Проектирование двигателя внутреннего сгорания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

двигатель цилиндр механизм скоростной

Введение

1. Исходные данные

2. Выбор марки топлива

3. Параметры окружающей среды остаточных газов

4. Процесс впуска

5. Процесс сжатия

6. Процесс сгорания

7. Процесс расширения и впуска

8. Расчёт эффективных показателей

9. Основные параметры цилиндра и двигателя

10. Расчёт и построение внешних скоростных характеристик

11. Построение индикаторной диаграммы

12. Динамический расчёт кривошипно- шатунного механизма

13. Сравнение показателей проектируемого двигателя и прототипа

14. Скорость поршня

Заключение

Список литературы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Двигатель внутреннего сгорания -- это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу.

Несмотря на то, что двигатели внутреннего сгорания являются весьма несовершенным типом тепловых машин (низкий КПД, сильный шум, токсичные выбросы, меньший ресурс), благодаря своей автономности (необходимое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы) двигатели внутреннего сгорания очень широко распространены.

Схема работы четырехтактного цилиндра двигателя, цикл Отто:

1. впуск;

2. сжатие;

3. рабочий цикл;

4. выпуск;

Основными типами ДВС являются:

Поршневые двигатели -- камерой сгорания является цилиндр, где тепловая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из возвратно-поступательного движения поршня превращается во вращательную, с помощью кривошипно-шатунного механизма.

По типу используемого топлива делятся на:

Бензиновые -- смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе и далее во впускном коллекторе, или во впускном коллекторе при помощи распыляющих форсунок (механических или электрических), или непосредственно в цилиндре при помощи распыляющих форсунок, далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, образующейся между электродами свечи.

Дизельные --специальное дизельное топливо впрыскивается в цилиндр под высоким давлением. Возгорание смеси происходит под действием высокого давления и, как следствие, температуры в камере.

Газовые -- двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях.

Недостатком ДВС является то, что он производит высокую мощность только в узком диапазоне оборотов. Поэтому неотъемлемыми атрибутами двигателя внутреннего сгорания являются трансмиссия и стартер. Лишь в отдельных случаях (например, в самолётах) можно обойтись без сложной трансмиссии.

Также ДВС нужны топливная система (для подачи топливной смеси) и выхлопная система (для отвода выхлопных газов).

1. Исходные данные

Тип двигателя: карбюраторный.

Эффективная мощность двигателя:

N _е = 54 кВт.

Частота вращения коленчатого вала:

n = 5800 об / мин.

Число цилиндров:

i = 4.

Степень сжатия:

е = 8, 5.

Число тактов:

ф = 4.

Дополнительные данные:

Температура окружающего воздуха:

Т ₀ = 280 К.

Температура воздуха на впуске:

Т _к = 293 К.

Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна:

л = 0,27.

Принимаем материал поршня: алюминиевый сплав.

Неуравновешенные части одного колена без противовесов:

стальной вал со стальными шейками.

Ход поршня предварительно принимаем:

S = 78 мм.

2. Выбор марки топлива

В соответствии с заданной степенью сжатия можно использовать бензин марки АИ-92.

Средний элементарный состав и молекулярная масса топлива:

С = 0,885 кг/ моль.

Н = 0,145 кг/ моль.

m _Т = 115 кг/ моль.

Низшая теплота сгорания топлива:

Н _н = ( 28,993 С + 18,212 Н - 3,276 Н ) 10 ⁶ = 4,393 * 10 ⁴ кДж/ кг.

Параметры рабочего тела. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива.

 (кмоль воздуха / кг топлива).

( кг воздуха/ кг топлива ).

При расчете двигателя на режимах внешней скоростной характеристики принимаем коэффициент избытка воздуха б = 0,96.

Количество горючей смеси:

( кмоль горючей смеси/ кг топлива)

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания при

К = 0,5 и б = 0,96 и принятом скоростном режиме:

( кмоль СО 2/ кг топлива )

( кмоль СО/ кг топлива )

( кмоль Н₂О/ кг топлива )

( кмоль Н₂/ кг топлива )

( кмоль N₂/ кг топлива )

Общее количество продуктов сгорания:

 ( кмоль продуктов сгорания/ кг топлива )

3. Параметры окружающей среды и остаточные газы

Давление и температура окружающей среды при работе двигателя без наддува.

Па.

Температура остаточных газов.

При постоянном значении степени сжатия температура остаточных газов практически линейно возрастает с увеличением скоростного режима, но уменьшается при обогащении смеси. Учитывая, что при n = 5800 об/мин, б= 0,96, тогда

К., - принимаем на основании опытных данных.

Давление остаточных газов.

Давление остаточных газов при номинальном скоростном режиме

МПа.

Р ₀ = 10 ⁵ Па.

Тогда

Па.

Тогда

МПа.

4. Процесс впуска

Температура подогрева свежего заряда. Рассчитываемый двигатель не имеет специального устройства для подогрева свежего заряда. Однако естественный подогрев заряда в бензиновом двигателе может достигать . С целью хорошего наполнения двигателя на номинальном скоростном режиме принимается .

Тогда

ДТ _n = А _т ( 110 - 0,0125 * n ) = 0,213 * ( 110 - 0,0125 * 5800 ) = 7,988 С °

Плотность заряда при впуске:

,

где - удельная газовая постоянная, R _в = 287 Дж/ (кг град ),

кг/ м ³.

Потери давления на впуске.

Принимаем

м/с.

Тогда

МПа.

Давление в конце впуска:

МПа.

Коэффициент остаточных газов.

Определим коэффициент дозарядки ц _доз по справочной таблице,

можно вывести зависимость коэффициента дозарядки от частоты оборотов, тогда примем ц _доз = 0,95.

Температура в конце впуска.

К.

Коэффициент наполнения.

5. Процесс сжатия

Определяем показатель политропы и адиабаты по номограмме для определения показателя адиабаты:

показатель адиабаты принимаем к`₁ =1,3779,

Давление в конце сжатия определяется по формуле:

Температура в конце сжатия:

К.

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия.

Свежей смеси:

t_с = 729,85 - 273 = 456,85 С °.

кДж/ К* кмоль.

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия остаточных газов определяется методом экстраполяции по табличным данным:

кДж/ моль град.

Средняя мольная теплоёмкость рабочей смеси определяется по формуле:

кДж/ К* кмоль.

Число молей остаточных газов:

М r = б * г _г L ₀ ;

М r = 0,96 * 0,0519 * 0,512 = 0,0255 кмоль/ кг топлива.

Число молей газов в конце сжатия до сгорания:

М с = М 1 + М r;

М с = 0,5 + 0,0255 = 0,5255 кмоль/ кг топлива.

6. Процесс сгорания

Коэффициент изменения горючей и рабочей смеси.

м - действительный коэффициент молекулярного изменения;

м ₀- химический коэффициент молекулярного изменения;

,

где М ₁ - количество горючей смеси, отнесённое к 1 кг топлива;

М ₂ количество продуктов сгорания, отнесённое к 1 кг топлива.

Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания топлива.

кДж/ кг топлива.

Теплота сгорания рабочей смеси.

кг* моль горючей смеси/ кг топлива.

Величина коэффициента использования теплоты z принимается в пределах, которые имеют место у работающих карбюраторных двигателей:

z = 0,93.

Температура в конце видимого процесса сгорания.

8,5 * 78854,309 + 23,976 * 450,85 = 1,063 ( 23,805 + 0,002033 t _z )

t _z = 2561,892.

Абсолютная температура.

T _z = 2561,892 + 273 = 2834,892 К.

Максимальное давление сгорания теоретическое.

МПа.

Максимальное давление сгорания действительное.

Степень повышения давления.

7. Процессы расширения и выпуска

Средний показатель адиабаты расширения n`1 примем 1,2532.

Средний показатель политропы расширения n`2 оценивается по величине среднего показателя адиабаты. Принимаем n`2 = 1,2523.

Давление и температура в конце процесса расширения.

К.

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов.

Теоретическое среднее индикаторное давление.

Среднее индикаторное давление.

,

где 0,96 - коэффициент наполнения диаграммы.

Индикаторный КПД и удельный расход топлива:

8. Расчет эффективных показателей

Эффективные показатели двигателя. Среднее давление механических потерь для карбюраторного двигателя с числом цилиндров до шести.

Предварительно приняв ход поршня S равным 78мм, получим:

м/c.

Тогда:

МПа.

Среднее давление механических потерь.

Р _m =0,00002938 * n + 0,034

Р _m =0,00002938 * 5800 + 0,034 = 0,207 МПа.

Среднее эффективное давление и механический КПД:

МПа.

Эффективный КПД и удельный расход топлива:

9. Основные параметры цилиндра и двигателя

Литраж двигателя.

Расчитываем для режима максимальной мощности n = 5000 об/мин.

Принимаем V _л = 1,1 л.

Рабочий объем одного цилиндра.

Диаметр цилиндра.

Так как ход поршня предварительно был принят S = 78 мм, то

Принимаем D = 7-мм.

Основные параметры и показатели двигателя определяются по окончательно принятым значениям D,S.

Л.

Площадь поршня.

мм ².

Эффективная мощность.

кВт.

Расхождение с заданной мощностью:

Эффективный крутящий момент:

Н*м.

Часовой расход топлива.

кг/ч.

Литровая мощность двигателя.

кВт/ л.

Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом.

ДЖ/ С.

Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1 с.

Q _e = 1000 * N _e

Q e = 1000 * 69,948 = 69948 дж/ с.

Теплота, передаваемая охлаждающей среде:

где m - показатель степени для 4х тактных двигателей,

принимаем m = 0,65;

i - число цилиндров двигателя.

Теплота, унесенная с отработанными газами.

Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания.

10. Расчет и построение внешних скоростных характеристик

Расчёт производится при различной степени частоты вращения коленчатого вала двигателя.

n _N = 5800 об/ мин.

n 1 = 1000 об/ мин.

n 2 = 2500 об/ мин.

n 3 = 5000 об/ мин.

При известной максимальной мощности двигателя

N _max = N _е = 64,948, принимаем 70 кВт

и частоте вращения двигателя при максимальной мощности

n = 5,8 * 10 ³ об/ мин

и коэффициентах, характеризующих тип двигателя

А ₁ = 1

А ₂ = 1

Запишем формулу С.Р. Лейдермана, которая позволит построить внешнюю скоростную характеристику:

Крутящий момент двигателя на режимах внешней характеристики вычисляют по формуле:

Удельный расход топлива g _е на различных режимах работы двигателя принимаем на основании опытных данных:

g _e (n1) = 238,

g _e (n2) = 198,

g _e (n3) = 167,

g _e (n) = 155,

Удельный расход топлива по формуле:

A` = 1,2

11. Построение индикаторной диаграммы

Индикаторную диаграмму строят для номинального режима работы двигателя. Т.е. при известной максимальной мощности двигателя

N max = 70 кВт

и частоте вращения двигателя при максимальной мощности

n = 5,8 * 10 ³ об/ мин

Максимальная высота диаграммы

Ординаты характерных точек:

Построение политроп сжатия и расширения аналитическим методом:

а) политропа сжатия:

б) политропа расширения:

Теоретическое среднее индикаторное давление:

P` _i = 1,471.

АВ/2 = 35.

л = 0,27 - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Полученные данные сведем в таблицу:

N точек	ОХ, мм	ОВ/ ОХ	(ОВ/ОХ)1,252	Р(ОХ)*Мр, мм	Р(ОХ), МПа	(ОВ/ОХ)1,253	Р(ОХ)*Мр, мм	Р(ОХ), МПа
1	9,33	8,5027	14,5814	1,2394	24,7884	14,6128	6,7949	135,899
2	18,66	4,2513	6,1222	0.5204	10,4077	6,1311	2,8509	57,0192
3	27,99	2,8342	3,6851	0,3132	6,2647	3,6889	1,7153	34,3068
4	37,32	2,1257	2,5701,	0,2185	4,3692	2,5725	1,1962	23,9243
5	46,65	1,7005	1,9439	0,1652	3,3046	1,9449	0,9044	18,0876
6	55,98	1,4171	1,5472	0,1315	2,6302	1,5778	0,7197	14,3945
7	65,31	1,2147	1,2757	0,1084	2,1687	1,2759	0,5933	11,8659
8	70	1,1333	1,1696	0,0994	1,9883	1,1698	0,5439	10,8791

Обозначение точки	Положение точки	ц °	(1-cosц)+л/4*(1-cos2ц)	АХ, мм
r`	10° до в.м.т.	10	0,0195	0,6825
a`	10° после в.м.т.	10	0,0195	0,6825
a``	46° после в.м.т.	134	1,7684	61,894
c`	35° до в.м.т.	35	0,2245	7,8575
f	30° до в.м.т.	30	0,1655	5,7925
b`	46° до в.м.т.	134	1,7684	61,894

Положение точки c`` определяется из выражения p <sub>c</sub> `` = 1,2 p _c

p _c `` = 1,2 * 1,635 = 1,962 МПа;

p _c `` = 1,2 * 32,7 = 39,24 мм.

Действительное давление сгорания:

p _{z дейст} = 0,85 * 6,75 = 5,738 МПа;

p _{z дейст} = 0,85 * 135 = 114,75 мм.



12. Динамический расчёт кривошипно-шатунного механизма

Зададимся удельной массой, так как поршень из алюминиевого сплава, то удельная масса поршневой группы колеблется в пределах:

m _{1 n} = 80 кг/ м ²,

при D = 60 мм,

m _{2 n} = 150 кг/ м₂,

при D = 100 мм,

при известном диаметре D = 70 мм, применяя выше известные величины, получим:

m` _{1 ш} = 100 кг/ м ²,

при D = 60 мм,

m` _{2 ш} = 200 кг/ м₂,

при D = 100 мм,

при известном диаметре D = 70 мм, применяя выше известные величины, получим:

Так как в нашем случае - сплошной коленчатый вал со сплошными стенками, то удельная масса неуравновешенных частей одного колена без противовесов:

m _{1 к} = 150 кг/ м ²,

при D = 60 мм,

m _{2 к} = 200 кг/ м₂,

при D = 100 мм,

при известном диаметре D = 70 мм, применяя выше известные величины, получим:

Площадь верхней поверхности поршня:

Масса деталей поршневой группы считается сосредоточенной на оси поршневого пальца.

Значение этой массы:

Масса шатуна:

Масса коленчатого вала:

Массу шатуна расчленяем на две массы:

- одну часть отнесем к поршневой группе:



- другую часть отнесем к массе шатунной шейке (массе вращающихся деталей):

Тогда суммарная масса, совершающая возвратно поступательное движение:

m _j = m _n + m _шп ;

m _j = 0,44444 + 0,1323 = 0.57674 кг.

- вращательное движение:

m _г = m _к + m _шк ;

m _г = 0,625 + 0.3487 = 0,9737 кг.

13. Сравнение показателей проектируемого двигателя и прототипа

Основные параметры проектируемого двигателя и прототипа представлены в таблице:

N	Наименование и размерность показателей	Обозначение показателя	Проектируемый двигатель	Прототип ( ЗАЗ - 968 М )
1	Диаметр цилиндра, мм	D	70	76
2	Литраж, л	i*Vh	1,1	1,2
3	Число цилиндров	i	4	4
4	Степень сжатия	е	8,5	7,2
5	Частота вращения коленчатого вала, об/ мин	n	5800	4400
6	Ход поршня, мм	S	70	66
7	Максимальная мощность, кВт	N e	70	66
8	Удельный эффективный расход топлива, г/ кВт * ч	g e	184
9	Максимальный крутящий момент, Н*м	M e max	114,5	92,3
10	Литровая мощность, кВт/ л	N e n	58,2	25,73
11	Минимальный удельный эффективный расход топлива, г/ кВт * ч	g e min	154,9	333

14. Скорость поршня

Перемещение поршня в зависимости угла поворота кривошипа:

,

где R - радиус кривошипа, R = 35 мм = 0,035 м;

л - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, принимаем 0,27;

ц - угол поворота коленчатого вала.

Скорость поршня в зависимости от поворота кривошипа:

, м/с.

Примерная максимальная скорость:

Средняя скорость поршня:

Ускорение поршня:

м/с ².

Максимальное значение ускорения:

Минимальное ускорение поршня:

Угловая скорость вращения коленчатого вала:



Полученные результаты занесём в таблицу:

ц°	(1-cosц) + л/4 * (1-cos2ц)	Sx, мм	sinц + л/2 * sin2ц	Vn, м/с	cosц + лcos2	j, м/с2
0	0	0	0	0	1,2850	16590,491
20	0,077	2,6942	0,4336	9,2173	1,1580	14950,808
40	0,2928	10,2492	0,7831	16,6468	0,8155	10528,829
60	0,6069	21,2406	0.9894	21,0322	0,3575	4615.643
80	0,9646	33,7594	1,0335	21.9696	-0.0942	-1216,206
100	1,3119	45,9148	0,9361	19,8992	-0,4415	-5700.157
120	1,6069	56,2406	0,7426	15,7858	-0,6425	-8295,246
140	1,8249	63,8723	0,5025	10,6819	-0.7166	-9251,942
160	1,9564	68,4727	0,2504	5.3229	-0,7214	-9313,915
180	2,0000	70,0000	0.0000	0.0000	-0,7150	- 9231,285
200	1,9564	68,4727	-0,2504	-5,3229	-0,7214	- 9313,915
220	1,8249	63,8723	-0,5020	-10,6819	-0,7166	- 9251,942
240	1,6069	56,2406	-0,7426	-15,7858	0,6425	- 8295,246
260	1,3119	45,9148	0,9361	-19,8992	-0,4415	- 5700,157

Диаграмма перемещения поршня

Диаграмма скорости поршня

Диаграмма ускорения поршня

Заключение

В ходе работы произведён расчет бензинового двигателя. В ходе расчетов был определен рабочий объем двигателя, который составляет 1,1л. Диаметр цилиндра составляет 70мм а ход поршня 70 мм. Двигатель по расчетам получился мощностью 69 кВт при 5800 об/ мин и крутящем моменте в

114,5 Н?* м. Двигатель обладает хорошей топливной экономичностью. При сравнении показателей рассчитанного двигателя и прототипа видно, что разработанный двигатель имеет большую мощность и крутящий момент. Более высокую частоту вращения коленчатого вала.

Список литературы

1. Богатырев А.В. «Автомобили», М., Колос, 2001. 496 с.

2. Колчин А.И. «Расчёт автомобильных и тракторных двигателей: учебное пособие для вузов», М., Высшая школа, 2002.

3. Архангельский В. М. «Автомобильные двигатели», М., Машиностроение, 2000 г.

Размещено на Allbest.ru

...