Расчет двигателя

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Филиал г. Салехард

Кафедра АТХ

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

По дисциплине:

«Теория, расчет и конструкция тепловых двигателей и энергетических установок»

 

На тему: «Расчет двигателя»

 

 

 

 

 

 

 

 

Салехард 2009г.

 

ЗАДАНИЕ

 

Выполнить расчет четырехтактного дизельного двигателя по следующим исходным данным:

Параметры	ЯМЗ - 238А
Номинальная мощность ,кВт	200
Номинальная частота  вращения, мин-1	2300
Число и расположение цилиндров	8-V
Степень сжатия e	16,5
S/D	1,0
Диаметр цилиндра D, мм	125
Ход поршня S, мм	125
Рабочий объем цилиндров Vл, л	11,85
Скорость поршня ,м/с	9,8
Минимальный удельный расход топлива, г/кВт × ч	209
Расположение клапанов	верхнее

 

 

1. Тепловой расчет двигателя

 

При тепловом расчете  вновь проектируемого двигателя  предварительно рассчитывают параметры действительного цикла, строят индикаторную диаграмму и определяют основные размеры: диаметр и ход поршня.

Исходными данными для  расчета являются: Р_е - мощность (номинальная),

n_н - частота вращения (номинальная), e - степень сжатия.

В ходе расчета необходимо задаваться некоторыми коэффициентами, принимая во внимание данные по существующим двигателям. Порядок расчета следующий.

 

1. Процессы впуска и выпуска

 

а). Задаемся значениями: Т_о; р_о ; Т_r ; р_r; DТ; р_а.

Температура Т_о и давление р_о окружающей среды принимаются в соответствии со стандартными атмосферными условиями: Т_о=273+15=298 К; р_о=0,1 МПа.

Температура Т_r и давление р_r остаточных газов зависят от частоты вращения и нагрузки двигателя, сопротивления выпускного тракта, способа наддува.

Для двигателей с газотурбинным  наддувом:

 

р_r=( 0,75…0,95 )р_к= ( 0,75÷0,95 )×0,22 = 0,165 ÷ 0,209 МПа, р_r=0,209 МПа

 

давление надувочного воздуха р_к для существующих двигателей:

 

р_к=(1,5…2,2)р_о.= (1,5…2,2)×0,1 = 0,15 ÷ 0,22 МПа, р_к=0,22 МПа

 

Температура остаточных газов зависит  в основном от коэффициента избытка  воздуха a, степени сжатия e, частоты вращения коленчатого вала, нагрузки.

 

 

DТ-степень подогрева свежего заряда во впускном тракте зависит от частоты вращения, наличия наддува и принимается для дизельных с наддувом 0…10 . Принимаем значение DТ =10⁰ .

Давление в конце  впуска р_а принимается из следующих соотношений

 

р_а = р_х - Dр_а = 0,22 – 0,022 = 0,198 МПа

 

У двигателей потери давления Dр_а за счет сопротивления впускного тракта находятся: Dр_а = ( 0,03 ÷ 0,1 )× р_х = 0,0066 ÷ 0,022 МПа, Dр_а = 0,022МПа

б). Определяем величины: g_r (коэффициент остаточных газов), Т_a (температура конца наполнения) и h_v (коэффициент наполнения) по следующим формулам:

 

 

 

Температура воздуха за компрессором:

 

 

,

 

где n_к - показатель политропы сжатия в компрессоре, принимается в пределах 1,4…2. Примем n_к = 1,6.

в). В зависимости от принятого значения коэффициента избытка воздуха a определяем массу свежего заряда, введенного в цилиндры двигателя (ориентировочно):

 

М₁ = a l_о / 29, кмоль,

 

где l_o = 14,5 кг. воздуха/ кг. топлива – для дизельного двигателя.

 

М₁ = 1,7*14,5 / 29=0,85 кмоль

 

Для принятия значения a необходимо учесть способ смесеобразования, примем 1,7.

Масса воздуха в кмолях: L_o =l_o/29 = 14,5/29 = 0,5 кмоль

 

2. Процесс сжатия

 

Определяем параметры  процесса сжатия: n₁; р_с; Т_с; М_с.

а). Показатель политропы сжатия п₁ определяется из соотношения:

 

n₁ = 1,41 – 100/n_н=1,41 – 100/2300=1,366 ,

 

где n_н – номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя.

б). Давление конца сжатия:

 

 

.

 

в). Температура конца сжатия:

 

.

 

г). Масса рабочей смеси в конце сжатия:

 

, кмоль

 

д). Теплоемкость рабочей смеси в конце сжатия:

 

С_v.c=20,16+1,74×10 ^-3Т_с=20,16+1,74×10 ^-3.1149,58=22,16,

кДж/(кмоль.град).

 

3. Процесс сгорания

 

а). Определяют массу продуктов сгорания в цилиндрах двигателя.

 

 

где С = 0,87; Н = 0,125 – соответственно элементарный состав топлива для дизтоплива (ориентировочно).

б). Определяют температуру газов в цилиндре в конце процесса сгорания из уравнений:

 

,

 

С_rz – теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении:

 

С_rz =(20,2 + 0,92/a) + (15,5 + 13,8/a) 10 ^–4 Т_z + 8,314 ,

 

m -коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси в ходе сгорания

 

m=

 

x - коэффициент использования теплоты в ходе сгорания, для дизелей - x=0,7…0,9, примем 0,8.

Н_u- низшая теплотворная способность топлива: для дизтоплива - ;

Подставим и после  преобразования получим:

 

0,00244×Tz² +30.04×Tz + ( - 66192.74 ) = 0

T_z1 = 2220.46 K

 

Т_z2 = отрицательная температура, а она не может быть такой в конце процесса сгорания.

в). Определяют максимальное давление газов в цилиндре по формулам:

 

р_z = l × р_c = 1,5×8,96 = 13,44 МПа

где l степень повышения давления, которое примем равным 1,5.

 

4. Процесс расширения

 

Определяем параметры  процесса расширения: n₂; р_b; Т_b.

а). Показатель политропны расширения n₂ определяется из соотношения:

 

n₂ = 1,22 + 130 / n_н.=1,22+130/2300=1,276

 

б). Давление и температура  конца расширения:

 

где - степень последующего расширения,

- степень предварительного расширения.

 

Полученные расчетные значения (указанны в скобках) термодинамических параметров процессов цикла необходимо сопоставить с данными табл. 1.

 

Таблица 1 Предельные значения параметров процессов цикла

Тип двигателя	pc , МПа	pz , МПа	Тс , К	Тz ,К	Тb, К
Двигатели с  наддувом	6…8 (8,96)	10…15 (13,44)	1000 (1149,58)	1900…2800 (2220,46)	1100…1200 (1082,1)

 

 

5. Индикаторные показатели цикла

 

а). Определяем среднее  индикаторное давление (теоретическое) газов

 

МПа

 

б). Определяют среднее  индикаторное давление (действительное) газов:

 

p_i = j_п р₁¹,

 

где j_п – коэффициент полноты индикаторной диаграммы, учитывающий ее скругление в ВМТ и НМТ, как результат наличия фаз газораспределения, угла опережения впрыскивания топлива или зажигания, а также скорости сгорания топлива. Значения j_п принимаются для дизельных двигателей 0,9…0,96.

 

p_i =0,96×1,26=1,2096 МПа

 

в). Определяем индикаторный КПД цикла:

 

,

 

г). Определяем индикаторный удельный расход топлива:

 

 

6. Эффективные показатели двигателя

 

а). Определяем среднее давление механических потерь:

 

,

 

где - средняя скорость поршня, принимается по двигателю-прототипу (с_п= 9,8 ),

 и - эмпирические коэффициенты, приведенные в табл. 2.

 

Таблица 2 Значения коэффициентов и

Тип двигателя
Дизели с  неразделенной камерой сгорания	0,105	0,012
Дизели с  разделенной камерой сгорания	0,105	0,0138

 

 

б). Определяем среднее эффективное давление газов:

 

=1,2096-0,2226=0,987 МПа.

 

в). Определяем механический КПД двигателя:

 

.

 

г). Определяем эффективный КПД двигателя:

.

 

д). Определяем удельный эффективный расход топлива:

 

.

 

Полученные расчетные  значения (указаны в скобках) индикаторных и эффективных показателей сопоставляем с данными табл.3.

 

Таблица 3 Предельные значения индикаторных и эффективных показателей современных поршневых двигателей

Тип двигателя	pi, МПа	hi	bi, г/кВт*ч	pe, МПа	he	be, г/кВт.ч
Дизели с наддувом	0,8…2 ( 1,2096 )	0,42…0,5 ( 0,42 )	200…170 ( 201,68 )	0,7…1,8 ( 0,987 )	0,38…0,45 ( 0,34 )	210…175 ( 246 )

 

7. Определение основных размеров двигателя

 

а). Определяем рабочий объем одного цилиндра по заданным значениям мощности, частоты вращения и расчетному значению среднего эффективного давления газов (р_е):

 

, л ,

 

где - число цилиндров двигателя, - тактность двигателя.

 

.

 

Литраж двигателя состовляет 10,432 л.

б). Выбираем отношение  хода (S) поршня к диаметру (D) по прототипу двигателя и задаемся : по прототипу равняется 1,0:

 

, мм;

S = (S/D) × D=1,0*119=119 мм.

 

Определяем литровую мощность по прототипу и по проектируемому двигателю:

 

 

Результаты теплового  расчета сводим в табл. 4.

 

Таблица 4 Характеристика двигателей

Параметры двигателя	Ре, кВт	nн, мин-1	e	D, мм	S, мм	S/D	Vл , Л	bе , г/кВт*ч	Рл,
Прототип	200	2300	16,5	125	125	1,0	11,85	209	16,88
Проектир.	200	2300	16,5	119	119	1,0	10,576	246	18,91

 

 

2. Построение расчетной индикаторной диаграммы

 

Индикаторная диаграмма  дизельного двигателя построена для номинального режима работы двигателя, т. е. при N_e = 200 кВт и n = 2300 мин ^–1, аналитическим методом.

Для дизелей отношение изменяется в пределах 1…d .

Масштабы диаграммы: масштаб  хода поршня M_s= 1 мм в мм; масштаб давлений М_р = 0,05 МПа в мм.

Величины в приведенном масштабе, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:

 

AB=S/Ms=119/l,0 = 119 мм; ОА = АВ/(ε–1)= 119/(16,5–1)= 7,68 мм.

 

Максимальная высота диаграммы (точка  г) p_z/M_p =13,44/0,05=268,8 мм.

Ординаты характерных точек:

 

p_а/M_p =0,198/0,05 = 3,96 мм;

р_с/М_р= 8,96/0,05 = 179,26 мм;

р_b/М_р=0,511/0,05 = 10,22 мм;

р_г/М_р = 0,209/0,05 = 4,18 мм;

р_к/М_р=0,22/0,05=4,4 мм.

 

Построение политроп сжатия и расширения аналитическим методом:

а) политропа сжатия p_x=p_a(V_a/Vx)ⁿ¹. Отсюда

 

р_х/М_р , мм =(р_а/М_р)(ОВ/ОХ)ⁿ¹= 3,96(133,07/ОХ)^1,36 мм,

 

б) политропа расширения p_x=р_b(V_b/V_x)ⁿ² Отсюда

 

р_х /М_р, мм =(р_b/М_р)(ОВ/ОХ)ⁿ²= 10,22(133,07/ОХ)^1,282 мм.

Результаты расчета  точек политроп приведены в табл 5.

 

Таблица 5

			Политропа сжатия			Политропа расширения
№	ОХ	ОВ/ОХ	(ОВ/ОХ)^n1	px/Mx, мм	рх, Мпа	(ОВ/ОХ)^n2	px/Mx, мм	рх, Мпа
1	7,68	16,49	46,01	179,20	8,96	35,75	268,80	13,44
2	10,00	12,67	32,08	127,06	6,35	25,53	209,35	10,47
3	20,00	6,33	12,45	49,29	2,46	10,54	86,45	4,32
4	40,00	3,17	4,83	19,12	0,96	4,35	35,70	1,78
5	60,00	2,11	2,78	10,99	0,55	2,59	21,28	1,06
6	80,00	1,58	1,87	7,42	0,37	1,80	14,74	0,74
7	90,00	1,41	1,60	6,32	0,32	1,55	12,68	0,63
8	100,00	1,27	1,38	5,47	0,27	1,35	11,09	0,55
9	110,00	1,15	1,21	4,80	0,24	1,20	9,82	0,49
10	126,68	1,00	1,00	3,96	0,20	1,00	8,20	0,41