Рабочие процессы и экологическая безопасность транспортных двигателей: Методические указания к курсовому проектированию

Министерство образования Российской Федерации Северо-Западный государственный заочный технический университет Кафедра автомобильного транспорта

Рабочие процессы и экологическая безопасность транспортных двигателей Методические указания к курсовому проектированию

Факультет экономики, менеджмента и автомобильного транспорта Специальность 240100-организация перевозок и управление на транспорте Направление 551400-наземные транспортные системы

Санкт-Петербург 2001

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 629.113:621.43(07) Рабочие процессы и экологическая безопасность транспортных двигателей: Методические указания к курсовому проектированию. –СПб.: СЗТУ, 2001,- 14с. Методические указания регламентируют содержание, последовательность выполнения и объем курсовой работы по дисциплине, а также предлагают литературные источники, необходимые для решения поставленных в курсовой работе задач. Рассмотрено на заседании кафедры автомобильного транспорта СЗТУ 23 января 2001 г. протокол № 5, одобрено методической комиссией факультета экономики, менеджмента и автомобильного транспорта 19 февраля 2001г. протокол № 6.

Рецензенты: кафедра автомобильного транспорта СЗТУ (зав. каф. А.Б. Егоров, канд. техн. наук, доц.), О.В. Гладков, канд. техн. наук, доц. кафедры технической эксплуатации и ремонта автомобилей АДИ и СПб ГАСУ

Составители: В.А. Алексеев, канд. техн. наук, доц.; Ю.И. Сенников, канд. техн. наук, доц.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2001 2

ВВЕДЕНИЕ Двигатель, являясь сложной механической системой с быстро протекающими термохимическими и газодинамическими процессами, меняющимися механическими нагрузками на узлы и детали, в свою очередь входит в качестве важнейшего элемента в более сложную систему- автомобиль, технико-экономические характеристики которого во многом определяются показателями двигателя. В соответствии с учебной программой курса, курсовая работа включает тепловой и динамический расчеты. В настоящих методических указаниях даются рекомендации по поиску исходных материалов, содержанию и последовательности выполнения курсовой работы, а также ее оформлению. Подробное изложение порядка расчета каждого раздела приводится в рекомендованной литературе, страницы которой указаны в данных МУ. Методические указания рекомендуются также для дисциплины «Автомобильные двигатели: рабочие процессы» спец. 150200-автомобили и автомобильное хозяйство, направление 552100-эксплуатация транспортных средств.

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ. ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ Курсовое проектирование один из этапов изучения курса «Рабочие процессы и экологическая безопасность транспортных двигателей», целью которого является закрепление знаний, полученных студентами на лекционных и лабораторных занятиях. Курсовая работа- это самостоятельная творческая работа студента, задачей которой является получение навыков оценочного расчета показателей и параметров двигателя. Исходными материалами для выполнения курсовой работы являются данные, сформулированные в методическом сборнике [1]. Кроме основных данных для выполнения работы по рекомендованной технической литературе выбираются и некоторые другие исходные величины. Наряду с типовым заданием на курсовое проектирование, по согласованию с преподавателем, студенту может быть выдано индивидуальное задание как расчетного, так и исследовательского характера.

3

2. ТРЕБОВАНИЯ К СОДЕРЖАНИЮ, ОФОРМЛЕНИЮ И ОБЪЕМУ КУРСОВОЙ РАБОТЫ Курсовая работа выполняется в виде расчетно-пояснительной записки. Выполненная работа сдается преподавателю в сброшюрованном виде. По замечаниям руководителя студент дорабатывает курсовую работу, вносит необходимые исправления и представляет ее к защите. Завершающим этапом работы над курсовой работой является ее защита на комиссии, на которой оценивается не только полнота и качество самой работы, но и умение автора аргументировано доказывать правоту принятых технических решений. Расчетно-пояснительная записка должна содержать следующие разделы: Оглавление. Введение. 1. Задание на курсовое проектирование. 2. Тепловой расчет двигателя. 3. Динамический расчет двигателя. 4. Выводы. Литература. Приложение (программы расчета на ЭВМ и другие справочные материалы). Расчетно-пояснительная записка выполняется на листах писчей бумаги формата А4 (210 х 297мм), по тексту сопровождается необходимыми графиками, схемами, таблицами и должна отвечать общим требованиям к текстовым документам. Эти требования аналогичны требованиям, предъявляемым к пояснительной записке дипломного проекта [4]. Графики и схемы относятся к категории «рисунок» и должны иметь сквозную нумерацию и названия (например: Рис.1. Индикаторная диаграмма.). Располагаются они сразу после ссылки в тексте или на следующей (отдельной) странице. Таблицы имеют свою сквозную нумерацию и размещаются аналогичным образом. Выше названные материалы в пределах записки имеют сквозную нумерацию страниц с текстовыми листами. Графики и схемы выполняются карандашом на листах А4 [4]. При этом графики строятся только на миллиметровке. Текстовая часть записки должна быть написана разборчивым почерком, коротко, без лишних пояснений, повторений и выписок из учебников и литературных источников, на которые должны быть только ссылки по тексту. Необходимые для расчета формулы выписываются в буквенном обозначении, затем в них подставляются цифровые значения параметров и пишется результат расчета с обозначением размерности. 4

Если формула используется для повторяющихся расчетов с разными цифровыми значениями, эти значения в формулу не вписываются, а результаты расчета оформляются в виде таблицы. В том случае, если расчет выполняется на ЭВМ, в записке представляются распечатки, выданные вычислительной машиной. Все разделы и подразделы записки должны иметь цифровую рубрикацию (например, в разделе 5 подразделы 5.1, 5.2 и т.д.) и соответствовать оглавлению. Расчетно-пояснительная записка имеет объем 15…20 листов.

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО СБОРУ МАТЕРИАЛА И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ВЫПОЛНЕНИЯ РАСЧЕТНОПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ Во введении необходимо рассмотреть тенденции развития отечественного и зарубежного автомобильного двигателестроения, направления, способствующие улучшению конструкции, повышению надежности, экономичности, экологической безопасности и т. д. Заданием на курсовое проектирование являются данные, изложенные в [1].

3.1.ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ Тепловой расчет служит для определения мощностных и экономических показателей проектируемого двигателя, а также его основных размеров - диаметра цилиндра и хода поршня. Тепловой расчет начинается с выбора исходных данных. Часть из них (эффективная мощность, частота вращения коленчатого вала, число и расположение цилиндров, степень сжатия и коэффициент избытка воздуха) заданы и приведены в [1]. Другие выбираются по мере необходимости в соответствии с рекомендациями, изложенными в литературе [2]. При выполнении теплового расчета определяются: -параметры топлива и рабочей смеси, окружающей среды и остаточных газов; -параметры процесса впуска; -параметры процесса сжатия; -параметры процесса сгорания; -параметры процесса расширения; -индикаторные и эффективные показатели двигателя; -основные размеры цилиндра и конструктивные параметры двигателя. 5

Тепловой расчет завершается построением индикаторной диаграммы и внешней скоростной характеристики. Методика теплового расчета приводится в работе [2], с.3…14. Масштабы графиков рекомендуется принимать так, чтобы целым единицам изображенных величин соответствовали целые значения сантиметров миллиметровки (например: 1 МПа давления-2 см шкалы; 10 мм хода поршня -1 см шкалы и т. д.). При выполнении теплового расчета рекомендуется использовать ЭВМ. Такая программа имеется на кафедре и может быть реализована в кафедральном классе персональных ЭВМ (вариант расчета на ЭВМ приведен в приложении). Для выполнения расчета необходимо подготовить исходные данные в следующем порядке: 1. Степень сжатия - из таблицы исходных данных [1]; 2. Коэффициент избытка воздуха – из таблицы исходных данных [1]; 3. Низшая теплотворная способность топлива Ни, кДж/кг: -для карбюраторного двигателя (в дальнейшем КД) - 43930 кДж/кг; -для дизеля (в дальнейшем Д) - 42440 кДж/кг; 4. Состав топлива по элементам (массовые доли): Двигатель КД Д

С 0,855 0,87

Н 0,145 0,126

О 0 0,004

5. Константа К = 0,5; 6. Молекулярная масса топлива Мю топлива кг/кмоль: -для КД - 115; -для Д - 10000 (условная величина); 7. Температура и давление на впуске: Тк = 293 К, Рк = 0,1 МПа; 8. Коэффициент гидравлического сопротивления впускного тракта (бета 2 +дзета) выбирается в диапазоне 2,5…3; 9. Скорость воздуха на впуске Wкл, м/с, выбирается в диапазоне 50…90 м/с в зависимости от частоты вращения коленчатого вала; 10. Отношение давления на выпуске к давлению на впуске Рr/Рк выбирается в диапазоне 1,05…1,25 в зависимости от частоты вращения коленчатого вала; 11. Температура остаточных газов Тr, К: -для КД - 900…1100 К, -для Д - 600…800 К; 12. Подогрев воздуха на впуске дельта Т, К, выбирается в диапазоне 10…30 К; 6

13. Коэффициент дозарядки Фи 1 = 1; 14. Универсальная газовая постоянная R = 287 Дж/кг К; 15. Коэффициент очистки = 1; 16. Показатели адиабаты и политропы сжатия к1 = n1 = 1,36…1,38; 17. Коэффициент использования теплоты Кси z: -для КД - 0,85…0,95, -для Д - 0,8…0,88; 18. Степень повышения давления Лямбда задается только для дизеля в диапазоне 1,6…2,0; 19. Показатели адиабаты и политропы расширения к 2 = n 2 : -для КД - 1,23…1,3, -для Д - 1,18…1,28; 20. Коэффициент скругления индикаторной диаграммы Фиi: -для КД - 0,94…0,97, -для Д - 0,92…0,95; 21. Коэффициенты для определения среднего давления механических потерь: Двигатель КД i ≤ 6 КД i ≥ 8 Д

a 0,034 0,039 0,089

b 0,0113 0,0132 0,0118

Здесь i-число цилиндров; 22. Средняя скорость поршня Сп, м/с, задается предварительно в диапазоне: -для КД - 12…15 м/с, -для Д - 6…10 м/с; 23. Эффективная мощность Nе, кВт – из таблицы исходных данных [1]; 24. Частота вращения коленчатого вала n, об/мин – из таблицы исходных данных [1]; 25. Тактность = 4; 26. Число цилиндров i – из таблицы исходных данных [1]; 27. Отношение хода поршня к диаметру цилиндра К = S/D, выбирается в диапазоне 0,8…1,1 (возможно S/D = 1); 28. Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна Лямбда = r/Lш, выбирается в диапазоне 0,24…0,3; 29. Масштаб индикаторной диаграммы Мр = 0,05 МПа/мм. В процессе расчета производится коррекция по Тr и Сп путем сравнения заданных и полученных значений и повторения расчетов с новыми значениями соответствующих параметров до тех пор, пока 7

разница не станет меньше 2%. Рекомендуется в качестве очередного приближения подставлять на место заданного значения его полученную величину. Распечатка прилагается в разделе «Тепловой расчет» курсовой работы. Необходимо иметь в виду, что в таблице «Расчет индикаторной диаграммы», полученной по имеющемуся в программе алгоритму для дизельного двигателя, величина Рz (строка 13) определена неверно и необходимо вместо нее использовать значение Рz, полученное на этапе 4 расчета (см. приложение). Если индикаторная диаграмма строится по результатам расчета на ЭВМ, необходимо для этого использовать столбики «ход поршня» и Рг, МПа распечатки. При этом необходимо к каждому значению хода поршня прибавить величину Sс, имеющуюся в этой же таблице (см. приложение). Для дизельного двигателя нужно также определить положение точки z индикаторной диаграммы по формуле Sz = Sc⋅ро. Величина ро определена на этапе 5.

3.2. ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ Задачей динамического расчета является определение величин и характера изменения сил и моментов, действующих в кривошипношатунном механизме (КШМ). Динамический расчет КШМ выполняется для заданного режима в диапазоне угла поворота коленчатого вала от 0° до 690° с шагом 30° и производится в следующей последовательности: 1. Приведение масс частей КШМ – [2], с.14…15. 2. Развертка индикаторной диаграммы с помощью бицентровой диаграммы Брикса. [2],с.16. Если тепловой расчет осуществлялся на ЭВМ, то развернутая индикаторная диаграмма имеется в распечатке, и, следовательно, необходимость выполнения п.2 отпадает. 3. Определение сил и моментов, действующих в КШМ – [2], с.18…21. 4. Определение суммарного крутящего момента – [2], с.22. По результатам расчетов строятся следующие графики: -Рг, Рj, Р∑ = f(ϕ); -N, К, Т = f(ϕ); -М∑ = f(ϕ).

8

3.3. ВЫВОДЫ Выводы являются существенной составной частью курсовой работы. В них должны быть отражены следующие моменты: 1. Что конкретно сделано в курсовой работе. 2. В чем заключаются основные отличительные особенности рассчитанного двигателя по сравнению с аналогичными моделями. 3. На какой вид транспортного средства наиболее целесообразна установка рассчитанного двигателя.

ЛИТЕРАТУРА 1. Рабочие процессы и экологическая безопасность транспортных двигателей: Рабочая программа. Задание на курсовую работу. – СПб.: СЗПИ, 2000. 2. Алексеев В.А. Расчет автомобильных двигателей: Учеб. пособие. – СПб.: СЗПИ, 1996. 3. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. – М.: Высш. школа, 1980. 4. Проектирование дипломное. Общие положения. Оформление пояснительной записки. Оформление графической части. СТП.001-98. – СПб.: СЗПИ, 1998.

9

ПРИЛОЖЕНИЕ Тепловой расчет ДВС 1 – й ЭТАП Степень сжатия, [ ] := 8.50 Коэф. изб. возд., [ ] := .96 Ни, [ КДж/кг ] := 44000.00 С, [ мас.доля ] := .86 Н, [ мас.доля ] := .145 О, [ мас.доля ] := 0 К, [МН2/МСО] := .50 Мю топлива, [ кг/кмоль ] := 115.00 Lо, [ кмоль ] := .52 Lо, [ кг ] := 15.01 М1, [ кмоль/кгт ] := .51 М СО, [ кмоль/кгт ] :=.005810897 М Н2, [ кмоль/кгт ] :=.002905449 М Н2О, [ кмоль/кгт ] :=.069636058 М СО2, [ кмоль/кгт ] :=.065855769 М N2, [ кмоль/кгт ] :=.394476923 М О2, [ кмоль/кгт ] := 0 М2, [ кмоль/кгт ] := .54 Мю 0, М2/М1 := 1.06 2 – й ЭТАП Тк, [ К ] := 293.00 Рк, [ МПа ] := .01 (бета∗∗2+дзета), [ ] := 3.00 W кл, [ м/с ] := 85.00 Рr/Рк, [ ] := 1.20 Тr, [ К ] := 1035.00 Дельта Т, [ К ] := 5.00 Фи 1, [ ] := 1.00 R, [ Дж/кг∗К ] := 287.00 Коэф. очистки, [ ] := 1.00 РО к, [ кг/м∗∗3 ] := 1.19 Дельта Ра, [ МПа ] :=.012887824 Ра, [ МПа ] :=.087112176 Та, [ К ] := 336.88 Рr, [ МПа ] := .12 Коэф. ост. газов, [ % ] := 5.57 Коэф. наполнения, [ ] := .81

10

3 – й ЭТАП к1, [ n1, [ Рс, [ Тс, [

МПа К

] := ] := ] := ] :=

1.37 1.38 1.67 759.71

4 – й ЭТАП Кси z, [ ] := Лямбда(дизель), [ ] := Мю д, [ ] := Дельта Ни, [ КДж/кг ] := Н см, [ КДж/кг ] := Тz, [ К ] := Рz, [ МПа ] := Лямбда, [ ] :=

.86 .00 1.06 2365.87 77821.85 2899.39 6.75 4.04

5 – й ЭТАП к2, [ n2, [ ро, [ Дельта, [ Рb, [ Тb, [

МПа К

] := ] := ] := ] := ] := ] :=

Проверка Тr, [

К ] := Ошибка :=

1.27 1.26 1.00 8.50 .46 1662.10 Рассчитано 1065.55 2.95%

6 – й ЭТАП Рiнс, [ МПа ] := Фи i, [ ] := Рi, [ МПа ] := Эта i, [ ] := g i, [ г/кВт∗ч ] := a, [ МПа ] := b, [ МПа/м/с ] := Сп, [ м/с ] := Рм, [ МПа ] := Ре, [ МПа ] := Эта м, [ ] := g е, [ г/кВт∗ч ] := Эта е, [ ] :=

1.15 .95 1.09 .37 220.80 .049 .0152 13.20 .25 .84 .77 286.07 .29

11

Принято 1035.00

7 – й ЭТАП Nе, [ кВт ] := n, [ 1/мин ] := Тактность, [ ] := iVh, [ л ] := i, [ ] := Vh, [ л ] := К″, [ S/D ] := D, [ мм ] := S, [ мм ] := Vh′, [ л ] := Сп, [ м/с ] := Nе, [ кВт ] := Ме, [ Нм ] := Gт, [ кг/ч ] :=

55.00 5500.00 4.00 1.42 4.00 .36 .88 80.00 70.00 .35 12.83 54.48 94.59 15.58

РАСЧЕТ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ R, [ мм ] := Sс, [ мм ] := Fп, [ мм∗∗2 ] := Лямбда, [ r/Lш ] := mр, [ МПа/мм ] := NN Ход поршня, п/п мм Рr 1 .00 2 5.87 3 21.04 4 39.73 5 56.04 6 66.49 Ра 7 70.00 8 66.49 9 56.04 10 39.73 11 21.04 12 5.87 Рс 13 .00 Рz 13 .00 14 5.87 15 21.04 16 39.73 17 56.04 18 66.49 Рb 19 70.00 20

66.49

35.00 9.33 5026.55 .27 .05 Фи, град.пкв 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 360 390 420 450 480 510 540 570

рi/180= .0174533 Ра(Sc+S)∗∗n1 36.42 Рb(Sc+S)∗∗n2 112.65 Сжатие= .50 Рабочий ход= 1.93 Рг, МПа .1200 .0871 .0871 .0871 .0871 .0871 .0871 .0927 .1138 .1691 .3277 .8516 1.6698 6.7530 3.6516 1.5266 .8345 .5812 .4821 .4554

Рг, мм 3.00 2.18 2.18 2.18 2.18 2.18 2.18 2.32 2.84 4.23 8.19 21.29 41.75 168.83 91.29 38.17 20.86 14.53 12.05 11.39

Рг, Н 603.2 437.9 437.9 437.9 437.9 437.9 437.9 466.1 571.9 850.0 1647.0 4280.6 8393.6 33944.3 18355.1 7673.7 4194.8 2921.3 2423.5 2289.3

.1200

3.00

603.2

12

21 22 23 24 Рr 25

56.04 39.73 21.04 5.87 .00

600 630 660 690 720

.1200 .1200 .1200 .1200 .1200

3.00 3.00 3.00 3.00 3.00

13

603.2 603.2 603.2 603.2 603.2

Содержание Введение………………………………………………………………..3 1. Цели и задачи курсового проектирования. Исходные материалы для разработки…………………………………………………………..3 2. Требования к содержанию, оформлению и объему курсовой работы……………………………………………………………….4 3. Методические указания по сбору материала и последовательности выполнения расчетно-пояснительной записки……………………………………………………………....5 3.1.Тепловой расчет двигателя…………………………………….….5 3.2.Динамический расчет двигателя……………………………….…8 3.3.Выводы………………………………………………………….….9 Литература…………………………………………………………..…9 Приложение…………………………………………………..………..10

Сводный темплан 2001г. Лицензия № 020308 от 14.02.97 Редактор М.Ю. Комарова Подписано в печать Формат 60х84 1/16 Б. Кн . – журн. П. л. 1,0 Б. л. 0,5 РТП РИО СЗТУ Тираж Заказ 70 Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5

14