Тепловой и динамический расчет двигателя ВАЗ-2106

Ульяновский автомеханический техникум

по предмету: Двигатели А.Т.Т.

Выполнил студент

3 курса гр. 538-А

Сасиков М.А.

Содержание

Введение

Исходные данные.

Процессы впуска и выпуска.

Процесс сжатия.

Процесс сгорания.

Параметры рабочего тела.

Процессы расширения и выпуска.

Построение индикаторной диаграммы.

Тепловой баланс.

Кинематический расчет КШМ.

Перемещение поршня.

Скорость поршня.

Ускорение поршня.

Динамический расчет КШМ.

Построение развернутой индикаторной диаграммы.

Расчет и построение удельной силы инерции.

Определение суммарной силы, действующей на поршень.

Расчет и построение диаграммы тангенциальной силы.

Построение суммарной тангенциальной диаграммы многоцилиндрового двигателя.

Определение крутящего момента и мощности двигателя.

Расчет маховика.

Нормальная сила.

Введение

Цели и задачи:

Целью данного курсового проекта является улучшение эксплуатационных и технических показателей вследствие применения более современных конструкционных материалов и улучшения тепловых процессов двигателя, а также повышение надёжности его работы, снижение токсичности отработанных газов и улучшение вибрационно-акустических качеств за счёт повышения уравновешенности масс кривошипно-шатунного механизма. В задачи проекта входит расчёт и определение параметров и показателей рабочего цикла, основных размеров, кинематический и динамический анализ, оценка прочности деталей, расчёт и компоновка систем, обслуживающих двигатель.

В курсовом проекте в качестве прототипа используется автомобиль ВАЗ-2106 легковой, с закрытым четырёхдверным кузовом, с передним расположением двигателя и задними ведущими колёсами, предназначен для перевозки пяти человек и багажа не более 50 кг. Автомобиль рассчитан для эксплуатации при температуре окружающей среды от минус 40⁰ С до плюс 45⁰ С.

На автомобиль устанавливается 4-цилиндровый карбюраторный двигатель с рядным вертикальным расположением цилиндров и верхним расположением распределительного вала рабочим объёмом 1,6 литра. Двигатель приводит в движение автомобиль и его оборудование. В таблице приведены основные показатели и параметры двигателя в сравнении с лучшими отечественными и мировыми аналогами.

Таким образом, двигатель ВАЗ 2106 значительно отстаёт от аналогов и на мой взгляд требует значительной модернизации конструкции с целью дальнейшего повышения производительности, эффективных показателей, а также уменьшения выбросов вредных веществ в окружающую среду.

Определяем эксплуатационную мощность двигателя из условия обеспечения максимальной скорости движения.

=43 м/с – максимальная скорость автомобиля

т_а = 1445 кг — масса автомобиля

— коэффициент суммарного сопротивления дороги. Принимаю

К_В =0,2 — коэффициент обтекаемости, Н с² /м⁴

F = 1,7 — лобовая площадь, м²

— коэффициент учета силы инерции приведенных вращающихся масс

= 1,04+0,04 i_{k ,} где i_k =1 — передаточное число коробки передач

= 1,04+0,04*1=1,08

j_a =0,2 — ускорение автомобиля м/с²

=0,85 — КПД трансмиссии.

=47,6 кВт.

Определяем эффективную мощность:

кВт.

Тепловой расчёт и тепловой баланс карбюраторного двигателя

Произвести расчет четырехтактного карбюраторного двигателя, предназначенного для легкового автомобиля. Эффективная мощность двигателя N_е = 56 кВт при частоте вращения коленчатого вала п = 5400 об/мин. Двигатель четырехцилиндровый, i = 4 с рядным расположением. Система охлаждения жидкостная закрытого типа. Степень сжатия ε = 8,5.

Тепловой расчет

Средний элементарный состав и молекулярная масса топлива

С =0,855; Н =0,145 и m_т = 115 кг/кмоль.

Низшая теплота сгорания топлива

Параметры рабочего тела. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

кмоль возд/кг топл.;

= кг возд/кг топл.

Коэффициент избытка воздуха . Стремление получить двигатель достаточно экономичный и с меньшей токсичностью продуктов сгорания, которая достигается при α ≈ 0,95 - 0,98, позволяет принять α = 0,96 на основных режимах, а на режиме минимальной частоты вращения α = 0,86.

Количество горючей смеси

М₁ = αL₀ + l/m_т ;

M₁ = 0,96 0,516+1/115= 0,5041 кмоль гор. см/кг топл.

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания при К=0,5 и принятых скоростных режимах:

при п = 900 об/мин

кмоль СО₂ /кг топл;

кмоль СО/кг топл;

кмоль Н₂ О/кг топл;

кмоль Н₂ /кг топл;

кмоль N₂ /кг топл;

при п = 3000, 5400 и 6000 об/мин

кмоль СО₂ /кг топл;

кмоль СО/кг топл;

кмоль Н₂ О/кг топл;

кмоль Н₂ /кг топл;

кмоль N₂ /кг топл;

Общее количество продуктов сгорания

;

М₂ = 0,0655 + 0,0057+0,0696 + 0,0029 + 0,3923 = 0,5360 кмоль пр. сг/кг топл.

Проверка: М₂ = 0,855/12 + 0,145/2 + 0,792 ∙ 0,96 ∙ 0,516 = 0,5360 кмоль пр. сг/кг топл.

Параметры окружающей среды и остаточные газы

Давление и температура окруж. среды при работе двигателей без наддува р_k =р₀ =0,1 МПа и Т_k =Т₀ =293 К.

Температура остаточных газов. При постоянном значении степени сжатия ε = 8,5 температура остаточных газов практически линейно возрастает с увеличением скоростного режима при α = const, но уменьшается при обогащении смеси. Учитывая, что при п = 900 об/мин α = 0,86, а на остальных режимах α = 0,96, принимается:

Давление остаточных газов р _r за счет расширения фаз газораспределения и снижения сопротивлений при конструктивном оформлении выпускного тракта рассчитываемого двигателя можно получить на. номинальном скоростном режиме

p_rN = 1,18р₀ = 1,18 0,1 =0,118 МПа.

Тогда

A_р = (p_rN – p₀ ·1.035) 10⁸ /( ) = (0,118-0,1·1,035) 10⁸ /(5400² • 0,1) = 0,4973;

Р_r = р₀ (1,035 + A_р · 10^-8 n² ) = 0,1 (1,035+ 0,4973 10^-8 n² ) = 0,1035 + 0,4973·10^-9 n² .

Отсюда получим:

Процесс впуска

;

.

Далее получим:

Плотность заряда на впуске

,

где R_B = 287 Дж/кг град — удельная газовая постоянная для воздуха.

Потери давления на впуске. В соответствии со скоростным режимом двигателя (n = 5400 об/мин) и при условии качественной обработки внутренней поверхности впускной системы можно принять β² + ξ_вп = 2,8 и ω_вп = 95 м/с. Тогда

А_n = ω_вп /n_N = 95/5400= 0,01759;

.

Отсюда получим:

∆p_α = 2,8 • 0.01759² • 5400² • 1,189 ×10^-6 /2 = 0,015 МПа;

Давление в конце впуска

р_α = p₀ — ∆p_α ,

Коэффициент остаточных газов. При определении γ_r для двигателя без наддува принимается коэффициент очистки φ_оч = 1, а коэффициент дозарядки на номинальном скоростном режиме φ_доз = 1,10, что вполне возможно получить при подборе угла опаздывания закрытия впускного клапана в пределах 30—60°. При этом на минимальном скоростном режиме (п = 900 об/мин) возможен обратный выброс в пределах 5%, т. е. φ_доз = 0,95. На остальных режимах значения φ_доз можно получить, приняв линейную зависимость φ_доз от скоростного режима. Тогда

;

Температура в конце впуска:

К;

Коэффициент наполнения:

.

Процесс сжатия. Средний показатель адиабаты сжатия k₁ при ε =8,5 и рассчитанных значениях Т_а определяется по графику, а средний показатель политропы сжатия n₁ принимается несколько меньше k₁ . При выборе n₁ учитывается, что с уменьшением частоты вращения теплоотдача от газов в стенки цилиндра увеличивается, а n₁ уменьшается по сравнению с k₁ более значительно:

Давление в конце сжатия

МПа;

Температура в конце сжатия

К;

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:

а) свежей смеси (воздуха):

,

где

б) остаточных газов

- определяется методом экстраполяции;

α = 0,96 и t_c =480 °С

кДж/(кмоль • град);

в) рабочей смеси

кДж/(кмоль • град);

Процесс сгорания

Коэффициент молекулярного изменения горючей и рабочей смеси

μ₀ =0,5360/0,5041=1,0633;

μ=(1,0633+0,04902)/(1+0,04902)=1,06034;

Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания топлива:

∆Н_u = 119950(1— α)L₀ .

∆Н_u = 119950·(1— 0,6)·0,516=2476 кДж/кг.

Теплота сгорания рабочей смеси

Н_раб.см = (Н_u - ∆H_u )/[М₁ (1 + γ_r )]

Нраб.см = (43930 - 2476)/[0,5041(1 + 0,04902)]=78391 кДж/кмоль раб. см;

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания

=(1/0,536) [0,0655 ∙(39,123 + 0,003349t_z ) +0,0057∙ (22,49 + 0,00143t_z ) + 0,0696 (26,67 + 0,004438t_z ) + 0,0029 (19,678 + 0,001758t_z ) + 0,3923(21,951+ 0,001457t_z )] = 24,656 + 0,002077t_z кДж/(кмоль∙град).

Величина коэффициента использования теплоты ξ_z при п = 5600 и 6000 об/мин в результате значительного догорания топлива в процессе расширения снижается, а при т = 900 об/мин ξ_z интенсивно уменьшается в связи с увеличением потерь тепла через стенки цилиндра и неплотности между поршнем и цилиндром. Поэтому при изменении скоростного режима ξ_z ориентировочно принимается в пределах, которые имеют место у работающих карбюраторных двигателей:

Температура в конце видимого процесса сгорания

0,9 78390 + 21,9627 ∙ 480 = 1,0603 ∙ (24,656 + 0,002077t_z )t_z , или

, откуда

°C;

T_z =t_z +273=2574+273=2847 K;

Максимальное давление сгорания теоретическое

р_z = p_c μT_z /T_c .

р_z = 1,6189·1,06034·2847/752=6,4988 МПа;

Максимальное давление сгорания действительное р_{z д} = 0,85/ р_z ;

Степень повышения давления

λ= р_z /p_c

Процессы расширения и выпуска. Средний показатель адиабаты расширения k₂ определяется по номограмме при заданном ε =8,5 для соответствующих значений α и Т_z , а средний показатель политропы расширения n₂ оценивается по величине среднего показателя адиабаты:

Давление и температура в конце процесса расширения

и

р_b = 6,4988/8,5^1,251 = 0,4468 МПа и Т_b = 2847/8,5^{1,251 -1} = 1664,8 К;

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов:

;

газов принята в начале расчета достаточно удачно, так как ошибка не превышает 1,7%.

Индикаторные параметры рабочего цикла. Теоретическое среднее индикаторное давление

;

Среднее индикаторное давление:

МПа

где коэффициент полноты диаграммы принят φ_и = 0,96;

Индикаторный КПД и индикаторный удельный расход топлива

и

; г/(кВт·ч);

Эффективные показатели двигателя . Среднее давление механических потерь для карбюраторного двигателя с числом цилиндров до шести и отношением S/D≥1

Предварительно приняв ход поршня S равным 80 мм, получим υ_п.ср. = Sn/3 10⁴ = 80 n/3 ·10⁴ = =0,002667n м/с, тогда р_м = 0,049 + 0,0152 • 0,002667n МПа, а на различных скоростных режимах:

Среднее эффективное давление и механический КПД

и ;

Эффективный КПД и эффективный удельный расход топлива:

и ;

Основные параметры цилиндра и двигателя. Литраж двигателя:

V_л = 30τN_e /(p_e n) = 30 4 54/(0,8052 5400) = 1,545л.

Рабочий объем одного цилиндра:

V_h = V_л /i = 1,545/4 = 0,38625 л.

Диаметр цилиндра. Так как ход поршня предварительно был принят S = 80 мм, то

мм

Окончательно принимается D == 79мм и S = 80 мм.

Основные параметры и показатели двигателя определяются по окончательно принятым значениям D и S:

л;

мм² =48,99 см² ;

Литровая мощность двигателя

кВт/л;

ВЫВОД : основные данные полученные в тепловом расчёте при сравнение с характеристиками прототипа (см. таб.) позволяют сделать вывод о том что для дальнейших расчётов мы можем принять этот двигатель так как расхождение не превышает 10%.

Построение индикаторной диаграммы

Индикаторную диаграмму строят для номинального режима работы двигателя, т. е. при N_e = 54кВт и n = 5400 об/мин.

Масштабы диаграммы: масштаб хода поршня М_s = 1 мм в мм; масштаб давлений М_р = 0,05 МПа в мм.

Приведенные величины, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:

мм; мм

Максимальная высота диаграммы (точка z)

мм

Ординаты характерных точек:

мм; мм;

мм; мм;

мм.

Построение политроп сжатия и расширения аналитическим методом:

а) политропа сжатия . Отсюда

мм,

где мм.

б) политропа расширения .Отсюда

мм

Результаты расчета точек политроп приведены в табл.

Теоретическое среднее индикаторное давление

,

где мм² - площадь диаграммы aczba. Это близко к рассчитанному.

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения зажигания определяют положение точек r', а', а", с', f и b' по формуле для перемещения поршня:

,

где λ — отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

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

Расчеты координат точек r', а', а", с', f и b' сведены в табл.

Положение точки определяется по формуле:

МПа;

мм.

Действительное давление сгорания

МПа;

мм.

Соединяя плавными кривыми точки r с а', с' с с" и далее с z_д и кривой расширения, b' с b" (точка b" располагается обычно между точками b и а) и линией выпуска b"r'r, получим скругленную действительную индикаторную диаграмму ra'ac'fc" z_д b'b"r.

Тепловой баланс

Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом:

Q₀ = H_u G_т /3,6 = 43930G_т /3,6= 12203 G_т

Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1 с: Q_e = 1000N_e ,

Теплота, передаваемая охлаждающей среде:

Q_в = ciD^l+2m n^m (H_u - ∆Н_u )/(αН_u )

где с — 0,45 - 0,53 — коэффициент пропорциональности для четырехтактных двигателей. В расчете принято с = 0,5; i — число цилиндров; D — диаметр цилиндра, см; n — частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин; m = 0,6 - 0,7 — показатель степени для четырехтактных двигателей. В расчете принято при n= 900 об/мин m = 0,6, а на всех остальных скоростных режимах — m = 0,65.

Q_в = 0,5·4·7,9^{l +2·0,65} ·5400^0,65 (43930 - 2476)/(0,96·43930)=60836 Дж/с;

Теплота, унесенная с отработанными газами:

Q_r = (18,488/3,6) {0,536·[25,043+ 8,315] 897 —0,5041 · [20,775+ +8,315]× 20} = 72240Дж/с,

Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива:

Q_н.c = ∆Н_u G_т /3,6

Q_н.c =2476 • 18,488/3,6 =12716 Дж/с;

Неучтенные потери теплоты

Q_ocт =Q₀ -(Q_e +Q_в +Q_r + Q_н.c )

Q_ост = 225609—(56887 + 60836 + 72240 + 12715) = 22931 Дж/с;

Расчёт кинематики и динамики двигателя

Кинематика

Выбор λ и длины L_ш 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 λ = 0,285. При этих условиях мм.

Устанавливаем, что ранее принятые значения L_ш и λ обеспечивают движение шатуна без задевания за нижнюю кромку цилиндра. Следовательно, перерасчета величин L_ш и λ не требуется. Сравнивая L_ш рассчитанную и L_ш прототипа делаем вывод что мы можем принять λ=0,285 так как погрешность не превышает 10%, ∆L_ш =0,2 .

Перемещение поршня

мм

Расчет s_x производится аналитически через каждые 10° угла поворота коленчатого вала. Значения для при различных φ взяты из таблицы как средние между значениями при λ=0,28 и 0,29 и занесены в гр. 2 расчетной таблицы (для сокращения объема значения в таблице даны через 30°).

Угловая скорость вращения коленчатого вала

рад/с.

Скорость поршня

м/с

Значения для взяты из таблицы и занесены в гр. 4, а рассчитанные значения v_п — в гр. 5 таблицы.

Ускорение поршня

= м/с²

Значения для взяты из таблицы и занесены в графу 6, а рассчитанные значения - в гр. 7 таблицы.

По данным таблицы построены графики в масштабе мм в мм, - в масштабе м/с в мм, - в масштабе м/с² в мм. Масштаб угла поворота коленчатого вала в мм.

При , а на кривой - это точка перегиба.

Динамика

Силы давления газов

мм,

где М_s — масштаб хода поршня на индикаторной диаграмме.

Масштабы развернутой диаграммы: давлений и удельных сил МПа в мм; полных сил МН в мм, или M_p =245 Н в мм, угла поворота кривошипа M_φ =3°в мм, или

рад в мм,

где OB— длина развернутой индикаторной диаграммы, мм.

По развернутой диаграмме через каждые 10° угла поворота кривошипа определяют значения ∆p_г и заносят в гр. 2 сводной таблицы динамического расчета (в таблице значения даны через 30° и точка при φ=370°).

Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма

С учетом диаметра цилиндра, отношения , рядного расположения цилиндров и достаточно высокого значения р_z устанавливаются:

масса поршневой группы (для поршня из алюминиевого сплава принято =80 кг/м² )

кг;

масса шатуна (для стального кованого шатуна принято кг/м² )

кг;

масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов (для литого чугунного вала принято кг/м² )

кг.

Масса шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца:

кг.

Масса шатуна, сосредоточенная на оси кривошипа:

кг.

Массы, совершающие возвратно-поступательное движение:

кг.

Массы, совершающие вращательное движение:

кг.

Удельные и полные силы инерции. Из таблицы переносят значения j в гр. 3 таблицы и определяют значения удельной силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс (гр. 4):

Мпа

Центробежная сила инерции вращающихся масс.

кН

Центробежная сила инерции вращающихся масс шатуна:

кН

Центробежная сила инерции вращающихся масс кривошипа:

кН

Удельные суммарные силы. Удельная сила (МПа), сосредоточенная на оси поршневого пальца (гр. 5):

Удельная нормальная сила (МПа) . Значения tgβ определяют для λ=0,285 по таблице и заносят в гр. 6, а значения p_N — в гр. 7.

Удельная сила (МПа), действующая вдоль шатуна (гр. 9):

Удельная сила (МПа), действующая по радиусу кривошипа (гр. 11):

Удельная (гр.13) и полная (гр.14) тангенциальные силы (МПа и кН):

и

По данным таблицы строят графики изменения удельных сил p_j , p, p_s , p_N , p_K и р_T в зависимости от изменения угла поворота коленчатого вала φ.

Среднее значение тангенциальной силы за цикл:

по данным теплового расчета

Н;

Крутящие моменты. Крутящий момент одного цилиндра

Н·м

Период изменения крутящего момента четырехтактного двигателя с равными интервалами между вспышками

Суммирование значений крутящих моментов всех четырех цилиндров двигателя осуществляется табличным методом через каждые 10° угла поворота коленчатого вала и по полученным данным строится кривая М_кр в масштабе М_М = 10 Н·м в мм.

Средний крутящий момент двигателя:

По данным теплового расчета

Н·м;

Максимальный и минимальный крутящие моменты (рис. 10.2, д)

M_{кp.ma x} =500 Н·м; М_{кр. min} = -212 Н·м.

Графики динамического расчёта карбюраторного двигателя:

ВЫВОД: Вследствие применения новых более лёгких конструкционных материалов мы получили улучшенные параметры сил и моментов, действующих на кривошипно-шатунный механизм. После чего можно предположить, что повысится степень уравновешенности двигателя.

Конструирование и расчёт на прочность деталей двигателя

Расчет поршня бензинового двигателя

На основании данных расчетов (теплового, скоростной характеристики и динамического) получили: диаметр цилиндра D =79 мм, ход поршня S=80, действительное максимальное давление сгорания Р_д =6,233 МПа при n_м =3000 об/мин, площадь поршня F_п = 48,99 см² , наибольшую нормальную силу N_max = 0,0044 МН при φ=370°, массу поршневой группы m_n = 0,3916 кг, частоту вращения n_{x.x max} =6000 мин-1 и λ=0,285.

В соответствии с существующими аналогичными двигателями и с учетом соотношений, принимаем толщину днища поршня δ=7,5 мм, высоту поршня Н= 88 мм; высоту юбки поршня h_ю =58 мм, радиальную толщину кольца t=3,5 мм, радиальный зазор кольца в канавке поршня ∆t=0,8 мм, толщину стенки головки поршня S=5 мм, величину верхней кольцевой перемычки h_п =3,5 мм, число и диаметр масляных каналов в поршне =10 и d_м =1 мм. Материал поршня — эвтектический алюминиевый сплав -

содержание   ..  576  577  578   ..