Тепловой расчет и тепловой баланс двигателя ЯМЗ-238 (дизельное топливо)

Министерство образования РФ государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Пермский государственный технический университет

Кафедра «Автомобили и технологические машины»

Курсовой проект

по дисциплине «Двигатели внутреннего сгорания»

Тема: «Тепловой расчет и тепловой баланс двигателя ЯМЗ-238 (дизельное топливо)»

Выполнил студент Соловьев П.А.

Проверил: Щелудяков А.М.

Пермь 2013

Содержание

ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАССЧЕТА

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ ДВИГАТЕЛЯ

Топливо

Параметры рабочего тела

Параметры окружающей среды и остаточные газы

Процесс впуска

Процесс сжатия

Процесс сгорания

Процесс расширения и выпуска

Индикаторные параметры рабочего цикла

Эффективные показатели двигателя

Основные параметры цилиндра и двигателя

Построение индикаторной диаграммы

Скругление индикаторной диаграммы

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ

ВЫВОД

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАССЧЕТА

Произвести расчет четырехтактного дизельного V - образного двигателя ЯМЗ-238, предназначенного для грузовых автомобилей. Эффективная мощность дизельного двигателя N_e=232 кВт при частоте вращения коленчатого вала n=2250 мин^-1 . Двигатель 8 цилиндровый (i=8). Система охлаждения жидкостная закрытого типа. Степень сжатия ε=15,3.

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ ДВИГАТЕЛЯ

Топливо

В соответствии с заданием типом двигателя принимаем дизельное топливо (для работы в летних условиях - марки Л, для работы в зимних условиях - марки З). В соответствии с ГОСТ 305-82 цетановое число не менее 45.

Средний элементарный состав и молекулярная масса топлива:

С = 0,870;Н = 0,126;О=0,004;

Низшая теплота сгорания топлива (1/стр.55):

Н_u = 33,91С + 125,60Н - 10,89(О - S) - 2,51(9Н + W)=33,9·0,870 + 125,6·0,126 - 10,89·0,004 - 2,51·9·0,126 = 42,44 МДж/кг =42440 кДж/кг.

Параметры рабочего тела

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания одного килограмма топлива (1/стр.48):

В соответствии с заданием принимаем , где  - коэффициент избытка воздуха. Количество свежего заряда (1/стр.50):

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания (1/стр.51):

Общее количество продуктов сгорания (1/стр.52):

Параметры окружающей среды и остаточные газы

Атмосферные условия:

P₀ = 0,1 МПа; T_k = T₀ = 293⁰ K.

Давление окружающей среды при наддуве:

P_k = 0,17 МПа

Температура окружающей среды при наддуве:

где n_k - показатель политропы сжатия (для центробежного нагнетателя с охлаждаемым корпусом принят n_k = 1,65

Температура остаточных газов.

Высокое значение ε = 15,3 снижает температуру и давление остаточных газов, а повышенная частота вращения коленчатого вала и наддув повышают Т_r и р_r, поэтому можно принять (1/стр.65):

T_r=800 K, p_r=0,95·p_k=0,95·0,17=0,162 МПа.

Процесс впуска

Принимаем температуру подогрева свежего заряда

Плотность заряда на впуске (1/стр.68):

где R_В = 287 Дж/кг град - удельная газовая постоянная для воздуха.

Потери давления на впуске (1/стр.68):

где

;

принимаем в соответствии со скоростным режимом работы двигателя и с учетом небольших гидравлических сопротивлений во впускной системе.

Давление в конце впуска (1/стр.67):

Коэффициент остаточных газов (1/стр.69):

Температура в конце впуска (1/стр.69):

Коэффициент наполнения (1/стр.70):

Процесс сжатия

При работе дизеля на средних режимах можно с достаточной точностью принять показатель политропы сжатия равным показателю адиабаты, который определяется по номограмме:

При ε=15,3 и Т_а=384,7 К принимаем k₁=1,359, n₁=1,36

Давление в конце сжатия (1/стр.72):

Температура в конце сжатия (1/стр.72):

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия таблица 3.7 (1/стр.59):

а) воздуха

где

б) остаточных газов (находим методом интерполяции по табл. 3.9 (1/ стр.60))

в) рабочей смеси (1/стр.74):

Процесс сгорания

Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси (1/стр.53):

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси (1/стр.54):

Теплота сгорания рабочей смеси (1/стр.57):

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания (1/стр.59):

Величина коэффициента использования теплоты  для дизелей с неразделенными камерами сгорания и хорошо организованным смесеобразованием лежит в пределах  (1/стр.76). При наддуве в связи с повышением теплонапряжённости двигателя и созданием более благоприятных условий для протекания процессов сгорания принимается .

Степень повышения давления в дизеле: с целью снижения газовых нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма принимаем для дизеля с наддувом λ=1,5.

Температура в конце видимого процесса сгорания (1/стр.77):

Максимальное давление сгорания (1/стр.78):

Определим степень предварительного расширения (1/стр.78):

Процесс расширения и выпуска

Степень последующего расширения (1/стр.84):

Средний показатель адиабаты расширения k₂ определяется по номограмме, при заданной ε = 15,3 для соответствующих значений α=1,6 и Т_z=2200,5 К , а средний показатель политропы расширения n₂ оцениваем по величине среднего показателя адиабаты k₂=1,277. Показатель политропы n₂ принимаем несколько меньшим n₂=1,26.

Давление и температура в конце процесса расширения (1/стр.84):

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов (1/стр.85):

что допустимо;

где  - погрешность расчета.

Индикаторные параметры рабочего цикла

Теоретическое среднее индикаторное давление (1/стр.87):

Среднее индикаторное давление (1/стр.88):

где коэффициент полноты индикаторной диаграммы принят .

Индикаторный КПД и индикаторный удельный расход топлива (1/стр.89):

Эффективные показатели двигателя

Среднее давление механических потерь (1/стр.91).

Принимаем предварительно среднюю скорость поршня v_{п. ср.}=10,7 м/с получаем:

Среднее эффективное давление и механический КПД (1/стр.92):

Эффективный КПД и удельный эффективный расход топлива (1/стр.94):

Основные параметры цилиндра и двигателя

Литраж двигателя (1/стр.95):

Рабочий объем одного цилиндра (1/стр.95):

Диаметр цилиндра и ход поршня (1/стр.95).

Согласно заданию принимаем S/D=1,087.

S = 1,08D = 1,08122 = 132,614 мм

Принимаем величины D = 122 и S = 133.

Основные параметры и показатели двигателя определяются по принятым выше значениям S и D.

Литраж двигателя (1/стр.77):

Площадь поршня:

Средняя скорость поршня (1/стр.96):

погрешность составляет менее 3% что допустимо.

Эффективная мощность (1/стр.77):

Эффективный крутящий момент (1/стр.96):

Часовой расход топлива (1/стр.96):

Литровая мощность двигателя:

Построение индикаторной диаграммы

Индикаторную диаграмму строим для номинального режима работы двигателя, т. е. при N_е = 231,9 кВт и и n=2250 об/мин, графическим методом.

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:

АВ=S/М_S=133/1= 133 мм;

ОА = АВ/(ε-1)= 133/(15,3-1)=9,3мм.

Максимальная высота диаграммы (точка z, максимальное давление сгорания):

р_z/М_р= 9,75/0,05 = 195 мм.

Ординаты характерных точек:

р₀/М_р=0,1/0,05 = 2,0 мм;(атмосферное давление)

р_к/М_р=0,17/0,05 = 3,4 мм;(при наддуве)

р_r/М_р= 0,162/0,05 = 3,2 мм;(давление остаточных газов)_a/M_p= 0,159/0,05 = 3,2 мм; (давление конца впуска)

р_с/М_р= 6,5/0,05 = 130 мм; (давление конца сжатия)

р_в/М_р= 0,515/0,05 = 10,3 мм. (давление конца расширения)

Положение точки z по оси абсцисс (1/стр.96):

'z=ОА (ρ-1)=9,3 (1,483-1)=4,5 мм.

Построение политроп сжатия и расширения проводим графическим методом (1/стр.97):

а) Для луча ОС принимаем угол ;

б)

в) используя лучи OD и OC, строим политропу сжатия, начиная с точки c;

г)

д) используя лучи ОЕ и ОС, строим политропу расширения, начиная с

точки z.

Теоретическое среднее индикаторное давление (1/стр.98)

p_i =F'M_p/AB =2700 0,05/133 = 1,015 МПа,

что очень близко к величине  = 1,271 МПа, полученной в тепловом расчёте. (F' - площадь диаграммы acz'zba).

Скругление индикаторной диаграммы

Учитывая достаточную быстроходность рассчитываемого дизеля и величину наддува, ориентировочно устанавливаются следующие фазы газораспределения: впуск - начало (точка r') за 25° до в.м.т. и окончание (точка а") - 60° после н.м.т.; выпуск - начало (точка b') за 60° до н.м.т., и окончание (точка a') - 25° после в.м.т.

С учетом быстроходности дизеля принимается угол опережения впрыска 20° (точка с') и продолжительность периода задержки воспламенения (точка f).

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения впрыска топлива определяют положение точек r', a', a'', c', f и b' по формуле для перемещения поршня:

где λ- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, предварительно принимаем λ=0,27.

Таблица 1 - Результаты расчета ординат точек

Положение точки с" определяется из выражения:

Соединяя плавными кривыми точки и кривой расширения  и далее c  получим скругленную индикаторную диаграмму  (см рис.1).

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ

дизельный двигатель сгорание грузовой

Тепловой баланс в общем виде (1/стр.140):

общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом.

Теплота эквивалентная эффективной работе за 1 сек. (1/стр.140):

Теплота, передаваемая окружающей среде (1/стр.140):

где:

C - коэффициент пропорциональности (для четырехтактных двигателей) принимаем С=0,48;

m - показатель степени (для четырехтактных двигателей)

принимаем m=0,67.

Теплота, потерянная с отработавшими газами:

 находим методом интерполяции по таблице 3.9 при , (1/стр.60):

 находим методом интерполяции по таблице 3.6 при ,  (1/стр.60):

Неучтенные потери тепла:

Таблица 2 - Cоставляющие теплового баланса

Таблица 3 - Сравнение показателей проектируемого двигателя с показателями заданного прототипа

ВЫВОД

В спроектированном двигателе из-за увеличения степени сжатия с 15,2 до 15,3 уменьшилась литровая мощность на 1,27 %. Также из-за уменьшения мощности двигателя на 1,32 % уменьшился эффективный крутящий момент на 1,32 %. Степень сжатия увеличена за счет уменьшения объема двигателя.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.      Расчет автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. Пособие для вузов./ А.И. Колчин, В.П. Демидов - 3-е изд. Перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2003.

.        Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн.1. Теория рабочих процессов: Учебник для вузов/ В.Н. Луканин и др. - 2-е изд. Перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2005.