Розрахунок робочого процесу дизельного двигуна

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВСТУП

Двигунвнутрішньогозгорання-цетепловийдвигну, усередині якого відбуваються спалювання палива й перетворення частини теплоти, що виділилася, на механічну роботу.

Двигуни внутрішнього згорання бувають:

- поршневі, в яких усе робочий процесздійснюється в циліндрах;

- без поршневі, газотурбінні, в яких робочий процес послідовно здійснюється у повітряному компресорі, камері згорання та газовійтурбіні. На переважній більшості сучасних авто: установлюють поршневі двигуни внутрішнього згорання.

- За способом сумішоутворенням й запалюванням палива автомобільні поршневі двигуни поділяються на двігрупи:

1) із зовнішнім сумішоутворенням і примусовим займанням палива від електричної скри (карбюраторні й газові);

2) із внутрішнім сумішоутворенням і займанням палива від стикання з повітрям, нагрітим внаслідок його сильного стискання в циліндрі (дизелі).

Двигунвнутрішньогозгоранняскладається з таких систем: кривошипно-шатунного механізму; механізму газорозподілу; системи охолодження; системи мащення; системи живлення; системи запалювання (тільки в карбюраторних двигунах).

Кривошипно-шатунний механізм слугує для перетворення зворотно-поступального руху поршня на обертальний рух колінчастого вала.

Механізм газорозподілу забезпечує своєчасне заповнення циліндрів пального сумішшю (або повітрям) і видалення з них відпрацьованих газів.

Система охолодження призначається для підтримання оптимального теплового режиму двигуна.

Система мащення забезпечує змащування тертьових поверхонь двигуна, подачу до них оливи, часткового охолодження їх, видаляння з них відпрацьованих газів.

Система живлення дизеля забезпечує очищення повітря й палива, впорскування палива в циліндр під високим тиском у дрібнорозпиленому вигляді та видаляння продуктів згоряння.

Система запалювання забезпечує займання пальноїс уміші в циліндрах карбюраторного двигуна й містить джерело електричної енергії та перетворювач низької напруги системи електро забезпечення автомобіля на високу напругу свічки запалювання, іскра від якої запалює пальну суміш у циліндрі двигуна в потрібний момент.

Поршневий двигун складається з циліндра і картера, який знизу закрито піддоном. Усередині циліндра переміщується поршень з компресійними (ущільнювальними) кільцями, що має форму стакана з днищем у верхнійчастині. Поршень через поршневийпалець та шатун зв'язаний із колінчастим валом, що обертається в корінних підшипниках, розташованих у картері.

Колінчастий вал складається з коріннихшийок, щік, шатунної шийки.

Циліндр, поршень, шатун і колінчастий вал утворюють кривошипно-шатунний механізм, який перетворює зворотно-поступальний рух поршня на обертальний рух колінчастого вала. Зверху циліндр накрито головкою із клапанами, відкриття й закриття яких точно узгоджуються з обертанням колінчастого вала.

Верхнє крайнє положення поршня в циліндрі, в якому його швидкість дорівнює нулю називаєть сяверхньою мертвою точкою (ВМТ), нижнє крайнє положення - нижньою мертвою точкою (НМТ). Відстань, що її проходить поршень від однієї мертвої точки до іншої, називається ходом поршня S, а відстань між осями корінних і шатунних шийок - радіусом кривошипа R.



1. РОЗРАХУНОК РОБОЧОГО ПРОЦЕСУ ДВИГУНА

Умова завдання:

- ефективна потужність

- частота обертання колінчастого валу

- ступінь стиску

- число циліндрів

- тиск надуву

Вихідні дані теплового розрахунку:

- коефіцієнт надлишку повітря тиск навколишнього середовища

- температура навколишнього

середовища

- підігрів свіжого заряду

- температура залишкових газів

- тиск залишкових газів

- максимальний тиск згорання

- середнє значення показника політропи:

стиску

розширення

- коефіцієнт використання

теплоти в точці “Z”

- коефіцієнт повноти індикаторної

діаграми

Паливо

а) Дизельне пальне: Л-0,2-40 ГОСТ 305-82

б) Середній елементарний склад палива

O=0,01



в) Молекулярна маса ДП

,

г) Найнижча теплота згорання палива

,

Параметри робочого тіла

Теоретично необхідна кількість повітря для згоряння 1кг палива

,

,

,

/кг

Загальна кількість продуктів свіжого заряду:

,

,

Кількість окремих компонентів продуктів згоряння

двоокис вуглицю

,

,

водяної пари

,

,

кисню

,

,

азоту :

,

,

Загальна кількість продуктів згоряння

,

,

Змінення об'єму при згорянні 1 кмоль газу

,

,

Теоретичний коефіцієнт молекулярної зміни

,

,



Параметри процесу газообміну

, К

, К

=1,65 - показник політропи стиску повітря в нагнітачі

Тиск в кінці впуску

,

,

Коефіцієнт залишкових газів

,

,

де = - ступінь охолодження повітря

= 40 К

Температура в кінці впуску

,

,

Коефіцієнт наповнення

,

,

Густина заряду на впуску

,

,

де - універсальна газова стала для повітря

Параметри процесу газообміну

Показник політропи стиску

Вибираємо по номограмі

,

Тиск в кінці стиску

,

,

Температура в кінці стиску

,

,

Середня мольна теплоємкість повітря

,

,

Параметри процесу згоряння

Дійсний коєфіцієнт молекулярної зміни

,

,

Емпіричні формули середніх мольних теплоємкостей окремих газів при сталому об'ємі

для :

для :

для :

для :

Середня мольна теплоємкість продуктів згоряння при сталому об'ємі

Після підстановки одержимо рівняння

,

,

,

Середня мольна теплоємкість продуктів згоряння при сталому тиску



,

Післяпідстановки одержимо рівняння

де: ,

,

Максимальний тиск згоряння

,

,

Максимальна температура процесу згоряння

,

Після підстановки одержимо квадратне рівняння

,

де:

звідки:

,

,



Параметри процесу розширення

Ступінь попереднього розширення

,

,

Ступінь подальшого розширення

,

,

Середній показник політропи розширення

Визначаємо за номограмою

,

Тиск в кінці розширення

,

,

Температура в кінці розширення

,

,

Розрахункова температура залишкових газів

,

,

Середня температура випускних газів

,

,

Перевірка

,

,

Розрахване значення температури залишкових газів із заданим має відхилення на %, що входить в межі 5%. Отже розрахунок проведено вірно. двигун масляний насос поршневий

Індикаторні показники робочого тіла

Середній теоретичний індикаторний тиск

,

,

Дійсний середній індикаторний тиск



,

,

Індикаторний ККД

,

,

Питома індикаторна витрата палива

,

,

Ефективний показник робочого циклу

Хід поршня двигуна-прототипу

,

Середня швидкість поршня

,

,

Середній тиск механічних втрат

,

,

Середній ефективний тиск

,

,

Механічний ККД

,

,

Ефективний ККД

,

,

Питома ефективна витрата палива

,

,

Годинна витрата палива

,

,

Основні розміри циліндра і двигуна

Літраж двигуна

,



,

Робочий об'эм циліндра

,

,

Діаметр циліндра двигуна-прототипа

,

Хід поршня двигуна-прототипа

,

Відношення

,

,

Діаметр циліндра

,

,



Хід поршня

,

,

Уточнені розміри циліндра і двигуна

діаметр циліндра

,

хід поршня

,

Літраж двигуна

,

,

Ефективна розрахункова потужність двигуна

,

,

Середня потужність двигуна

,



,

Отримана величина відрізняється від заданої на:

,

,

Розбіжність заданої та розрахункової потужностейменше 5%, отже розрахунок робочого процесу виконаний вірно

2. РОЗРАХУНОК ІНДИКАТОРНОЇ ДІАГРАМИ

Розрахунок теоретичної індикаторної діаграми

Вихідні дані:

- Середній індикаторний тиск

- Тиск в кінці впуску

- Показник політропи стиску

- Ступінь стиску

- Максимальний тиск в циліндрі

- Показник політропи розширення

- Cтупінь попереднього розширення

- Mасштаб по осі стиску

Розрахунок лінії стиску

,

Розрахунок лінії розширення



,

Таблиця 2.1 Результати розрахунку індикаторної діаграми.

1	3,918	131,949	-	-
1.25	2,89	97,22	-	-
1.5	2,237	75,751	6,496	186.038
1.75	1,826	61,342	5,332	152.971
2	1,522	51,086	4,494	129.137
3	0,875	29,32	2,675	77.188
4	0,591	19,776	1,849	53.674
5	0,436	14,569	1.389	40.383
6	0,34	11,342	1.1	32.045
7	0,275	9,201	0,903	26.326
8	0,229	7,66	0,761	22.236
9	0,195	6,51	0.654	19.137
10	0,169	5,656	0.571	16.741
11	0,148	4,952	0.506	14.856
12	0,132	4.41	0.452	13.291
12,5	0,124	3,929	0.429	12.013

Об'єм камери згоряння

,

,

де

Визначаємо середній індикаторний тиск по діаграмі

,



Де - площа індикаторної діаграми,

,

- відстань від ВМТ до НМТ по діаграмі, мм

,

,

Знаходимо похибку середнього індикаторного тиску

,

де - середній індикаторний тиск

,

,

,

Похибка не перевищує 5%

Розрахунок дійсної індикаторної діаграми

- точка подачі іскри

- точка початку згорання палива

- точка після ВМТ де тиск максимальний

- точка відкриття випускного клапана

- точка відкриття впускного клапана

- точка закриття випускного клапана

- точка закриття впускного клапана

Вихідні дані:

- кривошипно-шатунне відношення

- відстань від ВМТ до НМТ на діаграмі

- кут затримки згорання

- тиск залишкових газів

- масштаб тиску

- хід поршня

- тиск в кінці стиску

- максимальний тиск

Таблиця 2.2 Розрахунок дійсної індикаторної діаграми

Позначка точки	Положення точки відносно ВМТ	Постійна	Відстань від ВМТ до точки
	25	0,116	16,64
	14	0,0373	10
	11	0,0175	2,5
	130	1,697	277,163
	30	0,16525	23,713
	40	0,28368	40,9
	130	1,689	276,245

Визначаємо ординату точки r

,

,

Тиск газів в ВМТ



,

,

де 1,2 - число з інтервалу

,

,

Максимальний тиск згоряння

,

,

,

Поправка Брікса

,

де - радіус кривошипа

,

,

Масштаб переміщення

,

,

Поправка Брікса в масштабі переміщення

,

,

3. РОЗРАХУНОК ТЕПЛОВОГО БАЛАНСУ ДВИГУНА

Умови завдання:

- Ефективна потужність

- Частота обертання колінчастого валу

- Діаметр циліндру

- Хід поршня

- Число циліндрів

- Коефіцієнт тактності

- Нижча теплота згоряння дизельного палива

- Годинна витрата пального

- Індикаторний ККД

- Ефективний ККД

- Кількість свіжого заряду

- Загальна кількість продуктів згорання

- Температура залишкових газів

- Температура на початку стиску

- Коефіцієнт надлишку повітря

Рівняння теплового балансу

Загальна кількість теплоти, введеної в двигун з паливом



,

де - теплота, еквівалентна ефективній роботі;

- теплота, яка відводиться охолоджувальною рідиною;

- теплота, яка виноситься випускними газами;

- теплота, яка відводиться маслом;

- невраховані теплові втрати.

Теплота, яка підводиться в циліндр двигуна з паливом:

,

,

у відсотковому відношенні приймаємо за 100%

Теплота, еквівалентна ефективній роботі двигуна:

,

,

У відсотковому відношенні

,

,

Перевірка

,

,



Вираховуємо похибку

,

,

Теплота,яка відводиться охолоджувальною рідиною

,

де - теплота,яка відводиться робочим тілом в стінки циліндра

- теплота,еквівалентна роботі на тертя поршня по гільзі циліндра

- теплота, еквівалентна роботі на привід водяного насосу

Теплообмін між робочим тілом і стінками циліндра

,

де - відповідно відносні втрати палива на дільницях наповнення, стиску, горіння-розширення та випуску газів із циліндра.

З експериментальних даних:

,

,

,

,

,

Теплота, еквівалентна роботі на тертя поршня по гільзі циліндра

Середній тиск механічних втрат в механізмах двигуна

,

де - коефіцієнти для визначення середнього тиску механічних втрат

- середня швидкість поршня

,

,

Середній тиск тертя поршня:

,

,

Потужність тертя поршня:

,

де - робочий об'єм циліндру

,

,

,

Теплота еквівалентна роботі тертя поршня:

,



,

Теплота, еквівалентна роботі на привід водяного насосу

Визначаємо витрату води по сумі теплоти

,

,

Тоді витрати охолоджуючої рідини:

,

де - коефіцієнт запасу

- середня щільність води

- середня теплоємність води

- температурний перепад води в холодильнику

,

Потужність, яка використовується на привід водяного насосу.

,

де - гідравлічний опір системи охолодження

- ККД водяного насосу

,

,

,

Загальна теплота, яка відводиться охолоджувальною рідиною

,

,

що складає у відсотковому відношенні

,

,

Теплота, яка виноситься випускними газами

,

де - ізобарна теплоємкість продуктів згорання

- ізобарна теплоємкість свіжого заряду

Вибираємо по таблиці додатку

,

,

,

,

,

Що складає у відсотковому відношенні

,

,

Теплота, яка відводиться маслом і затрачується на привід масляного

насосу

Теплота, яка відводиться маслом, від гарячих деталей двигуна

,

де - теплота, еквівалентна роботі на подолання опору в механізмах двигуна.

- доля втрат в механізмах двигуна

- середній індикаторний тиск

,

Тоді

,

,

Теплота , еквівалентна роботі на привід насоса системи мащення

Витрата циркуляційного масла

,

де - коефіцієнт запасу

- щільність масла

- середня теплоємкість масла

- температурний перепад масла в охолоджувачідв.

,

Потужність, яка використовується на привід масляного насоса:

,

де - робочий тиск масла в системі

- механічний ККД масляного насоса

,

,

,

Загальна кількість теплоти складає

,

,

У відсотковому відношенні

,

,

Невраховані теплові втрати



,

,

що складає у відсотковому відношенні

,

,

Всі отримані дані зведені в таблицю

4. РОЗРАХУНОК ПОРШНЕВОЇ ГРУПИ

Розрахунок поршня

Умови роботи поршня

Поршень працює під дією механічних навантажень, під дією тиску газів і сил інерції, а також термічних навантажень, крім цього юбка працює на зношення при високих температурах.

Вимоги до матеріалу поршня

- висока теплопровідність;

- малі значення коефіцієнта лінійного розширення;

- висока механічна міцність і жаростійкість;

- хороші антифрикційні властивості і зносостійкість, та мала вага.

Вибір матеріалу поршня

Вибирано чавун СЧ 25 ГОСТ 1412-85

Вихідні данні

Діаметр циліндра d = 0,25 м

Частота обертання n= 500 хв-1

Максимальний тиск газів в циліндрі Pmax=6,690МПа

Середній індікаторний тиск Pmi= 0,992МПа

Розрахунок основних геометричних розмірів поршня

Товщина днища поршня

,

,

Висота поршня

,

для МОД і СОД.

м

Відстань від днища поршня до осі під поршневий палець

, м

м

Висота юбки поршня

, м

м

Відстань до першої поршневої канавки

, м

м

Діаметр бобики



, м

м

Відстань між торцями боби шок

, м

м

Товщина кільцевих перемичок

, м

м

Товщина стінки головки поршня

, м

м

Радіальний зазор кільця в канавці поршня

, мм

мм

Радіальна товщина кільця

, м

м

Внутрішній діаметр поршня



, м

м

Монтажний зазор між головкою поршня і гільзою

, м - для чавунних поршнів

, м - для поршнів із алюмінієвих сплавів

м

Монтажний зазор між юбкою поршня і гільзою.

, м - для чавунних поршнів

, м - для поршнів із алюмінієвих сплавів

м

Діаметр головки поршня.

,

м

Діаметр юбки поршня.

, м

м

Висота кільця

hk= (0,6…1)t, м

hk= 0,80,01 = 0,008 м



Діаметр масляних каналів

, м

м

Число масляних каналів в поршні

,

,

Зовнішній діаметр поршневого пальця

dп= (0,3 …0,45) d, м

dп= 0,420,25 = 0,105 м

Довжина пальця: а)плаваючого типу

,

м

б) жорстко закріпленого

м

Довжина опорної поверхні пальця в бобишці

,

,



Розрахунок поршня на міцність

Розрахунок поршня на згинання

,

,

допустимі значення

для стальних головок ;

для чавунних головок ;

для головок з алюмінієвих сплавів .

,

,

Висновок: Умова міцності виконана

Теплові напруження для поршнів, що охолоджуються

Питоме теплове навантаження

,Вт/м2

Вт/м2

Коефіцієнт що залежить від матеріалу:

- для сталей [1];

-для чавуна [1];

-дляалюмінієвих сплавів [1].

,

Теплові напруження на днище поршня

,

,



Сумарні напруження у днищі поршня.

, МПа

МПа

допустимі значення усум

МПа - для стальних головок ;

МПа - для чавунних головок ;

МПа - для головок з алюмінієвих сплавів .

,

,

Висновок: Умова міцності виконана

Розрахунок стискання проводять в найбільш небезпечному перерізі, завжди це переріз маслоз'ємного кільця.

Максимальна сила газів

,

,

Площа перерізу по маслоз'ємному кільцю головки

,

,

Розрахунок головки поршня на стискання



,

,

МПа - для чавунів [1];

МПа - для алюмінієвих сплавів [1].

,

МПа

Висновок: Умова міцності виконана

Розрахунок юбки поршня

Максимальна нормальна сила, яка береться з динамічного розрахунку або розраховується за формулою:

,

,

Тиск від максимальної нормальної сили

,

,

МПа - для чавуних поршнів [1];

МПа - для алюмінієвих сплавів [1].

,

,

Висновок; Умова міцності виконана

Розрахунок бобишки поршня

Довжина опорної поверхні бобики



,

,

Тиск на опорну поверхню бобики

,

,

[PБ] =35 МПа - для чавунних поршнів [1];

[PБ]=40 МПа - для ал. сплавів [1].

,

25,418< 35

Висновок; Умова міцності виконана

Рисунок 1 Розрахункова схема поршня

Розрахунок поршневого пальця

Умови роботи пальця

В період роботи на поршневий палець діють змінні навантаження, які приводять до виникнення напружень згинання, овалізації, зсуву, зминання.

Вимоги до матеріалу поршневого пальця:

Висока міцність та зносостійкість.

Вибір матеріалу поршневого пальця

Вибирано сталь 20Х ГОСТ 4543-81.

Розрахунок на міцність

Вихідні дані;

Діаметр циліндра d = 0,25 м

Хід поршня S = 0,34 м

Частота обертання n = 500 хв-1

Кривошипно-шатунне відношення лL= 0,25

Максимальний тиск в циліндрі Pmax=6,6904МПа

Маса поршня і поршневих кілець mпк=51,35 кг

Внутрішній діаметр поршневого пальця.

dв=(0,4…0,7)dп, м

dв= 0,4820,105 = 0,053 м

Площа поршня

,

,

Радіус кривошипа

,

,

Кутова швидкість обертання колінчастого валу



,

,

Розрахункова сила, яка діє на поршевий палець

,

,

Коефіцієнт

,

,

Напруження згинання в середньому перерізі пальця

,

,

МПа-для вуглецевих сталей [1];

МПа-для легованих сталей [1].

<[

,

Висновок: Умова міцності виконана

Дотичні напруження зрізу в перерізах між бобишкою поршня і

верхньою головкою шатуна



,

,

= 100 МПа - для вуглецевих сталей [1];

= 250 МПа - для легованих сталей [1].

,

,

Висновок: Умова міцності виконана

Максимальна овалізація пальця

,

,

[1].

,

,

Висновок: Умова міцності виконана

Тиск пальця на втулку верхньої головки шатуна

,

,

[1].

,

,

Висновок: Умова міцності виконана

Рисунок 2 Розрахункова схема поршневого пальця

Розрахунок компресійного кільця

Умови роботи поршневих кілець

Кільця працюють в дуже важких умовах, особливо перше. Поршневі кільця працюють в умовах високих температур і значних змінних навантажень, а також піддаються зношенню.

Вимоги до матеріалу поршневих кілець:

- висока зносостійкість в умовах граничного тертя;

- високі антифрикційні якості пари поршневе кільце - гільза;

- швидке припрацювання до поверхні гільзи.

Вибір матеріалу поршневого кільця

Вибрано чавун ВЧ-25 ГОСТ 1412-85.

Розрахунок основних розмірів поршневого кільця

Діаметр циліндра d = 0,25 м

Радіальна товщина кільця

t = (0,04…0,045)d, м

t = 0,04 0,25 = 0,01 м

Висота кільця

hk= (0,6…1)t, м

hk= 0,80,0098 = 0,008 м

Зазор в замку

а) в вільному стані

д0 = (0,08…0,12)d, м

д0 = 0,0960,25 = 0,024 м

б) в робочому стані

д1 = (0,005…0,0075)d, м

д1 = 0,0055 = 0,0014 м

Розрахунок на міцність

Деформація кільцяв робочому стані

,

,

при надіванні кільця на поршень

,

,

Напруження згинання в робочому стані

,

,

Е = 1·105МПа - для чавунів [1];

Е = 2·105МПа - для сталі [1].

Прийнято Е = 100000 МПа

[1].

,

,

Висновок: Умова міцності виконана

Напруження згинання при надіванні кільця на поршень

,

,

[1].

,

,

Висновок: Умова міцності виконана

Тиск кільця на стінку циліндра

,

,

[1].

,

,

Висновок: Умова міцності виконана



Рисунок 3 Розрахункова схема поршневого кільця



ЛІТЕРАТУРА

1. Коваленко І.М. Конструкція та динаміка ДВЗ. Методичні вказівки до виконання розрахунків основних деталей двигунів внутрішнього згорання. - Первомайськ 2010 - 57с.

2. Доценко С.М., Діденко О.В. Методичні вказівки до практичної роботи “ Розрахунок робочого процесу дизельного двигуна “ з дисципліни “ Теорія двигунів внутрішнього згоряння “ Первомайськ ППІ 2012-40с.

3. Методичні вказівки до практичної роботи “ Розрахунок та побудова Індикаторної діаграми “. Склав викладач Доценко С.М.: - Первомайськ ППТК, 2000.-24с.

4. Методичні вказівки до практичної роботи “ Розрахунок теплового балансу двигуна». Склав викладач Доценко С.М. Первомайськ ППТК, 1999. - 28с

Размещено на Allbest.ru

...