Параметры окружающей среды и остаточные газы

Вариант 19

Выполнил студент гр. А-13-1 бз

Бродников А.А.

Проверил: ст. пр.

Щелудяков А.М.

Пермь 2015

Оглавление

1. Задание. 3

2. Цели и задачи. 4

3. Анализ конструкции. 5

4. Тепловой расчёт двигателя. 10

5. Параметры окружающей среды и остаточные газы.. 11

6. Процесс впуска. 11

7. Коэффициент остаточных газов. 12

8. Процесс сжатия. 12

9. Процесс сгорания. 13

10. Температура в конце видимого процесса сгорания. 14

11. Процесс расширения и выпуска. 15

12. Индикаторные параметры рабочего цикла. 15

13. Эффективные показатели двигателя. 16

14 Основные параметры цилиндра и двигателя. 16

15. Построение индикаторной диаграммы.. 18

16. Тепловой баланс двигателя. 19

17. Вывод. 21

18. Кинематический расчет. 23

18.1 Выбор λ и длины шатуна Lш. 23

18.2 Перемещение поршня (1, стр. 220) 23

18.3 Скорость поршня (1, стр. 220) 23

19. Динамический расчет. 26

19.1 Силы давления газов. 26

19.2 Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма. 26

19.3 Полные и удельные силы инерции. 27

5.4 Удельные суммарные силы. 27

19.5 Крутящие моменты. 30

Заключение. 37

Приложения. 38

Список литературы.. 44

Задание

Таблица 1 – Исходные данные

Цели и задачи

· Закрепление знаний по дисциплине в сочетании со знаниями, полученными ранее при изучении общетехнических и специальных дисциплин и их практическое применение к проектированию и расчету двигателя;

· Развитие творческих способностей при решении инженерно-конструкторских задач в двигателестроении;

· Привитие навыков по проектированию и выполнение инженерных расчетов, умению пользоваться справочной литературой;

· Получение практики по обоснованию применяемых решений и по критической оценке конструкции в процессе компоновки и конструктивной разработке двигателя, а также составлению технической документации.

Анализ конструкции

Данный дизельный двигатель ЯМЗ 238 турбо, несмотря на устаревшую конструкцию и средние технические показатели, имеет довольно широкое распространение. Благодаря тому, что автомобили с этим двигателем выпускались долгое время, и сейчас сохраняется большой спрос, вызванный надежностью, высокой ремонтопригодностью, широкому распространению запчастей на эти двигатели.

И в сравнении с заграничными аналогами двигатели ЯМЗ 238 поставляются по низкой цене. Именно по этому на новые модели техники устанавливают двигатели ЯМЗ 238. В настоящее время он был модернизирован для выполнения норма Евро-2, -3, и мощность двигателя повышена до 400 л.с.

Рис. 1. Продольный разрез двигателя: 1 — масляный картер; 2 — колен-

чатый вал; 3 — шатун; 4 — блок цилиндров; 5 — распределительный вал;

6 — вал привода топливного насоса; 7 — крышка распределительных

шестерен; 8 — фильтр тонкой очистки топлива: 9 — автоматическая

муфта опережения впрыска топлива; 10 — топливный насос высокого

давления: 11 — регулятор частоты вращения; 12 — турбокомпрессор;

13 — маховик; 14 — маслоприемник; 15 — пробка для спуска масла;

16 — масляный насос

Материал, из которого сделаны блоки цилиндров двигатель ЯМЗ 238 — серый чугун. Гильзы цилиндров так же отлиты из специального чугуна. На двигателе установлены две головки, по одной на каждый ряд. Так же стоит стальной кованный коленчатый вал, с противовесами. Так же идет 4-5 опор коленчатого вала. Поршни двигателя сделаны из алюминиевого сплава. Всего на поршне идет три компрессионных поршневых кольца и два масло съемных.

Стопорные кольца ограничивают осевое перемещение плавающих поршневых пальцев. Также установлены стальные кованые шатуны с косым разъемом нижней головки. Для запуска двигателя стартером, используется маховик со стальным зубчатым венцом.

Стальные штампованные оттяжные рычаги (4 штуки), установлены на игольчатых подшипниках. Между рычагами идет придаточное отношение 1:5,4. Установлено 28 штук цилиндрических нажимных пружин, витых из стальной проволоки. Вылитый из чугуна средний ведущий диск, связан шипами с маховиком.

По обе стороны ведомого диска, приклепаны фрикционные накладки. Сам же он штампованный, сделан из листовой стали. Двигатель использует шариковый упорный нажимной подшипник, с постоянной смазкой. Вылитая из стали муфта выключения сцепления, смазывается через гибкий шланг и пресс-масленку. Картер прикреплен болтами с одной стороны к картеру коробки передач, с другой стороны к картеру маховика.

Рис. 2. Поперечный разрез, двигателя: 1 — масляный насос; 2 - ко-

ленчатый вал; 3 — шатун; 4 — стартёр; 5 - распределительный вал;

6 — гильза; 7 — блок цилиндров; 8 — выпускной трубопровод;

9 — форсунка; 10 — головка цилиндра; 11— впускнойтрубопро-

вод; 12 — турбокомпрессор; 13 — топливный насос высокого дав-

ления; 14 — поршень

Двигатели ЯМЗ 238 турбо устанавливаются на автомобили моделей МАЗ 54322 и МАЗ 64227. Востребованность и популярность дизельных двигателей ЯМЗ 238 объясняется надежностью и высокими показателями мощности. Это обусловлено наличием восьми цилиндров. Также одно из преимуществ в эксплуатации — увеличенный ресурс двигателя ЯМЗ 238 на 15%. Это дает возможность пользоваться транспортом в холодную погоду.

Тяговые показатели двигателя ЯМЗ 238 — это большое преимущество, заключающееся в том, что у двигателя большая номинальная мощность при меньших оборотах коленвала. Кроме того, поскольку доступ ко всем узлам дизеля прост, это делает их удобными в обслуживании и эксплуатации.

Также можно экономить при эксплуатации мотора, за счет использования недорого моторного масла и трансмиссионного масла, это еще один плюс дизельного двигателя ЯМЗ 238. За счет повышенной приемистости дизеля, тяговые показатели машины также повышаются, что немаловажно при транспортировки тяжелых грузов.

ЯМЗ 238 — дизельный, 8-цилиндровый двигатель. Расположение цилиндров V-образное, турбонаддув, жидкостное охлаждение, непосредственный впрыск топлива, четырехтактный, с воспламенением от сжатия. На транспортном средстве установлен теплообменник типа «воздух-воздух» с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха.

Диаметр установленных цилиндров 130 мм.

Объем рабочих цилиндров 14,86 л.

Ход поршня 140 мм.

Мощность двигателя 300 кВт (л.с).

Частота вращения 2000 об/мин.

Степень сжатия 16,5.

Максимальный крутящий момент 1274 Н•м (или 130 кгс•м).

Достигаемая частота при максимальном крутящем моменте 110-1300 об/мин.

Минимально допустимый удельный расход топлива 195 г/кВт•ч (или 195 г/л.с.•ч)

Используемое сцепление ЯМЗ-238ВК7

Габариты двигателя — 2,26х1 и 0,45х1,10 м.

Масса двигателя — 1615 кг.

Модель генератора 1702.3771.

Тип ТНВД 173.6-01.

Применяется на самосвалах КрАЗ-7133Сб и КрАЗ-7133С4;

Двигатели ЯМЗ 238 турбо используют более чем в 300 изделиях российского, украинского и белорусского производств, включая такие машины: железнодорожные краны, самосвалы, путиремонтные машины. Так же устанавливают дизельные двигатели этой серии на автогрейдеры, трубоукладчики, промышленные машины и дорожно-строительную технику, включая фронтальные погрузчики; и используются в дизельных электростанциях. Выбросы отработанных газов двигателя, подходят под экологические стандарты Европы.

В зависимости от температурных условий подбирается топливо для ЯМЗ 238 турбо. Смазки и масла должны соответствовать определенной марке, и быть без содержания различных кислот, воды и примесей. Масла должны позволять двигателю работать без перебоев и защищать его от коррозии и окислительных воздействий.

Для обеспечения хорошей проводимости тепла от нагретых деталей двигателя, необходимо использовать охлаждающую жидкость. Однако возможно использовать мягкую чистую воду, главное, чтобы не оставляла накипь на деталях системы охлаждения двигателя.

Тепловой расчёт двигателя

Выбор топлива

В соответствии с заданием типом двигателя принимаем дизельное топливо (для работы в летних условиях - марки Л, для работы в зимних условиях - марки З). В соответствии с ГОСТ 305-82 цетановое число не менее 45.

Средний элементарный состав и молекулярная масса топлива:

С = 0,870;Н = 0,126;О=0,004;

Низшая теплота сгорания топлива (1/стр.55):

Н_u = 33,91С + 125,60Н - 10,89(О - S) - 2,51(9Н + W)=33,9·0,870 + 125,6·0,126 - 10,89·0,004 - 2,51·9·0,126 = 42,44 МДж/кг =42440 кДж/кг.

Параметры рабочего тела

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания одного килограмма топлива (1/стр.48):

В соответствии с заданием принимаем α=1,6, где α - коэффициент избытка воздуха. Количество свежего заряда (1/стр.50):

При полном сгорании топлива продукты сгорания состоят из углекислого газа СО₂, водяного пара Н₂О, избыточного кислорода О₂ и азота N₂.

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания (1/стр.51):

Углекислого газа

водяного пара

избыточного кислорода

Азота

Общее количество продуктов сгорания жидкого топлива(1/стр.52):

Процесс впуска

Температура подогрева свежего заряда:

Принимаем температуру подогрева свежего заряда

Плотность заряда на впуске (1/стр.68):

где R_В = 287 Дж/кг град - удельная газовая постоянная для воздуха.

Потери давления на впуске (1/стр.68):

В соответствии со скоростным режимом работы двигателя и с учетом небольших гидравлических сопротивлений во впускной системепринимаем

Где β– коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра; –коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому сечению; – средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы.

Тогда потери на впуске двигателя с впрыском топлива , рассчитывается по формуле:

Давление в конце впуска (1/стр.67):

Процесс сжатия

При работе дизеля на средних режимах можно с достаточной точностью принять показатель политропы сжатия равным показателю адиабаты, который определяется по номограмме:

При ε=15,3 и Т_а=384.7 К принимаем k₁=1,3623, n₁=1,363

Давление в конце сжатия (1/стр.73):

Температура в конце сжатия (1/стр.72):

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия таблица 3.7 (1/стр.59):

а) воздуха

Где

б) остаточных газов (находим методом интерполяции по табл. 3.9 (1/ стр.60))

в) рабочей смеси (1/стр.74):

Процесс сгорания

Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси (1/стр.53):

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси (1/стр.54):

Теплота сгорания рабочей смеси (1/стр.57):

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания (1/стр.59):

Величина коэффициента использования теплоты для дизелей с неразделенными камерами сгорания и хорошо организованным смесеобразованием лежит в пределах (1/стр.76). При наддуве в связи с повышением теплонапряжённости двигателя и созданием более благоприятных условий для протекания процессов сгорания принимается .

Степень повышения давления в дизеле: с целью снижения газовых нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма принимаем для дизеля с наддувом λ=1.5.

Тепловой баланс двигателя

дизельный двигатель сгорание грузовой

Тепловой баланс в общем виде (1/стр.140):

общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом.

Теплота эквивалентная эффективной работе за 1 сек. (1/стр.140):

Теплота, передаваемая окружающей среде (1/стр.140):

где:

C - коэффициент пропорциональности (для четырехтактных двигателей) принимаем С=0,48;

m - показатель степени (для четырехтактных двигателей)

принимаем m=0,68.

Теплота, потерянная с отработавшими газами:

находим методом интерполяции по таблице 3.9 при , (1/стр.60):

находим методом интерполяции по таблице 3.6 при ,

, (1/стр.58):

Неучтенные потери тепла:

Таблица 2 - Cоставляющие теплового баланса

Таблица 3 - Сравнение показателей проектируемого двигателя с показателями заданного прототипа

Параметр	n, об/мин	,л			,кВт	,Нм
Прототип		14,86	15,2	1,077
Расчетный ДВС		12,04	15,3	1,087	232.1	985.6

Вывод

В спроектированном двигателе из-за увеличения степени сжатия с 15,2 до 15,3 уменьшилась литровая мощность на 17 %. Также из-за уменьшения мощности двигателя на 2 % уменьшился эффективный крутящий момент на 13 %. Степень сжатия увеличена за счет уменьшения объема двигателя.

Кинематический расчет

18.1 Выбор λ и длины шатуна Lш.

В целях уменьшения высоты двигателя с учетом опыта отечественного дизелестроения оставляем значение λ=0,270, как уже принято предварительно в тепловом расчете. В соответствии с этим (1, стр. 220)

Динамический расчет

Силы давления газов.

Индикаторная диаграмма полученная в тепловом расчете, развертывается по углу поворота кривошипа по методу Брикса.

Масштабы развернутой диаграммы: Ms=1мм в мм, масштаб давлений Мр=0,05 МПа в мм, угла поворота кривошипа Мφ=3° в мм.

Поправка Брикса (1, стр. 222)

По развернутой диаграмме через каждые 30° угла поворота кривошипа определяют значения Δрг=рг-р0 и заносим в приложение 2.

Удельные суммарные силы.

Удельная суммарная сила (МПа), сосредоточенная на оси поршневого пальца (1, стр. 224)

Значения заносят в приложение 2

По данным приложений.2, 3 строим графики изменения удельных сил в зависимости от изменения угла поворота коленчатого вала φ.

Рис. 6. График изменения сил р, Δрг,рj в зависимости от угла поворота коленчатого вала

Удельные силы , , и определяем аналитическим методом.

Удельная нормальная сила (МПа) . Значения определяем для λ=0,270 по табл. 8.2 и со значениями заносим в приложение. 3.

Удельная сила (МПа), действующая вдоль шатуна (1, стр. 224)

.

Значения заносим в приложение 3.

По данным приложения 3 строим графики изменения сил в зависимости от изменения угла поворота коленчатого вала φ.

Рис. 7. График изменения сил рs, рN в зависимости от угла поворота коленчатого вала

Удельная сила (МПа), действующая по радиуса кривошипа (1, стр. 224)

Значения заносим в приложение 3.

Удельная и полная тангенциальные силы (МПа и кН): (1, стр. 224)

Значения и Т заносим в приложение 3.

По данным приложений 3 строим графики изменения удельных сил в зависимости от изменения угла поворота коленчатого вала φ.

Рис. 8. График изменения сил рk, рT в зависимости от угла поворота коленчатого вала

Среднее значение удельной тангенциальной силы за цикл:

По данным теплового расчета (1, стр. 224)

Крутящие моменты.

Крутящий момент одного цилиндра

[1, стр. 224]

Изменение крутящего момента цилиндра в зависимости от φ выражает кривая .

Период изменения крутящего момента четырехтактного дизеля с равными интервалами между вспышками

[1, стр. 224]

Суммирование значений крутящих моментов всех восьми цилиндров двигателя производится табличным методом через каждые 30° угла поворота коленчатого вала (см. приложение.4) по данным приложения. 3. По полученным данным строим кривую Мкр.

Средний крутящий момент двигателя:

По данным теплового расчета:

(27) [1, стр. 224]

Максимальное и минимальное значения крутящего момента двигателя (рис.4):

Мкр.max=2715 Н*м

Мкр. Min=283 Н*м

Рис.9. Изменение крутящего момента

Заключение

В ходе данной курсовой работы были проведены расчет теплового баланса двигателя, расчет кинематики и динамики двигателя и расчет основных деталей и систем двигателя ЯМЗ-238. На основании этих расчетов были построены диаграммы и графики, характеризующие работу данного двигателя и действующих на шатунно-поршневую группу сил и моментов при номинальном режиме работы. Была дана сравнительная характеристика технических параметров двигателя и параметров, полученных в результате проведенных расчетов.

В тепловом расчёте определена эффективная мощность, максимальный крутящий момент проектируемого двигателя, степень сжатия и сравнение их с показателями прототипа двигателя. Для этого необходимо было рассчитать процессы рабочего цикла: впуск, сжатие, сгорание, расширение, а затем определить характерные точки индикаторной диаграммы; определить индикаторные и эффективные показатели рабочего цикла; вычислить основные размеры двигателя.

В кинематического расчете была определена длина шатуна, построены графики перемещения, скорости и ускорения поршня.

В динамическом расчёте кривошипно-шатунного механизма определены суммарные силы и моменты, возникающие от газовых сил и инерции. Индикаторная диаграмма, развернутая в диаграмму избыточных сил давления газов по углу поворота коленчатого вала; определены масса деталей для нахождения сил инерции, возникающих от поступательно движущихся масс; вычислены удельные суммарные силы, а по ним определены крутящий момент двигателя; построены полярная диаграмма нагрузок на шатунную шейку и результирующую силу. По полярной диаграмме построена диаграмма износа шатунной шейки, по которой определяется положение оси масляного отверстия.

Приложения

Приложение 1

Результаты перемещения, скорости и ускорения поршня

φ°		Sx, мм		Vп, м/с		j, м/с2
					1,2700	4613,46
	0,0193	1,264	0,2198	3,39	1,2385	4499,03
	0,0761	4,985	0,4288	6,61	1,1465	4164,83
	0,1678	10,99	0,6169	9,52	1,0010	3636,28
	0,2898	18,98	0,7757	11,97	0,8129	2952,98
	0,4364	28,58	0,8989	13,87	0,5959	2164,69
	0,6013	39,39	0,9829	15,16	0,3650	1325,92
	0,7772	50,91	1,0265	15,83	0,1352	491,134
	0,9573	62,7	1,031	15,90	-0,0801	-290,97
	1,1355	74,38		15,43	-0,2700	-980,81
	1,3045	85,44	0,9386	14,48	-0,4273	-1552,2
	1,4612	95,71	0,8529	13,16	-0,5488	-1993,6
	1,6013	104,9	0,7491	11,56	-0,6350	-2306,7
	1,722	112,8	0,6331	9,77	-0,6897	-2505,4
	1,8218	119,3	0,5099	7,87	-0,7191	-2612,2
	1,8998	124,4	0,3831	5,91	-0,7310	-2655,5
	1,9555	128,1	0,2552	3,94	-0,7329	-2662,4
	1,9889	130,3	0,1274	1,97	-0,7311	-2655,8
				0,00	-0,7300	-2651,8
	1,9889	130,3	-0,1274	-1,97	-0,7311	-2655,8
	1,9555	128,1	-0,2552	-3,94	-0,7329	-2662,4
	1,8998	124,4	-0,3831	-5,91	-0,7310	-2655,5
	1,8218	119,3	-0,5099	-7,87	-0,7191	-2612,2
	1,722	112,8	-0,6331	-9,77	-0,6897	-2505,4
	1,6013	104,9	-0,7491	-11,56	-0,6350	-2306,7
	1,4612	95,71	-0,8529	-13,16	-0,5488	-1993,6
	1,3045	85,44	-0,9386	-14,48	-0,4273	-1552,2
	1,1355	74,38	-1,0000	-15,43	-0,2700	-980,81
	0,9573	62,7	-1,0310	-15,90	-0,0801	-290,97
	0,7772	50,91	-1,0265	-15,83	0,1352	491,134
	0,6013	39,39	-0,9829	-15,16	0,3650	1325,92
	0,4364	28,58	-0,8989	-13,87	0,5959	2164,69
	0,2889	18,92	-0,7757	-11,97	0,8129	2952,98
	0,1678	10,99	-0,6169	-9,52	1,0010	3636,28
	0,0761	4,985	-0,4288	-6,61	1,1465	4164,83
	0,0193	1,264	-0,2198	-3,39	1,2385	4499,03
			0,0000	0,00	1,2700	4613,46

Приложение 2

Силы давления газов

Приложение 3

Приложение 4

Крутящий момент

	Значения Rш.ш, кН, для лучей
	13,5	13,5									13,5	13,5
	22,5	22,5	22,5									22,5
	20,5	20,5	20,5									20,5
	11,5	11,5	11,5									11,5
	9,5	9,5	9,5	9,5
							56,5	56,5	56,5	56,5
	26,5									26,5	26,5	26,5 123Следующая ⇒ Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом... Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам... Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право... ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: