Расчет и конструирование автомобильных двигателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Восточно-Сибирский государственный технологический университет

Кафедра “Автомобили”

Издательство ВСГТУ

Методические указания к выполнению курсового проекта

по дисциплине “Автомобильные двигатели”

специальности 190601

“Автомобили и автомобильное хозяйство”

Расчет и конструирование автомобильных двигателей

Исполнитель: Гергенов С.М.

Улан-Удэ, 2008



В методических указаниях излагаются основы теплового, кинематического и динамического расчета поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Методические указания предназначены для студентов всех форм обучения, обучающихся по специальности 190601 “Автомобили и автомобильное хозяйство” при выполнении курсового проекта. Могут быть использованы при изучении студентами курса “Автомобили и Двигатели” (часть 3 “Автомобильные двигатели”), а также при выполнении дипломного проекта.

Исходные данные к курсовому проекту студенту выдаются ведущим преподавателем в соответствии с вариантом.



Содержание

1. Тепловой расчет и тепловой баланс двигателя

1.1 Тепловой расчет

1.1.1 Основные расчетные режимы

1.1.2 Топливо

1.1.3 Параметры рабочего тела

1.1.4 Параметры окружающей среды и остаточные газы

1.1.5 Процесс впуска

1.1.6 Процесс сжатия

1.1.7 Процесс сгорания

1.1.8 Процессы расширения и выпуска

1.1.9 Индикаторные параметры рабочего цикла

1.1.10 Эффективные показатели двигателя

1.1.11 Основные параметры цилиндра и двигателя

1.1.12 Построение индикаторной диаграммы

1.2 Тепловой баланс

2. Расчет кинематики КШМ

2.1 Определение перемещения, скорости и ускорения поршня

3. Расчет динамики КШМ

3.1 Сила давления газов

3.2 Приведение масс частей КШМ

3.3 Удельные и полные силы инерции

3.4 Удельные суммарные силы

3.5 Крутящие моменты

3.6 Силы, действующие на шатунную шейку коленчатого вала

Список литературы

Приложение



1. Тепловой расчет и тепловой баланс двигателя

1.1 Тепловой расчет

двигатель инерция тепловой поршень

1.1.1 Основные расчетные режимы

При проведении теплового расчета автомобильных двигателей выбирают следующие основные расчетные режимы.

Для бензиновых (карбюраторных и со впрыскиванием легкого топлива) двигателей:

1) режим минимальной частоты вращения nmin=600…1000 мин-1, обеспечивающий устойчивую работу двигателя (прим.: для упрощения расчетов принять nmin=1000);

2) режим максимального крутящего момента при nм=(0,4…0,6)nN;

3) режим максимальной (номинальной) мощности при nN;

4) режим максимальной скорости движения автомобиля при nmax=(1,05…1,20)nN.

Для дизелей (без наддува и с наддувом):

1) режим максимальной (номинальной) мощности при nN.

1.1.2 Топливо

а) Средний элементный состав и молекулярная масса топлив выбираются из нижеприведенной таблицы А.

Таблица А

Вид топлива	Массовые доли химических элементов в 1 кг топлива	mт, кг/кмоль
	С	Н	О
Бензин	0,855	0,145	0	115
Дизельное топливо	0,87	0,126	0,004	-

б) Низшая теплота сгорания жидкого топлива, МДж/кг:

(1)

где С, Н, О, S - массовые доли химических элементов в 1 кг. топлива (прим.: содержанием серы можно пренебречь и взять равным нулю); W - количество водяных паров в продуктах сгорания 1 кг. Топлива (прим.: содержанием водяных паров можно пренебречь и взять равным нулю).

1.1.3 Параметры рабочего тела

а) Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:

- в объемных единицах, кмоль возд./кг. Топл.

(2)

- в массовых единицах, кг возд./кг топл.

(3)

Размещено на http://www.allbest.ru/

б) Коэффициент избытка воздуха.

Коэффициент избытка воздуха для выбранных расчетных скоростных режимов:

- для карбюраторного двигателя выбирается по рис. 1;

- для бензинового двигателя со впрыском топлива выбирается по рис. 2;

- для дизеля без наддува принимается равным =1,4…1,5, для дизеля с наддувом - =1,6…1,8.

в) Количество горючей смеси (для бензиновых ДВС) или свежего заряда (для дизелей):

- для бензиновых ДВС, кмоль гор. смеси/кг. топл.:

(4)

где mт- молекулярная масса топлива (см. табл. 1).

- для дизелей, кмоль св. зар/кг. Топл.:

(5)

г) Количество отдельных компонентов продуктов сгорания:

- при неполном сгорании топлива (<1)

, кмоль СО2/кг. топл. (6)

, кмоль СО/кг. топл. (7)

, кмоль Н2О/кг. топл. (8)

, кмоль Н2/кг. топл. (9)

, кмоль N2/кг. топл. (10)



- при полном сгорании топлива (1)

, кмоль СО2/кг. топл. (11)

, кмоль Н2О/кг. топл. (12)

, кмоль О2/кг. топл. (13)

, кмоль N2/кг. топл. (14)

д) Общее количество продуктов сгорания:

- при неполном сгорании топлива (<1)

(15)

- при полном сгорании топлива (1)

(16)

Полученные результаты расчетов:

- для бензинового ДВС свести в таблицу 1.1;

- для дизеля представить в конце вышеприведенных формул.

Таблица 1.1

Рабочее тело
Параметры	Численные значения параметров для выбранных расчетных скоростных режимов
n
M1

1.1.4 Параметры окружающей среды и остаточные газы

а) Давление рк и температура Тк окружающей среды:

- для двигателей без наддува:

рк = р0 = 0,1 МПа;

Тк = Т0 = 293 К.

- для двигателей с наддувом:

рк = 1,5р0 МПа - при низком наддуве;

рк = (1,5…2,2)р0 МПа - при среднем наддуве;

рк = (2,2…2,5)р0 МПа - при высоком наддуве;

Более точное значение давления наддува можно определить, выбрав модель компрессора [1] или уточнить по исходным данным к курсовому проекту.

К. (17)

где nк - показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре (нагнетателе) выбирается из таблицы Б:



Таблица Б

Тип надувочного агрегата	nк
Для поршневых нагнетателей	1,4…1,6
Для объемных нагнетателей	1,55…1,75
Для осевых и центробежных нагнетателей	1,4…2,0

б) Температура остаточных газов.

Температуры остаточных газов Тr для расчетных скоростных режимов:

- для карбюраторных двигателей выбираются по рис. 1;

- для двигателя со впрыском легкого топлива - по рис. 2;

- для дизелей принимаются в пределах 600…900 К, при этом для дизелей без наддува можно ориентировочно взять 750 К, а для дизелей с наддувом - 800 К.

в) Давление остаточных газов.

Значения давления остаточных газов для расчетных режимов двигателя определяются:

- для бензиновых двигателей вначале для номинального режима работы двигателя:

для карбюраторного двигателя:

для двигателя со впрыском легкого топлива:

а затем для остальных расчетных режимов:

(18)



где

- для дизелей без наддува принимается pr=(1,05…1,25)p0, дизелей с наддувом - pr=(0,75…0,98)pк. Ориентировочно можно взять для дизелей без наддува pr=1,05p0, для дизелей с наддувом - pr=0,95pк.

1.1.5 Процесс впуска

а) Температура подогрева свежего заряда.

С целью получения хорошего наполнения двигателей на номинальных скоростных режимах принимается:

- для карбюраторного двигателя - TN=8 °С;

- для двигателя со впрыском легкого топлива - TN=6 °С;

тогда на остальных расчетных режимах значения T:

(19)

где

- для дизелей без наддува TN=20 °С, для дизелей с наддувом TN=10 °С.

б) Плотность заряда на впуске, кг/м3

(20)

где Rв=287 Дж/(кгград) - удельная газовая постоянная для воздуха.

б) Потери давления на впуске.

В соответствии со скоростными режимами и при учете качественной обработки внутренних поверхностей впускных систем можно принять:

- для карбюраторного двигателя и вп=95 м/с;

- для двигателя со впрыском легкого топлива и вп=95 м/с;

- для дизеля и вп=70 м/с.

где - коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра; вп - коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому ее сечению; вп - средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы (в клапане).

Тогда потери давления pа рассчитываются:

- для бензиновых двигателей:

(21)

где ;

- для дизелей:

(22)

в) Давление в конце впуска:

(23)

г) Коэффициент остаточных газов:

- для бензиновых двигателей:

(24)

где оч=1 - коэффициент очистки для двигателей без наддува; доз - коэффициент дозарядки выбирается по рис. 5 для карбюраторного двигателя и рис. 6 - для двигателя со впрыском легкого топлива.

- для дизелей:

(25)

д) Температура в конце впуска:

(26)

е) Коэффициент наполнения:

(27)

Полученные результаты расчетов:

- для бензинового ДВС свести в таблицу 1.2;

- для дизеля представить в конце вышеприведенных формул.

Таблица 1.2

Процессы впуска и газообмена
Параметры	Численные значения параметров для выбранных расчетных скоростных режимов
n
Tr
pr
T
pa
pa
доз
r
Ta
v

1.1.6 Процесс сжатия

a) Средний показатель адиабаты сжатия

Определяется по номограмме (см. рис. 3).

б) Средний показатель политропы сжатия

- для бензиновых двигателей n1=[(k1-0,00)-(k1-0,04)];

- для дизелей n1=[(k1+0,02)-(k1-0,02)].

в) Давление в конце сжатия:

(28)

г) Температура в конце сжатия:

(29)

д) Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:

- свежей смеси (воздуха)выбирается из таблицы Б:

Таблица Б

Наименование газа	Формулы для определения средней мольной теплоемкости отдельных газов при постоянном объеме, кДж/(кмольград) для температур, С
	От 0 до 1500	От 1501 до 2800
Воздух	mcv=20,6+0,002638t	mcv=20,6+0,002638t
Кислород	mcvO2=20,93+0,004641t-8,410-7t2	mcvO2=23,723+1,5510-3t
Азот	mcvN2=20,398+0,0025t	mcvN2=21,951+1,45710-3t
Водород	mcvH2=20,684+2,0610-4t+5,8810-7t2	mcvH2=23,723+1,5510-3t
Оксид углерода	mcvCO=20,597+0,00267t	mcvCO=22,49+0,00143t
Углекислый газ	mcvCO2=27,941+0,019t-5,48710-6t2	mcvCO2=39,123+3,34910-3t
Водяной пар	mcvH2O=24,953+0,05359t	mcvH2O=26,67+0,004438t

Размещено на http://www.allbest.ru/

- остаточных газов определяется методом интерполяции по табл. 3.8:

- рабочей смеси:

(30)

Полученные результаты расчетов:

- для бензинового ДВС свести в таблицу 1.3;

- для дизеля представить в конце вышеприведенных формул.

Таблица 1.3

Процесс сжатия
Параметры	Численные значения параметров для выбранных расчетных скоростных режимов
n
k1
N1
pc
Tc
tc

1.1.7 Процесс сгорания

а) Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси или свежего заряда:

(31)

б) Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

(32)



в) Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания (прим.: для бензиновых двигателей):

Hu=119950(1-)L0 (33)

г) Теплота сгорания рабочей смеси:

- для бензиновых двигателей:

(34)

- для дизелей:

(35)

д) Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания:

- для бензиновых двигателей:

(36)

- для дизелей:

(37)

определяется по эмпирическим формулам, приведенным в табл. 3.6 для интервала температур от 1501 до 2800 °С:

е) Коэффициент использования теплоты выбирается

- для карбюраторных двигателей по рис. 5.1;

- для двигателей со впрыском легкого топлива по рис. 5.2;

- для дизелей без наддува принимается z=0,82, для дизелей с наддувом - z=0,86.

ж) Степень повышения давления (прим.: для дизелей):

- для дизелей без наддува принимается =2;

- для дизелей с наддувом - =1,5.

з) Температура в конце видимого процесса сгорания

(38)

Подставляя в это уравнение все уже известные величины получаем квадратное уравнение вида . Решая данное уравнение, находим положительный корень tz по известной формуле:

(39)

Максимальное давление сгорания теоретическое:

(40)

Максимальное давление сгорания действительное:

Степень повышения давления:

=pz/pc (41)

Полученные результаты расчетов:

- для бензинового ДВС свести в таблицу 1.4;

- для дизеля представить в конце вышеприведенных формул.

Таблица 1.4

Процесс сгорания
Параметры	Численные значения параметров для выбранных расчетных скоростных режимов
n
0
Hи
Hраб.см.
z
tz C
Tz К
pz
pzд

1.1.8 Процессы расширения и выпуска

а) Степень последующего расширения (прим.: для дизелей):

(42)

б) Средний показатель адиабаты расширения k2 определяется:

для бензиновых двигателей по номограмме (см. рис. 4.8).

для дизелей по номограмме (см. рис. 4.9), где учитываются следующие величины: , Tz и .



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

в) Давление в конце процесса расширения, МПа:

- для бензиновых двигателей

(43)

- для дизелей

(44)

г) Температура в конце процесса расширения, К:

- для бензиновых двигателей



(45)

- для дизелей

(46)

д) Проверка погрешности ранее принятой температуры остаточных газов, %:

(47)

где (48)

Температура остаточных газов на всех скоростных режимах принятая по графику в начале теплового расчета считается достаточно удачной, если погрешность Tr не превышает 1 %. Если погрешность превышает, то необходимо температуру остаточных газов откорректировать (увеличить или уменьшить) настолько, чтобы обеспечить погрешность не более 1 %. При этом тепловой расчет необходимо повторить для откорректированной температуры остаточных газов.

Полученные результаты расчетов:

- для бензинового ДВС свести в таблицу 1.5;

- для дизеля представить в конце вышеприведенных формул.



Таблица 1.5

Процессы расширения и выпуска
Параметры	Численные значения параметров для выбранных расчетных скоростных режимов
n
k2
n2
pb
Tb
Tr
Tr, %

1.1.9 Индикаторные параметры рабочего цикла

а) Теоретическое среднее индикаторное давление:

- для бензиновых двигателей:

(49)

- для дизелей

(50)

б) Среднее индикаторное давление:

(51)

где и - коэффициент полноты диаграммы:

- для карбюраторных двигателей и=0,96;

- для двигателей со впрыском легкого топлива и=0,98;

- для дизелей и=0,95.

в) Индикаторный КПД:

(52)

г) Индикаторный удельный расход топлива:

(53)

1.1.10 Эффективные показатели двигателя

а) Среднее давление механических потерь, МПа:

- для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением S/D< 1:

(54)

- для дизелей:

(55)

где средняя скорость поршня, м/с:

(56)

б) Среднее эффективное давление, МПа:

(57)

в) Механический КПД: 

(58)

г) Эффективный КПД:

(59)

д) Эффективный удельный расход топлива, :

(60)

Полученные результаты расчетов:

- для бензинового ДВС свести в таблицу 1.6;

- для дизеля представить в конце вышеприведенных формул.

Таблица 1.6

Индикаторные и эффективные показатели двигателя
Параметры	Численные значения параметров для выбранных расчетных скоростных режимов
n
pi
i
gi
pм
pe
м
e
ge



1.1.11 Основные параметры цилиндра и двигателя

а) Предварительный литраж, л:

(61)

б) Рабочий объем одного цилиндра, л:

(62)

в) Предварительный диаметр цилиндра, мм:

(63)

где S/D - отношение хода поршня к диаметру.

Округлением до целого числа принимается окончательный диаметр цилиндра.

г) Окончательный литраж двигателя, определяемый по окончательно принятым D и S поршня, л:

(64)

д) Площадь поршня, см2:

(65)

е) Средняя скорость поршня, определяемая по окончательно принятому ходу поршня (прим.: для дизелей), м/с:

(66)

ж) Проверка погрешности ранее принятой средней скорости поршня, %:

(67)

Погрешность не должна превышать более 1 %.

з) Эффективная мощность двигателя, кВт:

(68)

и) Литровая мощность двигателя, кВт/л:

(69)

к) Эффективный крутящий момент, Нм:

(70)

л) Часовой расход топлива, кг/ч:

(71)

Полученные результаты расчетов:

- для бензинового ДВС свести в таблицу 1.7;

- для дизеля представить в конце вышеприведенных формул.

Таблица 1.7

Основные параметры и показатели двигателя
Параметры	Численные значения параметров для выбранных расчетных скоростных режимов
n
Fп
Vл
Ne
Nл
Me
Gт

1.1.12 Построение индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма ДВС (далее, диаграмма) (см. рис. 5) строится по результатам теплового расчета для номинального режима работы двигателя.

Масштабы диаграммы выбираются с таким расчетом, чтобы ее высота была в 1,2…1,7 раза больше ее основания.

Рекомендуемые масштабы:

Размещено на http://www.allbest.ru/



- хода поршня: МS= 1; 1,5 или 2 мм в мм;

- давления газов: Мр = 0,02; 0,025; 0,04; 0,05; 0,07…0,1 МПа в мм.

Построение диаграммы может осуществляться как аналитическим, так и графическим методами. В данном пособии рассматривается аналитический метод как более удобный с точки зрения автоматизации расчетов с применением вычислительной техники.

Методика построения диаграммы следующая:

1. Определяются абсциссы характерных точек в выбранном масштабе, соответствующие:

а) рабочему объему цилиндра, мм: AB=S/МS;

б) объему камеры сгорания, мм: ОА=АВ/(-1);

в) участку zz (прим.: для дизелей), мм: ОА(-1).

2. Определяются ординаты характерных точек в выбранном масштабе, соответствующие:

а) максимальной высоте диаграммы

- для бензиновых двигателей (точка z), мм: pz/Мр;

- для дизелей (точка z), мм: pz/Мр.

б) давлению в конце процесса впуска (точка а), мм: pa/Мр;

в) давлению в конце процесса сжатия (точка с), мм: pc/Мр;

г) давлению в конце процесса расширения (точка b), мм: pb/Мр;

д) давлению в конце процесса выпуска (точка r), мм: pr/Мр;

ж) давлению окружающей среды: p0/Мр (для атмосферных ДВС) или pк/Мр (для ДВС с наддувом)..

3. Определяются ординаты ряда точек политроп сжатия и расширения при заданных значениях абцисс по соответствующим уравнениям:

а) политропы сжатия ;

б) политропы расширения .

Для удобства расчета координат точек используют уравнения, учитывающие масштабы величин:

а) политропы сжатия:

(72)

б) политропы расширения:

(73)

Результаты расчетов координат точек заносят в таблицу 1.8:

Таблица 1.8

№ точек	ОХ, мм		Политропа сжатия	Политропа расширения
				, мм	,МПа		, мм	, Мпа
1	ОА
2
…
…
9
10	ОВ

В вышеприведенной таблице расстояние ОХ берется произвольным в интервале от ОА до ОВ, при этом расстояние ОХ для первой и десятой точек будут, соответственно, равны ОА и ОВ. Однако, для удобства расчета, расстояние ОХ до промежуточных точек - со второй по девятую, можно брать, увеличивая его на одинаковый интервал, который может быть найден из отношения расстояния между ОВ и ОА на число промежуточных точек - девять. Следует отметить, что в таблице, приведено промежуточных точек - восемь, в качестве примера. Конечно, число промежуточных точек может быть значительно больше, что в свою очередь, позволит построить более плавные кривые политроп сжатия и расширения на индикаторной диаграмме.

4. На листе миллиметровой бумаги формата А4 в выбранных масштабах рисуются оси координат диаграммы, наносится шкалы величин: давления по оси ординат и перемещения поршня по оси абсцисс.

5. В построенной системе координат наносятся все характерные и промежуточные точки, координаты которых были определены по п.п. 1-3 данной методики.

6. Соединяем все точки политроп сжатия и расширения плавными кривыми, а характерные точки прямыми линиями как показано на рис. 5. Полученная индикаторная диаграмма является теоретической диаграммой ДВС.

7. Для получения действительной индикаторной диаграммы двигателя, необходимо осуществить скругление его теоретической диаграммы через дополнительные характерные точки, отражающие фазы газораспределения впускных и выпускных клапанов, фазы процесса воспламенения и сгорания топлива.

Если известны численные значения углов открытия и закрытия клапанов, начального угла опережения зажигания, продолжительности фазы задержки воспламенения (например, из технической литературы), то абсциссы дополнительных характерных точек могут быть найдены из уравнения перемещения поршня:

(74)

где - критерий кинематического подобия КШМ, равный отношению радиуса кривошипа коленчатого вала к длине шатуна.

Ординаты этих точек находятся на пересечении их абсцисс с соответствующими участками теоретической индикаторной диаграммы.

Как правило, информация о фазах газораспределения и процесса воспламенения и сгорания топлива редко встречается в доступной технической литературе. Поэтому, скругление теоретической индикаторной диаграммы осуществляется на основании следующих соображений и расчетов.

Фазы газораспределения необходимо устанавливать с учетом получения хорошей очистки цилиндра от отработавших газов и обеспечения дозарядки в пределах, принятых в расчете. Кроме того, следует помнить, что в процессе сгорания топлива имеет место задержка воспламенения, а нарастание давления сгорания происходит в течение некоторого времени. При этом максимальное давление газов снижается из-за увеличения их объема, вызванного движением поршня от в.м.т. к н.м.т.

Для карбюраторных ДВС (nN5600 мин-1):

- начало открытия впускного клапана (точка r') устанавливается за 18° до прихода поршня в в.м.т., а закрытие (точка а») - через 60° после прохода поршнем н.м.т.;

- начало открытия выпускного клапана (точка b') принимается за 55° до прихода поршня в н.м.т., а закрытие (точка а') - через 25° после прохода поршнем в.м.т.

- угол опережения зажигания принимается равным 35°, а продолжительность периода задержки воспламенения - 1= 5°. Точка f расположена за 33°=40°-7° до в.м.т.

- действительное максимальное давление сгорания (точка pzд) принимается за 15° после в.м.т.

Для высокофорсированных ДВС со впрыском топлива (nN7000 мин-1):

- начало открытия впускного клапана (точка r') устанавливается за 25° до прихода поршня в в.м.т., а закрытие (точка а») - через 70° после прохода поршнем н.м.т.;

- начало открытия выпускного клапана (точка b') принимается за 60° до прихода поршня в н.м.т., а закрытие (точка а') - через 30° после прохода поршнем в.м.т.

- угол опережения зажигания принимается равным 40°, а продолжительность периода задержки воспламенения - 1= 7°. Точка f расположена за 33°=40°-7° до в.м.т.

- действительное максимальное давление сгорания (точка pzд) принимается за 15° после в.м.т.

Для дизелей:

- начало открытия впускного клапана (точка r) устанавливается за 25° до прихода поршня в в.м.т., а закрытие (точка а) - через 60° после прохода поршнем н.м.т.;

- начало открытия выпускного клапана (точка b') принимается за 60° до прихода поршня в н.м.т., а закрытие (точка а') - через 25° после прохода поршнем в.м.т.

- угол опережения впрыска топлива принимается равным 20°, а продолжительность периода задержки воспламенения - 1= 8°. Точка f расположена за 14°=20°-8° до в.м.т.

Результаты расчетов сводятся в таблицу 1.9.

Таблица 1.9

Обозначение точек	Положение точек			Расположение точек от в.м.т. (АХ), мм
r
a
a
c
f
b
zд или z



Проверка погрешности построения индикаторной диаграммы по величине среднего индикаторного давления:

(75)

где: - среднее индикаторное давление, определенное по графику индикаторной диаграммы, МПа.

Индикаторная диаграмма считается построенной правильно, если погрешность не превышает 1 %.

1.2 Тепловой баланс

Для количественной оценки распределения теплоты в двигателе тепловой баланс представляют в виде суммы абсолютных значений его составляющих, Дж/с:

- для бензиновых двигателей:

Qо=Qe+Qг+Qв+Qн.с.+Qост (76)

- для дизелей:

Qо=Qe+Qг+Qв+Qост (77)

где: (78)

- общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом;

(79)

- теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя за 1 с;

(80)

- теплота, потерянная с отработавшими газами;

или (81)

- теплота, передаваемая охлаждающей среде, соответственно, для бензиновых двигателей и для дизелей.

где с=0,45…0,53 - коэффициент пропорциональности для четырехтактных двигателей. i - число цилиндров; D - диаметр цилиндра, см; n - частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1; m=0,5…0,7 - показатель степени для четырехтактных двигателей.

(82)

- теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива (прим.: для бензиновых двигателей);

или (83)

- неучтенные потери теплоты, соответственно, для бензиновых двигателей и для дизелей.

Для оценки степени теплоиспользования тепловой баланс двигателя представляют в относительных величинах его составляющих по отношению ко всей теплоте, подведенной с топливом, %: 

(84)

где, например, и т.д.

Результаты расчетов составляющих теплового баланса двигателя для всех расчетных скоростных режимов вносят в таблицу 2.0:

Таблица 2.0

Составляющие теплового баланса	Частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1
	nmin	nM	nN	nmax
	Q, Дж/с	q, %	Q, Дж/с	q, %	Q, Дж/с	q, %	Q, Дж/с	q, %
Теплота, эквивалентная эффективной работе
Теплота, передаваемая охлаждающей среде
Теплота, унесенная с отработавшими газами
Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива
Неучтенные потери теплоты
Общее количество теплоты, введенной в двигатель

Для наглядного отображения характера распределения теплоты, подводимой в цилиндр с топливом, в процессе превращения в полезную эффективную работу результаты расчетов теплового баланса двигателя также представляют в графическом виде (рис. 6).



2. Расчет кинематики кривошипно-шатунного механизма

Размещено на http://www.allbest.ru/

2.1 Определение перемещения, скорости и ускорения поршня

а) Перемещение поршня, м:

(85)

б) Скорость поршня, м/с:

(86)

в) Ускорение поршня, м/с2:

(87)

где r - радиус кривошипа коленчатого вала, м; - угловая скорость коленчатого вала, рад/с; - угол поворота коленчатого вала, ; - критерий кинематического подобия КШМ (приведен в исходных данных к курсовому проекту);

Угловая скорость коленчатого вала может быть найдена по выражению, рад/с:

Расчет Sп, п и jп производится аналитически через каждые 10 угла поворота коленчатого вала в интервале от 0 до 360. Результаты расчетов сводятся в таблицу 2.1.

Табл. 2.1

	Sп, м	п, м/с	jп, м/с2
0
10
…
…
350
360

По данным таблицы 2.1. на листе миллиметровой бумаги формата А4 строят диаграммы перемещения, скорости и ускорения поршня в функции угла поворота коленчатого вала, как показано на рис. 7.

На диаграммах отмечают следующие характерные кинематические параметры:

а) и - максимальная и минимальная скорости поршня (прим.: знак «+» соответствует , знак «-» - ):



(88)

б) и - максимальное и минимальное ускорения поршня:

при угле =0 (89)

, при <0,25 и угле =180 (90)

(91)

при >0,25 и угле

в)- средняя скорость поршня, м/с:

Размещено на http://www.allbest.ru/

где S - полное перемещение поршня, равное S=2r, м; n - номинальная частота вращения, мин-1. 

3. Расчет динамики кривошипно-шатунного механизма

3.1 Сила давления газов

Определение силы давления газов Рг, действующей по оси цилиндра и приложенной к оси поршневого пальца, осуществляется графическим способом, предложенным проф. Ф.А. Бриксом. Суть метода заключается в перестроении индикаторной диаграммы, построенной по результатам теплового расчета, в развернутую по углу поворота коленчатого вала.

Методика перестроения следующая:

а) На листе ватмана формата А1 в левом верхнем углу (см. рис. 8, а) строится индикаторная диаграмма в выбранном масштабе.

б) Под индикаторной диаграммой двигателя рисуется вспомогательная полуокружность радиусом, равном половине хода поршня r=S/2 (рис. 8, а).

в) От центра полуокружности в точке О в сторону н.м.т. откладывают поправку Брикса, мм:

(92)

где МS - масштаб хода поршня на индикаторной диаграмме.

г) Полуокружность делят лучами из центра О на четное количество секторов, например, 12 или 24, с углом между лучами, соответственно, 30 или 15, а из центра Брикса (точка О) проводят линии параллельные этим лучам.

д) Справа от индикаторной диаграммы на листе ватмана рисуется прямоугольная (декартовая) система координат с осями:

- абсцисс, соответствующей углу поворота коленчатого вала , на уровне атмосферного давления индикаторной диаграммы, с масштабом М=3 /мм;

- ординат, соответствующей избыточному давлению газов

Размещено на http://www.allbest.ru/

рг, с масштабом Мр=0,05 МПа/мм.

е) Из точек пересечения этих линий с полуокружностью (точки 1, 2, …, 12) проводят вертикальные линии до пересечения с линиями индикаторной диаграммы и полученные величины давлений откладывают на вертикали соответствующих углов на развернутой индикаторной диаграмме.

ж) Полученные точки на прямоугольной системе координат соединяют плавной кривой. Полученная диаграмма является развернутой индикаторной диаграммой двигателя.

По развернутой диаграмме через каждые 10 угла поворота кривошипа определяют значения рг и заносят в таблицу 2.2.

Таблица 2.2

	рг, МПа	j, м/с2	pj, МПа	р, МПа	рN, МПа	pS, МПа	рК, МПа	рТ, МПа	Т, кН	Мкр.ц., Нм
0
10
…
…
710
720

3.2 Приведение масс частей КШМ

а) Масса поршневой группы, кг:

mп=mпFп (93)

б) Масса шатуна, кг:

mш=mшFп (94)

в) Масса неуравновешенных частей одного колена вала (без противовесов), кг:

mк=mкFп (95)

г) Масса шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца, кг:



mш.п.=0,275mп (96)

д) Масса шатуна, сосредоточенная на оси кривошипа, кг:

mш.к.=0,725mп (97)

е) Массы, совершающие возвратно-поступательное движение, кг:

mj= mп+ mш.п. (98)

ж) Массы, совершающие вращательное движение, кг:

mr= mк+ mш.к. (99)

где mп, mш и mк выбираются из таблицы В.

Таблица В

Элементы КШМ	Конструктивные массы, кг/м2
	Бензиновые двигатели (D=60...100 мм)	Дизели (D=80…120 мм)
Поршневая группа (mп=mп/Fп)
- поршень из алюминиевого сплава	80…150	150…300
- чугунный поршень	150…250	250…400
шатун (mш=mш/Fп)	100…200	250…400
Неуравновешенные части одного колена вала без противовесов (mк=mк/Fп)
- стальной кованый вал со сплошными шейками	150…200	200…400
- чугунный литой вал с полыми шейками	100…200	150…300



3.3 Удельные и полные силы инерции

а) Удельная сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс, МПа:

(100)

б) Центробежная сила инерции вращающихся масс, МПа:

(101)

в) Центробежная сила инерции вращающихся масс шатуна, кН:

(102)

г) Центробежная сила инерции вращающихся масс кривошипа, кН:

(103)

3.4 Удельные суммарные силы

а) Удельная сила, сосредоточенная на оси поршневого пальца, МПа:

(104)

б) Удельная нормальная сила, МПа:

(105)

в) Удельная сила, действующая вдоль шатуна, МПа:

(106)

г) Удельная сила, действующая по радиусу кривошипа, МПа:

(107)

д) Удельная тангенциальная сила, МПа:

(108)

е) Полная тангенциальная сила, МПа:

(109)

Результаты расчетов заносят в таблицу 2.2 и представляют в виде графиков кривых изменения этих сил по углу поворота коленчатого вала (рис. 8, б-г). Значения тригонометрических функций в формулах 105-108 приведены в таблицах I-IV Приложения. Масштабы диаграмм: Мр = 0,05…0,08 МПа/мм (большие значения соответствуют дизелям), М=3 о/мм.

При построении необходимо обращать внимание на следующее:

при <0,25 кривая рj вблизи н.м.т. (180о и 540о) будет более выпуклой; при =0,25 - прямой и при >0,25 - вогнутой;

в точках, где остальные силы также должны равняться нулю и кривые этих сил должны проводиться через эти точки;

сила рк обращается в ноль и при положении кривошипа (+) = 90о. Для правильного построения диаграммы силы рк необходимо провести вертикальные штриховые линии из точек пересечения с осью абцисс диаграммы силы инерции рj;

кривые сил рт и рN пересекают ось абцисс и изменяют знак во всех мертвых точках (0о, 180о, 360о и 540о) и в точках, в которых р??равна нулю. Следует иметь ввиду, что характер протекания и знак сил рт и рN одинаковы;

Проверка правильности выполнения расчетов по относительной погрешности средней тангенциальной силы за цикл:

(110)

где - средняя тангенциальная сила по данным теплового расчета, Н;

- средняя тангенциальная сила, определенная по графику, Н;

где - удельная средняя тангенциальная сила, определенная по площади, заключенной между кривой рт и осью абсцисс (см. рис. 8, в), МПа.

Расчеты считаются правильными, если относительная погрешность не превышает 1 %.

3.5 Крутящие моменты

а) Крутящий момент одного цилиндра, Нм:

Мкр.ц.= Тr (111)



где Т -тангенциальная сила, Н; r - радиус кривошипа, м.

б) Период изменения крутящего момента, град:

(112)

где - тактность двигателя; i - число цилиндров.

в) Суммарный крутящий момент двигателя, Нм:

Мкр.= Мкр.ц.i (113)

Для удобства расчета суммирование значений крутящих моментов цилиндров рекомендуется выполнять табличным методом через каждые 10 угла поворота коленчатого вала. Например, для 4-хцилиндрового двигателя с периодом изменения крутящего момента =180 суммирование крутящих моментов цилиндров приведено в таблице 2.3.

Таблица 2.3

	Цилиндры	Мкр, Нм
	1-й	2-й	3-й	4-й
		Мкр.ц. Нм		Мкр.ц. Нм		Мкр.ц. Нм		Мкр.ц. Нм
0			180		360		540
10			190		370		550
…			…		…		…
170			350		530		710
180			360		540		720

По данным таблицы 2.3 строят кривую суммарного крутящего момента (рис. 8, д и 9). Масштабы диаграммы: ММ = 10…25 Нм/мм (большие значения соответствуют дизелям), М= 1 о/мм.

Проверка правильности расчетов по относительной погрешности среднего крутящего момента:

(114)

где - среднее значение суммарного крутящего момента, полученного по данным теплового расчета;

- среднее значение суммарного крутящего момента, полученное графическим способом,

где F1 и F2 - соответственно, положительные и отрицательные площади, заключенные между кривой Мкр. и осью абсцисс (отрезок ОА) и эквивалентные работе совершаемой суммарным крутящим моментом, мм2; Mм - масштаб моментов, Нм/мм; [OА] - длина периода изменения крутящего момента, мм.

На диаграмме суммарного крутящего момента определяют максимальный Мкр.max и минимальный Мкр.min крутящие моменты.

3.6 Силы, действующие на шатунную шейку коленчатого вала

Результирующая сила Rш.ш., действующая на шатунную шейку:

(115)

где Рк=К+Кr.ш. - суммарная сила, действующая на шатунную шейку по радиусу кривошипа; К=ркFп.

Для проведения расчета результирующей силы Rш.ш.составляют таблицу 2.4, в которую из таблицы 2.2 переносят значения силы Т.



Таблица 2.4

	Полные силы, кН
	Т	К	Рк	Rш.ш.
0
10
…
…
710
720

Результирующая сила Rш.ш. подсчитывается графическим сложением векторов сил Т и Рк при построении полярной диаграммы.

Построение полярной диаграммы нагрузки на шатунную шейку (рис. 9, а) рекомендуется выполнять следующим образом:

Проводятся оси координат. По горизонтальной оси откладываются значения силы Т: влево - отрицательные, вправо - положительные. По вертикальной оси - значения силы К: вверх - отрицательные, вниз - положительные. Масштаб сил: Мр=0,1…0,5 кН/мм.

Пользуясь данными таблицы 2.4. откладывают по осям значения сил Тi и Рi, восстанавливают перпендикуляры к концам векторов этих сил и находят точки пересечения для всех углов поворота кривошипа.

Последовательно соединяя все точки плавной кривой и в порядке возрастания значений углов получают полярную диаграмму силы S, действующей по шатуну с полюсом в точке О.

Откладывая по вертикали вниз от точки О отрезок, равный Кr.ш.Мр, получают полюс полярной диаграммы Ош результирующей силы Rш.ш.

Измеряя отрезки лучей, соединяющих полюс Ош с точками на кривой полярной диаграммы, с учетом масштаба определяют значения сил Rш.ш.i и заносят в таблицу 2.4.

Для определения среднего значения результирующей силы за цикл Rш.ш.ср, а также ее максимального Rш.ш.max и минимального величин Rш.ш.min полярную диаграмму перестраивают в прямоугольные координаты в функции угла поворота коленчатого вала (рис. 9, б).

Размещено на http://www.allbest.ru/

По полученной прямоугольной диаграмме нагрузки на шатунную шейку получают путем планиметрирования площади под кривой Rш.ш = f() среднюю величину результирующей силы:

(116)

Диаграммы износа дают возможность определить наиболее и наименее нагруженные участки шатунных шеек, что необходимо для правильного определения местоположения масляного отверстия. Кроме того, они дают представление о характере износа шейки по всей окружности в предположении, что износ пропорционален усилиям, действующим на шейку.

Диаграмму износа шатунной шейки (рис. 10) строят по полярной диаграмме (рис. 9, а) следующим образом:

1) проводят окружность радиусом 60…70 мм., изображающую в произвольном масштабе шатунную шейку;

2) делят ее на равное число участков (обычно 12) лучами Ош1, Ош2 и т.д.;

3) переносят луч (например, Ош11) с диаграммы износа параллельно самому себе на полярную диаграмму;

4) определяют по полярной диаграмме сектор на шатунной шейке (по 60о в каждую сторону от луча Ош11), в котором действующие силы Rш.ш.i создают нагрузку (износ) по направлению луча;

5) определяют величину каждой силы Rш.ш.i, действующей в рассматриваемом секторе (например, в секторе луча Ош11 действуют силы Rш.ш.13, Rш.ш.14 и Rш.ш.15) и с учетом масштаба заносят значения в таблицу 2.5;

Размещено на http://www.allbest.ru/

6) выполняют расчет результирующей силы Rш.шi для рассматриваемомого луча (например, для Ош11 Rш.ш=Rш.ш.13+Rш.ш.14+Rш.ш.15);

7) откладывают силу Rш.ш.i в масштабе МR=40…50 кН/мм на диаграмме износа по рассматриваемому лучу (Ош11) от окружности к центру;

8) выполняют вышеописанные операции 3-6 для всех остальных лучей;

9) полученные отрезки на лучах диаграммы износа соединяют плавной кривой, характеризующей износ шейки;

10) переносят на диаграмму износа ограничительные касательные к полярной диаграмме ОшА и ОшВ и, проведя от них лучи ОшА' и ОшВ' под углом 60, определяют граничные точки (А'' и В'') на кривой износа шатунной шейки, между которыми обычно располагается ось масляного отверстия.

Далее, по результатам динамического расчета оформляют расчетно-пояснительную записку и выполняют 1 лист графической части курсовой проекта на листе ватмана формата А1 (см. рис. I Приложения).

Таблица 2.5

<...

Rш.ш.i	Значения Rш.ш.i, кН, для лучей
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Rш.ш.0
Rш.ш.30
…
…
Rш.ш.660

Подобные документы

• Проектирование судового двигателя внутреннего сгорания

  Общая характеристика судового дизельного двигателя внутреннего сгорания. Выбор главных двигателей и их основных параметров в зависимости от типа и водоизмещения судна. Алгоритм теплового и динамического расчета ДВС. Расчет прочности деталей двигателя.
  
  курсовая работа [1,5 M], добавлен 10.06.2014
  

• Расчет парового котла ДЕ-6,5-14

  Описание конструкции котла. Особенности теплового расчета парового котла. Расчет и составление таблиц объемов воздуха и продуктов сгорания. Расчет теплового баланса котла. Определение расхода топлива, полезной мощности котла. Расчет топки (поверочный).
  
  курсовая работа [1,1 M], добавлен 12.07.2010
  

• Конструирование четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с одним цилиндром, работающего по схеме вращающегося цилиндра-клапана

  Разработка технического проекта четырехтактного двигателя с вращающимся цилиндром: проведение кинематического, динамического, теплового расчета устройства, просчет на прочность некоторых его основных деталей; зарисовка принципиальной схемы работы прибора.
  
  дипломная работа [1,6 M], добавлен 11.08.2011
  

• Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания Д-240

  Рассмотрение термодинамических циклов двигателей внутреннего сгорания с подводом теплоты при постоянном объёме и давлении. Тепловой расчет двигателя Д-240. Вычисление процессов впуска, сжатия, сгорания, расширения. Эффективные показатели работы ДВС.
  
  курсовая работа [161,6 K], добавлен 24.05.2012
  

• Расчет двигателя внутреннего сгорания Д-245

  Тепловой расчет дизеля без наддува: параметры рабочего тела, окружающей среды и остаточные газы. Методика построения индикаторных диаграмм. Порядок проведения динамического, кинематического расчета. Уравновешивание двигателя и необходимые расчеты.
  
  курсовая работа [87,3 K], добавлен 12.10.2011
  

• Расчет материального, теплового баланса и гидравлического режима процесса коксования угольной шихты в коксовых печах

  Расчет материального и теплового баланса процесса коксования. Расчет гидравлического сопротивления отопительной системы и гидростатических подпоров. Определение температуры поверхности участков коксовой печи. Теплоты сгорания чистых компонентов топлива.
  
  курсовая работа [154,4 K], добавлен 25.12.2013
  

• Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания

  Характеристика дизельного топлива двигателей внутреннего сгорания. Расчет стехиометрического количества воздуха на 1 кг топлива, объемных долей продуктов сгорания и параметров газообмена. Построение индикаторной диаграммы, политропы сжатия и расширения.
  
  курсовая работа [281,7 K], добавлен 15.04.2011
  

• Турбокомпрессоры в двигателях внутреннего сгорания

  История развития турбокомпрессоров и постройка образцов двигателей внутреннего сгорания. Использование турбонаддува у дизельных двигателей тяжёлых грузовиков. Основная задача промежуточного охладителя. Система зажигания и электронного впрыска топлива.
  
  контрольная работа [241,3 K], добавлен 15.02.2012
  

• Расчет, конструирование и составление теплового баланса установок для тепловой обработки строительных материалов и изделий

  Состав бетонной смеси. Выбор и обоснование режима тепловой обработки. Определение требуемого количества тепловых агрегатов, их размеров и схемы. Составление и расчет уравнения теплового баланса установки. Составление схемы подачи теплоносителя по зонам.
  
  курсовая работа [852,2 K], добавлен 02.05.2016
  

• Расчет элементов кривошипно-шатунного механизма

  Прочностное проектирование поршня двигателя внутреннего сгорания, его оптимизация по параметрам "коэффициент запаса - масса". Расчет шатуна двигателя внутреннего сгорания. Данные для формирования геометрической модели поршня и шатуна, задание материала.
  
  курсовая работа [2,4 M], добавлен 13.06.2013
  

• История создания и развития двигателей внутреннего сгорания

  Общие сведения о двигателе внутреннего сгорания, его устройство и особенности работы, преимущества и недостатки. Рабочий процесс двигателя, способы воспламенения топлива. Поиск направлений совершенствования конструкции двигателя внутреннего сгорания.
  
  реферат [2,8 M], добавлен 21.06.2012
  

• Расчет несущей способности цилиндрической камеры сгорания жидкостных ракетных двигателей

  Определение напряженно-деформированного состояния цилиндрической двустенной оболочки камеры сгорания под действием внутреннего давления и нагрева. Расчет и определение несущей способности камеры сгорания ЖРД под действием нагрузок рабочего режима.
  
  курсовая работа [1,4 M], добавлен 22.10.2011
  

• Тепловой расчет котельного агрегата БКЗ-75-39-ФБ

  Определение объема воздуха, продуктов сгорания, температуры и теплосодержания горячего воздуха в топке агрегата. Средние характеристики продуктов сгорания в поверхностях нагрева. Расчет энтальпии продуктов сгорания, теплового баланса и пароперегревателя.
  
  контрольная работа [432,5 K], добавлен 09.12.2014
  

• Компоновка и тепловой расчет парового котла

  Объем азота в продуктах сгорания. Расчет избытка воздуха по газоходам. Коэффициент тепловой эффективности экранов. Расчет объемов энтальпий воздуха и продуктов сгорания. Определение теплового баланса котла, топочной камеры и конвективной части котла.
  
  курсовая работа [115,2 K], добавлен 03.03.2013
  

• Тепловой, кинематический, динамический и прочностной расчет двигателя внутреннего сгорания

  Описание двигателя MAN 9L 32/40: общая характеристика и функциональные особенности, структурные элементы и их взаимодействие. Выбор и обоснование исходных данных для теплового расчета двигателя, определение эффективных показателей. Расчет на прочность.
  
  курсовая работа [1,2 M], добавлен 12.10.2011
  

• Теплообменные аппараты двигателей внутреннего сгорания

  Основная роль теплообменных аппаратов при работе современных двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Классификация теплообменных аппаратов ДВС. Охладители воды и масла. Водо-водяные и воздухо-водяные охладители. Охладители наддувочного воздуха ДВС.
  
  реферат [611,2 K], добавлен 20.12.2013
  

• Методы упрочнения стаканов цилиндров двигателей внутреннего сгорания

  Анализ методов выбора стали для упрочнения стаканов цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Характеристика стали и критерии выбора оптимальной стали в зависимости от типа цилиндра: химический состав и свойства, термообработка, нагрев и охлаждение.
  
  курсовая работа [177,7 K], добавлен 26.12.2010
  

• Расчет теплового технологического оборудования "Фритюрница"

  Оборудование, предназначенное для тепловой обработки продуктов. Особенности конструкции разработанного теплового аппарата - фритюрницы. Определение размеров рабочих камер и производительности аппарата. Расчет и конструирование электронагревателей.
  
  курсовая работа [144,9 K], добавлен 12.11.2014
  

• Тепловой расчёт двигателя внутреннего сгорания марки 8ЧНСП 3А 22/28-2 и построение индикаторной диаграммы

  Выполнение теплового расчёта двигателя внутреннего сгорания и определение его индикаторных, эффективных, термических, механических показателей, а также геометрических размеров цилиндра. Построение индикаторной диаграммы на основе полученных данных.
  
  курсовая работа [886,3 K], добавлен 10.07.2011
  

• Определение абсолютной скорости и ускорения точки в механизме

  Определение ускорения грузов и натяжения в ветвях нитей, к которым они прикреплены. Расчет скорости и ускорения груза в определенный момент времени, положения точки М одного из колес механизма. Определение абсолютной скорости, ускорения точки М.
  
  контрольная работа [325,9 K], добавлен 23.11.2009
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам