Реферат: Проектирование дизельного двигателя по прототипу Д-37М
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГООБРАЗОВАНИЯ
(ФГОУ ВПО)
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ТРАКТОРЫ ИАВТОМОБИЛИ
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине «Автомобильные двигатели»
Благовещенск 2009
Введение
Особенности итенденции развития конструкций автомобильных и тракторных двигателей полностьюопределяются требованиями, предъявляемыми к автомобилям и тракторам промышленностьюи сельским хозяйством. Эти требования сводятся к обеспечению максимальнойпроизводительности автомобиля и трактора, минимальной стоимости перевозок ивыполняемых трактором работ при надёжной и безопасной их работе. Основныетребования, предъявляемые к автомобильным и тракторным двигателям, следующие:
1. Развитиенеобходимой мощности двигателей при различных скоростях движения автомобиля(или трактора); обладание хорошей приёмистостью при трогании автомобиля (илитрактора) с места и при изменении его рабочих режимов.
2.Максимально возможная экономичность на всех режимах работы.
3. Простотаконструкции, упрощающая условия выпуска и последующих ремонтов автомобильных итракторных двигателей и облегчающая условия их обслуживания и эксплуатации.
4. Низкаяпроизводственная стоимость, достигаемая за счёт обеспечения технологичностиконструкции деталей автомобильных и тракторных двигателей, снижения их веса иприменения полноценных заменителей металлов.
5. Возможноменьший удельный и литровый веса двигателя, достигаемые без снижения надёжностии долговечности его работы.
6. Малыегабариты двигателя.
7.Максимально целесообразное уравновешивание двигателя и необходимаяравномерность хода.
8. Удобство вэксплуатации, а также простота и удобство ремонта и технического обслуживания вгаражных, дорожных и полевых условиях.
9. Высокаянадёжность и долговечность работы.
В соответствиис перечисленными требованиями конструкции отечественных автомобильных итракторных двигателей развиваются и совершенствуются в направленияхмаксимального их соответствия условиям эксплуатации, повышения экономичности иснижения себестоимости.
Тепловойрасчет двигателя
1. Выборисходных данных
Одним изважнейших разделов курсовой работы по расчету ДВС является выбор исходныхданных для теплового расчета.
Правильный выборуказанных данных гарантирует малые затраты при его доводке двигателей и высокийуровень технико-экономических показателей при эксплуатации.
1.1.1Степень сжатия
Степеньсжатия в автотракторных дизелях обычно находится в пределах от 14 до 22 ивыбирается из условий обеспечения хороших пусковых качеств и надежнойэксплуатации. С увеличением степени сжатия экономичность дизеля улучшается,однако при этом растут тепловые нагрузки на детали поршневой группы иувеличиваются износы.
Выбор степенисжатия для дизелей прежде всего определяется формой камеры сгорания и способомсмесеобразования. В зависимости от этих параметров значение степени сжатия 8 удизелей находятся по справочным данным (табл. 1.).
1.1.2Размеры цилиндра и скорость поршня
Размерами цилиндра– диаметр и ход поршня являются конструктивными основными параметрамидвигателя. Диаметр цилиндра D определяется по ниже приведенной формуле в соответствии свыбранной относительной величиной S/D, непосредственно связанной со скоростью поршня.
S/D=140/130=1.08
Где S – ход поршня, D-диаметр поршня.
Дляавтомобильных дизелей средняя скорость поршня при оптимальной частоте вращенияварьирует в следующих пределах: 6,5…12 м/с. Для данного двигателя выбираемсреднюю скорость поршня 10 м/с.
1.2Процесс впуска
1.2.1 Давлениев конце впуска Ра и Рк
Давление вконце впуска Ра – основной фактор, определяющий количество рабочего тела,поступающего в цилиндр двигателя. Обилие факторов, оказывающих влияние на Ра,затрудняет точное теоретическое определение этого давления. Давление в концевпуска Ра для двигателей без наддува с достаточной степенью точности может бытьопределено по формуле:
Ра=Ро (1–0,55n 10-4) МПа
Ра=0,1033 (1–0,55*2200* 10-4)=0,09 МПа
Где Р0– атмосферное давление, МПа; n – число оборотов, об/мин.
1.2.2 Температурасвежего заряда Т /0
Температурасвежего заряда определяется по формуле:
/>, где />=288/>
T’0=20+288=308ºK
Т0– температура окружающей среды, />.
/> — приращение температурысвежего заряда, />
Т/0=308Т0=288
1.2.3Температура остаточных газов Tr
Этатемпература зависит от ряда факторов, в том числе от состава смеси, частотывращения, степени сжатия и др. При номинальном режиме температура остаточныхгазов варьирует в пределах Tr=700…900/>
Tr=800/>
1.2.4Давление в конце впуска Pr
Это давлениезависит от нагрузки, частоты вращения, сопротивления выпускной системыгазораспределения и др. С достаточной степенью точности для двигателей безнаддува Pr<sub/>можно определить по формуле:
/>, МПа
/>, МПа
1.2.5Коэффициент наполнения
Коэффициентнаполнения определяет мощностные показатели двигателя и зависит от особенностейвпускной системы.
Длячетырехтактных двигателей коэффициент наполнения находится по формуле: />; />
1.2.6Коэффициент остаточных газов
Коэффициентостаточных газов /> определяется поформуле:
/>; />
1.2.7Температура конца впуска Тa
Температураконца впуска характеризует действие внешних конструктивных показателей напроцесс впуска свежей горючей смеси в цилиндры двигателя и определяется поформуле:
/>; />
1.3Процесс сжатия
1.3.1Температура и давление в конце сжатия
Сжатиесвежего заряда в цилиндре двигателя внутреннего сгорания протекает в условияхнепрерывного теплообмена между зарядом и стенками цилиндра и камеры сгорания, атакже в условиях его утечек через зазоры в кольцах. Давление конца сжатияподсчитывается по формуле:
/>
/>, МПа
А температураконца сжатия
/>, К
/>
Где n1 – показатель политропысжатия.
1.4Процесс сгорания
1.4.1Определение действительного количества необходимого воздуха
Дляопределения параметров сгорания следует, прежде всего, определить количество,состав и теплоемкость газов до и после сгорания.
Количествомолей газа в конце такта сжатия состоит из свежего заряда L и остаточных газов Mr.
/>
Выбрав составтоплива по С, Н2, О2 в процентах определяют теоретическиеколичество кислорода О/, необходимое для сжигания 1 кг топлива
/>, кг
/>, кг
Соответственнотеоретическое количество воздуха можно выразить по массе /> и в киломолях L0
/>, кг и />,кмоль/кг
/>, кг /> кмоль/кг
Значение /> для современныхавтотракторных двигателей выбираем />
Действительноечисло молей воздуха и топлива состоит:
/>; />, где mT – молекулярная массатоплива.
Коэффициентостаточных газов можно также представить еще как отношение:/>; />
Где Мr – количество молейостаточных газов. Тогда число молей перед началом сгорания можно записать
/> /> кмоль/кг
Составпродуктов М зависит от коэффициента избытка воздуха при />
/>/>; />, кмоль/кг
/>=0,6835625+0,026=0,702
Действительный(расчетный) коэффициент молекулярного изменения, представляющий собой отношениечисла молей газов в цилиндре после сгорания МZ<sub/>и числу молей до сгоранияМС
/>
1.4.3Уравнение сгорания для дизеля
Принимают,что сгорание протекает при V=const и P=const, а уравнение сгорания имеет следующий вид:
/>
/>/>
/>
/>
/>Низшая удельная теплотасгорания топлива
/> />
/>
/>/>
/>/>
1.5Процесс расширения
Вдействительных циклах двигателей внутреннего сгорания расширение газов протекаетпо политропе с переменным показателем политропы расширения />на показатель политропы />влияет ряд факторов,важнейшими из которых являются: догорание топливовоздушной смеси, утечка газовчерез кольца, интенсивность отвода тепла в охлаждающую среду и др.
Давление вконце расширения /> определяется последующим формулам для дизеля:
/>; />
/>; />
/> степень последующегорасширения.
Температура вконце выпуска, />
/>; />
1.6Процесс выпуска
Во время ходавыпуска давления газов непрерывно меняется. Оно зависит от нагрузки, числаоборотов, фаз газораспределение и ряда других факторов.
Влияние всехэтих факторов теоретически трудно учесть.
Поэтомудавление выпуска />принимаютпостоянным, равным среднему значению за выпуск.
Температура идавление конца выпуска определяется по вышеприведенным формулам.
1.7 Расчетиндикаторных и эффективных показателей двигателя
1.7.1Построение индикаторной диаграммы
Индикаторнаядиаграмма строится в верхнем левом углу листа формата А1.
Вначале надовыбрать масштабы диаграммы с таким расчетом, чтобы отношение высоты диаграммы кее ширине было близко к 2:1.
Отрезок />, соответствующий внекотором масштабе ходу поршня или рабочему объему цилиндра, рекомендуетсяоткладывать равным 100…150 мм
Отрезок /> в мм, соответствующийобъему камеры сгорания, находят из выражения:
/>; />
Отрезок /> (в мм) для индикаторнойдиаграммы дизеля определяется по уравнению:
/>; />
Через точки,соответствующие объемам /> произвестивертикальные линии. Через точку, соответствующую давлению /> проводят линиюатмосферного давления.
Определитьориентировочный масштаб давлений в МПа/мм для построения индикаторной диаграммыпо формуле:
/>; />
1.7.2Определение среднего индикаторного давления
Среднеетеоретическое индикаторное давление можно подсчитать по аналитической формуле:
/>
Действительноесреднее индикаторное давление будет равно
/>
Где /> — коэффициент, учитывающийскругление диаграмм;
/>-потеря среднегоиндикаторного давления на совершение вспомогательных ходов.
/>
1.7.3Среднее эффективное давление
Среднееэффективное давление определяется по уравнению
/>
Среднеедавление механических потерь в двигателе Рт подсчитывается по следующимэмпирическим формулам, в МПа для дизеля
/>, МПа
1.7.4Коэффициенты полезного действия
ИндикаторныйКПД рассчитывается по формуле:
/>
Где /> — должна быть длядвигателей, работающих на жидком топливе, в кДж/кг.
МеханическийКПД определяется по формуле
/>
ЭффективныйКПД
/>
1.7.5Удельный и часовой расходы топлива
Индикаторныйи удельный расходы топлива подсчитываются по формулам:
/>
Часовойрасход топлива для двигателей определяется из выражения в кг/ч
/>
1.8Основные размеры цилиндра и удельные показатели двигателя
Определяемодного цилиндра в литрах
/>
Выбравотношение хода поршня S к диаметру D, определяем диаметр цилиндра
/>
/>/>, мм
По значениям S и n проверить и сопоставитьсреднюю скорость поршня с ранее принятым значением по формуле:
/>
Дляпроектируемого двигателя необходимо рассчитать удельную поршневую мощность:
/>
Удельнаялитровая мощность
/>
1.9Тепловой баланс двигателя
Тепловойбаланс оценивает распределение тепла, вносимого в двигатель топливом, идущего наполезную работу и на потери.
Количествотеплоты, выделяемого при сгорании вводимого в двигатель топлива(1 кг).
/>
Тепло, идущеена индикаторную работу
/>
Тепло,используемое на эффективную работу
/>
Тепло,затраченное на работу трения и привод вспомогательных механизмов
/>
Тепло,унесенное с отработавшими газами
/>
Тепло,унесенное охлаждающей водой в сумме с неучетными потерями
/>
1.10Построение регуляторной характеристики тракторного дизеля
С достаточнойстепенью точности эффективной крутящий момент на безрегуляторной ветви характеристикитракторного дизеля в зависимости от скорости вращения коленчатого вала можетбыть описан следующим уравнением:
/>
/>
/>
Соответственновычисляем значения Ме определяются эффективные мощности Nе по формуле:/>
/>
/>
Максимальноезначение частоты вращения холостого хода />
Определяетсяпри максимальном скоростном режиме по формуле
/>
Значенияэффективного удельного расхода топлива с прототипа на характеристику проектируемогодвигателя или путем подсчета этих расходов для принятых значений частотывращения по формуле:
/>
/>
Зная />, /> для заданных значенийчастоты вращения, по безрегуляторной ветви характеристики проектируемого двигателя,не трудно подсчитать значения часового расхода топлива по формуле:
/> (62)
/> кг/ч
/>кг/ч
/>кг/ч
/>кг/ч
/> кг/ч
Часовойрасход топлива при максимальных холостых оборотах принимается равным 30% отрасхода при максимальной мощности.
2. Кинематическийрасчет двигателя
2.1Кинематика кривошипно-шатунного механизма
Величинаинерционных усилий, а также частично усилий от давления газов, находится взависимости от соотношения размеров, характеризующих кривошипный механизм.Такими размерами в центральном кривошипном механизме является радиус кривошипа r и длина шатуна l.
Принеизвестном rиl задаемся величиной />
Длясовременных автомобильных и тракторных двигателей /> изменяетсяв пределах.
/> или />
Дляпроектируемого двигателя значение />.
Радиускривошипа равен />м.
2.2Перемещение (путь) поршня
Перемещениепоршня в метрах, в зависимости от угла поворота кривошипа /> для двигателя сцентральным кривошипно-шатунным механизмом с достаточной для практических расчётовточностью выражается следующим уравнением:
/> (63)
Таблица 1. Значениевыражения />
/>
Значение />
30 60 90 120 150 180 0,278 0,000 0,169 0,604 1,130 1,604 1,901 2,000Перемещениепоршня будет равно
/> м,
/> м,
/> м,
/> м,
/> м,
/> м,
/>м.
2.3 Скоростьпоршня
Приперемещении поршня скорость его движения является величиной переменой и припостоянном числе оборотов зависит только от изменения угла поворота кривошипа ивеличины />.
Взявпроизводную от перемещения поршня по углу поворота кривошипа и учитывая, стоугловая скорость коленчатого вала является постоянной, то есть />получим:
/>. (64)
Угловаяскорость будет равна
/> рад/с.
Значениемножителя в уравнении (64) заключенного в скобки в зависимости от /> приведены в таблице 2.
Таблица 2. Значениявыражения />
/>
Значение />
30 60 90 120 150 180 0,278 0,000 0,622 0,990 1,000 0,742 0,378 0,000Скоростьпоршня будет равна
/> м/с,
/> м/с,
/> м/с,
/> м/с,
/> м/с,
/> м/с,
/> м/с.
2.4Ускорение поршня
Ускорениепоршня определяется как первая производная от скорости по времени:
/> (65)
Значениемножителя в уравнении (65) заключенного в скобки в зависимости от /> приведены в таблице 3.
Исходя изформулы (65), максимальное значение ускорения поршня м/с2, имеетместо при />.
/> (66)
Пользуясьуравнением (65) данными таблицы 3, аналитическим путем определяют значениеускорения поршня для ряда значений угла /> винтервале от до 3600и строят кривую />.
Таблица 3. Значениевыражения />
/>
Значение />
30 60 90 120 150 180 0,278 1,278 1,005 0,361 0,278 0,639 0,727 0,722 Знак + + + - - - -Ускорениепоршня будет равно
/> м/с2,
/> м/с2,
/> м/с2,
/> м/с2,
/> м/с2,
/> м/с2,
/> м/с2.
/>
3 Динамическийрасчет двигателя
3.1 Силадавления газов
Во времяработы двигателя на кривошипно-шатунный механизм действуют силы давления газови силы инерции. Силы инерции масс кривошипно-шатунного механизма, движущихся спеременными по величине и направлению скоростями, возникают на всех режимахработы двигателя и для ряда деталей являются основными расчетными силами.
Дляопределения характера изменения сил по углу поворота коленчатого вала ихвеличины определяют для ряда отдельных положений вала, обычно через каждые 30о.
Поправка пометоду Брикса: />
Сила давлениягазов на поршень, Н
/>, (67)
где /> – давление газов вцилиндре, МПа;
/> – давление окружающейсреды, МПа;
/> – площадь поршня, м2,/>м2
/> Н
3.2 Приведениемасс кривошипно-шатунного механизма
Массавозвратно-движущихся частей m на основании сделанного выше допущенияпредставляется суммой
/>, (68)
где /> — масса поршневогокомплекта, кг;
/> — масса шатуна,сосредоточенная в верхней головке и совершающая возвратно-поступательноедвижение, кг.
Массанеуравновешенных вращающихся частей равна:
/>, (69)
где /> — неуравновешенная иредуцированная на радиус r масса одного колена (часть щек шатунной шейки коленчатоговала);
/> — масса шатуна,сосредоточенная в нижней головке и совершающая вращательное движение.
/> кг/м2, /> кг;
/> кг/м2, /> кг;
/> кг/м2, /> кг.
При расчетахмассы можно принять:
/> кг,
/> кг
Массавозвратно-движущихся частей
/> кг
Массанеуравновешенных вращающихся частей равна:
/> кг
3.3 Силыинерции
Силы инерции,действующие в кривошипно-шатунном механизме, в соответствии с характеромдвижения приведенных масс на силы инерции поступательного движущихся масс /> и центробежной силыинерции вращающихся масс />.
Сила инерцииот возвратно-поступательно движущихся масс определяется
/>, (70)
или
/>. (71)
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н.
Неуравновешенныевращающиеся части дают центробежную силу инерции
/> (72)
/> Н
3.4 Суммарныесилы, действующие в кривошипно-шатунном механизме
Суммарныесилы, действующие в кривошипно-шатунном механизме, определяются путемалгебраического сложения газовых сил и сил инерции возвратно-поступательнодвижущихся масс.
/>. (73)
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н
Сила Т,направленная по касательной к траектории центра шейки кривошипа:
/>. (74)
Численноезначение тригонометрической функции, входящей в уравнение тангенциальной силы Т,для различных λ и углов поворота коленчатого вала α приведены втаблице 4.
Таблица 4. Значениевыражения />
/>
Значение />
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 0,264 0,615 0,983 1,0 0,749 0,385 0,385 0,749 1,0 0,983 0,613 Знак + + + + + + + - - - - - -/>,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/> Н,
/>,
4. Расчетмаховика
Дляавтомобильных двигателей, работающих обычно с большой недогрузкой, характереноблегченный разгон машины и поэтому маховик автомобильного двигателя, какправило. имеет минимальные размеры.
Расчетмаховика сводится к определению момента инерции Jм маховика,махового момента mмD2ср, основных размеров и максимальной окружной скорости.
/>
m=70 кг-масса маховика.
Dср – средний диаметрмаховика.
По величинемахового момента производится подбор основных размеров маховика, руководствуясьв основном соображениями конструктивного характера. Так, диаметр маховикавыбирают с учетом габаритов двигателя, возможности размещения механизмасцепления.
Дляприближенных расчетов можно принять
/> м
/> м
/>
По условиямпрочности внешний диаметр Dм маховика должен быть выбран с учетомобеспечения допустимых окружных скоростей
/> м/сек
/> м/с
Окружнаяскорость:
Для стальныхмаховиков /> м/сек.
Заключение
В данномкурсовом проекте был запроектирован дизельный двигатель по прототипу Д-37М.
В результате расчетов были определены основные параметры двигателя:
– эффективная мощность двигателя Ne=140 кВт;
– частота вращения коленчатого вала при номинальной мощностидвигателя ng=2200 об/мин;
– удельный расход топлива при номинальной мощности двигателя ge=257 г./кВт.ч;
– часовой расход топлива при номинальной мощности двигателя Gт=11,55 кг/ч.
А так же:
– Произвелрасчеты процессов впуска, сгорания, сжатия, расширения, выпуска;
– Рассчиталосновные размеры цилиндра и поршня;
– Построилрегулировочную характеристику дизеля;
– Произвелкинематический расчет двигателя;
– Рассчиталмаховик.
Списокиспользованной литературы
1. Артамонов,М.Д. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей/ М.Ц. Артамонов,Т.Г. Панкратов. – М.: – Машгиз, 1963. – 520 с.
2. Болтинский,В.Н. Теория, конструкция и расчет тракторных и автомобильных двигателей/ В.Н. Болтинский.– М.: Изд-во с.-х. лит-ры и плакатов, 1962. – 388 с.
3. Вихерт,М.М. Конструкция и расчет автотракторных двигателей/ М.М. Вихерт, Р.В. Доброгаев,– М.: Машгиз, 1967. – 604 с.
4. Железко,Б.Е. Расчет и конструирование автомобильных и тракторных двигателей/ Б.Е. Железко.– Минск: Высшая школа, 1987. – 246 с.
5. Колчин,А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей/ А.И. Колчин, В.П. Демидов.– М.: Высшая школа, 1971. – 344 с.
6. Колчин,А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей/ А.И. Колчин, В.П. Демидов.– М.: Высшая школа, 2003. – 496 с.
7. Конкс,Г.А., Поршневе ДВС/ Г.А. Конкс, В.А. Лашко // Хабаровск, издательствоТОГУ, 2006. – 559 с.
8. Ленин,И.М. Автомобильные и тракторные двигатели/ И.М. Лениен, К.Г. Попык.– М.: Высшая школа, 1969. – 368 с.
9. Лышевский,А.С. Проектирование двигателей внутреннего сгорания/ А.С. Лышевский А.А. Кутьков.– Новочеркасск, 1971. – 334 с.
10. Николаенко, А.В. Теория,конструкция и расчет автотракторных двигателей/ А.В. Николаенко. – М.:Колос, 1992. – 335 с.
11. Орлин, А.С. Двигателивнутреннего сгорания / А.С. Орлин, Л.Н. Вырубов. – М.: Машгиз, – 1982.Т. 2.–С. 6–36.
12. Попык, К.Г. Динамикаавтомобильных и тракторных двигателей/ Г.К. Попык. – М.: Высшая школа,1970. – 380 с.
13. Попык. К.Г. Конструированиеи расчет автомобильных и тракторных двигателей/ К.Г. Попык. – М.: Высшаяшкола, 1968. – 383 с.