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.
Процесс впуска
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.
Процесс сжатия
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.
Процесс сгорания и расширения
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…10000С, 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).
Процесс выпуска
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 = Vc, (2)
где - степень сжатия;
Va = 81 = 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 n1, (4)
где pa - давление при впуске, МПа;
pc = 0,098 1,39 = 1,62 МПа
Промежуточные точки политропы сжатия (табл. 1):
px = (Va / Vx) n1 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 = pc, (6)
где - 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 / n2, (8)
pb= 6,16/81,19= 0,52 МПа
Промежуточные точки политропы расширения (табл. 2):
px = (Vb / Vx) n2 pb. (9)
При px = (8 / 1) 1,19 0,52= 6,16 МПа
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 =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, Hм
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)
- 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 - тактность двигателя ( = 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 = 441,5 = 166 мм
H = (1,25…1,65) d
H = 1,392 = 120 мм
dk = (0,72…0,9) d
dk = 0,8 92= 74 мм
dш = (0,63…0,7) d
dш = 0,6592 = 60 мм
lk = (0,54…0,7) dk
lk = 0,674 = 44 мм
lшат = (0,73…1,05) dш
lшат = 160 = 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;
- толщина днища поршня;
d - 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;
ю - 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)
троим 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.