Курсовая работа: Тепловой и динамический расчет дизельного двигателя с наддувом

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

ФГБОУ ВО

ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра - Автомобильный транспорт

ТЕПЛОВОЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДИзельного ДВИГАТЕЛЯ С НАДДУВОМ

Пояснительная записка

к курсовому проекту по дисциплине

"Основы расчета силовых установок КТС"

Выполнил студент

гр. ААбз-16-1

Руководитель, профессор

С.Н. Кривцов

Иркутск

2020г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Тепловой расчет дизельного двигателя

1.1 Расчет характеристик рабочего тела

1.2 Расчет процессов газообмена

1.3 Расчет процесса сжатия

1.4 Расчет процесса сгорания

1.4 Расчет процесса расширения

1.5 Определение индикаторных показателей двигателя

1.6 Определение механических (внутренних) потерь и эффективных показателей двигателя

1.7 Определение размеров рабочего объема двигателя

2. Динамический расчет дизельного двигателя с наддувом

2.1 Диаграмма сил инерции масс КШМ

2.2 Диаграмма суммарных сил, действующих в КШМ

2.3 Полярная диаграмма силы, действующей на шатунную шейку

2.4 Диаграмма моментов, скручивающих коренные шейки коленчатого вала

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших задач для каждого из мировых автопроизводителей является постоянная работа над совершенствованием выпускаемых двигателей внутреннего сгорания, а также работа над созданием новых моделей двигателей. Данная работа обычно направлена на постоянное повышение топливной экономичности, увеличение мощности двигателя (литровой), снижение концентрации вредных веществ в выхлопных газах, которые поступают в окружающую среду, снижение шумности двигателя при всех режимах работы автомобиля.

Из теории известно, что при повышении степени сжатия двигателя внутреннего сгорания получается достигнуть снижения коэффициента остаточных газов, удается повысить давление в конце такта сжатия и общее максимальное давление сгорания, а также повысить индикаторный коэффициент полезного действия, и соответственно снизить удельный эффективный расход топлива и повысить литровую мощность двигателя.

Целью курсового проекта является выполнение теплового и динамического расчета дизельного двигателя внутреннего сгорания с наддувом.

дизельный двигатель тепловой динамический

1 Тепловой расчет дизельного двигателя

Для выполнения курсового проекта зададимся следующими исходными данными:

а) тип - дизельный двигатель (с наддувом);

б) число цилиндров - 5;

в) мощность двигателя = 90 кВт;

г) частота вращения = 2400 об/мин;

д) степень сжатия - 16;

е) коэффициент избытка воздуха б = 1,6.

1.1 Расчет характеристик рабочего тела

Исходные данные по используемому топливу, представим в табл. 1.1.

Таблица 1.1 - Исходные данные для расчета рабочего тела

Далее определим количество воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания топлива (1.1) и (1.2):

По (1.3) определим количество свежей смеси для дизельного двигателя:

Для дизельных двигателей определим количество продуктов сгорания:

Суммарное количество продуктов сгорания (1.8):

Далее рассчитаем молярные доли компонентов продуктов сгорания по следующим формулам:

После проверки общая сумма равна 1.

Теоретический коэффициент молярного изменения (1.12):

1.2 Расчет процессов газообмена

Для расчета процессов газообмена зададимся следующими исходными данными, которые представим в табл.1.2.

Таблица 1.2 - Исходные данные для расчета процессов газообмена

Выполним расчет параметров на впуске. Для дизельных двигателей с наддувом давление на впуске за компрессором будет равно (1.13):

Зададимся значением , исходя от номинальной частоты вращения двигателя - 2400 об/мин, представленной в задании на курсовой проект.

Далее рассчитаем массовый расход воздуха (1.14):

Зададимся следующими значениями:

а) адиабатический КПД компрессора ;

б) адиабатический КПД турбины .

Выберем дизельный двигатель без промежуточного охлаждения. Определим температуру воздуха перед впускными клапанами (1.15):

Плотность заряда на впуске будет равна (1.16):

Примем теплоемкость воздуха при постоянном давлении равной 1.

Определим значение теплоемкости продуктов сгорания (1.17):

Определим показатель адиабаты расширения продуктов сгорания из зависимости между температурой конца выпуска и составом продуктов сгорания (1.18):

Гидравлические потери во впускном трубопроводе определим (1.19):

Определим давление рабочего тела в конце такта впуска (1.20):

Определим значение степени понижения давления в турбине (1.21):

Давление остаточных газов рассчитаем далее (1.22):

Определение коэффициента наполнения (1.23):

Коэффициент остаточных газов равен (1.24):

По (1.25) рассчитаем температуру заряда в конце такта впуска

1.3 Расчет процесса сжатия

Для дальнейшего расчета дизельного двигателя с наддувом выберем показателя политропы сжатия из диапазона и примем равным .

Определим параметры рабочего тела в конце процесса сжатия (1.26), (1.27):

1.4 Расчет процесса сгорания

Для дизельного двигателя с наддувом рассчитаем (1.28):

где - максимальное возможное давление для данного цикла.

Для дальнейшего расчета процесса сгорания зададимся необходимыми исходными данными, представленными в табл. 1.3.

Таблица 1.3 - Исходные данные для расчета процесса сгорания

Рассчитаем теплоту сгорания рабочей смеси (1.29):

Определим действительное значение коэффициента изменения молярного изменения рабочей смеси (1.30):

Далее определим максимальное давление и температуру конца цикла видимого сгорания дизельного топлива для двигателей. В случае замены уравнение 1-го закона термодинамики для подвода теплоты будет иметь следующий вид (1.31):

где - коэффициент активного тепловыделения в точке z;

- внутренняя энергия рабочего тела в точке z, МДж/кг;

- внутренняя энергия рабочего тела в точке с, МДж/кг;

- механическая работа, совершаемая при изобарном подводе теплоты.

После приведения к рабочему виду уравнение примет следующий вид (1.32):

где - внутренняя энергия одного киломоля воздуха при температуре , МДж/кмоль;

- внутренняя энергия одного киломоля продуктов сгорания при температуре , МДж/кмоль;

- внутренняя энергия одного киломоля продуктов сгорания при температуре , МДж/кмоль.

По (1.33) определим значение внутренней энергии отработавших газов при заданной температуре с учетом объемных долей компонентов этих газов и внутренней энергии:

Переведем в градусы

Вычислим внутреннюю энергию компонентов свежей смеси (1.34):

Если представить данную зависимость в виде линейного характера, то выражение будет выглядеть (1.35):

Если представить среднюю молярную теплоемкость смеси продуктов сгорания с учетом объемных долей компонентов, то выражение примет следующий вид (1.36):

Тогда получим

По (1.39) рассчитаем внутреннюю энергию продуктов сгорания при температуре

Предыдущее выражение запишем в следующем виде

Обозначим следующие выражения

Определим степень предварительного расширения (1.43):

Степень последующего расширения определим (1.44):

Определим максимальное давление цикла (1.45):

1.4 Расчет процесса расширения

Расчет последующего процесса расширения для дизельного двигателя, начинается в точке , где начинается максимальная расчетная температура рабочего цикла .

Дизельные двигатели с наддувом имеют большую длительность фаз догорания, что свидетельствует выбором меньших значений политропы расширения , из следующих пределов 1,18…..1,22. Зададимся .

Определим параметры рабочего тела в конце процесса расширения (1.46):

Далее проверим правильность выбора остаточных газов по формуле (1.48):

. Отклонение составляет 1,54 %, соответственно расчеты выполнены верно.

1.5 Определение индикаторных показателей двигателя

Зададимся коэффициентом полноты индикаторной диаграммы = 0,91.

Расчет среднего индикаторного давления для дизельного двигателя с наддувом произведем по формуле (1.49):

С использование рассчитаем действительное среднее индикаторное давление (1.50):

Определим индикаторный КПД по формуле (1.51):

Удельный индикаторный расход топлива равен (1.52):

1.6 Определение механических (внутренних) потерь и эффективных показателей двигателя

Через (1.53) выразим линейную функцию среднюю скорость поршня для дизельного двигателя с наддувом:

где - средняя скорость поршня, м/с;

- коэффициент, первая составляющая механических потерь, МПа;

- степень повышения давления при наддуве;

с - коэффициент, учитывающий увеличение потерь на трение (0,1..0,2);

- давление перед турбиной, МПа;

- давление после компрессора, МПа;

- среднее давление потерь на газообмен, МПа.

Зададимся следующими исходными данными для дальнейшего расчета:

а) средняя скорость поршня - 8 м/c;

б) коэффициент - 0,019 МПа;

в) коэффициент - 0,012

Среднее эффективное давление равно (1.56):

Механический КПД будет равен (1.57):

Определим эффективный КПД (1.58):

Удельный расход топлива будет равен (1.59):

Часовой расход топлива будет равен (1.60):

1.7 Определение размеров рабочего объема двигателя

Рабочий объем двигателя будет равен

Рабочий объем одного цилиндра равен

По (1.63) определим диаметр цилиндра

Ход поршня равен

Уточним значение средней скорости поршня по (1.65):

Расхождение 2,1% соответствует допустимому значению. Также далее уточним значения рабочего объема двигателя и его номинальной мощности.

Определим эффективный крутящий момент (1.68):

Литровая мощность будет равна

Все сводные параметры внесем в табл. 1.4.

Таблица 1.4 - Сводные параметры

По результатам теплового расчета дизельного двигателя с наддувом построим индикаторную диаграмму (рис.1.1.).

Рисунок 1.1 - Индикаторная диаграмма дизельного двигателя с наддувом

2. Динамический расчет дизельного двигателя с наддувом

Для последующего динамического расчета введем следующие исходные данные:

а) номинальная мощность ;

б) номинальная частота вращения ;

в) число цилиндров - 5 (рядное);

г) диаметр цилиндра ;

д) ход поршня ;

е) степень сжатия .

Определим угловую скорость коленчатого вала (2.1):