новая папка 1 / 705864
.pdfКафедра автомобилей, тракторов и технического сервиса
ОСНОВЫ РАСЧЕТА ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
М Е Т О Д И Ч Е С К И Е У К А З А Н И Я к практическим занятиям для обучающихся по направлению подготовки 23.03.03 Эксплуатация транспортно-технологических машин и оборудования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2018
УДК 621.65.03
Агапов Д.С., Филимонов В.А. Основы расчета тепловых двигателей: методические указания к практическим занятиям для обучающихся по направлению подготовки 23.03.03 Эксплуатация транспортнотехнологических машин и оборудования. – СПб.:
СПбГАУ, 2018. – 21 с.
РЕЦЕНЗЕНТЫ:
к.т.н., доцент кафедры «Автомобили, тракторы и технический сервис» К.Е. Муравьёв;
к.т.н., доцент кафедры теоретической механики и инженерной графики В.А. Долгушин
Методические указания предназначены для практических занятий по дисциплине «Основы расчета тепловых двигателей». Составлены в соответствии с РП по направлению подготовки 23.03.03 Эксплуатация транспортнотехнологических машин и комплексов и другими нормативными документами.
Рекомендованы |
к |
изданию |
и |
публикации |
на |
электронном носителе |
для |
включения |
нформационныев |
|
|
ресурсы университета |
Учебно-методическим |
советом |
|
||
СПбГАУ, протокол № 3 от 18 апреля 2018 года. |
|
|
©Агапов Д.С., Филимонов В.А., 2018
©ФГБОУ ВО СПбГАУ, 2018
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение.............................................................................. |
2 |
1. Тепловой расчет ДВС................................................... |
4 |
1.1. Порядок расчёта ....................................................... |
4 |
1.2. Параметры рабочего тела........................................ |
4 |
1.3. Процесс впуска......................................................... |
6 |
1.4. Процесс сжатия ........................................................ |
7 |
1.5. Процесс сгорания..................................................... |
8 |
1.6. Процесс расширения.............................................. |
10 |
1.7. Индикаторные параметры рабочего |
цикла |
двигателя.............................................................. |
.......... 11 |
1.8. Эффективные показатели двигателя.................... |
12 |
1.9. Основные размеры цилиндра и удельные |
|
параметры двигателя .................................................... |
13 |
1.10. Построение индикаторной диаграммы .............. |
15 |
Список литературы........................................................ |
17 |
Приложение №1............................................................... |
18 |
Приложение №2............................................................... |
21 |
1
ВВЕДЕНИЕ
Целью изучения дисциплины «Основы расчета тепловых двигателей» является получение знаний по теории, расчёту и испытаниям автотракторных двигателей, необходимых для последующего изучения профилирующих дисциплин и практического использования энергетических установок тракторов, комбайнов и других мобильных с.-х. машин с наибольшей эффективностью, экономичностью и надёжностью.
Предметом изучения являются действительные рабочие процессы, индикаторные и эффективные показатели, характеристики двигателей; показатели теплонапряжённости, долговечности и токсичности при разных режимах и условиях эксплуатации; кинематика, динамика и уравновешивание двигателей; основы расчёта механизмов и систем двигателей.
Содержание предмета изучения ориентировано на реализацию задач продовольственной и энергетической программ страны в связи с получением студентами теоретических знаний и практического опыта необходимых для лучшего использования техники в сельском хозяйстве.
Получение знаний по реализации условий наиболее эффективной, экономичной и надёжной работы двигателей; наименее токсичной работы двигателей; по совершенствованию конструкции, автоматизации управления и контроля работы двигателей; по основам расчёта цикла механизмов и систем двигателей; по улучшению условий труда и техники безопасности персонала, обслуживающего двигатели тракторов, комбайнов и других мобильных с.-х. машин.
Методические указания направлены на формирвание следующих компетенций:
ПК-1 – готовность к участию в составе коллектива исполнителей к разработке проектно-конструкторской документации по созданию и модернизации систем и средств эксплуатации транспортных и транспортно-технологических машин и оборудования.
ПК-4 – способен проводить технико-экономический анализ, комплексно обосновывать принимаемые и реализуемые решения, изыскивать возможности сокращения циклы выполнения работ, оказывать содействие подготовке процесса их выполнения и обеспечения необходимыми техническими данными, материалами и оборудованием.
ПК-19 – способен в составе коллектива исполнителей к выполнению теоретических, экспериментальных, вычислительных исследований по научно-техническому обоснованию инновационных
2
технологий эксплуатации транспортно-технологических машин и оборудования.
В результате освоения курса обучающийся должен:
Знать:
закономерности и наиболее эффективные методы превращения химической энергии топлива в работу ДВС;
маркировку и классификацию ДВС; устройство, принцип работы тепловых двигателей; режимы его работы узлов;
влияние основных конструктивных, режимно - эксплуатационных и атмосферно-климатических факторов на протекании процессов ДВС и на формирование внешних показателей работы двигателя;
сущность и назначение процессов, происходящих в цилиндрах ДВС при реализации действительного цикла;
основы расчета и проектирования узлов и механизмов тепловых двигателей;
современные методы улучшения технико-экономических и экологических показателей и характеристик двигателей, включая использование средств электроники, основные критерии, оценивающие те или иные аспекты работы ДВС и общепринятые характеристики применяемых на автотранспорте силовых агрегатов;
тенденции и направления развития ДВС, диктуемые современными требованиями.
Уметь:
обоснованно применять выбирать оптимальные методы режимов работы автотракторных двигателей, исходя из спецификации и условий работы и современных эксплуатационных экономических и экологических требований;
использовать полученные знания в процессе изучения специальных дисциплин; проводить и оценивать результаты измерений при проведении испытаний двигателей;
Владеть:
методиками измерения параметров тепловых двигателей, основами расчетов тепловых двигателей, его корпусных
деталей и отдельных узлов; современными системами автоматизированного
проектирования тепловых двигателей.
Приобрести опыт деятельности в подготовке и снятию скоростных, нагрузочных, регулировочных и других характеристик двигателей; снятию характеристик работы устройств топливной системы
3
1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВС
Расчёт действительного рабочего цикла двигателя.
Исходные данные для выполнения самостоятельной работы выбираются из приложения №1 согласно последним двум цифрам в зачетной книжке студента.
Расчёт рабочего цикла выполняется с целью определения индикаторных, эффективных показателей работы двигателя и тепловых условий работы двигателей, определения основных размеров двигателя, выявления усилий, действующих на детали двигателя, построения характеристик и решения ряда вопросов динамики двигателя.
Результаты теплового расчёта зависят от оценки ряда коэффициентов, учитывающих особенности данного двигателя; они будут тем ближе к действительным, чем больше были использованы данные испытаний двигателей близких к проектируемому.
При проектировании двигателя эффективная мощность задаётся конструктору или определяется методом тягового расчёта с учётом тех показателей, которые желательно получить при установке проектируемого двигателя на шасси трактора и автомобиля.
По заданной мощности Ne можно определить рабочий объём цилиндра Vh, а значит и основные размеры двигателя, если выбран тип двигателя (частота вращения, число цилиндров) и известно значение среднего индикаторного давления Pi. Определить значение Pi для проектируемого двигателя можно из индикаторной диаграммы, снятой с двигателя, принятого за прототип, или по параметрам расчётного цикла.
При выполнении работы Pi расчётного цикла.
Пример индикаторной диаграммы бензинового двигателя с обозначениями характерных точек приведены в приложении № 2.
Тип двигателя: автомобильный, четырехтактный.
1.1. Порядок расчёта
Определим параметры точек для индикаторной диаграммы с учётом принятых исходных данных проектируемого двигателя.
Тип двигателя: автомобильный (тракторный), четырехтактный.
1.2. Параметры рабочего тела
4
Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива lo, кг:
|
1 |
8 |
|
||
lo = |
|
|
|
C +8H −O |
|
0.23 |
3 |
||||
|
|
|
Средний элементарный состав для бензина С=0,855; Н=0,145; О=0. Для дизельного топлива С=0,857; Н=0,133; О=0,01.
Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, кмоль:
L0 = µl0в ,
где μв – молярная масса воздуха равная 28,96 кг/кмоль.
Количество свежего заряда (горючей смеси), кмоль/кг топлива для бензиновых двигателей:
M1 =α L0 +1/ µТ ,
где μт – молярная масса топлива равна 115 кг/кмоль.
Количество свежего заряда, кмоль/кг топлива для дизелей:
M1 =α L0
Общее количество продуктов сгорания, кмоль для бензиновых двигателей при α<1:
M 2 =α L0 + H / 4 +O / 32 + 0.21L0 (1−α)
Общее количество продуктов сгорания, кмоль для бензиновых и дизельных двигателей при α≥1
M2 =α L0 + H / 4 +O / 32
Химический коэффициент молекулярного изменения горючей смеси
β0 = M 2 / M1
Параметры окружающей среды и остаточные газы.
Принимаем атмосферные условия: Давление окружающей среды р0=0,1 МПа, температура окружающей среды Т0=293 К.
В дальнейших расчетах для бензинового и дизельного двигателя без наддува принимаем Тк=То.
Давление наддувочного воздуха для турбодизеля pk=(1,6…1,8)р0, МПа.
5
Температура воздуха за компрессором (температура наддувочного воздуха):
nk −1
Tk =T0 pk nk p0
Принимаем показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре nк=1,5…1,8.
Давление остаточных газов, МПа:
pr = (1,05...1,25) p0
или для турбодизеля |
pr = (0,75...0,98) pk |
Принимаем температуру остаточных газов Tr, К: |
|
бензиновый ДВС |
Т r=900…1100 К. |
Дизель, турбодизель |
Тr=600…900 К |
1.3. Процесс впуска
Плотность заряда на впуске, ρк - кг/м3
Для бензинового и дизельного ДВС без наддува ρк = p0 106 ,
Rв Т0
Для турбодизеля |
ρ |
к |
= |
p |
к |
106 |
|
Rв Тк |
|||||||
|
|
|
|||||
|
|
|
|
где Rв – удельная газовая постоянная воздуха. Rв=287 Дж/кг*К Давление в конце впуска Pa, МПа:
бензиновый и дизельный ДВС без наддува pa = po − ∆pa
турбодизель pa = pk − ∆pa
В соответствии со скоростным режимом двигателя nн, мин-1 и качеством обработки внутренней поверхности впускной системы
принимаем (β2 +ξвп )=2,4…..4 и ωвп=50…..130 м/с,
где: β2 – коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра; ξвп - коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому ее сечению; ωвп – средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы.
Потери давления на впуске в двигатель ΔPa, МПа
6
∆pa = (β2 +ξвп )ωвп2 ρк10−6 / 2
Коэффициент остаточных газов γr:
γ |
r |
= |
Tk + ∆t |
|
pr |
, |
|
Tr |
ε pa − pr |
||||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
где ∆t - температура подогрева свежего заряда от нагретых деталей двигателя на номинальном скоростном режиме. Для четырехтактных автотракторных двигателей значения Δt принимают в следующих пределах: для бензиновых двигателей –5…+25о; для дизелей без наддува - +20…+40о; для дизелей с наддувом – 0…+10о.
Значения γr для автотракторных двигателей варьируют в следующих пределах для бензиновых и газовых двигателей без наддува – 0,04…0,008; для дизелей без наддува и с наддувом –
0,03…0,06.
Температура в конце впуска Ta, К:
T |
= Tk + ∆t +γr Tr |
|
a |
1+γr |
|
|
|
Значения Та в конце впуска: для бензиновых двигателей 320…380К; для дизелей без наддува – 310…350; для дизелей с наддувом – 320…400К.
Коэффициент наполнения ηv:
η |
v |
= Tk (ε pa − pr ) |
||
|
|
(T0 |
+ ∆t)(ε −1) pk |
|
|
|
|
Для четырехтактных двигателей значение ηv составляет: для бензиновых двигателей 0,75…0,85; для дизелей без наддува – 0,80…0,90; для дизелей с наддувом –0,80…0,95.
1.4. Процесс сжатия
Определим показатель политропы сжатия n1 по формуле:
n1 =1.41−100 , nн
где nн- частота вращения вала двигателя, (исходные данные). Давление в конце сжатия Рс, МПа:
pc = pa ε n1
7
Температура в конце сжатия Тс, К:
Tc = Ta ε n1−1
Ориентировочные значения параметров рабочего тела в конце сжатия Рс и Тс на номинальном режиме работы двигателя. Бензиновые двигатели: Рс=0,9…1,6 МПа, Т с=650…800К; для дизелей без наддува: Рс=3,5…5 МПа; Тс=700…900К; для дизелей с наддувом: Рс=6…8
МПа; Тс=900…1000К.
Средняя молярная теплоёмкость для свежего заряда в конце сжатия (без учета влияния остаточных газов) μСvc, кДж/(кмоль*град):
µCvc = 20,16 +1,74 10−3Tc
Число молей остаточных газов Мγ, кмоль:
Mγ =α γr L0
Число молей газов в конце сжатия до сгорания Мс, кмоль:
M c = M1 + Mγ
1.5. Процесс сгорания
Средняя молярная теплоемкость для продуктов сгорания жидкого топлива (при α<1):
µCvz = (18,4 + 2,6α)+ (15,5 +13,8α)10−4 Tz
Средняя молярная теплоемкость для продуктов сгорания жидкого топлива (при α≥1):
µCvz |
|
20,2 + |
0,92 |
|
13,8 |
−4 |
Tz +8,314 |
||
= |
α |
|
+ 15,5 + |
α |
10 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Число молей газов после сгорания Мz, кмоль:
M z = M 2 + Mγ
Расчетный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси β:
β = M z M c
8