Курсовая: Тепловой расчет автомобильного двигателя
Notice: Undefined variable: ref_img in /home/area7ru/area7.ru/docs/referat.php on line 323
|
ВВЕДЕНИЕ. На наземном транспорте наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания. Эти двигатели отличаются компактностью, высокой экономичностью, долговечностью и применяются во всех отраслях народного хозяйства. В настоящее время особое внимание уделяется уменьшению токсичности выбрасываемых в атмосферу вредных веществ и снижению уровня шума работы двигателей . Специфика технологии производства двигателей и повышение требований к качеству двигателей при возрастающем объеме их производства , обусловили необходимость создания специализированных моторных заводов . Успешное применение двигателей внутреннего сгорания , разработка опытных конструкций и повышение мощностных и экономических показателей стали возможны в значительной мере благодаря исследованиям и разработке теории рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания . Выполнение задач по производству и эксплуатации транспортных двигателей требует от специалистов глубоких знаний рабочего процесса двигателей , знания их конструкций и расчета двигателей внутреннего сгорания . Рассмотрение отдельных процессов в двигателях и их расчет позволяют определить предполагаемые показатели цикла , мощность и экономичность , а также давление газов , действующих в надпоршневом пространстве цилиндра , в зависимости от угла поворота коленчатого вала . По данным расчета можно установить основные размеры двигателя (диметр цилиндра и ход поршня ) и проверить на прочность его основные детали . ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ . По заданным параметрам двигателя произвести тепловой расчет , по результатам расчета построить индикаторную диаграмму , определить основные параметры поршня и кривошипа . Разобрать динамику кривошипно-шатунного механизма определить радиальные , тангенциальные , нормальные и суммарные набегающие силы действующие на кривошипно-шатунный механизм . Построить график средних крутящих моментов . Прототипом двигателя по заданным параметрам может служить двигатель ЗИЛ-164 . ТАБЛИЦА 1. Параметры двигателя .
При проведении теплового расчета необходимо правильно выбрать исходные данные и опытные коэффициенты , входящие в некоторые формулы . При этом нужно учитывать скоростной режим и другие показатели , характеризующие условия работы двигателя . ТОПЛИВО : Степень сжатия e = 8,2 . Допустимо использование бензина АИ-93 ( октановое число = 81ё 90 ) . Элементарный состав жидкого топлива принято выражать в единицах массы . Например в одном килограмме содержится С = 0,855 , Н = 0,145 , где От - кислород ; С- углерод ; Н - водород . Для 1кг. жидкого топлива , состоящего из долей углерода , водорода , и кислорода , при отсутствии серы можно записать : С+Н+От = 1 кг . ПAРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО ТЕЛА: Определение теоретически необходимого количества воздуха при полном сгорании жидкого топлива . Наименьшее количество кислорода Оо , которое необходимо подвести извне к топливу для полного его окисления , называется теоретически необходимым количеством кислорода . В двигателях внутреннего сгорания необходимый для сгорания кислород содержится в воздухе , который вводят в цилиндр во время впуска . Зная , что кислорода в воздухе по массе 0,23% , а по объему 0,208% , получим теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива :  кг. кмоль.Действительное количество воздуха , участвующего в сгорании 1 кг. топлива при a =0,9 : a lo = 0.9*14.957 = 13.461 кг ; a Lo = 0,9 * 0,516 = 0,464 . При молекулярной массе паров топлива m т = 115 кмоль , найдем суммарное количество свежей смеси : М1 = 1/ m т + a Lo = 1/115+0,464 = 0,473 кмоль. При неполном сгорании топлива ( a < 1 ) продукты сгорания представляют собой смесь окиси углерода (СО) , углекислого газа (СО2) , водяного пара (Н2О) , свободного водорода (Н2) , и азота (N2) . Количество отдельных составляющих продуктов сгорания и их сумма при К=0,47 (постоянная зависящая от отношения количества водорода к окиси углерода , содержащихся в продуктах сгорания).: Мсо = 2*0,21*[(1-a )/(1+K)]*Lo = 0,42*(0,1/1,47)*0,516 = 0,0147 кмоль. МСО2 = С/12- Мсо = 0,855/12-0,0147 = 0,0565 кмоль. МН2 = К* Мсо = 0,47*0,0147 = 0,00692 кмоль. МН2О = Н/2 - МН2 = 0,145/2-0,00692 = 0,06558 кмоль. МN2 = 0,792*a Lo = 0,792*0,9*0,516 = 0,368 кмоль. Суммарное количество продуктов сгорания : М2 = 0,0147+0,0565+0,00692+0,06558+0,368 = 0,5117 кмоль. Проверка : М2 = С/12+Н/2+0,792*a Lo = 0,855/12+0,145/2+0,792*0,9*0,516 = 0,5117 . Давление и температура окружающей среды : Pk=Po=0.1 (МПа) и Tk=To= 293 (К) , а приращение температуры в процессе подогрева заряда D Т = 20о С . Температура остаточных газов : Тr = 1030o К . Давление остаточных газов на номинальном режиме определим по формуле : PrN = 1.16*Po = 1,16*0,1 = 0,116 (МПа) .  , гдеРrN - давление остаточных газов на номинальном режиме , nN - частота вращения коленчатого вала на номинальном режиме равное 5400 об/мин. Отсюда получим : Рr=Р0Ч ( 1,035+ АрЧ 10-8 Ч n2)= 0,1Ч (1,035+0,42867Ч 10-8Ч 54002) = 0,1Ч (1,035+0,125)=0,116 (Мпа) ПРОЦЕСС ВПУСКА . Температура подогрева свежего заряда D Т с целью получения хорошего наполнения двигателя на номинальном скоростном режиме принимается D ТN =10о С . Тогда :  D Т = Ат Ч (110-0,0125Ч n) = 0,23533Ч (110-0,0125Ч 5400)= 10о С . Плотность заряда на впуске будет :  ,где Р0 =0,1 (Мпа) ; Т0 = 293 (К) ; В - удельная газовая постоянная равная 287 (Дж./кг*град.) Ю r 0 = ( 0,1*106)/(287*293) = 1,189 (кг/м3). Потери давления на впуске D Ра , в соответствии со скоростным режимом двигателя (примем (b 2+x вп)= 3,5 , где b - коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра , x вп - коэффициент впускной системы ) , D Ра = (b 2+x вп)* Аn2*n2*(r k /2*10-6) , где Аn = w вп/ nN , где w вп - средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы (w вп = 95 м/с) , отсюда Аn= 95/5400 = 0,0176 . : r k = r 0 = 1,189 ( кг/м3) .Ю D Ра = (3,5Ч 0,1762Ч 54002Ч 1,189Ч 10-6)/2 = (3,5Ч 0,0003094Ч 29160000Ч 1,189Ч 10-6) = 0,0107 (Мпа). Тогда давление в конце впуска составит : Ра = Р0 - D Ра = 0,1- 0,0107 = 0,0893 (Мпа). Коэффициент остаточных газов :  , при Тк=293 К ; D Т = 10 С ; Рr = 0,116 (Мпа) ; Тr = 1000 K ;Pa= 0.0893 (Мпа);e = 8,2 , получим : g r = (293+10)/1000*0,116/(8,2*0,0893-0,116) =0,057. Коэффициент наполнения :  (К).ПРОЦЕСС СЖАТИЯ. Учитывая характерные значения политропы сжатия для заданных параметров двигателя примем средний показатель политропы n= 1,37 . Давление в конце сжатия: Рс = Ра Ч e n = 0.0893Ч 8.21.37 = 1,595 (Мпа). Температура в конце сжатия : Тс = ТаЧ e (n-1) = 340,6Ч 8,20,37 = 741,918@ 742 (К). Средняя молярная теплоемкость в конце сжатия ( без учета влияния остаточных газов): mcv’ = 20,16+1,74Ч 10-3Ч Тс = 20,16+1,74Ч 10-3Ч 742 = 21,45 (Кдж/кмольЧ град.) Число молей остаточных газов : Мr = a Ч g rЧ L0 = 0,95Ч 0,057Ч 0,516=0,0279 (кмоль). Число молей газов в конце сжатия до сгорания: Мс= М1+Мr = 0,473+0,0279= 0,5(кмоль) ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ . Средняя молярная теплоемкость при постоянном объеме для продуктов сгорания жидкого топлива в карбюраторном двигателе при ( a < 1) : mcв’’ = (18,4+2,6Ч a )+(15,5+13,8Ч a )Ч 10-4Ч Тz= 20,87+28,61Ч 10-4Ч Тz = 20,87+0,00286Ч Тz (Кдж/кмольЧ К). Определим количество молей газов после сгорания : Мz = M2+Mr = 0,5117+0,0279 = 0,5396 (кмоля) . Расчетный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси находится по формуле : b = Мz / Mc = 0,5397/0,5 = 1,08 . Примем коэффициент использования теплоты x z = 0,8 , тогда количество теплоты , передаваемой на участке lz при сгорании топлива в 1 кг. : Q = x zЧ (Hu-D QH) , где Hu - низшая теплотворная способность топлива равная 42700 (Кдж/кг)., D QH =119950Ч (1-a )Ч L0 - количество теплоты , потерянное в следствии химической неполноты сгорания : D QH = 119950Ч (1-0,95) Ч 0,516 = 3095 (Кдж/кг) , отсюда Q = 0,8Ч (42700-3095) =31684 (Кдж/кг). Определим температуру в конце сгорания из уравнения сгорания для карбюраторного двигателя (a < 1) :  , тогда получим :1,08(20,87+0,00286*Тz)*Tz = 36636/(0,95*0,516*(1+0,057))+21,45*742 22,4Тz +0,003Тz2 = 86622 Ю 22,4 Тz +0,003 Тz2 - 86622 = 0  Максимальное давление в конце процесса сгорания теоретическое : Рz = Pc*b *Tz /Tc = 1,595*1,08*2810/742 = 6,524 (Мпа) . Действительное максимальное давление в конце процесса сгорания : Рzд = 0,85*Рz = 0,85*6,524 =5,545 (МПа) . Степень повышения давления : l = Рz / Рс = 6,524/1,595 = 4,09 ПРОЦЕСС РАСШИРЕНИЯ . С учетом характерных значений показателя политропы расширения для заданных параметров двигателя примем средний показатель политропы расширения n2 = 1,25 Давление и температура в конце процесса расширения :  6,524/13,876=0,4701(МПа).  2810/1,7=1653 КПроверка ранее принятой температуры остаточных газов :  1653/ 1,6 = 1037 К . Погрешность составит :D = 100*(1037-1030)/1030 = 0,68% , эта температура удовлетворяет условия D < 1,7 . ИНДИКАТОРНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО ЦИКЛА . Теоретическое среднее индикаторное давление определенное по формуле :  =1,163 (МПа) . Для определения среднего индикаторного давления примем коэффициент полноты индикаторной диаграммы равным j и = 0,96 , тогда среднее индикаторное давление получим : рi = 0,96* рi’ = 0,96*1,163 = 1,116 (МПа) .Индикаторный К.П.Д. : h i = pi l0 a / (QH r 0 h v ) = (1,116 *14,957*0,9)/(42,7*1,189*0,763) = 0,388 , Qн = 42,7 МДж/кг. Индикаторный удельный расход топлива : gi = 3600/ (QH h i ) = 3600/(42,7*0,388) =217 г/КВт ч. Эффективные показатели двигателя . При средней скорости поршня Сm = 15 м/с. , при ходе поршня S= 75 мм. и частотой вращения коленчатого вала двигателя n=5400 об/мин. , рассчитаем среднее давление механических потерь : Рм = А+В* Сm , где коэффициенты А и В определяются соотношением S/D =0,75< 1 , тогда А=0,0395 , В = 0,0113 , отсюда Рм = 0,0395+0,0113*15 =0,209 МПа. Рассчитаем среднее эффективное давление : ре = рi - pм = 1,116-0,209= 0,907 МПа. Механический К.П.Д. составит : h м = ре / рi = 0,907/ 1,116 = 0 ,812 Эффективный К.П.Д. и эффективный удельный расход топлива : h е= h i h м = 0,388*0,812 = 0,315 ; ge = 3600/(QH h е) = 3600/(42,7*0,315) = 268 г/КВт ч Основные параметры цилиндра и двигателя. Литраж двигателя : Vл = 30Ч t Nе / (ре n) = 30*4*90/(0,907*5400) = 2,205 л. Рабочий объем цилиндра : Vh = Vл / i = 2,205 / 6 = 0,368 л. Диаметр цилиндра : D = 2Ч 103Ч Ц Vh(p S) = 2*10^3*(0,368/(3,14*75))^(0,5)= 2*103*0,0395 = 79,05 мм.@ 80 мм. Окончательно приняв S = 75 мм. и D = 80мм. объем двигателя составит : Vл = p D2Si / (4*106) = (3,14*6400*75*6)/(4000000)= 2,26 л. Площадь поршня : Fп = p D2 / 4 = 20096/4 = 5024 мм2 = 50,24 (см2). Эффективная мощность двигателя : Nе = ре Vл n / 30t = (0,907*2,26*5400)/(30*4) = 92,24 (КВт.). Эффективный крутящий момент : Ме = (3*104 / p )(Ne /n) = (30000/3,14)*(92,24/5400) = 163,2 (нЧ м) Часовой расход топлива : Gт = Ne Ч ge Ч 10-3 = 92,24Ч 268Ч 10-3 = 92,24*268*10^(-3)=24,72 . Удельная поршневая мощность : Nn = 4Ч Ne /iЧ p Ч D2 = (4*92,24)/(6*3,14*80*80) =30,6 ПОСТРОЕНИЕ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ ДВИГАТЕЛЯ . Индикаторную диаграмму строим для номинального режима двигателя , т.е. при Ne=92,24 кВт. И n=5400 об/мин. Масштабы диаграммы :масштаб хода поршня 1 мм. ; масштаб давлений 0,05 МПа в мм. Величины соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания : АВ = S/Ms = 75/1,0 =75 мм. ; ОА = АВ / (e -1) = 75/(8,2-1) = 10,4 мм. Максимальная высота диаграммы точка Z : рz / Mp = 6,524/0,05 = 130,48 мм. Ординаты характерных точек : ра / Мр = 0,0893/0,05 = 1,786 мм. ; рс / Мр = 1,595/0,05 = 31,9 мм. ; рв / Мр = 0,4701/0,05 = 9,402 мм. : рr / Мр = 0,116/0,05 = 2,32 мм. ; р0 / Мр = 0,1/0,05 = 2 мм. Построение политроп сжатия и расширения аналитическим методом : Политропа сжатия : Рх = Ра (Vа Vх )n1 . Отсюда Рх / Мр = (Ра/Мр)(ОВ/ОХ)n1 мм. , где ОВ= ОА+АВ= 75+10,4 = 85,4 мм. ; n1 = 1,377 . ТАБЛИЦА 2. Данные политропы сжатия :  ТАБЛИЦА 3. Данные политропы расширения .: Рх / Мр = Рв (Vв /Vх)n2 , отсюда Рх / Мр = (рв/Мр)(ОВ/ОХ)n2 , где ОВ= 85,4 ; n2 =1.25   Рис.1. Индикаторная диаграмма. ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ . Кинематика кривошипно-шатунного механизма . Sn = (R+a )- ( R cos.a +a cos.b )= R[(1+1/l )-( cos.b +1/l cos.b )] , где l =R / a , тогда Sn = R[(1+ l /4)-( cos.a + l /4 cos.2a )] , если a =180о то Sn=S - ходу поршня , тогда : 75 = R[(1+l /4)-(-1+l /4)] ; 75 = R[1.0625+0.9375] ; 75 = 2R Ю R = 75/2 = 37.5 мм.=0,0375 м. l =R/Lш Ю Lш = R/l = 37,5/0,25 = 150 мм.=15 см. т.к. l = 0,25 Находим скорость поршня и ускорение в зависимости от угла поворота кривошипа : Vп = dSn/dt = Rw ( sina + l /2sin2a ) , jn = d2Sn/dt = Rw 2(cosa + l cos2a ) , Угловую скорость найдем по формуле : w = p n/30 = 3,14*5400/30 = 565,2 рад/с . ТАБЛИЦА 4.. Числовые данные определяющие соотношения : 1- ( sina + l /2sin2a ) ; 2- (cosa + l cos2a )  Подставив эти значения в формулы скорости и ускорения и подсчитав результаты занесем их в таблицу 5. ТАБЛИЦА 5. Скорость поршня при различных углах поворота кривошипа.(м/с)
Notice: Undefined offset: 1 in /home/area7ru/area7.ru/docs/linkmanager/links.php on line 21 |
Notice: Undefined variable: r_script in /home/area7ru/area7.ru/docs/referat.php on line 434