Определение среднего теплового потока к деталям двигателя

Белорусский национальный технический университет

Кафедра «Двигатели внутреннего сгорания»

Курсовая работа

по дисциплине «Теория рабочих процессов ДВС»

«Определение среднего теплового потока к деталям двигателя»

Исполнитель: М. С. Серко

Руководитель: Д. Г. Гершань

2012г.

Введение

Целью данной курсовой работы является тепловой расчет двигателя Д-245.5С (с наддувом), а так же определение среднего теплового потока к деталям двигателя.

Тепловой расчет двигателя служит для определения параметров рабочего тела в цилиндре (рабочей полости) двигателя, а также оценочных показателей процесса, позволяющих определить размеры двигателя и оценить его мощностные и экономические показатели.

В основе приведенной методики теплового расчета лежит метод В.И. Гриневецкого, в дальнейшем усовершенствованный Е.К. Мазингом. Н.Р. Брилингом, Б.С. Стечкиным и др.

Проведение теплового расчета позволяет освоить связь между отдельными элементами рабочего цикла и получить представление о влиянии различных факторов на показатели двигателя в целом.

1. Исходные данные

Исходные данные для теплового расчета поршневого двигателя внутреннего сгорания приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Исходные данные для теплового расчета

2. Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания

.1 Процесс впуска

В результате данного процесса цилиндр двигателя (рабочая полость) наполняется свежим зарядом.

Давление и температура окружающей среды принимаются:

, .

Давление остаточных газов в зависимости от типа двигателя :

                                                                         (1)

Принимаем

Температура остаточных газов выбирается в зависимости от типа двигателя с учетом того, что для дизельных двигателей она изменяется в пределах. Принимаем .

В зависимости от типа двигателя температура подогрева свежего заряда . Принимаем .

Т.к. двигатель четырехтактный с низким наддувом находим давление наддувочного воздуха по формуле [1, ]:

(2)

Температура заряда после продувки определяется по формуле [1, 71]

(3)

Показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре nk, для центробежных нагнетателей с охлаждаемым корпусом находится в пределах nk= 1,4..1,8. Принимаем

Давление в конце впуска определяется по формуле [1,72]:

Коэффициент остаточных газов для дизельных двигателей с наддувом выбирают из диапазона , примем

Температура в конце впуска, согласно [1,73]:

, (5)

Для дизельных двигателей с наддувом температура в конце впуска .

Коэффициент наполнения, согласно [1, 74]:

Величина коэффициента наполнения для дизельных двигателей с наддувом изменяется в пределах 0,95…0,98.

.2 Процесс сжатия

Давление в конце сжатия определим по формуле [1,5]:

 . (7)

Температура в конце сжатия [1,6]:

   (8)

В этих формулах n1 - показатель политропы сжатия, который для автотракторных двигателей находится в пределах n1 = 1,34…1,42. Принимаем n1 = 1,38 , тогда

Давление в конце сжатия, для дизельных двигателей, изменяется в пределах: =3,5…5,5МПа.

Температура в конце сжатия, для дизельных двигателей изменяется в пределах: =700…900К. Выход параметром за выше перечисленные диапазоны незначителен, что допускается.

.3 Процесс сгорания

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг жидкого топлива [1,7]:

 (9)

Средний элементарный состав дизельного топлива принимают:

Количество свежего заряда для дизельного двигателя[1,11]:

Количество продуктов сгорания при работе двигателей на жидком топливе при  [1,12]:

кмоль (10)

Теоретический коэффициент молекулярного изменения [1,16]:

 (11)

Действительный коэффициент молекулярного изменения [1,17]:

 (12)

Величина µ для дизельных двигателей изменяется в пределах

Низшую теплоту сгорания дизельного топлива принимаем:

Средняя мольная теплоемкость свежего заряда [1,19]:

 (13)

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания для дизельных двигателей [1,21]:

        (14)

Значения коэффициента использования теплоты при работе дизельного двигателя на номинальном режиме следующие. Принимаем:

Максимальная температура сгорания подсчитывается по уравнению:

(15)

где k - степень повышения давления ().

Решая уравнение (15), находим :

Действительное давление для дизельных двигателей:

(16)

Значения температуры и давления конца сгорания для дизельных двигателей изменяются в следующих пределах:

Полученные при расчете значения незначительно выходят за допустимые пределы, что является некритичным.

.4 Процесс расширения и выпуска

Степень предварительного расширения для дизелей двигателей [1,28]:

(17)

Степень последующего расширения для бензиновых двигателей:

Давление в конце расширения [1,32]:

      (19)

Величина среднего показателя политропы расширения для дизельных двигателей . Температура в конце расширения [1,31]:

 (20)

Параметрами процесса выпуска ( и ) задаются в начале расчета процесса впуска. Правильность предварительного выбора величин  и  проверяется по формуле профессора Е. К. Мазинга [1,33]:

 (21)

Погрешность вычислений составляет:

Т.к. погрешность вычислений не превышает 10%,то величина  выбрана правильно.

.5 Индикаторные показатели

Среднее индикаторное давление теоретического цикла для бензиновых двигателей подсчитывается по формуле [1,35]:

(22)

Среднее индикаторное давление действительного цикла:

 (23)

где  - коэффициент полноты диаграммы, который принимается для бензиновых двигателей  Принимаем.

Величина  для дизельных двигателей может достигать 2,2 МПа.

Индикаторный КПД для дизельных двигателей подсчитывается по формуле [1,36]:

Величина индикаторного КПД для автотракторных дизельных двигателей .

Удельный индикаторный расход топлива определяется по уравнению [1,38]:

 (25)

Удельный индикаторный расход топлива для дизельных двигателей:

.6 Эффективные показатели

Механический КПД дизельного двигателя

Принимаем .

Тогда среднее эффективное давление [1,41]:

(26)

а эффективный КПД [1,42]:

(27)

Удельный эффективный расход жидкого топлива [1,43]:

 (28)

Для дизельных двигателей эффективные показатели имеют следующие величины:

Полученные в результате расчета показатели незначительно выходят за пределы выше указанных диапазонов, что является некритичным.

2.7 Основные размеры цилиндра и показатели поршневого двигателя

По эффективной мощности, частоте вращения коленчатого вала и среднему эффективному давлению определяем литраж двигателя [1,46]:

          (29)

где , , ,  - для четырехтактных двигателей.

Рабочий объем одного цилиндра [1,47]:

     (30)

где i=4- число цилиндров.

Диаметр цилиндра [1,48]:

 (31)

Принимаем диаметр цилиндра D =0,110 м.

Ход поршня:

    (32)

Принимаем ход поршня S=0,13 м.

Определяем основные параметры и показатели двигателя:

- литраж двигателя [1,49]:

   (33)

- эффективную мощность [1,50]:

(34)

- эффективный крутящий момент [1,51]:

(35)

- часовой расход жидкого топлива [1,52]:

(36)

среднюю скорость поршня [1,53]:

(37)

Определим погрешность вычисления :

 (38)

Погрешность составляет меньше 10% следовательно расчет верен.

Литровая мощность определяется по формуле [1,54]:

Величина литровой мощности для автотракторных дизельных двигателей колеблется в пределах .

.8 Методика построения индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма строится в координатах p-V. Построение индикаторной диаграммы двигателя внутреннего сгорания производится на основании теплового расчета.

В начале построения на оси абсцисс откладывают отрезок AB, соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня в масштабе ms, который в зависимости от величины хода поршня проектируемого двигателя может быть принят 1:1, 1,5:1, или 2:1.

Принимаем - 1:1,5.

Отрезок ОА, соответствует объему камеры сгорания, определяется из соотношения [1, 84]:

, (40)

Отрезок z’z определяется по уравнению

При построении диаграммы рекомендуется выбирать масштабы давлений =0.02;0.025;0.04;0.05;0.07;0.1 МПа в мм. Выбираем . Затем по данным теплового расчета на диаграмме откладываем в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках а, с, z’, z, b, r. По наиболее распространенному графическому методу Бауэра политропы сжатия и расширения строим следующим образом.

Из начала координат проводим луч OK под углом α0 = 20° к оси координат. Далее из начала координат проводим лучи ОД и ОЕ под углами β1 и β2 к оси ординат. Эти углы определяют из соотношений [1,86]:

, . (42)

β1 = =28° β2 = =25°

Политропу сжатия строим с помощью лучей ОК и ОД.

Из точки С проводим горизонталь до пересечения с осью ординат; из точки пересечения - линию под углом 45 ° к вертикали до пересечения с лучом ОД, а из этой точки - вторую горизонтальную линию, параллельную оси абсцисс. Затем из точки С проводим вертикальную линию до пересечения с лучом ОК. Из этой точки пересечения под углом 45 ° к вертикали проводим линию до пересечения с осью абсцисс, а из этой точки - вторую вертикальную линию, параллельную оси ординат, до пересечения со второй горизонтальной линией. Точка пересечения этих линий будет промежуточной точкой 1 политропы сжатия. Точку 2 находим аналогично, принимая точку 1 за начало построения.

Политропу расширения строим с помощью лучей ОК и ОЕ, начиная от точки z , аналогично построению политропы сжатия. Критерием правильности, построения политропы расширения является приход ее в ранее нанесенную точку b.

После построения политропы сжатия и расширения производим скругление индикаторной диаграммы с учетом предварительного открытия выпускного клапана, опережения зажигания и скорости нарастания давления. Для этой цели под осью абсцисс проводим на длине хода поршня S как на диаметре полуокружность радиусом R=S/2. Из геометрического центра О' в сторону Н.М.Т. откладываем отрезок [1, 87]:

, (43)

С учетом масштаба O’O’1=8,84/1,5=5,89 мм.

Величина О'О'1 представляет собой поправку Брикса. Из точки О1' под углом γ0=56° (угол предварения открытия выпускного клапана) проводим луч О1В1. Полученную точку В1, соответствующую началу открытия выпускного клапана, сносим на политропу расширения (точка b1).

Луч О1'С1 проводим под углом Θ0, соответствующим углу опережения зажигания (Θ0= 23° ПКВ до в. м. т.), а точку С1 сносим на политропу сжатия, получая точку с1'. Затем проводят плавные кривые с1’c’’ изменяя линии сжатия в связи с опережением зажигания и b’1 b’’ изменения линии расширения в связи с предварением открытия выпускного клапана. При этом можно считать, что точка b’’ находится на середине отрезка ba. Ордината точки с’’ находиться из соотношения pc''=1,2pс , pc''=1,25,98=8,97 МПа и откладывается на линии AZ’. Из точки с’’ проводим плавную кривую до середины отрезка z’z. Из середины отрезка проводим кривую с плавным переходом в кривую политропы расширения.

В результате казанных построений получаем действительную индикаторную диаграмму.

Для оценки уровня теплонапряженности двигателя можно использовать такие величины как:

.        средний коэффициент теплоотдачи ;

.        средняя результирующая температура газов ;

.        тепловой поток ().

Тепловой поток определяется по следующей зависимости:

 (44)

где g - тепловой поток;

 - температура i-ой детали.

Мгновенное значение коэффициента теплоотдачи определяется по зависимости Вошни или Эйхельберга:

где w - скорость рабочего тела в различные периоды (например, на участке сжатия , где  - средняя скорость поршня);

D - диаметр цилиндра.

где  - мгновенные значения давления и температуры газа в цилиндре;

 - .

Температура на линии сжатия:

где  - показатель политропы сжатия.

На линии расширения для дизелей:

где  - степень предварительного расширения.

Температура на участках r-b и a-r определяют по прямой линии, соединяющей эти точки с тем расчетом, что температуры  известны из теплового расчета.

Таким образом, при любом угле поворота коленчатого вала или при любом объеме цилиндра нам известны мгновенные значения ,  и график  подлежит графоаналитической обработке с целью нахождения среднего значения коэффициента теплоотдачи и температуры за цикл.

где  - масштабный коэффициент;

S - площадь под кривой.

Тогда средняя результирующая температура газов за цикл:

где  - масштабный коэффициент.

Расчет проводится на компьютере при помощи программы ALFG для теплового расчета по методике Гриневецкого-Мазинга. Результаты расчета приведении в приложении.

Средний тепловой поток .

Заключение

В результате выполнения курсовой работы был произведен тепловой расчет двигателя Д-245.5С (с наддувом).

В результате теплового расчета, были определены параметры рабочего тела в цилиндре, построена индикаторная диаграмма, а также установлены индикаторные и эффективные показатели двигателя, позволяющие определить его размеры и оценить мощностные и экономические показатели. Так же была определена средняя температура и коэффициент теплоотдачи.

цилиндр поршневой двигатель индикаторный

Список используемой литературы

1. Вершина Г.А., Якубенко Г.Я. Методическое пособие по курсам «Теория рабочих процессов ДВС» и «Динамика ДВС» для студ. Специальности Т.05.10.00.- Мн.: ЗАО «Техноперспектива»,2001.-86 с.

. Железко Б.Е. Основы теории и динамики автомобильных и тракторных двигателей: [ Учеб. пособие для вузов].- Мн.: Выш. школа, 1980.-304 с., ил.

Приложение

Рисунок 1 - График изменения произведения коэффициента теплоотдачи на температуру по углу поворота коленчатого вала

Рисунок 2 - График изменения коэффициента теплоотдачи по углу поворота коленчатого вала

Рисунок 3 - График изменения температуры по углу поворота коленчатого вала