Расчет двигателя внутреннего сгорания

sboku Garik.cdw

легкового автомобиля
Рабочий объем двигателя
Количество и расположение цилиндров
Порядок работы цилиндров
Номинальная мощность
Частота вращения при нормальной мощности
Максимальный крутящий момент
при частоте вращения

spetsefikatsia.spw

легкового автомобиля
Вал распределительный
Головка блока цилиндров
Кольцо компрессионное

speredi garik.cdw

kursovik_dvigateli.docx

1.Выбор дополнительных исходных данных.
1. Выбор конструктивных параметров.
Их берём из задания.
= 114 – степень сжатия.
Ne=85кВт – максимальная мощность.
nN =6400 обмин – номинальная частота вращения коленчатого вала.
nmin=800обмин – минимальная частота вращения коленчатого вала.
Максимальную частоту коленчатого вала считаем по формуле:
nmax=11* 6400 = 6700 обмин
Теперь вычислим частоту вращения при максимальном крутящем моментеона считается по формуле:
nM= 05* 6400 = 3200 обмин
2. Выбор параметров рабочего топлива.
Главные составляющие топлива это углерод водород и кислород. В бензине содержится С = 0855 кг и Н = 0145 кг. Кислорода в бензине нет.
По условию сумма этих элементов должно равняться 1.
55 + 0145 = 1 – с условием сходится.
Молекулярная масса топлива mt = 115 кгмоль.
3. Определение начальных параметров топливо-воздушной смеси(ТВС).
Чтобы сгорело топливо нужно определённое количество воздуха а определяется оно по элементарному составу топлива. Для бензина формула вычисления будет такая:
l0 = (С +8Н –О)(1.3)
L0 – теоретически необходимое количество воздуха в кмоль для сгорания 1 кг топлива кмольвоздкг топл: 023 – массовое содержание кислорода в 1 кг воздуха; 0208 – объёмное содержание кислорода в 1 кмоль воздуха.
Определим эти значения:
l0 = (0855 + 8* 0145 ) = 14956 кг воздкг топл
L0 = (+ ) = 0516 кмольвоздкг топл
Определим низшею теплоту сгорания топлива она определяется по формуле:
Hи = 3391С + 1256Н – 1089 (О –С) – 251(9Н +W) (1.5)
W – количество водяных паров в продуктах сгорания массовой или объёмной единицы топлива у нас оно 0.
Hи = 3391*0855 + 1256*0145 –251(9*0145 +0) = 4404 кДжкг
Теперь определим количество горючей смеси поступающею в рабочую камеру:
α – коэффициент избытка воздуха он выбирается в диапазоне от 085-13у нас α = 11 ;
mt - молекулярная масса топлива.
М1 = 11*0516 + = 0576 кмольгор.см кг топл.
Определим общее количество продуктов полного сгорания топлива оно вычисляется по формуле:
М2 = МСО2+МН2О+ М02+ МN2(1.7)
Определим количество отдельных компонентов продуктов полного сгорания:
МСО2= = = 007125 кмольСО2кг топл.
МН2О = = = 00725 кмоль Н2Окг топл.
М02 = 0208*(α – 1)L0 = 0208*(11 -1)*0516 = 001 кмольО2кг топл.
МN2= 0792* α*L0 = 0792*11*0516 = 0449 кмольN2кг топл.
Теперь можем определить М2:
М2 = 007125 + 00725 +001 + 0449 = 0604 кмольпр.сгкг топл.
Выберем параметры окружающей среды:
Для бензинового двигателя давление окружающей среды принимают равному атмосферному: р0= 001МПа
А температура будет равна: Т0 = 293 К
Расчёт рабочего цикла двигателя.
Вычислим давление остаточных газов:
Рг = (105 125) р0(2.1)
Рг = 11 * 01 = 011 МПа
Изменение давление остаточных газов можно высчитать по формуле:
Рг – давление остаточных газов; р0 - давление окружающей среды; nN - номинальная частота вращения коленчатого вала.
Выберем температуру подогрева свежего заряда Т:
Т выбирается из диапазона 0 20. Мы выберем 100С или 283К.
Вычислим давление в конце впуска:
ра – потери давления МПа
Потери давления во впускном трубопроводе в МПа определяется по формуле:
ра = (2 + вп)()ρ0*10-6 МПа(2.4)
+ вп – влияние затухания скорости и сопротивления это значение выбирается из диапазона 25 40. Мы выбираем значение 27;
- средняя скорость движения заряда мс её выбираем из диапазона 50 130 мсеё берём 70 мс;
ρ0 – плотность заряда на впускееё можно вычислить по формуле:
Rb = 287 Джкг*0С – удельная газовая постоянная.
Теперь посчитаем потери давления:
ра = 30*70*1189*10-6 = 00024 МПа
Посчитаем давление в конце впуска:
ра= 01 – 00022 = 0099 МПа
Значение температуры Тг выбирается в диапазоне от 900 до 1100 К мы берём Тг= 900 К.
Коэффициент остаточных газов γг можно вычислить по формуле:
Температуру в конце впуска можно посчитать по формуле:
Посчитаем по этой формуле и узнаем что получится:
Наиболее важным параметром характеризующий процесс впуска является коэффициент наполнения. Он вычисляется по вот такой формуле:
V = ***(*ра – рт)(2.8)
V = ***(114* 0099– 011) = 0079
Количество остаточных газов считается по формуле:
Мг = 0002*0524 = 0001
Процесс сжатия считается политропным спеременным показателемn1 который в начале периода сжатия превышает показатель адиабаты k1. Значение показателя политропы зависит от показателя адиабаты по этому определим значение адиабаты k1: оно находится по монограмме и у нас оно получилось k1= 1354.
Теперь определим показатель политропы он находится в диапазоне от (n1 – 001) (n1 – 004) и тогда получим такое значение:
n1 = 1362 – 002 = 1342
Определим давление рс и температуру Тс в конце процесса сжатия по формулам:
Тс = Та * n1-1(2.11)
Вычислим эти значения:
рс = 1141342 * 0099 = 2594 мПа
Тс = 327 * 1141342-1 = 815 К
Можем определить среднюю мольную теплоёмкость свежей смеси в конце сжатия:
(mcv)tatc = 20484+000268*7tc(2.12)
tc – температура в конце сжатия в градусах Цельсия. Оно определяется по формуле:
tc = 815 – 273 = 5420С
Сосчитаем среднюю мольную теплоёмкость:
(mcv)tatc = 20484+000268*7*542 = 3123
3. Процесс сгорания.
Это основной процесс рабочего цикла двигателя в течение которого теплота выделяющая в следствие сгорания топлива идёт на повышение внутренней энергии рабочего тела и на совершение механической работы.
Здесь для начала надо определить коэффициент молекулярного изменения горючей смеси которая определяется по формуле:
Теперь нужно определить коэффициент молекулярного изменения для рабочей смеси:
Определим среднюю теплоёмкость продуктов сгорания по формуле:
(mc”v)totz = (МvCO2(mc”vCO2)totz+ МvCO(mc”vCO)totz+
МvH2O(mc”vH2O)totz+ МvH2(mc”vH2)totz+ МvN2(mc”vN2)totz)(2.16)
(mc”vХ)totz – средние мольные теплоёмкости отдельных продуктов сгорания:
МvN2(mc”vN2)totz= 21951+0001457tz
МvCO2(mc”vCO2)totz= 39123 + 0003349tz
МvH2О(mc”vH2О)totz= 26670 + 0004438tz
МvО2(mc”vО2)totz = 23723 + 0001550tz
tz -температура в конце видимого процесса сгорания её можно определить из уравнения сгорания:
z*Нрс + (mcv)tatc * tc = *(mc”v)totz*tz(2.17)
z – коэффициент использования теплоты; Нрс – можно высчитать по формуле:
Нрс = = 408392 мДжкг
Теперь высчитаем среднюю теплоёмкость отдельных продуктов сгорания и температуру в конце видимого процесса сгорания:
(mc”v)totz = (007125*(39123 + 0003349tz)+00725(26670 + 0004438tz)+
49*(21951 + 0001457tz)+001*(23723 + 0001550tz) = 246 + 0002tz
Подставим это значение в уравнение температуры в конце видимого процесса сгорания:
8*706476+2662*327 = 1076*(246 + 0002tz)*tz
93944= 25707tz + 000209tz2
0209tz2 +25707tz–7793944 = 0
tz = -25707+ = 29650С
Тогда средняя мольная теплоёмкость будет ровна:
(mc”v)totz = 246 + 000125*2965 = 294
Температура в конце сгорания Тz можно посчитать по формуле:
Тz = 2965 + 273 = 3238 К
Максимальное давление сгорания для воспламенения от искры можно сосчитать по формулам:
Теоретическое:рz = pc*(2.19)
Действительное:рzД = 085* рz(2.20)
рz = 2594*107 = 11027 МПа
рzД = 085* 1127 = 9372 МПа
Теперь нам осталось посчитать степень повышения давления по формуле:
4. Процесс расширения и выпуска.
В результате процесса расширения тепловая энергия преобразуется в механическую работу.
Выберем политропу с постоянным показателемn2 из диапазонаот 123 13.Возьмём значение n2 = 125.
Теперь можем определить температуру и давление в конце расширения по формулам:
Теперь сосчитаем и получим:
В начале расчёта впуска задавались параметры процесса впуска давления и температура остаточных газов (рг и Тг) точность выбора величин необходимо выполнить по формуле:
Погрешность расчёта должна быть в пределах 10%:
Тг = * 100% ≤ 10%(2.25)
Посчитаем и проверим правильность вычислений:
Тг = * 100% = 05% ≤ 10%
Получаем что вычисления верны.
5. Индикаторные показатели.
Совершенство тепловых процессов происходящих в цилиндре двигателя оценивают по индикаторным показателям. Рабочий цикл двигателя характеризуется средним индикаторным давлениеминдикаторной мощностью и индикаторным КПД.
Для бензиновых двигателей работающих по циклу с подводом теплоты при постоянном объёме. Теоретическое среднее индикаторное давление можно сосчитать по формуле:
pi = *(*(1 - ) - *(1 - ))(2.26)
pi = *(*(1 - ) - *(1 - )) = 1549 мПа
Теперь определим средние индикаторное давление по формуле:
φи – коэффициент полноты индикаторной диаграммы который у нас равен
Сосчитаем среднее индикаторное давление:
pi = 095 * 1549 = 1456 МПа
Высчитаем индикаторный КПД его можно посчитать по формуле:
Посчитаем индикаторный расход топлива по формуле:
6. Эффективные показатели.
Это параметры характеризующие работу двигателя.
Механические потери при проведение предварительных расчётов оцениваются средним давлением механических потерьрм их можно высчитать по формуле:
Для бензиновых двигателей с числом цилиндров до 6 и отношение SD≤1:
рм = 0034 + 00132*пср(2.30)
S – ход поршня равный 70 мм; пср – средняя скорость поршня мс её можно посчитать по этой формуле:
рм = 0034 + 00132*1493 = 0203 МПа
Среднее эффективное давление можно высчитать по формуле:
ре = 1456 – 0203 = 1253 МПа
Механический КПД вычисляется по формуле:
Эффективный КПД можно посчитать по формуле:
e = 52701 * 0861 = 4536
Удельный эффективный расход топлива считается по этой формуле:
7. Определение параметра двигателя.
К основным параметрам двигателя относятся: рабочий объём цилиндра диаметр цилиндра площадь поршня мощность двигателя литровую мощность крутящий момент и часовой расход топлива:
Литраж двигателя вычисляется по формуле:
– тактность двигателя.
Рабочий объём цилиндрав считается по формуле:
i – количество цилиндров.
Диаметр цилиндра высчитывается по формуле:
SD – отношение которое выбирается из 08 11 мы выбрали 08.
Ход поршня считается по формуле:
Округлим ход поршня и диаметр цилиндра.до исходного и примем их за основные:
Посчитаем уточнённый литраж по формуле:
Вычислим площадь поршня по формуле:
Эффективная мощность высчитывается по формуле:
Литровая мощность считается по формуле:
Эффективный крутящий момент считается по формуле:
Часовой расход топлива считается по формуле:
Gт = Ne*ge*10-3(2.45)
Gт = 8496*18*10-3 = 153 мс
Расчёт кинематики кривошипно-шатунного механизма.
В настоящее время в автомобильных двигателях наибольшее распространение получил центральный кривошипно-шатунный механизм .На рис.3.1 приведены основные обозначения такого механизма: s (р — угол поворота кривошипа (ОВ) отсчитываемый полуоси цилиндра (А'О) в направлении вращения коленчатого вала по часовой стрелке (точка Ообозначает ось коленчатого вала; точка В — ось шатунной шейки; точка А' — в.м.т.); ?— угола отклонения оси шатуна (АВ) от оси цилиндра; со — угловая скорость вращения коленчатого вала; R=OB — радиус кривошипа; S=2R=A'A" — ход поршня (точка А" обозначаетн.м.т.); ЬШ=АВ — длина шатуна;— отношение радіуса кривошипа к длине шатуна; R+Lm=A'0 — расстояние от оси коленчатого вала до в.м.т.
Рисунок 3.1- схема центральногокшм.
2 Расчет перемещения поршня.
Текущее перемещение поршня определяется по формуле:
Sx = R*((1-cosφ + (1 – cos2φ))(3.1)
λ – отношение RL это значение берётся из диапазона от 024 031. Мы взяли λ = 027
Значение выражение (1-cosφ + (1 – cos2φ) берём из таблицы учебника.
Вычислим все значения:
S10 = 0.035*005 = 0.0007м
S30 = 0.035*01703 = 0.0059м
S60 = 0.035*06088 = 0.0210м
S90 = 0.035*11450 = 0.0397м
S120 = 0.035*11470 = 0.0560м
S150 = 0.035*19023 = 0.0665м
S180 = 0.035*2 = 0.07м
S210 = 0.035*19023 = 0.0665м
S240 = 0.035*11470 = 0.0560м
S270 = 0.035*11450 = 0.0397м
S300 = 0.035*06088 = 0.0210м
S330 = 0.035*01703 = 0.0059м
S360 = 0.035*0 = 0 м
3 Расчет скорости поршня.
Функция скорости поршня является первой производной функции перемещения поршня по времени определяется из выражения:
Vпх = R*(sinφ + sin2φ))(3.2)
Значение выражения (sinφ + sin2φ) берём из таблицы в учебнике:
Vп0 = 0.035*11*0 = 0 мс
Vп10 = 0.035*11*02332 = 4.62 мс
Vп30 = 0.035*11*06259 = 13.31 мс
Vп60 = 0.035*11*09916 = 23.06 мс
Vп90 = 0.035*11*1 = 26.22 мс
Vп120 = 0.035*11*07404 = 2306 мс
Vп150 = 0.035*11*03744 = 13.31 мс
Vп180 = 0.035*11*0 = 0 мс
Vп210 = 0.035*11*03744 = -13.31 мс
Vп240 = 0.035*11*07404 = -2306 мс
Vп270 = 285*11*1 = -26.62 мс
Vп300 = 285*11*09916 = -23.06 мс
Vп330 = 285*11*06259 = -13.31 мс
Vп360 = 285*11*0 = 0 мс
4 Расчет ускорения поршня.
Функция ускорения поршня является второй производной функции перемещения или первой производной функции скорости поршня по времени вычисляется по формуле:
Jпх = Jп1 + Jп2 = R2*(cosφ + λcos2φ))(3.3)
Jп1 = R2*cosφ мс2 – ускорение поршня первого порядка;
Jп2 = R2*λcos2φ мс2 – ускорение поршня второго порядка.
Эти значения берутся из таблицы в учебнике.
Jп0 = 0.035*112*12900 = 19.96мс2
Jп10 = 0.035*112*12573 = 19.47 мс2
Jп30 =0.035*112*10110 = 15.74мс2
Jп60 =0.035*112*03550 = 5.74мс2
Jп90=0.035*112*(-029) = -4.25мс2
Jп120=0.035*112*(-0645)= -9.98мс2
Jп150=0.035*112*(-0721) = -11.49мс2
Jп180=0.035*112*(-071) = -1148 мс2
Jп210=0.035*112*(-0721) = -1149мс2
Jп240=0.035*112*-0645) = -9.98 мс2
Jп270=0.035*112*(-029) = -4.25 мс2
Jп300=0.035*112*03550 = 5.74 мс2
Jп330=0.035*112*10110 = 15.74 мс2
Jп360=0.035*112*12900 = 19.96 мс2
Расчёт динамики двигателя.
1. Определение параметров расчетной модели.
шатуна приведённого к поршню считается по формуле:
mшп = mш* = 0275* mш(4.1)
L1 – растояние от центра кривошипной головки до центра тяжести шатуна мм
mш – масса шатуна равная 150 кгм2
mшп= 0275* 150 = 4125 кг
шатуна приведённая к шатунной шейке высчитывается по формуле:
mшш = mш* = 0725* mш(4.2)
L2 – расстояние от центра поршневой головки до центра тяжести шатуна мм
mшш = 0725* 150 = 10875 кг
Посчитаем массу кривошипа приведённой к шатунной шейке:
ρ – радиус центра тяжести кривошипа равный 15 мм
R – радиус кривошипа равный 3 мм
mk – масса неуравновешенных частей коленчатого вала равная mшш.
mкп = 10875*= 54375 кг
Составим и решим систему сосредоточенных масс:
mj = 12125 кг ; mR = 163125 кг
2. Расчёт сил и моментов действующих между деталями КШМ.
Все значения сил и моментов приведены в таблице 1 и 2.
Таблица 4.1.Значения сил.
Пример расчётов сил Таблица 1:
Рг = Fп*рг*1000 = 0051*1118*1000 = 05МН
Pj = (-mj)*j*10-6 Fп = (-1056)*199659*10-6 0051 = -0409 МПа
Kr = (-mj)*R*2*0001 = (-1056)*0035*6702*0001 = -27904кН
Р = рг+Pj = 01 – 0409 = -0309 МПа
n = p*tg = -0309*tg0 = 0МПа
s = p*1cos = -309*1cos0 = -0309МПа
k = p*cos(φ + )cos = -0309*cos(0 + 0)cos0 = -0309МПа
T = p*sin(φ + )cos* Fп*103 = -0309* sin(0 + 0)cos0* 004*103 = 0 кН
Pt = p*sin(φ + )cos = -0309* sin(0 + 0)cos0 = 0 МПа
Таблица 4.2.1 – Значене моментов.
Пример расчётамоментов:
Крутящий момент одного цилиндра высчитывается по формуле:
Мкр = T*R= 0*0.035 = 0
Где Т- тангенциальная сила R- радиус шейки шатуна.
Значения Т берутся из таблицы 4.1.
Остальные расчёты такие же.
Таблица 4.3. Уравновешивание КШМ.
Пример расчётов Таблицы 3.
K = k*po*103 = -0309*01*103 = -1591
Kрш = (-mшк)*R*2*10-3 = (-0746)*0035*670*10-3 = -1172
Pk = K + Kрш = -1270465615-424370904 = -551417
Kpk = (-mr)*R*2*10-3+K = (-0000001)*00285*52332*10-3-250565
KR = (-mr)*R*2*10-3 = (-0000001)*0035*670*10-3 = -234
3. Построение полярной диаграммы сил S и .
Построение полярной диаграммы сил S и действующих на шатунную шейкустроят графическим значением векторов сил К и Т (таблица 4.3).
Полярная диаграмма представлена в приложении рис.6.
4. Определение индикаторного момента двигателя.
Определение индикаторного момента так же высчитывается в таблице (4.3)