Расчет двигателя

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Филиал г. Салехард

Кафедра АТХ

Курсовая работа

По дисциплине:

«Теория, расчет и конструкция тепловых двигателей и энергетических установок»

На тему: «Расчет двигателя»

Салехард 2009г.

ЗАДАНИЕ

Выполнить расчет четырехтактного дизельного двигателя по следующим исходным данным:

Параметры	ЯМЗ - 238А
Номинальная мощность ,кВт	200
Номинальная частота вращения, мин-1	2300
Число и расположение цилиндров	8-V
Степень сжатия e	16,5
S/D	1,0
Диаметр цилиндра D, мм	125
Ход поршня S, мм	125
Рабочий объем цилиндров Vл, л	11,85
Скорость поршня ,м/с	9,8
Минимальный удельный расход топлива, г/кВт × ч	209
Расположение клапанов	верхнее

1. Тепловой расчет двигателя

При тепловом расчете вновь проектируемого двигателя предварительно рассчитывают параметры действительного цикла, строят индикаторную диаграмму и определяют основные размеры: диаметр и ход поршня.

Исходными данными для расчета являются: Р_е - мощность (номинальная),

n_н - частота вращения (номинальная), e - степень сжатия.

В ходе расчета необходимо задаваться некоторыми коэффициентами, принимая во внимание данные по существующим двигателям. Порядок расчета следующий.

1.1 Процессы впуска и выпуска

а). Задаемся значениями: Т_о; р_о ; Т_r; р_r; DТ; р_а.

Температура Т_о и давление р_о окружающей среды принимаются в соответствии со стандартными атмосферными условиями: Т_о=273+15=298 К; р_о=0,1 МПа.

Температура Т_r и давление р_r остаточных газов зависят от частоты вращения и нагрузки двигателя, сопротивления выпускного тракта, способа наддува.

Для двигателей с газотурбинным наддувом:

р_r=( 0,75…0,95 )р_к= ( 0,75÷0,95 )×0,22 = 0,165 ÷ 0,209 МПа, р_r=0,209 МПа

давление надувочного воздуха р_к для существующих двигателей:

р_к=(1,5…2,2)р_о.= (1,5…2,2)×0,1 = 0,15 ÷ 0,22 МПа, р_к=0,22 МПа

Температура остаточных газов зависит в основном от коэффициента избытка воздуха a, степени сжатия e, частоты вращения коленчатого вала, нагрузки.

DТ-степень подогрева свежего заряда во впускном тракте зависит от частоты вращения, наличия наддува и принимается для дизельных с наддувом 0…10. Принимаем значение DТ =10⁰ .

Давление в конце впуска р_а принимается из следующих соотношений

р_а = р_х - Dр_а = 0,22 – 0,022 = 0,198 МПа

У двигателей потери давления Dр_а за счет сопротивления впускного тракта находятся: Dр_а = ( 0,03 ÷ 0,1 )× р_х = 0,0066 ÷ 0,022 МПа, Dр_а = 0,022МПа

б). Определяем величины: g_r (коэффициент остаточных газов), Т_a(температура конца наполнения) и h_v (коэффициент наполнения) по следующим формулам:

Температура воздуха за компрессором:

,

где n_к - показатель политропы сжатия в компрессоре, принимается в пределах 1,4…2. Примем n_к = 1,6.

в). В зависимости от принятого значения коэффициента избытка воздуха a определяем массу свежего заряда, введенного в цилиндры двигателя (ориентировочно):

М₁ = a l_о / 29, кмоль,

где l_o= 14,5 кг. воздуха/ кг. топлива – для дизельного двигателя.

М₁ = 1,7*14,5/ 29=0,85 кмоль

Для принятия значения a необходимо учесть способ смесеобразования, примем 1,7.

Масса воздуха в кмолях: L_o=l_o/29 = 14,5/29 = 0,5 кмоль

1.2 Процесс сжатия

Определяем параметры процесса сжатия: n₁; р_с; Т_с; М_с.

а). Показатель политропы сжатия п₁ определяется из соотношения:

n₁ = 1,41 – 100/n_н=1,41 – 100/2300=1,366 ,

где n_н – номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя.

б). Давление конца сжатия:

.

в). Температура конца сжатия:



г). Масса рабочей смеси в конце сжатия:

, кмоль

д). Теплоемкость рабочей смеси в конце сжатия:

С_v.c=20,16+1,74×10 ^-3Т_с=20,16+1,74×10 ^-3.1149,58=22,16,

кДж/(кмоль.град).

1.3 Процесс сгорания

а). Определяют массу продуктов сгорания в цилиндрах двигателя.

где С = 0,87; Н = 0,125 – соответственно элементарный состав топлива для дизтоплива (ориентировочно).

б). Определяют температуру газов в цилиндре в конце процесса сгорания из уравнений:



С_rz – теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении:

С_rz =(20,2 + 0,92/a) + (15,5 + 13,8/a) 10 ^–4 Т_z + 8,314 ,

m -коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси в ходе сгорания

m=

x - коэффициент использования теплоты в ходе сгорания, для дизелей - x=0,7…0,9, примем 0,8.

Н_u- низшая теплотворная способность топлива: для дизтоплива - ;

Подставим и после преобразования получим:

0,00244×Tz² +30.04×Tz + ( - 66192.74 ) = 0

T_z1 = 2220.46 K

Т_z2 = отрицательная температура, а она не может быть такой в конце процесса сгорания.

в). Определяют максимальное давление газов в цилиндре по формулам:

р_z = l × р_c= 1,5×8,96 = 13,44 МПа

где l степень повышения давления, которое примем равным 1,5.

1.4 Процесс расширения

Определяем параметры процесса расширения: n₂; р_b; Т_b.

а). Показатель политропны расширения n₂ определяется из соотношения:

n₂ = 1,22 + 130 / n_н.=1,22+130/2300=1,276

б). Давление и температура конца расширения:

где - степень последующего расширения,

 - степень предварительного расширения.

Полученные расчетные значения (указанны в скобках) термодинамических параметров процессов цикла необходимо сопоставить с данными табл. 1.

Таблица 1 Предельные значения параметров процессов цикла

Тип двигателя	pc , МПа	pz ,МПа	Тс , К	Тz,К	Тb, К
Двигатели с наддувом	6…8  (8,96)	10…15 (13,44)	1000  (1149,58)	1900…2800 (2220,46)	1100…1200 (1082,1)

1.5 Индикаторные показатели цикла

а). Определяем среднее индикаторное давление (теоретическое) газов

МПа

б). Определяют среднее индикаторное давление (действительное) газов:

p_i = j_п р₁¹,

где j_п – коэффициент полноты индикаторной диаграммы, учитывающий ее скругление в ВМТ и НМТ, как результат наличия фаз газораспределения, угла опережения впрыскивания топлива или зажигания, а также скорости сгорания топлива. Значения j_п принимаются для дизельных двигателей 0,9…0,96.

p_i =0,96×1,26=1,2096 МПа

в). Определяем индикаторный КПД цикла:

,

г). Определяем индикаторный удельный расход топлива:

1.6 Эффективные показатели двигателя

а). Определяем среднее давление механических потерь:

,

где - средняя скорость поршня, принимается по двигателю-прототипу (с_п= 9,8 ),

 и - эмпирические коэффициенты, приведенные в табл. 2.

Таблица 2 Значения коэффициентов  и

Тип двигателя
Дизели с неразделенной камерой сгорания	0,105	0,012
Дизели с разделенной камерой сгорания	0,105	0,0138

б). Определяем среднее эффективное давление газов:

=1,2096-0,2226=0,987 МПа.

в). Определяем механический КПД двигателя:

.

г). Определяем эффективный КПД двигателя:

.

д). Определяем удельный эффективный расход топлива:

.

Полученные расчетные значения (указаны в скобках) индикаторных и эффективных показателей сопоставляем с данными табл.3.

Таблица 3 Предельные значения индикаторных и эффективных показателей современных поршневых двигателей

Тип двигателя	pi, МПа	hi	bi, г/кВт*ч	pe, МПа	he	be, г/кВт.ч
Дизели с наддувом	0,8…2 ( 1,2096 )	0,42…0,5 ( 0,42 )	200…170 ( 201,68 )	0,7…1,8 ( 0,987 )	0,38…0,45 ( 0,34 )	210…175 ( 246 )

1.7 Определение основных размеров двигателя

а). Определяем рабочий объем одного цилиндра по заданным значениям мощности, частоты вращения и расчетному значению среднего эффективного давления газов (р_е):

, л ,

где  - число цилиндров двигателя,- тактность двигателя.

.

Литраж двигателя состовляет 10,432 л.

б). Выбираем отношение хода (S) поршня к диаметру (D) по прототипу двигателя и задаемся : по прототипу равняется 1,0:

, мм;

S = (S/D) × D=1,0*119=119 мм.

Определяем литровую мощность по прототипу и по проектируемому двигателю:

Результаты теплового расчета сводим в табл. 4.

Таблица 4 Характеристика двигателей