Тепловой и динамический расчет двигателя
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра
“Двигатели внутреннего сгорания”
Группа 101421
“Тепловой и динамический расчет двигателя”
по дисциплине “Автомобильные двигатели”
Введение…………………………………………………………
1.Исходные данные для
2.Тепловой расчет и
2.1.Процесс наполнения…………………………………...…………
2.2.Процесс сжатия………………………………………….…………………
2.3.Процесс сгорания………………………………………….……………
2.4.Процесс расширения ………………………………….…………………….……..9
2.5.Процесс выпуска………………………………….………………………
2.6.Индикаторные показатели…………………………….……………………
2.7.Эффективные показатели………………………………………………….
2.8.Основные показатели и размеры цилиндра двигателя…………………………12
2.9.Анализ полученных результатов……………………………………………….
3.Динамический расчет………………………
3.1.Построение индикаторной диаграммы………………………………………….18
3.2.Перестроение индикаторной диаграммы…………………………………….....19
3.3.Построение графиков сил
инерции и суммарной силы ……………………...20
3.4.Построение графиков сил Т и К…………………………………………………20
3.5.Построение графика суммарного крутящего момента…………………………22
4.Расчет и построение
графиков внешней скоростной характеристики
двигателя………………………………………………………
5.Система питания…………………………………
5.1.Карбюраторные системы питания……………………………………………….26
5.2.Инжекторные системы питания…………………………………………………28
Заключение……………………………………………………
Литература……………………………………………………
Введение
Тепловой расчет двигателя служит для определения параметров рабочего тела в цилиндре (рабочей полости) двигателя, а также оценочных показателей процесса, позволяющих определить размеры двигателя и оценить его мощностные и экономические показатели.
В основе приведенной методики расчета лежит метод В.И. Гриневецкого, в дальнейшем усовершенствованный Е.К. Мазингом. Н.Р. Брилингом, Б.С. Стечкиным и др.
Проведение теплового расчета позволяет освоить связь между отдельными элементами рабочего цикла и получить представление о влиянии различных факторов на показатели двигателя в целом.
Задачей динамического расчета является определение сил, действующих в механизмах преобразования энергии рабочего тела в механическую работу двигателя.
Как правило, тепловой и динамический расчеты выполняются для режима номинальной мощности.
1.Исходные данные для теплового расчета
Ne кВТ |
N, об/мин |
τ |
í |
S/D |
α |
ε |
50 |
5650 |
4 |
4Р |
0,87 |
0,8 |
8,5 |
Ne-эффективная мощность, кВТ;
n-частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин;
τ-тактность;
í-число цилиндров двигателя;
S-ход поршня, м;
D-диаметр цилиндра, м;
α-коэффициент избытка воздуха;
ε-степень сжатия;
2.Тепловой расчет и определение основных
размеров двигателя
- Процесс наполнения
В результате данного процесса цилиндр двигателя наполняется свежим зарядом. Давление и температура окружающей среды принимаются:
p0 = 0,10Мпа (1,03кг/см²), Т0=298К для автомобильных двигателей.
Давление остаточных газов в зависимости от типа двигателя pr = (1,05…1,25)p0; исходя из этого принимаем pr=0,125МПа.
Температура остаточных
газов выбирается в
Тr = 1000 К
В зависимости от типа двигателя температура подогрева свежего заряда DТ = -5…30 К, примем
DТ = 20 К
Давление в конце впуска
Рa=Р0-DРa.
Величина потери давления на впуске DРa для бензиновых
двигателей DРa = (0,06…0,2)Р0, тогда
DРа = 0,05×0,1=0,005 МПа
Рa=0,10-0,013=0,087 МПа
Коэффициент остаточных газов:
Величина коэффициента остаточных газов γr изменяется в пределах:
для бензиновых γr =0,06…0,12.
где e - степень сжатия. e =8,5
Температура в конце впуска:
В современных двигателях температура в конце впуска бывает:
для бензиновых Ta=(320…360).
Коэффициент наполнения:
Величина коэффициента
наполнения для бензиновых
2.2.Процесс сжатия
Давление в конце сжатия:
Температура в конце сжатия:
В этих формулах n1 – показатель
политропы сжатия, который для
автотракторных двигателей
Для автотракторных
двигателей давление и
Таблица 1
Тип двигателя |
Pc,Мпа (кг/см²) |
Tc, К |
Бензиновые |
0,9…1,6 (9…16) |
550…750 |
2.3.Процесс сгорания
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг жидкого топлива:
где qс; qh; qo - cредний элементарный состав топлива в долях кг соответственно углерода, водорода и кислорода. Для бензинового топлива принимают:
qc = 0,85; qh= 0,15; qo= 0;
Количество кмолей свежего
заряда для бензиновых
где a =0,8 – коэффициент избытка воздуха
mt–молекулярная масса топлива для бензиновых двигателей mt=110…120 кг/кмоль
Количество продуктов сгорания при работе двигателей на жидком топливе
при a<1
Теоретический коэффициент молекулярного изменения:
Действительный коэффициент молекулярного изменения
Величина μ для бензиновых двигателей изменяется в пределах μ=1,02…1,12.
Низшую теплоту сгорания дизельного топлива принимаем:
Для двигателей, работающих с α<1 подсчитывается потеря тепла вследствии неполноты сгорания топлива:
Средняя мольная теплоемкость свежего заряда определяется по формуле:
Средняя мольная
теплоемкость продуктов
Значение коэффициента использования теплоты для бензиновых двигателей при работе на нормальном режиме ξ=0,85…0,95
Максимальная температура
сгорания подсчитывается по
Примем коэффициент использования тепла x= 0,9. Решая совместно два последних уравнения, находим TZ
TZ=2612,9 К
Величина теоретического максимального давления цикла:
Степень повышения давления для бензиновых двигателей
Действительное давление цикла:
Таблица 2
Тип двигателя |
Tz, K |
PzT, Мпа (кг/см²) |
Pzd, Мпа (кг/см²) |
Бензиновые |
2300…2800 |
3,5…6,5 (35…65) |
3,0…5,5 (30…55) |
2.4.Процесс расширения
Степень предварительного
расширения для бензиновых
Степень последующего расширения для бензиновых двигателей:
Температура в конце расширения:
Примерные значения Pb и Tb для автотракторных двигателей следующие:
Таблица 3
Тип двигателя |
Рb, Мпа (кг/см²) |
Tb, K |
Бензиновые |
0,34…0,50 (3,4…5,0) |
1200…1700 |
2.5.Процесс выпуска
Параметрами процесса выпуска (Рr и Тr) задаются в начале расчета процесса впуска. Правильность предварительного выбора величин Рr и Тr проверяется по формуле проф. Е. К. Мазинга:
Погрешность вычислений составляет:
Т.к. погрешность вычислений не превышает 10% ,то величина Тr выбрана правильно.
2.6.Индикаторные показатели
Среднее индикаторное
давление теоретического цикла
для дизельных двигателей
Среднее индикаторное давление действительного цикла:
где jп – коэффициент полноты диаграммы, который принимается для двигателей с искровым зажиганием jп = 0,94...0,97
Принимаем jп = 0,95
Величина Рi для бензиновых двигателей изменяется в следующих пределах Рi=0,8…1,18 МПа
Индикаторный КПД для бензиновых двигателей подсчитывается по формуле:
Удельный индикаторный расход топлива определяется по уравнению:
Величина индикаторного КПД для автотракторных бензиновых двигателей
ηi= 0,25…0,40
2.7.Эффективные показатели
Механический КПД ,бензинового двигателя hм =0,70…0,85;
Принимаем hм=0,85
Тогда среднее эффективное давление:
а эффективный КПД:
Удельный эффективный расход топлива:
Для существующих бензиновых двигателей эффективные показатели могут иметь следующие величины (табл. 4);
Таблица 4
Двигатели |
η% |
Ре, МПа (кгс/см²) |
Gе, г/кВтч (г/эл.с.ч) |
бензиновые |
23…30 |
0,5…1,1 (5…10) |
280…345 (210…260) |
2.8. Оснoвные показатели и размеры цилиндра двигателя
По эффективной мощности, частоте вращения
коленчатого вала и среднему эффективному давлению определяем литраж двигателя:
где, Ne =50 кВт;
Ре =0,782 МПа;
п =5650 об/мин;
t = 4 для четырехтактных двигателей
Рабочий объем одного цилиндра:
где i – число цилиндров двигателя.
Диаметр цилиндра:
Ход поршня:
S=D*(S/D);
S=0,079*0,85=0,069м
Полученные теоретические значения D и S округляем до ближайшего четного или кратного пяти. По окончательно принятым значениям D=0,08м и S=0,07м определяем основные параметры и показатели двигателя:
Литраж двигателя :
эффективную мощность:
эффективный крутящий момент:
часовой расход жидкого топлива:
среднюю скорость поршня:
Определим погрешность вычисления Ne:
Литровая мощность определяется по формуле:
Величина литровой мощности для автотракторных бензиновых двигателей колеблется в пределах:
Сводная таблица результатов
теплового расчета
1 |
2 |
3 |
Параметр |
Вычисленное значение |
Экспериментальное значение |
γr |
0,0645 |
(0,06...0,12) |
Ta, К |
359,3 |
(320...360) |
ηv |
0,768 |
(0,70...0,85) |
Pc, МПа |
1,53 |
(0,9...1,6) |
Tc, К |
743,8 |
(550...750) |
µ |
1,11 |
(1,02...1,12) |
PzT, МПа |
5,96 |
(3,5...6,5) |
Pzd, МПа |
5,066 |
(3...5,5) |
Tz, К |
2612,9 |
(2300...2800) |
Pb, МПа |
0,385 |
(0,34...0,5) |
Tb, К |
1435,1 |
(1200...1700) |
Pi, МПа |
0,92 |
(0,8...1,18) |
ηi |
0,284 |
(0,25...0,4) |
gi, г/(кВт*ч) |
288,1 |
(253...340) |
Pe, МПа |
0,782 |
(0,5...1,1) |
ηe |
0,241 |
(0,23...0,3) |
ge, г/(кВт*ч) |
338,9 |
(280...345) |
2.9. Анализ полученных результатов
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.
Вычисленные значения некоторых величин (давление и температура конца сжатия, давление конца сгорания, давление и температура конца расширения, а также коэффициент наполнения и среднее эффективное давление) входят в интервалы значений экспериментальных данных.
3. Динамический расчет
Порядок выполнения расчета для поршневого двигателя
Динамический расчет кривошипно-шатунный механизм 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 р-V.
- Перестраиваем индикаторную диаграмму, выполненную по результатам теплового расчета, в координаты р-φ.
- 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.
Силу давления газов на днище поршня определяем по формуле:
Результаты расчета заносятся в табл. 5.
- Определяем силу инерции от возвратно-поступательно движущихся масс:
Масса поступательно движущихся частей КШМ определяется из выражения:
где Χ - доля массы шатуна, отнесенная к возвратно-поступательно движущимся массам
χ=0,26.
Значения mп и mш берутся из справочника.
mп = 0,49 кг, mш=0,637 кг.
Угловая скорость ω, входящая в формулу(2):
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 РΣ, а также Рг и РJ заносятся в табл.5.
- Определяем нормальную силу К, направленную по радиусу кривошипа
7. Определяем тангенциальную
силу Т, направленную по касательной
к окружности радиуса
Результаты определения К и Т заносим в таблицу 6
Рисунок 1 – Схема сил в КШМ.
3.1 Построение индикаторной диаграммы
Индикаторная диаграмма строится в координатах p-V. Построение индикаторной диаграммы двигателя внутреннего сгорания производится на основании теплового расчета.
В начале построения на оси абсцисс откладывают отрезок AB, соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня в масштабе ms, который в зависимости от величины хода поршня проектируемого двигателя может быть принят 1:1, 1.5:1, или 2:1.
Принимаем 1.5:1.
Отрезок ОА, соответствует объему камеры сгорания, определяется из соотношения
При построении
диаграммы выбираем масштаб
Затем по данным теплового расчета на диаграмме откладывают в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках а, с, z’, z, b, r. Точка z для бензинового двигателя соответствует pzT
По наиболее распространенному графическому методу Бауэра политропы сжатия и расширения строим следующим образом.
Из начала координат проводим луч OK под углом α0=15° к оси координат. Далее из начала координат проводим лучи ОД и ОЕ под углами β1 и β2 к оси ординат. Эти углы определяют из соотношений:
, .
β1=21°
Политропу сжатия строим с помощью лучей ОК и ОД. Из точки С проводим горизонталь до пересечения с осью ординат; из точки пересечения – линию под углом 45° к вертикали до пересечения с лучом ОД, а из этой точки—вторую горизонтальную линию, параллельную оси абсцисс. Затем из точки С проводим вертикальную линию до пересечения с лучом ОК. Из этой точки пересечения под углом 45° 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 1 политропы сжатия. Точку 2 находим аналогично, принимая точку 1 за начало построения.
Политропу расширения строим с помощью лучей ОК и ОЕ, начиная от точки z, аналогично построению политропы сжатия. Критерием правильности построения политропы расширения является приход ее в ранее нанесенную точку b.
После построения политропы
сжатия и расширения
,
мм
Величина О'О'1 представляет собой поправку Брикса. Из точки О1' под углом γ0=42° (угол предварения открытия выпускного клапана, выбирается из таблицы или по прототипу) проводим луч О1В1. Полученную точку В1, соответствующую началу открытия выпускного клапана, сносим на политропу расширения (точка b1).
Луч О1'С1 проводим под углом Θ0, соответствующим углу опережения зажигания (Θ0= 25° ПКВ до в. м. т.), а точку С1 сносим на политропу сжатия, получая точку с1'. Затем проводят плавные кривые с1’c’’ изменяя линии сжатия в связи с опережением зажигания и b1’b’’ изменения линии расширения в связи с предварением открытия выпускного клапана. При этом можно считать, что точка b’’ находиться на середине расстояния ba , а ордината точки с’’ находиться из соотношения pc''=1,2pс и откладывается на линии AZ’. Наклон линии сгорания можно определить исходя из величины скорости сгорания
pc''=0,85pz’
pc''=0,85*149=127
Для этого находят разность давлений между pz и pz’ , а затем делят ее на скорость нарастания давления, получая при этом угол δ0 проводят соответствующий углу поворота коленчатого вала за период сгорания от pc до pz’:
3.2. Перестроение индикаторной диаграммы
Развертку индикаторной диаграммы в координаты p-φ выполняем справа от индикаторной диаграммы. Ось абсцисс развернутой диаграммы располагаем по горизонтали на уровне линии р0 индикаторной диаграммы. Длина графика (720° ПКВ) делим 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 О' на 6 равных частей, а затем из центра Брикса (точка О1') проводим линии, параллельные вспомогательным лучам, до пересечения с полуокружностью.
Вновь полученные точки на полуокружности соответствует определенным углам φ 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 φ на индикаторной диаграмме определяем величину давления в надпоршневой полости и заносим в табл.5. Модуль газовой силы находится по формуле(1) и также заносим в таблицу. 5. По данным этой таблицы строим зависимость Рг=f(φ).
Полученные точки на графике соединяем плавной кривой.
3.3. Построение графиков сил Рj и PΣ
График силы инерции Рj строим в том же масштабе и на той же координатной сетке, где выстроен график газовой силы Рг. На основании полученных графиков Рг и Рj на той же координатной сетке и в том же масштабе строим график суммарной силы РΣ.
Определение модуля силы РΣ для различных значений угла φ выполняем путем суммирования в каждой точке ординат графиков Рг=ƒ(φ) и Рj=ƒ(φ) с учетом их знаков или модулей сил Рг и Рj из табл. 5.
Масштабные коэффициенты mPг =mPj=mPΣ=200.
3.4.Построение графиков сил Т и К
Координатную сетку для графика сил Т и К размещаем под координатной сеткой сил Рг, Рj, РΣ . график сил Т и К строим в том же масштабе, что и предыдущий график (mT=mK=200).