Расчет рядного 6-целендрового двигателя внутреннего сгорания

 

Содержание

Исходные данные 2

1 Тепловой расчет двигателя 3

1.1 Параметры процесса впуска 4

1.2 Параметры процесса сжатия 5

1.3 Параметры конца процесса сгорания 5

1.4 Параметры процесса расширения 7

2 Основные показатели цикла 8

3 Основные размеры двигателя 9

4 Силы, действующие в КШМ 10

4.1 Построение индикаторной диаграммы 10

4.2 Силы давления газов 11

4.3 Силы инерции движущихся масс КШМ 12

4.4 Суммарные силы и моменты, действующие в КШМ 13

Список литературы 16

 

Исходные данные

Тип двигателя

четырехтактный, дизельный

Число и расположение цилиндров, i

R6

Степень сжатия, ε

20

Мощность, Ne

160

Коэффициент избытка воздуха,α

1,3

Частота вращения, n

2800

Используемое топливо

DT


 

 

1 Тепловой расчет двигателя

 

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива дизельного двигателя

, кг     (1)

кмоль     (2)

где gС = 0,87 gН = 0,126, gО = 0,004– элементарный состав дизельного топлива

Тогда:

 

Суммарное количество свежей смеси для дизельного двигателя:

кмоль      (3)

кмоль

 

Количество отдельных  составляющих продуктов сгорания при k = 0,5:

 кмоль;

 кмоль; 

 кмоль;

 кмоль;

 кмоль;

 

кмоль;

 

Суммарное количество продуктов  сгорания

    (9)

 

 

 

Теоретический коэффициент  молекулярного изменения

      (10)

    1. Параметры процесса впуска

Рис. 1. Схема  работы впуска и его диаграмма

 

Температуру подогрева заряда для дизельного двигателя принимаем ∆Т = 20°С.

Давление принимаем Pk = 0,1 МПа, К

Плотность заряда на впуске:

,     (11)

где = 8314- универсальная газовая постоянная;

= 28,96 кг/моль – молекулярная масса воздуха.

кг/м3

 

Давление в конце впуска:

 МПа    (12)

Суммарный коэффициент, учитывающий  гашение скорости и сопротивление  впускной системы, отнесенный к сечению  в клапане b2+x, выбирается 2,5-4 из учета скорости в проходном сечении клапана.

Принимаем  b2+x= 3.

Средняя скорость движения заряда в клапане ωкл =  90 м/с.

 МПа

Давление остаточных газов:

  (13)

Принимаем МПа.

Температуру остаточных газов  принимаем Т = 800 К

Коэффициент остаточных газов:

, (14)

Температура конца впуска, при φ1 = 1

  К  (15)

Коэффициент наполнения:

  (16)

1.2 Параметры процесса сжатия

Рис. 2. Схема  работы сжатия и его диаграмма

 

Показатель политропы  сжатия принимаем п1 = 1,36

Давление в конце сжатия

МПа    (17)

Температура в конце сжатия

К    (18)

1.3 Параметры конца процесса сгорания

Рис. 3. Схема  работы сгорания и его диаграмма

 

Действительный коэффициент  молекулярного изменения:

 

    (19)

 

Энергия сгоревшей смеси

 кДж/кг·кмоль

 

Температура газов в конце  сгорания смеси

 или
К

Принимаем tc=6000С.

                                                                           Таблица 1. Параметры выпускных газов

 

СО

Н2

Н2О

СО2

N2

O2

аi

22,49

19,678

26,67

39,123

21,951

23,725

bi

0,00143

0,001758

0,004438

0,003349

0,001457

0,00155


 

Объёмная доля продуктов сгорания

Имеем:

 

 

Теплоемкость продуктов сгорания в конце процесса сжатия:

Энтальпия 1 кмоля свежей смеси в конце процесса сжатия кДж/кмоль Коэффициент использования теплоты = 0,76

 

Тогда:

°C  или
К

 

Давление в конце сгорания:

 МПа     (25)

где λ –  степень повышения давления.

1.4 Параметры процесса расширения

Рис. 4. Схема  работы расширения и выпуска и  их диаграммы

 

Задаемся показателем  политропы расширения .

Степень предварительного расширения

Степень последующего расширения

Температура конца расширения:

К    (28)

Давление конца расширения:

МПа     (29)

Среднее индикаторное давление цикла для  дизельных двигателей при коэффициенте скругления j = 0,97:

 

,   (30)

МПа

 

2 Основные показатели цикла

Примем среднюю скорость поршня м/с.

Доля индикаторного давления, затраченного на трение и привод вспомогательных  механизмов:

 

Рм = 0,105+ 0,012· = 0,105 + 0,012·9 = 0,21 МПа   (32)

 

Среднее эффективное давление цикла:

МПа  (33)

 

Механический  коэффициент полезного действия

,

Индикаторный КПД цикла:

Удельный индикаторный расход топлива:

г/кВт·ч 

   Удельный эффективный  расход топлива:

 г/(кВт·ч)

Эффективный КПД цикла:

    (38)

                          

Рис. 5. Индикаторная диаграмма четырехтактного дизельного двигателя 
3 Основные размеры двигателя

Для номинального режима работы двигателя определяется:

Рабочий объем цилиндра:

 л

Диаметр цилиндра:

 
мм

Тогда из соотношения:

  ход поршня мм

Общий объем двигателя:

 л

Литровая мощность:

 кВт/л

                                                   м/с    

                                                  м/с

Эффективный крутящий момент:

                                               Нм

 

Часовой расход топлива:

,кг/ч    (39)

 

4 Силы, действующие в КШМ

4.1 Построение индикаторной диаграммы

Построение  политроп сжатия и расширения производится вычислением ряда точек для промежуточных  объемов из уравнений:

для политропы  сжатия:

,   (40)

для политропы  расширения:

,     (41)

 

где - искомое давление процесса;

Va, =  1,61 - объёмы цилиндра

Vx- объём принимаемый в пределах  0-1,61

 

сжатие                         ,

 

расширение                ,

Остальные расчёты точек  занесем в таблицу 2.

                                                                                   Таблица 2 . Параметры политроп

Сжатие 

1

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

,МПа

5,00

2,01

1,12

0,67

0,4

0,22

0,17

0,14

0,12

0,1

0,087

Расширение

1

2

3

4

5

6

8

10

12

14

14,7

,МПа

9,00

4,4

3,28

2,39

1,81

1,39

1,05

0,82

0,6

0,4

0,31


 

 

мм    

 

 

Рис.6. Схема переноса индикаторной диаграммы из ρ-ν в Р-φ –  координаты

4.2 Силы давления газов

Сила давления газов равна:

,     (42)

где - давление в цилиндре двигателя над поршнем,

       - давление в картере;

       - площадь поршня, = 0,0119 м2.

Сила давления газов находится  перестроением индикаторной диаграммы  из координат P-V в координаты Р-φ.

4.3 Силы инерции движущихся масс КШМ

Весь кривошипно-шатунный механизм, заменяется системой двух сосредоточенных  масс, связанных жесткими невесомыми звеньями: массой в точке А, имеющей  возвратно-поступательные движение:

,     (43)

где - масса поршневой группы (данные из таблицы конструктивных масс КШМ)

 

 кг

 

- масса шатуна, отнесенного к  поршневой группе.

 кг     (44)

 

где - масса шатуна, (данные из таблицы конструктивных масс КШМ)

                             кг

 

 кг

 

В соответствии с принятой системой  двух масс, динамически  замещающей кривошипно-шатунный механизм, силы инерции сводятся к двум силам: силе инерции от возвратно-поступательно движущихся масс и центробежной силе инерции от вращающихся масс.

Сила инерции возвратно-поступательно  движущихся масс:

 

,  (45)

где R – радиус кривошипа, R = 0,0678 м;

      - частота вращения двигателя, равная:

c-1

- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, = 0,25

φ – угол поворота кривошипа за 4 такта. φ = 0…720о

 

4.4 Суммарные силы и моменты, действующие в КШМ

Суммарная сила равна:

      (46)

Сила Р, действующая вдоль  оси цилиндра, может быть разложена  на две составляющие:

а) боковую силу, перпендикулярную к оси цилиндра:

 

,                                                                 (47)

 

б) силу, направленную вдоль  оси шатуна:

,                                                                    (48)


Силу S можно перенести по линии ее действия в центр шатунной шейки кривошипа и разложить на две составляющие:

 а) нормальную силу, направленную по радиусу кривошипа:

 

,                                                    (49)


 б) тангенциальную силу, касательную к окружности радиуса  кривошипа:

,                                                    (50)


Нормальную силу перенесем по линии ее действия в центр вала и обозначим через - . Тангенциальную силу также перенесем в центр вала , при этом появляется присоединенная пара сил и с моментом Мкр, называемым крутящим моментом.

Крутящий момент:

 

,                                  (51)


Крутящий момент двигателя: 

 

,

Коэффициент неравномерности крутящего момента:

 

 

Рис. 7. Схема сил, действующих в КШМ

 

Внесем результаты расчетов формул (45)-(50) в таблицу.

                                      Таблица 4. Суммарные силы и моменты, действующие в КШМ

φ, град.

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

360

Pj

-29.4

-23.4

-8.81

5.87

14.7

17.5

17.6

17.5

14.7

5.87

-8.81

-23.4

-29.4

Рг

2.5

-0.15

-0.15

-0.15

-0.15

-0.15

-0.15

0

0.59

1.19

5.35

9.52

58.3

Р

-26.9

-23.5

-8.9

5.7

14.5

17.3

17.4

17.5

15.3

7.1

-3.5

-13.9

28.9

N

0

-2.96

-1.96

1.46

3.19

2.18

0

2.2

3.37

1.82

-0.77

-1.75

0

К

-26.9

-18.9

-2.7

-1.5

-10

-16.1

-17.4

-16.2

-10.6

-1.8

-1.1

-11.2

28.9

Т

0

-14.1

-8.69

5.7

10.96

6.26

0

-6.84

-11.6

-7.1

3.47

8.34

0

S

-26.9

-23.7

-9.1

5.9

14.8

17.5

17.4

17.7

15.6

7.3

-3.6

-14

28.9

Мкр

0

-953

-587

385

741

423

0

-462

-782

-480

235

564

0

φ, град.

390

420

450

480

510

540

570

600

630

660

690

720

  

Pj

-23.4

-8.81

5.87

14.7

17.5

17.6

17.5

14.7

5.87

-8.81

-23.4

-29.4

  

Рг

53.5

23.8

14.9

8.92

4.76

2.5

2.5

2.5

2.5

2.5

2.5

2.5

  

Р

30.2

15

20.8

23.6

22.3

20.1

20

17.2

8.37

-6.3

-20.9

-26.9

  

N

3.8

3.31

5.32

5.2

2.81

0

2.51

3.79

2.14

-1.39

-2.63

0

  

К

24.2

4.6

-5.4

-16.3

-20.7

-20.1

-18.6

-11.9

-2.2

-1.9

-16.8

-26.9

  

Т

18.12

14.64

20.8

17.84

8.72

0

-7.82

-13

-8.37

6.15

12.54

0

  

S

30.5

15.3

21.4

24.1

22.5

20.1

20.2

17.5

8.5

-6.4

-21.1

-26.9

  

Мкр

1225

990

1406

1206

589

0

-528

-879

-566

416

848

0

  

По данным таблицы 4 построим графики.

 

Список используемой литературы

  1. Автомобильные двигатели. Под ред. М.С. Ховаха. М., А22 «Машиностроение», 1977. -  591 с.
  2. Двигатели внутреннего сгорания: Учеб. для вузов по спец. «Строительные и дорожные машины и оборудование»/ Хачиян А.С., Морозов К.А., Луканин В.Н. и др.; Под ред. В.Н. Луканина.- 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1985. – 311с.
  3. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 2. Динамика Д 23 и конструирование: Учебник для вузов/В.Н. Луканин, И.В. Алексеев, М.Г. Шатров и др.; Под ред. В.Н. Луканина и М.Г. Шатрова. – 3-е изд. Перераб. – М.: Высш. шк., 2007. – 400с.
  4. Двигатели внутреннего сгорания: конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности «Двигатели внутреннего сгорания»/ Д.Н. Вырубов, С.И. Ефимов, Н.А. Иващенко и др.; Под ред А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - 4-е изд. перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1984. – 384 с.
  5. Пермяков В.В. Рабочие процессы, конструкция и основы расчета автомобильных двигателей: Учебное пособие. – Вл-к: Изд-во ВГУЭС, 2004. – 92 с.
  6. Теория двигателей внутреннего сгорания. Под ред. проф. д-ра техн. наук Н.Х. Дьяченко. Л., «Машиностроение», 1974. – 552 с.
  7. Ховах М.С. и Маслов Г.С. Автомобильные двигатели. Изд. 2-е перераб. и доп. – М.: «Машиностроение», 1971. – 456 с.

 

 


Расчет рядного 6-целендрового двигателя внутреннего сгорания