МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
СЕВЕРО - ЗАПАДНЫЙ ЗАОЧНЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
КАФЕДРА АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА
КУРСОВАЯ РАБОТА
ПО ДИСЦИПЛИНЕ :РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ И
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВЫПОЛНИЛСТУДЕНТ III КУРСАФАКУЛЬТЕТА ЭМ и АП СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 2401 ШИФР ____________
= . . =
РУКОВОДИТЕЛЬРАБОТЫ : = А. Д. ИЗОТОВ =
г. ЗАПОЛЯРНЫЙ
1998 г.
1. веденИЕ Стр.3
2.ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ВЫБОР АНАЛОГА ДВИГАТЕЛЯ Стр.4.
3. Стр.5
3.1 Стр.6
3.2 СЖАТИЯ Стр.6
3.3 Стр.6
3.4 Стр.7
3.5 ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДВИГАТЕЛЯ. Стр.7
3.6 Стр.8
3.7 ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ. Стр.9
4. РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ. Стр.10
4.1 Стр.10
4.2 Стр. 12
4.3 N), НОРМАЛЬНОЙ (Z)ИТАНГЕНЦИАЛЬНОЙ СИЛ ДЛЯ ОДНОГО ЦИЛИНДРА. Стр.13
4.4
СУММАРНОГОНАБЕГАЮЩЕГО КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА. Стр.17
5. Стр.18
6. Стр.19
1.
На наземномтранспорте наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания.Эти двигатели отличаются компактностью, высокой экономичностью, долговечностью и применяются во всех отраслях народного хозяйства.
В настоящеевремя особое внимание уделяется уменьшению токсичности выбрасываемых ватмосферу вредных веществ и снижению уровня шума работы двигателей .
Спецификатехнологии производства двигателей и повышение требований к качеству двигателейпри возрастающем объеме их производства, обусловили необходимость созданияспециализированных моторных заводов. Успешное применение двигателейвнутреннего сгорания, разработка опытных конструкций и повышение мощностных иэкономических показателей стали возможны в значительной мере благодаряисследованиям и разработке теории рабочих процессов в двигателях внутреннегосгорания .
Выполнениезадач по производству и эксплуатации транспортных двигателей требует отспециалистов глубоких знаний рабочего процесса двигателей, знания ихконструкций и расчета двигателей внутреннего сгорания .
Рассмотрениеотдельных процессов в двигателях и их расчет позволяют определитьпредполагаемые показатели цикла, мощность и экономичность, а также давлениегазов, действующих в надпоршневом пространстве цилиндра, в зависимости отугла поворота коленчатого вала. По данным расчета можно установить основныеразмеры двигателя (диметр цилиндра и ход поршня ) и проверить на прочность егоосновные детали.
2.
По заданнымпараметрам двигателя произвести тепловой расчет, по результатам расчетапостроить индикаторную диаграмму, определить основные параметры поршня икривошипа. Разобрать динамику кривошипно-шатунного механизма определитьрадиальные, тангенциальные, нормальные и суммарные набегающие силыдействующие на кривошипно-шатунный механизм. Построить график средних крутящихмоментов.
Прототипомдвигателя по заданным параметрам может служить двигатель ЗИЛ-164 .
ТАБЛИЦА 1. Параметры двигателя .
Номинальная мощность КВт.
Число цилиндров
Расположение цилиндров .
Тип двигателя .
Частота вращения К.В.
Степень сжатия .
Коэффициент избытка воздух
90
6
Рядное .
Карбюратор.
5400
8,.2
0,95
3.
При проведениитеплового расчета необходимо правильно выбрать исходные данные и опытныекоэффициенты, входящие в некоторые формулы. При этом нужно учитыватьскоростной режим и другие показатели, характеризующие условия работы двигателя.
ТОПЛИВО :
Степень сжатия e = 8,2. Допустимо использование бензина АИ-93 (октановое число = 81¸90). Элементарный состав жидкого топлива принято выражать в единицах массы.Например в одном килограмме содержится С = 0,855, Н = 0,145, где От — кислород; С- углерод; Н — водород. Для 1кг. жидкого топлива, состоящегоиз долей углерода, водорода, и кислорода, при отсутствии серы можно записать: С+Н+От = 1 кг.
ПAРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО ТЕЛА:
Определение теоретическинеобходимого количества воздуха при полном сгорании жидкого топлива.Наименьшее количество кислорода Оо, которое необходимо подвестиизвне к топливу для полного его окисления, называется теоретически необходимымколичеством кислорода. В двигателях внутреннего сгорания необходимый длясгорания кислород содержится в воздухе, который вводят в цилиндр во времявпуска. Зная, что кислорода в воздухе по массе 0,23%, а по объему 0,208%,получим теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива :
кг.
кмоль.
Действительное количество воздуха, участвующего в сгорании 1 кг. топлива при a=0,9 : alo= 0.9*14.957 = 13.461 кг; aLo= 0,9 * 0,516 = 0,464. При молекулярной массе паров топлива mт= 115 кмоль, найдем суммарноеколичество свежей смеси :
М1 = 1/ mт+ aLo = 1/115+0,464 =0,473 кмоль.
При неполном сгорании топлива ( aМсо = 2*0,21*[(1-a)/(1+K)]*Lo = 0,42*(0,1/1,47)*0,516 = 0,0147 кмоль.
МСО2 = С/12- Мсо= 0,855/12-0,0147 = 0,0565 кмоль.
МН2= К* Мсо =0,47*0,0147 = 0,00692 кмоль.
МН2О = Н/2 — МН2 =0,145/2-0,00692 = 0,06558 кмоль.
МN2= 0,792*aLo =0,792*0,9*0,516 = 0,368 кмоль.
Суммарное количество продуктов сгорания:
М2 =0,0147+0,0565+0,00692+0,06558+0,368 = 0,5117 кмоль.
Проверка: М2 =С/12+Н/2+0,792*aLo =0,855/12+0,145/2+0,792*0,9*0,516 = 0,5117 .
Давление и температура окружающейсреды: Pk=Po=0.1(МПа)и Tk=To=293 (К), а приращение температуры в процессе подогрева заряда DТ = 20о С. Температура остаточных газов: Тr= 1030oК. Давление остаточных газов на номинальном режиме определим по формуле: PrN = 1.16*Po= 1,16*0,1= 0,116(МПа).
, где
РrN — давление остаточных газов наноминальном режиме, nN — частота вращения коленчатоговала на номинальном режиме равное 5400 об/мин. Отсюда получим :
Рr=Р0×( 1,035+ Ар×10-8×n2)= 0,1×(1,035+0,42867×10-8×54002) = 0,1×(1,035+0,125)=0,116 (Мпа)
3.1
Температура подогревасвежего заряда DТс целью получения хорошего наполнения двигателя на номинальном скоростномрежиме принимается DТN =10о С.
Тогда :
DТ = Ат ×(110-0,0125×n) = 0,23533×(110-0,0125×5400)=10о С .
Плотность заряда на впуске будет: ,
где Р0=0,1 (Мпа); Т0= 293 (К); В — удельная газовая постоянная равная 287 (Дж./кг*град.) Þr0= (0,1*106)/(287*293)= 1,189 (кг/м3).
Потеридавления на впуске DРа, в соответствии со скоростным режимом двигателя
(примем (b2+xвп)=3,5, где b — коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечениицилиндра, xвп — коэффициент впускной системы ),
DРа = (b2+xвп)*Аn2*n2*(rk/2*10-6) , где Аn = wвп/ nN , где wвп — средняя скоростьдвижения заряда в наименьшем сечении впускной системы (wвп = 95 м/с),отсюда Аn= 95/5400 = 0,0176.: rk= r0 =1,189 ( кг/м3) .Þ DРа= (3,5×0,1762×54002×1,189×10-6)/2= (3,5×0,0003094×29160000×1,189×10-6)= 0,0107 (Мпа).
Тогда давление в конце впускасоставит: Ра = Р0 — DРа = 0,1-0,0107 = 0,0893 (Мпа).
Коэффициент остаточных газов :
, при Тк=293К; DТ= 10 С; Рr= 0,116 (Мпа); Тr= 1000 K ;
Pa=0.0893 (Мпа);e =8,2, получим: gr= (293+10)/1000*0,116/(8,2*0,0893-0,116)=0,057.
Коэффициент наполнения : (К).
3.2
Учитываяхарактерные значения политропы сжатия для заданных параметров двигателя примемсредний показатель политропы n=1,37. Давление в конце сжатия:
Рс = Ра ×en= 0.0893×8.21.37 = 1,595 (Мпа). Температура в концесжатия: Тс = Та×e(n-1)= 340,6×8,20,37= 741,918@742 (К).
Средняямолярная теплоемкость в конце сжатия ( без учета влияния остаточных газов): mcv’ =20,16+1,74×10-3×Тс= 20,16+1,74×10-3×742= 21,45 (Кдж/кмоль×град.)
Число молей остаточных газов: Мr= a×gr×L0= 0,95×0,057×0,516=0,0279(кмоль).
Число молей газов в конце сжатиядо сгорания: Мс= М1+Мr= 0,473+0,0279= 0,5(кмоль)
3.3
Средняямолярная теплоемкость при постоянном объеме для продуктов сгорания жидкоготоплива в карбюраторном двигателе при ( a×a)+(15,5+13,8×a)×10-4×Тz= 20,87+28,61×10-4×Тz=20,87+0,00286×Тz(Кдж/кмоль×К).
Определимколичество молей газов после сгорания: Мz= M2+Mr = 0,5117+0,0279= 0,5396 (кмоля). Расчетный коэффициент молекулярного изменения рабочей смесинаходится по формуле: b = Мz/ Mc = 0,5397/0,5= 1,08 .
Примемкоэффициент использования теплоты xz= 0,8, тогда количествотеплоты, передаваемой на участке lz при сгорании топлива в1 кг.: Q = xz×(Hu-DQH) , где Hu — низшая теплотворнаяспособность топлива равная 42700 (Кдж/кг)., DQH =119950×(1-a)×L0 — количествотеплоты, потерянное в следствии химической неполноты сгорания :
DQH = 119950×(1-0,95)×0,516= 3095 (Кдж/кг), отсюда Q= 0,8×(42700-3095) =31684(Кдж/кг). Определим температуру в конце сгорания из уравнения сгорания длякарбюраторного двигателя (a , тогда получим :
1,08(20,87+0,00286*Тz)*Tz = 36636/(0,95*0,516*(1+0,057))+21,45*742
22,4Тz+0,003Тz2= 86622 Þ 22,4 Тz+0,003 Тz2 — 86622 = 0
Максимальноедавление в конце процесса сгорания теоретическое: Рz= Pc*b*Tz /Tc = 1,595*1,08*2810/742= 6,524 (Мпа). Действительное максимальное давление в конце процесса сгорания: Рzд =0,85*Рz =0,85*6,524 =5,545 (МПа). Степень повышения давления: l = Рz / Рс = 6,524/1,595 =4,09
3.4
С учетомхарактерных значений показателя политропы расширения для заданных параметров двигателяпримем средний показатель политропы расширения n2 = 1,25
Давление и температура в концепроцесса расширения :
Проверка ранее принятойтемпературы остаточных газов :
1037 К.Погрешность составит :
D= 100*(1037-1030)/1030 =0,68%, эта температура удовлетворяет условия D3.5
Теоретическоесреднее индикаторное давление определенное по формуле :
=1,163(МПа). Для определения среднего индикаторного давления примем коэффициентполноты индикаторной диаграммы равным jи = 0,96,тогда среднее индикаторное давление получим: рi = 0,96* рi’= 0,96*1,163 = 1,116 (МПа).
Индикаторный К.П.Д. : hi= pi l0a/ (QHr0hv) = (1,116 *14,957*0,9)/(42,7*1,189*0,763) =0,388, Qн =42,7 МДж/кг.
Индикаторный удельный расходтоплива: gi =3600/ (QH hi) = 3600/(42,7*0,388) =217г/КВт ч.
3.6 Эффективныепоказатели двигателя .
При среднейскорости поршня Сm= 15 м/с., при ходе поршня S= 75 мм. и частотой вращенияколенчатого вала двигателя n=5400 об/мин., рассчитаемсреднее давление механических потерь: Рм = А+В* Сm , где коэффициенты А и В определяютсясоотношением S/D =0,751, тогда А=0,0395, В = 0,0113, отсюда Рм = 0,0395+0,0113*15 =0,209МПа.
Рассчитаемсреднее эффективное давление: ре = рi — pм = 1,116-0,209= 0,907 МПа.
Механический К.П.Д. составит: hм = ре / рi=0,907/1,116 = 0 ,812
Эффективный К.П.Д. и эффективныйудельный расход топлива :
hе= hihм= 0,388*0,812 = 0,315 ; ge = 3600/(QH hе) = 3600/(42,7*0,315) = 268 г/КВт ч
Основныепараметры цилиндра и двигателя.
1. Vл= 30×t Nе / (ре n) = 30*4*90/(0,907*5400) = 2,205 л.
2. Vh= Vл / i= 2,205 / 6 = 0,368 л.
3. D = 2×103×ÖVh(pS) = 2*10^3*(0,368/(3,14*75))^(0,5)= 2*103*0,0395= 79,05 мм.@80 мм.
4. S = 75 мм. и D = 80мм. объем двигателясоставит: Vл= pD2Si / (4*106) =(3,14*6400*75*6)/(4000000)= 2,26 л.
5. Fп= pD2/ 4 = 20096/4 = 5024 мм2= 50,24 (см2).
6. Nе= ре Vл n / 30t =(0,907*2,26*5400)/(30*4) = 92,24 (КВт.).
7. е = (3*104 / p)(Ne /n) = (30000/3,14)*(92,24/5400) = 163,2(н×м)
8. Gт= Ne ×ge ×10-3 = 92,24×268×10-3= 92,24*268*10^(-3)=24,72.
9. Nn= 4×Ne /i×p×D2 = (4*92,24)/(6*3,14*80*80)=30,6
3.7
Индикаторнуюдиаграмму строим для номинального режима двигателя, т.е. при Ne=92,24 кВт. И n=5400 об/мин.
Масштабы диаграммы: масштаб ходапоршня 1 мм.; масштаб давлений 0,05 МПа в мм.
Величины соответствующие рабочемуобъему цилиндра и объему камеры сгорания :
АВ = S/Ms = 75/1,0 =75 мм.; ОА =АВ / (e-1)= 75/(8,2-1) = 10,4 мм.
Максимальная высота диаграммыточка Z : рz/Mp = 6,524/0,05 = 130,48 мм.
Ординаты характерных точек :
ра / Мр = 0,0893/0,05 = 1,786 мм.; рс / Мр =1,595/0,05 = 31,9 мм. ; рв / Мр =0,4701/0,05 = 9,402 мм.: рr / Мр = 0,116/0,05 = 2,32 мм.; р0/ Мр =0,1/0,05 = 2 мм.
Построениеполитроп сжатия и расширения аналитическим методом:
1. х = Ра (Vа Vх)n1. Отсюда Рх / Мр= (Ра/Мр)(ОВ/ОХ)n1мм., где ОВ= ОА+АВ= 75+10,4 =85,4 мм.; n1 = 1,377.
ТАБЛИЦА 2. Данные политропы сжатия:
ТАБЛИЦА 3. Данные политропы расширения .:
Рх / Мр = Рв(Vв /Vх)n2 , отсюда Рх / Мр = (рв/Мр)(ОВ/ОХ)n2, где ОВ= 85,4; n2 =1.25
Рис.1. Индикаторная диаграмма.
4.
Кинематикакривошипно-шатунного механизма .
Sn = (R+a)- ( R cos.a+acos.b)= R[(1+1/l)-( cos.b+1/lcos.b)] , где l=R / a, тогда Sn = R[(1+ l/4)-( cos.a+ l/4 cos.2a)] , если a=180ото Sn=S -ходу поршня, тогда: 75 = R[(1+l/4)-(-1+l/4)] ; 75 = R[1.0625+0.9375] ; 75 = 2R Þ R = 75/2 = 37.5 мм.=0,0375 м.
l=R/Lш ÞLш =R/l=37,5/0,25 = 150 мм.=15 см. т.к. l=0,25
Находим скорость поршня и ускорение в зависимости от угла поворотакривошипа :
Vп = dSn/dt = Rw( sina+ l/2sin2a) , jn = d2Sn/dt = Rw2(cosa+ lcos2a) ,
Угловую скорость найдем поформуле: