Введение
1. Обоснование схемы проектируемого двигателя и выбор аналогов.
3.4. Выводы
5. Уравновешивание двигателя.
6. Расчёт на прочность.
6.1. Прочностной расчёт поршневых колец.
7. Расчёт систем охлаждения и смазки двигателя.
7.1. Расчёт системы охлаждения.
7.2. Расчёт системы смазки.
8. Описание конструкции двигателя.
9. Исследовательская часть.
9.1 Экономия топлива
ВЫВОДЫ
Литература
Двигатели внутреннего сгорания принадлежат к наиболее
распространённому типу тепловых двигателей, т. е. таких двигателей, в которых
теплота, выделяющаяся при сгорании топлива, преобразуется в механическую
энергию. Тепловые двигатели могут быть разделены на две основные группы:
- двигатели внешнего сгорания — паровые машины, паровые турбины,
двигатели Стирлинга и т. п.;
- двигатели внутреннего сгорания. В двигателях внутреннего сгорания
процессы сжигания топлива, выделения теплоты и преобразования части её в
механическую работу происходят непосредственно внутри двигателя. К таким
двигателям относятся поршневые и комбинированные двигатели, газовые
турбины и реактивные двигатели.
У поршневого двигателя основными деталями являются: цилиндр; крышка
(головка) цилиндра; картер; поршень; шатун; коленчатый вал; впускные и
выпускные клапаны. Топливо и необходимый для его сгорания воздух вводятся в
объём цилиндра двигателя, ограниченный днищем крышки, стенками цилиндра и
днищем поршня. Образующиеся при сгорании газы высокой температуры и
давления давят на поршень и перемещают его в цилиндре. Поступательное
движение поршня через шатун преобразуется, во вращательное, коленчатым
валом, расположенным в картере. В связи с возвратно-поступательным
движением поршня сгорание топлива в поршневых двигателях возможно лишь
периодически последовательными порциями, причём сгоранию каждой порции
должен предшествовать ряд подготовительных процессов.
В газовых турбинах сжигание топлива происходит в специальной камере
сгорания. Топливо в неё подаётся насосом через форсунку. Воздух, необходимый
для горения, нагнетается в камеру сгорания компрессором, установленным на
одном валу с рабочим колесом газовой турбины. Продукты сгорания через
направляющий аппарат поступают в газовую турбину.
Газовая турбина, имеющая рабочие органы в виде лопаток специального
профиля, расположенных на диске и образующих вместе с последним
вращающееся рабочее колесо, может работать с высокой частотой вращения.
Применение в турбине нескольких последовательно расположенных рядов
лопаток (многоступенчатые турбины) позволяет более полно использовать
энергию горячих газов. Однако газовые турбины пока уступают по
экономичности поршневым двигателям внутреннего сгорания, особенно при
работе с неполной нагрузкой, и, кроме того, отличаются большой
теплонапряжённостью лопаток рабочего колеса, обусловленной их непрерывной
работой в среде газов с высокой температурой. При снижении температуры газов,
поступающих в турбину, для повышения надёжности лопаток уменьшается
мощность и ухудшается экономичность турбины. Газовые турбины широко
используются в качестве вспомогательных агрегатов в поршневых и реактивных
двигателях, а также как самостоятельные силовые установки. Применение
жаростойких материалов и охлаждения лопаток, усовершенствование термодинамических схем газовых турбин позволяют улучшить их показатели и
расширить область использования.
Комбинированными двигателями внутреннего сгорания называются
двигатели, состоящие из поршневой части и нескольких компрессионных и
расширительных машин (или устройств), а также устройств дли подвода и отвода
теплоты, объединённых между собой общим рабочим телом. В качестве
поршневой части комбинированною двигателя используется поршневой
двигатель внутреннего сгорания.
Энергия в такой установке передаётся потребителю валом поршневой части,
или валом другой расширительной машины, или обоими валами одновременно.
Число компрессионных и расширительных машин, их типы и конструкции, связь
их с поршневой частью и между собой определяются назначением
комбинированного двигателя, его схемой и условиями эксплуатации. Наиболее
компактны и экономичны комбинированные двигатели, у которых продолжение
расширения выпускных газов поршневой части осуществляется в газовой
турбине, а предварительное сжатие свежего заряда производится в центробежном
или осевом компрессоре, причём мощность потребителю обычно передаётся через
коленчатый вал поршневой части.
Поршневой двигатель и газовая турбина в составе комбинированного
двигателя удачно дополняют друг друга: в первом наиболее эффективно в
механическую работу преобразуется теплота малых объёмов газа при высоком
давлении, а во втором – наилучшим образом используется теплота больших
объёмов газа при низком давлении.
Комбинированный двигатель состоит из поршневой части, в качестве
которой используется поршневой двигатель внутреннего сгорания, газовой
турбины и компрессора. Выпускные газы после поршневого двигателя, имеющие
ещё высокие температуру и давление, приводят во вращение лопатки рабочего
колеса газовой турбины, которая передаёт крутящий момент компрессору.
Компрессор засасывает воздух из атмосферы и под определённым давлением
нагнетает его в цилиндры поршневого двигателя. Увеличение наполнения
цилиндров двигателя воздухом путём повышения давления на впуске называют
наддувом. При наддуве плотность воздуха повышается и, следовательно,
увеличивается свежий заряд, заполняющий цилиндр при впуске, по сравнению с
зарядом воздуха в том же двигателе без наддува.
Для сгорания топлива, вводимого в цилиндр, требуется определённая масса
воздуха (для полного сгорания 1 кг жидкого топлива теоретически необходимо
около 15 кг воздуха). Поэтому чем больше воздуха поступит в цилиндр, тем
больше топлива можно сжечь в нём, т. е. получить большую мощность.
Наиболее экономичными являются поршневые и комбинированные
двигатели внутреннего сгорания, получившие широкое применение в
транспортной и стационарной энергетике. Они имеют достаточно большой срок
службы, сравнительно небольшие габаритные размеры и массу, высокую
экономичность, их характеристики хорошо согласуются с характеристиками
потребителя. Основным недостатком двигателей следует считать возвратно-поступательное движение поршни, связанное с наличием кривошипно-шатунного
механизма, усложняющего конструкцию и ограничивающего возможности
повышения частоты вращения, особенно при значительных размерах двигателя.
Быстрое распространение двигателей внутреннего сгорания в
промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и на стационарной
энергетике было обусловлено следующим.
Осуществление рабочего цикла двигателей внутреннего сгорания в одном
цилиндре (в одной полости) с малыми потерями теплоты и значительным
перепадом температур и давлении между источником теплоты и холодным
источником обеспечивает высокую экономичность этих двигателей. Высокая
экономичность является одним из положительных качеств двигателей
внутреннего сгорания.
Среди двигателей внутреннего сгорания, дизель, в настоящее время, является
таким двигателем, который преобразует химическую энергию топлива в
механическую работу с наиболее высоким КПД в широком диапазоне изменения
мощности. Это качество дизелей особенно важно, если учесть, что запасы
нефтяных топлив ограничены.
К положительным особенностям двигателей внутреннею сгорания следует
отнести также то, что они могут быть соединены практически с любым
потребителем энергии. Это объясняется возможностями получении
соответствующих характеристик изменения мощности и крутящего момента этих
двигателей. Двигатели успешно используются на автомобилях, тракторах,
сельскохозяйственных машинах, тепловозах, судах, электростанциях и т. п., т. е.
двигатели внутреннего сгорания отличаются широкой областью применения.
Сравнительно невысокая стоимость изготовления, компактность и малая
масса двигателей внутреннего сгорания позволили широко применять их в
силовых установках.
Установки с двигателем внутреннего сгорания обладают большой
автономностью. Даже самолёты с двигателями внутреннего сгорания могли
летать десятки часов без пополнения топлива. Теплоходы с двигателями
внутреннего сгорания могут покрывать расстояния в десятки тысяч миль без
захода в порт.
Важным положительным качеством двигателей внутреннего сгорания
является возможность их быстрого пуска в обычных условиях. Двигатели,
работающие при низких температурах, снабжают специальными устройствами
для облегчения и ускорения пуска. После пуска двигатели сравнительно быстро
могут принимать полную нагрузку. В эксплуатационных условиях двигателям
часто приходится работать на неустановившихся и переходных режимах.
Поршневые и комбинированные двигатели достаточно хорошо приспособлены
для работы на этих режимах.
Наименьший удельный эффективный расход топлива был получен при
использовании камеры сгорания с степенью сжатия 18,2, распылителем 8 отв.,
углом распыла 145 град. и глубиной расположения носика распылителя
эквивалентно толщине прокладки 2,0 мм: на режиме максимального крутящего
момента ge = 180,2 г/кВтч, Nox=16,3 г/кВтч, твердые частицы = 1,54 мг/кВтч и на
режиме номинальной мощности ge = 192 г/кВтч, Nox=16,8 г/кВтч, твердые
частицы = 4,6 мг/кВтч.
. Наименьшие удельные выбросы оксидов азота были получены при
использовании камеры сгорания 17,5 и распылителем 9 отв., углом распыла 145
град. и глубиной расположения носика распылителя эквивалентно толщине
прокладки 2,0 мм: на режиме максимального крутящего момента ge = 182,8 г/кВтч,
NOx = 12,98 г/кВтч , твердые частицы = 8,54 мг/кВтч и на режиме номинальной
мощности ge = 195,2 г/кВтч, NOx = 13,6 г/кВтч, твердые частицы = 21 мг/кВтч
На примере анализа камеры сгорания с степенью сжатия 17,5, различных
вариантов углов распыла топлива (140-150 град.) и глубиной расположения носика
распылителя было установлено, что наиболее предпочтительным является
распылитель с углом распыла 145 град. Установлено, что основным фактором,
определяющим выбросы вредных веществ и индикаторные показатели, является
глубина расположения носика распылителя.
РАСЧЕТНЫЙ АНАЛИЗ ПРОТИВОДАВЛЕНИЯ В СИСТЕМЕ ВЫПУСКА
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150
α, град.
Pt, мг/кВтч
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150
α, град.
Pt, мг/кВтчИз Лис № Подп. Дат
Инв. № Подп. и дата Взам. инв. Инв Подп. и дата
Лис
ВКР 13.03.03.19.05.00.00.00 ПЗ 51
В настоящем протоколе представлены результаты газодинамического расчета
системы выпуска отработавших газов (ОГ) двигателя (Р6), выполненного в
программном пакете ЛОГОС.
В данной работе был проведен комплекс расчетов по определению разницы
величины потерь давления в системе выпуска двигателя Р6 при использовании
базового и доработанного тройников турбокомпрессора (ТКР).
Расчетная модель системы выпуска двигателя состояла из 640 тыс. ячеек
гексагональной формы для модели базового тройника и 647 тыс. ячеек – для
модели доработанного тройника. В качестве рабочей среды использовался воздух
с плотностью, изменяющейся от давления и температуры. Математическая
модель включала в себя осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса,
уравнения неразрывности, энергии и состояния для сжимаемого газа. Решение
уравнений Навье-Стокса осуществлялось алгоритмом SIMPLE. Для учета
турбулентности использовалась двухпараметрическая модель турбулентности
Realizable k-ε.
Полученные результаты моделирования системы выпуска двигателя Р6
показали качественное сходство полей распределения давлений и скоростей при
использовании базового и доработанного тройников. Небольшое различие
наблюдается в области перехода из системы выпуска в турбину, связанное с
возникновением зоны расширения и сужения потока газа. Однако, данное различие
не оказывает существенного влияния на течение газа в целом.
Установлено, что при изменении частоты вращения коленчатого вала n с 1100
до 1900 об/мин (и соответствующего роста массового расхода G с 0,162 до 0,282
кг/с) величина потерь давления Δp возрастает с 14,1 до 31,6 кПа для базовой
конструкции тройника и с 12,7 до 27,5 кПа – для доработанной конструкции
тройника.
Результаты расчетов показали, что при использовании в системе выпуска
доработанной конструкции тройника потери давления Δp снижаются в сравнении
с базовым вариантом на величину от 1,4 до 4,1 кПа (на 9,9% и 12,8%,
соответственно) при изменении частоты вращения от 1100 до 1900 об/мин.
На основании данных 3D моделирования было проведено 1D моделирование
в программном пакете AVL BOOST. Его результаты показали, что при
использовании в системе выпуска доработанной конструкции тройника удельный
эффективный расход топлива снижается в сравнении с базовым вариантом на
величину от 0,0456 до 0,178 г/кВт∙ч при изменении частоты вращения от 1100 до
1900 об/мин.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
