Реферат: Тепловой и динамический расчет двигателя
Содержание
1. Тепловой расчет двигателя
1.1 Выбор топлива, определение его теплотысгорания
1.2 Определение параметров рабочего тела
1.3 Определение параметров окружающей среды иостаточных 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 ивыпуска
1.8 Определение индикаторных показателейдвигателя
1.9 Определение эффективных показателейдвигателя
1.10 Определение основных размеров цилиндра ипараметров двигателя
1.11 Построение индикаторной диаграммы
2. Расчет и построение внешней скоростнойхарактеристики двигателя
3. Динамический расчет кривошипно-шатунногомеханизма
3.1 Расчет сил давления газов
3.2 Приведение масс частей кривошипно-шатунногомеханизма
3.3 Расчет сил инерции
3.4 Расчет суммарных сил, действующих в КШМ
3.5 Расчет сил, действующих на шатунную шейкуколенчатого вала
3.6 Построение графиков сил, действующих в КШМ
3.7 Построение диаграммы износа шатунной шейки
3.8 Построение графика суммарного крутящегомомента двигателя
1. Тепловой расчет двигателя
1.1 Выбор топлива, определение его теплотысгорания
Для бензинового двигателя в соответствии с заданной степеньюсжатия определяем октановое число топлива, согласно которому производим выбормарки 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 в1 кг топлива.
1.2 Определение параметров рабочего тела
Теоретически необходимое количество воздуха для сгоранияодного килограмма жидкого топлива:
/> (2)
где />, /> - теоретически необходимоеколичество 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 жидкоготоплива />:
углекислого газа:
/>; (4)
водяного пара:
/>; (5)
кислорода:
/>; (6)
азота:
/> (7)
Общее количество продуктов сгорания жидкого топлива:
/> (8)
1.3 Определение параметров окружающей среды иостаточных газов
При работе двигателя без наддува давление /> и температура /> окружающейсреды:
/>.
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 счетсопротивления впускной системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре,МПа.
Величина /> с учетом некоторых допущенийопределяется из уравнения Бернулли:
/>, (10)
где /> - коэффициент затухания скоростидвижения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра;
/> — коэффициент сопротивлениявпускной системы, отнесенный к наиболее узкому ее сечению;
/> — средняя скорость движения зарядав наименьшем сечении впускной системы (как правило, в клапане или продувочныхокнах), />;
/> - плотность заряда на впуске, />.
По опытным данным в современных автомобильных двигателях наноминальном режиме:
/>;
/>.
Принимаем:
/>;
/>.
Плотность заряда на впуске:
/>, (11)
где /> - удельная газовая постояннаявоздуха.
Определим />:
/>. (12)
Тогда />:
/>. (13)
Коэффициент остаточных газов />:
/>, (14)
где /> - температура подогрева свежегозаряда при его контакте со стенками впускного трубопровода и цилиндра;
/> - степень сжатия.
Температура подогрева свежего заряда принимаем в зависимостиот типа двигателя:
для бензиновых двигателей:
/>.
Тогда />:
/>. (15)
Температура заряда в конце процесса впуска:
/>. (16)
Коэффициент наполнения /> без учета продувки и дозарядкичетырехтактного двигателя:
/> (17)
1.5 Расчет параметров процесса сжатия
Рассматриваемый процесс характеризуется давлением /> и температурой/> рабочеготела в конце сжатия, показателем политропы сжатия />.
По опытным данным при жидкостном охлаждении величинапоказателя политропы для бензиновых двигателей:
/>.
Исходя из выбранного показателя политропы определим давление/> итемпература /> концапроцесса сжатия:
/>; (18)
/>. (19)
1.6 Расчет параметров процесса сгорания
Целью расчета процесса сгорания является определениетемпературы /> идавления /> (/>) вконце видимого сгорания.
Температуру /> определимпутем решения уравнения сгорания:
/>, (20)
где /> - коэффициент использованиятеплоты;
/> -теплота сгорания рабочей смеси, />;
/> - средняямольная теплоемкость свежего заряда при постоянном объеме, />;
/> -средняя мольная теплоемкость продукта сгорания при постоянном объеме, />;
/> - действительный коэффициентмолекулярного изменения рабочей смеси.
По опытным данным значения коэффициента /> для бензиновогодвигателя с электронным впрыском:
/>.
Теплота сгорания рабочей смеси при />:
/> (21)
Средние мольные теплоемкости:
свежего заряда:
/> (22)
продуктов сгорания:
/> (23)
Действительный коэффициент молекулярного изменения рабочейсмеси:
/>. (24)
Подставим найденные значения в уравнение сгорания иопределим />:
/>
Величина теоретического давления />:
/>. (25)
Величина теоретического давления />:
/>. (26)
Степень повышения давления />:
/>. (27)
1.7 Расчет параметров процесса расширения ивыпуска
При расчете процесса расширения и выпуска необходимоопределить давление /> итемпературу /> рабочеготела в конце расширения, показатель политропы расширения />, а также проверитьточность выбора величин параметров остаточных газов.
По опытным данным средние значения величины п2 приноминальной нагрузке для бензиновых двигателей:
/>.
Давление /> итемпература /> концапроцесса расширения:
/>; (28)
/>. (29)
Правильность предварительного выбора температуры остаточныхгазов /> проверимс помощью выражения:
/>. (30)
Так как расхождение между принятой /> и вычисленной по формуле непревышает 10% (6%), то расчет выполнен верно.
1.8 Определение индикаторных показателейдвигателя
Индикаторные показатели характеризуют рабочий циклдвигателя. К ним относятся: среднее индикаторное давление />, индикаторная мощность />, индикаторныйКПД />,индикаторный удельный расход топлива />.
Теоретическое среднее индикаторное давление:
/> (31)
Действительное среднее индикаторное давление:
/>, (32)
где /> - коэффициентполноты диаграммы, который принимается равным для бензиновых двигателей сэлектронным впрыском:
/>.
Тогда />:
/>. (33)
Индикаторный КПД двигателей, работающих на жидком топливе:
/>. (34)
Индикаторный удельный расход жидкого топлива:
/>. (35)
1.9 Определение эффективных показателейдвигателя
Эффективные показатели характеризуют работу двигателя вцелом, т.к. кроме тепловых потерь рабочего цикла учитывают потери напреодоление различных механических сопротивлений и на совершение процессоввпуска и выпуска.
К эффективным показателям относятся: эффективная мощность />, среднееэффективное давление />, эффективный КПД двигателя />, эффективныйудельный расход топлива />.
Потери на преодоление различных сопротивлений оцениваютвеличиной мощности механических потерь /> илисреднего давления механических потерь />.
Среднего давление механических потерь />:
/>, (36)
где а, Ь — коэффициенты, значения которыхустанавливаются экспериментально.
Принимаем для бензинового двигателя с впрыском:
/>;
/>.
Средняя скорость поршня:
/>, (37)
где S — ход поршня, мм;
п — номинальная частота вращения коленчатого валадвигателя, />.
Тогда />:
/>.
Величина S принимаем равной величине хода поршнядвигателя, 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 ипараметров двигателя
При заданных значениях эффективной мощности (/>) и коэффициентакороткоходности (S/D) определим основные конструктивные параметрыдвигателя (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 основныепараметры 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 вкоординатах р — V (давление — объем) или p-S (давление — ход поршня) на основании данных расчетарабочего процесса.
В начале построения на оси абсцисс откладывается отрезок АВ,соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня вмасштабе />,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 ввыбранном масштабе величины давлений в характерных точках: />.
Построение политроп сжатия и расширения осуществляемграфическим методом.
При построении из начала координат проводим луч ОС подпроизвольным 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, начинаяиз точки z, а политропу сжатия строим с помощью лучей ОС иOD, начиная с точки с.
На заключительном этапе построения наносим линии впуска ивыпуска, а также производим скругления с учетом фаз газораспределения,опережения зажигания (впрыска), скорости нарастания давления в процессесгорания. Для этого на диаграмме отмечаем положение следующих характерныхточек: />.
Давление в конце такта сжатия:
/>. (54)
Для нанесения этих точек характерных точек на диаграммуустановим взаимосвязь между углом поворота коленчатого вала и перемещениемпоршня. Применим для этого метод Брикса. Под индикаторной диаграммой строимвспомогательную полуокружность радиусом />, равным половине хода поршня.Далее от центра полуокружности (точка />) в сторону н.м.т. откладываемпоправку Брикса:
/>. (55)
где /> - для автомобильных двигателей:
/>.
Ориентировочные значения углов поворота коленчатого вала,определяющих положение характерных точек действительной индикаторной диаграммы:
/>; />;
/>; />;
/>; />;
/>.
Нанесенные на диаграмму характерные точки соединяютсяплавными кривыми.
/>
Рисунок 1 – Индикаторная диаграмма бензиновогодвигателя
двигатель топливо скоростной
2. Расчет и построение внешней скоростнойхарактеристики двигателя
Построение кривых скоростной характеристики ведем винтервале частот вращения коленчатого вала: от /> до />.
Расчетные точки кривых эффективной мощности и эффективногоудельного расхода топлива определим по следующим зависимостям:
/>; (56)
/>, (57)
где /> - соответственно номинальнаяэффективная мощность (кВт), частота вращения коленчатого вала при номинальноймощности (/>),удельный эффективный расход топлива при номинальной мощности (/>) ;
/> - соответственно эффективнаямощность (кВт), удельный эффективный расход топлива (/>), частота вращения коленчатоговала (/>) вискомой точке скоростной характеристики;
/> - коэффициенты, значения которыхустанавливают экспериментально.
Для бензинового двигателя: />; />; />; />; />.
Рассчитанные точки кривых эффективной мощности иэффективного удельного расхода топлива сведем в таблицу 1.
Точки кривых эффективного крутящего момента /> и часового расходатоплива /> определимпо формулам:
/>; (58)
/> (59)
Рассчитанные точки кривых эффективного крутящего момента /> и часовогорасхода топлива /> сведем в таблицу 1.
Таблица 1 – Значения эффективной мощности />, эффективногоудельного расхода топлива />, эффективного крутящего момента /> и часовогорасхода топлива /> в зависимости от частоты вращенияколенчатого 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 24,594По рассчитанным значениям параметров />, />, />, /> для ряда значений n производим построение внешней скоростной характеристики.
/>
Рисунок 2 – Внешняя скоростная характеристикабензинового двигателя
С помощью построенной характеристики определяем максимальныйэффективный крутящий момент: /> и минимальный эффективныйудельный расход топлива: />, а также коэффициентприспособляемости К:
/>. (60)
где /> - эффективный крутящий момент приноминальной мощности.
3. Динамический расчет кривошипно-шатунногомеханизма
3.1 Расчет сил давления газов
Силы давления газов, действующие на площадь поршня, заменяемодной силой />,направленной вдоль оси цилиндра и приложенной к оси поршневого пальца.
Сила /> определяется для ряда угловповорота коленчатого вала по действительной развернутой индикаторной диаграмме.
Построение действительной развернутой индикаторной диаграммыпроизводим в координатах />.
Сила давления газов, Н:
/>, (61)
где /> - площадь поршня, />;
/> — атмосферное давление, МПа;
/> - абсолютное и избыточноедавление газов над поршнем в любой момент времени, МПа.
Величины /> снимаем с развернутойиндикаторной диаграммы для требуемых />. Соответствующие им силы /> рассчитываем.
Для угла поворота коленчатого вала />:
/>.
/>, /> заносим в сводную таблицу 2.
Кривая /> построена в масштабе: />, масштаб этойже кривой для /> будет: />.
3.2 Приведение масс частей кривошипно-шатунногомеханизма
Для упрощения динамического расчета действительный КШМзаменяем 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 используемконструктивные массы />, т.е. массы, отнесенные к площадипоршня.
Поршневая группа />:
/>.
Шатун />:
/>.
Неуравновешенные части одного колен вала без противовесов />:
/>.
Умножая конструктивные массы на площадь поршня получимискомые величины:
/>; (65)
/>; (66)
/>. (67)
Для большинства существующих автомобильных и тракторныхдвигателей:
/>. (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 вращенияколенчатого вала для расчетного режима, рад/с:
/>. (74)
Центробежные силы инерции вращающихся масс />:
/>. (75)
Для рядного двигателя центробежная сила инерции /> являетсярезультирующей двух сил:
силы инерции вращающихся масс шатуна:
/>; (76)
силы инерции вращающихся масс кривошипа:
/>. (77)
Для угла поворота коленчатого вала />:
/>;
/>.
Силы /> рассчитываем для требуемыхположений кривошипа (углов />) и заносим результат в таблицу 2.
3.4 Расчет суммарных сил, действующих в КШМ
Суммарные силы, действующие в КШМ, определяем алгебраическимсложением сил давления газов и сил возвратно-поступательно движущихся масс:
/> (78)
Нормальная сила N (Н), действующая перпендикулярно осицилиндра, воспринимаемая стенками цилиндра:
/>, (79)
где /> — угол отклонения шатуна от осицилиндра.
Сила S (Н), действующая вдоль шатуна:
/>. (80)
От действия силы S на шатунную шейку возникают двесоставляющие силы:
сила, направленная по радиусу кривошипа:
/>. (81)
тангенциальная сила, направленная по касательной кокружности радиуса кривошипа:
/>. (82)
Для угла поворота коленчатого вала />:
/>;
/>;
/>;
/>;
/>.
Рассчитываем для требуемых углов /> значения P, N, S, K, T и заносим втаблицу 2.
3.5 Расчет сил, действующих на шатунную шейкуколенчатого вала
Аналитически результирующая сила, действующая на шатуннуюшейку рядного двигателя, Н:
/>, (83)
где /> - сила, действующая на шатуннуюшейку по кривошипу.
Для угла поворота коленчатого вала />:
/>
Значения /> вычисляем для требуемых /> и заносим втаблицу 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 0,02 130,012 -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 27452,4813.6 Построение графиков сил, действующих в КШМ
Графики изменения сил, действующих в КШМ, в зависимости отугла поворота кривошипа /> строим в прямоугольной системекоординат по данным таблицы 2.
Все графики строим в масштабе />, а координатные сетки располагаемодну под другой. При этом на одной координатной сетке группируем несколькографиков: кривые />и /> - на координатной сеткеразвернутой индикаторной диаграммы вместе с кривой />, а кривые сил />, /> и />, />-попарно.
Построение графика /> ведем как в прямоугольной системекоординат, так и в виде полярной диаграммы с базовым направлением (полярнойосью) по кривошипу.
При построении полярной диаграммы из точки /> по оси абсцисс вправооткладываются положительные силы />, по оси ординат вверх — отрицательные силы /> . Плавная кривая, соединяющаяточки с координатами ( />;/>) в порядке нарастания /> (соответствующиезначения /> указываемрядом с точкой), является искомой диаграммой.
При построении графика />в прямоугольной системе координатпо расчетным данным таблицы 2 минимальное и максимальное /> определяем по полярнойдиаграмме.
Для определения положения среднего значения /> на графике площадьограниченную графиком и осями координат разделим на длину графика:
/>. (84)
3.7 Построение диаграммы износа шатунной шейки
На основании полярной диаграммы нагрузки на шатунную шейкуколенчатого вала производим построение диаграммы износа. которая дает наглядноепредставление о характере износа шейки по окружности и позволяет определитьместоположение масляного отверстия.
Для построения диаграммы износа проводим окружность,изображающую в произвольном масштабе шатунную шейку.
Дальнейшее построение осуществляем в предположении, чтодействие каждого вектора силы /> распространяется на />по окружностишейки в обе стороны от точки приложения силы.
По диаграмме определяем угол /> , определяющий положение осимасляного отверстия: />
Для упрощения расчета результирующих величин /> составляем таблицу 3, вкоторую заносим значения сил />, действующих по каждому лучу, иих сумму.