Проектирование двигателя на основе прототипа ЗИЛ-645

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Красноярский Государственный Технический Университет

Кафедра: Автомобили и Двигатели

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Пояснительная записка

Выполнил:  ст-т гр. АТ 42-1                                                       

Столяров О.В.

Преподаватель:

Санников В.М.

Красноярск 2005

Содержание:

Введение

1.  Тепловой расчёт

1.1Выбор и обоснование исходных данных

1.2Свежая смесь и продукты сгорания

1.3Процесс впуска

1.4Процесс сжатия

1.5Процесс сгорания

1.6Процесс расширения и выпуска

1.7Индикаторные параметры рабочего тела

1.8Эффективные показатели и параметры двигателя

1.9Основные размеры двигателя

1.10  Анализ и оценка показателей двигателя

1.11  Построение индикаторной диаграммы

2.  Динамический расчёт

2.1Исходные данные

2.2Силы давления газов на поршень

2.3Силы инерции

2.4Суммарная сила

2.5Суммарный индикаторный крутящий момент

2.6Силы, действующие на шатунную шейку коленчатого вала

2.7Уравновешивание

3.  Конструктивный расчёт

3.1Поршни

3.2Поршневые пальцы

3.3Шатунная группа

3.4Коленчатый вал

4.  Механизм газораспределения

5.  Системы двигателя

5.1Система смазки

5.2Система охлаждения

Выводы

Список литературы

Приложения

Введение

Изучаемая дисциплина «Тепловые Двигатели» основана на углублённом изучении процессов работы современных двигателей внутреннего сгорания с целью ознакомления с основами проектирования и совершенствования двигателей. Решая следующие задачи: расширение использования дизелей, снижение топливной экономичности и удельной массы двигателей, стоимости их производства и эксплуатации, борьба с токсичными выбросами двигателей в атмосферу, а также задачи по снижению шума и вибрации в процессе их эксплуатации.

Выполнение данной работы производится для закрепления полученных теоретических знаний, а также для приобретения опыта конструкторской разработки.

1.  Тепловой расчёт

1.1. Выбор и обоснование исходных данных

Исходные данные на курсовой проект:

Двигатель прототип: ЗИЛ 645

Эффективная мощность двигателя: Ne=140 кВт;

Частота вращения коленчатого вала:n = 2650 об/мин;

Тип двигателя: дизельный

Число и расположение цилиндров: ί = 8, V-образное;

Степень сжатия прототипа: ε = 18,5;

Выбор скоростных режимов работы двигателя:

режим номинальной (заданной) мощности, об/мин

n_e = 2650 об/мин.

режим минимальной частоты вращения коленчатого вала,

n_min =600 об/мин режим максимального крутящего момента,

n_m = (0.4 – 0.6)n_e =0.5·2650=1325 об/мин режим минимального расхода топлива, об/мин

n_g = (0.7-0.8)n_e = 0.75·2650=1988 об/мин

Ориентируясь на показатель прототипа, выбираем степень сжатия ε = 19.

1.2.  Свежая смесь и продукты сгорания

Средний элементарный состав и молекулярная масса топлива:

С =0,870; Н =0,126; О_Т = 0,004

коэффициент избытка воздуха ά = 1,4;

низшая теплота сгорания H_u = 42440 МДж/кг.

Теоретически необходимое количество воздуха:=0,495 кмоль/кг

Суммарное количество воздуха:

Продукты сгорания при α = 1,4(количество отдельных компонентов продуктов сгорания)

Mco₂ = C/12 = 0.87/12 = 0.0725 кмоль CО₂ / кг.топл.

M_H2O = H/2 = 0.126/2 = 0.063 кмоль H₂O / кг.топл.

При α = 1,4

MO₂ = 0.208(α-1)L₀ = 0.792∙1.4∙0.5 = 0.0416 кмоль O₂ / кг.топл.

MN₂ = 0.792∙α∙Lo = 0.792∙1.4∙0.5 = 0.5544 кмоль N₂ / кг.топл.

Общее количество продуктов сгорания.

М₂ = MCO2+MH2O+MO2+MN2

M₂ = 0.0725+0.063+0.0416+0.5544 = 0.7315 кмоль прод.сг/кг.топл.

Теоретический коэффициент молекулярного изменения.

P_o = P_к = 0,1 МПа.

Т_к = То = 20+273 = 293К.

Температура и давление остаточных газов.

Tr = 750K.

Pr = 1.05 МПа.

Po = 1,05∙0,1 = 0,105 МПа.

1.3 Процесс впуска

Принимаем: ΔТ = 20⁰ С.

Плотность заряда на впуске:

Потери давления на впуске:

Принимаем в соответствии со скоростным режимом двигателей с учетом небольших гидравлических сопротивлений во впускной системе дизеля.

р_а = р_к - Δр_а = 0,1-0,008 = 0,092 МПа.                                                         

Коэффициент остаточных газов:

Температура в конце впуска:

                                                                    

Коэффициент наполнения:

              
 

1.4. Процесс сжатия

Принимаем средний показатель политропы сжатия приблизительно равным показателю адиабаты:

                                                            

Давление и температура в конце сжатия:        

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:

1.5. Процесс сгорания

Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси:

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

Теплота сгорания рабочей смеси:

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания:

Коэффициент использования теплоты.

Для современных дизелей с неразделенными камерами сгорания и хорошим смесеобразованием можно принять: ξz =0.82

Степень повышения давления зависит от величины цикловой подачи топлива. С целью снижения газовых нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма целесообразно иметь давление сгорания не выше 11-12 МПа. В связи с этим принимаем λ = 2,0.

Температура в конце видимого процесса сгорания

Максимальное давление сгорания дизелей.

        

Степень предварительного расширения

1.6. Процесс расширения

Степень последующего расширения.

Средние показатели адиабаты и политропы выбираются по номограмме:

 

Давление и температура в конце расширения:

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов:

        

1.7. Индикаторные параметры рабочего цикла

Теоретическое среднее индикаторное давление:

 
       Среднее индикаторное давление.

φп  - коэффициент полноты диаграммы принят 0,95.

Индикаторный КПД дизелей:

Индикаторный удельный расход топлива.

1.8. Эффективные показатели и параметры двигателя

Среднее давление механических потерь.

где среднюю скорость поршня принимаем равной значению прототипа =10,2 м/с

Среднее эффективное давление и механический КПД:

Эффективный КПД и эффективный удельный расход топлива.

1.9. Основные размеры двигателя

Литраж двигателя (дм³):

Рабочий объем цилиндра (дм³):

Диаметр цилиндра и ход поршня:

Принимаем

1.10. Анализ и оценка показателей двигателя

Таблица 1.

Показатель	усл. Обозн.	Двигатель – прототип (ЗИЛ 645)	Проектируемый двигатель
Номинальная мощность, кВт	Ne	136	142,4
Частота вращения при номинальной мощности, об/мин	ne	2800	2650
Степень сжатия	E	18,5	19
Среднее эффективное давление при номинальной мощности, МПа	pe	0,667	0,771
Литраж, л	Vл	8,74	8,363
Отношение хода поршня к диаметру цилиндра	S/D	1,045	1
Диаметр цилиндра, мм	D	110	110
Ход поршня, мм	S/D	115	110
Средняя скорость поршня на номинальном режиме, м/с	Vп.ср.	10,73	9,72
Максимальный крутящий момент, Н*м	Memax	-	513,1
Удельная (литровая) мощность, кВт/л	Nл	15,56	17,03
Удельный расход топлива на номинальном режиме, г/кВт*ч	ge	218	234

1.11. Построение индикаторной диаграммы

Индикаторную диаграмму строят в координатах P – V (давление – объём)

Масштабы диаграммы:

Масштаб хода поршня-M_s =1 мм в мм.;

Масштаб давлений-M_p = 1 МПа в мм.;

S_c = S/(ξ-1) = 110/18=6.11

S_a = S + S_c = 110+6.11 = 116.11

S_z = S_c * ρ = 6.11*1.25 = 7.64

p_a = 0.92 МПа

p_z = 10.392 МПа

n₁ = 1.37

n₂ = 1.26

давление сжатия определяем по формуле:

давление расширения:

Таблица 2.

значение хода (S), мм	давление сжатия (), МПа	давление расширения ()
15	1,52	4,44
30	0,59	1,85
45	0,34	1,11
60	0,23	0,77
75	0,17	0,58
90	0,13	0,46
105	0,11	0,38

Соединив характерные точки диаграммы, получаем расчётную индикаторную диаграмму.

Скругление индикаторной диаграммы:

Пользуясь методом Брикса, находим на диаграмме положение поршня в момент начала впрыска (принятый угол опережения впрыска 10⁰). Найденная точка с₁ будет соответствовать началу видимого процесса сгорания, от которой необходимо начинать скругление к вертикальной оси. Далее необходимо округлить углы в точках z и z₁ расчётной диаграммы.

2. Динамический расчёт

2.1. Исходные данные

В целях уменьшения высоты двигателя с учетом размера прототипа принимаем λ = 0,3 в соответствии с этим L_ш = R/λ = 55/0.3 = 185 мм.

Поправка Брикса

Угловая скорость вращения коленчатого вала.

масса деталей поршневой группы, кг:

масса шатуна, кг:

масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов (для стального кованого вала m′к = 350 кг/м²).

масса шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца.

Масса шатуна, сосредоточенная на оси кривошипа:

Массы, совершающие возвратно-поступательные движения:

 

Массы, совершающие вращательное движение:

2.2. Силы давления газов на поршень

Индикаторная диаграмма полученная в тепловом расчете, развертывается по углу поворота кривошипа по методу Брикса.

Масштабы развернутой диаграммы:

хода поршня M_s=1 мм в мм;

давлений M_p=0.1МПа в мм; Сил Mp=M_p·F_п=0.1·0.095=0.9 кН в мм, угла поворота кривошипа M_φ=3° в мм.

M′φ=4π/OB=4·3.14/240=0.0523 рад. в мм.

Где OB- длинна развернутой индикаторной диаграммы, мм.

Поправка Брикса:

Rλ/(2Ms)=55·0.3/2·1=8,25мм.

По развернутой индикаторной диаграмме через каждые 30° угла поворота кривошипа определяют значения Δp_r=p_r-p_o и заносят в таблицу 3.

2.3. Силы инерции

Силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс:

Значение Pj заносят в таблицу 3.

Центробежная сила инерции вращающих масс шатуна одного цилиндра:

Центробежная сила инерции вращающихся масс кривошипа:

Центробежная сила инерции вращающихся масс, действующих на кривошип:

2.4. Суммарная сила

Удельная суммарная сила сосредоточена на оси поршневого пальца:

Следующие удельные силы находятся аналитическим путём:

Боковая сила:

Сила, действующая по оси шатуна:

Сила, действующая по радиусу кривошипа:

Тангенциальная сила:

Графики изменения удельных сил в зависимости от φ представлены