Реферат

Титульный лист

РЕФЕРАТ

Расчетно-пояснительная записка выполнена на 24 страницах, в том числе 2 таблиц, 6 литературных источников.

Ключевые слова: бензиновый двигатель, автомобиль, тепловой расчет, индикаторная диаграмма, тепловой баланс двигателя, скоростная характеристика.

В курсовой работе выбраны основные конструктивные параметры бензинового двигателя для автомобиля Москвич-412. Путем теплового расчета определены параметры рабочего цикла, показатели топливной экономичности и удельные показатели и построена индикаторная диаграмма, определены составляющие теплового баланса. Рассчитана и построена теоретическая скоростная характеристика двигателя.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ        4

1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЯ        5

1.1 Выбор отношения радиуса кривошипа к длине шатуна        5

1.2 Выбор размеров и числа цилиндров        5

1.3 Выбор камеры сгорания, коэффициента избытка воздуха и степени сжатия        6

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДВИГАТЕЛЯ        7

2.1 Расчет индикаторных параметров четырехтактного двигателя        7

2.2 Построение и анализ индикаторной диаграммы        10

2.3 Определение основных размеров двигателя, показателей топливной экономичности и КПД        12

3 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ        15

4 ПОСТРОЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ СКОРОСТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ        17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ        19

ЛИТЕРАТУРА        20

ПРИЛОЖЕНИЕ        21

ВВЕДЕНИЕ

Современные поршневые двигатели внутреннего сгорания достигли высокой степени совершенства, продолжая тенденцию непрерывного роста удельных (литровой и поршневой) мощностей, снижения удельной материалоемкости, токсичности отработанных газов, снижения удельных расходов топлива и масел, повышения надежности и долговечности.

Анализ тенденций развития конструкций тракторов и автомобилей показывает большую перспективность применения поршневых двигателей в ближайшие 15…20 лет.

Важным элементом подготовки инженеров данного направления является выполнение курсовой работы.

Цель курсовой работы состоит в овладении методикой и навыками самостоятельного решения по проектированию и расчету автотракторных двигателей внутреннего сгорания на основе приобретенных знаний при изучении курса.

1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЯ

К основным параметрам двигателя относятся параметры, определяющие его габариты, предварительные удельные показатели и некоторые показатели рабочего процесса.

1.1 Выбор отношения радиуса кривошипа к длине шатуна

Для двигателя легкового автомобиля, у которого нет ограничений габаритных размеров по ширине и сравнительно низкая частота вращения коленчатого вала принимаем короткий шатун, у которого значение
λ = R/l высокое (принимаем λ = 0,28). Здесь R – радиус кривошипа, l – длина
шатуна.

1.2 Выбор размеров и числа цилиндров

Используя зависимость диаметра цилиндра от частоты вращения (D =
= f(nн)) для существующих моделей двигателей (рис. 1.1 [4]) выбираем как для карбюраторных двигателей легковых автомобилей D = 82 мм.

По отношению S/D = 0,854 как у двигателя УЗАМ-412 определяем ход поршня:

мм,

и ориентировочно – среднюю скорость поршня:

м/с.

Для определения числа цилиндров необходимо предварительно выбрать значение литровой мощности Nел по графикам (рис. 1.2 [4]). Для автомобильных двигателей при выбранном D = 82 мм выбираем по средней части диапазона Nел = 33 л. с./л = 24,3 кВт/л.

Определяем цилиндровую мощность

кВт,

где Vh – рабочий объем цилиндра, л; D и S – в дм.

При заданной эффективной мощности двигателя Nе. н = 53 кВт (72 л. с.) требуемое число цилиндров

i = Nе. н/Nц = 53/9,0 = 5,91.

Полученное значение i округляем до ближайшего целого числа i = 6.

После определения числа цилиндров уточняем значение литровой мощности по формуле:

кВт/л.

1.3 Выбор камеры сгорания, коэффициента избытка воздуха
и степени сжатия

Для заданного автомобильного двигателя выбираем плоскую камеру
сгорания.

Коэффициент избытка воздуха α для бензиновых двигателей принимаем α = 0,91, а степень сжатия ε = 8,5.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДВИГАТЕЛЯ

2.1 Расчет индикаторных параметров четырехтактного двигателя

Параметры окружающей среды и остаточных газов

Атмосферные условия, необходимые для последующих расчетов принимаем следующие: p0 = 0,1 МПа; Т0 = 293 К.

Давление остаточных газов принимаем pr = 1,15∙р0 = 0,115 МПа, температуру остаточных газов принимаем Tr = 1050 K.

Параметры рабочего тела

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:

кг/кг топлива,

где C, H и O – весовая доля соответствующих компонентов. Для автомобильного бензина принимаем (C = 0,857; H = 0,133; O = 0);

или

кмоль/кг топлива,

где μB – масса 1 кмоля воздуха (μB = 28,96 кг/кмоль).

Количество свежего заряда

М1 = αL0 = 0,96⋅0,516 = 0,505 кмоль/кг топлива.

Помимо поступившего воздуха в цилиндре находятся остаточные газы, количество которых

Мr = γrαL0 = 0,050⋅0,96⋅0,516 = 0,025 кмоль/кг топлива,

где γr – коэффициент остаточных газов, который определяем по формуле:

.

Общее количество газов, находящихся в цилиндре в конце сжатия

Мс = αL0(1 + γr) = 0,96∙0,516∙(1 + 0,050) = 0,521 кмоль/кг топлива.

Общее количество продуктов сгорания

М2 = αL0 + H/4 + О/32 = 0,96⋅0,516 + 0,145/4 + 0/32 = 0,532 кмоль/кг топлива.

С учетом остаточных газов количество газов, находящихся в цилиндре в конце сгорания:

Мz = М2 + Мr = 0,532 + 0,025 = 0,557 кмоль/кг топлива.

Химический коэффициент молекулярного изменения горючей смеси

β0 = Mz/Mc = 0,557/0,521 = 1,070.

Определение параметров рабочего цикла

Давление pa и температура Ta в конце процесса впуска

pa = p0 – pa = 0,1 – 0,015 = 0,085 МПа,

где pa – величина потери давления на впуске, МПа.

МПа,

где β – коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра; ξвп – коэффициент сопротивления впускной системы (принимаем для бензиновых двигателей (β 2 + ξвп) = 2,8); ωвп – средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы (принимаем ωвп =
= 95 м/с); с0 – плотность заряда на впуске с0 = p0⋅106/(RвT0) = 1,19 кг/м3.

Действительный коэффициент остаточных газов

,

где ΔT – подогрев свежего заряда (принимаем ΔT = 8 К).

Температура в конце впуска

К.

Коэффициент наполнения

.

Давление pc и температура Тс в конце процесса сжатия

МПа;

К,

где n1 – показатель политропы сжатия, который принимаем n1 = 1,38.

Давление рz и температура Tz в конце сгорания (расчет процесса
сгорания).

Давление pz в конце сгорания

МПа,

Температура Tz определяется из уравнения

,

где – средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания жидкого топлива; mCv – средняя мольная теплоёмкость свежего заряда при постоянном объеме; ξТ – коэффициент использования теплоты (для карбюраторных двигателей ξТ = 0,85...0,95); Hu – низшая теплота сгорания: для бензина Hu = 43900 кДж/кг; ДHu – количество теплоты, потерянное вследствие неполноты сгорания топлива.

кДж/кг.

= 20,16 + 1,738⋅10-3Tc = 20,16 + 1,738∙10-3∙765,8 = 21,5 кДж/кмоль⋅град.

= (18,42 + 2,61α) + (15,4 + 13,83α)⋅10-4Tz кДж/кмоль⋅град;

Подставляя в уравнение сгорания значения средних мольных теплоемкостей, после преобразований получим квадратное уравнение:

,

откуда

К.

Давление pb и температура Тb в конце расширения.

Давление в конце расширения:

МПа,

где n2 – показатель политропы расширения (принимаем n2 = 1,25).

Температура в конце расширения

К.

После определения параметров в конце расширения выполняем оценку правильности выбора значения температуры отработавших газов, сделанной в начале теплового расчета, по формуле:

К.

Расхождение составляет:

,

что не превышает допустимых 5%. Поэтому принимаем, что тепловой расчет выполнен правильно.

2.2 Построение и анализ индикаторной диаграммы

Теоретическую индикаторную диаграмму строим в координатах p – V. Порядок ее построения следующий.

На оси абсцисс (лист 1 графической части) откладываем отрезок, длиной 10 мм, изображающий в каком-либо масштабе объем камеры сгорания Vc, этот отрезок принимаем за единицу. Дальше откладываем на оси абсцисс в принятом масштабе объемы

Vz = Vc = 10 мм;

Va = εVc = 8,5⋅10 = 85 мм;

Vh = Va – Vc = 85 – 10 = 75 мм.

Выбрав на оси ординат масштаб давлений μр = 0,044 МПа/мм, откладываем точки: p0, pк, pa, pc, pz, pb, pr; давление , первое из них соответствует точке Vc на оси абсцисс, второе – точке Vz.

Через точки и pz, pa, p0, pк, pr проводим прямые, параллельные оси абсцисс. Точки а и с соединяем политропой сжатия, а точки z и b – политропой расширения. Промежуточные значения этих кривых определяются из условия, что каждому значению Vx на оси абсцисс соответствуют следующие значения давлений

– для политропы сжатия;

– для политропы расширения.

Входящие в эти уравнения отношения объемов Va/Vx = Vb/Vx определяем по соотношению соответствующих отрезков на оси абсцисс. Приводим примеры расчетов для двух значений отношений отрезков

- для политропы сжатия:

МПа;

МПа;

- для политропы расширения:

МПа;

МПа.

Результаты расчета политроп сжатия и расширения заносим в таблицу 1.

Таблица 1. Данные для построения индикаторной диаграммы

Сжатие	Расширение
Va/Vx	px	Vb/Vx	px
1	0,085	1	0,437
2	0,221	2	1,039
3	0,387	3	1,725
4	0,576	4	2,471
5	0,783	5	3,266
6	1,007	6	4,102
7	1,246	7	4,974
8,5	1,629	8,5	6,341

По построенной индикаторной диаграмме определяем среднее теоретическое индикаторное давление

МПа,

где F – площадь индикаторной диаграммы, определенная планиметрированием (F = 1722 мм2); l – длина индикаторной диаграммы (l = Vh = 75 мм), мм; μp – принятый масштаб давлений (1мм = 0,044 МПа), определяется по оси ординат.

Построенная индикаторная диаграмма представлена приложении А.

Для проверки величину среднего теоретического индикаторного давления подсчитываем аналитическим путем по формуле:

МПа.

Точность построения индикаторной диаграммы оцениваем с помощью коэффициента погрешности:

.

Коэффициент δп не превышает допустимые 3…4%. Следовательно индикаторная диаграмма построена верно.

Действительное среднее индикаторное давление

МПа,

где ν – коэффициент полноты индикаторной диаграммы (принимаем ν = 0,96).

2.3 Определение основных размеров двигателя,
показателей топливной экономичности и КПД

В этом разделе уточняются значения, принятые предварительно в главе 1.

Среднее эффективное давление

МПа,

где ηm – механический КПД двигателя, который для бензиновых двигателей принимаем ηm = 0,8.

Рабочий объем цилиндров (литраж) проектируемого двигателя в литрах

л,

где τ – коэффициент тактности (для четырехтактных двигателей τ = 2).

Рабочий объем одного цилиндра Vh = Vл/i = 1,434/4 = 0,358 л.

Диаметр цилиндра

мм.

Диаметр цилиндра бензинового двигателя округляем до четного числа и принимаем D = 82 мм.

По заданному соотношению S/D определяем ход поршня S = D∙(S/D) =
= 82∙0,854 = 70,0 мм и радиус кривошипа R, мм (R = 0,5S = 0,5∙70 = 35,0 мм = 0,035 м).

Действительный рабочий объем цилиндра:

л;

действительный литраж двигателя:

л.

Определяем индикаторный КПД двигателя

.

Эффективный КПД двигателя

.

Индикаторный gi и эффективный ge удельные расходы топлива при работе двигателя на номинальном режиме определим по формулам:

г/кВт⋅ч;

г/кВт⋅ч.

Для оценки проектируемого двигателя и сравнения его с прототипом определяем следующие показатели:

– удельная литровая мощность кВт/л;

– удельная поршневая мощность кВт/дм2,

где дм2 – площадь днища поршня;

– средняя скорость поршня м/с,

3 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ

Общее количество теплоты, введенное в двигатель:

Дж/с.

Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1с:

Дж/с.

Теплота, передаваемая ожлаждающей среде:

где с = 0,45…0,53 – коэффициент пропорциональности для четырехтактных двигателей. В расчете принято с = 0,5; m = 0,65 – показатель степени для четырехтактных двигателей.

Теплота, унесенная с отработавшими газами:

где tr = Tr – 273 = 1050 – 273 = 777°C; t0 = T0 – 273 = 293 – 273 = 20°C; =
= 25,3 кДж/(кмоль·град) – теплоемкость отработавших газов (определена по табл. 3.8 [1]).

Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива:

Дж/с.

Неучтенные потери теплоты:

Определим удельные составляющие теплового баланса:

;

;

.

Проверка:

.

Диаграмму теплового баланса приводим в приложении Б.

4 ПОСТРОЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ СКОРОСТНОЙ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ

Теоретическая внешняя скоростная характеристика (Mк, Ne, GТ, ge) = f(n) строится только для двигателей с искровым зажиганием.

Выбираются масштабы для построения графика. Масштаб по оси абцисс графика (масштаб частоты вращения) выбираем ориентируясь на значения nн, nmin и nMд max.

Номинальная частота вращения двигателя пн = 5500 мин-1 по заданию, частота n0 = 0,2пн = 0,2⋅5500 = 1100 мин-1. Частота вращения nМkmах определим по зависимости:

nМк. mах = 0,5nн = 0,5⋅5500 = 2750 мин-1.

Промежуточные значения частот вращения n1, n2…ni выбираем произвольно – равномерно в диапазоне частот от nн до nMк. max, а результаты заносим в табл. 5

Промежуточные точки значений мощности бензинового двигателя находим из выражения, задаваясь значениями ni (cм. таблицу 5):

, кВт.

Значения крутящего момента Mкi подсчитываем по зависимости:

Mкi=9550Nei/ni, Hм.

Удельный эффективный расход топлива бензинового двигателя подсчитываем по зависимости:

г/(кВт·ч),

где: – удельный эффективный расход топлива при номинальной мощности. По расчетам = 291,3 г/кВт·ч.

Часовой расход топлива определим по формуле:

Приведем примеры расчетов для ni = 4950 мин-1:

кВт;

Н∙м;

г/(кВт∙ч);

кг/ч.

Результаты расчета сводим в таблицу 2.

Таблица 2. Данные для построения скоростной характеристики

n, мин-1	Ne, кВт	Мк, Нм	Gт, кг/ч	ge, г/кВт ч
5500	53	92,0	15,4	291,3
4950	52,0	100,3	14,4	276,2
4400	49,2	106,8	13,1	265,7
3850	44,9	111,4	11,7	259,9
3300	39,4	114,1	10,2	258,7
2750	33,1	115,0	8,7	262,2
2200	26,3	114,1	7,1	270,4
1650	19,2	111,4	5,4	283,2
1100	12,3	106,8	3,7	300,7

Строим внешнюю скоростную характеристику двигателя, котороую представляем в приложении В.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения курсовой работы были обоснованы основные конструктивные параметры бензинового двигателя для автомобиля Москвич-412.

Для оценки параметров рабочего процесса в цилиндрах двигателя выполнен тепловой расчет, в результате которого определены давления и температуры в характерных точках индикаторной диаграммы, определены показатели, характеризующие основные процессы рабочего цикла двигателя.

Аналитическим методом построена индикаторная диаграмма двигателя и определены мощностно-экономические показатели двигателя, а также удельные показатели двигателя. Так же были определены составляющие теплового баланса и построена теоретическая внешняя скоростная характеристика двигателя.

ЛИТЕРАТУРА

1. Колчин автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. пособие для вузов/, . – 4-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2008. – 496 с.: ил.

2. Николаенко , конструкция и расчет автотракторных двигателей. – М.: Колос, 1984.

3. , и др. Расчет и конструирование автомобильных и тракторных двигателей. – М.: Вышэйшая школа, 1987.

4. , и др. Автомобильные двигатели. – М.: Маштностроение, 1977.

5. Тракторные дизели: Справочник. Под общей редакцией . – М.: Машиностроение, 1981.

6. Тепловой и динамический расчет двигателя. Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Основы теории и динамики автомобильных и тракторных двигателей», Мн.: БГПА, 1994.

ПРИЛОЖЕНИЕ