Разработка двигателя внутреннего сгорания

Разработка двигателя внутреннего сгорания

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Кафедра двигателей внутреннего сгорания

Курсовой проект

Разработка двигателя внутреннего сгорания

Санкт-Петербург

г

.         Исходные данные

транспортный дизельный двигатель шатунный

Заданием курсового проекта является расчет транспортного дизельного двигателя мощностью N_е =250 Л.С.

В качестве прототипа используется двигатель КамАЗ.

На основании исходных данных определим основные параметры проектируемого двигателя:

Тип двигателя - с воспламенением от сжатия;

Вид охлаждения - жидкостное;

Камера сгорания - неразделённая;

N_e = 187 кВт - эффективная мощность двигателя;

n = 2200 об/мин - частота вращения вала;

m = 4 - число тактов двигателя;

z = 8 - число цилиндров двигателя.

Выберем t = S/D = 1.04,

где S - ход поршня, м;

D - диаметр поршня, м.

Условия окружающей среды:

р_о = 0,1013 МПа - давление окружающей среды;

Т_о = 290К - температура окружающей среды.

e = 16 - степень сжатия;

a = 1,9 - коэффициент избытка воздуха;

р_к = 2,1 × р_о = 2,1 × 0,1013 = 0,2127МПа - давление наддува;

z_z = 0,76, z_b = 0,9 - коэффициенты полезного тепловыделения;

р_г = 0,95 × р_к = 0,95 × 0,2127 = 0,2021МПа - давление остаточных газов;

Т_г = 800К - температура остаточных газов;

Pz = 12 МПа - давление в цилиндре в конце процесса сгорания

Q_н = 42530 кДж/кг - низшая теплотворная способность дизельного топлива;

m = 1,8 - показатель политропы сжатия в компрессоре;

Dр_к = 0,05 × 10⁵ Па- потери давления в воздушном холодильнике;

DТ_охл = 30К - промежуточное охлаждение свежего заряда;

DТ = 10К - подогрев заряда от стенок;

р_кк = р_к - Dр_к = 0,2127 - 0,005 = 0,2077 МПа - давление наддувочного воздуха после холодильника;

р_а = 0,9 × р_к = 0,9 × 0,2077 = 0,187 МПа - давление в начале сжатия;

l = 1,4 - степень повышения давления в процессе сгорания;

h_мех = 0,86 - механический к.п.д.;

l1 = 1,02 - коэффициент дозарядки;

l2 = 0,6 - коэффициент очистки объёма сжатия;

y’ = 1,1 - коэффициент, учитывающий неодинаковость теплоёмкостей смеси и остаточных газов;

j = 0,95 - коэффициент полноты диаграммы.

.         Тепловой расчёт двигателя

2.1 Наполнение цилиндра

Двигатель с наддувом.

Температура воздуха перед впускными органами

где к = 1.8 - показатель политропы сжатия в компрессоре;

Т_о = 293 К - температура окружающей среды;

р_к = 0,2077 МПа - давление воздуха после компрессора;

Dр_к = 0,05 × 10⁵ Па- потери давления в воздушном холодильнике;

р_о = 0.1013 МПа - давление окружающей среды;

DТ_охл = 30К - промежуточное охлаждение свежего заряда.

Коэффициент наполнения цилиндра

гдеe = 16 - степень сжатия;

l1 = 1,02 - коэффициент дозарядки;

р_а = 0,187 МПа - давление в начале сжатия;

р_к = 0,2077 МПа - давление воздуха после компрессора;

y’ = 1,1 - коэффициент, учитывающий неодинаковость теплоёмкостей смеси и остаточных газов;

l2 = 0,6 - коэффициент очистки объёма сжатия;

р_г = 0,2021МПа - давление остаточных газов;

Т_к = 377 К - температура воздуха перед впускными органами;

DТ = 10К - подогрев заряда от стенок.

Коэффициент остаточных газов

гдеe = 16 - степень сжатия; р_к = 0,2077 МПа - давление воздуха после компрессора; l2 = 0,6 - коэффициент очистки объёма сжатия; р_г = 0,2021МПа - давление остаточных газов; Т_к = 377К - температура воздуха перед впускными органами; Т_г = 800К - температура остаточных газов; h_v = 0,919 - коэффициент наполнения.

Температура рабочего тела в начале сжатия в двигателе

где Т_к = 377К - температура воздуха перед впускными органами;

DТ = 10К - подогрев заряда от стенок;

y’ = 1,1 - коэффициент, учитывающий неодинаковость теплоёмкостей смеси и остаточных газов;

Т_г = 800К - температура остаточных газов;

g_г = 0,02 - коэффициент остаточных газов.

2.2 Расчет процесса сжатия в цилиндре

Показатель политропы сжатия n₁ рассчитываем с помощью итераций.

В начале примем:

n₁ = к₁ = 1,4

гдеТа = 397К - температура рабочего тела в начале сжатия в двигателе;

e = 16 - степень сжатия.

Давление в конце процесса сжатия

р_с = р_а × e ⁿ¹ = 1,87 × 10⁵ × 16^1.365 = 8,239 МПа,

где р_а = 0,187 МПа - давление в начале сжатия;

e = 16 - степень сжатия;

n₁ = 1,365 - показатель политропы сжатия.

Температура в конце процесса сжатия

гдеТа = 397К - температура рабочего тела в начале сжатия в двигателе;

e = 16 - степень сжатия;

n₁ = 1,365 - показатель политропы сжатия.

Средняя теплоёмкость при сжатии

m_СVс = 20.16 + 1.738 × 10^-3 × Т_с = 20,16 + 1,738 × 10^-3 × 1094 = 22,1 кДж/(кмоль × К)

2.3 Расчёт процесса сгорания

Количество воздуха, теоретически необходимое для сгорания 1 кг топлива

где средний элементарный весовой состав 1 кг дизельного топлива:

С = 0,87 кг - углерод;

Н = 0,126 кг - водород;

О = 0,004 кг - кислород.

Количество свежего заряда

М_з = a × М_о = 1,9 × 0,495 = 0,942.

Количество продуктов сгорания

где средний элементарный весовой состав 1 кг дизельного топлива:

С = 0,87 кг - углерод;

Н = 0,126 кг - водород;

О = 0,004 кг - кислород;

a = 1,9 - коэффициент избытка воздуха;

М_о = 0,945 - количество воздуха, теоретически необходимое для сгорания.

Теоретический коэффициент молекулярного изменения

гдеМ_г = 0,977 - количество продуктов сгорания;

М_з = 0,942 - количество свежего заряда.

Действительный коэффициент молекулярного изменения

гдеb_о = 1,037 - теоретический коэффициент молекулярного изменения;

g_г = 0,02 - коэффициент остаточных газов.

Коэффициент молекулярного изменения в точке z

гдеb_о = 1,037 - теоретический коэффициент молекулярного изменения;

g_г = 0,02 - коэффициент остаточных газов;

z_z = 0,76, z_b = 0,9 - коэффициенты полезного тепловыделения.

р_с = 8,239 МПа - давление в конце процесса сжатия.

Температуру в точке z найдём с помощью итераций.

В начале примем Тz = 2000К.

Средняя теплоёмкость рабочего тела при высоких температурах

гдеa = 1,9 - коэффициент избытка воздуха.

Максимальная температура сгорания

гдеa = 1,9 - коэффициент избытка воздуха;

z_z = 0,76 - коэффициент полезного тепловыделения;

g_г = 0,02 - коэффициент остаточных газов;

b_z = 1,031 - коэффициент молекулярного изменения в точке z;

l = 1,4 - степень повышения давления в процессе сгорания;

m_СVс = 22,1 кДж/(кмоль × К) - средняя теплоёмкость при сжатии;

М_з = 0,942 - количество свежего заряда;

Q_н = 42530 кДж/кг - низшая теплотворная способность дизельного топлива;

Т_с = 1094К - температура в конце процесса сжатия.

Примем Т_z =T_z1 = 2051К.

Средняя теплоёмкость рабочего тела при высоких температурах

Максимальная температура сгорания

Примем Т_z =T_z2 = 2045К.

Средняя теплоёмкость рабочего тела при высоких температурах

Максимальная температура сгорания

2.4 Расчет процесса расширения

Степень предварительного расширения

гдеb_z = 1,031 - коэффициент молекулярного изменения в точке z;

l = 1,4 - степень повышения давления в процессе сгорания;

Т_z = 2045К - максимальная температура сгорания;

Т_с = 1094К - температура в конце процесса сжатия.

Степень последующего расширения

гдеe = 16 - степень сжатия;

r = 1,38 - степень предварительного расширения.

Показатель политропы расширения n₂ и температуру в конце процесса расширения Т_b рассчитываем с помощью итераций.

В начале примем:

Т_b = 1000К.

Показатель политропы расширения n₂ = n₂₁

гдеТ_z = 2045К - максимальная температура сгорания;

b_z = 1,031 - коэффициент молекулярного изменения в точке z;

Q_н = 42530 кДж/кг - низшая теплотворная способность дизельного топлива;

М_з = 0,942 - количество свежего заряда;

g_г = 0,02 - коэффициент остаточных газов;

z_z = 0,76, z_b = 0,9 - коэффициенты полезного тепловыделения;

b = 1,036 - действительный коэффициент молекулярного изменения.

Температура в конце процесса расширения

гдеТ_z = 2045К - максимальная температура сгорания;

d = 11,63 - степень последующего расширения;₂₁ = 1,266 - показатель политропы расширения.

Показатель политропы расширения n₂ = n₂₂

Температура в конце процесса расширения

Показатель политропы расширения n₂ = n₂₃

Температура в конце процесса расширения

Примем температуру в конце процесса расширения Т_b = Т_b3 = 1078К, показатель политропы расширения n₂ = n₂₃ = 1,261.

Давление в конце процесса расширения

гдеd = 11,63 - степень последующего расширения;₂ = 1,261 - показатель политропы расширения;

р_z = 11,53 МПа - максимальное давление цикла.

Проверка температуры остаточных газов

гдеТ_b = 1078К - температура в конце процесса расширения;

р_b = 5,229 × 10⁵ Па - давление в конце процесса расширения;

р_г = 0,2021МПа - давление остаточных газов.

Отличие принятой температуры остаточных газов от полученной

.5 Индикаторные показатели

Среднее индикаторное давление теоретического цикла

Где р_с = 8,239 МПа - давление газа в конце сжатия; e = 16 - степень сжатия; n₁ = 1,365 - показатель политропы сжатия; n₂₁ = 1,261 - показатель политропы расширения; d = 11,63 - степень последующего расширения; r = 1,38 - степень предварительного расширения; l = 1,4 - степень повышения давления в процессе сгорания.

Среднее индикаторное давление действительного цикла

р_i = р_i’ × j = 1,25 × 10⁶ × 0,95 = 1,187 × 10⁶ Па,

гдер_i’ = 1,25 МПа - среднее индикаторное давление теоретического цикла; j = 0,95 - коэффициент полноты диаграммы.

Индикаторный к.п.д.

гдер_i = 1,187 МПа - среднее индикаторное давление действительного цикла; Q_н = 42530 кДж/кг - низшая теплотворная способность дизельного топлива; М_з = 0,942 - количество свежего заряда; Т_к = 377К - температура воздуха перед впускными органами; р_к = 0,2077 МПа - давление воздуха после компрессора; h_v = 0,919 - коэффициент наполнения.

Удельный индикаторный расход топлива

гдеQ_н = 42530 кДж/кг - низшая теплотворная способность дизельного топлива; hi = 0.44 - индикаторный к.п.д.

.6 Эффективные показатели

Среднее эффективное давление цикла

р_е = р_i × h_мех = 1,187 × 10⁶ × 0,86 = 1,02 × 10⁶ Па,

гдер_i = 1,187 МПа - среднее индикаторное давление действительного цикла; h_мех = 0,86 - механический к.п.д.

Эффективный к.п.д.

h_е = h_i × h_мех = 0,44 × 0,86 = 0,38,

гдеhi = 0.44 - индикаторный к.п.д.; h_мех = 0,86 - механический к.п.д.

Удельный эффективный расход топлива

гдеQ_н = 42530 кДж/кг - низшая теплотворная способность дизельного топлива; h_е = 0.38 - эффективный к.п.д.

.7 Размеры цилиндра

Рабочий объём одного цилиндра

==0.0014 м³

гдеN_e = 187 кВт - эффективная мощность двигателя;

n = 2200 об/мин - частота вращения вала;

z = 8 - число цилиндров двигателя;

р_е = 1,02 МПа - эффективное давление цикла;

m = 4 - коэффициент тактности.

Диаметр цилиндра

гдеVs = 0,00138 м3 - объём одного цилиндра;

t = S/D = 1.04 - отношение хода поршня к диаметру.

Ход поршня

 = D × t = 0,12 × 1,04 = 0,124 м,

гдеD = 0,12м - диаметр поршня;

t = S/D = 1.04 - отношение хода поршня к диаметру.

Примем окончательно= 0,12м - диаметр поршня;

3. Индикаторная диаграмма и диаграмма Брикса

Построение индикаторной диаграммы основывается на данных теплового расчета. Диаграмма строится в осях P(S), где P - сила давления газов, S - ход поршня. P определяется по двум кривым, которые можно описать уравнениями:

где n₁ и n₂ - показатели политропы, e_x - степень сжатия, находимая в зависимости от угла поворота коленчатого вала определяется как:

где S_a - полный ход поршня: S_a=S_c+S_s, здесь S_s - рабочий ход поршня (см. расчет размеров цилиндра), S_c - высота камеры сгорания:

_a = S_c+S_s = 0,125 + 0.008 = 0,133 м._z = ρ·S_c = 1,38· 0,008 = 0,011 м

_x мы определяем в зависимости от угла поворота коленчатого вала:

где R=S_s/2; l=R/L, где L - длина шатуна, находимая с помощью l, которую мы задаём из диапазона l=1/3,2…1/4,2, примем λ=1/3,8.

Таким образом, строим индикаторную диаграмму, лежащую в пределах от S_c до S_a, ниже строим бицентровую диаграмму Брикса, которая устанавливает зависимость положений поршня по его ходу от величины угла a поворота кривошипа с учётом конечной длины шатуна (поправка

).

По индикаторной диаграмме и диаграмме Брикса можно определить давление в цилиндре при любом угле поворота коленчатого вала.α

Таблица 1. Расчет индикаторной диаграммы двигателя

После графического построения действительной индикаторной диаграммы определяем её площадь в мм² чертежа и затем делим эту площадь на ход поршня S тоже в мм чертежа.

где F - площадь диаграммы (F = 1520,375 мм²;) S - ход поршня (S = 126 мм), K - масштаб (K = 10 мм/МПа).

Как видно, это значение не превышает погрешности более 5%, т.к. p_i = 1,187 МПа.

Рисунок 1. Индикаторная диаграмма двигателя и диаграмма Брикса

. Развернутая диаграмма суммарных сил давления газов и сил инерции КШМ

На элементы конструкции двигателя действуют силы инерции кривошипно-шатунного механизма и силы давления газов.

Рисунок 2. Схема КШМ: Рисунок 3. Схема приведения масс шатуна

r - радиус кривошипа;

l - длина шатуна;

S - путь поршня;

α-угол поворота коленвала;

ω- угловая частота вращения коленчатого вала;

P_j - сила инерции поступательно движущихся масс КШМ;

p_r - сила давления газов;

K_r - центробежная сила вращающихся масс КШМ.

Определим массу шатуна и поршня проектируемого двигателя формулами:

где m_ш’=25-35 г/см²-конструктивная масса шатуна, отнесённая к единице поверхности; m`_п=20-30 г/см²- конструктивная масса поршня отнесённая к единице поверхности:

,

,

,

где F_п - площадь поршня.

Разноска масс шатуна производится по выражениям:

Удельная сила давления газов и удельная сила инерции поступательно движущихся масс, действующие на расчётном режиме двигателя вдоль оси цилиндра, рассматриваются совместно, поэтому для каждого значения угла a поворота кривошипа определяется суммарная удельная осевая сила p, равная алгебраической сумме составляющих сил:

p=(p_г-0,1)+p_j

где p_г - удельная сила давления газов, находится из индикаторной диаграммы (p_г-0,1) означает, что мы из удельной силы давления газов вычитаем одну атмосферу, действующую с противоположной стороны поршня. p_j - удельная сила инерции газов. Сила инерции поступательно движущихся масс КШМ определяется как:

Результаты вычислений сведены в таблицу 2.

Принцип построения диаграммы Толле.

Отрезки AC и BD:

ω = πn/30 = 3,14·2200/30 = 230,4 рад/с,

Перпендикуляр OE к прямой АВ определяется выражением:

Полученные отрезки СЕ и ED делятся на равное число частей и соответствующие точки этих делений попарно соединяются прямыми, огибающая которых и представляет собой искомую кривую удельных сил в функции хода поршня S.

Рисунок 4. Диаграмма Толле

Эта диаграмма затем развертывается по углу альфа коленчатого вала, посредством диаграммы Брикса.

Таблица 2. Расчет развернутой диаграммы суммарных сил давления газов и сил инерции КШМ

. Силы и моменты, действующие на шатунные и коренные шейки коленчатого вала двигателя

В КШМ действуют силы нормальные, касательные и радиальные.

N-нормальная сила в абсолютном представлении:

Т-касательная сила в абсолютном представлении:

К-радиальная сила в абсолютном представлении:

Крутящий момент от действия одного цилиндра двигателя в абсолютном представлении, определяется выражением:

Значение давления p в этих формулах берется из суммарной диаграммы сил и давлений.

Рисунок 6. Схема сил, действующих на КШМ.

Порядок работы цилиндров двигателя: левый блок 1 4 2 3

правый блок 1 2 3 4

Суммарный момент на шатунных шейках определяется суммированием крутящего момента на предыдущей коренной шейке и половины крутящего момента на этой шатунной шейке.

Результаты вычислений сведены в таблицу 3 сил и моментов, действующих на КШМ двигателя.

Таблица 3. Таблица сил и моментов, действующих нп КШМ двигателя