Двигатели внутреннего сгорания

• Содержание
• 1. Описание процессов, происходящих в одном цикле ДВС

2. Расчет параметров одного цикла и построение индикаторной диаграммы ДВС

3. Расчет и построение внешней характеристики ДВС

4. Построение диаграммы фаз газораспределения

5. Проектирование кривошипно-шатунного механизма

6. Определение основных параметров ДВС

7. Тепловой баланс двигателя Список литературы

1. Описание процессов, происходящих в одном цикле ДВС

Рассмотрим действительный цикл работы четырехтактного дизельного двигателя по мере происходящих в нем процессов.

Процесс впуска

Первый такт — впуск горючей смеси.

Во время такта впуска (рис. 1, а), когда поршень 1 движется от В.М.Т. к Н.М.Т., а впускной клапан 3 открыт, в цилиндр 2 поступает атмосферный воздух, который, нагреваясь в процессе сжатия, воспламеняет топливо, впрыскиваемое в конце такта сжатия. Гидравлическое сопротивление впускного трубопровода повышает давление воздуха в конце такта впуска до 0,08 МПа. Температура воздуха в цилиндре составляет 50−80° С.

Процесс сжатия

Второй такт — сжатие смеси.

Во время такта сжатия (рисунок 1, б), когда впускной 3 и выпускной 5 клапаны закрыты, температура, и давление воздуха в цилиндре значительно возрастают. Вследствие высокой степени сжатия (е=7,8) давление и температура воздуха достигают значений 3,419МПа и 600 °C соответственно. В конце такта в цилиндр через форсунку 4 (рисунок, 1, в) впрыскивается топливо. В зависимости от формы камеры сгорания и типа форсунки давление впрыска находится в пределах 8…40 МПа.

Процесс сгорания и расширения

Третий такт — расширение, или рабочий ход.

Впрыснутое распыленное топливо, перемешиваясь со сжатым воздухом, самовоспламеняется и сгорает. При этом температура газов к концу сгорания повышается до 1600 °C, а давление до 7,864МПа. В конце такта расширения температура снижается до 700…1000⁰С, а давление до 0,677МПа. Под давлением газов, образующихся в результате сгорания топливовоздушной смеси, поршень перемещается от В.М.Т. к Н.М.Т., совершая механическую работу (рисунок 1, в).

Процесс выпуска

Четвертый такт — выпуск отработавших газов.

Продукты сгорания выходят из цилиндра в атмосферу (рисунок 1, г). Температура выпуска равна 600…700 °С, а давление газов — 0,125МПа.

2. Расчет параметров одного цикла и построение индикаторной диаграммы ДВС

Объем камеры сгорания:

V_c = 1 (в условных единицах). (1)

Полный объем:

V_a = V_c, (2)

где — степень сжатия;

V_a = 81 = 8.

Показатель политропы сжатия:

n₁ =1,41 — 100/n_e, (3)

где n_e — номинальная частота вращения коленвала, об./мин;

n₁= 1,41 — 100/4500 = 1,39

Давление в конце такта сжатия, МПа:

p_c = p_a ^n1, (4)

где p_a — давление при впуске, МПа;

p_c = 0,098 ^1,39 = 1,62 МПа Промежуточные точки политропы сжатия (табл. 1):

p_x = (V_a / V_x) ⁿ¹ p_a, (5)

При p_x = (8 / 1) ^1,39 0,09=1,62 МПа Таблица 1. Значения политропы сжатия

Давление в конце такта сгорания, МПа:

p_z = p_c, (6)

где — степень повышения давления;

p_z = 3,8 1,62 = 6,16 МПа Показатель политропы расширения:

n₂ =1,22 — 130/n_e, (7)

n₂ = 1,22 — 130/4500 = 1,19

Давление в конце такта расширения:

p_b = p_z / ⁿ²_, (8)

p_b= 6,16/8^1,19= 0,52 МПа Промежуточные точки политропы расширения (табл. 2):

p_x = (V_b / V_x) ⁿ² p_b. (9)

При p_x = (8 / 1) ^1,19 0,52= 6,16 МПа Таблица 2. Значения политропы расширения

Среднее теоретическое индикаторное давление, МПа:

(10)

МПа.

Среднее давление механических потерь, МПа:

(11)

где — средняя скорость поршня в цикле. Предварительно =.

МПа Действительное индикаторное давление, МПа, с учетом коэффициента скругления диаграммы =0,95:

(12)

где — давление выхлопных газов, МПа.

МПа Среднее эффективное давление цикла:

(13)

МПа Полученные расчетом данные используем для построения индикаторной диаграммы (рисунок 2).

3. Расчет и построение внешней характеристики ДВС

Мощность P_e, кВт_:

(14)

n_ei — текущие (принимаемые) значения частоты вращения коленчатого вала;

n_p — номинальная частота вращения.

Вращающий момент, Н•м:

(15)

Удельный расход, гр/кВт•ч:

(16)

Массовый расход, кг•ч:

(17)

Полученные расчетом значения сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Зависимость мощности P_e, вращающего момента Т_е, удельного расхода g_e и массового расхода G_e от частоты вращения коленвала n_e.

Графическая зависимость мощности P_e, вращающего момента Т_е, удельного расхода g_e и массового расхода G_e от частоты вращения коленвала n_e отображена на рисунке 4.

4. Построение диаграммы фаз газораспределения

Радиус кривошипа коленвала, м:

r = S / 2, (18)

r = 0,083/2 = 0,0415 м

4.2 Отрезок ОО₁ (см. диаграмму фаз газораспределения, рис. 3):

(19)

где r — радиус кривошипа в масштабе индикаторной диаграммы (r=55 мм)

— коэффициент;

(20)

l_ш — длина шатуна, м;

r — радиус кривошипа (r = 0,0415 м). Принимаем:

l_ш = 4r; (21)

Отсюда, мм, (22)

Угол впрыска:

Полученные расчетом данные используем для построения диаграммы фаз газораспределения (рисунок 3) и ее связи с индикаторной диаграммой (рисунок 2).

5. Проектирование кривошипно-шатунного механизма

Рабочий объем цилиндра, л:

(23)

где — тактность двигателя (= 4);

P_е — заданная мощность двигателя, кВт;

i — заданное число цилиндров,

5.2 Рабочий объем, м³:

(24)

где D — диаметр поршня, м:

(25)

S — неизвестный ход поршня, м.

Зная отношение S/D=0,9, определим:

м;

Принимаем 92 мм. Тогда мм.

5.3 Средняя скорость поршня, м/с:

(26)

м/с < 13 м/с = []

Здесь [] - максимальная допускаемая скорость поршня.

Таблица 4. Параметры бензинового ДВС

При известном диаметре поршня его остальные основные размеры определяются из эмпирических соотношений. Результаты расчетов приведены в таблице 4.

Обозначения, принятые в таблице 4:

d — диаметр поршня;

d_п — диаметр пальца;

d_в — внутренний диаметр пальца;

l_п — длина пальца;

l₂ — расстояние между внутренними торцами бобышек;

— толщина днища поршня;

d — внешний диаметр внутреннего торца бобышек;

с₁ — расстояние от днища поршня до первой канавки под поршневое кольцо;

е₁ — толщина стенки головки поршня;

h — расстояние от днища поршня до центра отверстия под палец;

b_к — глубина канавки под поршневое кольцо;

L — расстояние от торца юбки поршня до канавки под кольцо головки поршня;

H — высота поршня;

_ю — минимальная толщина направляющей части поршня;

d_ш — диаметр шатунной шейки;

d_к — диаметр коренной шейки коленвала;

l_шат — длина шатунной шейки;

l_к — длина коренной шейки коленвала.

Полученные расчетом параметры используем для проектирования кривошипно-шатунного механизма (рисунок 5).

6. Определение основных параметров ДВС

Крутящий момент, Н•м:

(27)

Литровая мощность, кВт/л:

(28)

Удельная поршневая мощность, кВт/дм²:

(29)

Механический КПД:

(30)

Индикаторный КПД:

(31)

где — коэффициент избытка воздуха (= 0,9)

= 14.96 (для бензиновых двигателей)

— низшая теплота сгорания топлива, ккал/кг. = 44

— плотность топливо — воздушной смеси, кг/м³. =1,22

= 0,7

Эффективный КПД:

(32)

Удельный расход, г/кВт•ч:

(33)

Массовый расход, г•ч:

(34)

Перемещение поршня Зависимость перемещения поршня от угла поворота коленчатого вала определяется по формуле:

(35)

Строим график перемещения поршня из условия =0,25, угол поворота коленчатого вала 0−360⁰ с шагом 30⁰.

Скорость поршня Зависимость скорости поршня от угла поворота коленчатого вала определяется по формуле:

(36)

Строим график скорости поршня из условия =0,25, угол поворота коленчатого вала 0−360⁰ с шагом 30⁰.

Ускорение поршня Зависимость скорости поршня от угла поворота коленчатого вала определяется по формуле:

(37)

Строим график ускорения поршня из условия =0,25, угол поворота коленчатого вала 0−360⁰ с шагом 30⁰.

Силы, действующие в двигателе Сила инерции Сила инерции определяется по формуле:

(38)

где — угловая скорость поршня, определяемая по формуле:

(39)

где — номинальная частота вращения двигателя. =4500 об/мин.

.

— приведенная масса поршня, определяемая по формуле:

(40)

где — масса поршня, определяемая по формуле:

(41)

— масса шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца:

(42)

где — масса шатуна, определяемая по формуле:

(43)

В итоге по формуле (40) определяем приведенную массу поршня:

Значения силы инерции в зависимости от угла поворота коленчатого вала заносим в таблицу 5.

Сила давления газов Сила давления газов определяется по формуле:

(44)

где — значения давления при данном угле поворота.

— атмосферное давление. =0,1 МПа.

— площадь поршня.

Площадь поршня определим по формуле:

(45)

Значения силы давления газов в зависимости от угла поворота коленчатого вала заносим в таблицу 5.

Суммарная сила Суммарная сила определится по формуле:

(46)

Значения суммарной силы в зависимости от угла поворота коленчатого вала заносим в таблицу 5.

Таблица 5. Зависимости силы давления газов, силы инерции и суммарной силы от угла поворота коленчатого вала

Сила, направленная по радиусу кривошипа Сила, направленная по радиусу кривошипа определяется по формуле:

(47)

Строим график изменения силы К из условия =0,25, угол поворота коленчатого вала 0−720⁰ с шагом 30⁰.

Тангенциальная сила Тангенциальная сила определяется по формуле:

(48)

Строим график изменения тангенциальной силы из условия =0,25, угол поворота коленчатого вала 0−720⁰ с шагом 30⁰.

Нормальная сила Нормальная сила определяется по формуле:

(49)

троим график изменения нормальной силы из условия =0,25, угол поворота коленчатого вала 0−720⁰ с шагом 30⁰.

Сила, действующая по оси шатуна Сила, действующая по оси шатуна, определяется по формуле:

(50)

Строим график изменения силы, действующей по оси шатуна из условия =0,25, угол поворота коленчатого вала 0−720⁰ с шагом 30⁰.

Средний крутящий момент

где Т_х — значение тангенциальной силы при данном угле поворота.

Т_ср.= 163,2 Н•м, что составляет разницу с ранее посчитанным моментом (27) 2,45%.

7. Тепловой баланс двигателя

Теплота сгорания израсходованного топлива:

(51)

Эквивалентная эффективная теплота работы двигателя:

(52)

1. Сырямин Ю. Н. Двигатели внутреннего сгорания. Методические указания к выполнению расчетно-графического упражнения. Н., 1998. 13 с.

2. Сергеев В. П. Автотракторный транспорт. М., 1984. 304 с.

3. Колчин А. И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М., 1971.

4. Орлин А. И. Двигатели внутреннего сгорания. М., 1970. 384 с.

5. СТП СГУПС 01.01−2000. Курсовой и дипломный проекты. Требования к оформлению. 41 с.