новая папка 1 / 705864

Кафедра автомобилей, тракторов и технического сервиса

ОСНОВЫ РАСЧЕТА ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

М Е Т О Д И Ч Е С К И Е У К А З А Н И Я к практическим занятиям для обучающихся по направлению подготовки 23.03.03 Эксплуатация транспортно-технологических машин и оборудования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2018

УДК 621.65.03

Агапов Д.С., Филимонов В.А. Основы расчета тепловых двигателей: методические указания к практическим занятиям для обучающихся по направлению подготовки 23.03.03 Эксплуатация транспортнотехнологических машин и оборудования. – СПб.:

СПбГАУ, 2018. – 21 с.

РЕЦЕНЗЕНТЫ:

к.т.н., доцент кафедры «Автомобили, тракторы и технический сервис» К.Е. Муравьёв;

к.т.н., доцент кафедры теоретической механики и инженерной графики В.А. Долгушин

Методические указания предназначены для практических занятий по дисциплине «Основы расчета тепловых двигателей». Составлены в соответствии с РП по направлению подготовки 23.03.03 Эксплуатация транспортнотехнологических машин и комплексов и другими нормативными документами.

©Агапов Д.С., Филимонов В.А., 2018

©ФГБОУ ВО СПбГАУ, 2018

1

ВВЕДЕНИЕ

Целью изучения дисциплины «Основы расчета тепловых двигателей» является получение знаний по теории, расчёту и испытаниям автотракторных двигателей, необходимых для последующего изучения профилирующих дисциплин и практического использования энергетических установок тракторов, комбайнов и других мобильных с.-х. машин с наибольшей эффективностью, экономичностью и надёжностью.

Предметом изучения являются действительные рабочие процессы, индикаторные и эффективные показатели, характеристики двигателей; показатели теплонапряжённости, долговечности и токсичности при разных режимах и условиях эксплуатации; кинематика, динамика и уравновешивание двигателей; основы расчёта механизмов и систем двигателей.

Содержание предмета изучения ориентировано на реализацию задач продовольственной и энергетической программ страны в связи с получением студентами теоретических знаний и практического опыта необходимых для лучшего использования техники в сельском хозяйстве.

Получение знаний по реализации условий наиболее эффективной, экономичной и надёжной работы двигателей; наименее токсичной работы двигателей; по совершенствованию конструкции, автоматизации управления и контроля работы двигателей; по основам расчёта цикла механизмов и систем двигателей; по улучшению условий труда и техники безопасности персонала, обслуживающего двигатели тракторов, комбайнов и других мобильных с.-х. машин.

Методические указания направлены на формирвание следующих компетенций:

ПК-1 – готовность к участию в составе коллектива исполнителей к разработке проектно-конструкторской документации по созданию и модернизации систем и средств эксплуатации транспортных и транспортно-технологических машин и оборудования.

ПК-4 – способен проводить технико-экономический анализ, комплексно обосновывать принимаемые и реализуемые решения, изыскивать возможности сокращения циклы выполнения работ, оказывать содействие подготовке процесса их выполнения и обеспечения необходимыми техническими данными, материалами и оборудованием.

ПК-19 – способен в составе коллектива исполнителей к выполнению теоретических, экспериментальных, вычислительных исследований по научно-техническому обоснованию инновационных

2

технологий эксплуатации транспортно-технологических машин и оборудования.

В результате освоения курса обучающийся должен:

Знать:

закономерности и наиболее эффективные методы превращения химической энергии топлива в работу ДВС;

маркировку и классификацию ДВС; устройство, принцип работы тепловых двигателей; режимы его работы узлов;

влияние основных конструктивных, режимно - эксплуатационных и атмосферно-климатических факторов на протекании процессов ДВС и на формирование внешних показателей работы двигателя;

сущность и назначение процессов, происходящих в цилиндрах ДВС при реализации действительного цикла;

основы расчета и проектирования узлов и механизмов тепловых двигателей;

современные методы улучшения технико-экономических и экологических показателей и характеристик двигателей, включая использование средств электроники, основные критерии, оценивающие те или иные аспекты работы ДВС и общепринятые характеристики применяемых на автотранспорте силовых агрегатов;

тенденции и направления развития ДВС, диктуемые современными требованиями.

Уметь:

обоснованно применять выбирать оптимальные методы режимов работы автотракторных двигателей, исходя из спецификации и условий работы и современных эксплуатационных экономических и экологических требований;

использовать полученные знания в процессе изучения специальных дисциплин; проводить и оценивать результаты измерений при проведении испытаний двигателей;

Владеть:

методиками измерения параметров тепловых двигателей, основами расчетов тепловых двигателей, его корпусных

деталей и отдельных узлов; современными системами автоматизированного

проектирования тепловых двигателей.

Приобрести опыт деятельности в подготовке и снятию скоростных, нагрузочных, регулировочных и других характеристик двигателей; снятию характеристик работы устройств топливной системы

3

1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВС

Расчёт действительного рабочего цикла двигателя.

Исходные данные для выполнения самостоятельной работы выбираются из приложения №1 согласно последним двум цифрам в зачетной книжке студента.

Расчёт рабочего цикла выполняется с целью определения индикаторных, эффективных показателей работы двигателя и тепловых условий работы двигателей, определения основных размеров двигателя, выявления усилий, действующих на детали двигателя, построения характеристик и решения ряда вопросов динамики двигателя.

Результаты теплового расчёта зависят от оценки ряда коэффициентов, учитывающих особенности данного двигателя; они будут тем ближе к действительным, чем больше были использованы данные испытаний двигателей близких к проектируемому.

При проектировании двигателя эффективная мощность задаётся конструктору или определяется методом тягового расчёта с учётом тех показателей, которые желательно получить при установке проектируемого двигателя на шасси трактора и автомобиля.

По заданной мощности Ne можно определить рабочий объём цилиндра Vh, а значит и основные размеры двигателя, если выбран тип двигателя (частота вращения, число цилиндров) и известно значение среднего индикаторного давления Pi. Определить значение Pi для проектируемого двигателя можно из индикаторной диаграммы, снятой с двигателя, принятого за прототип, или по параметрам расчётного цикла.

При выполнении работы Pi расчётного цикла.

Пример индикаторной диаграммы бензинового двигателя с обозначениями характерных точек приведены в приложении № 2.

Тип двигателя: автомобильный, четырехтактный.

1.1. Порядок расчёта

Определим параметры точек для индикаторной диаграммы с учётом принятых исходных данных проектируемого двигателя.

Тип двигателя: автомобильный (тракторный), четырехтактный.

1.2. Параметры рабочего тела

4

Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива lo, кг:

Средний элементарный состав для бензина С=0,855; Н=0,145; О=0. Для дизельного топлива С=0,857; Н=0,133; О=0,01.

Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, кмоль:

L0 = µl0в ,

где μв – молярная масса воздуха равная 28,96 кг/кмоль.

Количество свежего заряда (горючей смеси), кмоль/кг топлива для бензиновых двигателей:

M1 =α L0 +1/ µТ ,

где μт – молярная масса топлива равна 115 кг/кмоль.

Количество свежего заряда, кмоль/кг топлива для дизелей:

M1 =α L0

Общее количество продуктов сгорания, кмоль для бензиновых двигателей при α<1:

M 2 =α L0 + H / 4 +O / 32 + 0.21L0 (1−α)

Общее количество продуктов сгорания, кмоль для бензиновых и дизельных двигателей при α≥1

M2 =α L0 + H / 4 +O / 32

Химический коэффициент молекулярного изменения горючей смеси

β0 = M 2 / M1

Параметры окружающей среды и остаточные газы.

Принимаем атмосферные условия: Давление окружающей среды р0=0,1 МПа, температура окружающей среды Т0=293 К.

В дальнейших расчетах для бензинового и дизельного двигателя без наддува принимаем Тк=То.

Давление наддувочного воздуха для турбодизеля pk=(1,6…1,8)р0, МПа.

5

Температура воздуха за компрессором (температура наддувочного воздуха):

nk −1

Tk =T0 pk nk p0

Принимаем показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре nк=1,5…1,8.

Давление остаточных газов, МПа:

pr = (1,05...1,25) p0

1.3. Процесс впуска

Плотность заряда на впуске, ρк - кг/м3

Для бензинового и дизельного ДВС без наддува ρк = p0 106 ,

Rв Т0

где Rв – удельная газовая постоянная воздуха. Rв=287 Дж/кг*К Давление в конце впуска Pa, МПа:

бензиновый и дизельный ДВС без наддува pa = po − ∆pa

турбодизель pa = pk − ∆pa

В соответствии со скоростным режимом двигателя nн, мин-1 и качеством обработки внутренней поверхности впускной системы

принимаем (β2 +ξвп )=2,4…..4 и ωвп=50…..130 м/с,

где: β2 – коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра; ξвп - коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому ее сечению; ωвп – средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы.

Потери давления на впуске в двигатель ΔPa, МПа

6

Температура в конце сжатия Тс, К:

Tc = Ta ε n1−1

Ориентировочные значения параметров рабочего тела в конце сжатия Рс и Тс на номинальном режиме работы двигателя. Бензиновые двигатели: Рс=0,9…1,6 МПа, Т с=650…800К; для дизелей без наддува: Рс=3,5…5 МПа; Тс=700…900К; для дизелей с наддувом: Рс=6…8

МПа; Тс=900…1000К.

Средняя молярная теплоёмкость для свежего заряда в конце сжатия (без учета влияния остаточных газов) μСvc, кДж/(кмоль*град):

µCvc = 20,16 +1,74 10−3Tc

Число молей остаточных газов Мγ, кмоль:

Mγ =α γr L0

Число молей газов в конце сжатия до сгорания Мс, кмоль:

M c = M1 + Mγ

1.5. Процесс сгорания

Средняя молярная теплоемкость для продуктов сгорания жидкого топлива (при α<1):

µCvz = (18,4 + 2,6α)+ (15,5 +13,8α)10−4 Tz

Средняя молярная теплоемкость для продуктов сгорания жидкого топлива (при α≥1):

Число молей газов после сгорания Мz, кмоль:

M z = M 2 + Mγ

Расчетный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси β:

β = M z M c

8