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 °С 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 °С, 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:

Vc = 1 (в условных единицах). (1)

Полный объем:

Va = Vc, (2)

где - степень сжатия;

Va = 81 = 8.

Показатель политропы сжатия:

n1 =1,41 - 100/ne, (3)

где ne - номинальная частота вращения коленвала, об./мин;

n1= 1,41 - 100/4500 = 1,39

Давление в конце такта сжатия, МПа:

pc = pa n1, (4)

где pa - давление при впуске, МПа;

pc = 0,098 1,39 = 1,62 МПа

Промежуточные точки политропы сжатия (табл. 1):

px = (Va / Vx) n1 pa, (5)

При px = (8 / 1) 1,39 0,09=1,62 МПа

Таблица 1. Значения политропы сжатия

Давление в конце такта сгорания, МПа:

pz = pc, (6)

где - степень повышения давления;

pz = 3,8 1,62 = 6,16 МПа

Показатель политропы расширения:

n2 =1,22 - 130/ne, (7)

n2 = 1,22 - 130/4500 = 1,19

Давление в конце такта расширения:

pb = pz / n2, (8)

pb= 6,16/81,19= 0,52 МПа

Промежуточные точки политропы расширения (табл. 2):

px = (Vb / Vx) n2 pb. (9)

При px = (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 Pe, кВт:

, (14)

nei - текущие (принимаемые) значения частоты вращения коленчатого вала;

np - 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 Pe, вращающего момента Те, удельного расхода ge и массового расхода Ge от частоты вращения коленвала ne.

Графическая зависимость мощности Pe, вращающего момента Те, удельного расхода ge и массового расхода Ge от частоты вращения коленвала ne 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)

lш - длина шатуна, м;

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

lш = 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);

Pе - 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;

dп - диаметр пальца;

dв - внутренний диаметр пальца;

lп - 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;

bк - 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;

dш - диаметр шатунной шейки;

dк - диаметр коренной шейки коленвала;

lшат - длина шатунной шейки;

lк - 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 Тх - значение тангенциальной силы при данном угле поворота.

Тср.= 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)

Список литературы

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.