Реферат: Двигатели внутреннего сгорания

Содержание

1. Описание процессов, происходящих в одном цикле ДВС

2. Расчет параметров одного цикла и построение индикаторнойдиаграммы ДВС

3. Расчет и построение внешней характеристики ДВС

4. Построение диаграммы фаз газораспределения

5. Проектирование кривошипно-шатунного механизма

6. Определение основных параметров ДВС

7. Тепловой баланс двигателя

Список литературы

1. Описание процессов, происходящих в одном цикле ДВС

Рассмотрим действительныйцикл работы четырехтактного дизельного двигателя по мере происходящих в немпроцессов.

Процесс впуска

Первыйтакт – впуск горючей смеси.

Вовремя такта впуска (рис. 1, а), когда поршень 1 движется от В.М.Т.к Н.М.Т., а впускной клапан 3 открыт, в цилиндр 2 поступает атмосферный воздух,который, нагреваясь в процессе сжатия, воспламеняет топливо, впрыскиваемое вконце такта сжатия. Гидравлическое сопротивление впускного трубопроводаповышает давление воздуха в конце такта впуска до 0,08 МПа. Температура воздухав цилиндре составляет 50–80° С.

Процесс сжатия

Второйтакт – сжатие смеси.

Во время такта сжатия(рисунок 1, б), когда впускной 3 и выпускной 5 клапаны закрыты, температура, идавление воздуха в цилиндре значительно возрастают. Вследствие высокой степенисжатия (е=7,8) давление и температура воздуха достигают значений 3,419МПа и 600 °Ссоответственно. В конце такта в цилиндр через форсунку 4 (рисунок, 1, в)впрыскивается топливо. В зависимости от формы камеры сгорания и типа форсункидавление впрыска находится в пределах 8…40 МПа.

Процесс сгорания и расширения

Третийтакт – расширение, или рабочий ход.

Впрыснутое распыленноетопливо, перемешиваясь со сжатым воздухом, самовоспламеняется и сгорает. Приэтом температура газов к концу сгорания повышается до 1600 °С, а давление до7,864МПа. В конце такта расширения температура снижается до 700…10000С,а давление до 0,677МПа. Под давлением газов, образующихся в результате сгораниятопливовоздушной смеси, поршень перемещается от В.М.Т. к Н.М.Т., совершаямеханическую работу (рисунок 1, в).

Процесс выпуска

Четвертыйтакт – выпуск отработавших газов.

Продуктысгорания выходят из цилиндра в атмосферу (рисунок 1, г). Температура выпускаравна 600…700 °С, а давление газов – 0,125МПа.

2. Расчет параметров одногоцикла ипостроение индикаторной диаграммы ДВС

Объем камеры сгорания:

Vc= 1 (в условныхединицах). (1)

Полный объем:

Va= e × Vc, (2)

где e –степень сжатия;

Va= 8×1 = 8.

Показатель политропысжатия:

n1 =1,41 – 100/ne, (3)

где ne – номинальная частотавращения коленвала, об./мин;

n1= 1,41 – 100/4500 = 1,39

Давление в конце тактасжатия, МПа:

pc= pa × e n1, (4)

где pa – давление при впуске,МПа;

pc= 0,09×8 1,39 = 1,62 МПа

Промежуточные точкиполитропы сжатия (табл. 1):

px= (Va / Vx) n1× pa, (5)

При /> px= (8 / 1) 1,39× 0,09=1,62 МПа

Таблица 1. Значенияполитропы сжатия

2 3 4 5 6 7 8

px, МПа

0,62 0,35 0,24 0,17 0,13 0,11 0,09

Давление в конце тактасгорания, МПа:

pz= l × pc, (6)

где l –степень повышения давления;

pz= 3,8 × 1,62= 6,16 МПа

Показатель политропырасширения:

n2 =1,22 – 130/ne, (7)

n2 = 1,22 – 130/4500 = 1,19

Давление в конце тактарасширения:

pb= pz / e n2, (8)

pb= 6,16/81,19=0,52 МПа

Промежуточные точкиполитропы расширения (табл. 2):

px= (Vb / Vx) n2× pb. (9)

При /> px= (8 / 1) 1,19× 0,52= 6,16 МПа

Таблица 2. Значенияполитропы расширения

2 3 4 5 6 7 8

px, МПа

2,71 1,67 1,19 0,91 0,73 0,61 0,52

Среднее теоретическое индикаторноедавление, МПа:

/>, (10)

/>МПа.

Среднее давлениемеханических потерь, МПа:

/>,(11)

где />– средняя скорость поршня в цикле.Предварительно />=/>.

/>МПа

Действительноеиндикаторное давление, МПа, с учетом коэффициента скругления диаграммы n=0,95:

/>,(12)

где /> –давление выхлопных газов, МПа.

/> МПа

Среднее эффективноедавление цикла:

/>,(13)

/> МПа

Полученные расчетомданные используем для построения индикаторной диаграммы (рисунок 2).

3. Расчет и построениевнешней характеристики ДВС

Мощность Pe, кВт:

/>,(14)

nei– текущие (принимаемые)значения частоты вращения коленчатого вала;

np – номинальная частотавращения.

Вращающий момент, Н∙м:

/>,(15)

Удельный расход, гр/кВт∙ч:

/> (16)

Массовый расход, кг∙ч:

/> (17)

Полученные расчетомзначения сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Зависимостьмощности Pe, вращающего момента Те, удельного расхода geи массового расхода Ge от частоты вращенияколенвала ne.

Параметр

Отношение nei/ np

0,16 0,22 0,44 0,66 0,88 1 1,11

ne (об/мин)

700 1000 2000 3000 4000 4500 5000

Pe, кВт

13,6 19,33 41,1 60,6 73 75 73,1

Te, H×м

185,5 186,6 196,2 192,9 174,3 159,2 139,6

ge,гр/кВт∙ч

284,4 248 222,8 216,3 228,8 243,5 261,9

Ge, гр∙ч

3868 4794 9157 13108 16702 18263 19145

Графическая зависимостьмощности Pe, вращающего момента Те, удельного расхода geи массового расхода Ge от частоты вращенияколенвала ne отображена на рисунке 4.

4. Построение диаграммыфаз газораспределения

Радиус кривошипаколенвала, м:

r = S / 2, (18)

r = 0,083/2 = 0,0415 м

4.2 Отрезок ОО1(см. диаграмму фаз газораспределения, рис. 3):

/>,(19)

где r – радиус кривошипа вмасштабе индикаторной диаграммы (r=55 мм)

g – коэффициент;

/>,(20)

lш – длинашатуна, м;

r – радиус кривошипа (r = 0,0415 м).Принимаем:

lш = 4r; (21)

Отсюда,

/>мм,(22)

Угол впрыска:

Полученные расчетомданные используем для построения диаграммы фаз газораспределения (рисунок 3) иее связи с индикаторной диаграммой (рисунок 2).

5. Проектированиекривошипно-шатунного механизма

Рабочий объем цилиндра,л:

/>,(23)

где t – тактность двигателя (t = 4);

Pе – заданная мощностьдвигателя, кВт;

i – заданное числоцилиндров,

5.2 Рабочий объем, м3:

/>,(24)

где D – диаметр поршня, м:

/>,(25)

S –неизвестныйход поршня, м.

Зная отношение S/D=0,9, определим:

/>м;

Принимаем />92 мм. Тогда />мм.

5.3 Средняя скоростьпоршня, м/с:

/>,(26)

/> м/с< 13 м/с = [/>]

Здесь [/>] – максимальнаядопускаемая скорость поршня.

Таблица 4. Параметрыбензинового ДВС

Параметр бензинового ДВС Значение параметра d = D d = 92 мм

/>d

/> />

/> />

L= (0,8…1,1) d

L= 1.92 = 92 мм

h=(0,6…1,0) d

h = 0,7. 92 = 64 мм

lш = (3,5…4,5) r

lш = 4×41,5 = 166 мм

H = (1,25…1,65) d H = 1,3×92 = 120 мм

dk = (0,72…0,9) d

dk = 0,8 × 92= 74 мм

dш = (0,63…0,7) d

dш = 0,65×92 = 60 мм

lk = (0,54…0,7) dk

lk = 0,6×74 = 44 мм

lшат = (0,73…1,05) dш

lшат = 1×60 = 60 мм

При известном диаметрепоршня его остальные основные размеры определяются из эмпирических соотношений.Результаты расчетов приведены в таблице 4.

Обозначения, принятые втаблице 4:

d – диаметр поршня;

dп – диаметр пальца;

dв – внутренний диаметрпальца;

lп – длина пальца;

l2 – расстояние междувнутренними торцами бобышек;

d – толщина днища поршня;

dd – внешний диаметр внутреннего торца бобышек;

с1 –расстояние от днища поршня до первой канавки под поршневое кольцо;

е1 – толщинастенки головки поршня;

h – расстояние от днищапоршня до центра отверстия под палец;

bк – глубина канавки подпоршневое кольцо;

L – расстояние от торцаюбки поршня до канавки под кольцо головки поршня;

H – высота поршня;

dю – минимальная толщинанаправляющей части поршня;

dш – диаметр шатуннойшейки;

dк – диаметр коренной шейкиколенвала;

lшат – длина шатунной шейки;

lк – длина коренной шейкиколенвала.

Полученные расчетомпараметры используем для проектирования кривошипно-шатунного механизма (рисунок5).

6. Определение основныхпараметров ДВС

Крутящий момент, Н∙м:

/> (27)

Литровая мощность, кВт/л:

/> (28)

Удельная поршневаямощность, кВт/дм2:

/> (29)

Механический КПД:

/> (30)

Индикаторный КПД:

/>,(31)

где /> – коэффициент избытка воздуха (/> = 0,9)

/> =14.96 (для бензиновых двигателей)

/> –низшая теплота сгорания топлива, ккал/кг. />= 44

/> –плотность топливо – воздушной смеси, кг/м3. />=1,22

/> =0,7

Эффективный КПД:

/>/> (32)

Удельный расход, г/кВт∙ч:

/> (33)

Массовый расход, г∙ч:

/> (34)

Перемещение поршня

Зависимость перемещенияпоршня от угла поворота коленчатого вала определяется по формуле:

/> (35)

Строим график перемещенияпоршня из условия />=0,25, угол поворота коленчатоговала 0–3600с шагом 300.

Скорость поршня

Зависимость скоростипоршня от угла поворота коленчатого вала определяется по формуле:

/> (36)

Строим график скоростипоршня из условия />=0,25, угол поворота коленчатоговала 0–3600с шагом 300.

Ускорение поршня

Зависимость скоростипоршня от угла поворота коленчатого вала определяется по формуле:

/> (37)

Строим график ускоренияпоршня из условия />=0,25, угол поворота коленчатоговала 0–3600с шагом 300.

Силы, действующие вдвигателе

Сила инерции

Сила инерции определяетсяпо формуле:

/>,(38)

где /> — угловая скорость поршня, определяемая поформуле:

/>,(39)

где /> — номинальная частота вращения двигателя. />=4500 об/мин.

/>.

/>-приведенная масса поршня, определяемая по формуле:

/>,(40)

где /> — масса поршня, определяемая по формуле:

/> (41)

/>-масса шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца:

/>,(42)

где /> — масса шатуна, определяемая по формуле:

/> (43)

В итоге по формуле (40) определяемприведенную массу поршня:

Значения силы инерции взависимости от угла поворота коленчатого вала заносим в таблицу 5.

Сила давления газов

Сила давления газовопределяется по формуле:

/>,(44)

где /> — значения давления при данном угле поворота.

/>-атмосферное давление. />=0,1 МПа.

/>-площадь поршня.

Площадь поршня определимпо формуле:

/> (45)

Значения силы давлениягазов в зависимости от угла поворота коленчатого вала заносим в таблицу 5.

Суммарная сила

Суммарная силаопределится по формуле:

/> (46)

Значения суммарной силы взависимости от угла поворота коленчатого вала заносим в таблицу 5.

Таблица 5. Зависимостисилы давления газов, силы инерции и суммарной силы от угла поворота коленчатоговала

Угол Давление, МПа Сила давления газов, Н

Ускорение, м/с2

Сила инерции, Н Суммарная сила, Н 0,125 165 11519,19 -11519,19 -11354,19 30 0,09 -66 9123,197 -9123,197 -9189,197 60 0,09 -66 3409,68 -3409,68 -3475,68 90 0,09 -66 -2303,84 2303,84 2237,84 120 0,09 -66 -5713,52 5713,52 5647,52 150 0,09 -66 -6819,36 6819,36 6753,36 180 0,09 -66 -6911,51 6911,51 6845,51 210 0,1 -6819,36 6819,36 6819,36 240 0,12 132 -5713,52 5713,52 5845,52 270 0,15 330 -2303,84 2303,84 2633,84 300 0,33 1518 3409,68 -3409,68 -1891,68 330 0,79 4554 9123,197 -9123,197 -4569,197 360 1,62 10032 11519,19 -11519,19 -1487,19 390 3,7 23760 9123,197 -9123,197 14636,803 420 1,6 9900 3409,68 -3409,68 6490,32 450 0,82 4752 -2303,84 2303,84 7055,84 480 0,65 3630 -5713,52 5713,52 9343,52 510 0,54 2904 -6819,36 6819,36 9723,36 540 0,44 2244 -6911,51 6911,51 9155,51 570 0,125 165 -6819,36 6819,36 6984,36 600 0,125 165 -5713,52 5713,52 5878,52 630 0,125 165 -2303,84 2303,84 2468,84 660 0,125 165 3409,68 -3409,68 -3244,68 690 0,125 165 9123,197 -9123,197 -8958,197 720 0,125 165 11519,19 -11519,19 -11354,19

Сила, направленная порадиусу кривошипа

Сила, направленная порадиусу кривошипа определяется по формуле:

/> (47)

Строим график изменениясилы К из условия />=0,25, угол поворота коленчатоговала 0–7200с шагом 300.

Тангенциальная сила

Тангенциальная силаопределяется по формуле:

/> (48)

Строим график изменениятангенциальной силы из условия />=0,25, угол поворотаколенчатого вала 0–7200с шагом 300.

Нормальная сила

Нормальная силаопределяется по формуле:

/> (49)

Строим график изменениянормальной силы из условия />=0,25, угол поворотаколенчатого вала 0–7200с шагом 300.

Сила, действующая по осишатуна

Сила, действующая по осишатуна, определяется по формуле:

/> (50)

Строим график изменениясилы, действующей по оси шатуна из условия />=0,25,угол поворота коленчатого вала 0–7200с шагом 300.

угол Сила К угол Сила Т угол Сила N угол Сила S -11354,2 -11354,2 30 -7378,93 30 -5761,63 30 -1157,84 30 -9262,71 60 -1073,99 60 -3458,3 60 -764,65 60 -3559,1 90 -572,887 90 2237,84 90 572,887 90 2309,451 120 -3902,44 120 4162,222 120 1242,454 120 5783,06 150 -6273,87 150 2519,003 150 850,9234 150 6807,387 180 -6845,51 180 180 180 6845,51 210 -6335,19 210 -2543,62 210 -859,239 210 6873,915 240 -4039,25 240 -4308,15 240 -1286,01 240 5985,812 270 -674,263 270 -2633,84 270 -674,263 270 2718,123 300 -584,529 300 1882,222 300 416,1696 300 -1937,08 330 -3669,07 330 2864,887 330 575,7188 330 -4605,75 360 -1487,19 360 360 360 -1487,19 390 11753,35 390 9177,275 390 1844,237 390 14753,9 420 2005,509 420 6457,868 420 1427,87 420 6646,088 450 -1806,3 450 7055,84 450 1806,295 450 7281,627 480 -6456,37 480 6886,174 480 2055,574 480 9567,764 510 -9033 510 3626,813 510 1225,143 510 9801,147 540 -9155,51 540 540 540 9155,51 570 -6488,47 570 -2605,17 570 -880,029 570 7040,235 600 -4062,06 600 -4332,47 600 -1293,27 600 6019,604 630 -632,023 630 -2468,84 630 -632,023 630 2547,843 660 -1002,61 660 3228,457 660 713,8296 660 -3322,55 690 -7193,43 690 5616,79 690 1128,733 690 -9029,86 720 -11354,2 720 720 720 -11354,2

Средний крутящий момент

угол Крутящий момент ср. момент 30 -239,1075005 -71,925252 60 -143,5195164 -234,1036 90 92,87036 173,9265 120 172,732223 670,601599 150 104,5386361 607,040943 180 210 -105,5602831

240 -178,788152

270 -109,30436

300 78,1121964

330 118,8927905

360

390 380,8569325

420 268,0015386

450 292,81736

480 285,776231

510 150,5127511

540

570 -108,1144006