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 n1, (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>= 6,16/81,19= 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 |
> |
> |
> > |
> |
> |
> |
> |
> |
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 |
>>,
где Т>х> – значение тангенциальной
силы при данном угле поворота.
Т>ср.>= 163,2 Н∙м, что составляет разницу с ранее
посчитанным моментом (27) 2,45%.
7. Тепловой баланс двигателя
>>Теплота
сгорания израсходованного топлива:
>>
(51)
>>
Эквивалентная эффективная теплота работы двигателя:
>>
(52)
>>
Список литературы
1. Сырямин Ю.Н. Двигатели внутреннего сгорания. Методические указания к выполнению расчетно-графического упражнения. Н., 1998. 13 с.
2. Сергеев В.П. Автотракторный транспорт. М., 1984. 304 с.
3. Колчин А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М., 1971.
4. Орлин А.И. Двигатели внутреннего сгорания. М., 1970. 384 с.
5. СТП СГУПС 01.01–2000. Курсовой и дипломный проекты. Требования к оформлению. 41 с.