Тепловой расчёт двигателя

Давление и температура окружающей среды при работе двигателя без наддува При постоянном значении степени сжатия температура остаточных газов практически линейно возрастает с увеличением скоростного режима при , но уменьшается при обогащении смеси. Принимается температура остаточних газов

1.1.2 Процесс впуска

За период процесса впуска осуществляется наполнение цилиндра двигателя горючей смесью. Температура подогрева свежего заряда. С целью получения хорошого наполнения двигателя на номинальном скоростном режиме принимается

Давление в конце процесса впуска:

,

где - потери давления на впуске вследствие сопротивления впускной системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре, МПа.

Потери давления на впуске:

,

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

Плотность заряда при впуске:

,

где - удельная газовая постоянная воздуха.

В современных автотракторных двигателях на номинальном режиме и .

Принимаем:

и .

Коэффициент остаточных газов:

,

где - степень сжатия; - температура подогрева свежего заряда (для бензиновых двигателей).

Принимаем:

.

Для расчётов значение и выбираем с учётом пределов их изменений - для двигателей без наддува;

- для бензиновых двигателей;

Принимаем:

и .

Температура в конце процесса впуска:

.

Коэффициент наполнения:

1.1.3 Процесс сжатия

Процесс сжатия в реальном ДВС осуществляется по политропе.

Показатель политропы сжатия:

.

Давление в конце процесса сжатия:

.

Температура в конце процесса сжатия:

.

1.1.4 Процесс сгорания

Процесс сгорания является основным процессом рабочего цикла. В результате этого процесса тепло, выделяемое вследствие сгорания, идёт на повышение внутренней энергии рабочего цикла и совершение механической работы.

Процесс сгорания в совокупности с расширением - самые важные процессы в рабочем цикле и от их совершенства зависят мощностные и экономические показатели ДВС.

Средний элементарный состав топлив приведен в приложении:

- весовая доля углерода;

- весовая доля водорода;

- весовая доля кислорода.

Массовое количество воздуха необходимого для полного сгорания топлива, выраженного в :

.

Объёмное количество воздуха необходимого для полного сгорания топлива, выраженного в :

.

Действительное количество свежего заряда для бензиновых ДВС:

,

где - коэффициент избытка воздуха для режима максимальной мощности.

Для расчетов значение выбираем с учетом его изменений для бензиновых двигателей .

Принимаем: .

Количество продуктов сгорания:

Химический коэффициент изменения горючей смеси:

.

Действительный коэффициент изменения горючей смеси:

.

Низшая удельная теплота сгорания дизельного топлива:

Теплота сгорания рабочей смеси:

Температура в конце видимого процесса сгорания:

.

где коэффициенты определяем из выражений:

Давление в конце видимого процесса сгорания:

.

1.1.5 Процесс расширения

В результате расширения тепловая энергия от сгорания топлива преобразуется в механическую энергию. Процесс расширения в реальном ДВС существляется по политропе и как следствие сопровождается интенсивным теплообменом. Показатель политропы расширения:

.

Давление в конце расширения:

.

Температура в конце расширения:

.

Проверку ранее принятой температуры остаточных газов производят по формуле:

.

Погрешность: ,

погрешность меньше 10%, что соответствует допустимому значению.

1.2 Расчёт индикаторных и эффективных показателей. Определение основных размеров двигателя

1.2.1 Расчёт индикаторных показателей

Индикаторными показателями оценивают энергетические возможности, качество и эффективность рабочего цикла. Теоретическое среднее индикаторное давление (не скруглённой диаграммы) можно рассчитать по формуле:

,

где

степень повышения давления для бензиновых двигателей ; =11.

.

Действительное среднее индикаторное давление:

,

где - коэффициент полноты диаграммы, учитывающий отклонение действительного цикла от расчетного. Для расчетов значение выбираем с учетом его изменений для бензиновых двигателей .

Принимаем: .

Индикаторный КПД характеризует степень использования в действительном цикле теплоты сгорания топлива для получения полезной работы.

Индикаторный КПД:

.

Удельный индикаторный расход топлива:

.

1.2.2 Расчёт эффективных показателей и определение основных размеров двигателя

Среднее условное давление механических потерь , определяем для двигателей без надува по выражению:

,

где и - коэффициенты, зависящие от типа, конструкции, размеров, числа цилиндров и теплового состояния двигателей (приведены в приложении).

Принимаем: ; .

В основном современные двигатели - быстроходные. При расчете задаем значение средней скорости поршня и после определения размеров цилиндра, чтобы уменьшить ошибку, уточняем скорость поршня и, соответственно, .

Принимаем: .

Среднее эффективное давление - условное постоянное давление газов, за ход поршня совершающее работу, равную эффективной работе цикла. Определяют среднее эффективное давление (МПа):

.

Номинальная мощность двигателя по прототипу:

.

Литраж двигателя:

.

где - количество цилиндров; - коэффициент тактности.

Рабочий объем цилиндра:

.

Для определения диаметра цилиндра и хода поршня задаёмся величиной . Принимаем по прототипу отношение хода поршня к диаметру цилиндра равному .

Диаметр цилиндра:

.

Принимаем с уточнённым значением диаметра поршня по прототипу .

Ход поршня определяем по выражению:

.

Принимаем: с учётом значения хода поршня по прототипу.

Уточненное значение скорости поршня:

.

Погрешность скорости поршня:

.

Так как погрешность составила 8,23% < 20%, то считаем приведенный расчет верным.

Уточненное значение рабочего цилиндра:

.

Уточненное значение эффективной мощности:

.

КПД механических потерь:

.

Эффективный КПД:

.

Удельный эффективный расход топлива:

.

Крутящий момент двигателя:

.

Литровая мощность:

.

1.3 Расчет и построение индикаторной диаграммы двигателя аналитическим методом по ходу поршня

Для построения индикаторной диаграммы вычисляем текущие значения хода поршня через 10 градусов поворота коленчатого вала и соответствующее ему давления в цилиндре. Политропы сжатия и расширения рассчитываем и строим следующим способом.

Текущее значение определяем через ход поршня по выражению:

.

Таблица 1.1 Результаты расчётов построения индикаторной диаграммы

Текущее значение хода поршня от угла поворота коленчатого вала определяем по зависимости:

где - радиус кривошипа, ; - кинематический показатель кривошипа, ; =20 - угол поворота коленчатого вала.

1.3.1 Расчёт и построение индикаторной диаграммы двигателя аналитическим методом по относительному объёму

Политропы сжатия и расширения рассчитываем и строим следующим образом. Текущее значение давления промежуточных точек, определяем уравнение политропы:

.

Для политропы сжатия:

.

Для политропы расширения:

.

где и - соответственно показатель политропы сжатия и показатель политропы расширения принимаются из теплового расчета;

и - соответственно давление в конце процесса впуска (точка ) и давление в конце процесса расширения (точка ).

Для упрощения возведения в степень, задаем по возможности величину обратную относительному объему целыми числами, а также равным степени последующего расширения и сжатия. (см. таблицу 1.2).

Таблица 1.2 Результаты расчетов для построение индикаторной диаграммы

1.3.2 Построение индикаторной диаграммы графическим методом

При графическом методе (рисунок 1), используем способ Брауэра. Политропы сжатия и расширения строим следующим образом. Из начала координат проводим луч ОС под углом . Далее из начала координат проводим лучи ОД и ОЕ под углом ;

Политропу сжатия строим с помощью лучей ОС и OD. Из точки проводим горизонталь до пересечения с осью ординат; из точки пересечения - линию под углом к вертикали до пересечения с лучом OD, а из этой точки - вторую горизонтальную линию, параллельно оси абсцисс. Затем из точки проводим вертикальную линию до пересечения с лучом ОС; из точки пересечения - под углом к вертикали линию до пересечения с осью абсцисс, а из этой точки - вторую вертикальную линию, параллельную оси ординат, до пересечения со второй горизонтальной линией. Тогда пересечения этих линий будет промежуточной 1 политропы сжатия. Точка 2 находиться аналогичным путем при выборе точки 1 за начало построения.

Полтиропу расширения строим с помощью лучей ОС и ОЕ, начиная от точки z, аналогично построению политропы сжатия.

1.4 Кинематический и динамический расчет кривошипно-шатунного механизма

Кинематический и динамический расчёт состоит в определении перемещения, скорости и ускорения поршня, основных сил, действующих в КШМ, и определении параметров маховика.

1.4.1 Кинематический расчет кривошипно-шатунного механизма

При кинематическом расчёте КШМ принимают, что коленчатый вал вращается с постоянной угловой скоростью. Перемещение, или ход поршня относительно верхней мёртвой точки определяется по выражению

,

где - радиус кривошипа, ; - угол поворота коленчатого вала, ; - кинематический параметр КШМ, представляющий собой отношение радиуса кривошипа к длине шатуна .

.

Скорость поршня:

,

где - угловая скорость коленчатого вала, .

Ход поршня:

S1- ход поршня 1 порядка, м

S2- ход поршня 2 порядка, м

Угловая скорость коленчатого вала:

.

Скорость поршня:

Vп1- скорость поршня 1 порядка, м/с;

Vп2- скорость поршня 2порядка, м/с;

Vп=19,256.

Ускорение поршня:

Jп1- ускорение поршня 1 порядка,

Jп2- ускорение поршня 1 порядка

Jп=23779.

Результаты кинематического расчета КШМ.

1.4.2 Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма

Для примера проведём расчёт для остальные расчёты приведены в таблице.

Газовая сила:

Инерционная сила:

Приведенная масса:

Масса поршня:

Масса шатуна:

Угловая скорость:

Сила, действующая на ось шатуна:

От действия силы Рш через шатун на шатунную шейку коленчатого вала возникают силы:

Радиальная:

Тангенциальная:

На шатунную шейку также действует центробежная сила К'':

двигатель кинематический поршень шатунный

Силы K' и K'' направлены по одной прямой, в связи с чем их равнодействующая:

K = K' + K''=-29,9+662,8=632,3

В двигателе даже при установившемся режиме угловая скорость колеблется в течение цикла. Причиной тому является постоянное изменение крутящего момента от которого зависит равномерность хода двигателя.

Крутящий момент (нм) одного цилиндра равен:

=-0,3641,2=-14,8Нм

где - текущее значение тангенциальной силы (из динамического расчета),н; - радиус кривошипа, м.

Размещено на Allbest.ru