1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
1.1 Цель и требования при выполнении курсового проекта
Расчет параметров рабочего цикла ЭУТТ-ДВС, его геометрических
размеров и технических характеристик базируется на аналитических
зависимостях теоретических основ двигателей внутреннего сгорания.
Выполнение расчета позволяет получить:
- полную информацию о физико-химических параметрах изменения
состояния рабочего тела при совершении рабочего цикла с учетом условий,
структуры топлива, конструктивных особенностей проекта;
-определение основных индикаторных и эффективных показателей
рабочего цикла тепловой ЭУ для транспортной техники;
-определения геометрических размеров цилиндропоршневой группы для
получения необходимой мощности ЭУ;
-определение сил действующих в элементах сопряжений КШМ;.
-выполнить поверочный расчет работоспособности элементов,
механизмов и систем двигателя.
Технические характеристики основных рекомендуемых прототипов
приведены в приложении. Конкретные значения физико-химических, газотермодинамических параметров исходных данных, необходимых при
выполнении расчетов
определяются самостоятельно. Их физическая
сущность, диапазон изменения, методика проведения анализа, оценки и
выбора значения приведены в разделе «Обоснования и выбор исходных
данных к тепловому расчету». Приведена таблица исходных данных,
которую необходимо заполнить при изучении материалов теории ДВС.
Пояснительная записка к проекту выполняется на листах формата А4.
Расчеты и обоснования излагаются в подробной форме. Пояснительная
записка заканчивается сравнительной характеристикой расчетного варианта
ЭУТТ и ЭУТТ принятого в качестве прототипа. Список литературы.
Графическая часть проекта состоит из 2-х листов формата А1.
На первом листе представляются индикаторная диаграмма, диаграмма
фаз газораспределения, графики динамических нагрузок в сопряжениях и
элементах КШМ. Диаграмма суммарного крутящего момента, полярная
диаграмма сил действующих в сопряжении шатуна и шатунной шейки
силового вала.
На втором листе представляются поперечный разрез проектируемого
Двигателя с полученными геометрическими размерами ЦПГ и элементов
КШМ принчтыми согласно поверочного расчета в части 3 курсового проекта,
Пример выполнения графической части приведен в приложении В.
Замечания ведущего преподавателя следует воспринимать,
исправления, которые необходимо внести при выполнении расчетов.
как
2 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
УСТАНОВКИ ТРАНСПОРТНОЙ ТЕХНИКИ
2.1 Обоснование и выбор дополнительных исходных данных к
выполнению теплового расчета
Мощность двигателя и его топливно-экономические показатели во
многом зависят от правильного и оптимального варианта сочетания
конструктивных особенностей двигателя, физико-химических условий
протекания процессов рабочего цикла и внешних условий эксплуатации с
учетом типа и назначения проектируемого двигателя. Положительные
результаты могут быть получены при тщательном обосновании и правильном
подборе дополнительно закладываемых данных, определяющих внешнюю
организацию рабочего цикла соответственно типу и назначению двигателя.
В разделе обоснования и выбора исходных данных рассматривается
оценка конкретных значений лишь для тех параметров, которые этого
требуют с учетом задания. Коэффициенты, физико-химические константы,
элементарный состав, параметры технической характеристики двигателя и
топлива.
Значения принимать с учетом варианта, принятого как последняя цифра
номера зачетной книжки -(z).
Принятые значения после тщательного подбора и анализа занесите в
общую таблицу исходных данных, таблица 1.
2.1.1 Параметры окружающей среды
Давление и температура окружающей среды принимаются исходя из
принятых нормальных физических условий Ро = 0,1013 МПа; Тo = 293 К.
и с учетом их отклонений в реальных условиях.
При выполнении расчетов по варианту принять:
Ро = 0,1 + 0,0002∙z;
То = 302 – 2∙z;
Здесь z – номер по варианту (последняя цифра номера
экзаменационной книжки).
2.1.2 Элементарный состав и техническая характеристика топлива.
В качестве топлива для двигателей используются более легкие
углеводородные соединения в жидкостном и газовом состоянии. Исходным
продуктом для их получения является природные места зарождения и
накопления нефти и газа. Жидкие моторные топлива, используемые для
автомобильных двигателей внутреннего сгорания, представляют собой
совокупность целого ряда углеводородных соединений.
Его элементарный состав по массе можно представить как
С + Н + От = 1 кг
где С – содержание углерода, кг/кг топлива;
Н – содержание водорода, кг/кг топлива;
От –содержание кислорода, кг/кг топлива.
Для бензиновых двигателей, в качестве топлива используется бензин, c
содержанием:
С = 0,855, Н = 0,145, От = 0.
Для расчета согласно варианта принять:
содержание углерода С = 0,84 + 0,003∙z кг углерода / кг топлива;
содержание водорода Н = 1 – С .кг водорода / кг топлива;
содержание кислорода От = 0,0 кг кислорода / кг топлива.
Для дизельных двигателей, где в качестве топлива используется
дизельное топливо с содержанием:
С = 0,87, Н = 0,126, От = 0,004.
Для расчетов принять
содержание углерода С = 0,86 + 0,003∙z кг углерода /кг топлива;
содержание кислорода От = 0,004 кг кислорода /кг топлива;
содержание водорода Н =1–(С +От) кг водорода / кг топлива
Низшая теплотворная способность топлива:
для бензина составляет– Hu = 43930 кДж/кг;
для дизельного топлива –Hu = 42500 кДж/кг.
Молекулярная масса топлива, используемого для автомобильных
бензиновых двигателей составляет μт = 110-120 кг/кмоль, для дизельных
двигателей молекулярная масса топлива составляет μт = 180 – 200 кг / кмоль .
При использовании обогащенных составов смеси α < 1, согласно
задания, соотношение количества остаточного водорода и окиси углерода --
М
М
Н2
, содержащихся в составе продуктов сгорания и отработавших газах
СО
принять равным величине К = 0,5.
2.1.3 Подогрев заряда в процессе впуска.
Свежий заряд, при движении по каналам впускной системы и в объеме
цилиндра, соприкасается с горячими стенками среды. В результате
происходит некоторое повышение температуры поступающей смеси.
Аналитическое определение ∆Т осложняется отсутствием данных для
определения коэффициента теплоотдачи и средней температуры
поверхностей контакта. В связи с этим, при выполнении теплового расчета
его значение подбирают на основе ранее полученных экспериментальных
результатов.
В бензиновых двигателях с внешним смесеобразованием часть тепловой
энергии заряда расходуется на испарение распыленного при впрыске или при
истечении через распылитель топлива. При низких нагрузках и более низком
температурном состоянии элементов системы впуска степень подогрева
более низкая. На режиме максимальных нагрузок температурное состояние
элементов системы впуска и степень подогрева несколько повышается. Для
режима с использованием обогащенных и богатых смесей большая часть
теплоты подвода используется на испарение топлива, а степень подогрева
смеси понижается. В конечном итоге степень подогрева заряда в процессе
впуска оценивается значением ∆Т в пределах от 0.до..200 С ( К).
В дизельных двигателях все количество воспринимаемой от стенок
теплоты используется на подогрев воздуха. Степень подогрева воздуха в
процессе впуска оценивается более высокими значениями ∆Т в пределах
20…40 о К (С).
Самостоятельно оцените режим работы , состав смеси, особенности
конструкции системы впуска прототипа и проектируемого двигателя и
значение ∆Т примите в указанных пределах, ∆Т= .
2.1.4 Параметры процесса выпуска отработавших и остаточных газов
Качество протекания процесса наполнения цилиндра во многом
определяется параметрами выпуска отработавших газов: давлением в
системе выпуска – Рr и температурой отработавших газов – Тr.
Величина Рr определяется давлением внешней среды – Р0
При расчете коэффициентов остаточных газов и наполнения можно
принять среднее значение давления на выпуске – Рr = (1,14 …. 1,2 )∙Р0.
Температура отработавших газов Тr зависит от состава смеси, степени
расширения и теплообмена при расширении и выпуске. Температура
остаточных газов для бензиновых двигателей в зависимости от раннее
приведенных условий изменяется в пределах Тr = 950….1050 К.
В дизельных двигателях при высоких значениях степени сжатия и,
соответственно, степени расширения температура газов на выпуске ниже на
200…250 К и составляет Тr = 700…800, К.
Значения Рr и Tr принять самостоятельно исходя из условий
окружающей среды и конструктивных особенностей параметров прототипа,
согласно задания.
2.1.5 Суммарный коэффициент сопротивления системы впуска.
Совершенство организации процесса впуска и соответственно
параметры конца впуска во многом определяется оригинальностью
конструкции самой системы впуска и характеризуется ее суммарным
коэффициентом сопротивления – (β2+ζ). Здесь β = Wц / Wвп, определяется как
коэффициент гашение скорости движения смеси при поступлении в цилиндр
в результате внезапного расширения, ζ – коэффициент гидравлического
сопротивления системы впуска, отнесенный к наиболее узкому ее сечению,
сечение впускного клапана. При хорошо сконструированной системе впуска,
суммарный коэффициент сопротивления составляет - (β2+ζ) = 2.0 … 3.5.
Для современных конструкций двигателей с двумя впускными и двумя
выпускными клапанами и сравнительно не высокой частотой вращения вала
двигателя принимаются более низкие значения в указанных пределах.
Допускается значение скорректировать после выполнения расчетов средней
скорости смеси на впуске. Проследите технические особенности
конструкции прототипа, исходные данные проектируемого двигателя,
возможно данные предварительных расчетов и решение примите
самостоятельно (β2+ζ) =
2.1.6. Показатель политропного сжатия
Значение
параметров
процесса
сжатия
определяется
термодинамическими параметрами рабочей смеси в начале сжатия, степени
сжатия и характера теплообмена. Интенсивность и направление теплообмена
оценивается показателем политропного сжатия -n1. В начальный период
процесса сжатия температура смеси ниже температуры поверхностей стенок.
Температура смеси повышается как за счет сжатия, так и в результате
подвода теплоты от стенок. С учетом направления и интенсивности подвода
теплоты значение n1 больше 1.41 и n1 > k. По мере выравнивания
температуры стенок и рабочей смеси, n1 постепенно приравнивается k. На
последующем участке процесса сжатия температура смеси становится
больше температуры стенок, тепловой поток меняет направление,
происходит теплоотдача в стенки цилиндров и камеры сгорания. Значение
показателя n1 становится меньше 1.41, n1 < k..
Здесь k – показатель
адиабаты, для свежей рабочей смеси можно считать k =1,41.
Таким образом, значение n1 в процессе сжатия является переменным.
Зависит от характера теплообмена с учетом принятой системы охлаждения,
частоты вращения, времени, в течение которого происходит теплообмен,
конструктивных особенностей двигателя, теплопроводности материала
поршня, головки цилиндров и гильзы. В практических расчетах принимают
его среднее значение с учетом всех выше перечисленных факторов. При
расчетах рабочего цикла двигателя с полной нагрузкой и максимальной
частоте вращения предварительные его значения принимают n1=1,35…1,38
для карбюраторных двигателей и n1=1,32…1,38 для дизельных двигателей. С
учетом исходных данных задания и особенностей конструкции двигателя
значения n1 среднее, принять самостоятельно.
2.1.7 Показатель политропного расширения
Значение термодинамических параметров рабочего тела в процессе
расширения также определяется на основе аналитических зависимостей
политропного процесса с постоянным показателем n2. Его значение, также
как и значение показателя политропного сжатия, определяется
интенсивностью и направлением протекания теплообмена в процессе
расширения. Предварительное его значение принимают на основе
собственных соображений в пределах: для карбюраторных двигателей
n2=1.23…1,28 , для дизельных двигателей n2=1,18…1,28. Значение принять
самостоятельно. После выполнения расчетов параметров процесса впуска,
сжатия и сгорания значение допускается несколько скорректировать в
указанных пределах.
2.1.8 Коэффициент использования теплоты.
Значение коэффициента использования теплоты
учитывает
эффективность использования теплоты на участке сгорания. Его конкретные
значения близко отражают долю теплоты, которая активно расходуется на
повышение температуры рабочего тела, внутренней энергии и совершение
работы. На основе опытных данных его значение принимаются в пределах:
для бензиновых двигателей
ζz = 0,85…0,9;
для дизельных двигателей
ζz = 0,7… 0,85.
Значение принять самостоятельно с учетом типа, конструктивных
особенностей прототипа ζz =
2.1.9 Степень повышения давления на участке сгорания.
Значение степени повышения давления λсг = Pz / Pc принимается только
при выполнении варианта проекта дизельного теплового двигателя, с целью
ограничения максимальных значений давления в рабочем цикле для
дизельных двигателей, после подвода первой части теплоты на участке при
постоянном объеме. Рабочим значением максимального давления можно
принять Pz = 9.0….10 МПа.
Исходя из установившихся значений степени сжатия для дизельных
двигателей и давления при завершении процесса сжатия Рc принять значение
степени повышения давления λсг = Pz / Pc.
При допустимом рабочем значении Pz =10 МПа и известном уже
значении Pc , на этапе расчета процесса сгорания можно внести поправку, с
учетом произведение Pc* λсг ≤ 10 МПа или λсг =10 / Рс.
Для современных дизельных двигателях λсг принимается равным
1,4…2,0, без превышения предельно-допустимых значений, Pz = 10….12
МПа.
2.10 Коэффициент округления индикаторной диаграммы.
В реальном двигателе процесс сгорания занимает некоторый
промежуток времени (30…50)˚п.к.в. и захватывает верхнюю часть процесса
расширения. Максимальные значения давления и температуры смещены на
(15…20)˚п.к.в. после ВМТ и имеют более низкие значения. В процессе
выполнения расчетов для бензиновых двигателей, действительное значение
максимального давления принимается равным 0.85 от максимального
расчетного давления
Pzд = 0,85 Pz mаx.
При построении индикаторной диаграммы и определении оценочных
показателей рабочего цикла появляется необходимость скруглять линии
протекания процесса. Это учитывается значением коэффициента скругления
индикаторной диаграммы. Для бензиновых двигателей значение
коэффициента округления принимают равным φд = 0,94….0,97.
Для дизельных двигателей, где вторая часть теплоты подводится на
участке предварительного расширения, Pzд
остается равным Pz mаx
расчетному, Pzд = Pz mаx.
Соответственно, значение коэффициента скругления индикаторной
диаграммы принимают равным φд = 0,92 … 0,96.
2.11 Степень сжатия двигателя.
В качестве топлива, для автотракторных двигателей используется
бензин, дизельное топливо или газ. Для бензиновых двигателей показателем
для принятия значения степени сжатия является октановое число бензина,
установленное заданием при указании марки топлива. Октановое число
указывает физическое содержание изооктана в смеси с нормальным
гептаном, которая по свойству детонационной стойкости эквивалентна
топливу.
Для обеспечения нормальной работы двигателя октановому числу
бензина должно соответствовать и определенное значение степени сжатия.
На основе опытных данных ориентировочно можно принимать :
Марка топлива
Допустимое значение
октановое число
степени сжатия
А – 76…85
7.0…9.0
А – 85..100
9.0.…12.0
Обеспечить возможность использования более высоких значений
степени сжатия при заданном сорте топлива можно за счет:
а) выбора особой конструкции формы камеры сгорания;
б) уменьшения размеров цилиндра и расположения свечи зажигания;
в) выбора материала поршня и головки цилиндров;
г) использование обедненных смесей.
Значение степени сжатия для дизельного двигателя должно быть
предельно-максимальным, при использовании которого значение давления
на участке сгорания Pz mаx ограничивается предельно-допустимым
максимальным давлением. Его значение не должно превышать 10….12 МПа.
Минимальное значение степени сжатия должно обеспечить надежное
воспламенение образовавшейся топливно-воздушной смеси на участке
завершения процесса сжатия и начала подачи топлива.
Цетановое число топлива определяет присутствие в составе топлива
компонентов углеводородных соединений с более низкой температурой
воспламенения и меньшим периодом его задержки. Топливо с более высоким
значением цетанового числа имеет меньший период задержки
воспламенения, допускает принять более высокие значения степени сжатия, с
учетом ограничения по максимальному давлению.
Значение степени сжатия для дизельных двигателей можно принимать в
пределах ε =14….22 единицы. Использование более высоких значений
степени сжатия можно считать нецелесообразным и приводит к повышению
максимальных давлений, снижению механического к. п. д., увеличения
массы конструкции двигателя, преждевременному износу цилиндропоршневой группы и элементов КШМ.
Для двигателей грузовых автомобилей принимаются более низкие
значения.
Другие значения исходных данных:
- ход поршня двигателя прототипа – Sпп (в метрах),
- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна – λ,
- отношение хода поршня к диаметру цилиндра – (S/D) ,
- номинальная мощность – Nе кВт,
- номинальная частота вращения – n об/ мин,
- число цилиндров,
заносятся в таблицу исходных данных на основе задания и технической
характеристики двигателя прототипа, таблица 1.
Основные технические характеристики двигателей
приведены в приложении А, методических указаний.
прототипов
Таблица 1 - Исходные данные к расчету
Наименование параметров
1
Давление окружающей среды
Температура окружающей среды
Содержание углерода в топливе
Содержание водорода в топливе
Содержание кислорода в топливе
Теплотворная способность топлива
Молекулярная масса топлива
Коэффициент отношения Мсо/Мн
Универсальная газовая постоянная
Газовая постоянная воздуха
Обозна
чения
2
Ро
То
С
Н
От
Нu

К
R
Ед.изме
рения.
3
Мпа
К
МДж/кг
кг/кмоль
кДж
кмоль  К
Дж/(кг∙
К)
Степень подогрева заряда
∆T
К
Давление газов на выпуске
Pr Мпа
Температура газов на выпуске
Tr
К
2
Суммарный
коэффициент (β +ζ)
сопротивления впускной системы
Показатель политропы сжатия
n1
.Показатель политропы расширения
n2
Коэф-т использования теплоты
ξz
Степень повышения давления на
λсг
участке сгорания
Коэф-ент скругления индикаторной φ д
диаграммы
Ход поршня прототипа
Snn
м
Отношение радиуса кривошипа к
кр
длине шатуна
Степень сжатия
ε
Коэффициент избытка воздуха
ά
Отношение хода поршня к диаметру (S/D)
цилиндра
Эффективная мощность двигателя
Nе
Квт
Rв
Номинальная частота вращения
n
Число цилиндров
i
об/мин
-
Чис.знач
4
0.1013
293 К
0.85 ..0.87
0 ..0.145
0 ..0.004
42 ..44
110 ..200
0.5
8.314
287
0 ..40
0,1..0,122
700 ..1000
2 ..3,5
1,34 ..1,39
1,22 ..1,27
0,75..0,9
1,5..2,0
0,94..0,96
прилож
задание
6 ..20
задание
задание
задание
задание
задание