Двигателей внутреннего сгорания

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 11Следующая ⇒

Учебное пособие к курсовой работе по курсу

«Конструкции и основы расчета энергетических установок» для студентов очной и заочной форм обучения по направлению подготовки 190600.62 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов», профиль - «Сервис транспортных и транспортно-технологических машин и оборудования (Нефтегазодобыча)»

Г. Чайковский, 2019

УДК 621.43

Тепловой и динамический расчет двигателей внутреннего сгорания

Составители: к.т.н.  С.М. Клементьев, к.т.н. В.М. Федоров, к.т.н. Т.П.Чепикова.

Рецензент: зав. кафедрой АиАХ ПГТУ, к.т.н., доцент М.Ю. Петухов

2019 г.

Утверждено на заседании кафедры «Промышленных технологий» Чайковского технологического института (филиал) ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова

протокол № от   2019 г.

Электронная версия в Word 2000 находится в Чайковском технологическом институте (филиал) ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова

Учебное пособие содержит необходимые сведения и систематизированную методику теплового и динамического расчета автомобильных карбюраторных и дизельных двигателей. Подробно приведены примеры теплового расчета. Рассмотрены требования к оформлению курсовой работы.

Учебное пособие к курсовой работе по курсу «Конструкции и основы расчета энергетических установок» предназначено для студентов очной и заочной форм обучения по направлению подготовки 190600.62 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов», профиль - «Сервис транспортных и транспортно-технологических машин и оборудования (Нефтегазодобыча)».

ВВЕДЕНИЕ

В области развития и совершенствования двигателей внутреннего сгорания основными задачами на современном этапе являются: расширение использования дизелей и повышение их мощности; снижение топливной экономичности и удельной массы; снижение стоимости их производства и эксплуатации. Выполнение этих задач требует от специалистов, связанных с производством и эксплуатацией дви­гателей внутреннего сгорания, глубоких знаний их теории, конст­рукции и расчета.

Цель учебного пособия - дать студентам необходимые систематизированные рекомендации по выполнению курсовой работы, а также логически увязать отдельные части курса "ДВС, автомобили и тракторы".

При работе над курсовой работой у студентов возникает много вопросов, связанных с методикой и последовательностью ее выполнения, тратится много времени на изыскание необходимых сведений, помещенных в различных литературных источниках, вследствие чего выполнение курсовой работы студентами затягивается. Для облегче­ния выполнения курсовой работы учебное пособие снабжено примерами, литературой, а также основными данными, необходимыми для тепловых расчетов дизельных и карбюраторных двигателей.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Проблема - определение оптимальных параметров двигателя на стадии технического проектирования. Метод обучения - исследовательский.

Тепловой расчет позволяет с достаточной степенью точности аналитическим путем определить основные параметры вновь проекти­руемого двигателя.

На основе установленных или заданных исходных данных (типа двигателей, мощности N_e, частоты вращения коленчатого вала n, числа i и расположения цилиндров, отношения S / D, степени сжатия e) студенты производят тепловой расчет двигателя, в результате которого определяют основные энергетические (p_e, N_л), экономические (g_e, h _e) и конструктивные (D, S, V _h) параметры двигателя. Затем по результатам теплового расчета строят индикаторную диаграмму.

Параметры, полученные в тепловом расчете, используются при построении скоростной характеристики и являются исходными при проведении динамического и прочностных расчетов.

1.1. Мощность и частота вращения коленчатого вала

При расчете номинальная мощность двигателя N_e обычно зада­ется. Выбор или задание номинальной мощности определяется прежде всего назначением двигателя (для легкового или грузового автомобилей, трактора, СДМ и т.д.), его типом (карбюраторный, га­зовый, дизель), условиями эксплуатации. Мощность современных двигателей колеблется в очень широких пределах - 15... 500 кВт.

Другим важнейшим показателем двигателя является частота вращения коленчатого вала, характеризующая тип двигателя и его динамические качества. Длительное время существовала тенденция повышения частоты вращения коленчатого вала, что приводило к уменьшению габаритных размеров двигателя и его массы. Однако с увеличением частоты вращения возрастают инерционные силы, ухуд­шается наполнение цилиндров, возрастает токсичность сгорания, повышается износ деталей и узлов двигателя и снижается его срок службы. За последнее десятилетие частота вращения коленчатого вала двигателей практически стабилизировалась.

В настоящее время частота вращения коленчатого вала двига­телей колеблется в пределах, об/мин:

двигателей легковых автомобилей... ………………………...4000... 6000

грузовых автомобилей:

дизелей.................................................. ……………………………3000... 4000

карбюраторных.................................... ……………………………4000 …4500

тракторных дизелей и дизелей СДМ. ……………………….1500... 2500

1.2. Число и расположение цилиндров

Выбор числа цилиндров и их расположение зависят от мощностных, диагностических и конструктивных факторов. Наиболее рас­пространены четырех- и шестицилиндровые автомобильные двигатели. При особо высоких требованиях к массе и габаритным размерам число цилиндров автомобильных двигателей достигает 8 и крайне редко 12. Тракторные двигатели обычно имеют четыре цилиндра, реже 6 и лишь в отдельных случаях 8 и 12. С увеличением числа цилиндров повышаются возможности форсировки двигателей по частоте враще­ния, улучшаются пусковые качества и проще решаются вопросы урав­новешенности, но вместе с этим и повышаются механические потери и ухудшаются экономические показатели.

Современные двигатели имеют рядное, V-образное и оппозитное расположение цилиндров. Наибольшее распространение получили четырехцилиндровые рядные двигатели как наиболее простые в эксплу­атации и дешевые в производстве. В последние годы в автотракторо­строении наметилась тенденция к применению двигателей с V-образным расположением цилиндров. По сравнению с рядным они имеют более высокий КПД, меньшие габариты и лучшие удельно-массовые показатели. Повышенная жесткость V-образных двигателей позволя­ет, кроме того, достигать более высоких частот вращения коленча­того вала.

1.3. Размеры цилиндра и скорость поршня

Размеры цилиндра (диаметр и ход поршня) - являются основ­ными конструктивными параметрами двигателя. Диаметр D (мм) раз­личных двигателей изменяется приблизительно в следующих пределах:

для карбюраторных двигателей легковых автомобилей 60…100;

для карбюраторных двигателей грузовых автомобилей 70…110;

для автомобильных дизелей.................................. 80…130;

для тракторных дизелей и дизелей СДМ............. 70…150.

Ход поршня обычно характеризуется отношением S / D, непос­редственно связанным со скоростью поршня. В зависимости от зна­чения S / D различают двигатели короткоходовые (S / D <1) и длинноходовые (S / D >1). У короткоходовых двигателей меньше высота двигателя и его масса, выше индикаторный КПД и коэффициент наполнения, меньше скорость поршня и долговечнее детали двигателя. Однако снижение S / D приводит к более высокому давлению газов на поршень, ухудшению условий смесеобразования и увеличению длины двигателя.

Ориентировочная зависимость быстроходности двигателя приведена в

табл. 1.

Таблица 1

Скорость поршня V _п.ср является критерием быстроходности двигателя. В зависимости от значения V _п.ср двигатели подразде­ляют на тихоходные

(V _п.ср < 6,5 м/с) и быстроходные (V _п.ср > 6,5 м/с). С увеличением скорости поршня возрастают механические потери, повышается тепловая напряженность деталей, сокращается срок службы двигателя. В связи с этим увеличение средней скорости поршня неразрывно связано с необходимостью повышения долговеч­ности деталей, применения более совершенных материалов в двигателестроении и улучшения качества применяемых масел.

Средняя скорость поршня V _п.ср современных двигате­лей приведена в табл. 2.

Таблица 2

1.4. Степень сжатия

Степень сжатия является одной из важнейших характеристик двигателя. Ее выбор зависит, в первую очередь, от способа смесеобразования топлива. Кроме того, степень сжатия выбирают с учетом наличия или отсутствия наддува, быстроходности двигате­ля, системы охлаждения и других факторов.

Для бензиновых двигателей степень сжатия выбирается по табл. 3, в зависимости от октанового числа топлива и принятого смесеобразования. Более высокие значения степени сжатия харак­терны для быстроходных двигателей.

Для дизелей степень сжатия выбирается в зависимости от ти­па камеры сгорания:

нераздельная камера:

при объемном смесеобразовании........... ……………………………..14 … 17

при пленочном смесеобразовании:

а) без принудительного воспламенения ………………………20 … 25

б) с зажиганием от электрической искры …………………….14 … 16

с предкамерной........................................ ……………………………..16,5 … 21

с вихревой камерой................................. ……………………………..16 … 20

с воздушной камерой............................... ……………………………..15 … 16

для дизелей с наддувом........................... ……………………………..11 … 17

Таблица 3

В современных карбюраторных двигателях . Двигатели грузовых автомобилей имеют значения e ближе к ниж­нему пределу, а у двигателей легковых автомобилей обычно и только при воздушном охлаждении e иногда ниже 7. Для карбюра­торных двигателей при степени сжатия выше 12 возможно самовоспла­менение смеси и детонация в процессе сгорания. В последние годы наметилась тенденция к некоторому уменьшению e, что позволило снизить токсичность продуктов сгорания и продлить срок службы двигателей. Как правило, даже двигатели легковых автомобилей высокого класса имеют степень сжатия не более 9.

Минимальная степень сжатия для дизелей должна обеспечить в конце процесса сжатия получение минимальной температуры, необходимой для самовоспламенения впрыснутого топлива. Учитывая, что впрыск топлива осуществляется раньше полного завершения процесса сжатия и с повышением температуры сжатия сокращается период за­держки воспламенения, в дизелях без наддува не применяются значе­ния степени сжатия меньше 14, а в дизелях с наддувом - меньше 11.

Для современных автомобильных и тракторных двигателей с воспламенением от сжатия . Увеличение степени сжатия более 22 нецелесообразно, так как приводит к высоким давлениям сгорания, падению механического КПД и утяжелению конструкции дви­гателя.

2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

Для удобства рекомендуется выполнять тепловой расчет в при­веденной ниже последовательности.

2.1. Выбор и определение физических констант

2.1.1. Используемые в автотракторных двигателях топлива представляют собой смесь различных углеводородов и от­личаются элементарным составом, который выражается в единицах массы (кг), а газообразных - в объемных еди­ницах (м³ или кмоль).

Для жидких топлив

,                     (1)

где С, Н и О - массовые доли углерода, водорода и кислорода в 1 кг топлива.

Для газообразных топлив

где С _n, Н _m  и О _r - объемные доли каждого газа в 1 м³ или в 1 киломоле газообразного топлива; N ₂ - объемная доля азота.

Средний элементарный состав жидких топлив (в мас­совых долях) приведен в табл. 4.

                                                      Таблица 4.

Состав газообразных топлив указан в табл. 5.

На основании заданного вида топлива, пользуясь табл. 6, и уравнением (1) определяем элементарный состав топлива, кг/кг: углеро­да С, водорода H, кислорода O.

2.1.2. Низшая теплота сгорания соответствует тому количе­ству теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива, без учета теплоты конденсации водяного пара. Так как в ДВС выпуск отработавших газов происходит при температуре выше температуры конденсации водя­ного пара, для практической оценки топлива обычно используется низшая теплота сгорания. Для определения низшей теплоты сгорания твердого топлива Н _u (в МДж/кг) при известном элементарном соста­ве обычно используется формула Менделеева:

Таблица 5

Таблица 6

где W - количество водяных паров в продуктах сгора­ния массовой или объемной единицы топлива.

Для газообразного топлива (Н _u в МДж/м³)

где СО, Н₂ и другие компоненты газообразного топлива - объемные доли компонентов газовой смеси.

Примерные значения низшей теплоты сгорания Н _u в МДж/кг

автотракторных топлив:

Бензин..................................... 44,0

Дизельное топливо................ 42,5

Природный газ...................... 45,0

Пропан.................................... 85,5

Бутан....................................... 112,0

При неполном сгорании топлива (a < 1) количество теплоты D H_u, недовыделяющейся при сгорании 1 кг топлива,

D H_u = 119,95 (1 - a) L ₀.

Коэффициент, учитывающий количество теплоты недовыделившейся при неполном сгорании,

.

Пользуясь табл. 6 определяем низшую теплопроводную способность Н _u и молекулярную массу топлива m_T.

2.1.3. Определяем количество воздуха, теоретически необхо­димое для сгорания 1 кг топлива

- для жидких топлив:

, ,

проверка:  ;

- для газообразных топлив:

,

где m _в - молекулярная масса 1 кмоля воздуха, m _в = 28,97кг/кмоль; L ₀ - теоретически необходимое количество воздуха (кмоль) для сгорания 1 кг топлива;  - теоретически необходимое количество воздуха (кг) для сгора­ния 1 кг топлива; 0,21 - объемное содержание кислорода в 1 кг воздуха; 0,23 - массовое содержание кислорода в 1 кг воздуха; L ¢ ₀ - теоретически необходимое количество воздуха (моль или м³) для сгорания 1 кмоль или 1м³ топлива.

2.2. Выбор и обоснование исходных величин для теплового расчета

Познавательные статьи:



Техника нижней прямой подачи мяча

Комплекс физических упражнений для развития мышц плечевого пояса

Стандарт Порядок надевания противочумного костюма

Общеразвивающие упражнения без предметов