Курсовая работа по машиностроению на тему Расчет и проектирование автомобильного двигателя внутреннего сгорания

ВВЕДЕНИЕ

В данном курсовом проекте необходимо произвести расчет характеристик и конструктивных элементов автомобильного двигателя внутреннего сгорания, который должен обладать следующими техническими характеристиками:
Номинальная мощность двигателя, N_e,кВт ............................................................. ________195
Номинальная частота вращения, n_e,мин-1 ................................................................ ________2500
Степень сжатия, ε ...................................................................................................... ________17,5
Коэффициент избытка воздуха, α...............................................................................________1,3
Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, ................................................ ________0,28
Тип двигателя  предкамерный дизель

Так как степень сжатия ε="17,5" , следовательно, проектируемый двигатель является дизельным.

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ
Определение параметров рабочего тела
Проектируемый двигатель является дизельным. Элементарный состав дизельного топлива принимаем C =0,85%, H =0,14%, O =0,01%.
Необходимое количество воздуха для полного сгорания массовой и объемной единицы топлива:
L_O=1/0,21 (C/12+H/4-O/32)=1/0,21∙(0,85/12+0,14/4-0,01/32)=0,51 кмоль/кг (1.1)
l_O=1/0,23 (8/3 C+8H-O)=1/0,23∙(8/3∙0,85+8∙0,14-0,01)=14,68 кг/кг
где C, H, и O  количество углерода, водорода и кислорода.
Величина поступившего в цилиндры дизельных двигателей свежего заряда:
M_1=αL_O=1,3∙0,51=0,663 кмоль/кг (1.2)

Количество продуктов сгорания
При сгорании смесей с α≥1 углерод и водород топлива полностью окисляются. Количественное содержание продуктов сгорания будет иметь следующий состав:
M_2=∑_1^(i=4)▒〖M_i=M_(CO_2 )+M_(H_2 O)+M_(O_2 )+M_(N_2 ) 〗 (1.3)
Количество отдельных компонентов продуктов сгорания М_(СО_2 ), М_(H_2 O), M_(H_2 ), M_(N_2 ) на 1 кг топлива:
М_(СО_2 )=С/12=0,85/12=0,071 кмоль/кг
М_(H_2 O)=H/2=0,01/2=0,005 кмоль/кг (1.4)
M_(O_2 )=0,208(α-1) L_0=0,208∙(1,3-1)∙0,51=0,0318 кмоль/кг
M_(N_2 )=0,792αL_0=0,792∙1,3∙0,51=0,525 кмоль/кг
M_2=∑_1^(i=4)▒〖M_i=〗 0,071+0,005+0,0318+0,525=0,633 кмоль/кг

Параметры действительного цикла двигателя
Параметры процесса выпуска
При тепловом расчете двигателя задаемся давлением и температурой окружающей среды:
P_0="0,1" МПа; t_0="20" °С, T_0="20+273=293" К.
При работе двигателя с наддувом температурой и давлением окружающей среды принимаются параметры после компрессора: P_0=P_k, t_0=t_k.
При предварительных расчетах двигателя принимают давление остаточных газов, МПа:
P_r=(1,05...1,25) P_0=1,05∙0,1=0,105 МПа
Температуру остаточных газов T_r рекомендуется принимать для дизелей T_r=600...900К, принимаем T_r="600 " К.

Параметры процесса впуска
Величина температуры подогрева заряда ΔT для дизелей ΔT="10...40" К; принимаем ΔT=30 К.
Плотность заряда на впуске, кг/м3,
ρ_0=P_0/(BТ_0 )⋅10^6=0,1/(287∙293)⋅10^6=1,189 кг/м3 (1.8)
где B =287 Дж/(кгК)  удельная газовая постоянная для воздуха.
Потери давления на впуске, МПа,
ΔP=(β^2+ξ) (ω_вп^2)/2 ρ_0⋅10^(-6) (1.9)
где β  коэффициент затухания скорости движения заряда в цилиндре;
ξ  коэффициент сопротивления системы впуска;
ω_вп  средняя скорость заряда на впуске, м/с.
Значениями (β^2+ξ) и ω_вп при расчете задаются. Для автотранспортных двигателей рекомендуются следующие интервалы значений: (β^2+ξ) = 2,5...4; ω_вп= 50...130 м/с. Принимаем (β^2+ξ)=2,8; ω_вп=80 м/с;
ΔP=2,8∙〖80〗^2/2∙1,189=10653 Па ≈0,011 МПа
Таким образом, давление в конце впуска, МПа,
P_a=P_0-ΔP=0,1-0,011=0,089 МПа
Коэффициент остаточных газов γ_r характеризует степень очистки цилиндра от продуктов сгорания и может быть определен по выражению
γ_r=(T_0+ΔT)/T_r ⋅〖P_r〗_ /(εP_a-P_r )=(293+30)/710∙0,105/(17,5∙0,089-0,105)=0,0389 (1.10)
Температура заряда в конце впуска, К,
T_a= (T_0+ΔT+γ_r T_r)/(1+γ_r )=(293+30+0,0389∙600)/(1+0,0389)=333 К (1.11)
Величина, характеризующая качество процесса впуска,  коэффициент наполнения двигателя η_V:
η_V=T_0/(T_0+ΔT) 1/(ε-1) (εP_a-P_r ) 1/P_0 =293/(293+30)∙1/(17,5-1)∙(17,5∙0,089-0,105)∙1/0,1=0,798 (1.12)
η_V для современных для дизелей с наддувом находятся в пределах: η_V= 0,8...0,97.

Параметры процесса сжатия
Процесс сжатия характеризуется показателем политропы сжатия, температурой, давлением и теплоемкостью рабочего тела в процессе сжатия. Величина показателя политропы сжатия n_(1 )определяется на основании опытных данных в зависимости от степени сжатия двигателя и температуры в конце впуска T_a для дизелей:
n_(1 )=(K_1-0,02)...(K_1+0,02);
где K_1  показатель адиабаты сжатия, определяется по номограмме. K_1≈1,373
n_(1 )=(1,373-0,02)...(1,373+0,02); принимаем n_(1 )=1,375
Давление в конце процесса сжатия определяется по формуле, МПа.
P_c=P_a ε^(n_1 )=0,089∙〖17,5〗^1,375=4,56 МПа (1.13)
Температура рабочего тела в конце процесса сжатия, К,
T_c=T_a ε^(n_1-1)=333∙〖17,5〗^(1,375-1)=974 К (1.14)
Расчетные значения величин P_c и T_c для дизелей р_С = 3,5...5,5 МПа; Т_С =700...900 К. Для двигателей с наддувом данные значения повышаются, в зависимости от степени наддува.

Определение теплоемкости рабочей смеси
Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси зависит от теплоемкости свежего заряда, а также от теплоемкости и количества отдельных составляющих остаточных газов, кДж /(кмоль К),
(mC_V^' )_(t_0)^(t_C )=1/(1+γ_r ) ((mC_V )_(t_0)^(t_C )+γ_r (mC_V^″ )_(t_0)^(t_C ) ). (1.15)
Средняя мольная теплоемкость свежего заряда в конце процесса сжатия принимается равной теплоемкости воздуха, кДж/(кмольК)
(mC_V )_(t_0)^(t_с )=20,6+0,002638t_C=20,6+0,002638∙701=22,44 кДж/(кмольК) (1.16)
где t_c=T_c-273=974-273=701℃
Значения величины m〖C_V〗^″ процесса сжатия определяются по эмпирическим формулам, приведенным в таблице 1.1, для интервала температур t_C-t_0=0...1500°С.
(mC_V^″ )_(t_0)^(t_C )=1/M_2 (M_(CO_2 ) (mC_(V_(CO_2 ))^″ )_(t_0)^(t_C ) ┤+М_(H_2 O) (mC_(V_(H_2 O))^″ )_(t_0)^(t_C )+
+M_(O_2 ) (mC_(V_(O_2 ))^″ )_(t_0)^(t_C )+M├ N_2 (mC_(V_(N_2 ))^″ )_(t_0)^(t_C ) ) (1.17)
Полученные средние значения теплоемкости рабочей смеси должны лежать в пределах кДж/(кмоль⋅К)

Таблица 1.1 - Средние мольные теплоемкости процесса сжатия
Газ
Формула , кДж/(кмоль⋅К)

0 ...1500 0С 0С
Воздух  20,6 + 0,002638 t_c 22.58
Углекислый 27,941+0,019t_c5,48710-6t_с^2 38.56
Водяной пар H_2 O 24,953+0,005359t_c 28.71
Кислород О_2 20,93+0,004641 t_c0,84  10-6 t_с^2 23.77
Азот N_2 20,398+0,0025 t_c 22.15

Тогда
(m〖C_V〗^″ )_20^701=1/0,633∙(0,071∙38,56+0,005∙28,717+0,0318∙23,77+0,525∙22,15)=24,11 кДж/(кмоль⋅К)
(m〖C^'〗_V )_20^749,89=1/(1+γ_r ) ((mC_V )_20^701+γ_r (mC_V^'' )_20^701 ) (1.18)
(m〖C^'〗_V )_20^701=1/(1+0,0389)∙(22,44+0,0389∙24,11)=22,507 кДж/(кмоль⋅К)

Параметры процесса сгорания
Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси
μ_0=M_2/M_1 =0,633/0,663=0,954 (1.19)
При сгорании топлива действительный коэффициент изменения рабочей смеси должен учитывать наличие в рабочей смеси некоторого количества остаточных газов от предыдущего цикла
μ=(μ_0+γ_r)/(1+γ_r )=(0,954+0,0389)/(1+0,0389)=0,955 (1.20)
При известном элементарном составе жидкого топлива низшая теплотворная способность топлива определяется по формуле Д.И. Менделеева, МДж/кг,
H_u=33,91C+103,0H-10,89(0-S)-2,51W (1.21)
H_u=33,91∙0,85+103,0∙0,14-10,89∙(0,01-0)-2,51∙0,005=43,122 (МДж/кг)= 43122 кДж/кг
где W=М_(H_2 O)  количество водяных паров в продуктах сгорания массовой единицы топлива.
В результате сгорания рабочей смеси в цилиндре двигателя выделяется некоторое количество теплоты, кДж/кмоль рабочей смеси, при α≥1, ΔH_u=0:
H_(Р.СМ)=(H_U-ΔH_U)/(M_1 (1+γ_r ) )=(43122-0)/(0,663∙(1+0,0389))=62605 кДж/кмоль (1.22)
Для определения температуры рабочего тела в конце процесса сгорания определяем среднюю мольную теплоемкость продуктов сгорания кДж/(кмоль К),
(mC_V^″ )_(t_c)^(t_Z )=1/M_2 (M_(CO_2 ) (mC_(V_(CO_2 ))^″ )_(t_c)^(t_Z ) ┤+М_(H_2 O) (mC_(V_(H_2 O))^″ )_(t_c)^(t_Z )+
+M_(O_2 ) (mC_(V_(O_2 ))^″ )_(t_c)^(t_Z )+M├ N_2 (mC_(V_(N_2 ))^″ )_(t_c)^(t_Z ) ) (1.23)