Двигателей внутреннего сгорания

 

Учебное пособие к курсовой работе по курсу

«Конструкции и основы расчета энергетических установок» для студентов очной и заочной форм обучения по направлению подготовки 190600.62 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов», профиль - «Сервис транспортных и транспортно-технологических машин и оборудования (Нефтегазодобыча)»

 

 

                                        

 

Г. Чайковский, 2019

 

 

УДК 621.43

 

 

Тепловой и динамический расчет двигателей внутреннего сгорания

 

Составители: к.т.н.  С.М. Клементьев, к.т.н. В.М. Федоров, к.т.н. Т.П.Чепикова.

 

Рецензент: зав. кафедрой АиАХ ПГТУ, к.т.н., доцент М.Ю. Петухов

 

2019 г.

 

Утверждено на заседании кафедры «Промышленных технологий» Чайковского технологического института (филиал) ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова

протокол № от   2019 г.

 

Электронная версия в Word 2000 находится в Чайковском технологическом институте (филиал) ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова

 

 

Учебное пособие содержит необходимые сведения и систематизированную методику теплового и динамического расчета автомобильных карбюраторных и дизельных двигателей. Подробно приведены примеры теплового расчета. Рассмотрены требования к оформлению курсовой работы.

Учебное пособие к курсовой работе по курсу «Конструкции и основы расчета энергетических установок» предназначено для студентов очной и заочной форм обучения по направлению подготовки 190600.62 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов», профиль - «Сервис транспортных и транспортно-технологических машин и оборудования (Нефтегазодобыча)».

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В области развития и совершенствования двигателей внутреннего сгорания основными задачами на современном этапе являются: расширение использования дизелей и повышение их мощности; снижение топливной экономичности и удельной массы; снижение стоимости их производства и эксплуатации. Выполнение этих задач требует от специалистов, связанных с производством и эксплуатацией дви­гателей внутреннего сгорания, глубоких знаний их теории, конст­рукции и расчета.

Цель учебного пособия - дать студентам необходимые систематизированные рекомендации по выполнению курсовой работы, а также логически увязать отдельные части курса "ДВС, автомобили и тракторы".

При работе над курсовой работой у студентов возникает много вопросов, связанных с методикой и последовательностью ее выполнения, тратится много времени на изыскание необходимых сведений, помещенных в различных литературных источниках, вследствие чего выполнение курсовой работы студентами затягивается. Для облегче­ния выполнения курсовой работы учебное пособие снабжено примерами, литературой, а также основными данными, необходимыми для тепловых расчетов дизельных и карбюраторных двигателей.

 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Проблема - определение оптимальных параметров двигателя на стадии технического проектирования. Метод обучения - исследовательский.

Тепловой расчет позволяет с достаточной степенью точности аналитическим путем определить основные параметры вновь проекти­руемого двигателя.

На основе установленных или заданных исходных данных (типа двигателей, мощности N_e, частоты вращения коленчатого вала n, числа i и расположения цилиндров, отношения S / D, степени сжатия e) студенты производят тепловой расчет двигателя, в результате которого определяют основные энергетические (p_e, N_л), экономические (g_e, h _e) и конструктивные (D, S, V _h) параметры двигателя. Затем по результатам теплового расчета строят индикаторную диаграмму.

Параметры, полученные в тепловом расчете, используются при построении скоростной характеристики и являются исходными при проведении динамического и прочностных расчетов.

 

1.1. Мощность и частота вращения коленчатого вала

При расчете номинальная мощность двигателя N_e обычно зада­ется. Выбор или задание номинальной мощности определяется прежде всего назначением двигателя (для легкового или грузового автомобилей, трактора, СДМ и т.д.), его типом (карбюраторный, га­зовый, дизель), условиями эксплуатации. Мощность современных двигателей колеблется в очень широких пределах - 15... 500 кВт.

Другим важнейшим показателем двигателя является частота вращения коленчатого вала, характеризующая тип двигателя и его динамические качества. Длительное время существовала тенденция повышения частоты вращения коленчатого вала, что приводило к уменьшению габаритных размеров двигателя и его массы. Однако с увеличением частоты вращения возрастают инерционные силы, ухуд­шается наполнение цилиндров, возрастает токсичность сгорания, повышается износ деталей и узлов двигателя и снижается его срок службы. За последнее десятилетие частота вращения коленчатого вала двигателей практически стабилизировалась.

В настоящее время частота вращения коленчатого вала двига­телей колеблется в пределах, об/мин:

двигателей легковых автомобилей... ………………………...4000... 6000

грузовых автомобилей:

дизелей.................................................. ……………………………3000... 4000

карбюраторных.................................... ……………………………4000 …4500

тракторных дизелей и дизелей СДМ. ……………………….1500... 2500

 

1.2. Число и расположение цилиндров

 

Выбор числа цилиндров и их расположение зависят от мощностных, диагностических и конструктивных факторов. Наиболее рас­пространены четырех- и шестицилиндровые автомобильные двигатели. При особо высоких требованиях к массе и габаритным размерам число цилиндров автомобильных двигателей достигает 8 и крайне редко 12. Тракторные двигатели обычно имеют четыре цилиндра, реже 6 и лишь в отдельных случаях 8 и 12. С увеличением числа цилиндров повышаются возможности форсировки двигателей по частоте враще­ния, улучшаются пусковые качества и проще решаются вопросы урав­новешенности, но вместе с этим и повышаются механические потери и ухудшаются экономические показатели.

Современные двигатели имеют рядное, V-образное и оппозитное расположение цилиндров. Наибольшее распространение получили четырехцилиндровые рядные двигатели как наиболее простые в эксплу­атации и дешевые в производстве. В последние годы в автотракторо­строении наметилась тенденция к применению двигателей с V-образным расположением цилиндров. По сравнению с рядным они имеют более высокий КПД, меньшие габариты и лучшие удельно-массовые показатели. Повышенная жесткость V-образных двигателей позволя­ет, кроме того, достигать более высоких частот вращения коленча­того вала.

 

1.3. Размеры цилиндра и скорость поршня

Размеры цилиндра (диаметр и ход поршня) - являются основ­ными конструктивными параметрами двигателя. Диаметр D (мм) раз­личных двигателей изменяется приблизительно в следующих пределах:

для карбюраторных двигателей легковых автомобилей 60…100;

для карбюраторных двигателей грузовых автомобилей 70…110;

для автомобильных дизелей.................................. 80…130;

для тракторных дизелей и дизелей СДМ............. 70…150.

Ход поршня обычно характеризуется отношением S / D, непос­редственно связанным со скоростью поршня. В зависимости от зна­чения S / D различают двигатели короткоходовые (S / D <1) и длинноходовые (S / D >1). У короткоходовых двигателей меньше высота двигателя и его масса, выше индикаторный КПД и коэффициент наполнения, меньше скорость поршня и долговечнее детали двигателя. Однако снижение S / D приводит к более высокому давлению газов на поршень, ухудшению условий смесеобразования и увеличению длины двигателя.

Ориентировочная зависимость быстроходности двигателя приведена в

табл. 1.

Таблица 1

Тип двигателей	Частота вращения, об/мин	V п.ср
Карбюраторные	До 3000 3000 … 4000 4000 … 6000	1,1 … 1,0 0,95…0,85 0,85…0,75
Дизели	2100 … 2800 Свыше 2800	1,0 … 1,3 0,8 … 1,0

Скорость поршня V _п.ср является критерием быстроходности двигателя. В зависимости от значения V _п.ср двигатели подразде­ляют на тихоходные

(V _п.ср < 6,5 м/с) и быстроходные (V _п.ср > 6,5 м/с). С увеличением скорости поршня возрастают механические потери, повышается тепловая напряженность деталей, сокращается срок службы двигателя. В связи с этим увеличение средней скорости поршня неразрывно связано с необходимостью повышения долговеч­ности деталей, применения более совершенных материалов в двигателестроении и улучшения качества применяемых масел.

Средняя скорость поршня V _п.ср современных двигате­лей приведена в табл. 2.

 

Таблица 2

Тип двигателей	Тип машин	V п.ср, м/с
Карбюраторные - Газовые Дизели	Легковые автомобили Грузовые автомобили - Автомобильные Тракторные, СДМ	12... 15 9... 12 7... 11 6,5... 12 5,5... 10,5

 

1.4. Степень сжатия

 

Степень сжатия является одной из важнейших характеристик двигателя. Ее выбор зависит, в первую очередь, от способа смесеобразования топлива. Кроме того, степень сжатия выбирают с учетом наличия или отсутствия наддува, быстроходности двигате­ля, системы охлаждения и других факторов.

Для бензиновых двигателей степень сжатия выбирается по табл. 3, в зависимости от октанового числа топлива и принятого смесеобразования. Более высокие значения степени сжатия харак­терны для быстроходных двигателей.

Для дизелей степень сжатия выбирается в зависимости от ти­па камеры сгорания:

нераздельная камера:

при объемном смесеобразовании........... ……………………………..14 … 17

при пленочном смесеобразовании:

а) без принудительного воспламенения ………………………20 … 25

б) с зажиганием от электрической искры …………………….14 … 16

с предкамерной........................................ ……………………………..16,5 … 21

с вихревой камерой................................. ……………………………..16 … 20

с воздушной камерой............................... ……………………………..15 … 16

для дизелей с наддувом........................... ……………………………..11 … 17

Таблица 3

Октановое число бензина		Степень сжатия OlcUcnb L'AldlM.n.
		Внешнее смесеобразование (карбюраторное)	Внутреннее смесеобразование (впрыск бензина)
70 … 76 76 … 86 86 … 98		6,5…7,0 6,8…7,9 8,0…10	7,0 … 7,5 7,8 … 8,4 8,5 …10,0

 

В современных карбюраторных двигателях . Двигатели грузовых автомобилей имеют значения e ближе к ниж­нему пределу, а у двигателей легковых автомобилей обычно и только при воздушном охлаждении e иногда ниже 7. Для карбюра­торных двигателей при степени сжатия выше 12 возможно самовоспла­менение смеси и детонация в процессе сгорания. В последние годы наметилась тенденция к некоторому уменьшению e, что позволило снизить токсичность продуктов сгорания и продлить срок службы двигателей. Как правило, даже двигатели легковых автомобилей высокого класса имеют степень сжатия не более 9.

Минимальная степень сжатия для дизелей должна обеспечить в конце процесса сжатия получение минимальной температуры, необходимой для самовоспламенения впрыснутого топлива. Учитывая, что впрыск топлива осуществляется раньше полного завершения процесса сжатия и с повышением температуры сжатия сокращается период за­держки воспламенения, в дизелях без наддува не применяются значе­ния степени сжатия меньше 14, а в дизелях с наддувом - меньше 11.

Для современных автомобильных и тракторных двигателей с воспламенением от сжатия . Увеличение степени сжатия более 22 нецелесообразно, так как приводит к высоким давлениям сгорания, падению механического КПД и утяжелению конструкции дви­гателя.

 

2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

 

Для удобства рекомендуется выполнять тепловой расчет в при­веденной ниже последовательности.

 

2.1. Выбор и определение физических констант

2.1.1. Используемые в автотракторных двигателях топлива представляют собой смесь различных углеводородов и от­личаются элементарным составом, который выражается в единицах массы (кг), а газообразных - в объемных еди­ницах (м³ или кмоль).

Для жидких топлив

,                     (1)

где С, Н и О - массовые доли углерода, водорода и кислорода в 1 кг топлива.

Для газообразных топлив

где С _n, Н _m  и О _r - объемные доли каждого газа в 1 м³ или в 1 киломоле газообразного топлива; N ₂ - объемная доля азота.

Средний элементарный состав жидких топлив (в мас­совых долях) приведен в табл. 4.

 

                                                      Таблица 4.

	C	H	O
Бензин	0,855	0,145	-
Дизельное топливо	0,870	0,125	0,005

Состав газообразных топлив указан в табл. 5.

На основании заданного вида топлива, пользуясь табл. 6, и уравнением (1) определяем элементарный состав топлива, кг/кг: углеро­да С, водорода H, кислорода O.

2.1.2. Низшая теплота сгорания соответствует тому количе­ству теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива, без учета теплоты конденсации водяного пара. Так как в ДВС выпуск отработавших газов происходит при температуре выше температуры конденсации водя­ного пара, для практической оценки топлива обычно используется низшая теплота сгорания. Для определения низшей теплоты сгорания твердого топлива Н _u (в МДж/кг) при известном элементарном соста­ве обычно используется формула Менделеева:

Таблица 5

Составляющие	Газообразные топлива, м^3 (моль)
	природный газ	синтетический газ	светильный газ
Метан СН4 Этан С2Н6 Пропан С3Н8 Бутан С4Н10 Тяжелые углеводороды CnHm Водород H2 Окись углерода СО Углекислый газ CO2 Азот N2	90,0 2,96 0,17 0,55 0,42 0,28 0,28 0,47 5,15	52,0 - - - 3,4 9.0 11,0 - 24,6	16,2 - - - 8,6 27,8 20,2 5,0 22,2

 

Таблица 6

Топливо	Элементарный состав, кг/кг			Молекулярная масса mT, кг/моль	Низшая теплотворная способность топлива Hu, кДж/кг
	С	Н	O
Автомобиль-ный бензин	0,855	0,145	0	110 … 120	43930
Бензол	0,923	0,077	0	78,1	42500
Керосин	0,860	0,137	0,003	130	43200
Дизельное топливо	0,870	0,126	0,004	170 … 200	42440

 

где W - количество водяных паров в продуктах сгора­ния массовой или объемной единицы топлива.

Для газообразного топлива (Н _u в МДж/м³)

где СО, Н₂ и другие компоненты газообразного топлива - объемные доли компонентов газовой смеси.

Примерные значения низшей теплоты сгорания Н _u в МДж/кг

автотракторных топлив:

Бензин..................................... 44,0

Дизельное топливо................ 42,5

Природный газ...................... 45,0

Пропан.................................... 85,5

Бутан....................................... 112,0

При неполном сгорании топлива (a < 1) количество теплоты D H_u, недовыделяющейся при сгорании 1 кг топлива,

D H_u = 119,95 (1 - a) L ₀.

Коэффициент, учитывающий количество теплоты недовыделившейся при неполном сгорании,

.

Пользуясь табл. 6 определяем низшую теплопроводную способность Н _u и молекулярную массу топлива m_T.

2.1.3. Определяем количество воздуха, теоретически необхо­димое для сгорания 1 кг топлива

- для жидких топлив:

, ,

проверка:  ;

- для газообразных топлив:

,

где m _в - молекулярная масса 1 кмоля воздуха, m _в = 28,97кг/кмоль; L ₀ - теоретически необходимое количество воздуха (кмоль) для сгорания 1 кг топлива;  - теоретически необходимое количество воздуха (кг) для сгора­ния 1 кг топлива; 0,21 - объемное содержание кислорода в 1 кг воздуха; 0,23 - массовое содержание кислорода в 1 кг воздуха; L ¢ ₀ - теоретически необходимое количество воздуха (моль или м³) для сгорания 1 кмоль или 1м³ топлива.

 

2.2. Выбор и обоснование исходных величин для теплового расчета