Тепловой расчет ДВС

ВВЕДЕНИЕ

 

Двигатели внутреннего сгорания автотракторного типа (ДВС) устанавливаемые  на современных базовых тягачах  строительных и дорожных машин являются сложными техническими устройствами. Они обладают достаточно высокой  степенью совершенства, приемлемыми  мощностными и экономическими показателями, достаточно надежны в работе. Однако необходимость повышения эффективности  использования базовых машин  требует дальнейшего совершенствования, как самих машин, так и их силовых  установок.

Особенности конструкций  и тенденции развития ДВС определяются требованиями к базовым машинам, в связи с чем, автотракторные двигатели должны удовлетворять  следующим основным требованиям:

- развитие необходимой  мощности при различных скоростях  движения базового тягача; хорошая  приемистость при трогании и при изменении его рабочих режимов; быстрая приспособляемость к работе на переменных режимах в зависимости от условий эксплуатации;

- максимальная экономичность  на всех режимах работы;

- низкая себестоимость, достигаемая  за счет обеспечения технологичности  конструкций деталей, снижения  их массы и применения полноценных  заменителей металлов;

- высокая удельная мощность  и малые габариты;

- надежность работы; удобство в эксплуатации, простота и удобство технического обслуживания и ремонта;

- низкие степень токсичности  отработавших газов и уровень  шума при работе;

- перспективность конструкции,  позволяющая производить ее дальнейшую  модернизацию путем форсирования  мощности двигателя и улучшения  его показателей в соответствии  с уровнем развития техники.

Разработка и внедрение  новой конструкции ДВС является трудоемким и дорогостоящим процессом. Средний срок от разработки новой  конструкции ДВС до ее внедрения  составляет 5 лет, а экономически целесообразное время производства ДВС с учетом последующих модификаций, не затрагивающих  основных корпусных деталей и  не требующих коренного переоборудования производства, составляет от 10 до 15 лет. Поэтому уже на стадии проектирования в конструкцию ДВС должны быть заложены решения, отвечающие тенденциям развития двигателестроения в целом, вопросам экономии сырьевых и энергетических ресурсов, охраны окружающей среды  и пр.

 Выполнение теплового  расчета ДВС предполагает овладение  студентами практических навыков  проведения самостоятельного инженерного  расчета при определении основных  конструктивных параметров, мощностных  и экономических показателей  исходя из условий и режимов  эксплуатации.

Основанием для выполнения курсового проекта является индивидуальное задание в котором определены: назначение и тип двигателя; номинальная мощность N_e в кВт, тактность и номинальная частота вращения коленчатого вала n_N в об/мин; расположение (рядное или V-образное) и число цилиндров i; система охлаждения (жидкостная или воздушная); вид топлива; наличие турбонаддува, рекомендуемый прототип двигателя.

Двигатель В - 400  - восьмицилиндровый, четырехтактный двигатель с наддувом, дизельный, жидкостного охлаждения.

 

 

 

Рисунок 1- общий вид двигателя

 

ОАО «ВгМЗ» является производителем дизельных двигателей мощностью 240…340 кВт для бульдозеров, трубоукладчиков и силовых установок для привода бурового оборудования, насосных и компрессорных установок. 
 Изделия завода используются в различных отраслях хозяйствования многих стран это разведка, добыча нефти и газа, строительство дорог и сооружений, автономное снабжение различных потребителей электроэнергией. Одновременно с совершенствованием выпускаемой продукции, предприятие постоянно занимается созданием новой техники: с 1989 года завод выпускает двигатели В-400, устанавливаемые на тракторы Т-330А, а с 1990 года приступил к выпуску двигателей серии В-500, предназначенных для установки на тяжелые промышленные тракторы Т-25 класса тяги 25 тонн, железнодорожные путеремонтные машины, буровые установки и другую технику.

Дизельный двигатель В 400 производства ОАО "ВгМЗ" (Россия, г. Волгоград) - 8-ми цилиндровый с V-образным расположением цилиндров, 4-х тактный с воспламенением от сжатия, непосредственным впрыском топлива, воздушным охлаждением, с механическим регулятором частоты вращения. 

Двигатель В 400 оснащен турбонаддувом и промежуточным охладителем наддувочного воздуха в теплообменнике типа «воздух-воздух». Двигатель рассчитан на эксплуатацию при температурах наружного воздуха от -50°С до +50°С, относительной влажности воздуха до 98% при +25°С, запыленности воздуха до 0,4 г/м³ и в районах, расположенных на высоте до 4500 м над уровнем моря. Двигатель предназначен для установки на транспортные средства повышенной проходимости, автомобили, шасси, самосвалы, лесовозы; на специальную технику, на тяжелые промышленные тракторы, бульдозеры комбайны и другие с/х машины.

 
 Общая характеристика двигателя В 400:

• Тип топлива: дизельный
• Число цилиндров: 8
• Тактность двигателя: 4
• Расположение цилиндров: V
• Диаметр и ход поршня: 150*160 мм
• Рабочий объем: 22.6 л
• Степень сжатия: 14.5
• Номинальная мощность: 305 кВт
• Частота вращения коленвала: 1750об/мин
• Расход топлива: 240(г/кВт*час)
• Масса: 2130 кг
• C турбонаддувом

 

 

МЕТОДИКА ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА  ДВС

 

Тепловой расчет ДВС предусматривает  выполнение следующих разделов: - обоснование  и выбор исходных данных;

• расчет рабочего цикла двигателя;
• определение индикаторных и эффективных показателей;
• определение размеров цилиндра и других параметров двигателя;
• тепловой баланс двигателя;
• расчет и построение индикаторной диаграммы, внешней скоростной характеристики двигателя.

 

 

1 ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

 

Главной тенденцией в развитии современных автотракторных двигателей является повышение их мощностных и  экономических показателей при  одновременном снижении массы и  габаритов. В соответствии с этой тенденцией наблюдается рост таких  параметров, как степень сжатия, среднее эффективное давление, литровая и поршневая мощность, частота вращения коленчатого вала, надежность работы двигателя при соответствующем уменьшении его удельной массы и удельного расхода топлива.

Поскольку в задании на проектирование такие данные как: назначение, тип, мощность, тактность, частота вращения коленчатого вала двигателя, применение наддува указаны, дальнейшая задача подготовки исходных данных заключается в выборе:

- предварительных размеров  цилиндров; 

- параметров окружающей  среды;

- элементарного состава,  физико-химической и технической  характеристик топлива, параметров  рабочего тела;

- степени сжатия;

- показателей подогрева  заряда в процессе впуска;

- параметров процесса  впуска и остаточных газов;

- суммарного коэффициента  сопротивления впускной системы;

- показателя политропы сжатия и расширения;

- коэффициента использования  теплоты.

При выборе исходных данных следует познакомиться с рекомендациями изложенными в литературных источниках, и рекомендациями приведенными ниже.

Размеры цилиндра диаметр D и ход поршня S являются основными конструктивными параметрами двигателя. Диаметр D (мм) цилиндра современных автотракторных двигателей зависит в основном от типа и назначения двигателя и изменяется в пределах 60…150 мм. Принимаем D = 150мм.

Ход поршня обычно характеризуется  относительной величиной S/D, непосредственно  связанной со скоростью поршня.  В зависимости от величины S/D различают  двигатели короткоходные (S/D>1) и длинноходные (S/D<1).  При выборе отношения S/D необходимо учитывать следующие обстоятельства. С уменьшением S/D снижается габаритная высота двигателя, а за счет уменьшения средней скорости поршня, механические потери мощности и скорость изнашивания деталей, улучшаются условия размещения клапанов и создаются предпосылки для увеличения их размеров, а в связи с возможностью увеличения диаметров коренных и шатунных шеек повышается жесткость коленчатого вала. С другой стороны, при этом увеличивается габаритная длина двигателя и длина коленчатого вала, повышаются нагрузка на детали от давления газов и сил инерции, уменьшается высота камеры сгорания и ухудшается ее форма, что приводит к ухудшению условий смесеобразования в дизелях. В связи с противоречивым характером зависимости качеств двигателя от отношения S/D выбор этого параметра должен основываться на его всестороннем анализе для каждого конкретного типа двигателя.

Безусловно, целесообразным следует считать уменьшение отношения  S/D при повышении быстроходности двигателей. Особенно это выгодно для V-образных двигателей, так как позволяет получать оптимальные массовые и габаритные показатели.

Для современных моделей  двигателей автотракторного типа значения S/D составляют: для тракторных дизелей  1,1 … 1.3. Принимаем S/D = 1,067.

Скорость поршня v является критерием быстроходности двигателя. В зависимости от величины  v  двигатели подразделяются на тихоходные (v < 6,5 м /с) и быстроходные (v > 6,5 м/c). Быстроходный двигатель. Принимаем   v = 9 м/с. 

Параметры окружающей среды характеризуются давлением и температурой. Для курсовой работы принимаю:

Для атмосферных условий: p_o = 0,1 МПа; T_o = 293К.         (1)

Давление окружающей среды  для дизелей с наддувом p_к = p_o = 0,1 МПа.

Температура окружающей среды  для дизелей с наддувом T_к = T_o = 293К.

Элементарный  состав топлива. Жидкое моторное топливо нефтяного происхождения характеризуется следующим элементарным составом по массе:

C + H + O = 1 кг,                                                      (2)

где C, H и O — массовые доли соответственно углерода, водорода и кислорода в 1 кг топлива.

При выполнении расчетов рабочего цикла двигателя, помимо элементарного  состава топлива, необходимо задать удельную низшую теплоту сгорания Н_u и среднюю молярную массу m_т топлива, представленных в таблице 1.

Под низшей теплотой сгорания понимается количество теплоты, которое  выделяется при полном сгорании топлива, но без учета теплоты конденсации  водяного пара.

Для полного сгорания массовой или объемной единицы топлива  необходимо  вполне определенное количество воздуха, которое называется теоретически необходимым и определяется по элементарному  составу топлива. Для жидких топлив

                                     

                                                                                                                   (3)

                                                 l₀ = μ₀*L₀,

                              l₀ = 28,96 * 0,4994 = 14,4522                                            (4)

 

где L₀ - теоретически необходимое количество воздуха в кмоль для сгорания 1 кг топлива, кмоль возд./ кг топл.;

0,208 – объемное содержание  кислорода в 1 кмоль воздуха;

l₀ - теоретически необходимое количество воздуха в кг для сгорания 1 кг топлива, кг возд./ кг топл.;

0,23 – массовое содержание  кислорода в 1 кг воздуха,

μ₀  = 28,96 кг/ моль – масса 1 кмоль воздуха.

Значения L₀ и l₀ приведены в таблице 1.

 

Таблица 1. Некоторые свойства дизельного топлив

Параметр	С	Н	О	Нu, КДж/кг	mт, кг/кмоль	l0, кг возд./ кг топл	L0, кмоль возд./ кг топл
Дизельное топливо	0,87	0,126	0,004	42440	180-200	14,452	0,5

 

Коэффициент избытка  воздуха представляет собой отношение действительного количества воздуха l (или L), участвующего в сгорании 1 кг топлива, к теоретически необходимому количеству воздуха l₀ (или L₀) и определяет состав горючей смеси. Его значение зависит от типа смесеобразования, условий воспламенения и сгорания топлива, а также от режима работы двигателя. Принимаю ₌1,7.

Уменьшение  коэффициента избытка воздуха  до возможных пределов уменьшает размеры цилиндра и, следовательно, повышает литровую мощность дизеля, но одновременно с этим значительно возрастает тепловая напряженность двигателя, особенно деталей поршневой группы, увеличивается дымность выпускных газов.

Количество свежего заряда (горючей смеси) М₁ для дизельных двигателей определяется как:

М₁ =

* L₀,

М₁ = _{1,7*0,4994 =0,8490}  кмоль св. зар/кг топл.                               

(5)

Количество отдельных  компонентов продуктов сгорания

(6)

             

   (7)

Общее количество продуктов  сгорания

         (8)

Степень сжатия ε определяется способом смесеобразования (внутреннее или внешнее), конструктивными особенностями двигателя, свойствами топлива, наличием наддува и т. п. В двигателях с воспламенением от сжатия выбор ε зависит в основном от способа смесеобразования и исходит из условия обеспечения надежного воспламенения топливно-воздушной смеси на всех режимах работы, включая пуск холодного двигателя. Пределы изменения степени сжатия: для дизелей с с наддувом от 14 до 17. Принимаем ε = 14,5