Поверочный расчёт двигателя внутреннего сгорания автомобиля ВАЗ 2106

Содержание

Введение........................................................................................................................7

1 Характеристика двигателя........................................................................................8

2 Тепловой расчет и тепловой баланс двигателя ....................................................13

2.1 Основные принятые обозначения по тепловому расчету.........................14

2.2 Рабочее тело и его свойства.........................................................................16

2.2.1 Топливо...............................................................................................16

2.2.2 Параметры рабочего цикла................................................................16

2.2.3 Параметры окружающей среды и остаточные газы........................17

2.3 Процесс впуска..............................................................................................18

2.3.1 Температура подогрева свежего заряда...........................................18

2.3.2 Плотность заряда на впуске..............................................................18

2.3.3 Потери давления на впуске...............................................................19

2.3.4 Давление в конце пуска.....................................................................20

2.3.5 Коэффициент остаточных газов........................................................20

2.3.6 Температура в конце впуска..............................................................20

2.3.7 Коэффициент наполнения.................................................................20

2.4 Процесс сжатия.............................................................................................21

2.4.1 Показатель политропы сжатия..........................................................21

2.4.2 Давление в конце сжатия...................................................................21

2.4.3 Температура в конце сжатия.............................................................21

2.4.4 Средняя мольная теплоёмкость в конце сжатия.............................21

2.5 Процесс сгорания..........................................................................................23

2.5.1 Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси..............23

2.5.2 Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси...............23

2.5.3 Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания...................................................................................23

2.5.4 Теплота сгорания рабочей смеси.....................................................23

2.5.5 Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания....................23

2.5.6 Температура в конце видимого процесса сгорания.......................24

2.5.7 Максимальное давление сгорания теоретическое..........................24

2.5.8 Максимальное давление сгорания действительное.......................24

2.5.9 Степень повышения давления..........................................................24

2.6 Процесс расширения и выпуска.................................................................24

2.6.1 Показатель политропы расширения................................................24

2.6.2 Давление в конце процесса расширения.........................................25

2.6.3 Температура в конце процесса расширения...................................25

2.6.4 Проверка ранее принятой температуры остаточных газов...........25

2.6.5 Погрешность расчета........................................................................25

2.7 Индикаторные параметры рабочего цикла................................................25

2.7.1 Теоретическое среднее индикаторное давление............................25

2.7.2 Среднее индикаторное давление действительного цикла.............25

2.7.3 Индикаторный КПД...........................................................................26

2.7.4 Индикаторный удельный расход топлива.......................................26

2.8 Эффективные показатели двигателя...........................................................26

2.8.1 Средняя скорость поршня.................................................................26

2.8.2 Среднее давление механических потерь..........................................26

2.8.3 Среднее эффективное давление........................................................26

2.8.4 Механический КПД...........................................................................26

2.8.5 Эффективный КПД............................................................................26

2.8.6 Эффективный удельный расход топлива.........................................26

2.9 Основные параметры цилиндра и двигателя..............................................27

2.9.1 Литраж двигателя...............................................................................27

2.9.2 Рабочий объем одного цилиндра......................................................27

2.9.3 Диаметр цилиндра..............................................................................27

2.9.4 Уточнение параметров и показателей двигателя............................27

2.10 Построение индикаторной диаграммы.....................................................28

2.11 Тепловой баланс двигателя........................................................................32

3 Расчет кинематики и динамики двигателя............................................................35

3.1 Основные принятые обозначения к динамическому расчету КШМ.......36

3.2 Расчет кинематики двигателя......................................................................37

3. 3 Расчет динамики двигателя.........................................................................41

4 Расчет основных деталей и систем двигателя .....................................................48

4.1 Расчет поршневой группы...........................................................................48

4.2 Расчет элементов системы питания............................................................50

4.2.1 Расчет диффузора ..............................................................................50

4.2.2 Расчет гланого жиклера.....................................................................50

5 Требования по обеспечению эксплуатационной безопасности и экологичности ДВС..............................................................................................................................51

5.1 Требования по эксплуатации ДВС..............................................................51

5.2 Экологичность ДВС......................................................................................55

Заключение..................................................................................................................60

Список использованной литературы........................................................................61

Введение

Современные наземные виды транспорта обязаны своим развитием главным образом применению в качестве силовых установок поршневых двигателей внутреннего сгорания. Именно поршневые ДВС до настоящего времени являются основным видом силовых установок, преимущественно используемых на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных, дорожно-транспортных и строительных машинах. Эта тенденция сохраняется сегодня, и будет еще сохранятся в ближайшей перспективе.

Курсовое проектирование – заключительная часть учебного процесса по изучению дисциплины, раскрывающая степень усвоения необходимых знаний, творческого использования их для решения конкретных инженерных задач. Оно служит одновременно начальным этапом самостоятельной работы молодого специалиста, сокращающим период его адаптации на производстве. Целью данного курсового проектирования является расчет проектируемого автомобильного двигателя.

1 Характеристика двигателя

На автомобиль устанавливается бензиновый, четырехтактный, четырехцилиндровый, рядный, восьмиклапанный двигатель (рис. 1), с верхним расположением распределительного вала. Система питания – карбюраторная. Порядок работы цилиндров: 1–3–4–2, отсчет – от шкива коленчатого вала.

Рисунок 1 – Двигатель ВАЗ-2106:

1 – шкив коленчатого вала; 2 – ремень привода генератора; 3 – передняя манжета коленчатого вала; 4 – цепь привода распределительного вала;
5 – тарелка пружины; 6 – направляющая втулка; 7 – клапан;
8 – внутренняя пружина; 9 – наружная пружина; 10 – пружина рычага;
11 – регулировочный болт; 12 – рычаг привода клапана;
13 – распределительный вал; 14 – крышка маслозаливной горловины; 15 – крышка головки блока цилиндров; 16 – свеча зажигания;
17 – головка блока цилиндров; 18 – маховик; 19 – задняя манжета коленчатого вала; 20 – датчики давления масла; 21 – поршень; 22 – указатель уровня масла;
23 – маслосливная пробка; 24 – шатун; 25 – поддон картера; 26 – валик привода вспомогательных агрегатов; 27 – коленчатый вал.

Цилиндры двигателя расположены вертикально в один ряд и объединены в блок. Сверху на него устанавливается общая для всех цилиндров головка блока. Снизу блок цилиндров закрыт стальным штампованным поддоном, который одновременно служит емкостью для масла.
Поршни имеют два компрессионных и одно маслосъемное кольцо. Коленчатый вал вращается в пяти опорах в блоке цилиндров. От шкива на его переднем конце клиноременной передачей приводятся во вращение генератор и насос охлаждающей жидкости, расположенные с правой стороны двигателя.
В передней части двигателя находится привод распределительного вала и валика привода вспомогательных агрегатов: распределителя зажигания, топливного и масляного насосов. Привод осуществляется двухрядной втулочно-роликовой цепью.

С правой стороны двигателя, кроме генератора, размещены выпускной коллектор, стартер и впускной трубопровод с карбюратором и воздушным фильтром. С левой стороны двигателя находится масляный фильтр.
Для установки двигателя в сборе с коробкой передач и сцеплением применена трехточечная схема подвески. Две передние опоры находятся по обе стороны блока цилиндров и крепятся к поперечине передней подвески автомобиля.

Задняя опора расположена на коробке передач и опирается на поперечину, закрепленную под полом кузова. Эластичные подушки передних опор состоят из резины с привулканизированными стальными шайбами и болтами крепления. Для увеличения жесткости опор в центральном отверстии подушек находятся пружины, опирающиеся на изолирующие кольца, а для смягчения ударов внутри пружин расположены резинометаллические буферы. Подушки крепятся к кронштейнам с помощью промежуточных пластин. Правая подушка предохраняется от нагрева со стороны приемной трубы глушителей защитным кожухом. Задняя опора также резинометаллическая, она состоит из трех стальных пластин с разделяющей их резиной. Средняя пластина крепится к коробке передач, а наружные – к поперечине задней подвески двигателя. Между полками поперечины ставятся стальные дистанционные втулки, предохраняющие полки от деформации при затягивании болтов крепления.

Блок цилиндров изготавливается методом литья из специального высокопрочного чугуна. Отверстия под цилиндры растачиваются непосредственно в блоке и дополнительные вставки (гильзы) в цилиндрах не применяются. Для получения специального профиля и чистоты поверхности цилиндры хонингуются. По диаметру цилиндры подразделяются на 5 классов через 0,01 мм, обозначаемые латинскими буквами A, B, C, D и E. Класс каждого цилиндра маркируется на нижней плоскости блока цилиндров.
Отверстия под коренные подшипники коленчатого вала растачиваются в сборе с крышками подшипников. Поэтому они невзаимозаменяемы ни между собой, ни с крышками других блоков цилиндров. Чтобы не перепутать крышки, на них делается маркировка. Крышки подшипников крепятся к блоку цилиндров самоконтрящимися болтами, замена которых на какие-либо иные недопустима.
Валик привода вспомогательных агрегатов вращается в двух втулках, запрессованных в блок цилиндров. Передняя втулка сталеалюминиевая, а задняя – металлокерамическая, бронзографитная. В запасные части поставляются втулки номинального и ремонтного размеров с уменьшенным на 0,3 мм внутренним диаметром.

Поршни отлиты из алюминиевого сплава. Наружная поверхность поршня для улучшения ее прирабатываемости к стенкам цилиндра покрыта тонким слоем олова. Для компенсации неравномерного теплового расширения юбка поршня имеет сложную форму. По высоте она коническая, а в поперечном сечении овальная. Поэтому измерять диаметр поршня необходимо только в плоскости, перпендикулярной поршневому пальцу и на расстоянии 52,4 мм от днища поршня. По наружному диаметру поршни (так же как и цилиндры) подразделяются на пять классов: А, В, С, D и Е через 0,01 мм, а по диаметру отверстия под поршневой палец – на три категории через 0,004 мм. Категория указывается краской на торце (первая – синяя, вторая – зеленая, третья – красная). Класс поршня (латинская буква) и категория (цифра) маркируются на днище поршня. Поршневые кольца изготовлены из чугуна. Верхнее компрессионное кольцо с бочкообразной хромированной наружной поверхностью. Нижнее компрессионное кольцо скребкового типа, фосфатированное.

Поршневые пальцы запрессовываются в верхнюю головку шатуна и свободно вращаются в бобышках поршня. По наружному диаметру пальцы разбиты на три категории через 0,004 мм. Категория пальца маркируется на его торце соответствующим цветом: 1-я – синим, 2-я – зеленым и 3-я – красным.

Шатун стальной, кованый. Нижняя головка шатуна разъемная, в ней устанавливаются шатунные вкладыши. Шатун обрабатывается вместе с крышкой и поэтому они невзаимозаменяемы с крышками других шатунов. Чтобы при сборке не перепутать крышки шатунов, на шатуне и его крышке (сбоку) имеется клеймо номера цилиндров, в который они устанавливаются. При сборке цифры на шатуне и крышке должны находиться на одной стороне.

Коленчатый вал отлит из высокопрочного чугуна и имеет пять опорных (коренных) шеек, закаленных током высокой частоты на глубину 2–3 мм. В заднем конце коленчатого вала имеется гнездо, куда вставляется подшипник ведущего вала коробки передач. Смазочные каналы в шейках коленчатого вала закрыты колпачковыми заглушками, которые запрессованы и для надежности зачеканены в трех точках. Для продления срока службы коленчатого вала предусмотрена возможность перешлифовки шеек коленчатого вала при износе или повреждении их поверхностей. Шлифованием диаметры шеек уменьшаются на 0,25; 0,5; 0,75 и 1,00 мм. Осевое перемещение коленчатого вала ограничено двумя упорными полукольцами, установленными в блоке цилиндров по обе стороны заднего коренного подшипника. С передней стороны подшипника ставится сталеалюминиевое полукольцо, а с задней – металлокерамическое (желтого цвета).

Вкладыши коренных и шатунных подшипников тонкостенные, биметаллические, сталеалюминиевые. Вкладыши для 1, 2, 4 и 5-го коренных подшипников имеют на внутренней поверхности канавку (с 1987 г. нижние вкладыши этих подшипников устанавливаются без канавки). Вкладыши центрального коренного подшипника отличаются от остальных вкладышей отсутствием канавки на внутренней поверхности и большей шириной. Все вкладыши шатунных подшипников без канавок, одинаковые и взаимозаменяемые. Ремонтные вкладыши изготавливаются увеличенной толщины под шейки коленчатого вала, уменьшенные на 0,25; 0,5; 0,75 и 1 мм.

Маховик отливается из чугуна и имеет стальной напрессованный зубчатый венец для пуска двигателя стартером. Маховики взаимозаменяемые, так как балансируются отдельно от коленчатого вала. Центрируется маховик с коленчатым валом передним подшипником ведущего вала коробки передач.
Маховик крепится к фланцу коленчатого вала шестью самоконтрящимися болтами, под которые подкладывается одна общая шайба. Заменять эти болты какими-либо другими недопустимо.

Таблица 1

Техническая характеристика двигателя

2 Тепловой расчет и тепловой баланс двигателя

Тепловой расчет позволяет с достаточной степенью точности аналитическим путем определить основные параметры вновь проектируемого двигателя, а также проверить степень совершенства действительного цикла работающего двигателя.

Тепловой расчет является начальным этапом при проектировании двигателя, а также данные, полученные в ходе расчета, используются в последующих вычислениях и построениях.

Тепловой расчет начинается с выбора ряда недостающих в задании величин, необходимых для проведения расчета, причем выбираются величины, которые для производимого расчета не определяются по формулам.

Конечные результаты теплового расчета определяются с различной степенью точности. Это зависит от того, насколько правильно были оценены исходные величины теплового расчета: коэффициент наполнения, показатели политроп сжатия и расширения температуры подогрева смеси, температура остаточных газов и т.п.

Тепловой расчет является ориентиром, указывающим какие показатели будет иметь проектируемый двигатель при правильном инструктивном и технологическом выполнении.

Как правило, тепловой расчет двигателей производится для номинального режима при наивыгоднейших условиях подвода и сгорания топлива.

2.1 Основные принятые обозначения по тепловому расчету

c_N - средняя скорость поршня, м/с;

D - диаметр цилиндра двигателя, м;

g_C , g_H , g_O - элементарный состав топлива в долях кг, соответственно углерода водорода, кислорода.

g_i - удельный индикаторный расход топлива, г/кВт-ч;

g_e - удельный эффективный расход топлива, г/кВт-ч;

G _T - часовой расход топлива, кг/ч;

H_u - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;

DH_u - потери тепла, вследствие химической неполноты сгорания, кДж /кг;

i - число цилиндров двигателя;

L _o - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива

кмолей возд./кг топл.;

L - длина шатуна, м;

m _т - молекулярная масса топлива, кг/моль;

M ₁ - число молей свежей смеси, моль/кг топлива;

М ₂ - число молей продуктов сгорания, кмоль/кг топлива;

m _в - молекулярная масса воздуха, кг/моль;

mc_V - средняя мольная теплоемкость свежего заряда при постоянном объеме

кДж/кмоль×К;

N_e - эффективная мощность, кВт;

n - частота вращения коленчатого вала, мин;

N _л - литровая мощность, кВт/л;

n ₁ - показатель политропы сжатия;

n ₂ - показатель политропы расширения;

p _о - давление окружающей среды, МПа;

p_r -давление остаточных газов, МПа;

p _а - давление конца впуска, МПа;

p _с - давление конца сжатия, МПа;

p_z - давление конца сгорания, МПа;

p_b - давление конца расширения, МПа;

p_i ’ — среднее индикаторное давление теоретического цикла, МПа;

p_i - среднее индикаторное давление действительного цикла, МПа;

p _е - среднее эффективное давление, МПа;

R - газовая постоянная воздуха, Дж/кмоль×К;

R - радиус кривошипа, м;

S - ход поршня, м;

Т _r - температура остаточных газов, К;

Т_а - температура конца впуска, К;

Т_с - температура конца сжатия, К;

T_z - температура конца сгорания, К;

Т _b — температура конца расширения, К;

Т _о — температура окружающей среды, К;

DT - величина подогрева свежего заряда, К;

V _л - рабочий объем двигателя, л;

V_h - рабочий объем одного цилиндра, л;

a - коэффициент избытка воздуха;

g - коэффициент остаточных газов;

ρ₀ - плотность окружающего воздуха, кг/м³ ;

e - степень сжатия;

h_V - коэффициент наполнения;

h_м - механический КПД;

h_i - индикаторный КПД;

h_е - эффективный КПД;

l- степень повышения давления;

m_о - коэффициент молекулярного изменения горючей смеси;

m - коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси;

x- коэффициент использования тепла при сгорании;

r - степень предварительного расширения;

t- тактность двигателя;

j - коэффициент полноты индикаторной диаграммы;

y- потерянная доля хода поршня

2.2 Рабочее тело и его свойства

2.2.1 Топливо

Топливом для рассчитываемого двигателя служит бензин А-92

по ГОСТ 2084-77.

1. Основным параметром, характеризующим тип двигателя, является величина степени сжатия e равной в нашем случае 8,5.

2. Средний состав топлива для бензина принимают: С = 85,5 %, Н = 14,5 %;

3. Молекулярная масса бензина находится в пределах 110 – 120 кг/кмоль примем m_т =115 кг/кмоль.

4. Низшая теплота сгорания топлива в кДж/кг:

где и – массовые доли серы и влаги в топливе.

В расчетах принимается ; .

2.2.2 Параметры рабочего тела

1. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

кмоль возд./кг топл.;

кг возд./кг топл.

2. С целью получения достаточно экономичного двигателя с меньшей токсичностью продуктов сгорания коэффициент избытка воздуха a выбирается в пределах a=0,95–0,98. Принимаем a=0,97.

3. Количество горючей смеси

кмоль гор. см./кг топл.

4. Показатель, зависящий от отношения количества водорода к оксиду углерода, содержащихся в продуктах сгорания для бензина находится в пределах K =0,45–0,5. Количество отдельных компонентов продуктов сгорания при K =0,5

кмоль CO₂ /кг топл.;

кмоль CO/кг топл.;

кмольH₂ O/кг топл.;

кмольH₂ /кг топл.;

кмольN₂ /кг топл.

5. Общее количество продуктов сгорания

кмоль пр.сг./кг топл.

2.2.3 Параметры окружающей среды и остаточные газы

1. При работе двигателя без наддува давление и температура окружающей среды равны соответственно p_k = p ₀ = 0,1 МПа и T_k = T ₀ = 293 К.

2. Температура остаточных газов Т _r зависит от коэффициента избытка воздуха a и скоростного режима двигателя. Температура остаточных газов при частоте вращения коленчатого вала n_N = 5400 об/мин составляет Т _r = 1055 К

[1, рис. 5.1]. .

3. Давление остаточных газов на номинальном скоростном режиме составляет

p_rN = 1,18p ₀ = 1,18 · 0,1 = 0,118 МПа.

Величина давления остаточных газов на режиме максимального крутящего момента при n_M = 3200 об/мин составит

МПа,

где .

2.3 Процесс впуска

2.3.1 Температура подогрева свежего заряда

Величина подогрева заряда DT зависит от расположения и конструкции впускного трубопровода, системы охлаждения, наличия специального устройства для подогрева и быстроходности двигателя. Температура подогрева свежего заряда для двигателей с воспламенением от искры принимается в пределах DT = 0–20 º. Принята DT_N = 17 º [1, С. 67].

Величина температуры подогрева свежего заряда на режиме максимального крутящего момента при n_M = 3200 об/мин составит

º,

где .

2.3.2 Плотность заряда на впуске

Плотность заряда на впуске, кг/м³

,

где R _в – удельная газовая постоянная для воздуха, Дж/(кг·град).

Для воздуха значение удельной газовой постоянной определяется по формуле, Дж/(кг·град)

,

где R – универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль·град); μ_в – масса 1 кмоль воздуха кг/кмоль.

R = 8315 Дж/(кмоль·град) [1, С. 68];

μ_в = 28,96 кг/кмоль [1, С. 49].

Удельная газовая постоянная для воздуха

Дж/(кг·град).

Плотность заряда на впуске

кг/м³ .

2.3.3 Потери давления на впуске

Потери давления на впуске определяются по формуле, МПа

,

где β – коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра; ξ_вп – коэффициент сопротивления впускной смеси, отнесенный к наиболее узкому ее сечению; A_n – параметр; n – частота вращения коленчатого вала в расчетном режиме, об/мин.

Параметр A_n

,

где w_вп – средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы, м/с.

По опытным данным в современных автомобильных двигателях на номинальном режиме (β² + ξ_вп ) = 2,5–4,0 и w_вп = 50–130 м/с [1, С. 67]. В соответствии со скоростным режимом (n_N = 5400 об/мин) и при учете качественной обработки внутренних поверхностей впускной системы принято (β² + ξ_вп ) = 3; w_вп = 100 м/с.

Параметр A_n

.

Потери давления на впуске

МПа.

2.3.4 Давление в конце пуска

МПа.

2.3.5 Коэффициент остаточных газов

Коэффициент остаточных газов для четырехтактных двигателей с учетом продувки и дозарядки цилиндра определяется по формуле

,

где j_оч – коэффициент очистки; j_доз – коэффициент дозарядки; e – степень сжатия.

Для карбюраторного двигателя без наддува принимается коэффициент очистки j_оч = 1, а коэффициент дозарядки на номинальном скоростном режиме j_доз = 1,10 [1,С. 109].

Для режима максимального крутящего момента при n_M = 3200 об/мин коэффициент дозарядки составит j_доз = 1,02 [1, рис. 5.1].

Коэффициент остаточных газов

.

2.3.6 Температура в конце впуска

К.

2.3.7 Коэффициент наполнения

2.4 Процесс сжатия

2.4.1 Показатель политропы сжатия

При степени сжатия e = 8,5 и температуре в конце пуска T_a = 348 К

Средний показатель адиабаты сжатия =1,3762

Показатель политропы сжатия n ₁ , учитывая характер теплообмена в процессе сжатия, всегда будет иметь меньшее значение, чем показатель адиабаты.

Показатель политропы сжатия 1,375

2.4.2 Давление в конце сжатия

МПа.

2.4.3 Температура в конце сжатия

К.

2.4.4 Средняя мольная теплоёмкость в конце сжатия

а) свежей смеси (воздуха)

кДж/(кмоль·град),

где t_c = T_c – 273 = 776 – 273 = 503 ºС;

б) остаточных газов [1, табл. 3.8]

– определяется значение теплоемкости остаточных газов при t = 400 ºС и α = 0,97.

При коэффициенте избытка воздуха α = 0,95 теплоемкость остаточных газов равна 23,586 кДж/(кмоль·град) [1, табл. 3.8]; при коэффициенте избытка воздуха α = 1,00 теплоемкость остаточных газов равна 23,712 кДж/(кмоль·град) [1, табл. 3.8]. Т.о. при разности коэффициентов избытка воздуха Δα = 1,00 – 0,95

= 0,05, разность теплоемкостей составит кДж/(кмоль·град). Т. к. в расчете принят коэффициент избытка воздуха α = 0,97, то разность между ним и ближайшим меньшим табличным α составит

Δα_р = 0,97 – 0,95 = 0,02. Тогда значение теплоемкости составит

кДж/(кмоль·град);

– определяется значение теплоемкости остаточных газов при t = 500 ºС и α = 0,97.

При коэффициенте избытка воздуха α = 0,95 теплоемкость остаточных газов равна 24,014 кДж/(кмоль·град) [1, табл. 3.8]; при коэффициенте избытка воздуха α = 1,00 теплоемкость остаточных газов равна 24,150 кДж/(кмоль·град) [1, табл. 3.8]. Т.о. при разности коэффициентов избытка воздуха Δα = 1,00 – 0,95 = 0,05, разность теплоемкостей составит кДж/(кмоль·град). Т. к. в расчете принят коэффициент избытка воздуха α = 0,97, то разность между ним и ближайшим меньшим табличным α составит Δα_р = 0,97 – 0,95 = 0,02. Тогда значение теплоемкости составит

кДж/(кмоль·град);

– определяется значение теплоемкости остаточных газов при t = 503 ºС и α = 0,97.

При температуре t = 400 ºС теплоемкость остаточных газов равна 23,611 кДж/(кмоль·град); при температуре t = 500 ºС теплоемкость остаточных газов равна 24,041 кДж/(кмоль·град). Т.о. при разности температур Δ t = 500 – 400 = 100 º, разность теплоемкостей составит кДж/(кмоль·град). Т. к. по расчету температура в конце сжатия t_c = 503 ºС, то разность между ней и ближайшей меньшей табличной [см. 1, табл. 3.8] составит Δt _р = 503 – 400 = 103 º. Тогда значение теплоемкости t_c = 503 ºС и α = 0,97 составит

кДж/(кмоль·град);

в) рабочей смеси

кДж/(кмоль·град).

2.5 Процесс сгорания

2.5.1 Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси

.

2.5.2 Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

.

2.5.3 Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания

кДж/кг.

2.5.4 Теплота сгорания рабочей смеси

кДж/кмоль раб.см.

2.5.5 Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания для интервала температур от 1501 до 2800 ºC определяется по формуле [1, табл. 3.7], кДж/(кмоль·град)

Коэффициент использования теплоты при n_N = 5400 об/мин равен ξ_z = 0,91 [1, рис. 5.1].

2.5.6 Температура в конце видимого процесса сгорания

Определяется из выражения

или

откуда

ºC.

Абсолютное значение температуры в конце видимого процесса сгорания

К.

2.5.7 Максимальное давление сгорания теоретическое

МПа.

2.5.8 Максимальное давление сгорания действительное

МПа.

2.5.9 Степень повышения давления

.

2.6 Процесс расширения и выпуска

2.6.1 Показатель политропы расширения

При степени сжатия e = 8,5, коэффициенте избытка воздуха α = 0,97 и температуре в конце видимого процесса сгорания T_z = 3062 К

Средний показатель адиабаты расширения =1,264

Показатель политропы расширения n₂ = 1,26

2.6.2 Давление в конце процесса расширения

МПа.

2.6.3 Температура в конце процесса расширения

К.

2.6.4 Проверка ранее принятой температуры остаточных газов

К

2.6.5 Погрешность расчета

2.7 Индикаторные параметры рабочего цикла

2.7.1 Теоретическое среднее индикаторное давление

2.7.2 Среднее индикаторное давление действительного цикла, МПа

,

где j_и – коэффициент полноты диаграммы.

Коэффициент полноты диаграммы для карбюраторных двигателей находится в пределах j_и =0,94–0,97 [1, С. 88]. Принят j_и =0,95.

Среднее индикаторное давление

МПа.

2.7.3 Индикаторный КПД

.

2.7.4 Индикаторный удельный расход топлива

г/(кВт·ч).

2.8 Эффективные показатели двигателя

2.8.1 Средняя скорость поршня

При ходе поршня S = 80 мм (предварительно принят)

м/с.

2.8.2 Среднее давление механических потерь

МПа.

2.8.3 Среднее эффективное давление

МПа.

2.8.4 Механический КПД

.

2.8.5 Эффективный КПД

.

2.8.6 Эффективный удельный расход топлива

г/(кВт·ч).

2.9 Основные параметры цилиндра и двигателя

2.9.1 Литраж двигателя , л

,

где τ – число тактов в одном цикле работы двигателя.

Задано τ = 4.

Литраж двигателя

л.

2.9.2 Рабочий объем одного цилиндра , л

,

где i – число цилиндров в двигателе.

Задано i = 4.

Рабочий объем одного цилиндра

л.

2.9.3 Диаметр цилиндра

мм.

Окончательно принимается D = 76 мм S = 80 мм.

2.9.4 Уточнение параметров и показателей двигателя

Уточнение параметров и показателей двигателя в соответствии с принятыми значениями диаметра цилиндра и хода поршня.

Площадь поршня

см² .

Литраж двигателя

л.

Мощность двигателя

кВт.

Литровая мощность двигателя

кВт/л.

Крутящий момент

Н·м.

Часовой расход топлива

кг/ч.

2.10 Построение индикаторной диаграммы

Построение индикаторной диаграммы осуществляется аналитическим методом.

Масштабы диаграммы: масштаб хода поршня M_S = 0,85 мм в мм; масштаб давлений M_p = 0,05 МПа в мм.

Величины в приведенном масштабе, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:

мм;

мм.

Из точки O , являющейся началом координат диаграммы, по оси абсцисс откладывается отрезок OA (мм), соответствующий объему камеры сгорания. Далее от точки A по оси абсцисс откладывается отрезок AB , соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня в масштабе M_S . Таким образом, абсцисса A соответствует положению поршня в верхней мертвой точке, а абсцисса B – в нижней мертвой точке.

Максимальная высота диаграммы (точка z )

мм.

Ординаты характерных точек

мм;

мм;

мм;

мм;

мм.

Характерные точки a (B , ); b (B , ); c (A , ); r (A , ); z (A , ) наносятся на диаграмму. Также показывается величина давления окружающей среды p ₀ .

Построение политроп сжатия и расширения аналитическим методом:

а) политропа сжатия . Отсюда

мм,

где OB = OA + AB = 12,5 + 94 = 106,5 мм;

б) политропа расширения . Отсюда

мм.

Результаты расчета точек политроп приведены в табл. 2.

Таблица 2

Скругление индикаторной диаграммы осуществляется на основании следующих соображений и расчетов. Так как рассчитывается достаточно быстроходный двигатель (n = 5400 мин^-1 ), то фазы газораспределения необходимо устанавливать с учетом получения хорошей очистки цилиндра от отработавших газов и обеспечения дозарядки в пределах, принятых в расчете. В связи с этим начало открытия впускного клапана (точка r ’) устанавливается за 18º до прихода поршня в в.м.т., а закрытие (точка a ² ) – через 60º после прохода поршнем н.м.т.; начало открытия выпускного клапана (точка b ¢ ) принимается за 55º до прихода поршня в н.м.т., а закрытие (точка a ¢ ) через 25º после прохода поршнем в.м.т. Учитывая быстроходность двигателя, угол опережения зажигания q принимается равным 35º, а продолжительность периода задержки воспламенения - Dj₁ = 5º.

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения зажигания определяют положение точек r ¢ , a ², a ¢, b ¢, с ¢ и f по формуле для перемещения поршня:

,

где l - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Выбор величины l производится при проведении динамического расчета, а при построении индикаторной диаграммы предварительно принимается l = 0,285.

Расчеты абсцисс точек r ¢, a ², a ¢, b ¢, с ¢ и f сведены в табл. 3.

Положение точки c ” определяется из выражения

МПа;

мм.

Таблица 3

Действительное давление сгорания

МПа;

мм.

Соединяя плавными кривыми точки r с a ’; c ’ с c ” и далее с z _д и кривой расширения b ’ с b ” (точка b ” располагается обычно между точками b и a ) и линией выпуска b ”r ’r , получим скругленную действительную индикаторную диаграмму ra ’ac ’fc ”z _д b ’b ”r .

Индикаторная диаграмма (в уменьшенном масштабе) приведена на рис. 2.

Рисунок 2 – Индикаторная диаграмма

2.11 Тепловой баланс двигателя

Тепловой баланс двигателя внутреннего сгорания, Вт

,

где Q _о – общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом, Вт; Q_e – теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя за 1 с, Вт; Q_r – теплота, потерянная с отработавшими газами, Вт; Q _в – теплота, передаваемая охлаждающей среде, Вт; Q _н.с – теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива, Вт; Q _ост – неучтенные потери теплоты, Вт.

Общее количество теплоты, введенной в двигатель при номинальном тепловом режиме

Вт.

Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1 с

Вт.

Теплота, потерянная с отработавшими газами, Вт

,

где – теплоемкость отработавших газов, кДж/(кмоль·град); – теплоемкость свежего заряда, кДж/(кмоль·град).

При коэффициенте избытка воздуха α = 0,97 и уточненной температуре отработавших газов t_r = T_r – 273 = 1055 – 273 = 782 ºC теплоемкость отработавших газов равна

= 25,154 кДж/(кмоль·град) [1, табл. 3.8]

При температуре t ₀ = 20 ºC теплоемкость свежего заряда равна

= 20,775 кДж/(кмоль·град) [1, табл. 3.6]

Теплота, потерянная с отработавшими газами

Теплота, передаваемая охлаждающей среде, Вт

,

где c – коэффициент пропорциональности для четырехтактных двигателей; i – число цилиндров; D – диаметр цилиндра, см; n – частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин; m – показатель степени для четырехтактных двигателей.

Коэффициент пропорциональности для четырехтактных двигателей принимается в пределах c = 0,45–0,53 [1, С. 125]. Принят c = 0,48.

Показатель степени для четырехтактных двигателей принимается в пределах m = 0,5–0,7 [1, С. 125]. Принят m = 0,65.

Теплота, передаваемая охлаждающей среде

Вт.

Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива

Вт.

Неучтенные потери теплоты

Вт.

Составляющие теплового баланса двигателя сведены в табл. 4.

Таблица 4

Вывод

В ходе теплового расчета двигателя были определены значения давления в надпоршевом пространстве в каждом из тактов работы двигателя. По этим значениям построена индикаторная диаграмма. Также определены индикаторные и эффективные показатели работы двигателя: средний индикаторный КПД двигателя h_i = 0,4; индикаторный удельный расход топлива g_i = 205 г/(кВт·ч); механический КПД h_м = 0,832; эффективный КПД

h_e = 0,3304; эффективный удельный расход топлива g_e = 248 г/(кВт·ч). Определены основные параметры цилиндра, а также основные параметры двигателя: литраж V _л = 1,45 л; эффективная мощность N_e = 60,8 кВт; часовой расход топлива G _т = 18,12 кг/ч.

3 Расчёт кинематики и динамики двигателя

Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма (КШМ) заключается в определении суммарных моментов и сил, возникающих от давления газов и сил инерции. По этим силам рассчитывают основные детали на прочность и износ, а также определяют неравномерность крутящего момента и степень неравномерности хода двигателя. Во время работы двигателя на детали кривошипно-шатунного механизма действуют силы давления газов в цилиндре, силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс, центробежные силы, давление на поршень со стороны картера (приблизительно равное атмосферному давлению) и силы тяжести (силы тяжести обычно в динамическом расчете не учитывают).

Все действующие в двигателе силы воспринимаются полезным сопротивлением на коленчатом валу, силами трения и опорами двигателя.

В течение каждого рабочего цикла силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме, непрерывно изменяются по величине и направлению. Поэтому для определения характера изменения этих сил по углу поворота коленчатого вала их величины определяют для ряда отдельных положений вала обычно через каждые 10–30º. Результаты динамического расчета сводят в таблицы.

Результаты динамического расчета необходимы для последующего расчета основных деталей двигателя на прочность и долговечность.

Динамический расчет может быть сделан как для вновь проектируемого, так и для реально существующего двигателя. Исходными данными для динамического расчета в первом случае служат результаты предшествующего теплового расчета, а во втором – результаты стендовых испытаний двигателя. Методика выполнения динамического расчета в обоих случаях одна и та же.

Динамический расчет (так же, как и тепловой расчет) обычно производится для одного цилиндра двигателя при постоянном скоростном режиме работы, соответствующем максимальной мощности по внешней скоростной характеристике.

3.1 Основные принятые обозначения к динамическому расчету

КШМ

m_R - масса поступательно движущихся частей к.ш.м., кг;

λ- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

R - радиус кривошипа, м;

L - длина шатуна, м;

Р_г – удельная сила давления газов, МПа;

Р_j - удельная сила инерции поступательно движущихся масс, МПа;

P – удельная суммарная сила, МПа;

Р_Т - удельная суммарная тангенциальная сила, МПа;

Р_К - удельная суммарная нормальная сила, МПа;

α - угол поворота кривошипа в градусах;

F_n - площадь поперечного сечения цилиндра, м² ;

Р_г - давление газов в цилиндре над поршнем, МПа;

m_n - масса поршневого комплекта, кг;

m_шп - часть массы шатуна в сборе, отнесенная к поступательно

движущимся массам, кг;

m_ш – масса шатуна, кг;

m_шв - часть массы шатуна, отнесенная к вращающимся массам, кг;

m_n ’- удельная конструктивная масса поршневого комплекта, кг/м² ;

m_ш ’- удельная конструктивная масса шатуна, кг/м² ;

ω - средняя угловая скорость кривошипа, 1/с;

Θ - угловой интервал между вспышками в цилиндрах двигателя в градусах;

М_кр - индикаторный крутящий момент двигателя, Н-м;

S - результирующая сила, действующая на шатунную шейку, Н;

S - суммарная сила, действующая вдоль шатуна, Н;

d_шш - диаметр шатунной шейки, м;

l_шш - длина опорной поверхности шатунной шейки, м;

S - ход поршня, м;

М_р - масштаб давления газов, принятый при построении индикаторной

диаграммы, МПа в мм;

М_м - масштаб момента, Н·М в мм;

М_V -масштаб скорости поршня м/с в мм.

М_S -масштаб хода поршня мм в мм.

М_j -масштаб ускорения поршня м/с² в мм.

М_j - масштаб угла поворота коленчатого вала в мм.

М_j - масштаб угла поворота коленчатого вала для индикаторной диаграммы в мм.

3.2 Расчет кинематики двигателя

Выбор λ и длины шатуна

В целях уменьшения высоты двигателя без значительного увеличения инерционных и нормальных сил отношение радиуса кривошипа к длине шатуна предварительно было принято в тепловом расчете l = 0,25. Радиус кривошипа равен половине хода поршня

мм.

При этих условиях длина шатуна

мм.

Определение перемещения, скорости и ускорения поршня

Перемещение поршня определяется по формуле, мм

.

Расчет перемещения поршня производится аналитически через каждые 10º угла поворота коленчатого вала. Значения для при соответствующем значении угла поворота коленчатого вала занесены в гр. 2 табл. 1, а получившиеся значения s_x – в гр. 3 табл. 1.

Угловая скорость вращения коленчатого вала определяется для режима номинальной мощности при частоте вращения вала n_N = 5600 об/мин

рад/с.

Скорость поршня определяется по формуле, м/с

.

Значения для при соответствующем значении угла поворота коленчатого вала занесены в гр. 4 табл. 5, а получившиеся значения v _п – в гр. 5 табл. 1.

Ускорение поршня определяется по формуле, м/с²

.

Значения для при соответствующем значении угла поворота коленчатого вала занесены в гр. 6 табл. 5, а получившиеся значения j – в гр. 7 табл. 5.

Таблица 5

содержание   ..  1527  1528  1529   ..