На наземном транспорте наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания. Эти двигатели отличаются компактностью, высокой экономичностью, долговечностью и применяются во всех отраслях народного хозяйства.
В настоящее время особое внимание уделяется уменьшению токсичности выбрасываемых в атмосферу вредных веществ и снижению уровня шума работы двигателей.
Специфика технологии производства двигателей и повышение требований к качеству двигателей при возрастающем объеме их производства, обусловили необходимость создания предполагаемые показатели цикла, мощность и экономичность, а также давление газов, действующих в надпоршневом пространстве цилиндра, в зависимости от угла поворота коленчатого вала. По данным расчета можно установить основные размеры двигателя (диаметр цилиндра и ход поршня) Успешное применение двигателей внутреннего сгорания, разработка опытных конструкций и повышение мощностных и экономических показателей стали возможны в значительной мере благодаря исследованиям и разработке теории рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания.
Выполнение задач по производству и эксплуатации транспортных двигателей требует от специалистов глубоких знаний рабочего процесса двигателей, знания их конструкций и расчета двигателей внутреннего сгорания.
Рассмотрение отдельных процессов в двигателях и их расчет позволяют определить и проверить на прочность его основные детали.
По заданным параметрам двигателя произвести тепловой расчет, по результатам расчета построить индикаторную диаграмму, определить основные параметры поршня и кривошипа. Разобрать динамику кривошипно-шатунного механизма. Построить график средних крутящих моментов.
Параметры двигателя:
Номинальная мощность, л.с. (кВт)
Число цилиндров, i
Расположение цилиндров
Тип двигателя
Частота вращения коленвала, об/мин-1
Степень сжатия
60 (44,1)
4
V-образное
карбюраторный
4500
7,5
1.ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ [1, с.72-94]
1.1. Выбор исходных данных
1.1.1. Топливо
Степень сжатия проектируемого двигателя e =7,5. В качестве топлива выбираем бензин марки А-76.
При неполном сгорании топлива ( a<1 ) продукты сгорания представляют собой смесь окиси углерода (СО), углекислого газа (СО2
) , водяного пара (Н2
О), свободного водорода (Н2
) , и азота (N2
) . Количество отдельных составляющих продуктов сгорания и их сумма при К=0,5 (К-постоянная зависящая от отношения количества водорода к окиси углерода, содержащихся в продуктах сгорания):
1.1.3. Параметры окружающей среды и остаточных газов
Атмосферное давление и температура окружающей среды: po
=0,101 МПа
; To
=293 К
. Температуру остаточных газов принимаем на основании опытных данных [1,с.43]:
Тr
=1040 К
; pr
=1,16*po
=1,16*0,101=0,11716 МПа
.
Давление остаточных газов Рr
можно получить на номинальном режиме:
РrN
=1,18*Р0
=0,118 Мпа
Ар
=(РrN
- Р0
*1,035) *108
/(nN2
*Р0
)=0,716
Находим давление остаточных газов Рr
:
Рr
= Р0
* (1.035+ Ар*10-8
*n2
)
Рr
=0,101* (1,035+0,716*10-8
*45002
)=0,118 МПа
1.2. Процесс впуска
Температуру подогрева свежего заряда принимаем на основании опытных данных [1,с.44]: DТ=80 C
.
Плотность заряда на впуске: ρо
= р0
*106
/(RВ
*TО
) =0,101*106
/(287*293) =1,189 кг/м3
,
где р0
=0,101 МПа
; Т0
=293 К
; RВ
- удельная газовая постоянная равная 287 Дж/(кг* град)
.
Давление заряда в конце наполнения Ра
принимаем на основании рекомендаций [1,с.44] в зависимости от средней скорости поршня Сп
=S*n/30, где S - ход поршня, n-заданная частота вращения коленвала двигателя: Сп
=0,092 *4500/30=9,51 м/с.
Принимаем ра
=0,0909 МПа
.
Коэффициент остаточных газов:
γr
=
,
где jоч
- коэффициент очистки; jдоз
-коэффициент дозарядки (без учета продувки и
дозарядки jоч
=1; jдоз
=0,95).
γr
=
=0,07.
Температура заряда в конце впуска:
Та
=(To
+DТ + γr
*Тr
)/(1+ γr
);
Та
=(293+8+0,07*1040)/(1+0,07)= 349,3 К.
Коэффициент наполнения:
;
=0,73.
1.3. Процесс сжатия
Средние показатели адиабаты сжатия при работе двигателя на номинальном режиме определяем по номограмме [1,с.48] при e =7,5 и Та
=349,3 К
: k1
=1,3775; средний показатель политропы сжатия принимаем несколько меньше k1
: n1
= k1
-0,02=1,3575.
Максимальное теоретическое давление в конце процесса сгорания:
рz
= pc
*m*Tz
/Tc
;
рz
=1,31*1,0587*2829,45 /717,85=5,4665 МПа
.
Действительное максимальное давление в конце процесса сгорания:
рzд
=0,85*рz
;
рzд
=0,85*5,4665=4,6465 МПа
.
Степень повышения давления:
l =рz
/ рс
;
l =5,4665/1,31=4,173.
1.5. Процессы расширения и выпуска
Средний показатель адиабаты расширения k2
определяем по номограмме (см. рис.29 [1,с.57]) при заданном e =7,5 для соответствующих значений Tz
и α , а средний показатель политропы расширения n2
оцениваем по величине среднего показателя адиабаты k2
=1,2511: n2
=1,251.
Давление и температура в конце процесса расширения:
pb
=pz
/ε n2
;
pb
=5,7665/7,51,251
=0,43957 МПа
.
Tb
=TZ
/ ε n2-1
;
Tb
=2829/7,51,251-1
=1706 К
.
Проверка ранее принятой температуры остаточных газов:
Теоретическое среднее индикаторное давление определяем по формуле:
МПа.
Для определения среднего индикаторного давления примем коэффициент полноты индикаторной диаграммы равным jи
=0,96 , тогда: рi
=jи
*рi’
=0,96*1,0406=1,0 МПа
.
Индикаторный к.п.д.:
hi
= pi
* l0
* a / (Ни
* r0
*hv
);
hi
= (1,0 *14,957*0,96)/(43,93*1,189*0,73) =0,3766.
Индикаторный удельный расход топлива:
gi
= 3600/( Ни
*hi
);
gi
= 3600/( 43,93*0,3766)= 218 г/(кВт* ч)
.
1.7. Эффективные показатели двигателя
Среднее давление механических потерь для карбюраторного двигателя с числом цилиндров
до 6 и отношением S/D£1:
pм
=0,034+0,0113*Vп
;
Предварительно приняв ход поршня S равным 70 мм, получим:
Vп
=S*n/3*104
Vп
=70*4500/3*104
=10,35 м/с.
pм
=0,034+0,0113*10,35=0,151 МПа
.
Среднее эффективное давление и механический к.п.д.:
pе
=pi
- pм
;
pе
=1,0-0,151=0,849 МПа
.
hм
= ре
/ рi
;
hм
=0,849/1,0=0,849.
Эффективный к.п.д. и эффективный удельный расход топлива:
hе
=hi
*hм
;
hе
=0,3766*0,849=0,3198.
ge
=3600/(Ни
*hе
);
ge
=3600/(43,93*0,3198)=256 г/(кВт* ч).
1.8. Основные параметры цилиндра и двигателя
а. Литраж двигателя: Vл
=30*t*Nе
/(ре
* n)=30*4*44,1/(0,849*4500)=1,3852 л
.
б. Рабочий объем цилиндра: Vh
=Vл
/ i =1,3852/4=0,3463 л
.
в. Диаметр цилиндра: D=2*103
√(Vh
/(π*S))=2*103
*Ö(0,3463/(3,14*70))=96,8 мм
.
Окончательно принимаем: S=70 мм и D=80 мм. Основные параметры и показатели двигателя определяются по окончательно принятым значениям S и D:
а. Литраж двигателя: Vл
=p*D2
*S*i / (4*106
) =3,14*802
*70*4/(4*106
)=1,41 л
.
б. Площадь поршня: Fп
=pD2
/ 4=3,14*802
/4=5024 мм2
=50,24 см2
.
в. Эффективная мощность: Nе
=ре
*Vл
*n/(30*t)=0,849*1,41*4500/(30*4)=44,89 кВт.
Расхождение с заданной мощностью: D=100*(Nе з
-Nе
)/ Nе з
=100*(44,1-44,89)/44,89=0,017 %.
г. Эффективный крутящий момент: Ме
=(3*104
/p)*(Ne
/n)=(3*104
/3,14)*(44,89/4500)=95,3 Н* м
.
д. Часовой расход топлива: Gт
=Ne
*ge
*10-3
=44,89*256*10-3
=11,492 кг/ч.
е. Литровая мощность двигателя: Nл
=Ne
/Vл
=44,89/1,41=31,84 кВт/л.
1.9. Построение индикаторной диаграммы
Режим двигателя: Ne
=44,89 кВт,
n=4500 об/мин.
Масштабы диаграммы: хода поршня Ms
=0,7 мм
в мм
, давлений Mp
=0,035 МПа
в мм
.
Величины, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:
АВ=S/Ms
=70/0,7=100 мм
;
ОА=АВ / (e-1)=100/(7,5-1)=15,38 мм
.
Масштабная высота диаграммы (т. Z):
Pz
/Мр
=5,4665/0,035=156,2 мм.
Ординаты характерных точек:
ра
/ Мр
=0,085/0,035=2,4 мм
;
рс
/ Мр
=1,31/0,035=37,4 мм
;
рb
/ Мр
=0,4395/0,035=12,6 мм;
рr
/ Мр
=0,118/0,035 =3,4 мм
;
ро
/ Мр
=0,1/0,035=2,9 мм
.
Построение политроп сжатия и расширения аналитическим методом:
а. Политропа сжатия: рх
=ра
*(Vа
/ Vх
)n1
. Отсюда рх
/ Мр
=(ра
/Мр
)*(ОВ/ОХ)n1 мм
,
где ОВ= ОА+АВ=15,38+100=115,38 мм
; n1
1,3575 .
б. Политропа расширения: рх
= рb
*(Vb
/ Vх
)n2
. Отсюда рх
/ Мр
=(pb
/Мр
)*(ОВ/ОХ)n2 мм
,
где ОВ=115,38; n2
=1,251.
Данные расчета точек политроп приведены в табл.1.1.
Теоретическое среднее индикаторное давление:
рi’
=F1
*Mp
/AB=2950*0,035/100=1,0325 МПа,
где F1
=2950 мм2
- площадь диаграммы aczba
на рис.1.1.
Величина рi’
=1,0325 МПа
полученная планиметрированием индикаторной диаграммы очень близка к величине рi’
=1,0406 МПа
полученной в тепловом расчете.
Таблица 1.1.
№
точек
ОХ,
мм
ОВ/ОХ
Политропа сжатия
Политропа расширения
(ОВ/ОХ)1,3575
Рх
/Мр
,
мм
Рх
,МПа
(ОВ/ОХ)1,251
Рх
/Мр
,
мм
Рх
,МПа
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15,4
16,5
17,8
19,2
21,0
23,1
25,6
28,9
33,0
38,5
46,2
57,7
76,9
115,4
7,5
7
6,5
6
5,5
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
15,41
14,04
12,69
11,39
10,12
8,89
7,70
6,57
5,48
4,44
3,47
2,56
1,73
1
37,0
33,6
30,4
27,4
24,3
21,3
18,5
15,7
13,1
10,7
8,3
6,1
4,2
2,4
1,30
(точка с)
1,18
1,06
0,96
0,85
0,75
0,65
0,55
0,46
0,37
0,29
0,21
0,15
0,08
(точка a)
12,44
11,40
10,40
9,41
8,44
7,49
6,56
5,66
4,79
3,95
3,15
2,38
1,66
1
156,5
143,6
130,6
118,8
106,2
94,3
82,9
71,2
60,3
49,7
39,6
30,0
20,9
12,6
5,48
(точка z)
5,03
4,57
4,16
3,72
3,30
2,90
2,49
2,11
1,74
1,39
1,05
0,73
0,441
Фазы газораспределения двигателя:
открытие впускного клапана (точка r’
) 10° до в.м.т.
закрытие впускного клапана (точка a’’
) 46° после н.м.т.
открытие выпускного клапана (точка b’
) 46° до н.м.т.
закрытие выпускного клапана (точка a’
) 10° после в.м.т.
угол опережения зажигания (точка c’) 35° до в.м.т.
В соответствии с фазами газораспределения и углом опережения зажигания определяем положение точек r’,a'',b',a',c' и f по формуле для перемещения поршня:
AX=
,
где l ¾ отношение радиуса кривошипа к длине шатуна (предварительно принимаем l=0,285).
Расчеты ординат точек сведены в табл. 1.2.
Таблица1.2.
Обозначе-ние точек
Положение точек
φ°
AX, мм
r’
10° до в.м.т.
10
0,0195
0,975
a'
10° после в.м.т.
10
0,0195
0,975
a''
46° после н.м.т.
134
1,7684
88,42
c'
35° до в.м.т.
35
0,2245
11,225
f
30° до в.м.т.
30
0,1655
8,275
b'
46° до н.м.т.
134
1,7684
88,42
Положение точки с’’ определяется из выражения:
pc’’
=(1,15...1,25)*pc
;
pc’’
=1,25*1,31=1,638 МПа
; pc’’
/Мp
=1,638/0,035=46,8 мм.
Действительное давление сгорания:
pzд
=0,85*рz
;
pzд
=0,85*5,4665=4,6465 МПа
.
pzд
/МP
=4,6465/0,035=132,8 мм.
1.10.Тепловой баланс
Общее количество теплоты, введенное в двигатель с топливом:
Qo
=Hи
*Gт
/3,6;
Qo
=43930*11,492/3,6=140234 Дж/с.
Теплота, эквивалентная эффективной работе:
Qе
=1000*Nе
;
Qе
=1000*44,89=44890 Дж/с.
Теплота , передаваемая охлаждающей среде:
Qв
=c* i *D1+2m
*nm
*(Hи
-DHи
)/(a*Hи
),
где c=0,5 - коэффициент пропорциональности для четырехтактного двигателя; m=0,62-показатель степени для четырехтактного двигателя; i = 4 - число цилиндров; n=4500 об/мин -
частота вращения коленвала.
Среднее эффективное давление (номинальный режим), МН/м2
Pe
0,849
0,7
12
Литровая мощность, кВт/л
Neл
31,84
25,73
13
Минимальный удельный эффективный расход топлива, г/(кВт* ч)
gemin
215
333
При сравнении показателей двигателей видно, что разрабатываемый двигатель имеет большую мощность и крутящий момент, более высокую частоту вращения коленчатого вала и более экономичен.
4.КИНЕМАТИКА И ДИНАМИКА [1, с.115-173]
4.1.Кинематический расчет двигателя
Перемещение поршня рассчитывается по формуле:
Sx
=R*
,
где R-радиус кривошипа (R=35 мм
), l - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна (l=0,285),
j - угол поворота коленчатого вала.
Расчет производится через каждые 10° угла поворота коленчатого вала.
По данным табл.4.1. строим графики зависимости перемещения, скорости и ускорения поршня от угла поворота коленчатого вала (см. рис.4.1., 4.2., 4.3.).
4.2.Динамический расчет двигателя
4.2.1.Силы давления газов
Используя метод Брикса производим развертывание индикаторной диаграммы по углу поворота коленчатого вала (рис.4.4.). Поправка Брикса: R*l/(2MS
)=35*0,285/(2*1)=4,98 мм
,
где MS
=1 мм в мм - масштаб хода поршня на индикаторной диаграмме (масштаб изменен для удобства).
Масштабы развернутой диаграммы: давлений и удельных сил MP
=0,04 МПа
в мм
; угла поворота кривошипа Мj
=2° в мм
, или Мj
’=4*p/ОВ=4*3,14/360=0,0349 рад
в мм
, где ОВ- длина развернутой индикаторной диаграммы в мм
.
По развернутой индикаторной диаграмме через каждые 30° угла поворота кривошипа (на участках резкого изменения давления интервал сокращается до 10°) определяем значение D pГ
и заносим в гр.2 сводной табл.4.2. динамического расчета.
4.2.2.Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма
По табл.21 [1,с.127] с учетом диаметра цилиндра, отношения S/D и V-образного расположения цилиндров устанавливаем:
а. масса поршневой группы (для поршня из алюминиевого сплава принято m’п
=100 кг/м2
):
mп
=m’п
*F п=100*0,005024=0,5024 кг
;
б. масса шатуна (для стального кованного шатун принято m’ш
=150 кг/м2
):
mш
= m’ш
* F п
=150*0,005024=0,7536 кг
;
в. масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов (для чугунного
литого вала принято m’к
=180 кг/м2
): mк
= m’к
* F п
=180*0,005024=0,9043 кг
.
Масса шатуна, сосредоточенная па оси поршневого пальца:
Удельная тангенциальная сила (гр.13 табл. 4.2.): pT
= p*sin(j+b)/cosb.
Полная тангенциальная сила (гр.14): T=pT
*FП
=pT
*0,0073898*103
.
Таблица 4.2.
j0
DРГ
I, м/с2
Рi
, МПа
Р, МПа
tg b
PN,
МПа
1/cosb
PS
, МПа
cosj+b/cosb
рК
, МПа
sinj+b/cosb
РТ
, МПа
Т, кН
МКР. Ц.,
Н*м
0
0,05
9977
-1,408
-1,358
0
0
1
-1,358
1
-1,358
0
0
0
0
30
-0,08
7831
-1,105
-1,185
0,143
-0,169
1,01
-1,197
0,794
-0,941
0,624
-0,739
-3,715
-130,03
60
-0,1
2776
-0,392
-0,492
0,253
-0,124
1,031
-0,507
0,281
-0,138
0,993
-0,488
-2,453
-85,86
90
-0,05
-2213
0,312
0,262
0,295
0,077
1,043
0,274
-0,285
-0,075
1
0,262
1,318
46,12
120
-0,03
-4989
0,704
0,674
0,252
0,170
1,031
0,695
-0,719
-0,485
0,74
0,499
2,506
87,70
150
-0,02
-5618
0,793
0,773
0,145
0,112
1,01
0,781
-0,938
-0,725
0,375
0,290
1,456
50,96
180
0
-5552
0,783
0,783
0
0
1
0,783
-1
0,783
0
0
0
0
210
0,05
-5618
0,793
0,843
-0,143
-0,121
1,01
0,851
-0,938
-0,791
-0,375
-0,316
-1,588
-55,57
240
0,08
-4989
0,704
0,784
-0,253
-0,198
1,031
0,808
-0,719
-0,564
-0,74
-0,580
-2,915
-102,02
270
0,1
-2213
0,312
0,412
-0,295
-0,122
1,043
0,430
-0,285
-0,118
-1
-0,412
-2,071
-72,5
300
0,2
2776
-0,392
-0,192
-0,252
0,048
1,031
-0,198
0,281
-0,054
-0,993
0,190
0,956
33,48
330
0,52
7831
-1,105
-0,585
-0,145
0,085
1,01
-0,591
0,794
-0,465
-0,624
0,365
1,834
64,2
360
1,25
9977
-1,408
-0,158
0
0
1
-0,158
1
-0,158
0
0
0
0
370
4,65
9726
-1,373
3,277
0,049
0,161
1,001
3,281
0,976
3,199
0,222
0,728
3,655
127,94
390
2,8
7831
-1,105
1,695
0,143
0,242
1,01
1,712
0,794
1,346
0,624
1,058
5,314
185,97
420
1,24
2776
-0,392
0,848
0,253
0,215
1,031
0,875
0,281
0,238
0,993
0,842
4,232
148,12
450
0,68
-2213
0,312
0,992
0,295
0,293
1,043
1,035
-0,285
-0,283
1
0,992
4,985
174,48
480
0,45
-4989
0,704
1,154
0,252
0,291
1,031
1,190
-0,719
-0,830
0,74
0,854
4,290
150,16
510
0,3
-5618
0,793
1,093
0,145
0,158
1,01
1,104
-0,938
-1,025
0,375
0,410
2,059
72,06
540
0,16
-5552
0,783
0,943
0
0
1
0,943
-1
0,943
0
0
0
0
570
0,08
-5618
0,793
0,873
-0,143
-0,125
1,01
0,882
-0,938
-0,819
-0,375
-0,327
-1,644
-57,55
600
0,05
-4989
0,704
0,754
-0,253
-0,191
1,031
0,777
-0,719
-0,542
-0,74
-0,558
-2,803
-98,11
630
0,032
-2213
0,312
0,344
-0,295
-0,102
1,043
0,359
-0,285
-0,098
-1
-0,344
-1,730
-60,54
660
0,02
2776
-0,392
-0,372
-0,252
0,094
1,031
-0,383
0,281
-0,104
-0,993
0,369
1,854
64,91
690
0,012
7831
-1,105
-1,093
-0,145
0,158
1,01
-1,104
0,794
-0,868
-0,624
0,682
3,427
119,94
720
0,005
9977
-1,408
-1,403
0
0
1
-1,403
1
-1,403
0
0
0
0
По данным табл. 4.2. строим графики изменения удельных сил pj
, p , ps
, pN
, pK
и pT
в зависимости от угла поворота коленчатого вала j (рис. 4.5., 4.6., 4.7, 4.8.).
Среднее значение тангенциальной силы за цикл:
а.
по данным теплового расчета:
Тср
=2*106
*Рi*Fп
/(p*t)=2*106
*1*0,005024/(3,14*4)=800 Н
б. по площади, заключенной между кривой РТ
и осью абцисс (рис. 4.8.):
Крутящий момент одного цилиндра (гр.15 табл.4.2.):
Мкр.ц
=Т*R=T*0,046*103Н* м.
Период изменения крутящего момента четырехтактного двигателя с равными интервалами между вспышками: θ=720/i=720/4=180°.
Суммирование значений крутящих моментов всех четырех цилиндров двигателя осуществляется табличным методом (табл. 4.3.) через каждые 30° угла поворота коленчатого вала и по полученным данным строится кривая Мкр
(рис. 4.9.).
Таблица 4.3.
j0
цилиндры
МКР
,
Н*м
1-й
2-й
3-й
4-й
j0
кривошипа
МКР. Ц.
,
Н*м
j0
кривошипа
МКР. Ц.
,
Н*м
j0
кривошипа
МКР. Ц.
,
Н*м
j0
кривошипа
МКР. Ц.
,
Н*м
0
0
0
180
0
360
0
540
0
0
30
30
-130,032
210
-55,574
390
185,974
570
-57,552
-57,2
60
60
-85,860
240
-102,017
420
148,116
600
-98,113
-137,9
90
90
46,120
270
-72,496
450
174,483
630
-60,539
87,6
120
120
87,703
300
33,477
480
150,162
660
64,907
336,2
150
150
50,958
330
64,197
510
72,059
690
119,937
307,2
180
180
0
360
0
540
0
720
0
0
Средний крутящий момент двигателя:
по данным теплового расчета:
Мкр. ср
=Мi
=Ме
/hм
=95,3/0,849=112,2 Н* м
.
по площади, заключенной под кривой Мкр
(рис.4.7.):
Результирующую силу Rш.ш
, действующую на шатунную шейку, определяем графическим сложением векторов сил Т и Рк
при построении полярной диаграммы (рис.4.10.). Масштаб сил на полярной диаграмме Мр
=0,1 кН
в мм
. Значения Rш.ш
для различных j заносим в табл.4.4. и по ним строим диаграмму RШ.Ш.
в прямоугольных координатах (рис.4.11.).