МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» ФИЛИАЛ УГНТУ В г. ОКТЯБРЬСКОМ

КАФЕДРА МЕХАНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Учебно-методическое пособие

к выполнению курсовой работы

по дисциплине: «Теплотехника»

на тему: «Тепловой расчет поршневого двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом»

Уфа

2011

Учебно-методическое пособие содержит контрольные задания к выполнению курсовой работы по тепловому расчету поршневого двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом. Даны рекомендации по выполнению работы.

Пособие рекомендуется для студентов всех форм обучения специальности 130503 62 «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений», направления 130500 62 «Нефтегазовое дело».

Составители: Галиуллина И.Ф., преподаватель

Колосов Б.В., ст. преподаватель

Мухаметдинова Л.Д., ст. преподаватель

Рецензент Нурутдинов Р.Г., доц., канд. техн. наук

Введение

Двигателем внутреннего сгорания называют тепловой двигатель, внутри которого происходит сжигание топлива и преобразование части выделившегося тепла в механическую работу.

По конструктивному оформлению рабочего процесса двигатели внутреннего сгорания разделят на две основные группы: поршневые двигатели, где весь рабочий процесс осуществляется полностью в цилиндре и газотурбинные двигатели, где рабочий процесс последовательно совершается в воздушном компрессоре, камере сгорания и расширительной машине (газовой турбине).

Поршневые двигатели внутреннего сгорания применяют в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве и на транспорте.

Основными достоинствами поршневых двигателей являются высокая экономичность, компактность и малая масса установки, быстрый запуск, бездымный выхлоп и относительная небольшая потребность в воде (вода расходуется для охлаждения двигателя, что очень важно для нефтяных и газовых промыслов, расположенных в безводных районах).

Все поршневые двигатели внутреннего сгорания можно по способу осуществления рабочего процесса разделить на две основные группы: 4-х тактные и 2-х тактные. Под тактом понимается ход поршня, т.е. путь, пройденный им от одного крайнего положения до другого. Одно крайнее положение принято называть верхней мертвой точкой (в.м.т.), а другое – нижней мертвой точкой (н.м.т.). В мертвых точках поршень изменяет направление своего движения, и скорость его в этих точках равна нулю.

В четырехтактных двигателях рабочий цикл совершается в течение четырех ходов поршня (4-х тактов) или за два оборота коленчатого вала, в двухтактных двигателях – в течение двух ходов (2-х тактов) поршня или за один оборот коленчатого вала.

Рабочий цикл состоит из процессов, периодически протекающих в следующей последовательности:

1) наполнение цилиндра воздухом или топливоздушной смесью;

2) сжатие топливоздушной смеси или воздуха (в конце сжатия подается электрическая искра или впрыскивается дизельное топливо);

3) сгорание рабочей смеси и последующее расширение продуктов сгорания (этот такт принято называть рабочим ходом);

4) выхлоп (выпуск) продуктов сгорания из цилиндра в атмосферу.

В двухтактном двигателе очистку цилиндра от остаточных газов и наполнение его свежим зарядом выполняют продувочным воздухом, предварительно сжимаемым в продувочном насосе или в кривошипной камере. Если принять, что скорость вращения коленчатого вала (в оборотах в минуту или секунду), диаметр и ход поршня одинаковы, то цилиндровая мощность двухтактного двигателя превышает цилиндровую мощность четырехтактного двигателя на 60-80%. Несмотря на такие преимущества, двухтактные двигатели не получили столь широкого распространения, как четырехтактные, отличающиеся большой экономичностью.

Это объясняется рядом недостатков, присущих 2-х тактным двигателям:

– температура выхлопных газов и отдельных деталей в среднем их на 30-40 % выше, чем в четырехтактных;

– перезарядка цилиндров продувочным воздухом требует затраты относительно большой мощности и менее совершенна по сравнению с перезарядкой в четырехтактных двигателях;

– двухтактные двигатели имеет ограниченную быстроходность, так как повышение угловой скорости приводит к увеличению давлению продувочного воздуха и высоты продувочных и выхлопных окон, а это в свою очередь, приводит к уменьшению полезного хода поршня.

Превосходство двухтактных двигателей над четырехтактными удается только в крупных стационарных и судовых тихоходных двигателях при мощности в 1500 л.с. (1100 кВт) и выше. Исключение составляют двухтактные быстроходные двигатели с прямоточной продувкой, например, Ярославского завода (ЯМЗ).

По особенностям исполнения различают следующие группы двигателей:

I – по роду сжигаемого топлива – двигатели, работающие:

а) на газообразном топливе;

б) на легком жидком топливе (бензине, керосине, лигроине);

в) на тяжелом жидком топливе (дизельном топливе, соляровом масле);

г) на бинарном (двойном) топливе, т.е. использующиеся в качестве основного топлива нефтяные газы с добавкой небольшого количества жидкого дизельного топлива.

II – по способу заполнения цилиндра свежим зарядом – двигатели без наддува, у которых наполнение цилиндра воздухом или горючей смесью происходит за счет образовавшегося в цилиндре разрежения, и двигатели с наддувов, у которых свежий заряд подается в цилиндр нагнетателем (воздуходувкой), благодаря чему увеличивается масса свежего заряда и удельная цилиндрическая мощность, т.е. мощность, приходящаяся на единицу полезного объема цилиндра;

III – по способу подготовки топливовоздушной смеси – двигатели с внешним смесеобразованием (карбюраторные и газовые двигатели, схема 1) и с внутренним смесеобразованием (дизели, калоризаторные и др. двигатели, схема 2).

IV – по способу воспламенения рабочей смеси – двигатели с воспламенением от постороннего источника (электрической искры, запального шара-калоризатора или факела пламени, образуемого в предкамере) и двигатели с воспламенением распыленного жидкого топлива от воздуха, сжатого в цилиндре (дизели и газодизели, т.е. работающие на бинарном топливе);

Схема 1 Схема 2

Рисунок 1 – Способы подготовки и воспламенения рабочей смеси

V – по конструктивному исполнению:

а) одно- и многоцилиндровые двигатели;

б) двигатели с вертикальным, горизонтальным, V-образным и другими видами расположения цилиндров;

в) двигатели с кривошипно-шатунным механизмом крейцкопфного и тронкового типов.

В двигателе крейцкопфного типа поршень, жестко соединенный со штоком, шарнирно связан с ползуном. Крестовина ползуна, перемещающаяся в направляющих, в свою очередь шарнирно связана с шатуном.

Поршни с ползуном применяются преимущественно, в тихоходных установках, например, в газомоторных компрессорах. В двигателе тронкового типа нижняя часть поршня – (юбка) исполняет роль ползуна; в этом случае поршень соединен непосредственно с шатуном.

VI – по способу действия – двигатели простого действия, у которых рабочий процесс совершается в полости, расположенной над поршнем, и двойного действия, у которых рабочий процесс совершается и в верхней полости цилиндра (над поршнем), и в нижней его полости (над поршнем).

VII – по степени быстроходности:

а) двигатели тихоходные (со средней скоростью поршня до 6,5 м/сек);

б) повышенной быстроходности (со средней скоростью поршня 6,5-8,5 м/сек);

в) быстроходные (со средней скоростью поршня превышающей 8,5 м/сек).

VIII – по назначению – двигатели могут быть стационарные, судовые, автотракторные, авиационные.

Двигатели внутреннего сгорания на жидком топливе, применяются в качестве привода для силовых механизмов и оборудования в различных установках, передвижных агрегатах и транспортных средствах при бурении, разработке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений.