Тепловой и динамический расчет двигателей внутреннего сгорания

Zapiska двс.doc

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
БЕЛОРУСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Автотракторный факультет
Кафедра «Двигатели внутреннего сгорания»
по дисциплине “ Основы термодинамики и конструирования ДВС ”
Тема: “Тепловой и динамический расчет двигателя”
Руководитель проекта: доцент к.т.н.
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Руководитель проекта: доцент к.т.н. Бармин В.А.
Исходные данные для теплового расчета поршневого двигателя внутреннего сгорания
Тепловой расчет и определение основных размеров двигателя
1. Процесс наполнения
4. Процесс расширения
6. Индикаторные показатели
7. Эффективные показатели
8. Размеры двигателя
9. Сводная таблица результатов теплового расчетa
10. Анализ полученных результатов
1. Построение индикаторной диаграммы
2. Развертка индикаторной диаграммы в координатах
3. Построение диаграмм сил
4. Построение полярной диаграммы нагрузок на шатунную шейку
5. Построение диаграммы суммарного крутящего момента
Расчет и построение внешней скоростной характеристики двигателя
Список использованных источников
Тепловой расчет двигателя служит для определения параметров рабочего тела в цилиндре двигателя а также оценочных показателей рабочего процесса для оценки мощностных и экономических показателей позволяющих оценить мощность и расход топлива.
В основе методики расчета лежит метод В.И. Гриневецкого в дальнейшем усовершенствованный Е.К. Мазингом Н.Р. Брилингом Б.С. Стечкиным и др.
Задачей динамического расчета является определение сил действующих в механизмах преобразования энергии рабочего тела в механическую работу двигателя.
В настоящей работе тепловой и динамический расчеты выполняются для режима номинальной мощности.
Номинальная мощность 51
Частота вращения коленчатого вала 6000
Коэффициент избытка воздуха 09
Отношение хода поршня к диаметру цилиндра 1183
Тепловой расчет и определение основных
1.Процесс наполнения
В результате данного процесса цилиндр двигателя (рабочая полость) наполняется свежим зарядом. Давление и температура окружающей среды принимаются: .
Давление остаточных газов в зависимости от типа двигателя . Принимаем .
Температура остаточных газов выбирается в зависимости от типа двигателя с учетом того что для двигателей с распределенным впрыском она изменяется в пределах . Принимаем .
В зависимости от типа двигателя температура подогрева свежего заряда . Принимаем .
Давление в конце впуска . Принимаем .
Величина потери давления на впуске для двигателей с распределенным впрыском колеблется в пределах . Принимаем
Коэффициент остаточных газов
Величина коэффициента остаточных газов для двигателей с распределенным впрыском изменяется в пределах .
Температура в конце впуска
Величина находится в пределах .
Коэффициент наполнения
Давление в конце сжатия
Температура в конце сжатия
В этих формулах - показатель политропы сжатия который для автотракторных двигателей находится в пределах .
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг жидкого топлива
Средний элементарный состав бензинового топлива принимают:
Количество свежего заряда для бензинового двигателя
Количество продуктов сгорания при работе двигателей на жидком топливе при
Теоретический коэффициент молекулярного изменения
Действительный коэффициент молекулярного изменения
Величина для бензиновых двигателей изменяется в пределах .
Низшую теплоту сгорания бензинового топлива принимаем:
Средняя мольная теплоемкость свежего заряда
Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания для бензина:
Значения коэффициента использования теплоты при работе бензинового двигателя на номинальном режиме следующие . Принимаем .
Максимальная температура сгорания подсчитывается по уравнению:
Степень повышения давления для бензиновых двигателей.
Решая уравнение (1) находим :
Величина теоретического максимального давления цикла и степень повышения давления:
Действительное давление:
4 Процесс расширения
Степень предварительного расширения для бензиновых двигателей
Степень последующего расширения
Давление в конце расширения
Величина среднего показателя политропы расширения для бензиновых двигателей .
Температура в конце расширения
Параметрами процесса выпуска ( и ) задаются в начале расчета процесса впуска. Правильность предварительного выбора величин и проверяется по формуле профессора Е. К. Мазинга:
Погрешность вычислений составляет
Т.к. погрешность вычислений не превышает 10% то величина выбрана правильно.
6.Индикаторные показатели
Среднее индикаторное давление теоретического цикла для бензиновых двигателей подсчитывается по формуле:
Среднее индикаторное давление действительного цикла
где – коэффициент полноты диаграммы который принимается для бензиновых двигателей . Принимаем .
Величина для бензиновых четырехтактных двигателей может изменяться в пределах.
Индикаторный КПД для бензиновых двигателей подсчитывается по формуле
Удельный индикаторный расход топлива определяется по уравнению
Величина индикаторного КПД для бензиновых двигателей .
7.Эффективные показатели
Механический КПД бензиновых двигателя . Принимаем .
Тогда среднее эффективное давление
Удельный эффективный расход жидкого топлива
По эффективной мощности частоте вращения коленчатого вала и среднему эффективному давлению определяем литраж двигателя:
где - для четырехтактных двигателей.
Рабочий объем одного цилиндра:
где i=3 – число цилиндров.
Определяем основные параметры и показатели двигателя:
- литраж двигателя:
- эффективную мощность:
- эффективный крутящий момент:
- часовой расход жидкого топлива:
- среднюю скорость поршня:
Определим погрешность вычисления :
Литровая мощность определяется по формуле:
9. Сводная таблица результатов теплового расчета
В результате теплового расчета были определены параметры рабочего тела в цилиндре двигателя а также произведены оценочные показатели процесса позволяющие определить размеры двигателя и оценить его мощностные и экономические показатели.
Порядок выполнения расчета для поршневого двигателя
Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма выполняется с целью определения суммарных сил и моментов возникающих от давления газов и от сил инерции. Результаты динамического расчета используются при расчете деталей двигателя на прочность и износ.
В течение каждого рабочего цикла силы действующие в кривошипно-шатунном механизме непрерывно изменяются по величине и направлению. Поэтому для характера изменения сил по углу поворота коленчатого вала их величины определяют для ряда различных положений вала через каждые 30 град ПКВ. В отдельных случаях через 10 град ПКВ.
Последовательность выполнения расчета следующая:
Строим индикаторную диаграмму в координатах .
Перестраиваем индикаторную диаграмму выполненную по результатам теплового расчета в координаты .
Определяем силу давления газов на днище поршня для положений коленчатого вала отстоящих друг от друга на 30° ПКВ в пределах (0 720)° ПКВ.
За начало отсчета принимаем такое положение кривошипа когда поршень находится в начале такта впуска.
Сила давления газов на днище поршня определяется по формуле
Результаты расчета заносятся в табл. 1.
Таблица 1 Результаты расчета
Продолжение таблицы 1
Определяем силу инерции от возвратно-поступательно движущихся масс:
поступательно движущихся частей КШМ определяется из выражения:
где - доля массы шатуна отнесенная к возвратно-поступательно движущимся массам.
Приближенные значения и определяем с помощью таблицы:
При известной величине хода поршня S радиус кривошипа
Находим суммарную силу действующую в кривошипно-шатунном механизме. Определение этой силы ведем путем алгебраического сложения сил давления газов и сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс
Результаты определения а также и заносятся в табл.1.
Определяем нормальную силу К направленную по радиусу кривошипа (см. рисунок 1)
Рисунок 1 Силы в КШМ
Определяем тангенциальную силу Т направленную по касательной к окружности радиуса кривошипа (см. рисунок 1)
Результаты определения К и Т заносим в табл. 2.
Таблица 2 Результаты К и Т
Продолжение таблицы 2
1 Построение индикаторной диаграммы
Индикаторная диаграмма строится в координатах . Построение индикаторной диаграммы двигателя внутреннего сгорания производится на основании теплового расчета.
В начале построения на оси абсцисс откладывают отрезок соответствующий рабочему объему цилиндра а по величине равный ходу поршня в масштабе который в зависимости от величины хода поршня проектируемого двигателя может быть принят 1:1 1.5:1 или 2:1.
Отрезок соответствующий объему камеры сгорания определяется из соотношения
При построении диаграммы выбираем масштаб давления .
Затем по данным теплового расчета на диаграмме откладывают в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках .
По наиболее распространенному графическому методу Брауэра политропы сжатия и расширения строим следующим образом.
Из начала координат проводим луч под углом к оси координат. Далее из начала координат проводим лучи и под углами и к оси ординат. Эти углы определяют из соотношений
Политропу сжатия строим с помощью лучей и . Из точки проводим горизонталь до пересечения с осью ординат; из точки пересечения - линию под углом к вертикали до пересечения с лучом а из этой точки - вторую горизонтальную линию параллельную оси абсцисс. Затем из точки проводим вертикальную линию до пересечения с лучом . Из этой точки пересечения под углом к вертикали проводим линию до пересечения с осью абсцисс а из этой точки - вторую вертикальную линию параллельную оси ординат до пересечения со второй горизонтальной линией. Точка пересечения этих линий будет промежуточной точкой политропы сжатия. Точку находим аналогично принимая точку за начало построения.
Политропу расширения строим с помощью лучей и начиная от точки аналогично построению политропы сжатия. Критерием правильности построения политропы расширения является приход ее в ранее нанесенную точку .
После построения политропы сжатия и расширения производим скругление индикаторной диаграммы с учетом предварения открытия выпускного клапана опережения зажигания и скорости нарастания давления а также наносим линии впуска и выпуска. Для этой цели под осью абсцисс проводим на длине хода поршня как на диаметре полуокружность радиусом . Из геометрического центра в сторону н.м.т. откладываем отрезок
где - длина шатуна.
При скруглении индикаторной диаграммы из центра проводят луч под углом соответствующим предварению открытия выпускного клапана. Полученную точку соответствующую началу открытия выпускного клапана сносим на политропу расширения (точка ).
Далее из того же центра проводят луч под углом соответствующим углу опережения начала впрыска топлива ( ПКВ до в.м.т.) а точку сносим на политропу сжатия получая точку . На линии в.м.т. находим точку из соотношения . Соединяем точки и плавной кривой. Из середины отрезка проводим кривую с плавным переходом в кривую политропы расширения. Затем проводим плавную кривую изменения линии расширения в связи с предварительным открытием выпускного клапана.
Угол поворота коленчатого вала за период сгорания от pс до pz:
Под углом о проводим луч О1m. Полученную точку m cносим на горизонтальную линию соответствующую давлению pz . Точку пересечения их соединяем с точкой С1 и получаем примерное протекание линии сгорания. Далее проводим линии впуска и выпуска скругляя их в точке z .
В результате указанных построений получаем действительную индикаторную диаграмму.
Развертку индикаторной диаграммы в координаты выполняем справа от индикаторной диаграммы. Ось абсцисс развернутой диаграммы располагаем по горизонтали на уровне линии индикаторной диаграммы. Длина графика (720° ПКВ) делится на 24 равных участка которые соответствуют определенному углу поворота коленчатого вала. Каждую точку на линии абсцисс нумеруем (0 30 60° ПКВ). По наиболее распространенному способу Ф. А. Брикса дальнейшее перестроение индикаторной диаграммы ведем в следующей последовательности.
Полученную полуокружность делим вспомогательными лучами из центра на 6 равных частей а затем из центра Брикса (точка ) проводим линии параллельные вспомогательным лучам до пересечения с полуокружностью.
Вновь полученные точки на полуокружности соответствует определенным углам ПКВ. Из этих точек проводим вертикали до пересечения с соответствующими линиями индикаторной диаграммы. Развертку индикаторной диаграммы начинаем принимая за начало координат положение поршня в в.м.т. в начале такта впуска. Далее для каждого значения угла на индикаторной диаграмме определяем величину давления в надпоршневой полости и заносим в табл. 1. Модуль газовой силы также заносим в табл. 1. По данным этой таблицы строим зависимость .
Полученные точки на графике соединяем плавной кривой.
График силы инерции строим в том же масштабе и на той же координатной сетке где выстроен график газовой силы . На основании полученных графиков и на той же координатной сетке и в том же масштабе строим график суммарной силы .
Определение модуля силы для различных значений угла выполняем путем суммирования в каждой точке ординат графиков и с учетом их знаков или модулей сил и из табл. 1.
Координатную сетку для графика сил и размещаем под координатной сеткой сил . График сил и строим в том же масштабе что и предыдущий график.
Принимаем масштабные коэффициенты
4. Построение полярной диаграммы нагрузок на шатунную шейку.
Полярная диаграмма нагрузок на шатунную шейку строится для определения величин направления и точек приложения сил действующих на шейку при различных положениях коленчатого вала. По вертикальной оси откладываются силы К : со знаком “+” вниз со знаком “-“ –вверх; по горизонтальной оси в том же масштабе силы Т : со знаком “+” – направо со знаком “-“ – налево.
Принимаем масштабные коэффициенты .
Последовательно графически откладывая силы К и Т при различных углах поворота коленчатого вала φ получаем точки характеризующие значение суммарной силы S которая направлена вдоль шатуна.
Получают таким образом полярную диаграмму сил действующих на шатунную шейку но без учета центробежной силы массы шатуна Кrш отнесенной к его нижней головке:
При установившемся движении сила Кrш имеет постоянную величину. Она не зависит от угла поворота коленчатого вала и направлена вдоль щеки изменяя соответственно величину силы К. Следовательно ее действие может быть учтено переносом начала начала координат (полюса) вычерченной полярной диаграммы вниз по оси К на величину Кrш т.е. геометрическим сложением сил К и Кrш. Полученная точка Ош явится новым полюсом а ранее построенная относительно него кривая будет полярной диаграммой нагрузок на шатунную шейку R . Вокруг полюса Ош необходимо начертить в произвольном масштабе окружность контура шатунной шейки а по направлению вниз нанести окружность контура коренной шейки и щеки коленчатого вала.
Вектор направленный из полюса Ош к любой точке кривой на диаграмме определяет в выбранном при построении масштабе величину и направление Rшш нагрузки на шатунную шейку для соответствующего угла поворота коленчатого вала. Точка приложения этого вектора будет на окружности шейки со стороны противоположной его направлению.
Для построения кривой суммарного крутящего момента многоцилиндрового двигателя необходимо графически просуммировать кривые крутящих моментов от каждого цилиндра сдвигая влево одну кривую относительно другой на угол поворота кривошипа между вспышками.
Для двигателя с равными интервалами между вспышками суммарный крутящий момент будет периодически повторяться.
Для четырехтактного двигателя через
а то кривая будет отличаться от кривой лишь масштабом.
Масштаб крутящего момента
где - масштаб силы Нмм.
Таблица 3 Результаты расчётов М1 М2М3 МΣ
Средний крутящий момент определяется по площади лежащей под кривой графика суммарного :
где и - соответственно положительная и отрицательная площади под кривой суммарного . мм2;
- длина интервала между вспышками по диаграмме крутящего момента мм.
Найденный момент представляет собой средний индикаторный момент двигателя.
Эффективный крутящий момент двигателя
Значение см. в разделе 2.7. Значение эффективного крутящего момента полученное по данной формуле должно совпадать с величиной вычисленной ранее.
Относительная погрешность вычислений не должна превышать .
Построение ВСХ ведется в интервале: от nmin= 6001000 мин-1 до nmax= (10512)nн
где nн частота при номинальной мощности
Принимаем nmin= 800 мин-1 nmax= 108nн = 1086000= 6500 мин-1
Для расчета и построения внешней скоростной характеристики двигателя воспользуемся следующими приближенными формулами:
Эффективной мощности:
Эффективного крутящего момента:
Удельного расхода топлива:
Часового расхода топлива:
Nен и geн максимальная расчетная мощность двигателя и соответствующий ей удельный расход топлива при частоте вращения коленчатого вала nн ( значение geн находится из расчета рабочего цикла двигателя);
Данные для построения графиков внешней скоростной характеристики представлены в таблице 4.
Таблица 4 Результаты расчета Ne Me ge GT.
Датчик концентрации кислорода
Датчик температуры охлаждающей жидкости
Интегральный электронный блок зажигания (IIA)
Датчик температуры засасываемого воздуха
Бачок с активированным углем
Вакуумный клапан (распределитель)
Реле топливного насоса
Переключатель положения Park Neutral (для автомобилей с автоматической трансмиссией)
Датчик скорости автомобиля
Переключатель обогревателя заднего стекла
Выключатель стоп-сигнала
Электронный блок управления
Каталитический нейтрализатор
Регулятор давления топлива
Датчик абсолютного давления во впускном клапане
Контрольный воздушный клапан холостого хода
Датчик угла поворота дроссельной заслонки
Усилитель кондиционера
Рисунок 2 Система питания двигателя с электронным впрыском топлива (EFI)
Топливный насос расположенный в баке обеспечивает подачу топлива под постоянным давлением в распределитель из которого топливо равномерно распределяется по форсункам. Из распределителя топливо подается во впускные каналы цилиндров через форсунки. Количество впрыскиваемого топлива строго контролируется электронным блоком управления (ЕСМ-блоком). Регулятор давления топлива обеспечивает изменение давления топлива в соответствии с разрежением на всасывающем коллекторе. Топливный фильтр смонтирован между топливным насосом и распределителем топлива и предназначен для очистки бензина и защиты агрегатов системы впрыска от выхода из строя.
Электронная система впрыска топлива (EFI) D-типа рассчитывает
необходимый объем засасываемого воздуха на основании сигнала
разрежения во впускном коллекторе полученного от датчика разрежения и
по сигналу датчика частоты вращения коленчатого вала двигателя.
В двигателе используется распределенная система впрыска (когда топливо
впрыскивается в каждый цилиндр один раз за два оборота коленчатого
вала).Впрыск топлива может быть двух видов:
Синхронный впрыск когда в основную длительность впрыска вносится
поправка основанная на сигналах с датчиков и когда впрыск
осуществляется при одном и том же положении коленчатого вала.
Асинхронный впрыск когда момент впрыска форсунок определяется по
сигналам датчиков и положение коленчатого вала не фиксированное.
Для уменьшения выделения паров топлива из конструкции топливной системы исключенасливная магистраль.
Топливный бак изготовлен из пластмассы.
В легкий и компактный топливный насос с модулем подачи топлива и с датчиком уровнятоплива встроен угольный адсорбер паров топлива.
Топливоподающий трубопровод изготовлен из пластмассы.
Рисунок 3 Общая схема
На автомобили произведенные TMC (Toyota Motor Corporation) устанавливается многослойныйпластмассовый топливный бак. Он состоит из шести слоев четырех различных материалов.
На автомобили произведенные TMMF (Toyota Motor Manufacturing France Inc.)устанавливается обычный пластмассовый топливный бак. Для предотвращения утечки бензинавнутренний слой пластмассового топливного бака изготовлен из фторированного полиэтилена.
Рисунок 4 Топливный бак
ЭБУ двигателя регулирует поток через угольный адсорбер системы
улавливания паров топлива (HC) в зависимости от режима работы двигателя. Для уменьшения размеров агрегатов в моторном отсеке угольный адсорбер паров топлива встроенв топливный фильтр модуля подачи топлива.
На случай срабатывания подушки безопасности при фронтальном или при
боковом столкновении предусмотрен режим отсечки подачи топлива с
выключением топливного насоса.
Для уменьшения массы топливоподающий трубопровод изготовлен из пластмассы.
Рисунок 6 Топливоподающий трубопровод
Для уменьшения объема выделяющихся паров топлива из конструкции топливной системыисключена сливная магистраль. Как показано на следующей схеме благодаря тому что топливныйфильтр регулятор давления и датчик уровня топлива встроены в топливный насос топливо издвигателя не возвращается в бак и предотвращается повышение температуры топлива в баке.
Рисунок 7 Принципиальная схема
Форсунка электромагнитного типа впрыскивает топливо по
сигналам ЭБУ двигателя. Для улучшения распыления топливаиспользуются распылители форсунокс 4 отверстиями.
Рисунок 8 Форсунка6. Выводы
В результате выполнения курсовой работы был произведен тепловой и динамический расчет двигателя.
При выполнении теплового расчета были определены параметры рабочего тела в цилиндре двигателя а также оценочные показатели процесса позволяющие определить размеры двигателя и оценить его мощностные и экономические показатели.
При выполнении динамического расчета были определены силы действующие на кривошипно-шатунный механизм произведен расчет и построены диаграммы суммарного крутящего момента и полярной диаграммы нагрузок на шатунную шейку.
Вершина Г.А. Якубенко Г.Я. Методическое пособие по курсам «Теория рабочих процессов ДВС» и «Динамика ДВС» для студентов специальности Т.05.10.00. - Мн.: Техноперспектива 2001. -87 с.
Железко Б.Е. Основы теории и динамики автомобильных и тракторных двигателей.- Мн. 1980. -304 с.
Колчин А. И. Демидов В. П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. - М.: Высшая школа 1980. -400 с.
Автомобильные двигатели. Под ред. д-ра техн. наук Ховаха М. С. - М.: Машиностроение 1977. -592с.

Чертеж1.cdw

Двигательчетырёхтактный
Диаграммы теплового и
динамического расчётов
Индикаторная диаграмма
Диаграмма крутящих моментов
Полярная диаграмма нагрузок на шатунную шейку
Внешняя скоростная характеристика двигателя