Реферат: Тепловой и динамический расчет автомобильного двигателя
Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
Гродненский государственный университет
им. Я. Купалы
Курсовой проект
по дисциплине “Силовые установки транспортных средств”
на тему “Тепловой и динамический расчет двигателя”
Гродно 2010
Содержание
Введение
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 двигателя
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 кривошипно-шатунном механизме
3.5 Расчет сил, действующих на шатунную шейку коленчатого вала
3.6 Построение графиков сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме
3.7 Построение диаграммы износа шатунной шейки
3.8 Построение графика суммарного крутящего момента двигателя
Заключение
Литература
Введение
Целью курсовой работы является систематизация и закрепление знаний, полученных студентами при изучении теоретического курса дисциплины «Силовые установки транспортных средств», а также при выполнении практических и лабораторных работ; освоение методики и получение практических навыков теплового и динамического расчета автомобильного (тракторного) двигателя.
Приведенная в настоящем курсовом проекте последовательность расчета двигателя базируется на известных методиках, изложенных в литературе.
Помимо указанных данных при выполнении курсовой работы студенту необходимо самостоятельно выбрать ряд величин, используя сведения о принятом прототипе двигателя.
1 Тепловой расчет двигателя
1.1 Выбор топлива, определение его теплоты сгорания
Для бензинового двигателя с впрыском в соответствии с заданной степенью сжатия (/>) октановое число используемого бензина находится в пределах от 90 до 100. Выбираем следующие виды бензинов: “Регуляр-91”, “Регуляр-92”, “Премиум-95”, “Супер-98”,
Низшая теплота сгорания жидкого топлива, кДж/кг:
/>
(1.1)
где />– массовые доли углерода, водорода и кислорода в одном килограмме топлива.
/>
/>
/>
/>
1.2 Определение параметров рабочего тела
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания одного килограмма жидкого топлива:
/>
(1.2)
/>
/>
/>
Количество свежего заряда:
/>
(1.3)
где />– коэффициент избытка воздуха;
/>= 115 кг/кмоль – средняя молярная масса бензина.
/>
При не полном сгорании топлива (/>) в состав продуктов сгорания входят: оксид углерода />, углекислый газ/>, водяной пар/>, водород />и азот />.
Количество отдельных компонентов продуктов сгорания жидкого топлива при />:
1. Оксида углерода:
/>
(1.4)
/>
2. Углекислого газа:
/>
(1.5)
/>
3. Водяного пара:
/>
(1.6)
/>
--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--/>
/>
(1.18)
/>
1.6 Расчет параметров процесса сгорания
Целью расчета процесса сгорания является определение температуры />и давления />в конце видимого сгорания.
Температура />, определяется путем решения уравнения сгорания, которое имеет вид:
/>
(1.19)
где />– коэффициент использования теплоты;
/>– теплота сгорания рабочей смеси, кДж/кмоль раб.см;
/>– средняя мольная теплоемкость свежего заряда при постоянном объеме, кДж/кмоль град;
/>– средняя мольная теплоемкость продукта сгорания при постоянном объеме, кДж/кмоль град;
/>– действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси.
По опытным данным значения коэффициента />для двигателей cэлектронным впрыском при их работе на номинальном режиме: />
Теплота сгорания рабочей смеси, кДж/кмоль раб.см.:
/>
(1.20)
где />– количество теплоты потерянное вследствие химической неполноты сгорания, кДж/кг:
/>
(1.21)
/>
Тогда имеем:
/>
Средние мольные теплоемкости:
свежего заряда
/>
(1.22)
/>
продуктов сгорания, />:
/>
(1.23)
Действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:
/>
(1.24)
/>
Уравнение сгорания (1.19) после подстановки аналитических выражений всех рассчитываемых параметров и последующих преобразований можно представить в виде уравнения второго порядка относительно />:
/>
(1.25)
где A, Bи C– коэффициенты уравнения второго порядка относительно />:
/>
(1.26)
/>
(1.27)
/>
(1.28)
/>
/>
/>
Решение уравнения второго порядка относительно />имеет вид:
/>
(1.29)
/>
Теоретическое давление:
/>
(1.30)
/>
Действительное давление:
/>
(1.31)
/>
Степень повышения давления:
/>
(1.32)
/>
1.7 Расчет параметров процесса расширения и выпуска
По опытным данным средние значения величины />при номинальной нагрузке:/>
продолжение--PAGE_BREAK--
Давление />и температура />конца процесса расширения:
/>
(1.33)
/>
/>
(1.34)
/>
Правильность предварительного выбора температуры остаточных газов />проверяется с помощью выражения:
/>
(1.35)
/>
/>
Погрешность менее 10%, соответственно температура остаточных газов выбрана верно.
1.8 Определение индикаторных показателей двигателя
Теоретическое среднее индикаторное давление, МПа:
/>
(1.36)
/>
Действительное среднее индикаторное давление:
/>
(1.37)
где />– коэффициент полноты диаграммы, который принимается равным:
/>
/>
Индикаторный КПД двигателей, работающих на жидком топливе:
/>
(1.38)
/>
Индикаторный удельный расход жидкого топлива:
/>
(1.39)
/>
1.9 Определение эффективных показателей двигателя
При проведении предварительных расчетов двигателей величина />(МПа) приближенно определяется в зависимости от средней скорости поршня />по эмпирическим формулам вида:
/>
(1.40)
где />выражено в м/с;
a, b-коэффициенты, значения которых устанавливаются экспериментально.
Для высокофорсированного двигателя с впрыском топлива и электронным управлением имеем:
а = 0,024 МПа;
b= 0,0053 (МПа/>c)/м;
Средняя скорость поршня:
/>
(1.41)
где S – ход поршня, мм;
n– номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя, мин1.
Для заданного прототипа ход поршня S составляет 80 мм.
/>
/>
Среднее эффективное давление:
/>
(1.42)
/>
Механический КПД (/>) представляет собой отношение среднего эффективного давления к индикаторному:
/>
(1.43)
/>
Эффективный КПД двигателя:
/>
(1.44)
/>
Эффективный удельный расход жидкого топлива:
/>
(1.45)
/>
1.10 Определение основных размеров цилиндра и параметров двигателя
По эффективной мощности, частоте вращения коленчатого вала, тактности и эффективному давлению определяется литраж двигателя:
/>
(1.46)
где />–тактность двигателя;
/>– эффективная мощность для номинального режима, кВт;
продолжение--PAGE_BREAK--
/>– среднее эффективное давление, МПа;
/>– обороты коленчатого вала на номинальном режиме, />.
/>
Рабочий объем одного цилиндра:
/>
(1.47)
где, />– число цилиндров двигателя.
/>
Диаметр цилиндра:
/>
(1.48)
/>
Ход поршня, мм:
/>
(1.49)
/>
По рассчитанным значениям D и S определяем основные параметры двигателя:
литраж двигателя:
/>
(1.50)
/>
эффективная мощность:
/>
(1.51)
/>
эффективный крутящий момент:
/>
(1.52)
/>
часовой расход топлива:
/>
(1.53)
/>
Средняя скорость поршня:
/>
Проверяем правильность предварительного расчета средней скорости поршня:
/>
1.11 Построение индикаторной диаграммы
Построение индикаторной диаграммы ДВС производится в координатах />(давление – объем) или />(давление – ход поршня) на основании данных расчета рабочего цикла.
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 1:1.
Отрезок ОА(мм), соответствующий объему камеры сгорания:
ОА=АВ/(ε-1);(1.54)
ОА = 79,4/(10,8-1) = 8,102мм.
При построении диаграммы масштабы давлений (Мр= 0,07МПа в мм).
Построение политроп сжатия и расширения можно осуществлять аналитическим или графическим методом. Для аналитического метода точки политроп сжатия и расширения приведены в таблице 1.1
Таблица 1.1 – Определение точек политроп сжатия и расширения аналитическим методом
№ точки
Ox, мм
OB/Ox
Политропа сжатия
Политропа расширения
/>
px, Мпа
рх/Mp, мм
/>
px, Мпа
рх/Mp, мм
1
8,102
10,8
26,361
2,452
35
20,29
9,577
136,8
2
16,924
5,2
9,649
0,897
12,8
8,049
3,799
54,3
3
25,746
продолжение--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--
Эффективная мощность, кВт
Эффективный удельный расход топлива,
/>
Эффективный крутящий момент, Н/>м
Часовой расход топлива, кг/ч
1
780
13,5
250,8
165,4
3,4
2
1362
25
233,8
175,4
5,8
3
1944
36,9
221
181,4
8,2
4
2526
48,7
212,4
184,2
10,3
5
3108
59,8
207,9
183,8
12,4
6
3690
69,6
207,6
180,2
14,4
7
4272
77,5
211,5
173,3
16,4
8
4854
82,8
219,6
163
18,2
9
5436
85
231,9
149,4
19,7
10
6018
83,4
248,4
132,4
20,7
11
6600
77,5
269
112,2
20,8
По полученным значениям производим построение внешней скоростной характеристики.
3 Динамический расчет КШМ двигателя
3.1 Расчет сил давления газов
Сила давления газов, Н:
/>
(3.1)
где/>– атмосферное давление, МПа;
/>, />– абсолютное и избыточное давление газов над поршнем в рассматриваемый момент времени, МПа;
/>– площадь поршня, м2;
/>
(3.2)
/>
Величины />снимаются с развернутой индикаторной диаграммы для требуемых φи заносятся в сводную табл. 3.1 динамического расчета. Соответствующие им силы />рассчитываются по формуле (3.1) и также заносятся в табл. 3.1
Для определения сил />непосредственно по развернутой индикаторной диаграмме, а также для случая, когда на ее координатной сетке строятся графики других сил, масштаб диаграммы пересчитывается. Если кривая />построена в масштабе />(МПа в мм), то масштаб этой же кривой для />будет:
/>
(3.3)
/>
3.2 Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма
Для упрощения динамического расчета действительный КШМ заменяется эквивалентной системой сосредоточенных масс, которая состоит из массы />(кг), сосредоточенной в точке А и совершающей возвратно-поступательное движение, и массы />(кг), сосредоточенной в точке В и совершающей вращательное движение:
продолжение--PAGE_BREAK--
/>
(3.4)
/>
(3.5)
/>
(3.6)
/>
(3.7)
где />– масса поршневой группы;
/>– часть массы шатуна, приходящаяся на возвратно-поступательную движущуюся массу, кг;
/>– часть массы шатуна, приходящаяся на вращающуюся движущуюся массу, кг;
/>– часть массы кривошипа, сосредоточенной в точке В.
Для приближенного определения значений />, />и />можно использовать конструктивные массы т'(кг/м2), т.е. массы, отнесенные к площади поршня .
Исходя из определения конструктивных масс, значения т', выбранные по справочнику, умножили на площадь />(м2) для получения искомых величин т.
/>
/>
/>
/>
/>
Таким образом, имеем:
/>
/>
3.3 Расчет сил инерции
Силы инерции, действующие в КШМ, в соответствии с характером движения приведенных масс подразделяются на силы инерции поступательно движущихся масс />, и центробежные силы инерции вращающихся масс />, Н:
/>
(3.8)
/>
(3.9)
где j – ускорение поршня, м/с2;
/>– угловая скорость вращения коленчатого вала для расчетного режима;
/>
(3.10)
/>
Для рядного двигателя центробежная сила инерции />является результирующей двух сил:
силы инерции вращающихся масс шатуна
/>
(3.11)
/>
и силы инерции вращающихся масс кривошипа
/>
(3.12)
/>
Силы />, рассчитанные для требуемых положений кривошипа (углов φ),заносятся в табл. 3.1.
3.4 Расчет суммарных сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме
Суммарные силы, действующие в КШМ, определяют алгебраическим сложением сил давления газов и сил возвратно-поступательно движущихся масс, Н:
/>
(3.13)
Суммарная сила />, как и силы />и />, направлена по оси цилиндра и приложена к оси поршневого пальца. Воздействие от силы Р передается на стенки цилиндра перпендикулярно его оси и на шатун по направлению его оси.
Сила N(Н), действующая перпендикулярно оси цилиндра, называется нормальной силой воспринимается стенками цилиндра:
/>
(3.14)
где, />– угол отклонения шатуна от оси цилиндра.
Сила S(Н), действующая вдоль шатуна:
/>
(3.15)
От действия силы S на шатунную шейку возникают две составляющие силы:
сила, направленная по радиусу кривошипа (Н)
/>
(3.16)
тангенциальная сила, направленная по касательной к окружности радиуса кривошипа (Н):
/>
продолжение--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--
16319
/>
282571
261498
149332
20056
20056
26894
26894
27911
191356
282571
Величина
износа, мм
28.3
26.1
14.9
2
2
2.7
2.7
2.8
19.1
28.3
3.8 Построение графика суммарного крутящего момента двигателя
Крутящий момент />(Н м), развиваемый одним цилиндром двигателя в любой момент времени, прямо пропорционален тангенциальной силе Т ;
/> ; (3.20)
где Т, Н; R,м.
При равных интервалах между вспышками в цилиндрах двигателя построение кривой />(φ)производится в следующей последовательности: график />(φ)(или Т(φ)при соответствующем выборе масштаба) разбивается на число участков, равное числу цилиндров двигателя; все участки совмещаются на новой координатной сетке длиной θи суммируются. Для четырехтактного двигателя:
θ=720° /i=720/4=180°;(3.21)
Производим расчет суммарного крутящего момента, результаты расчетов заносим в таблицу 3.3.
Таблица 3.3 – Определение суммарного крутящего момента
Угол поворота коленчатого вала, °
Крутящий момент для цилиндра, Н·м
Суммарный крутящий момент, Н·м
1
2
3
4
30
-248.56
-107.39
266.82
-113.22
-89.13
60
-143.32
-185.92
241.02
-192.07
-88.21
90
107.63
-137.88
330.42
-117.23
300.17
120
184.92
58.84
268.49
133.79
512.25
150
107.03
144.11
126.25
242.57
377.39
180
Принимаем масштабный коэффициент для суммарного крутящего момента:
Мр = 7,6737 (Н·м)/мм .
Производим построение графика суммарного крутящего момента. По графику определяем среднее значение суммарного крутящего момента:
/>; (3.22)
где F1, F2– соответственно положительная и отрицательная площади, заключенные между кривой />и линией ОА, мм2.
продолжение--PAGE_BREAK--
/> Н·м.
По величине />определяем эффективный крутящий момент />, снимаемый с вала двигателя:
/>; (3.23)
/> Н·м.
Производим сравнение полученного значения />с величиной полученной в тепловом расчете (/>Н·м):
/>.
Заключение
В данном курсовом проекте мы систематизировал и закрепил наши знания, полученные при изучении теоретического курса дисциплины «Силовые установки транспортных средств», а также освоил методику и получил практические навыки теплового и динамического расчета автомобильного двигателя.
Литература
1. Автомобильные двигатели / Под. ред. М.С. Ховаха — М.: Машиностроение, 1977.-591с.
2. Артамонов М.Д. и др. Основы теории и конструирования автомобильных двигателей. — М.: Высш. шк., 1976. — 132 с.
3. Болтинский В.Н. Теория, конструирование и расчет тракторных и автомобильных двигателей. — М.: Сельхозиздат, 1962. — 390 с.
4. Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А.С. Орлина и М.Г. Круглова. — М.: Машиностроение, 1984. — 383 с.
5. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А.С. Орлина и М.Г. Круглова. — М.: Машиностроение, 1983. — 375 с.
6. Железко Б.Е. и др. Расчет и конструирование автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. пособие для вузов. — Мн.: Вышэйшая школа, 1987. — 247 с.
7. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей:
Учеб. пособие для вузов. — М.: Высш. шк., 2003. — 496 с.
8. Попык К.Г. Конструирование и расчет автомобильных и тракторных двигателей.- М.: Высш. шк., 1968. — 389 с.