Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» Кафедра «Строительные и путевые машины» В.В. Литвинчук, С.В. Шадрин ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЁТА ТЕПЛОВЫХ МАШИН Методические указания по выполнению расчѐтно-графических работ Хабаровск Издательство ДВГУПС 2012 УДК 621.43: 621.87 (075.8) ББК Н6-5-04 я73 Л 641 Рецензент – доцент кафедры «Тепловозы и тепловые двигатели» ДВГУПС, кандидат технических наук, доцент Я.А. Новачук Литвинчук, В.В. Л 641 Физические основы проектирования и расчѐта тепловых машин : метод. указания по выполнению расчѐтно-графических работ / В.В. Литвинчук, С.В. Шадрин. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2012. – 16 с.: ил. Методические указания соответствуют ГОС ВПО направления подготовки дипломированных специалистов 190200 «Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы» специальности 19020565 «Подъѐмно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование». Изложена методика теплового расчѐта дизельных двигателей внутреннего сгорания. Предназначено для студентов 4-го курса дневной и заочной форм обучения, изучающих дисциплину «Физические основы проектирования и расчѐта тепловых машин». УДК 621.43: 621.87 (075.8) ББК Н6-5-04 я73 © ДВГУПС, 2012 2 1. СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ «ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ» В расчѐтно-графической работе «Основные понятия о двигателях внутреннего сгорания» студенту необходимо ответить на теоретический вопрос. При ответе на вопрос необходимо в полной мере отразить информацию, дающую представление о поставленной задаче с использованием рисунков и пояснений к ним. Содержание расчѐтно-графической работы «Основные понятия о двигателях внутреннего сгорания» представляет собой ответ на теоретический вопрос, отражающий в зависимости от задания: 1) подробное описание конструкции узла или механизма двигателя внутреннего сгорания, его принцип работы и параметры; 2) подробное описание процесса, происходящего в процессе работы двигателя внутреннего сгорания; 3) подробное описание влияния эксплуатационных материалов на процессы, происходящие в процессе эксплуатации двигателя внутреннего сгорания. Номер варианта для расчѐтно-графической работы «Основные понятия о двигателях внутреннего сгорания» выбирается: 1) для студентов очной формы обучения – по заданию преподавателя; 2) для студентов заочной формы обучения – по сумме двух последних цифр учебного шифра студента. Варианты заданий для расчётно-графической работы «Основные понятия о двигателях внутреннего сгорания» 1. Крейцкопфные механизмы. Особенности конструкции, достоинства и недостатки. 2. Бесконтактные системы зажигания. Особенности конструкции, достоинства и недостатки. 3. Тепловой зазор, способы регулировки, его влияние на работу двигателя. 4. Способы нейтрализации отработанных газов ДВС. 5. Способы уравновешивания крутильных колебаний коленчатых валов ДВС. 6. Форма рабочей поверхности поршня различных типов ДВС. Ее влияние на процессы в камере сгорания. 7. Особенности термодинамических процессов двухтактных дизельных двигателей. 8. Особенности термодинамических процессов двухтактных бензиновых двигателей. 3 9. Механизмы газораспределения с двумя распределительными валами. Достоинства, особенности конструкции. 10. Акустические показатели работы двигателя. 11. Влияние неустановившегося характера внешней нагрузки на работу двигателя. 12. Влияние смазочных материалов на работоспособность двигателя. 13. Методика подбора двигателей по внешним характеристикам. 14. Альтернативные виды топлива для двигателей. 15. Механические потери в двигателе и способы их снижения. 16. Конструктивные исполнения турбокомпрессоров в ДВС. 17. Способы смесеобразования и их влияние на работу двигателя. 18. Двигатели с раздельными камерами сгорания. 2. СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ «РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ» В расчѐтно-графической работе «Расчѐт основных показателей двигателя» необходимо произвести расчет основных параметров дизельного двигателя в соответствии с заданными исходными данными, построить индикаторную диаграмму рабочего цикла, а также дать оценку мощности и экономичности двигателя. Содержание расчѐтно-графической работы «Расчѐт основных показателей двигателя» представляет собой тепловой расчѐт двигателя внутреннего сгорания для определения параметров рабочего процесса и построение индикаторной диаграммы ДВС по расчѐтным параметрам. Номер варианта для расчѐтно-графической работы «Расчѐт основных показателей двигателя» выбирается: 1) для студентов очной формы обучения – по заданию преподавателя; 2) для студентов заочной формы обучения – по сумме трѐх последних цифр учебного шифра студента (варианты заданий приведены в прил. 1). 2.1. Расчёт количества воздуха и продуктов сгорания Принимаем средний элементарный состав 1 кг дизельного топлива: углерод C = 0,870; водород H = 0,126; кислород O = 0,004. Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива, кмоль/кг 1 C H O L0 , 0,21 12 4 32 где 0,21 – объѐмное содержание кислорода в 1 кмоль воздуха. 4 (1) Действительное количество воздуха, кмоль/кг M1 1L0 , (2) где 1 – коэффициент избытка воздуха для сгорания топлива, 1 = 1,8÷2,1. Суммарное количество продуктов сгорания, кмоль/кг H O M 2 1L0 . 4 32 (3) Изменение объѐмов продуктов сгорания, кмоль/кг M M 2 M1 . (4) Коэффициент молекулярного изменения 0 M2 M1 . (5) 2.2. Расчёт параметров процесса наполнения Давление в конце наполнения для четырѐхтактных двигателей, МПа P 0,9 0,96 P . 1 В (6) Давление в конце наполнения для двухтактных двигателей, МПа P 0,9 1, 05 P . 1 В (7) Температура в конце процесса наполнения, К T T T г г T В 1 1 г , (8) где T – подогрев свежего заряда от стенок цилиндра и поршня, T = 5÷25 К; T – температура остаточных газов, для четырѐхтактных двигателей г T г = 700÷900 К, для четырѐхтактных двигателей T г = 700÷800 К; г – коэф- фициент остаточных газов, для четырѐхтактных двигателей с наддувом = 0,01÷0,03, для четырѐхтактных двигателей без наддува = 0,08÷0,12, г г для двухтактных двигателей с наддувом г = 0,03÷0,07. Коэффициент наполнения 5 P 1 1 P В T В 1 T 1 1 г . (9) 2.3. Расчёт параметров процесса сжатия Давление в конце процесса сжатия, МПа n P P 1 , С 1 (10) где n1 – показатель политропы сжатия, n1 = 1,32 ÷ 1,38. Температура в конце сжатия, К n 1 T T 1 . С 1 (11) 2.4. Расчёт параметров процесса сгорания Действительный коэффициент молекулярного изменения: 0 г . 1 г (12) Степень повышения давления при сгорании: Pmax PС , (13) где Pmax – максимально допустимое давление рабочего цикла, МПа. Рекомендуемые значения Pmax = 6,0 ÷ 13,0 МПа; = 1,4 ÷ 2,0. Решение уравнения сгорания H 4 u c" 8,314 t c' 8,314 t 2270 , m max m С L 1 1 0 г (14) где 4 – коэффициент эффективного выделения теплоты в точке 4, 4 = = 0,70÷0,85; H u – низшая теплота сгорания дизельного топлива, H u = = 42500 кДж/кг; c"m – средняя мольная теплоѐмкость продуктов сгорания при постоянном объѐме и соответствующая максимальной температуре ра' бочего цикла, кДж/(кмоль∙К); c m – средняя мольная теплоѐмкость воздуха при постоянном объѐме и соответствующая температуре конца процесса сжатия, кДж/(кмоль∙К); tmax – максимальная температура цикла, °C, 6 ( tmax Tmax 273 °C); ( tС TС 273 °C). t С – температура в конце процесса сжатия, °C После подстановки известных значений получается постоянная величина 1 4 Hu ' D c 8,314 t 2270 , m L 1 С г 1 0 (15) а уравнение сгорания принимает вид t max D c" m 8,314 . (16) ' Теплоѐмкости c"m и c m являются функцией температур tmax и tС , а их значения приведены в табл. 1. Таблица 1 Средние мольные теплоёмкости Темпера- Теплоемкость тура, воздуха, °C кДж/(кмоль∙К) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 20,758 20,833 20,984 21,206 21,474 21,780 22,090 22,408 22,713 23,006 23,283 23547 23,794 Теплоемкость Теплоемкость Темпера- Теплоемкость продуктов продуктов тура, воздуха, сгорания, сгорания, °C кДж/(кмоль∙К) кДж/(кмоль∙К) кДж/(кмоль∙К) 22,190 1300 24,018 27,298 22,525 1400 24,250 27,633 22,902 1500 24,459 27,884 23,320 1600 24,682 28,177 23,739 1700 24,863 28,428 24,200 1800 25,003 28,638 24,618 1900 25,167 28,889 25,079 2000 25,326 29,089 25,498 2100 25,474 29,308 25,874 2200 25,611 29,517 26,293 2300 25,745 29,584 26,628 2400 25,870 29,852 27,005 2500 25,992 30,019 Решение уравнения сгорания сводится к определению величины tmax . Это уравнение является квадратным относительно величины tmax и решается методом последовательных приближений (методом подбора). Задаваясь 7 значением температуры tmax из интервала 1400÷2000 °C, определяют соответствующее значение c"m и подставляют в уравнение сгорания. Если значение правой части уравнения оказалось больше левой, то задаются меньшей величиной tmax и выбирают соответствующее значение c"m и так далее, до равенства обеих частей уравнения (допускается расхождение 1,5 %). Степень предварительного расширения T max T С . (17) 2.5. Расчёт параметров процесса расширения Степень последующего расширения . (18) Решение уравнения процесса расширения 5 4 Hu c5 t c" t 8,314 t t . L 1 m 5 m max n2 1 max 5 1 0 г (19) После преобразования уравнение процесса расширения принимает вид 5 4 Hu c" t c5 t 8,314 t t , L 1 m max m 5 n2 1 max 5 1 0 г (20) где 5 – доля теплоты, которая затрачена на изменение внутренней энергии и совершение работы расширения от окончания подвода теплоты до конца 5 процесса расширения, 5 = 0,82÷0,92; c m – средняя мольная теплоѐмкость продуктов сгорания при постоянном объѐме и соответствующая температуре в конце процесса расширения, кДж/(кмоль∙К); t5 – температура продук- тов сгорания в конце процесса расширения, °C; n2 – показатель политропы расширения, n2 = 1,20÷1,28. Из уравнения процесса расширения методом последовательных приближений определяются значения t5 и n2 . Рекомендуемые значения температуры в конце процесса расширения T5 = 900÷1100 К ( t5 T5 273 °C). Давление в конце процесса расширения, МПа 8 1 P P 5 max n 2 . (21) 2.6. Построение индикаторной диаграммы Индикаторная диаграмма строится в координатах P – V (давление – объѐм). Рабочий объѐм цилиндра, л V h 103 d 2 S. 4 (22) Объѐм камеры сгорания для четырѐхтактного двигателя, л V V h . С 1 (23) Объѐм камеры сгорания для двухтактного двигателя, л V V h , С 1 с (24) где ñ – номинальная (геометрическая) степень сжатия, определяемая по выражению с 1 1, 1 (25) где – доля потерянного объѐма цилиндра, = 0,15÷0,20. Построение индикаторной диаграммы начинают с выбора длины отрезка, равного объѐму Vh , с учѐтом масштаба. С учѐтом этого масштаба определяется длина отрезка, соответствующего объѐму V . С Данные отрезки отклады- вают в координатах P – V (V по оси абсцисс, а P – по оси ординат). Далее из концов отрезков возводят перпендикуляры, на которых в масштабе откладывают значения давлений в характерных точках (точки 1, 2, 3, 4, 5). Точки: 1 – начало процесса сжатия; 2 – конец процесса сжатия; 3 – начало предварительного расширения; 4 – начало последующего расширения; 5 – конец процесса расширения. Данным точкам соответствуют следующие объѐмы V и давления P (от начала координат): 1) точке 1 – V1 VС Vh , P1 PВ ; 2) точке 2 – V2 VС , 3) точке 3 – 4) точке 4 – P P ; 2 С P ; V V , P P max C 3 С 3 V V , P P P ; 4 С 4 max C 9 5) точке 5 – V5 V1 VС Vh , 1 P P 5 max n 2 . Значения давлений PCX для политропы сжатия 1–2 определяются по зависимости V n P P ( 1 ) 1, CX 1V X (26) где V X – текущее значение объѐма от V1 до V2 . Значения давлений PPX для политропы расширения 4–5 определяются по зависимости V n P P ( 5 ) 2, PX 5 V X (27) где V X – текущее значение объѐма от V5 до V4 . Для расчѐта политроп необходимо взять 5…8 промежуточных точек. Результаты расчѐта рекомендуется свести в форму, представленную в табл. 2. Вид расчѐтных индикаторных диаграмм четырѐхтактного и двухтактного двигателей внутреннего сгорания приведѐн на рис. 1. Таблица 2 Расчётные значения давлений на линиях сжатия и расширения Текущее значение объема, V , мм X Расчетное значение давления на линии сжатия, P CX , мм Расчетное значение давления на линии расширения P , мм PX 2.7. Расчёт индикаторных показателей рабочего процесса Расчѐтное среднее индикаторное давление, МПа 10 P 1 1 1 P C 1 1 1 . mip 1 n 1 n 1 n 1 n 1 2 1 2 1 а P (28) v4 4 3 2 5 vс 6 1 vh ψV h V б P v4 3 4 2 5 vс 1 vh V 11 Рис. 1. Вид расчѐтных индикаторных диаграмм двигателей внутреннего сгорания: а – двухтактного; б – четырѐхтактного Действительное среднее индикаторное давление для четырѐхтактных двигателей, МПа , P P mi п mip (29) где п – коэффициент полноты диаграммы, п = 0,95÷0,98. Действительное среднее индикаторное давление для четырѐхтактных двигателей, МПа (30) P P 1 . mi mip Индикаторная мощность, кВт P V ni P mi h . i 30 (31) Индикаторный коэффициент полезного действия: L P T 8,314 1 0 mi В . i H P u В (32) Удельный индикаторный расход топлива, кг / (кВт∙час) 3600 b i H u i . (33) 2.8. Расчёт эффективных показателей Среднее эффективное давление, МПа P P , me mi m (34) где m – механический коэффициент полезного действия, m = 0,75÷0,90. Эффективная мощность, кВт P V ni P me h e 30 . (35) Эффективный коэффициент полезного действия . e i m Удельный эффективный расход топлива, кг / (кВт∙час) 12 (36) 3600 b e H u e . (37) Часовой расход топлива двигателем, кг/час B b P . ч e e (38) Часовой расход воздуха двигателем, кг/час G L B , air 1 air air 0 ч (39) где air – массовый коэффициент избытка продувочного воздуха, для четы- рѐхтактных двигателей air = 1,0 ÷ 1,1, для двухтактных двигателей air = = 1,3÷1,5; air – молекулярная масса воздуха, air = 28,95 кг/кмоль. Часовой расход продуктов сгорания двигателем, кг/час G G B . г air ч 13 (40) ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ ДЛЯ РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ «РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ» 14 Параметр 1 2 3 4 4 4 4 4 Тактность, 6 8 12 16 Число цилиндров, i Диаметр 0,318 0,26 0,26 0,26 цилиндра, d (м) Ход поршня, S (м) 0,33 0,26 0,26 0,26 Частота вращения коленчатого вала, 750 1000 1000 1000 -1 n , мин Действительная степень сжатия, 12,5 12,2 12,2 12,2 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 16 20 20 4 4 4 6 8 8 12 8 12 12 0,26 0,26 0,32 0,105 0,11 0,13 0,13 0,13 0,13 0,15 0,13 0,13 0,13 0,26 0,26 0,3 0,12 0,125 0,14 0,14 0,14 0,14 0,18 0,14 0,14 0,14 1000 1100 1000 1600 1600 1750 2100 1700 2100 1500 2100 2100 2100 12,2 12,2 12,0 16,0 16,0 16,5 16,5 16,5 16,5 15,0 16,5 16,5 16,5 Давление воздуха перед впускными органами, PВ , МПа 0,16 0,175 0,170 0,25 0,22 0,35 0,30 0,1 0,1 0,1 0,1 0,175 0,1 0,1 0,16 0,1 0,25 Температура воздуха перед впускными 333 органами, TВ , К 300 303 295 297 299 326 301 329 333 333 333 333 333 333 327 298 Продолжение прил. 1 Параметр Тактность, Число цилиндров, i Диаметр цилиндра, d (м) Ход поршня, S (м) Частота вращения коленчатого вала, n , мин-1 Действительная степень сжатия, 15 18 4 12 0,15 19 4 8 0,12 20 4 4 0,105 21 4 4 0,11 22 4 4 0,11 23 4 4 0,11 24 4 4 0,12 25 4 4 0,12 26 4 4 0,13 27 4 6 0,13 28 2 12 0,23 29 2 20 0,23 30 2 10 0,207 0,18 0,12 0,12 0,125 0,13 0,13 0,14 0,14 0,14 0,14 0,30 0,30 2х0,25 2000 2600 1800 1700 1750 1600 1700 1800 1750 1700 750 780 850 15,0 17,0 16,5 16,0 17,3 17,3 17,0 17,0 16,0 16,0 13,5 13,5 15,1 Давление воздуха перед впускными органами, PВ , МПа 0,1 0,1 0,1 0,1 0,16 0,1 0,1 0,21 0,25 0,1 0,21 0,23 0,22 Температура воздуха перед впускными органами, TВ , К 302 303 300 299 329 303 300 328 333 303 327 329 330 15 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Раннев, А.В. Двигатели внутреннего сгорания строительных и дорожных машин [Текст] / А.В. Раннев – М. : Высшая школа, 1973. – 352 с. 2. Двигатели внутреннего сгорания [Текст] / А.С. Хачиян [и др.]. М. : Высшая школа, 1985. – 311 с. 3. Луканин, В.Н. Двигатели внутреннего сгорания. Динамика и конструирование. Том 2. [Текст] / В.Н. Луканин, М.Г. Шатров. М. : Высшая школа, 2007. – 400 с. 4. Алексеев, В.П. Двигатели внутреннего сгорания [Текст] / В.П. Алексеев, В.Ф. Воронин, Л.В. Грехов; под. общ. ред. А.С. Орлина. М. : Машиностроение, 1990. 289 с. 5. Кухаренок, Г.М. Автомобильные двигатели. Методические указания к контрольной и лабораторным работам по дисциплине «Автомобильные двигатели» [Текст] / Г.М. Кухаренок [и др.]. – Минск : Белорусский национальный технический университет, 2004. – 68 с. 16 ОГЛАВЛЕНИЕ 1. СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ «ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ» ....................................................................................................... 3 2. СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ «РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ» ........................... 4 2.1. Расчѐт количества воздуха и продуктов сгорания .................................... 4 2.2. Расчѐт параметров процесса наполнения .................................................. 5 2.3. Расчѐт параметров процесса сжатия .......................................................... 6 2.4. Расчѐт параметров процесса сгорания ....................................................... 6 2.5. Расчѐт параметров процесса расширения .................................................. 8 2.8. Расчѐт эффективных показателей ............................................................. 12 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ................................................................................................. 14 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................................ 16 17 Учебное издание Литвинчук Виктор Владимирович Шадрин Сергей Валерьевич ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЁТА ТЕПЛОВЫХ МАШИН Методические указания по выполнению расчѐтно-графических работ Отпечатано методом прямого репродуцирования ———————————————————————————— План 2012 г. Поз. 1.4. Подписано в печать 25.12.2011. Уч.-изд. л. 1,3. Усл. печ. л. 1,0. Зак. 30. Тираж 50 экз. Цена 37 р. ———————————————————————————— Издательство ДВГУПС 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47. 18
