Расчет и проектирование двигателя мощностью 105кВт, с частотой вращения 3100 мин-1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Расчет и проектирование двигателя мощностью 105кВт, с частотой вращения 3100 мин^-1

Введение

Двигатели внутреннего сгорания являются наиболее распространенными двигателями, вырабатывающими механическую энергию, необходимую для привода в действие различных видов транспортных средств и других механизмов.

В настоящее время для двигателей, устанавливаемых на легковые и грузовые автомобили, существуют следующие основные тенденции оптимизации конструкции и показателей направленных на:

- снижение потребления горюче-смазочных материалов;

- увеличение моторесурса;

- удобство эксплуатации, простоту и удобство технического обслуживания;

- снижение себестоимости двигателя;

- снижение выброса вредных веществ;

- снижение уровня шума;

- быструю приспособляемость к работе на переменных режимах в зависимости от условий эксплуатации;

- улучшение технико-экономических показателей систем обслуживающих двигатель;

- оптимизация массогабаритных показателей двигателя путем увеличения удельных мощностей и применения материалопоглощающих технологий

С учетом вышесказанного был спроектирован двигатель 83/83 мощностью 105кВт, с частотой вращения 3100 мин^-1 для применения в автомобильном транспорте.

1. Тепловой расчет дизеля с наддувом

1.1 Исходные данные

Номинальная эффективная мощность

Ne = 105 КВт

Номинальная частота вращения

n = 3100 мин^-1

Степень сжатия

о = 6,9

Коэффициент избытка воздуха

б = 0,95

1.2 Параметры топлива

Элементарный состав топлива принимается равным:

Массовая доля углерода

C = 0,855

Массовая доля водорода

H = 0,145

Массовая доля кислорода

O = 0,004

Низшая теплота сгорания топлива по формуле Д.И. Менделеева

Hu = (33,91? C+103,01 ? H - 10,89*O) ? (10³) = (33,91 ? 0,95+103,01 ? 0,145 -10,89 ? 0,004) ? (10³) =43929,5 КДж / Кг

1.3 Параметры рабочего тела

Теоретически необходимое объемное количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

L₀ = 1/0,208 ? (C/12+H/4 - O/32) =1/0,208 ? (0,95/12+0,145/4 - 0,004/32) = 0,52 Кмоль_{воздуха}/Кг_{топлива}

Теоретически необходимое массовое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

l₀ = 1/0,23 ? (8/3*C + 8? H - O) = 1/0,23 ? (8/3*0,95 + 8 ? 0,145 - 0,004) = 14,95 Кг_{Воздуха}/Кг_{Топлива}

Количество свежего заряда

М₁ = б ? L₀ = 1,7 ? 0,499 =0,50 Кмоль / Кг

Общее количество продуктов сгорания

М₂ = C/12 + H/2+ (б - 0,208) ?L₀ = 0,87/12 + 0,126/2+ (1,9 - 0,208) ? 0,499 = 0,53 Кмоль / Кг

1.4 Параметры окружающей среды и остаточных газов

Давление окружающей среды

P₀ = 0,1 МПа

Температура окружающей среды

T₀ = 293 К

Температура остаточных газов

T_r = 1000 К

Давление остаточных газов

P_r = 0,12 МПа

1.5 Расчет параметров процесса впуска

Температура подогрева свежего заряда

Дt = 15°С

Плотность свежего заряда перед впускными органами двигателя

с = (P_о? (10⁶))/(287 ? T_о) = (0,1 ? (10⁶))/(287 ? 293) =1,189 Кг/м³

Коэффициент газодинамических потерь во впускной системе двигателя

K₁ = 2,7

Скорость движения заряда во впускной системе

Щ_а = 90 м/с

Потери давления во впускной системе двигателя

ДP_a = K₁ ? (Щ_а ²) ? (с /2) ? 10^-6 = 2,7 ? (90 ²) ? (1,189 /2) ? 10^-6 = 0,013 МПа

Давление в цилиндре в конце процесса впуска

P_a = P_о - ДP_a = 0,1 - 0,013 = 0,087 МПа

Коэффициент остаточных газов

г_r = (T_о + Дt)/ T_r ? P_r /(о* P_a - P_r) =(293 + 5)/ 1000 ? (0,12 /(16,4 ? 0,087 - 0,12) = 0,027

Температура заряда в конце процесса впуска

T_a = (T_о + Дt + г_r ? T_r)/(1+ г_r) = (293 + 5 + 0,027 ? 1000)/(1+ 0,027) = 357,45 К

Коэффициент наполнения

з_v = (T_о ? (о* P_a - P_r))/((T_о + Дt) ? (о - 1) ? p_о = (293 (16,4 - 0,12)) / (293 + 5) (16,4 - 1) = 0,77

1.6 Расчет параметров процесса сжатия

Показатель политропы сжатия

n₁ = 1,36

Давление в конце процесса сжатия

P_c = P_a ? о ⁿ¹ = 0,087 ? 16,4^1,36 = 1,20 МПа

Температура в конце процесса сжатия

T_c = T_а ? о ^{n1 - 1} = 716 К

1.7 Расчет параметров процесса сгорания

Теоретический коэффициент молекулярного изменения

в₀ = М₂ / М₁ = 1,07

Действительный коэффициент молекулярного изменения

в = (в₀ + г_r) / (1 + г_r) = 1,06

Теплота сгорания рабочей смеси

H_р.с. = (H_u)/(M₁ ? (1 + г_r) = 75872,88 КДж/моль

Мольная теплоёмкость свежего заряда

мCv' = 20,16 +1,74 ? (10^-3) ? T_c = 21,41 КДж / Кмоль ? град

Коэффициент использования теплоты

ж = 0,95

Степень повышения давления

л = 4,21

Коэффициент А

A = в ? (15,5+13,8 / б) ? (10^-4) = 0,003036

Коэффициент В

B = (18,42+2,6 ? (18,42+2,6 ? б) ? в ?10^-4 =22,17

Коэффициент С

C = о_z ? H_u + мCv'' ? T_c = 87416,49

Температура в конце процесса сгорания

T_z = (-B+КОРЕНЬ(B²+4 ?A ? C))/(2 ? A) = 2839,26 К

Мольная изохорная теплоемкость продуктов сгорания

мCv'' = (18,42+2,6* б) 10^-4) ?Т_я=5,93

Максимальное давление сгорания

P_z = P_c л = 5,06 МПа

1.8 Процесс расширения

Средний показатель политропы расширения

n₂ = 1,26

Давление в конце процесса расширения

P_b = P_z / оⁿ² = 0,44 МПа

Температура в конце процесса расширения

T_b = T_z / о^{n2 -1} = 1718,32 К

1.9 Индикаторные показатели рабочего цикла

Теоретическое среднее индикаторное давление

Pmi = (P_c/(о -1))?((л (с -1)) + (с л / (n₂ - 1))?(1-1/(д ^{n2 - 1}))) - 1/(n₁ -1)?(1-1/(о ^{n1 -1}))) = 1,018 Мпа

Коэффициент скругления индикаторной диаграммы

ц = 0,96

Среднее индикаторное давление цикла

Pmi ^' = Pmi ц = 0,978 МПа

Индикаторный КПД

з_i = Pmi ? б ? L_o ? 1000/(H_u ? с ? з_v) = 0,343

Удельный индикаторный расход топлива

gi = 3,6 ?1000000/(H_u ? з_i) = 238,65 г./КВт ? ч

1.10 Эффективные показатели двигатели

Механический КПД двигателя (задаемся)

з _m = 0,85

Среднее эффективное давление

P me = Pmi ? з _m = 0,83 МПа

Эффективный КПД

зe = з_i ? з_m = 0,291

Удельный эффективный расход топлива

g_e = g_i ? з_m = 280,775 г./КВт*ч

1.11 Определение основных размеров цилиндра

Число цилиндров 8

Рабочий объем цилиндра

Vh = 120 ? P_e / P me ? i ? n = 0,611 л

Отношение хода поршня к диаметру цилиндра

S/D = 1

Диаметр цилиндра

D = 90 ? ((4 ? Vh /ПИ()? S/D)^1/3) = 82,792 мм

Ход поршня

S = D ? S/D = 82,792 мм

Округленные значения:

Округленный диаметр цилиндра

D = 83 мм

Округленный ход поршня

S = 83 мм

Рабочий объем цилиндра (по округленным значениям)

Vh = ПИ() ? (D²) ? S/4000000 = 0,44 л

Эффективная мощность

Ne = P me ? i ? Vh ? n /120 =105 кВт

Расхождение полученной мощности с заданной в задании на курсовой проект не более 1%, что является очень хорошим результатом.

Построение индикаторной диаграммы

Масштаб диаграммы выбран такой, чтобы отношение высоты диаграммы к ее ширине было близким к 1,5. Для этого по оси абсцисс от нуля отложен отрезок равный:

Sc = S / (е-1) = 83 / 16,4-1 = 5,39 мм

Через полученную точку на оси абсцисс проведена вертикальная линия - ВМТ. От нее отложен ход поршня S и через эту точку проведена линию НМТ.

На линии ВМТ отложена в масштабе давления р_r, р_с, р_z, а на линии НМТ - давления р_а, р_в. Линию впуска получена, соединив эти точки на высоте р_а, скруглив линию вверху вблизи точки r.

Через точку р_о на оси ординат проведена линия атмосферного давления параллельно горизонтальной оси.

Линию сжатия (политропу сжатия) а - с получить, соединяя эти точки через промежуточные точки, полученные по формуле:

для политропы сжатия:

,

Таблица 1. Построение политропы сжатия

Ход поршня, мм	Давление, МПа
14,03	1,19
19,03	0,79
24,03	0,57
29,03	0,44
44,03	0,25
59,03	0,17
74,03	0,12
82,79	0,11

для политропы расширения:

,

где S_х - текущее значение хода поршня (S_х1= S_с, S_х2= S_с+5 мм, S_х3= S_с+10 мм, S_х4= S_с+15 мм, и далее с шагом 15 мм до S_хn= S_с+S).

р_х - давление, соответствующее этому ходу поршня.

Таблица 2. Построение политропы расширения

Ход поршня, мм	Давление, МПа
14,03	5,02
19,03	5,42
24,03	2,55
29,03	2,01
44,03	1,19
59,03	0,82
74,03	0,62
82,79	0,54

Полученные линии политроп скругляются в районах точек b, c, z.

Определяется поправка Брикса:

ОО¹ = R/2,

ОО¹= 0,28 ? 83 / 4 = 5,81 мм

где = R/L; R = S/2; L - длина шатуна (определяется по двигателю-прототипу).

Из вновь полученного центра О¹ транспортиром откладываются углы от 0 до 180⁰ через 10⁰, и из центра О¹ проводятся линии до пересечения с полукругом. Возле каждого пересечения линий с полукругом проставляются четыре значения углов поворота коленчатого вала. Круг Брикса учитывает непропорциональность хода поршня и угла поворота коленчатого вала.

Рис. 1. Индикаторная диаграмма

2. Динамический расчет

2.1 Расчет сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме

дизель наддув шатунный кривошипный

Силы, действующие от поршня к оси коленчатого вала:

P_j = - m_A²R (сos+ сos2), Н,

где R - радиус кривошипа, м;

=n/30 - угловая скорость коленвала, с^-1;

n - частота вращения коленвала, мин^-1;

m_A - масса деталей, движущихся возвратно-поступательно, отнесенная к поршню, кг.

m_A = m_n+(0,275) m_ш, = 2,9 кг

где m_n - масса поршневого комплекта, кг; m_ш - масса шатуна, кг

Вдоль оси цилиндра на поршень действуют две силы:

Р_г - сила давления газов, равная Р_г = (p_i - p₀)D²/4, где p_i - текущее значение давления газов в цилиндре, определяемое с использованием диаграммы Брикса, и p₀ - атмосферное давление. Суммарную силу Р, действующую на поршень, определяют алгебраическим сложением силы давления газов и силы инерции:

Р = Р_г + Р_j, H

Построение сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме

Суммарная сила Р раскладывается на соответствующие: нормальную N, направленную перпендикулярно оси цилиндра и силу Р_ш, действующую вдоль шатуна:

Р_N = P tg, H;

Р_ш = P /Cos, H,

где - угол между осью цилиндра и шатуном, определяется по соотношению = arcsin ( sin).

Сила Р_ш действует вдоль оси шатуна и передается на шатунную шейку. Эта сила может быть перенесена на линию действия в центр шатунной шейки и разложена на соответствующие: радиальную Z, направленную по радиусу кривошипа, и тангенциальную силу Т, действующую по касательной к окружности радиуса кривошипа:

Сила Z считается положительной, если она направлена к оси коленчатого вала, сила Т считается положительной, если создаваемый ей момент совпадает с направлением вращения коленчатого вала двигателя.

2.2 Диаграммы крутящего момента двигателя

Кривая изменения тангенциальной силы Т в зависимости от угла ц в определенном масштабе является кривой изменения крутящего момента одного цилиндра. Диаграмма крутящего момента строится под индикаторной диаграммой в нижней левой части листа (рис. 2).

Индикаторный крутящий момент определяется по формуле:

М _i=RT, Hм,

где Т - тангенциальная сила, Н;

R - радиус кривошипа, м.

Таблица 3. Расчет крутящего момента

Угол поворота	Угол отклонения	Давление относ	Давление абсол.	Сила давления Н	Функция 1	Сила инерции Н	Суммарная сила Н	Функция 2	Тангенциальная сила Н	Момент Нм
б	в	pi	p	P	cosб+ лcos	Pj	PУ	cos(в)	T	M
0	0,0	0,10	0,00	0,0	1,3	-16232,4	16232,4	0,00	0,0	0,0
10	2,8	0,08	-0,02	-108,2	1,2	-15825,7	15717,5	0,22	3482,6	144,5
20	5,5	0,06	-0,04	-216,4	1,2	-14637,1	14420,7	0,43	6235,5	258,8
30	8,0	0,06	-0,04	-216,4	1,0	-12758,4	12542,0	0,62	7806,4	324,0
40	10,4	0,06	-0,04	-216,4	0,8	-10331,9	10115,5	0,78	7919,6	328,7
50	12,4	0,06	-0,04	-216,4	0,6	-7535,9	7319,4	0,91	6640,0	275,6
60	14,0	0,06	-0,04	-216,4	0,4	-4566,5	4350,1	0,99	4310,8	178,9
70	15,3	0,06	-0,04	-216,4	0,1	-1618,5	1402,1	1,03	1448,3	60,1
80	16,0	0,06	-0,04	-216,4	-0,1	1133,3	-1349,7	1,03	-1396,4	-58,0
90	16,3	0,06	-0,04	-216,4	-0,3	3549,6	-3766,0	1,00	-3766,1	-156,3
100	16,0	0,06	-0,04	-216,4	-0,4	5537,8	-5754,2	0,94	-5380,4	-223,3
110	15,3	0,06	-0,04	-216,4	-0,6	7056,6	-7273,0	0,85	-6156,5	-255,5
120	14,0	0,06	-0,04	-216,4	-0,6	8115,6	-8332,0	0,74	-6175,1	-256,3
130	12,4	0,06	-0,04	-216,4	-0,7	8767,8	-8984,2	0,62	-5615,0	-233,0
140	10,4	0,06	-0,04	-216,4	-0,7	9097,9	-9314,3	0,50	-4682,6	-194,3
150	8,1	0,06	-0,04	-216,4	-0,7	9207,1	-9423,5	0,38	-3559,0	-147,7
16	5,5	0,06	-0,04	-216,4	-0,7	9196,7	-9413,1	0,25	-2369,7	-98,3
170	2,8	0,06	-0,04	-216,4	-0,7	9152,3	-9368,7	0,13	-1179,0	-48,9
180	0,0	0,06	-0,04	-216,4	-0,7	9130,7	-9347,2	0,00	-1,3	-0,1
190	-2,8	0,08	-0,02	-108,2	-0,7	9152,2	-9260,4	-0,13	1162,7	48,3
200	-5,5	0,80	0,70	3787,2	-0,7	9196,6	-5409,4	-0,25	1360,2	56,4
210	-8,0	0,10	0,00	0,0	-0,7	9207,2	-9207,2	-0,38	3474,6	144,2
220	-10,4	0,12	0,02	108,2	-0,7	9098,3	-8990,1	-0,50	4517,1	187,5
230	-12,4	0,14	0,04	216,4	-0,7	8768,8	-8552,4	-0,62	5342,8	221,7
240	-14,0	0,15	0,05	270,5	-0,6	8117,5	-7846,9	-0,74	5813,7	241,3
250	-15,3	0,30	0,20	1082,1	-0,6	7059,4	-5977,4	-0,85	5058,4	209,9
260	-16,0	0,60	0,50	2705,1	-0,4	5541,6	-2836,5	-0,93	2651,8	110,0
270	-16,3	0,80	0,70	3787,2	-0,3	3554,5	232,7	-1,00	-232,7	-9,7
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
280	-16,0	1,00	0,90	4869,2	-0,1	1139,0	3730,2	-1,03	-3859,2	-160,2
290	-15,3	1,20	1,10	5951,3	0,1	-1612,1	7563,4	-1,03	-7813,1	-324,2
300	-14,0	1,40	1,30	7033,4	0,4	-4559,9	11593,2	-0,99	-11490,2	-476,8
310	-12,4	1,80	1,70	9197,5	0,6	-7529,4	16726,9	-0,91	-15177,9	-629,9
320	-10,4	2,30	2,20	11902,6	0,8	-10326,1	22228,7	-0,78	-17410,0	-722,5
330	-8,1	3,10	3,00	16230,8	1,0	-12753,6	28984,4	-0,62	-18051,5	-749,1
340	-5,5	3,90	3,80	20559,0	1,2	-14633,7	35192,7	-0,43	-15232,7	-632,2
350	-2,8	4,50	4,40	23805,2	1,2	-15823,9	39629,1	-0,22	-8799,4	-365,2
360	0,0	5,10	5,00	27051,4	1,3	-16232,4	43283,8	0,00	-20,9	-0,9
370	2,8	7,90	7,80	42200,2	1,2	-15827,5	58027,6	0,22	12830,2	532,5
380	5,5	6,00	5,90	31920,6	1,2	-14640,5	46561,1	0,43	20112,8	834,7
390	8,0	5,30	5,20	28133,4	1,0	-12763,2	40896,6	0,62	25439,2	1055,7
400	10,4	3,60	3,50	18936,0	0,8	-10337,7	29273,7	0,78	22909,8	950,8
410	12,4	2,70	2,60	14066,7	0,6	-7542,3	21609,0	0,91	19598,2	813,3
420	14,0	2,00	1,90	10279,5	0,4	-4573,1	14852,6	0,99	14716,6	610,7
430	15,3	1,70	1,60	8656,4	0,1	-1624,8	10281,3	1,03	10619,7	440,7
440	16,0	1,30	1,20	6492,3	-0,1	1127,5	5364,8	1,03	5550,8	230,4
450	16,3	1,10	1,00	5410,3	-0,3	3544,7	1865,5	1,00	1865,8	77,4
460	16,0	1,00	0,90	4869,2	-0,4	5533,9	-664,6	0,94	-621,6	-25,8
470	15,3	0,80	0,70	3787,2	-0,6	7053,8	-3266,6	0,85	-2765,8	-114,8
480	14,0	0,70	0,60	3246,2	-0,6	8113,7	-4867,6	0,74	-3608,7	-149,8
490	12,4	0,70	0,60	3246,2	-0,7	8766,7	-5520,6	0,63	-3451,8	-143,2
500	10,4	0,70	0,60	3246,2	-0,7	9097,4	-5851,3	0,50	-2943,3	-122,1
510	8,1	0,70	0,60	3246,2	-0,7	9207,0	-5960,9	0,38	-2253,0	-93,5
520	5,5	0,70	0,60	3246,2	-0,7	9196,8	-5950,6	0,25	-1499,7	-62,2
530	2,8	0,70	0,60	3246,2	-0,7	9152,3	-5906,2	0,13	-745,0	-30,9
540	0,0	0,44	0,34	1839,5	-0,7	9130,7	-7291,2	0,00	-3,2	-0,1
550	-2,8	0,20	0,10	541,0	-0,7	9152,1	-8611,1	-0,13	1078,7	44,8
560	-5,5	0,20	0,10	541,0	-0,7	9196,5	-8655,5	-0,25	2174,0	90,2
570	-8,0	0,20	0,10	541,0	-0,7	9207,3	-8666,2	-0,38	3268,0	135,6
580	-10,4	0,20	0,10	541,0	-0,7	9098,8	-8557,7	-0,50	4297,5	178,3
590	-12,4	0,20	0,10	541,0	-0,7	8769,9	-8228,8	-0,62	5138,5	213,2
600	-14,0	0,20	0,10	541,0	-0,6	8119,3	-7578,3	-0,74	5612,8	232,9
610	-15,3	0,20	0,10	541,0	-0,6	7062,3	-6521,2	-0,85	5517,3	229,0
620	-16,0	0,20	0,10	541,0	-0,4	5545,5	-5004,5	-0,93	4677,7	194,1
630	-16,3	0,20	0,10	541,0	-0,3	3559,4	-3018,4	-1,00	3017,8	125,2
640	-16,0	0,20	0,10	541,0	-0,1	1144,8	-603,8	-1,03	624,6	25,9
650	-15,3	0,20	0,10	541,0	0,1	-1605,8	2146,8	-1,03	-2217,8	-92,0
660	-14,0	0,20	0,10	541,0	0,4	-4553,3	5094,3	-0,99	-5049,7	-209,6
670	-12,4	0,20	0,10	541,0	0,6	-7523,0	8064,0	-0,91	-7319,1	-303,7
680	-10,4	0,20	0,10	541,0	0,8	-10320,2	10861,3	-0,78	-8510,2	-353,2
690	-8,1	0,20	0,10	541,0	1,0	-12748,8	13289,8	-0,62	-8281,9	-343,7
700	-5,5	0,20	0,10	541,0	1,2	-14630,2	15171,2	-0,43	-6573,3	-272,8
710	-2,8	0,20	0,10	541,0	1,2	-15822,1	16363,1	-0,22	-3641,0	-151,1
720	0,0	0,20	0,10	541,0	1,3	-16232,4	16773,4	0,00	-16,2	-0,7

По данным таблицы 3 по углу поворота коленчатого вала вычерчивают диаграмму крутящего момента М_i (рис. 2).

Рис. 2. Диаграмма крутящего момента

Суммарный момент образуется в результате совместного действия нескольких цилиндров двигателя. В начале необходимо определить ширину полосы, на которой будет строиться суммарный момент.

Для построения кривой суммарного момента многоцилиндрового двигателя с равномерным чередованием вспышек производят графическое суммирование кривых крутящих моментов каждого цилиндра, сдвигая одну кривую относительно другой на угол между вспышками :

= 720⁰/i,

Ширина полосы И = 720⁰ / i, где i - количество цилиндров двигателя. Например, построим таблицу суммарного момента для восьмицилиндрового двигателя.

Таблица 4. Расчет суммарного момента

Угол поворота КВ	Порядок работы цилиндров двигателя	Суммарный момент
	1	5	4	2	6	3	7	8
0	0,0	-156,3	-0,1	-9,7	-0,9	77,4	-0,1	125,2	35,7
10	144,5	-223,3	48,3	-160,2	532,5	-25,8	44,8	25,9	386,7
20	258,8	-255,5	56,4	-324,2	834,7	-114,8	90,2	-92,0	453,6
30	324,0	-256,3	144,2	-476,8	1055,7	-149,8	135,6	-209,6	567,1
40	328,7	-233,0	187,5	-629,9	950,8	-143,2	178,3	-303,7	335,3
50	275,6	-194,3	221,7	-722,5	813,3	-122,1	213,2	-353,2	131,7
60	178,9	-147,7	241,3	-749,1	610,7	-93,5	232,9	-343,7	-70,2
70	60,1	-98,3	209,9	-632,2	440,7	-62,2	229,0	-272,8	-125,8
80	-58,0	-48,9	110,0	-365,2	230,4	-30,9	194,1	-151,1	-119,5
90	-156,3	-0,1	-9,7	-0,9	77,4	-0,1	125,2	-0,7	35,0

Рис. 3. Диаграмма суммарного момента (Мi среднее = 390 Нм)

Провести проверку вычислений:

Р_e = (М _{i. ср} n з_м) /9550 = 390 3100 0,85 / 9550 =107 кВт

Проверка правильности выполненных расчетов показала, что расхождение мощности с заданием составляет не более 0,5%, что является очень хорошим результатом.

Размещено на Allbest.ru