Транспорт: Тепловой и динамический расчет двигателя, Курсовая работа

Содержание

1. Тепловой расчет двигателя

1.1 Выбор топлива, определение его теплоты сгорания

1.2 Определение параметров рабочего тела

1.3 Определение параметров окружающей среды и остаточных газов

1.4 Расчет параметров процесса впуска

1.5 Расчет параметров процесса сжатия

1.6 Расчет параметров процесса сгорания

1.7 Расчет параметров процесса расширения и выпуска

1.8 Определение индикаторных показателей двигателя

1.9 Определение эффективных показателей двигателя

1.10 Определение основных размеров цилиндра и параметров двигателя

1.11 Построение индикаторной диаграммы

2. Расчет и построение внешней скоростной характеристики двигателя

3. Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма

3.1 Расчет сил давления газов

3.2 Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма

3.3 Расчет сил инерции

3.4 Расчет суммарных сил, действующих в КШМ

3.5 Расчет сил, действующих на шатунную шейку коленчатого вала

3.6 Построение графиков сил, действующих в КШМ

3.7 Построение диаграммы износа шатунной шейки

3.8 Построение графика суммарного крутящего момента двигателя

1. Тепловой расчет двигателя

 

1.1 Выбор топлива, определение его теплоты сгорания

 

Для бензинового двигателя в соответствии с заданной степенью сжатия определяем октановое число топлива, согласно которому производим выбор марки бензина.

Задана степень сжатия: .

Получили октановое число в пределах: ..

Выбираем следующую марку бензина: «Регулятор-92»(АИ-92).

Низшая теплота сгорания жидкого топлива:

 (1)

 

где С, Н, О – массовые доли углерода, водорода и кислорода в 1 кг топлива.

1.2 Определение параметров рабочего тела

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания одного килограмма жидкого топлива:

 (2)

где ,  - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания одного килограмма жидкого топлива в  и  соответственно.

Количество свежего заряда:

 (3)

где  - коэффициент избытка воздуха;

 - средняя молярная масса бензина.

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания жидкого топлива :

углекислого газа:

; (4)

водяного пара:

; (5)

кислорода:

; (6)

азота:

 (7)

Общее количество продуктов сгорания жидкого топлива:

 (8)

1.3 Определение параметров окружающей среды и остаточных газов

При работе двигателя без наддува давление  и температура  окружающей среды:

.

Давление остаточных газов:

.

Температура остаточных газов:

.

1.4 Расчет параметров процесса впуска

 

Основными параметрами, характеризующими процесс впуска, являются: давление  и температура  заряда в конце впуска - начале сжатия, коэффициент остаточных газов , коэффициент наполнения .

Давление газов в цилиндре , МПа:

, (9)

где  - потери давления за счет сопротивления впускной системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре, МПа.

Величина  с учетом некоторых допущений определяется из уравнения Бернулли:

, (10)

где  - коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра;

- коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому ее сечению;

- средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы (как правило, в клапане или продувочных окнах), ;

 - плотность заряда на впуске, .

По опытным данным в современных автомобильных двигателях на номинальном режиме:

;

.

Принимаем:

;

.

Плотность заряда на впуске:

, (11)

где  - удельная газовая постоянная воздуха.

Определим :

. (12)

Тогда :

. (13)

Коэффициент остаточных газов :

, (14)

где  - температура подогрева свежего заряда при его контакте со стенками впускного трубопровода и цилиндра;

 - степень сжатия.

Температура подогрева свежего заряда принимаем в зависимости от типа двигателя:

для бензиновых двигателей:

.

Тогда :

. (15)

Температура заряда в конце процесса впуска:

. (16)

Коэффициент наполнения  без учета продувки и дозарядки четырехтактного двигателя:

 (17)

1.5 Расчет параметров процесса сжатия

 

Рассматриваемый процесс характеризуется давлением  и температурой  рабочего тела в конце сжатия, показателем политропы сжатия .

По опытным данным при жидкостном охлаждении величина показателя политропы для бензиновых двигателей:

.

Исходя из выбранного показателя политропы определим давление  и температура  конца процесса сжатия:

; (18)

. (19)

1.6 Расчет параметров процесса сгорания

 

Целью расчета процесса сгорания является определение температуры  и давления  () в конце видимого сгорания.

Температуру  определим путем решения уравнения сгорания:

, (20)

где  - коэффициент использования теплоты;

 - теплота сгорания рабочей смеси, ;

 - средняя мольная теплоемкость свежего заряда при постоянном объеме, ;

 - средняя мольная теплоемкость продукта сгорания при постоянном объеме, ;

 - действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси.

По опытным данным значения коэффициента  для бензинового двигателя с электронным впрыском:

.

Теплота сгорания рабочей смеси при :

 (21)

Средние мольные теплоемкости:

свежего заряда:

 (22)

продуктов сгорания:

 (23)

Действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

. (24)

Подставим найденные значения в уравнение сгорания и определим :

Величина теоретического давления :

. (25)

Величина теоретического давления :

. (26)

Степень повышения давления :

. (27)

1.7 Расчет параметров процесса расширения и выпуска

 

При расчете процесса расширения и выпуска необходимо определить давление  и температуру  рабочего тела в конце расширения, показатель политропы расширения , а также проверить точность выбора величин параметров остаточных газов.

По опытным данным средние значения величины п2 при номинальной нагрузке для бензиновых двигателей:

.

Давление  и температура  конца процесса расширения:

; (28)

. (29)

Правильность предварительного выбора температуры остаточных газов  проверим с помощью выражения:

. (30)

Так как расхождение между принятой  и вычисленной по формуле не превышает 10% (6%), то расчет выполнен верно.

1.8 Определение индикаторных показателей двигателя

Индикаторные показатели характеризуют рабочий цикл двигателя. К ним относятся: среднее индикаторное давление , индикаторная мощность , индикаторный КПД , индикаторный удельный расход топлива .

Теоретическое среднее индикаторное давление:

 (31)

Действительное среднее индикаторное давление:

, (32)

где  - коэффициент полноты диаграммы, который принимается равным для бензиновых двигателей с электронным впрыском:

.

Тогда :

. (33)

Индикаторный КПД двигателей, работающих на жидком топливе:

. (34)

Индикаторный удельный расход жидкого топлива:

. (35)

1.9 Определение эффективных показателей двигателя

Эффективные показатели характеризуют работу двигателя в целом, т.к. кроме тепловых потерь рабочего цикла учитывают потери на преодоление различных механических сопротивлений и на совершение процессов впуска и выпуска.

К эффективным показателям относятся: эффективная мощность , среднее эффективное давление ,эффективный КПД двигателя , эффективный удельный расход топлива .

Потери на преодоление различных сопротивлений оценивают величиной мощности механических потерь  или среднего давления механических потерь .

Среднего давление механических потерь :

, (36)

где а, Ь - коэффициенты, значения которых устанавливаются экспериментально.

Принимаем для бензинового двигателя с впрыском:

;

.

Средняя скорость поршня:

, (37)

где S - ход поршня, мм;

п - номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя, .

Тогда :

.

Величина S принимаем равной величине хода поршня двигателя, выбранного в качестве прототипа.

Среднее эффективное давление:

. (38)

Механический КПД:

. (39)

Эффективный КПД двигателя:

. (40)

Эффективный удельный расход жидкого топлива:

. (41)

1.10 Определение основных размеров цилиндра и параметров двигателя

При заданных значениях эффективной мощности () и коэффициента короткоходности (S/D) определим основные конструктивные параметры двигателя (диаметр цилиндра и ход поршня).

Литраж двигателя:

. (42)

где Т - тактность двигателя.

Рабочий объем одного цилиндра:

. (43)

где i - число цилиндров двигателя.

Диаметр цилиндра:

. (44)

Ход поршня:

. (45)

Полученные значения D и S округляем до ближайших целых чисел:

.

По окончательно принятым значениям D и S определим основные параметры двигателя:

литраж двигателя:

; (46)

эффективная мощность:

; (47)

эффективный крутящий момент:

; (48)

часовой расход топлива:

; (49)

средняя скорость поршня:

. (50)

1.11 Построение индикаторной диаграммы

Построение индикаторной диаграммы ДВС производим в координатах р - V (давление - объем) или p-S (давление - ход поршня) на основании данных расчета рабочего процесса.

В начале построения на оси абсцисс откладывается отрезок АВ, соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня в масштабе , который в зависимости от величины хода поршня принимаем: .

Отрезок ОА, соответствующий объему камеры сгорания:

. (51)

Масштаб давлений принимаем: .

По данным теплового расчета на диаграмме откладываем в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках: .

Построение политроп сжатия и расширения осуществляем графическим методом.

При построении из начала координат проводим луч ОС под произвольным углом а к оси абсцисс (), а также лучи OD и ОЕ под определенными углами  и  к оси ординат, равными:

; (52)

. (53)

Политропу расширения строим с помощью лучей ОС и ОЕ, начиная из точки z, а политропу сжатия строим с помощью лучей ОС и OD, начиная с точки с.

На заключительном этапе построения наносим линии впуска и выпуска, а также производим скругления с учетом фаз газораспределения, опережения зажигания (впрыска), скорости нарастания давления в процессе сгорания. Для этого на диаграмме отмечаем положение следующих характерных точек: .

Давление в конце такта сжатия:

. (54)

Для нанесения этих точек характерных точек на диаграмму установим взаимосвязь между углом поворота коленчатого вала и перемещением поршня. Применим для этого метод Брикса. Под индикаторной диаграммой строим вспомогательную полуокружность радиусом , равным половине хода поршня. Далее от центра полуокружности (точка ) в сторону н.м.т. откладываем поправку Брикса:

. (55)

где  - для автомобильных двигателей:

.

Ориентировочные значения углов поворота коленчатого вала, определяющих положение характерных точек действительной индикаторной диаграммы:

; ;

; ;

; ;

.

Нанесенные на диаграмму характерные точки соединяются плавными кривыми.

Рисунок 1 – Индикаторная диаграмма бензинового двигателя

двигатель топливо скоростной

2. Расчет и построение внешней скоростной характеристики двигателя

Построение кривых скоростной характеристики ведем в интервале частот вращения коленчатого вала: от  до .

Расчетные точки кривых эффективной мощности и эффективного удельного расхода топлива определим по следующим зависимостям:

; (56)

, (57)

где  - соответственно номинальная эффективная мощность (кВт), частота вращения коленчатого вала при номинальной мощности (), удельный эффективный расход топлива при номинальной мощности () ;

 - соответственно эффективная мощность (кВт), удельный эффективный расход топлива (), частота вращения коленчатого вала () в искомой точке скоростной характеристики;

 - коэффициенты, значения которых устанавливают экспериментально.

Для бензинового двигателя: ; ; ; ; .

Рассчитанные точки кривых эффективной мощности и эффективного удельного расхода топлива сведем в таблицу 1.

Точки кривых эффективного крутящего момента  и часового расхода топлива  определим по формулам:

; (58)

 (59)

Рассчитанные точки кривых эффективного крутящего момента  и часового расхода топлива  сведем в таблицу 1.

Таблица 1 – Значения эффективной мощности , эффективного удельного расхода топлива , эффективного крутящего момента  и часового расхода топлива  в зависимости от частоты вращения коленчатого вала .

Параметр	Размерность	Значения параметров
n	мин-1	800	1700	2600	3500	4400	5300	6200
Ne	кВт	17,785	40,799	64,039	84,439	98,929	104,441	97,906
ge	г/(кВт∙ч)	238,320	214,711	201,404	198,399	205,696	223,296	251,198
Ме	Н∙м	212,401	229,292	235,324	230,498	214,814	188,272	150,873
GT	кг/ч	4,239	8,760	12,898	16,753	20,349	23,321	24,594

По рассчитанным значениям параметров , , ,  для ряда значений n производим построение внешней скоростной характеристики.

Рисунок 2 – Внешняя скоростная характеристика бензинового двигателя

С помощью построенной характеристики определяем максимальный эффективный крутящий момент:  и минимальный эффективный удельный расход топлива: , а также коэффициент приспособляемости К:

. (60)

где  - эффективный крутящий момент при номинальной мощности.

3. Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма

 

3.1 Расчет сил давления газов

 

Силы давления газов, действующие на площадь поршня, заменяем одной силой , направленной вдоль оси цилиндра и приложенной к оси поршневого пальца.

Сила  определяется для ряда углов поворота коленчатого вала по действительной развернутой индикаторной диаграмме.

Построение действительной развернутой индикаторной диаграммы производим в координатах .

Сила давления газов, Н:

, (61)

где  - площадь поршня, ;

- атмосферное давление, МПа;

 - абсолютное и избыточное давление газов над поршнем в любой момент времени, МПа.

Величины  снимаем с развернутой индикаторной диаграммы для требуемых . Соответствующие им силы  рассчитываем.

Для угла поворота коленчатого вала :

.

,  заносим в сводную таблицу 2.

Кривая  построена в масштабе: , масштаб этой же кривой для  будет: .

3.2 Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма

 

Для упрощения динамического расчета действительный КШМ заменяем эквивалентной системой сосредоточенных масс.

Масса, сосредоточенная на оси поршневого пальца, кг:

, (62)

где  - масса поршневой группы, кг;

 - часть массы шатунной группы, сосредоточенной на оси поршневого пальца, кг.

Масса, сосредоточенная на оси кривошипа, кг:

, (63)

где  - часть массы шатунной группы, сосредоточенной на оси кривошипа, кг;

 - часть массы кривошипа, сосредоточенной на оси кривошипа, кг.

Полная масса шатунной группы, кг:

. (64)

Для приближенного определения значений ,  и  можно используем конструктивные массы , т.е. массы, отнесенные к площади поршня.

Поршневая группа :

.

Шатун :

.

Неуравновешенные части одного колен вала без противовесов :

.

Умножая конструктивные массы на площадь поршня получим искомые величины:

; (65)

; (66)

. (67)

Для большинства существующих автомобильных и тракторных двигателей:

. (68)

Тогда :

. (69)

Масса, сосредоточенная на оси поршневого пальца:

. (70)

Масса, сосредоточенная на оси кривошипа:

. (71)

 

3.3 Расчет сил инерции

 

Силы инерции поступательно движущихся масс , Н:

. (72)

, (73)

где j - ускорение поршня, ;

- угловая скорость вращения коленчатого вала для расчетного режима, рад/с:

. (74)

Центробежные силы инерции вращающихся масс :

. (75)

Для рядного двигателя центробежная сила инерции  является результирующей двух сил:

силы инерции вращающихся масс шатуна:

; (76)

силы инерции вращающихся масс кривошипа:

. (77)

Для угла поворота коленчатого вала :

;

.

Силы  рассчитываем для требуемых положений кривошипа (углов ) и заносим результат в таблицу 2.

3.4 Расчет суммарных сил, действующих в КШМ

Суммарные силы, действующие в КШМ, определяем алгебраическим сложением сил давления газов и сил возвратно-поступательно движущихся масс:

 (78)

Нормальная сила N (Н), действующая перпендикулярно оси цилиндра, воспринимаемая стенками цилиндра:

, (79)

где - угол отклонения шатуна от оси цилиндра.

Сила S (Н), действующая вдоль шатуна:

. (80)

От действия силы S на шатунную шейку возникают две составляющие силы:

сила, направленная по радиусу кривошипа:

. (81)

тангенциальная сила, направленная по касательной к окружности радиуса кривошипа:

. (82)

Для угла поворота коленчатого вала :

;

;

;

;

.

Рассчитываем для требуемых углов  значения P, N, S, K, T и заносим в таблицу 2.

3.5 Расчет сил, действующих на шатунную шейку коленчатого вала

 

Аналитически результирующая сила, действующая на шатунную шейку рядного двигателя, Н:

, (83)

где  - сила, действующая на шатунную шейку по кривошипу.

Для угла поворота коленчатого вала :

Значения  вычисляем для требуемых  и заносим в таблицу 2.

Таблица 2 – Результаты вычисления сил, действующих в КШМ.

φ, град	∆pГ , МПа	PГ , Н	Pj , H	P, H	N, H	S, H	K, H	T, H	RШШ , Н
0	0,02	130,012	-16740,441	-16610,430	0,000	-16610,430	-16610,430	0,000	27452,481
30	-0,01	-78,007	-13272,162	-13350,169	-1681,963	-13455,706	-10720,604	-8131,707	23045,016
60	-0,01	-78,007	-5022,132	-5100,139	-1131,039	-5224,048	-1570,561	-4982,370	13375,236
90	-0,01	-78,007	3348,088	3270,081	844,331	3377,325	-844,331	3270,081	12135,278
120	-0,01	-78,007	8370,221	8292,214	1838,934	8493,673	-5738,671	6261,801	17723,726
150	-0,01	-78,007	9924,074	9846,067	1240,488	9923,903	-9147,188	3848,739	20356,386
180	-0,01	-78,007	10044,265	9966,258	0,000	9966,258	-9966,258	0,000	20808,309
210	-0,01	-78,007	9924,074	9846,067	-1240,488	9923,903	-9147,188	-3848,739	20356,386
240	0,01	71,506	8370,221	8441,727	-1872,091	8646,819	-5842,142	-6374,704	17860,548
270	0,07	455,041	3348,088	3803,129	-981,964	3927,855	-981,964	-3803,129	12420,592
300	0,23	1527,637	-5022,132	-3494,495	774,961	-3579,394	-1076,111	3413,802	12397,445
330	0,81	5265,474	-13272,162	-8006,688	1008,748	-8069,983	-6429,621	4876,945	17947,013
360	2,19	14249,282	-16740,441	-2491,159	0,000	-2491,159	-2491,159	0,000	13333,210
370	6,40	41636,247	-16335,067	25301,180	1099,412	25325,055	24725,887	5476,214	14924,806
390	3,82	24871,238	-13272,162	11599,076	1461,346	11690,770	9314,421	7065,101	7228,368
420	1,51	9835,385	-5022,132	4813,253	1067,418	4930,191	1482,216	4702,108	10474,557
450	0,78	5096,459	3348,088	8444,547	2180,373	8721,491	-2180,373	8444,547	15520,757
480	0,47	3100,779	8370,221	11471,000	2543,882	11749,688	-7938,566	8662,236	20682,019
510	0,30	1995,680	9924,074	11919,753	1501,748	12013,982	-11073,683	4659,325	22405,551
540	0,17	1137,602	10044,265	11181,867	0,000	11181,867	-11181,867	0,000	22023,918
570	0,07	461,542	9924,074	10385,615	-1308,465	10467,716	-9648,439	-4059,644	20888,774
600	0,04	175,516	8370,221	8545,736	-1895,157	8753,355	-5914,122	-6453,246	17955,883
630	0,03	149,513	3348,088	3497,602	-903,077	3612,308	-903,077	-3497,602	12254,846
660	0,03	149,513	-5022,132	-4872,619	1080,583	-4990,999	-1500,497	4760,103	13228,646
690	0,03	149,513	-13272,162	-13122,649	1653,298	-13226,387	-10537,898	7993,123	22825,254
720	0,02	130,012	-16740,441	-16610,430	0,000	-16610,430	-16610,430	0,000	27452,481

3.6 Построение графиков сил, действующих в КШМ

Графики изменения сил, действующих в КШМ, в зависимости от угла поворота кривошипа  строим в прямоугольной системе координат по данным таблицы 2.

Все графики строим в масштабе , а координатные сетки располагаем одну под другой. При этом на одной координатной сетке группируем несколько графиков: кривые и  - на координатной сетке развернутой индикаторной диаграммы вместе с кривой , а кривые сил ,  и , -попарно.

Построение графика  ведем как в прямоугольной системе координат, так и в виде полярной диаграммы с базовым направлением (полярной осью) по кривошипу.

При построении полярной диаграммы из точки  по оси абсцисс вправо откладываются положительные силы , по оси ординат вверх - отрицательные силы  . Плавная кривая, соединяющая точки с координатами ( ;) в порядке нарастания  (соответствующие значения  указываем рядом с точкой), является искомой диаграммой.

При построении графика в прямоугольной системе координат по расчетным данным таблицы 2 минимальное и максимальное  определяем по полярной диаграмме.

Для определения положения среднего значения  на графике площадь ограниченную графиком и осями координат разделим на длину графика:

. (84)

3.7 Построение диаграммы износа шатунной шейки

 

На основании полярной диаграммы нагрузки на шатунную шейку коленчатого вала производим построение диаграммы износа. которая дает наглядное представление о характере износа шейки по окружности и позволяет определить местоположение масляного отверстия.

Для построения диаграммы износа проводим окружность, изображающую в произвольном масштабе шатунную шейку.

Дальнейшее построение осуществляем в предположении, что действие каждого вектора силы  распространяется на по окружности шейки в обе стороны от точки приложения силы.

По диаграмме определяем угол  ,определяющий положение оси масляного отверстия:

Для упрощения расчета результирующих величин  составляем таблицу 3, в которую заносим значения сил , действующих по каждому лучу, и их сумму.