Тепловой и динамический расчёт двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тепловой и динамический расчёт двигателя



Содержание

Введение

1. Тепловой расчет двигателя

1.1 Процесс впуска

1.2 Процесс сжатия

1.3 Процесс сгорания

1.4 Процесс расширения

1.5 Показатели и основные размеры двигателя

1.6 Построение индикаторной диаграммы аналитическим методом

2. Динамический расчет двигателя

2.1 Построение развернутой индикаторной диаграммы

2.2 Построение диаграмм тангенциальных и нормальных сил

2.3 Диаграмма суммарных тангенциальных сил

2.4 Расчет маховика двигателя

Литература

Введение

Контрольная работа состоит из теплового и динамического расчётов двигателя.

Тепловой и динамический расчёты автотракторных двигателей (АТД), проводятся с целью самостоятельного углубленного изучения раздела дисциплины, понятия обоснованного выбора основных размеров двигателя, анализа основных характеристик, по которым подбирается двигатель к машине.

В результате теплового расчёта двигателя определяют индикаторные показатели цикла, основные размеры двигателя, его энергетические и экономические показатели на номинальном режиме работы. Тепловой расчёт двигателя включает расчёт четырёх процессов: впуска, сжатия, сгорания и расширения. В этой части также производится расчёт показателей и основных размеров двигателя. Графическая часть данного раздела представлена построением индикаторной и развёрнутой индикаторной диаграммами.

Динамический расчёт двигателя состоит из расчёта тангенциальных и нормальных усилий, суммарных тангенциальных сил и расчёта маховика. Графическая часть этого раздела включает диаграмм тангенциальных и нормальных сил, диаграммы суммарных тангенциальных сил.



1. Тепловой расчет двигателя

1.1 Процесс впуска

Так как впускная система двигателя оказывает сопротивление прохождению заряда, то давление в конце впуска у двигателя с наддувом выше атмосферного.

Температура заряда в конце впуска (К):

(1.1)

где - температура в конце выпуска (600800К);

- повышение температуры заряда в процессе впуска;

- температура окружающей среды;

- коэффициент остаточных газов.

(1.2)

где

- давление в конце выпуска (0,1050,12 МПа),

- степень сжатия ,

- давление остаточных газов.

Давление в конце впуска:

(1.3)

где - потери давления на впуске

(1.4)

где - коэффициент затухания скорости движения потока заряда в рассматриваемом сечении,

- коэффициент сопротивления впускной системы в наиболее узком её месте, =2,54

-скорость движения свежего заряда в проходном сечении клапана (м/с) (50130 м/с),

- плотность свежего заряда. (1.5)

где - удельная газовая постоянная (287 )

(кг/м3)

(МПа)

(МПа)

К

(К)

1.2 Процесс сжатия

В процессе сжатия происходит повышение давления и температуры рабочей смеси или воздуха. Давление в конце сжатия:

(1.6)

где n1- показатель политропы сжатия, который можно посчитать по формуле проф. В. И. Петрова:

(1.7)

где n - частота вращения коленчатого вала двигателя

(МПа)

Температура в конце сжатия:

(К) (1.8)

1.3 Процесс сгорания

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:

(1.9)

где 0,23 - содержание кислорода в воздухе по массе.

С, Н, О - количество углерода, водорода и кислорода, содержащихся в 1 кг топлива (С=0,850; Н=0,150; О=0).

(кг)

Эта же величина в кмолях:

(1.10)

где 28,96 - масса 1 кмоля воздуха.

(кмоль/кг)

Действительное количество воздуха, поступившее в двигатель для сгорания 1 кг топлива:

(1.11)

где - коэффициент избытка воздуха.

(кмоль/кг)

Количество остаточных газов:

(кмоль/кг) (1.12)

Количество газов, находящихся в цилиндре двигателя в конце сжатия:

(кмоль/кг) (1.13)

Количество продуктов сгорания 1 кг топлива в цилиндре двигателя при <1, (кмоль/кг).

(кмоль/кг) (1.14)

где 0,21 - содержание кислорода в воздухе по объему.

(кмоль/кг)

Количество газов , находящихся в цилиндре в конце сгорания:

(кмоль/кг) (1.15)

Действительный коэффициент молекулярного изменения:

(1.16)

Средняя мольная теплоёмкость заряда в конце сжатия:

() (1.17)

Теплоёмкость продуктов сгорания:

(1.18)

Температура в конце сгорания определяется из уравнения сгорания.

Для карбюраторного двигателя оно имеет вид:

(1.19)

где - коэффициент выделения теплоты (0,70,9);

- потери теплоты (кДж) из-за неполного сгорания при <1

кДж

Подставляя в уравнение сгорания (1.19) получим

(1.20)

Подставим числовые значения известных параметров получим:

Упрощая выражение получим:

Перенося все в правую часть получим:

Полученное выражение имеет вид квадратного уравнения:

(1.21)

Где А,В,С - числовые значения известных величин

Тогда температура газов в конце сгорания :

. (1.22)

Найдем давление в конце сгорания для карбюраторных двигателей с подводом теплоты при V=const, (МПа)

(МПа) (1.23)

1.4 Процесс расширения

Температура в конце расширения:

(К) (1.24)

Давление в конце расширения:

( МПа) (1.25)

где - показатель политропы расширения:

(1.26)

Правильность сделанного ранее выбора температуры газов в конце выпуска проверяют по зависимости:

(К) (1.27)

Допускаемое значение погрешности:

(1.28)

1.5 Показатели и основные размеры двигателя

Среднее теоретическое индикаторное давление (МПа) нескруглённой индикаторной диаграммы:

(1.29)

(МПа)

Действительное среднее индикаторное давление:

(1.30)

Где

-

потеря индикаторного давления на проведение вспомогательных ходов.

(МПа)

(МПа)

Среднее давление механических потерь:

(МПа) (1.31)

Среднее эффективное давление:

(МПа) (1.32)

Механический КПД двигателя:

(1.33)

Индикаторный КПД цикла:

(1.34)



Эффективный КПД:

(1.35)

Удельный индикаторный расход топлива:

() (1.36)

Удельный эффективный расход топлива:

() (1.37)

Часовой расход топлива:

(кг/ч) (1.38)

где Ne - номинальная эффективная мощность двигателя.

где

- рабочий объём цилиндра

- число цилиндров

- тактность двигателя

Рабочий объём цилиндра:

(1.39)

(дм3)

где

-

площадь днища поршня;

S - ход поршня;

-

задаётся в задании.

Получаем:

(1.40)

(дм))

(мм) (1.41)

Литраж двигателя:

(л) (1.42)

Объём камеры сжатия:

(дм3)

Литровая мощность двигателя:

(кВт/л) (1.43)

Радиус кривошипа R и длина шатуна L находят из выражения:

(мм) (1.44)

(мм) (1.45)

1.6 Построение индикаторной диаграммы аналитическим методом

(дм3)

Ординаты давлений, соответствующие промежуточным значениям объёмов, с учётом масштаба:

(1.46)

(1.47)

(МПа)

(МПа)

Данные расчётов сводятся в таблицу:

Таблица 1.1.

Результаты подсчёта ординат промежуточных точек политропы

сжатия и расширения

Принятые значения объёмов,Vx л	Ординаты политропы сжатия, Рсх МПа	Ординаты политропы расширения, Рzх МПа
0.16	1.02	4.24
0.3	0.43	1.92
0.4	0.29	1.34
0.5	0.21	1.01
0.6	0.16	0.8
0.8	0.11	0.56
0.9	0.09	0.48
0.99	0.08	0.43

Через точки а,С и полученные промежуточные Рсх проводят плавную кривую - политропу сжатия. Через точки Z,b и полученные промежуточные Рzх проводят другую плавную кривую - политропу расширения.



2. Динамический расчет двигателя

2.1 Построение развернутой индикаторной диаграммы

Динамический расчёт заключается в определении величин сил и моментов, возникающих от давления газов и сил инерции. Построение производят следующим образом. Отрезок делят пополам. Радиусом, равным половине , описывают полуокружность из точки Ц, Вправо от точки Ц откладывают отрезок ЦБ, равный:

(дм3) (2.1)

Отрезок ЦБ называют поправкой Брикса. Из точки Б произвольным радиусом проводят полуокружность и делят на 6 частей. Из полюса Брикса через деления проводят лучи до пересечения с наружной окружностью и проводят перпендикуляры до пересечения с линиями сжатия и расширения индикаторной диаграммы. Полученные точки переносят на перпендикуляры, восстановленные к оси абсцисс развёрнутой диаграммы из точек, соответствующих углам поворота кривошипа коленчатого вала. Кривая, проведённая через полученные точки пересечений, является развёрнутой индикаторной диаграммой за рабочий цикл. Давление газов на поршень определяется как избыточное давление газов в цилиндре. Возвратно-поступательно движущиеся массы создают силы инерции

(2.2)

где - сила инерции первого порядка;

- сила инерции второго порядка.

Таким образом

(2.3)

При

(с-1).

Массу возвратно-поступательно движущихся частей КШМ при расчётах определяют как сумму:

(2.4)

где - масса поршневого комплекта;

- масса шатуна.

(кг/м2)

Суммарная удельная сила, действующая на поршень:

(2.5)

Силы инерции от вращательно-движущихся масс находятся по зависимости:

(2.6)

(МПа)

Где , кг/м2

Таблица 2.1.

Силы инерции в зависимости от угла поворота кривошипа

Угол поворота , град.		(МПа)	Угол поворота , град
0	1,236	-0,959	360
30	0,984	-0,763	330
60	0,382	-0,296	300
90	-0,236	0,183	270
120	-0,618	0,479	240
150	-0,748	0,58	210
180	-0,764	0,593	180
375	1,17	-0,908	375

2.2 Построение диаграмм тангенциальных и нормальных сил

Удельные тангенциальные и нормальные силы, действующие на кривошип, находят по зависимостям:

(2.7)

(2.8)

где - угол отклонения шатуна от вертикали.

Сила Т считается положительной, если она совпадает с направлением вращения коленчатого вала.

Суммарная удельная сила, действующая вдоль кривошипа, находится как алгебраическая сумма сил Z и :

Для : размер двигатель автотракторный экономический

(МПа)

(МПа)

(МПа)



Таблица 2.2.

Значения удельных нормальных и тангенциальных сил

Угол поворота , град.	Ординаты суммарных сил , МПа		Тангенциальные силы Т, МПа		Ординаты нормальных сил Z, МПа	Ординаты суммарных сил (МПа)
0	-0,949	0	0	1	0,949	-1,39
30	-0,781	0,603	-0,471	0,807	-0,63	-1,071
60	-0,314	0,97	-0,305	0,319	-0,1	-0,541
90	0,165	1	0,165	-0,243	-0,04	-0,481
120	0,461	0,762	0,351	-0,681	-0,314	-0,755
150	0,562	0,397	0,223	-0,925	-0,52	-0,961
180	0,575	0	0	-1	-0,575	-1,016
210	0,568	-0,397	-0,225	-0,925	-0,525	-0,966
240	0,486	-0,762	-0,37	-0,681	-0,331	-0,772
270	0,238	-1	-0,238	-0,243	-0,058	-0,449
300	-0,115	-0,97	0,112	0,319	-0,037	-0,478
330	-0,242	-0,603	0,146	0,807	-0,195	-0,636
360	1,033	0	0	1	1,033	0,592
375	2,597	0,318	0,826	0,95	2,467	2,026
390	1,841	0,603	1,11	0,807	1,485	1,044
420	0,916	0,97	0,889	0,319	0,292	-0,149
450	0,845	1	0,845	-0,243	-0,205	-0,646
480	0,921	0,762	0,702	-0,681	-0,627	-1,068
510	0,909	0,397	0,361	-0,925	-0,841	-1,282
540	0,747	0	0	-1	-0,747	-1,188
570	0,59	-0,397	-0,234	-0,925	-0,546	-0,987
600	0,489	-0,762	-0,373	-0,681	-0,333	-0,774
630	0,193	-1	-0,193	-0,243	-0,047	-0,488
660	-0,286	-0,97	0,277	0,319	-0,091	-0,532
690	-0,753	-0,603	0,454	0,807	-0,608	-1,049
720	-0,949	0	0	1	-0,949	-1,39

2.3 Диаграмма суммарных тангенциальных сил

Диаграмма суммарных тангенциальных сил может быть получена суммированием кривых тангенциальных сил его цилиндров. При суммировании кривая силы Т одного цилиндра за один цикл для двигателя с равномерным чередованием вспышек делится на I частей. Полученные отрезки кривой сдвигают на участок диаграммы, длина которого соответствует . Ординаты сдвинутых отрезков складывают и строят кривую суммарных тангенциальных сил.

По суммарной площади диаграммы определяют среднюю ординату (мм);

(2.9)

где - площадь диаграммы над осью абсцисс (мм2)

- площадь под осью абсцисс (мм2)

- длина диаграммы (мм).

(мм2), (мм2), (мм), тогда

(мм)

Проверку расчётной эффективной мощности двигателя осуществляют по формуле (кВт):

(2.10)

где - значение ординаты Т, (мм);

- масштаб построения диаграммы тангенциальных сил, (МПа/мм);

- площадь днища поршня, (м2);

R - радиус кривошипа, (м);

n - частота вращения коленчатого вала, (мин-1);

- механический КПД.

(кВт)

Погрешность составляет меньше 5%.

2.4 Расчет маховика двигателя

Определяют момент инерции требуемого маховика. Для этого по диаграмме суммарных тангенциальных сил вычисляют избыточную работу крутящего момента:

(2.11)

где - площадь диаграммы над линией средней тангенциальной силы, (мм2); - масштаб площади (МПа м/мм2)

-масштаб давлений, МПа/мм; -масштаб пути, пройденного кривошипом за угол поворота, м/мм

(м/мм) (2.12)

После подстановки получаем:

()

Подставив величину Аизб и задавшись степенью неравномерности хода дн, определяют момент инерции вращающихся и поступательно движущихся масс

(Нмс2) (2.13)

Где щср=рnн/30 - средняя угловая скорость вращения коленчатого вала, с-1

Момент инерции необходимого маховика (кг/м2):

(кг/м2) (2.14)

Средний диаметр маховика принимают по формуле (м):

(2.15)

где S - ход поршня, (м).

(м)

Масса маховика (кг):

(кг) (2.16)

Литература

1. Карташевич А.Н., Рудашко А.А., Кузьмич И. Д., Тепловой и динамический расчеты двигателей. Методические указания по курсовому проектированию. Горки, 2004, 28 с.

2. Николаенко А.В. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей. М.: Колос, 1984, 335 с.

3. Желязко Б. Е. Основы теории и динамика автомобильных и тракторных двигателей. Мн.: Высшая школа, 1980. 400с.

Размещено на Allbest.ru

...