Тепловой и динамический расчет двигателей внутреннего сгорания

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ

САМАРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра

“Тракторы и автомобили”

Пояснительная записка

к курсовой работе по тракторам и автомобилям.

Раздел 1 “Тепловой и динамический расчет двигателей внутреннего сгорания”

Выполнил: студент И-IV-8

Кухарь А.А.

Принял: доцент

Мусин Р.Б.

Кинель 2002 г.

Курсовая работа состоит из расчетно-пояснительной записки и графической части. Содержит тепловой и динамический расчеты автотракторного двигателя:

· расчет рабочего цикла двигателя;

· определение основных размеров двигателя;

· эффективные и экономические показатели двигателя;

· тепловой баланс двигателя;

· построение индикаторной диаграммы;

· кинематический и динамический расчеты двигателя;

· расчет и построение теоретической скоростной (регуляторной) характеристики двигателя.

На листе графической части выполняются:

· индикаторная диаграмма;

· графики сил давления газов, инерции и суммарных сил;

· графики тангенциальной силы одного цилиндра, суммарной тангенциальной силы, силы, действующей на шатунную шейку;

· теоретическая скоростная (регуляторная) характеристика двигателя.

В пояснительной записке объемом 22 страницы машинописного текста, приводятся основные расчеты, необходимые графики и рисунки.

Графическая часть курсового проекта состоит из 1-го листа формата А1, выполненного с соблюдением требований ЕСКД.

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 15 ... 20 лет.

От будущего специалиста в области механизации сельскохозяйственного производства требуется широкий научный и технический кругозор, умение с наибольшим экономическим эффектом использовать современную сельскохозяйственную технику.

Важным элементом подготовки инженеров данного направления является курсовая работа по разделу «Основы теории тракторных и автомобильных двигателей».

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 курса «Основы теории тракторных и автомобильных двигателей».

Содержание

Задание на выполнение курсовой работы.. 2

Реферат. 3

Введение. 4

1. Расчет рабочего цикла двигателя. 6

1.1. Выбор исходных параметров для теплового расчета. 6

1.2. Процесс впуска. 6

1.3. Процесс сжатия. 6

1.4. Процесс сгорания. 7

1.5. Процесс расширения. 8

1.6. Определение среднего индикаторного давления. 9

1.7. Определение основных размеров двигателя и показателей его топливной экономичности 9

1.8. Построение индикаторной диаграммы.. 12

2. Динамический расчет двигателя. 14

2.1. Определение силы давления газов. 14

2.2. Определение сил инерции. 15

2.3. Определение сил, действующих на шатунную шейку коленчатого вала. 15

2.4. Построение диаграммы тангенциальных сил. 16

3. Расчет и построение регуляторной характеристики тракторного дизеля. 19

3.1. Регуляторная характеристика в функции от частоты вращения коленчатого вала. 19

4. Заключение. 21

5. Список использованной литературы.. 22

Приложения. 23

1.1. Выбор исходных параметров для теплового расчета

Одним из важных этапов выполнения первого раздела курсовой работы является выбор параметров для теплового расчета. Правильный выбор этих параметров позволит получить высокие мощностные и экономические показатели, отвечающие современному уровню развития двигателестроения.

Учитывая исходные данные, принимаем:

Коэффициент избытка воздуха ;

Коэффициент наполнения ;

Степень повышения давления .

1.2. Процесс впуска

В двигателях без наддува воздух в цилиндры поступает из атмосферы, и при расчете рабочего цикла давление окружающей среды принимается равным , а температура .

Давление остаточных газов:

Принимаем

Давление в конце впуска:

Выбираем значение

Температура в конце впуска:

В двигателях без наддува .

– температура подогрева заряда. Принимаем .

– температура остаточных газов. Принимаем .

– коэффициент остаточных газов.

1.3. Процесс сжатия

Расчет давления и температуры в конце сжатия проводят по уравнениям политропического процесса:

где – средний показатель политропы сжатия, который определяется по формуле:

Находим температуру и давление в конце сжатия:

1.4. Процесс сгорания

Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива определяется по его элементарному составу.

Для жидких топлив соответственно в (кг воздуха/кг топлива) и (киломоль воздуха/кг топлива):

где: 0,23 и 0,21 – соответственно значения массового и объемного содержания кислорода в 1 кг воздуха;

– масса 1 кмоля воздуха ();

– соответственно массовые доли углерода, водорода и кислорода, содержащихся в топливе. Из (1) (приложение 3) определяем средние значения этих величин:

Действительное количество воздуха, поступившее в цилиндр:

где – коэффициент избытка воздуха.

Количество остаточных газов в цилиндре двигателя равно:

где – коэффициент остаточных газов.

Число киломолей продуктов сгорания 1 кг жидкого топлива в (кмоль/кг):

Действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси характеризует изменение объема газов при сгорании и равен:

Давление в конце сгорания определяется по формуле:

где – степень повышения давления.

Температура в конце сгорания определяется из уравнения сгорания:

(1.4.1.)

где: – коэффициент использования тепла. Принимаем ;

– низшая теплотворная топлива. Из (1) (приложение 3) принимаем .

Средняя молекулярная теплоемкость для свежего заряда:

Средняя молекулярная теплоемкость для продуктов сгорания:

Подставляем все известные данные в (1.4.1.) и приводим его к квадратному уравнению:

Из этого уравнения определяем значение температуры :

1.5. Процесс расширения

Значения давления и температуры газов в конце процесса расширения рассчитывают по уравнениям политропического процесса:

где – степень последующего расширения:

где – степень предварительного расширения:

Для проверки теплового расчета и правильности выбора параметров процесса выпуска используем формулу проф. Е.К. Мазинга:

Принятое в начале расчета значение .

Отклонение – меньше одного процента.

1.6. Определение среднего индикаторного давления

Теоретическое среднее индикаторное давление можно определить по построенной индикаторной диаграмме:

где – площадь индикаторной диаграммы (a, c, z, z', b, a), мм²;

– масштаб индикаторной диаграммы по оси давлений (1 мм = Мпа);

– длина индикаторной диаграммы, мм.

Величина среднего теоретического индикаторного давления подсчитывается аналитическим путем на основании формулы:

Точность построения индикаторной диаграммы оценивается коэффициентом погрешности:

Коэффициент не должен превышать 3…4%.

Действительное среднее индикаторное давление определяется по формуле:

где – коэффициент полноты индикаторной диаграммы. Принимаем .

– потери индикаторного давления на выполнение вспомогательных ходов.

1.7. Определение основных размеров двигателя и показателей его топливной экономичности

Определим среднее давление механических потерь в двигателе:

где – скорость поршня при номинальной мощности.

Среднее эффективное давление:

Механический КПД двигателя:

Исходя из заданной величины эффективной мощности , номинальной частоты вращения , числа цилиндров , тактности и среднего эффективного давления , определяется рабочий объем цилиндра двигателя по формуле:

С другой стороны, рабочий объем цилиндра равен:

где – диаметр цилиндра, дм;

– ход поршня, дм.

Диаметр цилиндра определяется из выражения:

где – отношение хода поршня к диаметру цилиндра. Принимаем .

Ход поршня:

По найденным значениям и определяем основные параметры и показатели двигателя:

• рабочий объем цилиндра:

• эффективная мощность:

• эффективный крутящий момент:

• средняя скорость поршня:

Оценка работы двигателя, с точки зрения использования рабочего объема, а также тепловой и динамической напряженности, производится по удельной литровой и поршневой мощностям:

В качестве измерителей топливной экономичности двигателя при работе его на номинальной мощности принимаются эффективный удельный расход топлива:

где – эффективный КПД двигателя.

Часовой расход топлива:

Индикаторный КПД двигателя вычисляется по выражению:

где ;

– коэффициент избытка воздуха;

– низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг;

– коэффициент наполнения;

– плотность заряда на впуске, кг/м³:

где В – удельная газовая постоянная.

Результаты теплового расчета двигателя и его основные размеры приведены в таблице 1:

Таблица 1