Размещено на http: //www. allbest. ru/

Министерство образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Курганский государственный университет»

(КГУ)

Кафедра «Автомобильный транспорт и автосервис»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Основы теории и динамики автомобильных и тракторных двигателей»

Расчет показателей четырехтактного рядного двигателя с искровым зажиганием без наддува

Курган 2018

Содержание

• 1. Исходные данные
• 2. Определение основных показателей двигателя
• 2.1 Индикаторные показатели
• 2.2 Эффективные показатели
• 3. Построение индикаторной диаграммы
• 4. Динамический расчет
• 4.1 Сила давления газов
• 4.2 Силы инерции
• 4.3 Суммарные силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме
• 4.4 Крутящий момент двигателя
• 5. Анализ уравновешенности двигателя
• Список литературы

1. Исходные данные

Исходные данные для расчета представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Четырехтактный рядный двигатель с искровым зажиганием без наддува
Наименование	Обозначение	Величина	Размерность
Диаметр цилиндра	D	0,096	м
Ход поршня	S	0,087	м
Число цилиндров	i	4	-
Частота вращения	nN	3400	мин-1
Степень сжатия	е	8,5	-
Давление конца впуска	Ра	0,091	МПа
Давление конца сжатия	Рс	1,37	МПа
Давление конца сгорания	Рz	5,53	МПа
Давление конца расширения	Рв	0,43	МПа
Давление остаточных газов	Рr	0,11	МПа

2. Определение основных показателей двигателя

2.1 Индикаторные показатели

Расчет основных показателей двигателя производится для режима максимальной мощности.

На основании данных задания определяются основные параметры двигателя.

Рабочий объем цилиндра Vh, л,

. (2.1)

л.

Объем камеры сгорания Vc, л,

Vc = Vh/(-1). (2.2)

Vc = 0,63/(8,5 - 1) = 0,084 л.

Полный объем цилиндра Va, л,

Va = Vh + Vc. (2.3)

Va = 0,63+0,084= 0,714 л.

Рабочий объем (литраж) двигателя Vл, л,

Vл = Vhi. (2.4)

Vл = 0,634 = 2,52 л.

Расчетное среднее индикаторное давление , МПа,

- бензиновый двигатель

(2.5)

дизель

, (2.5)

где - степень последующего расширения =/;

1 - степень повышения давления 1 = РZ/РC = 7,78/1,97 = 3,947

n1, n2 - показатели политроп сжатия и расширения.

Средние значения показателей политроп определяются как:

. (2.8)

 МПа.

Среднее индикаторное давление Pi, МПа,

(2.9)

где п - коэффициент полноты индикаторной диаграммы (п = 0,92-0,97; при этом большее значение для бензиновых двигателей).

МПа.

Индикаторная мощность Ni, кВт,

(2.10)

где - коэффициент тактности двигателя. (для четырехтактных = 4).

кВт.

Индикаторный кпд цикла i

i = (2.11)

где lo - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания I кг топлива, кг/кг (lo = 14,95 для бензинов и lo = 14,45 для дизельных топлив);

Hu - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг; (Hu = 44 для бензинов и Hu = 42,5 для дизельных топлив);

- коэффициент избытка воздуха; ( = 0,85-0,96 для бензиновых карбюраторных двигателей; =1,3-1,7 для дизелей без наддува; =1,5-2,2 для дизелей с наддувом);

v - коэффициент наполнения;

к - плотность заряда на впуске, кг/м3.

к = Рк 106/(RBTK), (2.12)

где Рк - давление наддува (для двигателей без наддува Рк = Ро), МПа;

Температура Тк, К, воздуха на входе в двигатель,

Тк = То , (2.13)

где Ро, То - давление (МПа) и температура (К) окружающей среды (Р0=0,1 МПа; Т0=273+(10...20),К);

RB = 287 Дж/(кгград.) - удельная газовая постоянная воздуха.

Тк = 293 = 293 К.

к = 0,1·106/(287·293) = 1,189 кг/м3.

Коэффициент наполнения v определяется по выражению:

(2.14)

где доз - коэффициент дозарядки (доз = 1,02-1,15, при этом большее значение для высокооборотных двигателей);

Т - подогрев свежего заряда, К (Т = 0-25 для бензиновых карбюраторных двигателей и Т = 20-40 для дизелей);

r - коэффициент остаточных газов;

Тr - температура остаточных газов, К (Тr = 900-1100 для бензиновых двигателей и Тr = 700-900 для дизелей).

Коэффициент остаточных газов r

r = (2.15)

r = ,

,

i = .

Удельный индикаторный расход топлива gi, г/кВтч,

gi = (2.16)

gi = г/кВтч.

2.2 Эффективные показатели

Среднее эффективное давление Ре, МПа,

Ре = Рi - Рм, (2.17)

где Рм - среднее давление механических потерь, МПа, определяемое в зависимости от средней скорости поршня по выражению,

Рм = а + b Vп.ср, (2.18)

где а, b - постоянные для данного типа двигателя коэффициенты.

Выражение 2.18 имеет вид:

для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением S/D1: Рм = 0,049 + 0,0152 Vп.ср;

для бензиновых восьмицилиндровых двигателей с отношением S/D1: Рм = 0,039 + 0,0132 Vп.ср;

для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением S/D1:

Рм = 0,034 + 0,0113 Vп.ср;

для четырехтактных дизелей с неразделенными камерами сгорания: Рм = 0,089 + 0,0118 Vп.ср;

Средняя скорость поршня Vп.ср, м/с,

Vп.ср= SnN/30, (2.19)

где S - ход поршня, м.

Vп.ср= 0,087·3400/30 =9,86 м/с,

Рм = 0,039 + 0,0132·9,86 = 0,169 МПа,

Ре = 1,152 - 0,169 = 0,983 МПа.

Эффективная мощность двигателя Nе, кВт,

Nе = . (2.20)

кВт.

Литровая мощность двигателя Nл, кВт/л,

Nл = . (2.21)

кВт/л.

Эффективный крутящий момент двигателя Ме, Нм,

Ме = . (2.22)

Ме = .

Эффективный кпд двигателя

е = i м, (2.23)

где м - механический кпд, определяемый по формуле

м = Ре/Рi. (2.24)

м = 0,983/1,152 = 0,853,

е = 0,269·0,853 = 0,229.

Удельный эффективный расход топлива gе, г/кВтч

gе = gi/м. (2.25)

gе = 304,157/0,853 = 356,573 г/кВтч.

Часовой расход топлива Gт, кг/ч

Gт = gе Nе/1000. (2.26)

Gт = 356,573·70,186/1000 = 25,027 кг/ч.

3. Построение индикаторной диаграммы

На основании данных задания производится построение индикаторной диаграммы действительного цикла двигателя.

При построении диаграммы ее масштабы рекомендуется выбирать с таким расчетом, чтобы получить высоту равной 1,2-1,7 ее основания. Отрезок АВ, соответствующий рабочему объему цилиндра, рекомендуется выбирать равным ходу поршня в масштабе 1:1; 1,5:1 или 2:1. Масштаб давлений рекомендуется выбирать 0,02; 0,025; 0,04; 0,05; 0,07-0,1 МПа/мм.

Отрезок ОА, соответствующий объему камеры сгорания

ОА = АВ/( - 1) мм,

отрезок Z'Z для дизелей

Z'Z = ОА( - 1).

Затем на диаграмме наносятся давления в характерных точках Ра, Рс, Рz, Рb, Рr.

Построение политроп сжатия и расширения производится аналитическим или графическим методами.

При аналитическом методе необходимо определить ординаты промежуточных расчетных точек по уравнению политропы:

- сжатия РVn1 = const;

- расширения РV n2 = const.

Для политропы сжатия РxVxn1 = РаVаn1, откуда

Рx = Ра (Vа/Vx)n1, (3.1)

где Рx, Vx - давление и объем в искомой промежуточной точке.

Отношение Va/Vx изменяется в пределах I-.

Аналогично для политропы расширения

Рx = Рb (Vb/Vx)n2. (3.2)

Отношение Vb/Vx изменяется для бензинового двигателя в интервале I- , для дизелей - I-.

Для получения действительной индикаторной диаграммы а'а”c'fzдb'b”ra (скругление индикаторной диаграммы) производится выбор:

- фаз газораспределения (точке a' соответствует открытие впускного клапана Н.ВП. = 10-30 град. до в.м.т.; точке a” - закрытие его К.ВП. = 35-85 град. после н.м.т.; точке b' - открытие выпускного клапана Н.ВЫП. = 40-70 град. до н.м.т.; точке r' - закрытие выпускного клапана К.ВЫП. = 10-50 град после в.м.т.);

- угла опережения (угол опережения зажигания в двигателе с искровым зажиганием ОП.З = 5-25 град. до в.м.т., большее значение при повышенной степени сжатия; угол опережения впрыска в дизеле ОП.В = 20-35 град. до в.м.т.) - точка c';

- периода задержки воспламенения (задержка воспламенения в двигателе с искровым зажиганием составляет 1 = 5-18 град., а в дизеле 1 = 8-12 град.; отрезок

c'f = (ОП.З - 1)

для бензиновых или

c'f = (ОП.В - 1))

 для дизелей;

- значения давления в верхней мертвой точке процесса сжатия PС" = (1,15-1,25) РС;

- значения действительного максимального давления сгорания

РZД=0,85РZ

для бензиновых

двигатель шатунный инерция вал

РZД=РZ

для дизелей

Для определения местоположения указанных точек устанавливается связь между углом поворота коленчатого вала и перемещением поршня

АХ = АВ/2[(1-cos) + /4 (1-cos2)], (3.3)

где - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна =0,25-0,3.

Масштабы диаграммы: масштаб хода поршня Ms = 1 мм в мм; масштаб давлений Мр = 0,05 МПа в мм.

Приведенные величины, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:

АВ = S/MS = 87/1,0 = 87 мм;

ОА = АВ/(е-1) = 87/(8,5-1) = 11,6 мм.

Ординаты характерных точек:

Ра/Мр =0,091/0,05 = 1,82 мм;

рr/Мр =0,11/0,05 =2,2 мм;

р0/Мр =0,1/0,05 =2 мм;

Рzd =0,85·5,53 = 4,7 МПа;

Рzd/Мр =4,7/0,05 = 94 мм;

Рс =1,2·1,37 = 1,644 МПа;

Рс/Мр =1,644/0,05 = 32,88 мм.

Результаты расчета точек политроп приведены в таблице 3.

Таблица 3.1 Результаты расчета точек политроп

Политропа сжатия	Политропа расширения
Va/Vx	Vx,л	Рx,МПа	Vx,мм	Рx,мм	Vb/Vx	Vx,л	Рx,МПа	Vx,мм	Рx,мм
1	0,714	0,091	98,6	1,82	1	0,714	0,43	98,6	8,6
2	0,357	0,219	49,3	4,38	2	0,357	0,983	49,3	19,66
3	0,238	0,366	32,87	7,32	3	0,238	1,596	32,87	31,92
4	0,179	0,527	24,65	10,54	4	0,179	2,249	24,65	44,98
5	0,143	0,699	19,72	13,98	5	0,143	2,936	19,72	58,72
6	0,119	0,881	16,43	17,62	6	0,119	3,649	16,43	72,98
7	0,102	1,071	14,09	21,42	7	0,102	4,386	14,09	87,72
8	0,089	1,269	12,33	25,38	8	0,089	5,144	12,33	102,88
8,5	0,084	1,37	11,6	27,4	8,5	0,084	5,53	11,6	110,6

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения зажигания определяют положение точек ь',r', а', а", с', f по формуле (3.3).

Таблица 3.2 Положение точек диаграммы

Обозначение точек	Положение точек	°	(1-cos ) +/4(1- cos 2 )	Расстояние точек от в.м.т. (АХ), мм
ь'	50° до н. м. т.	130	1,716	74,65
а'	20° до в. м. т.	20	0,075	3,26
r'	30° после в. м. т.	30	0,165	7,18
а"	60° после н. м. т.	120	1,594	69,34
с'	30° до в. м. т.	30	0,165	7,18
f	20° до в. м. т.	20	0,075	3,26

Соединяя плавными кривыми точки, получим скругленную действительную индикаторную диаграмму.

4. Динамический расчет

На рисунке 4.1 приведены схемы сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме двигателя.

Рисунок 4.1 Схемы сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме

4.1 Сила давления газов

Силу давления газов на поршень Рг, Н, определяют по формуле

Рг = (р - ро)Fп 103= рг Fn106, (4.1)

где р - текущее давление газов в цилиндре в любой момент времени, МПа;

Fп - площадь поршня, м2,

= рD2/4,

Зависимость силы давления газов, действующей на поршень, от угла поворота коленчатого вала определяют по индикаторной диаграмме, построенной на основании теплового расчета. Перестроение (развертывание) индикаторной диаграммы в координаты р - осуществляется графическим методом (метод Брикса).

Под индикаторной диаграммой строят вспомогательную полуокружность радиусом R=S/2. Далее от центра полуокружности (точка 0) в сторону н.м.т. откладывают поправку Брикса, равную R/2. Полуокружность делят лучами из центра 0 на несколько частей (интервал между точками на развернутой диаграмме рекомендуется брать равным 30о), а из центра Брикса (точка 0') проводят линии, параллельные этим лучам. Из этих точек проводят вертикальные линии до пересечения с линиями индикаторной диаграммы, и полученные величины давления откладывают на вертикали соответствующих углов . Развертку индикаторной диаграммы обычно начинают от в.м.т. в процессе хода впуска. Нулевая отметка шкалы сил (удельных давлений) располагается на уровне величины ро.

4.2 Силы инерции

Сила инерции Рj, Н, от возвратно-поступательно движущихся масс

Pj = - mjj= - mjR2(cos + cos 2 ), (4.2)

где mj - возвратно-поступательно движущиеся массы, кг;

R - радиус кривошипа, м;

- угловая скорость вращения коленчатого вала,с-1.

Центробежные силы инерции определяют по формулам:

силы инерции KRш, Н, вращающихся масс шатуна

KRш = -mшкR2; (4.3)

силы инерции KRк, Н, вращающихся масс кривошипа

KRк = -mкR2; (4.4)

- суммарные центробежные силы инерции вращающихся масс, Н,

KR = -mRR2. (4.5)

Система сосредоточенных масс, динамически эквивалентная кривошипно-шатунному механизму, состоит из массы

mj=mп+mшп,

совершающей возвратно-поступательное движение, и массы mR, совершающей вращательное движение. Для рядного двигателя

mR=mк+mшк,

для V-образного со сдвоенным кривошипно-шатунным механизмом

mR=mк+2mшк (mшп=0,275 mш, mшк=0,725 mш).

Для приближенного определения значений mп, mш и mк можно использовать конструктивные массы, отнесенные к площади поршня, m'= m/Fп , приведенные в таблице 4.1.

Принимаем :

масса поршневой группы (для поршня из алюминиевого сплава принято m'п = 100 кг/м2)

mп = m'пFп = 100·0,007238 = 0,724 кг;

масса шатуна (для стального кованого шатуна принято m'ш =150 кг/м2)

mш = m'ш Fп= 150·0,007238 = 1,086 кг;

масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов (для литого чугунного вала принято m'к = 180 кг/м2)

mк = m'кFn = 180·0,007238= 1,303 кг.

Масса шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца:

mшn = 0,275mш = 0,275·1,086 = 0,299 кг.

Масса шатуна, сосредоточенная на оси кривошипа:

mшк = 0,725mш = 0,725·1,086 = 0,787 кг.

Массы, совершающие возвратно-поступательное движение:

mj = mn + mшn = 0,724 + 0,299 = 1,023 кг.

Массы, совершающие вращательное движение:

mR = mк + mшк =1,303 + 0,787 = 2,09 кг.

угловая скорость:

=n/30=3,143400/30=356,047 рад/с;

R - радиус кривошипа,

R=S/2=0,087/2=0,0435 м.

Таблица 4.1 Конструктивные массы

Элементы кривошипно-шатунного механизма	Конструктивные массы, кг/м2
	Бензиновые двигатели	Дизели
Поршневая группа (mп'=mп/Fп): алюминиевый поршень чугунный поршень	80 - 150 150 - 250	150 - 300 250 - 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 чугунный литой вал с полыми шейками	150 - 200 100 - 200	200 - 400 150 - 300

4.3 Суммарные силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме

Суммарная сила Р,Н, действующая на поршень,

Р = Рг + Рj, (4.6)

Боковая сила N, Н, действующая перпендикулярно оси цилиндра,

N = P tg, (4.7)

где - угол отклонения оси шатуна от оси цилиндра.

Сила К, Н, направленная по радиусу кривошипа,

К = Рcos( + )/cos, (4.8)

Тангенциальная сила Т, Н,

Т = Рsin( + )/cos, (4.9)

По результатам вычислений строятся графики изменения сил Рг, Рj, Р, N, Т в зависимости от угла поворота кривошипа.

4.4 Крутящий момент двигателя

Текущее значение крутящего момента Мкр, Нм одного цилиндра определяют по формуле

Мкр=TR, (4.10)

где Т -тангенциальная сила, Н;

R - радиус кривошипа, м.

Результаты расчета сил и крутящего момента представляют в таблице 4.2.

Таблица 4.2 Результаты динамического расчета

, град	Pг, Мпа	Pг, кН	Pj, кН	P, кН	N, кН	T, кН	K, кН	Мкр, Нм
0	0,010	0,072	-7,221	-7,148	0,000	0,000	-7,148	0
30	-0,009	-0,065	-5,675	-5,740	-0,812	-3,573	-4,566	-155
60	-0,009	-0,065	-2,031	-2,096	-0,524	-2,077	-0,594	-90
90	-0,009	-0,065	1,580	1,514	0,442	1,514	-0,442	66
120	-0,009	-0,065	3,610	3,545	0,886	2,627	-2,540	114
150	-0,009	-0,065	4,096	4,031	0,570	1,522	-3,776	66
180	-0,009	-0,065	4,062	3,997	0,000	0,000	-3,997	0
210	0,096	0,697	4,096	4,793	-0,678	-1,809	-4,489	-79
240	0,116	0,840	3,610	4,450	-1,112	-3,298	-3,188	-143
270	0,167	1,206	1,580	2,785	-0,812	-2,785	-0,812	-121
300	0,305	2,211	-2,031	0,180	-0,045	-0,178	0,051	-8
330	0,735	5,323	-5,675	-0,352	0,050	0,219	-0,280	10
360	1,544	11,175	-7,221	3,955	0,000	0,000	3,955	0
370	4,605	33,331	-7,040	26,291	1,280	5,826	25,669	253
390	3,076	22,263	-5,675	16,588	2,345	10,325	13,193	449
420	1,345	9,733	-2,031	7,702	1,925	7,632	2,184	332
450	0,760	5,499	1,580	7,078	2,065	7,078	-2,065	308
480	0,540	3,911	3,610	7,522	1,880	5,574	-5,389	242
510	0,454	3,283	4,096	7,378	1,043	2,786	-6,911	121
540	0,161	1,162	4,062	5,223	0,000	0,000	-5,223	0
570	0,010	0,072	4,096	4,168	-0,589	-1,574	-3,904	-68
600	0,010	0,072	3,610	3,683	-0,921	-2,729	-2,639	-119
630	0,010	0,072	1,580	1,652	-0,482	-1,652	-0,482	-72
660	0,010	0,072	-2,031	-1,958	0,490	1,941	-0,555	84
690	0,010	0,072	-5,675	-5,603	0,792	3,488	-4,456	152
720	0,010	0,072	-7,221	-7,148	0,000	0,000	-7,148	0

Суммирование значений крутящих моментов всех цилиндров двигателя производится табличным или графическим методами. При применении табличного метода значения крутящих моментов одного цилиндра и двигателя сводятся в таблицу 4.3. При этом крутящий момент двигателя Мкр, Нм, определяется как сумма

, (4.11)

где j - порядковый номер цилиндра;

i - число цилиндров;

= 720/i -периодичность следования рабочих ходов в цилиндрах четырехтактного двигателя;

, - крутящий момент j-го цилиндра при угле поворота .

Таблица 4.3 Крутящий момент двигателя

°	Цилиндры	Мкр Нм
	1-й	2-й	3-й	4-й
	кривошипа	Мкр.ц Нм	кривошипа	Мкр.ц Нм	кривошипа	Мкр.ц Нм	кривошипа	Мкр.ц Нм
0	0	0	180	0	360	0	540	0	0
30	30	-155	210	-79	390	449	570	-68	147
60	60	-90	240	-143	420	332	600	-119	-21
90	90	66	270	-121	450	308	630	-72	181
120	120	114	300	-8	480	242	66O	84	433
150	150	66	330	10	510	121	690	152	349
180	180	0	360	0	540	0	720	0	0

Зависимость крутящего момента от угла поворота коленчатого вала показана на рисунке 3г.

Среднее значение суммарного крутящего момента Мкрср, Нм, определяется по формуле

Мкрср = (F1-F2)mM/ОА, (4.12)

где F1 и F2 - соответственно положительная и отрицательная площади, заключенные между кривой Мкр и линией ОА, мм2;

mM - масштаб моментов, Нм/мм;

ОА - длина интервала между вспышками на диаграмме, мм.

F1=9420 мм2; F2=47 мм2.

mм - масштаб момента, Нм/мм, mм=2 Нм/мм;

ОА - длина интервала между вспышками на диаграмме, мм, (ОА=90мм).

Мкр..ср=(9420 - 47) ·2/90=208,29 Нм;

Средний крутящий момент двигателя по данным расчета 2.22

Мкр.ср = Мi = Ме/зм = 197,126/0,853 = 231,1 Нм;

ошибка = 100 = 9,87%.

Максимальный и минимальный крутящие моменты

Мкр max = 433 Нм; Мкр min = - 21 Нм.

5. Анализ уравновешенности двигателя

После определения сил, действующих на детали кривошипно-шатунного механизма, производим анализ уравновешенности двигателя. Для этой цели приводим конструктивную схему с указанием действующих сил и моментов (рисунок 5.1).

Порядок работы:1-3-4-2.

Чередование вспышек: 180о… 180о…

Коленчатый вал двигателя имеет кривошипы, расположенные под углом 180.

Рисунок 5.1 Схема сил инерции, действующих в четырёхцилиндровом рядном двигателе

В двигателях рассматриваемого типа силы инерции от возвратно - поступательно движущихся масс первого порядка и их моменты при указанном расположении кривошипов взаимно уравновешиваются: УPj1=0 и УMj1=0. Силы инерции возвратно - поступательно движущихся масс второго порядка для всех цилиндров равны и направлены в одну сторону. Их равнодействующая:

УPj II=4Pj II=4mjRщ2лcos2ц. (5.1)

Силы инерции второго порядка можно уравновесить лишь с помощью дополнительных валов с установленными на них противовесами, вращающимися с двойной угловой скоростью в противоположных направлениях. Суммарный момент этих сил равен нулю: УMjII=0.

Центробежные силы инерции для всех цилиндров равны и направлены попарно в разные стороны. Равнодействующая этих сил и момент равны нулю: УKR=0 и УMR=0.

Список литературы

1. Колчин А.И. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей. : Учеб. пособие для вузов/ А. И. Колчин, В.П. Демидов- 3-е изд. перераб. и доп.- М.: Высшая школа, 2002.- 496с.

2. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей. : Учеб. пособие для вузов.- 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1980.-400с.

3. Глазырин А. В., Дик И. И. Методическое указание к выполнению курсовой работы. - КГУ, 2008.-16с.

Приложене 1



Размещено на Allbest.ru

...