Дипломная работа по теме:
Двигатель мощностью Ne = 100 кВт для привода генератора
Введение
В современном мире двигатель внутреннего сгорания занимает одно из основных мест по энергопроизводству. По сравнению с любыми другими тепловыми двигателями он является наиболее экономичным. Высокая экономичность, малая металлоёмкость, надёжность и относительная долговечность делает этот тип тепловых двигателей универсальным в различных областях промышленности.
Одним из определяющих факторов при проектировании и выборе типа двигателя является экономичность. Топливо в ряде случаев составляет ощутимую долю массы транспортного средства и требует для своей перевозки увеличения габаритов средства, а, следовательно, и мощности двигателя. Кроме того, в виду современной ситуации на нефтяном рынке, ожидается постоянное удорожание горюче-смазочных материалов. Улучшение экономичности двигателя связано с ростом давлений и температур цикла, что ведёт в свою очередь к росту токсичности и шума. А это ещё одна проблема, с которой приходится постоянно сталкиваться, особенно при разработке двигателей используемых в крупных населённых пунктах. Таким образом, при проектировании двигателя учитываются следующие факторы:
Мощность должна обеспечивать технические параметры изделия, и в конструкцию должна быть заложена возможность повышения мощности.
Частота вращения вала отбора мощности должна обеспечиваться та, которую задаёт потребитель.
Число цилиндров выбирается минимальным для заданных эффективной мощности Ne и частоты вращения n при допустимом по параметрам вырабатываемой энергии значений среднего эффективного давления Pe.
Масса и габариты зависят от назначения двигателя, определяются литровой массой, числом и расположением цилиндров.
Экономичностью по горюче-смазочным материалам.
Так же при проектировании необходимо учитывать развитие науки и средств производства, применять новые технологии, обеспечивающие лучшие показатели по всем вышеуказанным параметрам, а также учитывать развитие существующих двигателей с учетом времени.
1. Выбор исходных параметров
Тип двигателя: дизель-генератор мощностью , .
1.1 Выбор прототипа
В качестве прототипа выбран двигатель 6V90°Ч13/14 ЯМЗ-236Г имеющий следующие характеристики:
Количество цилиндров: i = 6;
Расположение цилиндров: V-образное под углом 90°;
Диаметр цилиндра/ход поршня, см: 13/14;
Рабочий объем всех цилиндров, л: 11,15;
Степень сжатия ε: 16,5;
Номинальная мощность, кВт: 110;
Частота вращения коленчатого вала на номинальном режиме, об/мин: 1700.
1.2 Исходные данные
Мощность двигателя: ;
Условия окружающей среды: ; ;
Действительная степень сжатия: ;
Коэффициент избытка воздуха: ;
Частота вращения коленчатого вала: ;
Давление отработанных газов: ;
Коэффициенты использования теплоты: ;
Температура отработанных газов: ;
Механический КПД: ;
Теплотворная способность топлива: ;
Подогрев заряда от стенок цилиндров: ;
Состав топлива: ;
Максимальное давление цикла: ;
Коэффициент полноты диаграммы: .
Коэффициенты дозарядки и очистки объема цилиндра сжатия: ; .
2. Расчет рабочего процесса
.1 Расчет процесса наполнения
Определим давление в начале сжатия:
.
Определим коэффициент наполнения (для дизеля: и , ):
Расчёт γг (4-тактный двигатель без наддува):
.
Найдем температуру рабочей смеси в конце наполнения:
- это температура свежего заряда, получившего теплоту от внутренних стенок цилиндра и остаточных газов, оставшихся в цилиндре от предыдущего цикла.
.
2.2 Расчет процесса сжатия
В действительном рабочем цикле сжатие представляет процесс с переменным показателем политропы. Практически переменный показатель заменяется средним показателем , величина которого обычно лежит в пределах 1,32-1,39. Сжатие в большинстве случаев сопровождается в среднем некоторым теплоотводом от рабочего тела. Однако общая отдача теплоты незначительна и поэтому процесс сжатия в двигателях мало отличается от адиабатного.
;
определим из форумулы:
;
Пусть тогда в первом приближении:
, тогда .
Второе приближение:
, тогда .
Третье приближение:
, тогда .
Следовательно:
Температура в конце сжатия:
Давление в конце сжатия:
Средняя теплоемкость при сжатии:
.
2.3 Термохимический расчет и термодинамический расчет процесса сгорания
Для 1 кг топлива среднего состава массовые количества углерода, водорода и кислорода:
С = 0,870; H = 0,126; О = 0,004; S = 0; С + Н + O + S = 1;
Количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг топлива (в кмоль/кг):
.
Количество свежего заряда для дизеля (в кмоль/кг):
.
Количество продуктов полного сгорания (в кмоль/кг):
Теоретический коэффициент молекулярного изменения:
Действительный коэффициент молекулярного изменения:
.
Коэффициент молекулярного изменения в точке z:
.
Максимальная температура сгорания (термодинамическое уравнение сгорания для дизелей):
;
Степень повышения давления:
;
;
;
Подставляем в уравнение:
;
Решая относительно , получаем:
Т.к. для дизелей лежит в пределах 1800 - 2200К, то найденное = 1937,78 К является допускаемым.
2.4 Расчет процесса расширения
Степень предварительного расширения определяется равенством:
;
Степень последующего расширения :
;
;
;
Средний показатель политропы расширения принимаем в первом приближении :
;
Во втором приближении :
;
Во третьем приближении :
;
В итоге принимаем: .
Давление в конце расширения:
;
Температура в конце расширения:
.
Проверка по формуле Мазинга:
;
Т.к. разница , то найденные значения соответствуют требованиям.
2.5 Индикаторные показатели двигателя
Среднее индикаторное давление теоретического цикла:
Среднее индикаторное давление действительного цикла:
Индикаторный к.п.д.:
Удельный индикаторный расход топлива:
2.6 Эффективные показатели двигателя
Среднее эффективное давление:
;
Эффективный КПД:
;
Удельный эффективный расход топлива:
.
2.7 Выбор основных размеров рабочего цилиндра
Двигатель четырехтактный, 6-и цилиндровый, мощностью 100 кВт. Номинальная мощность достигается при частоте вращения коленчатого вала n = 1500 об/мин.
Компоновка: рядная.
Литраж двигателя:
Рабочий объем одного цилиндра:
;
Принимаем отношение S/D=1,11.
Диаметр цилиндра:
;
Ход поршня:
.
Проверка значения механического КПД:
, где - среднее давление механических потерь;.
Средняя скорость поршня: ;
, следовательно, можно сделать вывод, что выбранное значение механического КПД соответствует расчетному.
Литровая мощность двигателя:
Часовой расход топлива:
.
Определение объёмов в характерных точках:
Для четырёхтактного двигателя объём камеры сгорания:
;
Объём в начале сжатия:
;
Объём цилиндра в точке z:
.
3. Динамический расчет двигателя
.1 Определение ПДМ и НВМ
По данным прототипа принимаем:= 265 мм.
.
Поршневой комплект совершает прямолинейное возвратно - поступательное движение вдоль оси цилиндра. Условно предполагается, что масса сосредоточена в точке пересечения оси поршневого пальца с осью цилиндра.
Масса поршневого комплекта:
.
Шатунный механизм совершает сложное плоскопараллельное движение.
В случае индивидуального шатуна его масса условно заменяется двумя статически эквивалентными массами:
Рис. 1 - Распределение масс
Масса шатунного механизма:
.
Определим массы и :
;
;
;
,
где mшs - масса условно сосредоточенная в центре поршневой головки шатуна, совпадающей с точкой пересечения оси поршневого пальца с осью цилиндра и совершающей прямолинейное возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра совместно с поршневым комплектом; mшR - масса условно сосредоточенная в центре подшипника кривошипной головки шатуна, совпадающей с центром сопряженной шатунной шейки и совершающая вращательное движение вокруг оси коленчатого вала с постоянной угловой скоростью.
Коленчатый вал двигателя и входящие в его состав массы каждого колена совершают вращательное движение с постоянной угловой скоростью. Неуравновешенная масса колена, состоящая из массы шатунной шейки и массы 2х щёк, приводи
