Скачать .docx |
Курсовая работа: Двигатели внутреннего сгорания 2 Цикл работы
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.
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.
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.
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…10000 С, 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).
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 = e × Vc , (2)
где e – степень сжатия;
Va = 8×1 = 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 × e n 1, (4)
где pa – давление при впуске, МПа;
pc = 0,09×8 1,39 = 1,62 МПа
Промежуточные точки политропы сжатия (табл. 1):
px = (Va / Vx ) n 1 × pa , (5)
При px = (8 / 1) 1,39 × 0,09=1,62 МПа
Таблица 1. Значения политропы сжатия
Vx |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
px , МПа |
0,62 |
0,35 |
0,24 |
0,17 |
0,13 |
0,11 |
0,09 |
Давление в конце такта сгорания, МПа:
pz = l × pc , (6)
где l – 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 / e n 2 , (8)
pb = 6,16/81,19 = 0,52 МПа
Промежуточные точки политропы расширения (табл. 2):
px = (Vb / Vx ) n 2 × pb . (9)
|
Таблица 2. Значения политропы расширения
Vx |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
px , МПа |
2,71 |
1,67 |
1,19 |
0,91 |
0,73 |
0,61 |
0,52 |
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 n=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 .
Параметр |
Отношение nei / np |
||||||
0,16 |
0,22 |
0,44 |
0,66 |
0,88 |
1 |
1,11 |
|
ne (об/мин) |
700 |
1000 |
2000 |
3000 |
4000 |
4500 |
5000 |
Pe , кВт |
13,6 |
19,33 |
41,1 |
60,6 |
73 |
75 |
73,1 |
Te , H×м |
185,5 |
186,6 |
196,2 |
192,9 |
174,3 |
159,2 |
139,6 |
ge , гр/кВт∙ч |
284,4 |
248 |
222,8 |
216,3 |
228,8 |
243,5 |
261,9 |
Ge , гр∙ч |
3868 |
4794 |
9157 |
13108 |
16702 |
18263 |
19145 |
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)
g – 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 t – тактность двигателя (t = 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
Параметр бензинового ДВС |
Значение параметра |
d = D |
d = 92 мм |
|
|
d
|
|
|
|
|
|
L= (0,8…1,1) d |
L= 1. 92 = 92 мм |
h=(0,6…1,0) d |
h = 0,7. 92 = 64 мм |
lш = (3,5…4,5) r |
lш = 4×41,5 = 166 мм |
H = (1,25…1,65) d |
H = 1,3×92 = 120 мм |
dk = (0,72…0,9) d |
dk = 0,8 × 92= 74 мм |
dш = (0,63…0,7) d |
dш = 0,65×92 = 60 мм |
lk = (0,54…0,7) dk |
lk = 0,6×74 = 44 мм |
lшат = (0,73…1,05) dш |
lшат = 1×60 = 60 мм |
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;
d – толщина днища поршня;
dd – 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;
dю – 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
Угол |
Давление, МПа |
Сила давления газов, Н |
Ускорение, м/с2 |
Сила инерции, Н |
Суммарная сила, Н |
0 |
0,125 |
165 |
11519,19 |
-11519,19 |
-11354,19 |
30 |
0,09 |
-66 |
9123,197 |
-9123,197 |
-9189,197 |
60 |
0,09 |
-66 |
3409,68 |
-3409,68 |
-3475,68 |
90 |
0,09 |
-66 |
-2303,84 |
2303,84 |
2237,84 |
120 |
0,09 |
-66 |
-5713,52 |
5713,52 |
5647,52 |
150 |
0,09 |
-66 |
-6819,36 |
6819,36 |
6753,36 |
180 |
0,09 |
-66 |
-6911,51 |
6911,51 |
6845,51 |
210 |
0,1 |
0 |
-6819,36 |
6819,36 |
6819,36 |
240 |
0,12 |
132 |
-5713,52 |
5713,52 |
5845,52 |
270 |
0,15 |
330 |
-2303,84 |
2303,84 |
2633,84 |
300 |
0,33 |
1518 |
3409,68 |
-3409,68 |
-1891,68 |
330 |
0,79 |
4554 |
9123,197 |
-9123,197 |
-4569,197 |
360 |
1,62 |
10032 |
11519,19 |
-11519,19 |
-1487,19 |
390 |
3,7 |
23760 |
9123,197 |
-9123,197 |
14636,803 |
420 |
1,6 |
9900 |
3409,68 |
-3409,68 |
6490,32 |
450 |
0,82 |
4752 |
-2303,84 |
2303,84 |
7055,84 |
480 |
0,65 |
3630 |
-5713,52 |
5713,52 |
9343,52 |
510 |
0,54 |
2904 |
-6819,36 |
6819,36 |
9723,36 |
540 |
0,44 |
2244 |
-6911,51 |
6911,51 |
9155,51 |
570 |
0,125 |
165 |
-6819,36 |
6819,36 |
6984,36 |
600 |
0,125 |
165 |
-5713,52 |
5713,52 |
5878,52 |
630 |
0,125 |
165 |
-2303,84 |
2303,84 |
2468,84 |
660 |
0,125 |
165 |
3409,68 |
-3409,68 |
-3244,68 |
690 |
0,125 |
165 |
9123,197 |
-9123,197 |
-8958,197 |
720 |
0,125 |
165 |
11519,19 |
-11519,19 |
-11354,19 |
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)
Строим 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 .
угол |
Сила К |
угол |
Сила Т |
угол |
Сила N |
угол |
Сила S |
0 |
-11354,2 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
-11354,2 |
30 |
-7378,93 |
30 |
-5761,63 |
30 |
-1157,84 |
30 |
-9262,71 |
60 |
-1073,99 |
60 |
-3458,3 |
60 |
-764,65 |
60 |
-3559,1 |
90 |
-572,887 |
90 |
2237,84 |
90 |
572,887 |
90 |
2309,451 |
120 |
-3902,44 |
120 |
4162,222 |
120 |
1242,454 |
120 |
5783,06 |
150 |
-6273,87 |
150 |
2519,003 |
150 |
850,9234 |
150 |
6807,387 |
180 |
-6845,51 |
180 |
0 |
180 |
0 |
180 |
6845,51 |
210 |
-6335,19 |
210 |
-2543,62 |
210 |
-859,239 |
210 |
6873,915 |
240 |
-4039,25 |
240 |
-4308,15 |
240 |
-1286,01 |
240 |
5985,812 |
270 |
-674,263 |
270 |
-2633,84 |
270 |
-674,263 |
270 |
2718,123 |
300 |
-584,529 |
300 |
1882,222 |
300 |
416,1696 |
300 |
-1937,08 |
330 |
-3669,07 |
330 |
2864,887 |
330 |
575,7188 |
330 |
-4605,75 |
360 |
-1487,19 |
360 |
0 |
360 |
0 |
360 |
-1487,19 |
390 |
11753,35 |
390 |
9177,275 |
390 |
1844,237 |
390 |
14753,9 |
420 |
2005,509 |
420 |
6457,868 |
420 |
1427,87 |
420 |
6646,088 |
450 |
-1806,3 |
450 |
7055,84 |
450 |
1806,295 |
450 |
7281,627 |
480 |
-6456,37 |
480 |
6886,174 |
480 |
2055,574 |
480 |
9567,764 |
510 |
-9033 |
510 |
3626,813 |
510 |
1225,143 |
510 |
9801,147 |
540 |
-9155,51 |
540 |
0 |
540 |
0 |
540 |
9155,51 |
570 |
-6488,47 |
570 |
-2605,17 |
570 |
-880,029 |
570 |
7040,235 |
600 |
-4062,06 |
600 |
-4332,47 |
600 |
-1293,27 |
600 |
6019,604 |
630 |
-632,023 |
630 |
-2468,84 |
630 |
-632,023 |
630 |
2547,843 |
660 |
-1002,61 |
660 |
3228,457 |
660 |
713,8296 |
660 |
-3322,55 |
690 |
-7193,43 |
690 |
5616,79 |
690 |
1128,733 |
690 |
-9029,86 |
720 |
-11354,2 |
720 |
0 |
720 |
0 |
720 |
-11354,2 |
Средний крутящий момент
угол |
Крутящий момент |
ср. момент |
0 |
0 |
0 |
30 |
-239,1075005 |
-71,925252 |
60 |
-143,5195164 |
-234,1036 |
90 |
92,87036 |
173,9265 |
120 |
172,732223 |
670,601599 |
150 |
104,5386361 |
607,040943 |
180 |
0 |
0 |
210 |
-105,5602831 |
|
240 |
-178,788152 |
|
270 |
-109,30436 |
|
300 |
78,1121964 |
|
330 |
118,8927905 |
|
360 |
0 |
|
390 |
380,8569325 |
|
420 |
268,0015386 |
|
450 |
292,81736 |
|
480 |
285,776231 |
|
510 |
150,5127511 |
|
540 |
0 |
|
570 |
-108,1144006 |
|
600 |
-179,7974735 |
|
630 |
-102,45686 |
|
660 |
133,9809489 |
|
690 |
233,096765 |
|
720 |
0 |
, 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.