Двигатели внутреннего сгорания (работа 4)

Содержание

1. Описание процессов, происходящих в одном цикле ДВС

2. Расчет параметров одного цикла и построение индикаторной диаграммы 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 действительный цикл работы четырехтактного дизельного двигателя по мере происходящих в нем процессов.

Процесс впуска

Первый такт – впуск горючей смеси.

Во время 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 в конце такта сжатия. Гидравлическое сопротивление впускного трубопровода повышает давление воздуха в конце такта впуска до 0,08 МПа. Температура воздуха в цилиндре составляет 50–80° С.

Процесс сжатия

Второй такт – сжатие смеси.

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

Процесс сгорания и расширения

Третий такт – расширение, или рабочий ход.

Впрыснутое распыленное топливо, перемешиваясь со сжатым воздухом, самовоспламеняется и сгорает. При этом температура газов к концу сгорания повышается до 1600 °С, а давление до 7,864МПа. В конце такта расширения температура снижается до 700…1000⁰С, а давление до 0,677МПа. Под давлением газов, образующихся в результате сгорания топливовоздушной смеси, поршень перемещается от В.М.Т. к Н.М.Т., совершая механическую работу (рисунок 1, в).

Процесс выпуска

Четвертый такт – выпуск отработавших газов.

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

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

2. Расчет параметров одного цикла и построение индикаторной диаграммы ДВС

Объем камеры сгорания:

V_>c>_>>= 1 (в условных единицах). (1)

Полный объем:

V_>a>_>>= e × V_>c>, (2)

где e – степень сжатия;

V_>a>_>>= 8×1 = 8.

Показатель политропы сжатия:

n_>1> =1,41 – 100/n_>e>_>,> (3)

где n_>e> – номинальная частота вращения коленвала, об./мин;

n_>1>= 1,41 – 100/4500 = 1,39

Давление в конце такта сжатия, МПа:

p_>c>_>>= p_>a> × e ⁿ^1, (4)

где p_>a> – давление при впуске, МПа;

p_>c>_>>= 0,09×8 ^1,39= 1,62 МПа

Промежуточные точки политропы сжатия (табл. 1):

p_>x>_>>= (V_>a> / V_>x>) ⁿ¹_>>× p_>a>, (5)

При _>> p_>x>_>>= (8 / 1) ^1,39_>>× 0,09=1,62 МПа

Таблица 1. Значения политропы сжатия

V_>x>	2	3	4	5	6	7	8
p_>x>, МПа	0,62	0,35	0,24	0,17	0,13	0,11	0,09

Давление в конце такта сгорания, МПа:

p_>z>_>>= l × p_>c>, (6)

где l –степень повышения давления;

p_>z>_>>= 3,8 × 1,62= 6,16 МПа

Показатель политропы расширения:

n_>2> =1,22 – 130/n_>e>, (7)

n_>2>= 1,22 – 130/4500 = 1,19

Давление в конце такта расширения:

p_>b>_>>= p_>z> / e ⁿ²_>,> (8)

p_>b>= 6,16/8^1,19= 0,52 МПа

Промежуточные точки политропы расширения (табл. 2):

p_>x>_>>= (V_>b> / V_>x>) ⁿ²_>>× p_>b>. (9)

При _>> p_>x>_>>= (8 / 1) ^1,19_>>× 0,52= 6,16 МПа

Таблица 2. Значения политропы расширения

V_>x>	2	3	4	5	6	7	8
p_>x>, МПа	2,71	1,67	1,19	0,91	0,73	0,61	0,52

Среднее теоретическое индикаторное давление, МПа:

_>>, (10)

_>>МПа.

Среднее давление механических потерь, МПа:

_>>, (11)

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

_>>МПа

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

_>>, (12)

где _>> –давление выхлопных газов, МПа.

_>> МПа

Среднее эффективное давление цикла:

_>>, (13)

_>> МПа

Полученные расчетом данные используем для построения индикаторной диаграммы (рисунок 2).

3. Расчет и построение внешней характеристики ДВС

Мощность P_>e>_>,>кВт_>:>

_>>, (14)

n_>ei>_>>– текущие (принимаемые) значения частоты вращения коленчатого вала;

n_>p> – номинальная частота вращения.

Вращающий момент, Н∙м:

_>>, (15)

Удельный расход, гр/кВт∙ч:

_>> (16)

Массовый расход, кг∙ч:

_>> (17)

Полученные расчетом значения сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Зависимость мощности P_>e>, вращающего момента Т_>е>, удельного расхода g_>e>_>>и массового расхода G_>e> от частоты вращения коленвала n_>e>.

Параметр	Отношение n_>ei>/ n_>p>
	0,16	0,22	0,44	0,66	0,88	1	1,11
n_>e> (об/мин)	700	1000	2000	3000	4000	4500	5000
P_>e>, кВт	13,6	19,33	41,1	60,6	73	75	73,1
T_>e>, H×м	185,5	186,6	196,2	192,9	174,3	159,2	139,6
g_>e>,_>>гр/кВт∙ч	284,4	248	222,8	216,3	228,8	243,5	261,9
G_>e>, гр∙ч	3868	4794	9157	13108	16702	18263	19145

Графическая зависимость мощности P_>e>, вращающего момента Т_>е>, удельного расхода g_>e>_>>и массового расхода G_>e> от частоты вращения коленвала n_>e> отображена на рисунке 4.

4. Построение диаграммы фаз газораспределения

Радиус кривошипа коленвала, м:

r = S / 2, (18)

r = 0,083/2 = 0,0415 м

4.2 Отрезок ОО_>1> (см. диаграмму фаз газораспределения, рис. 3):

_>>, (19)

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

g – коэффициент;

_>>, (20)

l_>ш> – длина шатуна, м;

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

l_>ш> = 4r; (21)

_>>

Отсюда,

_>>мм, (22)

Угол впрыска:

_>>

Полученные расчетом данные используем для построения диаграммы фаз газораспределения (рисунок 3) и ее связи с индикаторной диаграммой (рисунок 2).

5. Проектирование кривошипно-шатунного механизма

Рабочий объем цилиндра, л:

_>>, (23)

где t – тактность двигателя (t = 4);

P_>е> – заданная мощность двигателя, кВт;

i – заданное число цилиндров,

_>>

5.2 Рабочий объем, м³:

_>>, (24)

где D – диаметр поршня, м:

_>>, (25)

S –неизвестный ход поршня, м.

Зная отношение S/D=0,9, определим:

_>>м;

Принимаем _>>92 мм. Тогда _>>мм.

5.3 Средняя скорость поршня, м/с:

_>>, (26)

_>> м/с < 13 м/с = [_>>]

Здесь [_>>] – максимальная допускаемая скорость поршня.

Таблица 4. Параметры бензинового 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
_>>	_>>
l_>ш> = (3,5…4,5) r	l_>ш> = 4×41,5 = 166 мм
H = (1,25…1,65) d	H = 1,3×92 = 120 мм
d_>k> = (0,72…0,9) d	d_>k> = 0,8 × 92= 74 мм
d_>ш> = (0,63…0,7) d	d_>ш> = 0,65×92 = 60 мм
l_>k> = (0,54…0,7) d_>k>	l_>k> = 0,6×74 = 44 мм
l_>шат> = (0,73…1,05) d_>ш>	l_>шат> = 1×60 = 60 мм

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

Обозначения, принятые в таблице 4:

d – диаметр поршня;

d_>п> – диаметр пальца;

d_>в> – внутренний диаметр пальца;

l_>п> – длина пальца;

l_>2> – расстояние между внутренними торцами бобышек;

d – толщина днища поршня;

d_>d> – внешний диаметр внутреннего торца бобышек;

с_>1> – расстояние от днища поршня до первой канавки под поршневое кольцо;

е_>1> – толщина стенки головки поршня;

h – расстояние от днища поршня до центра отверстия под палец;

b_>к> – глубина канавки под поршневое кольцо;

L – расстояние от торца юбки поршня до канавки под кольцо головки поршня;

H – высота поршня;

d_>ю> – минимальная толщина направляющей части поршня;

d_>ш> – диаметр шатунной шейки;

d_>к> – диаметр коренной шейки коленвала;

l_>шат> – длина шатунной шейки;

l_>к> – длина коренной шейки коленвала.

Полученные расчетом параметры используем для проектирования кривошипно-шатунного механизма (рисунок 5).

6. Определение основных параметров ДВС

Крутящий момент, Н∙м:

_>> (27)

_>>

Литровая мощность, кВт/л:

_>> (28)

_>>

Удельная поршневая мощность, 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 перемещения поршня от угла поворота коленчатого вала определяется по формуле:

_>> (35)

Строим график перемещения поршня из условия _>>=0,25, угол поворота коленчатого вала 0–360⁰ с шагом 30⁰.

Скорость поршня

Зависимость скорости поршня от угла поворота коленчатого вала определяется по формуле:

_>> (36)

Строим график скорости поршня из условия _>>=0,25, угол поворота коленчатого вала 0–360⁰ с шагом 30⁰.

Ускорение поршня

Зависимость скорости поршня от угла поворота коленчатого вала определяется по формуле:

_>> (37)

Строим график ускорения поршня из условия _>>=0,25, угол поворота коленчатого вала 0–360⁰ с шагом 30⁰.

Силы, действующие в двигателе

Сила инерции

Сила инерции определяется по формуле:

_>>, (38)

где _>>- угловая скорость поршня, определяемая по формуле:

_>>, (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) определяем приведенную массу поршня:

_>>

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

Сила давления газов

Сила давления газов определяется по формуле:

_>>, (44)

где _>>- значения давления при данном угле поворота.

_>>- атмосферное давление. _>>=0,1 МПа.

_>>- площадь поршня.

Площадь поршня определим по формуле:

_>> (45)

_>>

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

Суммарная сила

Суммарная сила определится по формуле:

_>> (46)

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

Таблица 5. Зависимости силы давления газов, силы инерции и суммарной силы от угла поворота коленчатого вала

Угол	Давление, МПа	Сила давления газов, Н	Ускорение, м/с²	Сила инерции, Н	Суммарная сила, Н

0	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	0	-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 по радиусу кривошипа

Сила, направленная по радиусу кривошипа определяется по формуле:

_>> (47)

Строим график изменения силы К из условия _>>=0,25, угол поворота коленчатого вала 0–720⁰ с шагом 30⁰.

Тангенциальная сила

Тангенциальная сила определяется по формуле:

_>> (48)

Строим график изменения тангенциальной силы из условия _>>=0,25, угол поворота коленчатого вала 0–720⁰ с шагом 30⁰.

Нормальная сила

Нормальная сила определяется по формуле:

_>> (49)

Строим график изменения нормальной силы из условия _>>=0,25, угол поворота коленчатого вала 0–720⁰ с шагом 30⁰.

Сила, действующая по оси шатуна

Сила, действующая по оси шатуна, определяется по формуле:

_>> (50)

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

угол	Сила К	угол	Сила Т	угол	Сила N	угол	Сила S

0	-11354,2	0	0	0	0	0	-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	0	180	0	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	0	360	0	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	0	540	0	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	0	720	0	720	-11354,2

Средний крутящий момент

угол	Крутящий момент	ср. момент

0	0	0
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	0	0

210	-105,5602831
240	-178,788152
270	-109,30436
300	78,1121964
330	118,8927905
360	0
390	380,8569325
420	268,0015386
450	292,81736
480	285,776231
510	150,5127511
540	0
570	-108,1144006
600	-179,7974735
630	-102,45686
660	133,9809489
690	233,096765
720	0