Тепловой и динамический расчет двигателя ЗМЗ-53

 

Содержание

 

Введение             2

1. Исходные данные для  теплового расчета поршневого  двигателя внутреннего сгорания             4

2. Тепловой расчет и  определение основных размеров  двигателя    5

2.1 Процесс наполнения          5

2.2 Процесс сжатия           6

2.3 Процесс сгорания           6

2.4 Процесс расширения          8

2.5 Процесс выпуска           9

2.6 Индикаторные показатели         10

2.7 Эффективные показатели         10

2.8 Размеры двигателя           11

3. Динамический расчет          14

3.1 Построение индикаторной  диаграммы       14

  3.2 Построение диаграмм сил          16

3.3 Построение диаграммы суммарного крутящего момента    20

4. Расчет и построение  внешней скоростной характеристики  двигателя   22

5. Система питания           25

Заключение            32

Литература             33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Прогресс в автомобильной  промышленности, дальнейшее увеличение грузооборота автомобильного транспорта предусматривает не только количественный рост автопарка, но и значительное улучшение  использования имеющихся автомобилей, повышение культуры эксплуатации, увеличение межремонтных сроков службы.

В области развития и совершенствования  автомобильных двигателей основными  задачами являются: расширение использования  дизелей, снижение топливной экономичности  и удельной массы двигателей, стоимости  их производства и эксплуатации.

На принципиально новый  уровень ставится борьба с токсичными выбросами двигателей в атмосферу, а также задачи по снижению шума и вибрации в процессе их эксплуатации. Значительно больше внимания уделяется  использованию электронно-вычислительных машин при расчетах и испытаниях двигателей. В настоящее время  вычислительная техника широко используется на моторостроительных заводах, в научно-исследовательских  центрах, конструкторских и ремонтных  организациях, а также в высших учебных заведениях.

Современные автотракторные двигатели отличаются приемлемыми  мощностными и экономическими показателями, достаточной надежностью и долговечностью. Однако дальнейшее повышение эффективности  использования автомобилей и  тракторов требует совершенствования  их силовых установок, что невозможно без глубоких знаний конструкции, процессов, сопровождающих работу автотракторного  двигателя, и расчета его элементов.

Знание рабочих процессов, основ конструирования и расчета  деталей двигателя необходимо не только конструкторам и исследователям, создающим силовые установки, но и техническому персоналу, эксплуатирующему и ремонтирующему их.

Задачей настоящего курсового  проекта является рассмотрение методики выполнения теплового и динамического  расчетов двигателя и ознакомление с основными сведениями, необходимыми для конструирования и расчета  деталей, узлов и двигателя в  целом. Исходные данные для выполнения работы используются из задания «Теория  автомобиля и трактора». Курсовая работа включает расчётно-графический материал и конструкторскую часть (продольный и/или поперечный разрез двигателя).

Методика изложения материала  отдельных разделов максимально  адаптирована к современным способам анализа работоспособности, а также  термической и динамической нагруженности  элементов двигателя с использованием ЭВМ. В материал включены новейшие достижения в конструировании двигателей, используемых в средствах транспорта.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1  ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ  ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

Задачами теплового расчета  рабочего цикла двигателя внутреннего  сгорания являются:

- определение его показателей,  характеризующих экономичность  и эффективность рабочего процесса;

- определение максимального  давления в цилиндре и переменных  давлений в зависимости от  хода поршня, необходимых для  расчета деталей двигателя на  прочность. 

На основании теплового  расчета с достаточной для  практики точностью строится индикаторная диаграмма, рассчитывается индикаторное давление, а по заданной мощности определяется число и размеры цилиндров  для проектируемого двигателя.

Расчет рабочего цикла  и динамический расчет производятся для режима работы двигателя, соответствующего номинальной (полной) мощности и нормальным условиям окружающей среды.

Предварительно все расчеты  выполняются в черновиках и согласовываются  с консультантом.

Исходными данными для  теплового расчета являются:

кВт	n	i	ε	τ	α		Спецзадание	Прототип
90	3800	8V	8,5	4	0,9	0,92	Система питания	ЗМЗ-53

 

2. Тепловой расчет и  определение основных размеров  двигателя

 

2.1 Процесс наполнения

 

В  результате  данного  процесса  цилиндр  двигателя ( рабочая  полость)  наполняется  свежим  зарядом.     Давление  и  температура  окружающей среды принимаются:   = 0.1МПа (1,03  кг/см″),  =298  К для автомобильных двигателей.

Давление остаточных газов  можно принять  , а температуру .Большие значения принимаются для двигателей с высокой частотой вращения коленчатого вала двигателя.

Примем для расчета  , .

В зависимости от типа двигателя  температура подогрева свежего  заряда  ∆Т карбюраторных двигателей принимают .

Примем для расчета  .

Давление в конце впуска, мПа

          (2.1)

Величина потери давления на впуске колеблется в пределах:  для бензиновых и газовых двигателей = (0,06…0,20) .

Примем для расчета  = 0,15

=0,150.1=0,015 Мпа

=0.1-0.015=0.085 Мпа

Коэффициент остаточных газов

 

      (2.2)

 

_{Температура в конце впуска, К}

            _(2.3)

_{Коэффициент наполнения}

  _(2.4)

2.2 Процесс сжатия

 

Расчет параметров заряда в процессе сжатия проводится по условному  среднему за процесс показателю политропы  сжатия . Показатель политропы сжатия для карбюраторных двигателей принимается .

Примем для расчета  .

Давление в конце сжатия

     _(2.5)

Температура в конце сжатия

  _(2.6)

 

 

2.3 Процесс сгорания.

 

Теоретически необходимое  количество воздуха для сгорания 1 кг  жидкого топлива

   _(2.7)

 

Средний элементарный состав топлива принимают: для бензина ., _{, .}

Количество свежего заряда (кмоль) для бензиновых двигателей:

   _(2.8)

где средняя малярная масса  (для бензинов = 110…120 кг/кмоль).

 Примем для расчета ;

      a - коэффициент избытка воздуха, a = 0,9.

Количество продуктов  сгорания при работе двигателей на жидком топливе при

    _(2.9)

Теоретический коэффициент  молекулярного изменения

   _(2.10)

 

Действительный коэффициент  молекулярного изменения

   _(2.11)

 

Низшую теплоту сгорания топлива принимают:

для бензинов = 44000 кДж/кг.

Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания топлива, при  , кДж/кг

 

   _(2.12)

 

 

Средняя мольная теплоемкость свежего заряда

 

   _(2.13)

 

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания

 

   _(2.14)

Значения коэффициента использования теплоты на участке сгорания для карбюраторных двигателей изменяется в пределах .

Примем для расчета  .

   _(2.15)

 

 

После подстановки в уравнение  значения , которое является функцией и , и последующих преобразований выражение принимает вид квадратного уравнения:

 

 

Откуда

Давление в конце сгорания, расчетное и действительное , Мпа

    _(2.16)

    _(2.17)

Степень повышения давления для карбюраторных ДВС

    _(2.18)

 

 

_{2.4 Процесс  расширения.}

 

_{Степень предварительного расширения:}

_{для бензиновых и газовых двигателей  ρ=1}

 

     _(2.20)

 

Степень последующего расширения для бензиновых двигателей δ = ε=8.5.

Показатель политропы  расширения для карбюраторных двигателей принимается  .

Примем для расчета  .

Температура в конце расширения, МПа

     _(2.21)

Давление в конце расширения, МПа

    _(2.22)

 

2.5 Процесс выпуска.

Параметрами  процесса  выпуска ( p r  и  Т r )  задаются  в  начале  расчета  процесса  впуска ( см.  п. 2.1). Правильность  предварительного  выбора величин p r иТr проверяется по формуле проф. Е. К. Мазинга:

 

    _(2.23)

 

Расхождение  между принятой  величиной  Тr  и вычисленной  по  формуле (2.23)  не  должно превышать 10%; 

 

 

_{2.6 Индикаторные показатели}

Среднее индикаторное давление теоретического цикла для   бензиновых и газовых двигателей подсчитывается по формуле:

    _(2.24)

 

Действительное среднее  индикаторное давление, Мпа

 

      (2.25)

где – коэффициент полноты индикаторной диаграммыдля  двигателей  с  искровым  зажиганием = 0,94…0,97.

Примем 

Индикаторный КПД двигателя

     _(2.26)

Индикаторный удельный расход топлива  (г/кВт×ч)

    _(2.27)

 

2.7 Эффективные показатели

 

Величина  механического КПД     для бензиновых двигателей   = 0,70…0,85.

 Принимаем

_{Среднее эффективное давление}

 

    (2.28)

 

Эффективный КПД

 

    (2.29)

 

Удельный эффективный  расход жидкого топлива

 

    _(2.30)

 

 

2.8. Оснoвные размеры цилиндра и показатели поршневого  двигателя

 

По эффективной мощности, частоте вращения коленчатого вала и  среднему эффективному давлению определяем литраж двигателя

    _(2.31)

 

где  –  выражена  в кВт; – в  МПа;  – в 1/мин; τ = 4 для четырехтактных двигателей.

 

Рабочий объем одного цилиндра

 

    _(2.32)  

где число цилиндров.

Диаметр цилиндра и ход поршня , мм

 

    _(2.33)

 

 

 

Принимаем D=85мм.

    _(2.34)

Полученное значение округляем  до _S=80мм.

По полученным значениям  и уточняем основные параметры ДВС:

- литраж двигателя ,л

     (2.35)

- эффективная мощность двигателя, кВт

    (2.36)

- эффективный крутящий момент, Н·м

 

    (2.37)

- часовой расход топлива, кг/ч

    (2.38)

- средняя скорость поршня, м/с