Разработка двигателя внутреннего сгорания

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Кафедра двигателей внутреннего сгорания Курсовой проект Разработка двигателя внутреннего сгорания Санкт-Петербург

2012 г

1. 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 = 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.

= 16 — степень сжатия;

= 1,9 — коэффициент избытка воздуха;

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

_z = 0,76, _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 = 42 530 кДж/кг — низшая теплотворная способность дизельного топлива;

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

р_к = 0,05 10⁵ Папотери давления в воздушном холодильнике;

Т_охл = 30К — промежуточное охлаждение свежего заряда;

Т = 10К — подогрев заряда от стенок;

р_кк = р_к — р_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;

= 1,4 — степень повышения давления в процессе сгорания;

_мех = 0,86 — механический к.п.д.;

1 = 1,02 — коэффициент дозарядки;

2 = 0,6 — коэффициент очистки объёма сжатия;

' = 1,1 — коэффициент, учитывающий неодинаковость теплоёмкостей смеси и остаточных газов;

= 0,95 — коэффициент полноты диаграммы.

2. 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;

р_к = 0,05 10⁵ Папотери давления в воздушном холодильнике;

р_о = 0.1013 МПа — давление окружающей среды;

Т_охл = 30К — промежуточное охлаждение свежего заряда.

Коэффициент наполнения цилиндра где = 16 — степень сжатия;

1 = 1,02 — коэффициент дозарядки;

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

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

' = 1,1 — коэффициент, учитывающий неодинаковость теплоёмкостей смеси и остаточных газов;

2 = 0,6 — коэффициент очистки объёма сжатия;

р_г = 0,2021МПа — давление остаточных газов;

Т_к = 377 К — температура воздуха перед впускными органами;

Т = 10К — подогрев заряда от стенок.

Коэффициент остаточных газов где = 16 — степень сжатия; р_к = 0,2077 МПа — давление воздуха после компрессора; 2 = 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; _v = 0,919 — коэффициент наполнения.

Температура рабочего тела в начале сжатия в двигателе где Т_к = 377К — температура воздуха перед впускными органами;

Т = 10К — подогрев заряда от стенок;

' = 1,1 — коэффициент, учитывающий неодинаковость теплоёмкостей смеси и остаточных газов;

Т_г = 800К — температура остаточных газов;

_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;

= 16 — степень сжатия.

Давление в конце процесса сжатия р_с = р_а ⁿ¹ = 1,87 10⁵ 16^1.365 = 8,239 МПа, где р_а = 0,187 МПа — давление в начале сжатия;

= 16 — степень сжатия;

n₁ = 1,365 — показатель политропы сжатия.

Температура в конце процесса сжатия гдеТа = 397К — температура рабочего тела в начале сжатия в двигателе;

= 16 — степень сжатия;

n₁ = 1,365 — показатель политропы сжатия.

Средняя теплоёмкость при сжатии

_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 = 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;

= 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 где_о = 1,037 — теоретический коэффициент молекулярного изменения;

_г = 0,02 — коэффициент остаточных газов.

Коэффициент молекулярного изменения в точке z

где_о = 1,037 — теоретический коэффициент молекулярного изменения;

_г = 0,02 — коэффициент остаточных газов;

_z = 0,76, _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 где = 1,9 — коэффициент избытка воздуха.

Максимальная температура сгорания где = 1,9 — коэффициент избытка воздуха;

_z = 0,76 — коэффициент полезного тепловыделения;

_г = 0,02 — коэффициент остаточных газов;

_z = 1,031 — коэффициент молекулярного изменения в точке z;

= 1,4 — степень повышения давления в процессе сгорания;

_СVс = 22,1 кДж/(кмоль К) — средняя теплоёмкость при сжатии;

М_з = 0,942 — количество свежего заряда;

Q_н = 42 530 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 где_z = 1,031 — коэффициент молекулярного изменения в точке z;

= 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 где = 16 — степень сжатия;

= 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;

_z = 1,031 — коэффициент молекулярного изменения в точке z;

Q_н = 42 530 кДж/кг — низшая теплотворная способность дизельного топлива;

М_з = 0,942 — количество свежего заряда;

_г = 0,02 — коэффициент остаточных газов;

_z = 0,76, _b = 0,9 — коэффициенты полезного тепловыделения;

= 1,036 — действительный коэффициент молекулярного изменения.

Температура в конце процесса расширения гдеТ_z = 2045К — максимальная температура сгорания;

= 11,63 — степень последующего расширения;

n₂₁ = 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 где = 11,63 — степень последующего расширения;

n₂ = 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

2.5 Индикаторные показатели Среднее индикаторное давление теоретического цикла Где р_с = 8,239 МПа — давление газа в конце сжатия; = 16 — степень сжатия; n₁ = 1,365 — показатель политропы сжатия; n₂₁ = 1,261 — показатель политропы расширения; = 11,63 — степень последующего расширения; = 1,38 — степень предварительного расширения; = 1,4 — степень повышения давления в процессе сгорания.

Среднее индикаторное давление действительного цикла р_i = р_i' = 1,25 10⁶ 0,95 = 1,187 10⁶ Па, гдер_i' = 1,25 МПа — среднее индикаторное давление теоретического цикла; = 0,95 — коэффициент полноты диаграммы.

Индикаторный к.п.д.

гдер_i = 1,187 МПа — среднее индикаторное давление действительного цикла; Q_н = 42 530 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; _v = 0,919 — коэффициент наполнения.

Удельный индикаторный расход топлива гдеQ_н = 42 530 кДж/кг — низшая теплотворная способность дизельного топлива; i = 0.44 — индикаторный к.п.д.

2.6 Эффективные показатели Среднее эффективное давление цикла р_е = р_{i мех} = 1,187 10⁶ 0,86 = 1,02 10⁶ Па, гдер_i = 1,187 МПа — среднее индикаторное давление действительного цикла; _мех = 0,86 — механический к.п.д.

Эффективный к.п.д.

_е = _{i мех} = 0,44 0,86 = 0,38,

гдеi = 0.44 — индикаторный к.п.д.; _мех = 0,86 — механический к.п.д.

Удельный эффективный расход топлива гдеQ_н = 42 530 кДж/кг — низшая теплотворная способность дизельного топлива; _е = 0.38 — эффективный к.п.д.

2.7 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 = 0,138 м3 — объём одного цилиндра;

= S/D = 1.04 — отношение хода поршня к диаметру.

Ход поршня

S = D = 0,12 1,04 = 0,124 м, гдеD = 0,12м — диаметр поршня;

= S/D = 1.04 — отношение хода поршня к диаметру.

Примем окончательно

D = 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, _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:

S_a = S_c+S_s = 0,125 + 0.008 = 0,133 м.

S_z = с· S_c = 1,38· 0,008 = 0,011 м

S_x мы определяем в зависимости от угла поворота коленчатого вала:

где R=S_s/2; =R/L, где L — длина шатуна, находимая с помощью, которую мы задаём из диапазона =1/3,2…¼, 2, примем л=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 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. б 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

4. 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;

б-угол поворота коленвала;

щугловая 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 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:

щ = рn/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

Рисунок 5. Развернутая диаграмма суммарных сил давления газов и сил инерции КШМ

5. 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

По данным этой таблицы 3 строится выходная характеристика крутящего момента (рисунок 7), а также определяется средний крутящий момент:

М_к ср = 1141,6 Нм Рисунок 7. Выходной крутящий момент двигателя.

Проверка на соответствие заданной эффективной мощности N_е двигателя по осредненному крутящему моменту М_к ср:

Расхождение с заданной мощностью составляет менее 7%.

6. Построение векторной диаграммы и сил, действующих на шатунную шейку коленчатого вала Графическое построение нормальной силы N, тангенциальной Т и радиальной К сил, действующих на шатунную шейку коленчатого вала в зависимости от угла поворота б, осуществляется по данным таблицы сил и моментов, действующих на КШМ двигателя.

Для построения векторной диаграммы сил R_ш необходимы значения сил Т₁ и К₁, действующих на шатунную шейку от одного цилиндра двигателя. Их определили ранее и их значения берём из таблицы.

Силу давления на шатунную шейку коленчатого вала можно определить по формуле:

где K_шк = m_шкrщ² — центробежная сила инерции.

К_шк = 4,794?0,0625?230,4² = 17 814 Н.

Результаты расчета представлены в таблице 4.

таблица 4. Силы, действующие на шатунную шейку коленчатого вала

На основании таблицы 4 была построена векторная диаграмма сил давления Rш на шатунную шейку коленчатого вала двигателя (рисунок 8).

Рисунок 8. Векторная диаграмма сил давления R_ш на шатунную шейку коленчатого вала двигателя.