Основы теории и расчёта автомобильных и тракторных двигателей

Содержание

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Задание

1 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ ДВИГАТЕЛЯ

1.1 Характерные объёмы  цилиндров

1.2 Характеристика горючей  смеси и продуктов сгорания

1.3 Параметры состояния  газа перед впускными и за выпускными клапанами

1.4 Показатели процесса  наполнения

1.5 Показатели процессов  сжатия и сгорания

1.6 Показатели процесса  расширения

1.7 Индикаторные и эффективные  показатели двигателя

2 ДИНАМИКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО  СГОРАНИЯ

2.1 Определение масс движущихся  частей кривошипно-шатунного механизма

2.2 Определение сил, действующих  в кривошипно-шатунном механизме  и крутящего момента

3 ХАРАКТЕРИСТИКА ДВИГАТЕЛЯ

3.1 Внешняя скоростная  характеристика двигателя

3.2 Нагрузочная характеристика

3.3 Многопараметровая характеристика

Список использованных источников

 

 

Задание

1.Двигатель-прототип –  ГАЗ-24;

2.Номинальная эффективная  мощность двигателя прототипа , кВт – 70-80;

3.Номинальная частота  вращения вала двигателя , об/мин – 5000;

4.Числа цилиндров, z – 4P;

5.Диаметр цилиндра D, м – 0,092;

6.Ход поршня S, м – 0,092;

7.Отношение радиуса кривошипа  к длине шатуна, *_кр – 0,260;

8.Степень сжатия  – 7,3  ;

9.Коэффициент избытка  воздуха  – 0,86;

10.Степень предварительного  расширения  – 1,08;

11.Коэффициент эффективного использования теплоты при сгорании – 0,91;

12.Масса поршня _, кг – 0,62;

13.Масса шатуна _{, кг – 1,02;}

14.Отношение массы шатуна  приведенного к поршню, к массе  шатуна  _{– 0,278;}

15.Масса кривошипа _, кг – 3,90. 

1 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ ДВИГАТЕЛЯ

Рис.1.1 – Схема кривошипно-шатунных механизмов (рядного)

 

1.1 Характерные объёмы  цилиндров

Рабочий объём цилиндра

 

 

где D – диаметр цилиндра;

       S – ход поршня.

  (по заданию).

 

Объём камеры сжатия

 

где – степень сжатия.

      (по заданию).

 

Полный объём цилиндра

 

 

Текущий объём

 

где – угол поворота кривошипа;

      – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

; (по заданию).

 

 

       

 

Результаты расчётов выполненные от 0 до сводят в таблицу 1.1 и строя график зависимости изменения объёма цилиндра от угла поворота кривошипа.

 

 

Табл.1.1 – Зависимость  объёма цилиндра от угла поворота кривошипа

Параметры	Угол поворота кривошипа
	0 360	10 370		20 380		30 390	40 400		50 410		60 420	70 430		80 440		90 450
Объём цилиндра V, дм3	0,097	0,103		0,12		0,148	0,185		0,23		0,28	0,333		0,388		0,443
Параметры	Угол поворота кривошипа
	100 460	110 470		120 480		130 490	140 500		150 510		160 520	170 530		180 540		190 550
Объём цилиндра V, дм3	0,494	0,542		585		0,623	0,653		0,678		0,695	0,705		0,709		0,705
Параметры	Угол поворота кривошипа
	200 560	210 570		220 580		230 590	240 600		250 610		260 620	270 630		280 640		290 650
Объём цилиндра V, дм3	0,695	0,678		0,654		0,623	0,586		0,543		0,495	0,443		0,388		0,333
Параметры	Угол поворота кривошипа
	300 660		310 670		320 680			330 690		340 700			350 710		360 720
Объём цилиндра V, дм3	0,28		0,23		0,185			0,148		0,12			0,103		0,097

 

Рис.1.2 – Зависимость объёма цилиндра от угла поворота кривошипа

Литраж двигателя

 

где – число цилиндров;

      (по заданию).

 

1.2 Характеристика горючей  смеси и продуктов сгорания

Теоретически необходимое  количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:

 

где С – массовая доля в топливе углерода;

       Н - массовая доля в топливе водорода;

       О - массовая доля в топливе кислорода;

          _{– объёмная доля кислорода в воздухе}.

; [2];

 

Количество горючей смеси  на 1 кг топлива для карбюраторного двигателя

 

где – коэффициент избытка воздуха;

       – молекулярная масса топлива.

 (по заданию); [2]. Принимаю .

 

Количество продуктов сгорания на 1 кг топлива

 

 

Химический коэффициент  молекулярного изменения горячей  смеси при сгорании

 

 

 

1.3 Параметры состояния  газа перед впускными и за выпускными клапанами

 

Давление свежего заряда перед впускными клапанами для  двигателей без наддува

 

где – давление окружающей среды;

      – потеря давления в впускном трубопроводе.

; . Принимаем .

 

Температура свежего заряда перед впускными клапанами для  двигателей без наддува

 

где – температура окружающей среды;

      – температура подогрева свежего заряда.

 .. Принимаем .

 

Давление газа за выпускными клапанами двигателя без наддува

 

где – перепад давления в выпускном трубопровода;

. Принимаем .

 

 

1.4 Показатели процесса  наполнения

 

Количество остаточных газов

 

где – универсальная газовая постоянная;

      – температура остаточных газов в начале процесса впуска.

; . Принимаем .

Давление остаточных газов

 

где – коэффициент, учитывающий перепад давления остаточных газов в цилиндре по

       отношению к давлению за выпускными клапанами в конце процесса выпуска.

. Принимаем .

 

 

Давление в конце процесса наполнения

 

где – коэффициент, учитывающий перепад давления рабочей смеси перед впускными

       клапанами по отношению к давлению в цилиндре в конце процесса наполнения.

. Принимаем .

 

Коэффициент наполнения

 

где – повышение температуры свежего заряда от стенок цилиндра.

. Принимаем .

 

Коэффициент остаточных газов

 

 

Температура в конце процесса наполнения

 

 

 

Количество свежей смеси, заполнившей цилиндр

 

 

Количество рабочей смеси

 

 

1.5 Показатели процессов  сжатия и сгорания

Изменение давления в цилиндре в процессе сжатия

 

где – показатель политропы сжатия.

.

 

Давление в конце процесса сжатия

 

 

Температура в конце процесса сжатия

 

 

Коэффициент молекулярного  изменения при сгорании рабочей  смеси

 

 

 

Температуру в условном конце  сгорания , по методу расчёта, изложенному в работе. определяют решая уравнения

 

Для карбюраторного двигателя  входящие в уравнение зависимости  определяют по формулам

 

где ;

       – степень предварительного расширения.

(по заданию).

 

 

 

 

 

где ;

       ;

       – низшая теплотворная способность топлива;

       – коэффициент эффективности использования теплоты при сгорании.

; (по заданию).

 

 

 

 

 

Для карбюраторного двигателя  степень повышения давления определяется по заданной степени предварительного расширения

 

 

Давление в конце сгорания

 

 

Объём цилиндра в конце  сгорания

 

 

1.6 Показатели процесса  расширения

Давление в цилиндре на участке предварительного расширения принимают величиной постоянной равной .

Степень последующего расширения

 

 

При последующем расширении давление в цилиндре уменьшается  в результате увеличения объёма и  рассчитывается по формуле

 

где – показатель политропы расширения.

 Принимаем  .

Давление в конце процесса расширения

 

 

Температура в конце процесса расширения

 

 

Давления и температуры  в цилиндре двигателя в процессах  сжатия, сгорания и расширения вносятся в таблицу. По результатом расчёта рабочего процесса двигателя строятся индикаторные диаграммы, представляющие собой зависимости изменения давления газов в цилиндре от его объёма и угла поворота кривошипа.

В процессе наполнения давления принимают величиной постоянной, равной , а давление в процессе выпуска равным .

Табл.1.2 – Индикаторная диаграмма

Линия сжатия			Линия расширения
, град	V, дм3	Р, МПа	, град	V, дм3	Р, МПа
1	2	3	4	5	6
180	0,709	0,083	360	0,097	4,325
190	0,705	0,083	370	0,103	4,325
200	0,695	0,085	380	0,12	3,662
210	0,678	0,088	390	0,148	2,841
220	0,654	0,092	400	0,185	2,163
230	0,623	0,098	410	0,23	1,662
240	0,586	0,107	420	0,28	1,306
250	0,543	0,118	430	0,333	1,055
260	0,495	0,134	440	0,388	0,876

 

 

Продолжение табл.1.2

1	2	3	4	5	6
270	0,443	0,155	450	0,443	0,746
280	0,388	0,185	460	0,494	0,652
290	0,333	0,227	470	0,542	0,582
300	0,28	0,287	480	0,585	0,53
310	0,23	0,374	490	0,623	0,492
320	0,185	0,499	500	0,653	0,464
330	0,148	0,674	510	0,678	0,444
340	0,12	0,89	520	0,695	0,43
350	0,103	1,096	530	0,705	0,423
360	0,097	1,186	540	0,709	0,42

 

1.7 Индикаторные и эффективные  показатели двигателя

 

Среднее индикаторное давление

 

где – коэффициент полноты индикаторной диаграммы.

 [2].

 

 

Индикаторная мощность двигателя

 

где – тактность двигателя.

 

 

Средний индикаторный момент

 

Экономичность рабочего цикла  двигателя внутреннего сгорания характеризуется индикаторным КПД, который представляет собой отношение  тепла преобразованного в индикаторную работу цикла  к теплу, затраченного за цикл топлива .

 

 

Удельный индикаторный расход топлива

 

 

Среднее давление механических потерь

 

где – средняя скорость поршня.

 

      и – эмпирические коэффициенты.

[6]; [6].

 

 

Механический КПД двигателя

 

 

 

Среднее эффективное давление

 

 

Эффективный КПД двигателя

 

 

Эффективная мощность двигателя

 

 

 

Эффективный момент

 

Удельный эффективный расход топлива

 

 

Часовой расход топлива

 

 

 

2 ДИНАМИКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

 

К выполнению данного этапа  проекта приступают после определения  показателей рабочего процесса. Расчёты  проводят в следующей последовательности:

1.Определение движущих  масс кривошипно-шатунного механизма.

2.Определение сил, действующих  в кривошипно-шатунном механизме  и крутящего момента.

Для проведения расчётов необходимо составить схему сил действующих  в кривошипно-шатунном механизме.

Силы, действующие на кривошипно-шатунный механизм

2.1 Определение масс движущихся  частей кривошипно-шатунного механизма

Масса возвратно-поступательно движущихся частей

 

где – масса поршня;

      – масса шатуна, приведенная к поршню.

; (по заданию).

 

Масса вращающихся частей

 

где – масса кривошипа;

      – масса шатуна, приведенная к кривошипу.

; (по заданию).

 

2.2 Определение сил, действующих  в кривошипно-шатунном механизме  и крутящего момента

Сила от давления газов  на поршень

 

где – давление газов в цилиндре.

Сила инерции возвратно-поступательных масс

 

Суммарная сила действующая на поршень

 

Нормальная сила, действующая  перпендикулярно оси цилиндра

 

где – угол отклонения шарнира от оси цилиндра.

Сила действующая на кривошип

 

 

Центробежная сила, действующая на кривошип

 

Полная радиальная сила на кривошипе

 

Тангенциальная сила на одном кривошипе

 

Крутящий момент от одного цилиндра,

 

По данным результатом  строим диаграммы от угла поворота кривошипа от 0 до 720 действующая на поршень и кривошип.

Определить суммарный индикаторный момент

 

Среднее величина индикаторного  момента многоцилиндрового двигателя  определяется индикаторной работой  периода, отнесенной к углу поворота

 

Эффективный момент двигателя

 

Эффективный мощность

 

где – угловая скорость вала двигателя, рад/сек.

 

Полученные результаты расчёта  индикаторного момента и индикаторной мощности, не значительно отличаются от действующей параметров полученных при расчёте рабочего процесса двигателя.

 

 

 

Табл.2.1 – Такт впуска. Силы, действующие на поршень

0	0,083	-121,9	-14361	-14483	0	-14483
20	0,083	-121,9	-12980	-13102	-1169	-13102
40	0,083	-121,9	-9244	-9366	-1587	-9366
60	0,083	-121,9	-4215	-4337	-1002	-4337
80	0,083	-121,9	685	685	181	685
100	0,083	-121,9	4644	4644	1230	4644
120	0,083	-121,9	7059	7059	1631	7059
140	0,083	-121,9	8095	8095	1371	8095
160	0,083	-121,9	8318	8318	741	8318
180	0,083	-121,9	8312	8312	-0,88	8312

Табл.2.2 – Такт впуска. Силы, действующие на кривошип

0	0,083	-121,9	-14483	-72969	0	0
20	0,083	-121,9	-11911	-70397	-5581	-256
40	0,083	-121,9	-6153	-64640	-7237	-332
60	0,083	-121,9	-1299	-59785	-4257	-195
80	0,083	-121,9	-59	-58546	707	32
100	0,083	-121,9	-2018	-60504	4359	200
120	0,083	-121,9	-4944	-63430	5297	243
140	0,083	-121,9	-7084	-65570	4150	190
160	0,083	-121,9	-8071	-66557	2144	98
180	0,083	-121,9	-8312	-66798	-2,5	-0,115

Табл.2.3 – Такт сжатия. Силы, действующие на поршень

180	0,083	-121,9	8434	8312	-0,88	8312
200	0,085	-107,3	8440	8333	-744	8366
220	0,092	-58,9	8215	8157	-1383	8273
240	0,107	38,2	7178	7216	-1668	7406
260	0,134	218	4758	4977	-1318	5149
280	0,185	559	797	1356	-359	1403
300	0,287	1239	-4227	-2988	690	-3066
320	0,5	2654	-9255	-6600	1117	-6694
340	0,892	5259	-12986	-7727	688	-7757
360	1,186	7213	-14361	-7147	-1,514	-7147

Табл.2.4 – Такт сжатия. Силы, действующие на кривошип

180	0,083	-121,9	-8312	-66798	-2,5	-0,115
200	0,085	-107,3	-8084	-66570	-2153	-99
220	0,092	-58,9	-7135	-65621	-4186	-192
240	0,107	38,2	-5049	-63536	-5418	-249
260	0,134	218	-2160	-60646	-4674	-215
280	0,185	559	-117	-58603	-139	-64
300	0,287	1239	-898	-59384	2932	134
320	0,5	2654	-4341	-62827	5096	234
340	0,892	5259	-7028	-65514	3284	151
360	1,186	7213	-7147	-65633	-7	-0,337

Табл.2.5 – Такт расширения. Силы, действующие на поршень

360	4,325	28084	-14361	13722	2,906	13722
380	3,657	23643	-12974	10669	954	10712
400	2,159	13643	-9233	4450	755	4514
420	1,304	7999	-4202	3796	877	3896
440	0,874	5142	818	5961	1579	6166
460	0,651	3658	4773	8432	2233	9722
480	0,53	2853	7185	10038	2318	10302
500	0,464	2411	8218	10629	1799	10780
520	0,43	2189	8440	10630	945	10672
540	0,42	2122	8434	10556	-3	10556

Табл.2.6 – Такт расширения. Силы, действующие на кривошип

360	4,325	28084	13722	-44763	14,085	0,648
380	3,657	23643	9695	-48790	4554,788	209
400	2,159	13643	2920	-55565	3441	158
420	1,304	7999	1134	-57351	3727	171
440	0,874	5142	-526	-59012	6144	282
460	0,651	3658	-3671	-62157	7912	363
480	0,53	2853	-7035	-65521	7526	346
500	0,464	2411	-9305	-67791	5443	250
520	0,43	2189	-10315	-68801	2734	125
540	0,42	2122	-10556	-69047	-9,544	-0,439

 

Табл.2.7 – Такт выпуска. Силы, действующие на поршень

540	0,420	2122	8434	10556	-3,353	10556
560	0,117	103	8440	8543	-765	8578
580	0,117	103	8264	8318	-1412	8437
600	0,117	103	7174	7277	-1683	7470
620	0,117	103	4751	4854	-1286	5022
640	0,117	103	786	890	-235	920
660	0,117	103	-4239	-4133	954	-4244
680	0,117	103	-9266	-9162	1550	-9292
700	0,117	103	-12992	-12889	1145	-12939
720	0,117	103	-14361	-14257	-6,039	-14257

Табл.2.1 – Такт выпуска. Силы, действующие на кривошип

540	0,420	2122	-10556	-69042	-9,544	0,439
560	0,117	103	-8287	-66773	-2213	-101
580	0,117	103	-7274	-65760	-4274	-196
600	0,117	103	-5089	-63575	-5468	-251
620	0,117	103	-2103	-60589	-4510	-209
640	0,117	103	-76	-58562	-917	-42
660	0,117	103	-1247	-59733	4057	186
680	0,117	103	-6033	-64519	7067	325
700	0,117	103	-11728	-70214	5466	251
720	0,117	103	-14253	-72743	-29,268	-1,346

 

 

3 ХАРАКТЕРИСТИКА ДВИГАТЕЛЯ

 

3.1 Внешняя скоростная  характеристика двигателя

Внешняя скоростная характеристика представляет собой зависимость  эффективного крутящего момента , эффективной мощности , удельного расхода топлива и часового расхода топлива при полном открытии дроссельной заслонки в карбюраторном двигателе или при положении органа управления подачей топлива в низу, обеспечивающей получений номинальной мощности, в зависимости от скорости вращения вала двигателя .

Для расчета зависимости  эффективной мощности от скорости вращения вала двигателя используют эмпирическое уравнение

 

где – эмпирические коэффициенты.

       – эффективная мощность двигателя на номинальном режиме, получаем при выполнении расчёта рабочего процесса двигателя.

Построение внешней скоростной характеристике необходимо производить  в диапазоне от до .

Если на авто установлен карбюраторный двигатель без  ограничения скорости вращения вала, то принять . В случае применению карбюраторного двигателя с ограниченной скорости вращения то .

Эффективный момент двигателя определяют по формуле

 

Удельный эффективный  расход топлива рассчитывают по формуле

 

где – удельный эффективный расход топлива при максимальной мощности;

       – коэффициент учитывающий изменение удельного расхода топлива при изменении угловой скорости вращения вала.

. Принимаем .

Коэффициент приближено можно определить по эмпиричному выражению:

 

где – коэффициенты зависящие от типа и конструкции двигателя.

При проведении расчётов можно  принимать ; ; .

Часовой расход топлива 

 

Результаты заносим в  таблицу 3.1

Табл.3.1 – Внешняя скоростная характеристика двигателя

156,99	24,54	156,3	377,82	9,27
209,32	34,23	163,55	362,25	12,4
261,65	43,77	167,3	350,93	15,36
313,98	52,61	167,56	343,85	18,09
366,31	60,19	164,31	341,02	20,53
418,64	65,96	157,77	342,43	22,59
470,97	69,38	147,32	348,09	24,15
523,3	69,9	133,58	358	25,02
575,65	66,96	116,33	372,15	24,92

 

3.2 Нагрузочная характеристика

 

Нагрузочную характеристику необходимо построить для 6-8 значений скорости вращения вала двигателя начиная  от минимальной до максимальной включая номинальный режим.