3 Процесс сгорания
Предварительно находится теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива [кмоль/кг]:
Lo |
1 |
|
C |
|
H |
|
O |
, |
(2.11) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
0,21 |
12 |
4 |
32 |
|||||||
|
|
|
||||||||
где С, Н и О – содержание углерода, водорода и кислорода в топливе, кг.
Затем определяется действительное количество воздуха [кмоль/кг]:
L |
L0 . |
(2.12) |
Вычисляется число молей газов после сгорания:
- при |
1: М Г |
L |
|
H |
|
|
O |
; |
(2.13) |
||
4 |
|
32 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||
- при |
1: M Г |
L |
H |
|
|
O |
0,21(1 )L0 . |
(2.14) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
4 |
|
32 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Находятся последовательно химический β0 и действительный β коэффициенты молярного изменения:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M |
, |
|
|
|
|
|
(2.15) |
|
|
|
|
|
|
|
o |
|
L |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
o |
r |
. |
|
|
|
|
(2.16) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Мольная теплоемкость чистого воздуха в конце сжатия μvc, в |
|
|||||||||||||||||
кДж/(кмоль∙К): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
сvc |
|
a |
вТ с , |
|
|
|
|
(2.17) |
|||||
где а = 20,16 и в = 1,738 10-3 – постоянные коэффициенты. |
|
|||||||||||||||||
Для продуктов сгорания (в конце сгорания): |
|
|
|
|
||||||||||||||
- при |
1: |
с z |
(18 2,54 ) |
(15,1 |
13,5 ) |
10 4 |
T |
z |
, |
(2.18) |
||||||||
|
|
v |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- при |
1: |
с z |
19,6 |
0,9 |
|
13,5 |
|
|
15,49 |
|
10 4 T |
|
|
|
(2.19) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
z |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
v |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9
Мольная теплоемкость при постоянном давлении:
с рz 
сvz 
R , (2.20)
где R=8,314 кДж/ (кмоль∙К) – универсальная газовая постоянная.
Температура в конце сгорания Тz [К] определяется по формулам:
- для дизеля: |
|
Qн |
|
( |
с с |
8,314 |
) T |
с z T |
|
, |
(2.21) |
|||
|
|
|
z |
|||||||||||
|
|
L (1 |
r ) |
v |
|
|
c |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
- для ДсИЗ: |
|
(Qн |
Q) |
|
с c |
T |
с z T |
, |
|
|
|
(2.22) |
||
|
|
L |
(1 |
r ) |
v |
c |
v z |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
где – коэффициент использования тепла (дляДсИЗ |
=0,85...0,95; для |
|||||||||||||
дизелей =0,7…0,85); |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Qн– низшая удельная теплота сгорания (бензин - QH=44000 кДж/кг, дизельное топливо - QH=42500 кДж/кг);
Q –потеря тепла из-за неполноты сгорания, кДж/кг.
Для случая, когда |
1 [кДж/кг]: |
|
|
Q |
119950 (1 |
) L . |
(2.23) |
|
|
0 |
|
Затем находится степень нарастания давления |
р. |
||
Для дизельных двигателей величину р следует принять в соответствии с типом камеры сгорания и затем определить максимальное давление сгорания pz [кПа]:
рz |
р рc , |
(2.24) |
||
Для ДсИЗ величина р определяется по формуле: |
|
|||
|
|
Tz |
. |
(2.25) |
p |
|
|
||
|
Tc |
|
||
|
|
|
||
2.4 Процесс расширения
Для дизеля находится степень предварительного расширения ρ:
|
|
Тz |
, |
(2.26) |
|
|
|||
р Tc |
|
|||
и затем степень последующего расширения δ:
. (2.27)
Давление в конце расширения pe [кПа]:
p |
|
pz |
, |
(2.28) |
e |
|
|||
|
n2 |
|
||
где n2 - показатель политропы расширения
10