Курсовая работа: Тепловой и динамический расчет двигателя
Название: Тепловой и динамический расчет двигателя Раздел: Рефераты по транспорту Тип: курсовая работа | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Содержание 1. Тепловой расчет двигателя 1.1 Выбор топлива, определение его теплоты сгорания 1.2 Определение параметров рабочего тела 1.3 Определение параметров окружающей среды и остаточных газов 1.4 Расчет параметров процесса впуска 1.5 Расчет параметров процесса сжатия 1.6 Расчет параметров процесса сгорания 1.7 Расчет параметров процесса расширения и выпуска 1.8 Определение индикаторных показателей двигателя 1.9 Определение эффективных показателей двигателя 1.10 Определение основных размеров цилиндра и параметров двигателя 1.11 Построение индикаторной диаграммы 2. Расчет и построение внешней скоростной характеристики двигателя 3. Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма 3.1 Расчет сил давления газов 3.2 Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма 3.3 Расчет сил инерции 3.4 Расчет суммарных сил, действующих в КШМ 3.5 Расчет сил, действующих на шатунную шейку коленчатого вала 3.6 Построение графиков сил, действующих в КШМ 3.7 Построение диаграммы износа шатунной шейки 3.8 Построение графика суммарного крутящего момента двигателя 1. Тепловой расчет двигателя 1.1 Выбор топлива, определение его теплоты сгорания Для бензинового двигателя в соответствии с заданной степенью сжатия определяем октановое число топлива, согласно которому производим выбор марки бензина. Задана степень сжатия: . Получили октановое число в пределах: .. Выбираем следующую марку бензина: «Регулятор-92»(АИ-92). Низшая теплота сгорания жидкого топлива: (1) где С, Н, О – массовые доли углерода, водорода и кислорода в 1 кг топлива. 1.2 Определение параметров рабочего тела Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания одного килограмма жидкого топлива: (2) где , - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания одного килограмма жидкого топлива в и соответственно. Количество свежего заряда: (3) где - коэффициент избытка воздуха; - средняя молярная масса бензина. Количество отдельных компонентов продуктов сгорания жидкого топлива : углекислого газа: ; (4) водяного пара: ; (5) кислорода: ; (6) азота: (7) Общее количество продуктов сгорания жидкого топлива: (8) 1.3 Определение параметров окружающей среды и остаточных газов При работе двигателя без наддува давление и температура окружающей среды: . Давление остаточных газов: . Температура остаточных газов: . 1.4 Расчет параметров процесса впуска Основными параметрами, характеризующими процесс впуска, являются: давление и температура заряда в конце впуска - начале сжатия, коэффициент остаточных газов , коэффициент наполнения . Давление газов в цилиндре , МПа: , (9) где - потери давления за счет сопротивления впускной системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре, МПа. Величина с учетом некоторых допущений определяется из уравнения Бернулли: , (10) где - коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра; - коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому ее сечению; - средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы (как правило, в клапане или продувочных окнах), ; - плотность заряда на впуске, . По опытным данным в современных автомобильных двигателях на номинальном режиме: ; . Принимаем: ; . Плотность заряда на впуске: , (11) где - удельная газовая постоянная воздуха. Определим : . (12) Тогда : . (13) Коэффициент остаточных газов : , (14) где - температура подогрева свежего заряда при его контакте со стенками впускного трубопровода и цилиндра; - степень сжатия. Температура подогрева свежего заряда принимаем в зависимости от типа двигателя: для бензиновых двигателей: . Тогда : . (15) Температура заряда в конце процесса впуска: . (16) Коэффициент наполнения без учета продувки и дозарядки четырехтактного двигателя: (17) 1.5 Расчет параметров процесса сжатия Рассматриваемый процесс характеризуется давлением и температурой рабочего тела в конце сжатия, показателем политропы сжатия . По опытным данным при жидкостном охлаждении величина показателя политропы для бензиновых двигателей: . Исходя из выбранного показателя политропы определим давление и температура конца процесса сжатия: ; (18) . (19) 1.6 Расчет параметров процесса сгорания Целью расчета процесса сгорания является определение температуры и давления () в конце видимого сгорания. Температуру определим путем решения уравнения сгорания: , (20) где - коэффициент использования теплоты; - теплота сгорания рабочей смеси, ; - средняя мольная теплоемкость свежего заряда при постоянном объеме, ; - средняя мольная теплоемкость продукта сгорания при постоянном объеме, ; - действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси. По опытным данным значения коэффициента для бензинового двигателя с электронным впрыском: . Теплота сгорания рабочей смеси при : (21) Средние мольные теплоемкости: свежего заряда: (22) продуктов сгорания: (23) Действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси: . (24) Подставим найденные значения в уравнение сгорания и определим : Величина теоретического давления : . (25) Величина теоретического давления : . (26) Степень повышения давления : . (27) 1.7 Расчет параметров процесса расширения и выпуска При расчете процесса расширения и выпуска необходимо определить давление и температуру рабочего тела в конце расширения, показатель политропы расширения , а также проверить точность выбора величин параметров остаточных газов. По опытным данным средние значения величины п2 при номинальной нагрузке для бензиновых двигателей: . Давление и температура конца процесса расширения: ; (28) . (29) Правильность предварительного выбора температуры остаточных газов проверим с помощью выражения: . (30) Так как расхождение между принятой и вычисленной по формуле не превышает 10% (6%), то расчет выполнен верно. 1.8 Определение индикаторных показателей двигателя Индикаторные показатели характеризуют рабочий цикл двигателя. К ним относятся: среднее индикаторное давление , индикаторная мощность , индикаторный КПД , индикаторный удельный расход топлива . Теоретическое среднее индикаторное давление: (31) Действительное среднее индикаторное давление: , (32) где - коэффициент полноты диаграммы, который принимается равным для бензиновых двигателей с электронным впрыском: . Тогда : . (33) Индикаторный КПД двигателей, работающих на жидком топливе: . (34) Индикаторный удельный расход жидкого топлива: . (35) 1.9 Определение эффективных показателей двигателя Эффективные показатели характеризуют работу двигателя в целом, т.к. кроме тепловых потерь рабочего цикла учитывают потери на преодоление различных механических сопротивлений и на совершение процессов впуска и выпуска. К эффективным показателям относятся: эффективная мощность , среднее эффективное давление ,эффективный КПД двигателя , эффективный удельный расход топлива . Потери на преодоление различных сопротивлений оценивают величиной мощности механических потерь или среднего давления механических потерь . Среднего давление механических потерь : , (36) где а, Ь - коэффициенты, значения которых устанавливаются экспериментально. Принимаем для бензинового двигателя с впрыском: ; . Средняя скорость поршня: , (37) где S - ход поршня, мм; п - номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя, . Тогда : . Величина S принимаем равной величине хода поршня двигателя, выбранного в качестве прототипа. Среднее эффективное давление: . (38) Механический КПД: . (39) Эффективный КПД двигателя: . (40) Эффективный удельный расход жидкого топлива: . (41) 1.10 Определение основных размеров цилиндра и параметров двигателя При заданных значениях эффективной мощности () и коэффициента короткоходности (S/D) определим основные конструктивные параметры двигателя (диаметр цилиндра и ход поршня). Литраж двигателя: . (42) где Т - тактность двигателя. Рабочий объем одного цилиндра: . (43) где i- число цилиндров двигателя. Диаметр цилиндра: . (44) Ход поршня: . (45) Полученные значения в и S округляем до ближайших целых чисел: . По окончательно принятым значениям в и S определим основные параметры двигателя: литраж двигателя: ; (46) эффективная мощность: ; (47) эффективный крутящий момент: ; (48) часовой расход топлива: ; (49) средняя скорость поршня: . (50) 1.11 Построение индикаторной диаграммы Построение индикаторной диаграммы ДВС производим в координатах р - V (давление - объем) или p-S (давление - ход поршня) на основании данных расчета рабочего процесса. В начале построения на оси абсцисс откладывается отрезок АВ, соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня в масштабе , который в зависимости от величины хода поршня принимаем: . Отрезок ОА, соответствующий объему камеры сгорания: . (51) Масштаб давлений принимаем: . По данным теплового расчета на диаграмме откладываем в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках: . Построение политроп сжатия и расширения осуществляем графическим методом. При построении из начала координат проводим луч ОС под произвольным углом а к оси абсцисс (), а также лучи OD и ОЕ под определенными углами и к оси ординат, равными: ; (52) . (53) Политропу расширения строим с помощью лучей ОС и ОЕ, начиная из точки z, а политропу сжатия строим с помощью лучей ОС и OD, начиная с точки с. На заключительном этапе построения наносим линии впуска и выпуска, а также производим скругления с учетом фаз газораспределения, опережения зажигания (впрыска), скорости нарастания давления в процессе сгорания. Для этого на диаграмме отмечаем положение следующих характерных точек: . Давление в конце такта сжатия: . (54) Для нанесения этих точек характерных точек на диаграмму установим взаимосвязь между углом поворота коленчатого вала и перемещением поршня. Применим для этого метод Брикса. Под индикаторной диаграммой строим вспомогательную полуокружность радиусом , равным половине хода поршня. Далее от центра полуокружности (точка ) в сторону н.м.т. откладываем поправку Брикса: . (55) где - для автомобильных двигателей: . Ориентировочные значения углов поворота коленчатого вала, определяющих положение характерных точек действительной индикаторной диаграммы: ; ; ; ; ; ; . Нанесенные на диаграмму характерные точки соединяются плавными кривыми. Рисунок 1 – Индикаторная диаграмма бензинового двигателя двигатель топливо скоростной 2. Расчет и построение внешней скоростной характеристики двигателя Построение кривых скоростной характеристики ведем в интервале частот вращения коленчатого вала: от до . Расчетные точки кривых эффективной мощности и эффективного удельного расхода топлива определим по следующим зависимостям: ; (56) , (57) где - соответственно номинальная эффективная мощность (кВт), частота вращения коленчатого вала при номинальной мощности (), удельный эффективный расход топлива при номинальной мощности () ; - соответственно эффективная мощность (кВт), удельный эффективный расход топлива (), частота вращения коленчатого вала () в искомой точке скоростной характеристики; - коэффициенты, значения которых устанавливают экспериментально. Для бензинового двигателя: ; ; ; ; . Рассчитанные точки кривых эффективной мощности и эффективного удельного расхода топлива сведем в таблицу 1. Точки кривых эффективного крутящего момента и часового расхода топлива определим по формулам: ; (58) (59) Рассчитанные точки кривых эффективного крутящего момента и часового расхода топлива сведем в таблицу 1. Таблица 1 – Значения эффективной мощности , эффективного удельного расхода топлива , эффективного крутящего момента и часового расхода топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала .
По рассчитанным значениям параметров , , , для ряда значений n производим построение внешней скоростной характеристики. Рисунок 2 – Внешняя скоростная характеристика бензинового двигателя С помощью построенной характеристики определяем максимальный эффективный крутящий момент: и минимальный эффективный удельный расход топлива: , а также коэффициент приспособляемости К: . (60) где - эффективный крутящий момент при номинальной мощности. 3. Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма 3.1 Расчет сил давления газов Силы давления газов, действующие на площадь поршня, заменяем одной силой , направленной вдоль оси цилиндра и приложенной к оси поршневого пальца. Сила определяется для ряда углов поворота коленчатого вала по действительной развернутой индикаторной диаграмме. Построение действительной развернутой индикаторной диаграммы производим в координатах . Сила давления газов, Н: , (61) где - площадь поршня, ; - атмосферное давление, МПа; - абсолютное и избыточное давление газов над поршнем в любой момент времени, МПа. Величины снимаем с развернутой индикаторной диаграммы для требуемых . Соответствующие им силы рассчитываем. Для угла поворота коленчатого вала : . , заносим в сводную таблицу 2. Кривая построена в масштабе: , масштаб этой же кривой для будет: . 3.2 Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма Для упрощения динамического расчета действительный КШМ заменяем эквивалентной системой сосредоточенных масс. Масса, сосредоточенная на оси поршневого пальца, кг: , (62) где - масса поршневой группы, кг; - часть массы шатунной группы, сосредоточенной на оси поршневого пальца, кг. Масса, сосредоточенная на оси кривошипа, кг: , (63) где - часть массы шатунной группы, сосредоточенной на оси кривошипа, кг; - часть массы кривошипа, сосредоточенной на оси кривошипа, кг. Полная масса шатунной группы, кг: . (64) Для приближенного определения значений , и можно используем конструктивные массы , т.е. массы, отнесенные к площади поршня. Поршневая группа : . Шатун : . Неуравновешенные части одного колен вала без противовесов : . Умножая конструктивные массы на площадь поршня получим искомые величины: ; (65) ; (66) . (67) Для большинства существующих автомобильных и тракторных двигателей: . (68) Тогда : . (69) Масса, сосредоточенная на оси поршневого пальца: . (70) Масса, сосредоточенная на оси кривошипа: . (71) 3.3 Расчет сил инерции Силы инерции поступательно движущихся масс , Н: . (72) , (73) где j - ускорение поршня, ; - угловая скорость вращения коленчатого вала для расчетного режима, рад/с: . (74) Центробежные силы инерции вращающихся масс : . (75) Для рядного двигателя центробежная сила инерции является результирующей двух сил: силы инерции вращающихся масс шатуна: ; (76) силы инерции вращающихся масс кривошипа: . (77) Для угла поворота коленчатого вала : ; . Силы рассчитываем для требуемых положений кривошипа (углов ) и заносим результат в таблицу 2. 3.4 Расчет суммарных сил, действующих в КШМ Суммарные силы, действующие в КШМ, определяем алгебраическим сложением сил давления газов и сил возвратно-поступательно движущихся масс: (78) Нормальная сила N (Н), действующая перпендикулярно оси цилиндра, воспринимаемая стенками цилиндра: , (79) где - угол отклонения шатуна от оси цилиндра. Сила S (Н), действующая вдоль шатуна: . (80) От действия силы S на шатунную шейку возникают две составляющие силы: сила, направленная по радиусу кривошипа: . (81) тангенциальная сила, направленная по касательной к окружности радиуса кривошипа: . (82) Для угла поворота коленчатого вала : ; ; ; ; . Рассчитываем для требуемых углов значения P, N, S, K, T и заносим в таблицу 2. 3.5 Расчет сил, действующих на шатунную шейку коленчатого вала Аналитически результирующая сила, действующая на шатунную шейку рядного двигателя, Н: , (83) где - сила, действующая на шатунную шейку по кривошипу. Для угла поворота коленчатого вала : Значения вычисляем для требуемых и заносим в таблицу 2. Таблица 2 – Результаты вычисления сил, действующих в КШМ.
3.6 Построение графиков сил, действующих в КШМ Графики изменения сил, действующих в КШМ, в зависимости от угла поворота кривошипа строим в прямоугольной системе координат по данным таблицы 2. Все графики строим в масштабе , а координатные сетки располагаем одну под другой. При этом на одной координатной сетке группируем несколько графиков: кривые и - на координатной сетке развернутой индикаторной диаграммы вместе с кривой , а кривые сил , и , -попарно. Построение графика ведем как в прямоугольной системе координат, так и в виде полярной диаграммы с базовым направлением (полярной осью) по кривошипу. При построении полярной диаграммы из точки по оси абсцисс вправо откладываются положительные силы , по оси ординат вверх - отрицательные силы . Плавная кривая, соединяющая точки с координатами ( ;) в порядке нарастания (соответствующие значения указываем рядом с точкой), является искомой диаграммой. При построении графика в прямоугольной системе координат по расчетным данным таблицы 2 минимальное и максимальное определяем по полярной диаграмме. Для определения положения среднего значения на графике площадь ограниченную графиком и осями координат разделим на длину графика: . (84) 3.7 Построение диаграммы износа шатунной шейки На основании полярной диаграммы нагрузки на шатунную шейку коленчатого вала производим построение диаграммы износа. которая дает наглядное представление о характере износа шейки по окружности и позволяет определить местоположение масляного отверстия. Для построения диаграммы износа проводим окружность, изображающую в произвольном масштабе шатунную шейку. Дальнейшее построение осуществляем в предположении, что действие каждого вектора силы распространяется на по окружности шейки в обе стороны от точки приложения силы. По диаграмме определяем угол ,определяющий положение оси масляного отверстия: Для упрощения расчета результирующих величин составляем таблицу 3, в которую заносим значения сил , действующих по каждому лучу, и их сумму. Таблица 3 – Определение суммарных сил обуславливающих характер износа шатунной шейки.
3.8 Построение графика суммарного крутящего момента двигателя Крутящий момент , развиваемый одним цилиндром двигателя в любой момент времени: . (85) Кривая изменения силы является также и кривой изменения , но в масштабе: . (86) При построении графика суммарного крутящего момента график при выбранном масштабе разбиваем на число участков, равное числу цилиндров двигателя. Все участки совмещаем на новой координатной сетке длиной Q и суммируем. Для четырехтактного двигателя: (87) По графику определяем среднее значение суммарного крутящего момента : (88) где - соответственно положительная и отрицательная площади, заключенные между кривой и линией ОА; ОА - длина интервала между вспышками на диаграмме, мм. По величине определим действительный эффективный крутящий момент , снимаемый с вала двигателя: . (89) Значение найденного в тепловом расчете двигателя: . |