Судовые двигатели внутреннего сгорания

Судовые двигатели внутреннего сгорания

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

"Белорусский государственный университет транспорта"

Кафедра "Тепловозы и тепловозные двигатели"

Курсовой проект

по дисциплине: "Судовые двигатели внутреннего сгорания"

2013 г

Содержание

Введение

Исходные данные

. Определение основных параметров рабочего процесса двигателя; расчёт мощности, расхода топлива, воздуха и газов двигателем

. Построение индикаторной диаграммы рабочего процесса в координатах давление - объем

. Расчёт сил, действующих в шатунно-кривошипном механизме двигателя, и построение зависимости этих сил от угла поворота коленчатого, вала

. Чертеж форсунки и краткое описание узла

Список литературы

Введение

Данный курсовой проект написан по дисциплине: "Судовые двигатели внутреннего сгорания".

Актуальность рассмотрения данной дисциплины заключается в том, что именно дизель является разновидностью двигателей внутреннего сгорания (ДВС), у которых топливо сгорает внутри рабочего цилиндра. Как известно, существуют также тепловые двигатели с внешним сгоранием (например, паровая машина). В их цилиндры поступает рабочее тело (пар), вырабатываемое в особых агрегатах (паровых котлах) в результате сжигания топлива.

Цель выполнения курсового проекта состоит в том, чтобы усвоить методы теплового и динамического расчета тепловозного двигателя, а также приобрести навыки в анализе его работы и устройства.

Исходя из цели курсового проекта, сформируем задачи:

Определить основные параметры рабочего процесса двигателя;

Рассчитать мощность, расход топлива, воздуха и газов двигателем;

Построить индикаторную диаграмму рабочего процесса в координатах давление - объем;

Рассчитать силы, действующие в шатунно-кривошипном механизме двигателя, и построить зависимости этих сил от угла поворота коленчатого, вала;

Выполнить чертеж масляного насоса и дать краткое описание назначения, устройства и принципа работы узла.

В ходе написания проекта использовались различные источники литературы, в том числе учебники, методическое пособие, а так же по ссылкам в интернете.

Исходные данные

- тактность;

 - число цилиндров;

- частота вращения коленчатого вала, с^-1;

 - диаметр цилиндра, мм;

 - ход поршня, мм;

 - коэффициент продувки;

 - механический КПД дизеля;

 - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

 - коэффициент избытка воздуха для сгорания;

 температура воздуха перед впускными органами (клапанами или окнами) дизеля Т в К;

геометрическая степень сжатия;

действительная степень сжатия;

 коэффициент остаточных газов;

 наибольшее давление сгорания, МПа;

коэффициент выделения тепла;

 масса поршня в сборе, кг;

 масса шатуна в сборе, кг;

Расположение цилиндров - V;

Состав дизельного топлива в долях массы: углевод С=0,87; водород Н=0,126; кислород Q=0,004; низшая теплота сгорания дизельного топлива ;

Выполним чертеж форсунки.

. Определение основных параметров рабочего процесса двигателя; расчёт мощности, расхода топлива, воздуха и газов двигателем

Определим давление и температуру рабочего тела в цилиндре в характерных точках индикаторной диаграммы.

Индикаторная диаграмма представляет зависимость давлений в цилиндре  от его объема  или угла повороте кривошипа . Характерными точками расчетной индикаторной диаграммы являются:

 начало сжатия рабочего тела;

 конец сжатия и начало сгорания;

 конец сгорания и начало расширения;

 конец расширения рабочего тела.

На рисунке 1 приведена схема расчетной индикаторной диаграммы для четырехтактного двигателя.

Рисунок 1. Расчетная индикаторная диаграмма для четырехтактного двигателя.

Точка  всегда соответствует наименьшему объему цилиндра  определяемому положением поршня в верхней мертвой точке (в.м.т.) положения поршня.

Определим объемы цилиндра, соответствующие точкам  с индикаторной диаграммы.

Рабочий объем цилиндра в

где  подставляются в ;

Геометрическая степень сжатия ε есть отношение:

Действительная степень сжатия есть отношение объема цилиндра, соответствующего положению поршня в момент закрытия органов газораспределения, к наименьшему объему цилиндра:

Из выражения для ε определяем объем камеры сжатия в

где  задано = 16,5 (см. исходные данные).

Для двухтактного двигателя доля потерянного хода φ на процессы газообмена определяется из соотношения, связывающего геометрическую ε и действительную  степени сжатия:

где  задано = 13,5 (см. исходные данные).

Определяем объемы цилиндра, соответствующие точкам а и в:

.

При расчете рабочего процесса используют много опытных коэффициентов. Поэтому соответствие между опытными и расчетными данными будет существенно зависеть от выбора этих коэффициентов.

Давление в начале сжатия по опытным данным принимают

где расчитано (смотреть задание).

Коэффициентом остаточных газов γ называют отношение количества газов  к свежему заряду .

Температура рабочего тела в начале сжатия

где  температура воздуха перед впускными органами дизеля, К ); =0,10 - задан (см. исходные данные).

По опытным данным можно принять:

 (см. методические указания)

 (см. методические указания)

Коэффициентом наполнения  называют отношение действительного количества воздуха, поступающего в цилиндр к началу сжатия, к тому количеству, которое могло бы поместиться в рабочем объеме при параметрах воздуха перед впускными органами  давлении  и температуре .

Коэффициент наполнения для двухтактного двигателя определяется из выражения

Определяем коэффициент наполнения для двухтактного двигателя, отнесенный к рабочему объему цилиндра.

Как следует из определения, коэффициент наполнения двухтактного двигателя учитывает параметры рабочего тела в начале сжатия ().

Давление и температуру рабочего тела в конце сжатия (точка ) определим по формулам:

где  степень сжатия геометрическая ;

средний показатель политропы сжатия (.

Параметры конца сгорания (точка ) характеризуются давлением  и температурой  при этом значение =15 (см. исходные данные). Прежде чем определить температуру , необходимо вычислить некоторые характерные величины, относящиеся к процессу сгорания.

Теоретически необходимое количество воздуха  в к/молях для сгорания 1 кг топлива .

Количество газов  в к/молях, образующихся при сгорании 1 кг топлива заданного состава с теоретически необходимым количеством воздуха ().

где  содержание углерода и водорода в топливе (см. исходные данные).

Количество воздуха  в кмолях, расходуемого на сжигание 1 кг топлива,

где  коэффициент избытка воздуха для сгорания (см. исходные данные).

Количество продуктов сгорания  в кмолях, образующихся при сгорании 1 кг топлива с заданным коэффициентом избытка воздуха,

Объемные доли газов  и избыточного воздуха  в продуктах сгорания

Коэффициент молекулярного изменения при сгорании топлива

Действительный коэффициент молекулярного изменения

где задан (см. исходные данные).

Степень повышения давления при сгорании

где  задано (см. исходные данные),

Температура рабочего тела в конце сгорания  определяется из уравнения сгорания

где универсальная газовая постоянная, ;

 средняя молярная теплоёмкость при постоянном объёме для продуктов сгорания в точке  ;

 коэффициент эффективного выделения тепла до точки (см. исходные данные);

 низшая теплота сгорания топлива (см. исходные данные);

 средняя молярная теплоемкость при постоянном объеме для воздуха и остаточных газов в точке , кДж/(кг);

 температуры рабочего тела в точке , , К;

Для вычисления теплоемкостей  используют следующие их зависимости от температуры :

Воздух

"чистые" продукты сгорания ()

В эти формулы значения температур  подставляют для тех точек (), в которых вычисляют теплоемкости.

Теплоемкости  и  определяем из соотношений: при  и

Так как зависит от температуры  то уравнение решаем методом приближений со сходимостью

Вычисляем при температуре

Обозначаем правую часть уравнения через D, тогда

Примем первое приближение

Тогда

Проверяем сходимость

т.е. сходимость обеспечивается и

После вычисления  определяем степень предварительного расширения

Так как по определению степень предварительного расширения

Заданное значение  и расчетные значения  и  полностью определяют параметры, и положение точки  в координатах давление  -объем .

Давление  и температура  рабочего тела в конце расширения (точка  ) определяются из соотношения :

степень последующего расширения продуктов сгорания

где геометрическая степени сжатия, ;

 средний показатель политропы расширения.

По опытным данным Величина зависит от интенсивности охлаждения цилиндра и его газоплотности.

После определения параметров характерных точек индикаторной диаграммы вычисляются показатели рабочего процесса.

Средним индикаторным давлением  называют отношение работы газов за цикл  к рабочему объёму цилиндра  для двухтактного двигателя.

Геометрическая интерпретация (рисунок 2): среднее индикаторное давление соответствует высоте прямоугольника, основанием которого служит полезный  объём цилиндра, при этом площадь прямоугольника равновелика площади индикаторной диаграммы .

Рисунок 2. Геометрическая интерпретация  для двухтактного двигателя.

Расчетное среднее индикаторное давление в МПа определим по формуле

где  действительная степени сжатия, принимаемые в зависимости от тактности двигателя ();

 при ;

Среднее индикаторное давление действительного цикла  меньше расчетного  вследствие наличия скруглений в точках  индикаторной диаграммы и в конце расширения.

Поэтому

двигатель коленчатый вал форсунка

Где  коэффициент полноты диаграммы.

По опытным данным значения  принимают для двухтактного двигателя

Индикаторная мощность двигателя в кВт

где  выражено в .

Индикаторным КПД  (в цилиндре) называют отношение количества теплоты, превращенной в механическую работу, к затраченному количеству теплоты.

Удельный индикаторный расход топлива

Эффективные мощность  в кВт, КПД  удельный расход топлива  в  определим из выражений:

где  задан (см.исходные данные).

Если расчеты рабочего цикла произведены внимательно и удачно выбраны опытные коэффициенты, то расчетные значения эффективной мощности  и удельного расхода топлива  должны быть близки с точностью  .

Часовой расход топлива дизеля в кг/ч

Расход воздуха дизелем в кг/ч

где  коэффициент продувки (см. исходные данные).

Количество отработавших газов в кг/ч

2. Построение индикаторной диаграммы рабочего процесса в координатах давление - объем

Индикаторную диаграмму построим в координатах давление   объем  (см. рисунок 1). По оси абсцисс откладываем вычисленные ранее объемы  соответствующие положению характерных точек индикаторной диаграммы. Рекомендуется объемы откладывать в масштабе 10 . По оси ординат откладываем вычисленные ранее давления, соответствующие характерным точкам индикаторной диаграммы (точки ). Рекомендуется давление откладывать в масштабе . На осях абсцисс и ординат согласно выбранным масштабам нанесем числовые шкалы объемов и давлений. По значениям объемов и давлений находим положение характерных точек индикаторной диаграммы.

Для двухтактного двигателя (см. рисунок 1) в процессе наполнения цилиндра воздухом (линия ) и выпуска отработавших газов (линия ) условно примем, что давление по линии  сохраняется постоянным, при этом .

Далее необходимо определить координаты промежуточных точек политроп сжатия  и расширения . Для этого выразим значение давлений  точек этих политроп при заданном текущем объеме  политропа сжатия

политропа расширения

где  и  объемы, соответствующие точкам  и

 и  средние показатели политроп сжатия и расширения;

Задав значение текущего объема , определим из приведенных соотношений давление .

При заданном угле поворота коленчатого вала  текущий объем в дм³ для двигателя с одним поршнем в цилиндре

где  объем камеры сжатия, дм³;

 перемещение поршня от в.м.т., дм.

 площадь поперечного сечения цилиндра, дм²;

Удобно для построения индикаторной диаграммы последующих динамических расчетов все вычисления свести в таблицу.

В нее заносим следующие значения:

столбец 1  углы  поворота коленчатого вала от 0° до 180° через каждые 15°;

столбец 2  перемещения поршня

столбец 3  произведение  , т.е. данные столбца 2 умножают на

столбец 4  текущий объем цилиндра , вычисленный как сумма  с данными столбца 3;

столбец 5  отношения , при этом для двухтактного двигателя это отношение соблюдается при всех ;

столбец 6  , где  принятый в расчете средний показатель политропы сжатия; отношение объемов  вычислено в столбце 5;

столбец 7  текущее давление  на линии сжатия, получаемое по формуле путём перемножения давления на данные столбца 6;

столбец 8  отношения  где  берем из столбца 4, а  определен при расчете рабочего цикла; очевидно (см. рисунок 1), что необходимо

ограничиться только  а значение ;

столбец 9   где  принятый в расчете средний показатель политропы расширения; отношение объемов  вычислено в столбце 8; столбец 10  текущее давление  на линии расширения, получаемое путем деления давления  на данные столбца 9.

Таблица 1 Расчет политроп сжатия и расширения

При заполнении табл.1 необходимо учесть следующие очевидные положения, вытекающие из рисунка 1:

если  (в.м.т.), то в столбце 7 давление ;

если , то в столбце 10 давление ; для двухтактного двигателя ограничиваются только значением  давление .

По значениям объемов  (столбец 4) и давлений  (столбец 7) строим линию сжатия индикаторной диаграммы, а по данным столбцов 4 и 10 - линию расширения (см. рисунок 3).

По индикаторной диаграмме определим среднее индикаторное давление . С этой целью необходимо вначале определить площадь  индикаторной диаграммы, заключенную между линиями расширения и сжатия.

Площадь  в масштабе пропорциональна работе газов за цикл .

Для вычисления площади  делим отрезок l на 10 равных частей и определим величины ординат

где l и у выражены в мм.

Средняя высота прямоугольника площадью  и основанием l будет:

 - по диаграмме близко к расчетному (0,796), что указывает на правильное построение диаграммы.

. Расчёт сил, действующих в шатунно-кривошипном механизме двигателя, и построение зависимости этих сил от угла поворота коленчатого, вала

Детали кривошипно-шатунного механизма подвергаются действию сил давления газов внутри цилиндра, сил инерции поступательно и вращательно движущихся частей, сил трения на поверхностях относительного скольжения и сил сопротивлений со стороны потребителя энергии.

Знание сил и моментов необходимо для расчета деталей на прочность, анализа надежности и долговечности узлов и деталей двигателя в эксплуатации, оценки уравновешенности двигателя, определения возможности возникновения недопустимых колебательных явлений и др.

При определении действующих сил и моментов целесообразно находить их удельные значения, т.е. отнесенные к 1 м² площади поршня. Для определения величины полной силы или момента необходимо умножить удельную силу или момент на площадь поршня, выраженную в м².

Суммарная удельная сила  приложенная в центре поршневого пальца, в МПа (рисунок 4) определяется как алгебраическая сумма двух сил, т.е.

где  сила от давления газов на поршень;

 удельная сила инерции поступательно движущихся масс.

Положительными будем считать силы, направленные от поршня к коленчатому валу.

Сила давления газов  алгебраически складывается из давления газов на поршень со стороны камеры сгорания  и давлением со стороны кривошипной камеры  т.е.

где

Зависимость изменения давления газа в цилиндре  от угла поворота кривошипа  задана индикаторной диаграммой.

Удельные силы инерции поступательно движущихся масс в МПа определим по формуле

где  масса поступательно движущихся частей;

 площадь поршня, ;

 ускорение поршня в зависимости от угла  (определены в контрольной работе №1).

Масса  включает массу комплекта поршня  (поршень, вставка, палец, поршневые. кольца и др.) и часть массы шатуна, участвующей в поступательном движении, т.е.

Массу шатуна делил на две части. Одну из них считаем сосредоточенной на оси поршневого пальца и относим к поступательно движущимся частям, а другую  на оси кривошипа и относим к вращающимся частям. Распределение масс производим по правилам разложения равнодействующей на две параллельные силы:

где  длина шатуна между центрами верхней и нижней готовок;

 расстояние от центра тяжести шатуна до центра кривошипной головки.

Для приближенных расчетов можно принять:

Тогда площадь поршня:

где  диаметр цилиндра, или 0,23м (см. исходные данные);

масса поступательно-движущихся частей

постоянный множитель

Вычисление удельных сил рекомендуется свести в таблицу 2. В неё заносим: столбец 1 - значения угла поворота коленчатого вала  от в.м.т. через 15° на интервале 0-180° для двухтактного двигателя;

столбец 2 - силы давления газов на поршень  в зависимости от ; их берем из таблицы 1 в соответствии с тактом (сжатие  столбец 7, расширение  столбец 10); для тактов выпуска и впуска двухтактного двигателя приближенно принимаем ; совмещаем угол  с началом такта впуска для двухтактного двигателя;

столбец 3 - значения , вычисляемые по формуле: , т.е. из данных столбца 2 вычитаем ;

столбец 4 - значения ускорения поршня  с их знаками (из контрольной работы №1).

столбец 5 - значения , вычисляемые по формуле, т.е. данные столбца 4 умножаем на постоянный множитель ;

столбец 6 - значения , вычисляемые по формуле:, т. е алгебраически складываем данные столбцов 3 и 5.

Зависимости изменения сил  от угла  изображаем на рисунке 5. Углы откладываем в масштабе: при ; масштаб удельных сил 1 мм  0,1 МПа.

Силу  раскладываем на сил у, действующую вдоль оси шатуна, и силу , направленную нормально к оси цилиндра. В свою очередь силу , перенесенную в центр шатунной шейки вала, раскладываем на тангенциальную силу , действующую перпендикулярно кривошипу, и нормальную силу , направленную по кривошипу.

Из рисунка 4 получаем следующие выражения для определения удельных сил:

Значения тригонометрических функций даны в приложении 1 методических указаний.

Расчет удельных сил выполняем в таблице 2,где в столбцы 7, 9,11 и 13 заносим значения тригонометрических функций, а в столбцы 8,10,12 и 14  значения сил, определяемых, по формулам, при этом значение силы  берем из столбца 6. Далее строим зависимости изменения сил  от угла . Масштабы углов и сил по осям координат принимаем такие же, как и при построении сил .

Тангенциальная сила создает крутящий момент на валу двигателя , который изменяется в зависимости от угла поворота кривошипа. В многоцилиндровом двигателе происходит суммирование крутящих моментов отдельных цилиндров так, что полный крутящий момент затрачивается на преодоление момента сопротивлений на фланце отбора мощности.

Таблица 2 Расчет удельных сил

4. Чертеж форсунки и краткое описание узла

На автомобильных дизелях ЯМЗ-238 применена закрытая форсунка с запорной иглой. Все детали форсунки помещены в стальном корпусе 1. Распылитель 3, изготовленный из стали 18Х2HВа, подвергнутой специальной термической обработке, своим верхним полированным торцом при помощи гайки 2 плотно прижат к нижнему полированному торцу корпуса форсунки. В центральном отверстии распылителя установлена игла 4,изготовленная из прошедшей специальную термообработку стали Р18. Направляющая часть иглы диаметром 6мм,пригнанная к отверстию распылителя ,вынесена вверх из нагретой зоны для повышения надежности работы форсунки. Запорный конус иглы с углом 60 градусов садится на коническое седло е распылителя. На суженном конце распылителя ,выступающим в камеру сгорания дизеля , имеются четыре распыливающих отверстия д диаметром 0,32 мм. Оси отверстий расположены по конусу с углом при вершине150 градусов и образуют по окружности факелы распыленного топлива, равномерно распыленного в объеме камеры сгорания. Распылитель фиксируется на корпусе форсунки двумя штифтами 6. Для прохода топлива на верхнем торце распылителя имеется кольцевая проточка б, с полостью в, прилегающей к нижней части иглы, наклонными сверлениями г диаметром 2 мм. Зазор между верхним заплечиком иглы и торцом корпуса форсунки, определяющей максимальный подъем иглы, составляет 0,4/0,5 мм.

В расточку верхней части корпуса форсунки ввернут стакан 11 пружины. В нижней части корпуса форсунки имеется отверстие, через которое проходит штанга 7, упирающаяся нижним концом в хвостовичек иглы. На верхний конец штанги напрессована тарелка 8, на которую опирается пружина 9. Сила затяжки пружины регулируется винтом 10, который ввертывается в стакан пружины и фиксируется контргайкой 12. Детали форсунки закрыты сверху колпаком 13, навернутым на Исключение составляет двигатель 3Д6, у которого два приема с концом поддона с двумя самостоятельными секциями, в связи с чем насос выполнен трехсекционным. выступающую часть стакана пружины и уплотненным медной прокладкой 14.

На боковой стороне верхней части корпуса форсунки имеется выступ с отверстием, в которое ввернут штуцер 18 для подвода топлива . От штуцера к кольцевой проточке на верхнем торце распылителя топливо поступает по наклонному сверлению а диаметром 2,5 мм. В штуцере установлен защитный фильтр 16, предохраняющий форсунку от случайного попадания в нее вместе с топливом посторонних частичек. Фильтр представляет собой стопку кружков, вырезанных из проволочной сетки и окантованы медной фольгой. Для закрепления фильтра использована втулка 15, запрессованная в отверстие штуцера. Топливо, проникающее в полость пружины через зазор между направляющей частью иглы и отверстием распылителя, отводится по сверлению к в регулировочном винте и отверстии ж в колпаке, в которое ввертывается штуцер отводной трубки , соединенной с топливным баком.

В головке цилиндра каждая форсунка установлена в вертикальном положении со смещением 12 мм от оси цилиндра и помещена в латунном стакане, проходящем водяную рубашку головки цилиндров. Под торец гайки распылителя подкладывается медная прокладка 5 для устранения порыва газов. Уплотнение зазора между штуцером пазом в боковой стенке головки цилиндров обеспечивает резиновый уплотнитель 17 с пружиной.

Для крепления форсунок на головке цилиндров дизеля использованы стальные скобы, лапки которых упираются в бурты и колпаков форсунок.

Список литературы

.        Володин А.И, Локомотивные двигатели внутреннего сгорания.М.: Транспорт, 1978.

.        Володин А.К. Моделирование на ЭВМ работы тепловозных дизелей. М.: Транспорт, 1985.

.        Гогин А.Ф., Кивалкин Е.Ф. Судовые двигатели (основы теории, устройство и эксплуатация): Учебник для речных училищ и техникумов водного транспорта. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1978. - 480с.

.        Гуревич Ш.М. Экономика пассажирских перевозок на внутреннем водном транспорте. Изд. 2-е, перераб. и доп. 1977. - 144с.

.        Двигатели внутреннего сгорания. Под ред. А.С.Орлина и М.Г.Круглова (в четырех томах),  М.: Машиностроение, 1981-1984.

.        Никитин Г.М., Паин Б.С. Организация и планирование электрохозяйства речного транспорта. Учеб. пособие для студентов вузов водного транспорта. 1974. - 264с.

.        Руководство к решению задач с применением ЭВМ по профилирующим дисциплинам для студентов V и VI курсов специальности Т. М.: ВЗИИТ, 1988.

.        Тепловозные двигатели внутреннего сгорания. Задания на контрольные работы № I и 2 с методическими указаниями для студентов V курса специальности Тепловозы и тепловозное хозяйство. - М.: ВЗИИТ, 1988.

.        Тепловозные двигатели внутреннего сгорания. Задания на курсовой проект с методическими указаниями для студентов V курса специальности Тепловозы и тепловозное хозяйство. А.И. Володин. - М.: ВЗИИТ, 1988.

Тепловозные двигатели внутреннего сгорания: Учебник для вузов/А.Э.Симсон, А.З.Хомич, А.А.Куриц и др. 2-е изд., перераб, и доп. М,: Транспорт, 1987. 536 с.