Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Тепловой и динамический расчет двигателя. 3

Инв. № подп

Подп. и дата

Взам. инв. №

Инв. № дубл.

Подп. и дата

Лит

Лист

Листов

ДГТУ

Каф. «СТЭАС»

Курсовой проект по РПКД

Пояснительная записка

РПКД.590000.000ПЗ

Лит

№ докум.

Изм.

Подп.

Дата

Пономарев .В

Разраб.

Сокол Н.А.

Пров.

Т. контр.

Н. контр.

Утв.

Содержание

Введение 4

1. Тепловой расчет двигателя 5

1.1. Параметры рабочего цикла 5

1.2. Расчет параметров впуска 6

1.3. Расчет параметров сжатия 7

1.4. Расчет параметров сгорания 8

1.5. Расчет параметров расширения 9

1.6. Расчет индикаторных показателей цикла 10

1.7. Расчет эффективных показателей цикла 11

1.8. Построение индикаторной диаграммы 13

2. Динамический расчет двигателя 14

2.1. Построение диаграмм развернутой индикаторной, сил инерции, суммарной силы 14

2.2. Построение сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме 15

2.3. Диаграммы крутящего момента двигателя 18

2.4. Построение полярной диаграммы нагрузок на шатунную шейку коленвала. 19

2.5. Развернутая диаграмма нагрузок, действующих на шатунную шейку. 20

2.6. Диаграмма износа шатунной шейки 20

2.7. Порядок построения полярной диаграммы нагрузок, действующей на коренную шейку коленчатого вала 22

2.8. Развернутая диаграмма нагрузок, действующих на коренную шейку. 22

Список литературы 23

Лист 1

Лист 2

Введение

Тепловой расчет позволяет определить основные показатели работы ПДВС, проанализировать влияние различных факторов на эффективность работы двигателя в эксплуатации.

Динамический расчет позволяет определить силы и моменты, действующие в кривошипно-шатунном механизме (КШМ) двигателя, оценить их влияние на динамику двигателя, износ и другие эксплуатационные факторы.

На первом листе вычерчиваются: развернутые графики сил давления газов, сил инерции, суммарной силы, а также сил, действующих на шатунную шейку коленчатого вала, и график крутящих моментов для каждого цилиндра согласно порядка работы двигателя, а также график суммарного крутящего момента и распределения нормальной силы по высоте цилиндра.

На втором листе размещаются: полярная диаграмма удельных нагрузок на шейки коленчатого вала; диаграмма износа шатунной шейки, развернутые диаграммы полярных нагрузок на шатунные и коренные шейки коленчатого вала.

Тепловой расчет двигателя

В основу теплового расчета двигателей внутреннего сгорания положено определение значений основных параметров цикла-впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска с последующим определением индикаторных и эффективных показателей, коэффициентов полезного действия, мощностных и экономических показателей.

Обычно тепловой расчет выполняется для режима работы двигателя, соответствующего максимальной мощности и номинальной частоте вращения. В курсовой работе проводится параллельный расчет для различных природно-климатических условий с целью выявления их влияния на технико-экономические показатели работы двигателя.

Параметры рабочего цикла

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания одного килограмма жидкого топлива:

(1.1)

Где С,Н,О – массовые доли углерода, водорода и кислорода в топливе.

В бензине: С = 0,855; Н = 0,145; 0 = 0.

При расчете в кМоль на кг:

(1.2)

Где m_в=29; молекулярная масса воздуха,

Количество свежего заряда:

(1.3)

Где α – коэффициент избытка воздуха;

m_T = 115 кг/кМоль – молярная масса топлива;

Количество продуктов сгорания:

При α = 0,94:

(1.4)

Расчет параметров впуска

При расчете параметров впуска, сжатия, сгорания и расширения в качестве параметров считать давление, температуру и объем с индексами в нижней части, обозначающими соответствующие точки индикаторной диаграммы.

Давление в конце впуска:

(1.5)

Где P₀ = 0,09 МПа – атмосферное давление,

∆Р_а – потери давления во впускной системе, МПа.

Потери давления во впускной системе можно рассчитать по эмпирической формуле:

(1.6)

Где А = 8,5; коэффициент, учитывающий радиус кривошипа, диаметр поршня, длину шатуна, площадь наименьшего сечения впускной системы, коэффициент затухания скорости движения заряда;

n = 3200 об/мин – частота вращения коленчатого вала;

ρ₀ = плтность заряда на впуске, кг/см³

(1.7)

Где R_b = 287 Дж/кгК – газовая постоянная воздуха;

Т₀ = температура окружающего воздуха.

Коэффициент наполнения

(1.8)

Где Е = 7,1 – степень сжатия;

Pr –давление остаточных газов, при расчете принимаем

Pr = 1,25Po; (1.9)

T^I₀ = T₀ + ∆T, K (1.10)

T^I₀ – температура свежего заряда с учетом подогрева в впускном трубопроводе;

∆Т = 20К

Температура в конце впуска:

(1.11)

Где Tr = 900 K – температура остаточных газов;

Коэффициент остаточных газов:

(1.12)

Расчет параметров сжатия

Средний показатель политропы сжатия n₁ можно определить по эмпирической формуле:

(1.13)

Где n – частота вращения коленчатого вала.

Давление в конце такта сжатия:

(1.14)

Температура в конце сжатия:

(1.15)

Расчет параметров сгорания

Расчет производится на основе уравнения сгорания:

(1.16)

Где =43900 кДж/кг – низшая теплопроводная способность топлива;

– потеря тепла в связи с неполнотой сгорания жидкого топлива кДж/кг;

= 0,85 – коэффициент использования тепла;

– расчетный коэффициент молекулярного изменения:

(1.17)

Где – число молей остаточных газов:

(1.18)

(1.19)

и – средняя молярная теплоемкость свежего заряда в конце сжатия и продуктов сгорания:

(1.20)

(1.21)

Давление в конце сгорания у карбюраторного двигателя:

(1.22)

Для бензиновых двигателей степень повышения давления:

(1.23)

Расчет параметров расширения

Давление в конце процесса расширения

(1.24)

Где n₂ – средний показатель политропы расширения;

n₂ = 1,25

Температура в конце расширения:

(1.25)

После расчета процессов цикла необходимо проверить правильность ранее принятой температуры остаточных газов:

(1.26)

Если ошибка превышает 10%, то необходимо повторить расчет с уточнённым значением Tr.

Расчет индикаторных показателей цикла

Теоретическое среднее индикаторное давление для карбюраторных двигателей:

(1.27)

Действительное среднее индикаторное давление для округлой индикаторной диаграммы:

(1.28)

Где =0,97 – коэффициент полноты индикаторной диаграммы.

Индикаторный КПД для двигателей определяется по формуле:

(1.29)

(1.30)

Индикаторный удельный расход топлива:

(1.31)

Расчет эффективных показателей цикла

Среднее давление механических потерь Pm определяется по эмпирическим формулам с учетом средней скорости поршня Vср.

(1.32)

Где S – ход поршня, м;

n – частота вращения коленчатого вала, мин^-1.

Для карбюраторных двигателей

(1.33)

Среднее эффективное давление

(1.34)

Механический КПД определяем по соотношению:

(1.35)

Эффективный КПД будет равен:

(1.36)

Удельный эффективный расход топлива:

(1.37)

Эффективная мощность:

(1.38)

Где V_h – рабочий объем цилиндра, л;

(1.39)

i =8 - число цилиндров;

= 4 – коэффициент тактности;

Часовой расход топлива

(1.40)

Результаты расчета сводятся в таблицу 1.1, проводится их анализ и делается вывод о влиянии значений условий работы на показатели двигателя.

Таблица 1.1

	Т₀	P₀	Т_a	*_v		Т₂	P₂	P_i	P_e	*_e	N_e	g_e	G_t
1 вариант	257	0,09	323,091	0,757	0,757	2669,624	4,936	0,956	0,753	0,26	120,48	315,402	37,1
2 вариант	307	0,09	375,469	0,79	0,084	2717,894	4,434	0,825	0,622	0,246	99,52	333,352	33,175

Построение индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма строится в левом углу чертежного листа формата А1. Диаграмма строится для одного варианта расчета, который выбирается самостоятельно. Масштаб диаграммы выбирается такой, чтобы отношение высоты диаграммы к её ширине было близким к 1,5. Для этого по оси абсцисс откладывают отрезок V_c = 10-15 мм и принимаем его равным единице, тогда:

(1.41)

Отрезки V_c, V_h, V_a – отмечают размерными линиями со стрелками и из конечных точек восстанавливают перпендикуляры, на которых в соответствии с выбором масштаба давлений отмечают точки P_c, P_r, P_a, P₀, P_z, P’_z, P_t.

Через точку P₀ проводят линию атмосферного давления.

Построение политропы сжатия и расширения рекомендуется произвести аналитическим методом. Промежуточные точки давлений P_x и соответствующие им промежуточные объемы, расположенные между V_c и V_a и между V_z и V_b, определяем из следующих зависимостей:

Для политропы сжатия:

, МПа (1.42)

Для политропы расширения:

, МПа (1.43)

Где V_x – произвольно выбранный объем: 0,0625; 0,125; 0,1875; 0,25; 0,3125; 0,375 л;

P_x – давление, соответствующее этому объему.

Мпа

МПа

Мпа

Динамический расчет двигателя

Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма заключается в определении сил и моментов, действующих во время работы двигателя. В течении каждого рабочего цикла силы непрерывно меняются по величине и направлению, поэтому для определения характера изменения их величины рассчитываются для ожидаемых положений коленчатого вала через каждые 30 градусов.

Построение диаграмм развернутой индикаторной, сил инерции, суммарной силы

Построение индикаторной диаграммы в развернутую по углу поворота коленчатого вала производится по методу Ф.А. Брикса. Для этого под диаграммой строят вспомогательную полуокружность диаметром равным отрезку объема V_h.

Далее от центра полуокружности вправо откладывают поправку Брикса, равную:

(2.1)

Где R – радиус кривошипа, мм;

(2.2)

S – ход поршня, мм;

– безразмерный кинематический параметр;

(2.3)

– длина шатуна, мм.

Полуокружность делят лучами из центра 0 на 6 равных частей, через каждые 30 градусов из точки 0’ проводят линии параллельные этим точкам. Новые точки, полученные на окружности, соответствуют углам поворота коленвала α. Из этих точек проводят вертикальные линии до пересечения с линиями индикаторной диаграммы и полученные значения давлений откладывают на вертикалях развертки для соответствующих углов поворота коленвала.

В четырехтактных двигателях построение начинают с положения кривошипа, соответствующего ВМТ вначале такта впуска.

Следует отметить, что на свернутой диаграмме давление отсчитывают от абсолютного нуля, а на развернутой следует показать избыточное давление под поршнем. Для этого на развернутой диаграмме ось абсцисс располагают на продолжении линии атмосферного давления. Это делают по той причине, что со стороны картера на поршень в течение всего цикла действует давление равное атмосферному.

На развернутой диаграмме, в том же масштабе строят диаграмму сил инерции возвратно-поступательного движения масс. При этом считают силы, действующие от поршня к оси коленчатого вала положительными.

(2.4)

Где R – радиус кривошипа, мм;

– угловая скорость коленвала, с^-1;

(2.5)

n – частота вращения коленвала, мин^-1;

– масса деталей, движущихся возвратно-поступательно, относительно к площади поршня кг/м².

(2.6)

– масса поршневого комплекта 120 кг/м²;

– масса шатуна 200 кг/м²;

…

Вдоль оси цилиндра на поршень действуют две силы: P_r – сила давления газов, равная

(2.7)

Где P – значение давления газов в цилиндре, МПа;

– сила инерции возвратно-поступательного движения, МПа.

При анализе необходимо учитывать совместное влияние этих сил. Суммарную силу P₁, действующую на поршень, определяют алгебраическим сложением:

(2.8)

…

Построение сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме

Суммарная сила P₁ раскладывается на соответствующие: нормальную N, направленную перпендикулярно оси цилиндра и силу S, действующую вдоль шатуна.

(2.9)

(2.10)

Где β – угол между осью цилиндра и шатуном

(2.11)

…

Сила S действует вдоль оси шатуна и передается на шатунную шейку. Эта сила может быть перенесена на линию действия в центр шатунной шейки и разложена на соответствующие: радиальную Z, направленную по радиусу кривошипа и тангенсальную силу T, действующую по касательной к окружности радиуса кривошипа.

(2.12)

(2.13)

…

Сила Z считается положительной, если она направлена к оси коленчатого вала, сила Т считается положительной, если создаваемый ей момент совпадает с направлением вращения коленчатого вала двигателя.

Результаты расчет сводятся в таблицу 2.1.

Таблица 2.1.

α	P_r, МПа	P_j, МПа	P₁, МПа	N, МПа	S, МПа	Z, МПа	T, МПа	β,град	X_a, мин
0	0,3	-1,058	-0,858	-0,21	-0,88	-0,858	-0,2	13,88	0
30	0,2	-0,83	-0,57	-0,068	-0,57	-0,45	-0,34	6,89	7,6
60	0,1	-0,31	-0,28	-0,058	-0,29	-0,08	-0,27	11,99	28,025
90	-0,05	0,2	0,15	0,037	-0,15	-0,04	0,15	13,88	75,525
120	-0,1	0,53	0,43	0,09	0,44	-0,29	0,32	11,99	76,95
150	-0,1	0,64	0,54	0,064	0,54	-0,49	0,21	6,89	90,25
180	-0,15	0,65	0,5	-0,125	0,51	-0,5	0,11	-13,88	95
210	0	0,64	0,64	0,077	0,64	-0,56	-0,25	-6,89
240	0,15	0,53	0,68	-0,14	0,7	-0,46	-0,52	-11,99
270	0,25	0,2	0,45	0,11	0,46	-0,1	-0,45	-13,88
300	5	-0,32	0,68	-0,14	0,7	0,21	-0,66	-11,99
330	8,1	-0,84	7,26	-0,87	7,33	5,78	-4,4	-6,89
360	9,45	-1,06	8,4	2,1	8,65	8,19	2,08	13,88
390	6,95	-0,84	6,11	0,73	6,17	4,93	3,7	6,89
420	2,45	-0,51	1,91	0,4	1,99	0,61	1,9	11,99
450	1,35	0,05	1,4	0,35	1,44	-0,34	1,36	13,88
480	0,95	0,45	1,4	0,29	1,44	-0,96	1,06	11,99
510	0,6	0,62	1,22	0,14	1,23	-1,13	0,48	6,89
540	0,6	0,65	1,25	-0,31	1,28	-1,25	0,3	-13,88
570	0,6	0,65	1,25	-0,15	1,26	-1,16	-0,49	-6,89
600	0,6	0,53	1,13	-0,23	1,16	-0,78	-0,86	-11,99
630	0,6	0,2	0,8	-0,2	0,824	-0,19	-0,8	-13,88
660	0,6	-0,32	0,28	-0,05	0,288	0,09	-0,27	-11,99
690	0,6	0,84	-0,24	0,028	-0,24	-0,19	0,14	-6,89
720	06	-1,058	-0,458	-0,11	-0,47	-0,458	-0,11	13,88

По данным таблицы 2.1 на листе 1, под развернутой диаграммой с сохранением цены деления шкалы угла поворота коленчатого вала вычерчивают диаграмму силы N, силы T, определяющий крутящий момент одного цилиндра, а также силы Z.

На листе строится нормальная сила N в зависимости от хода поршня. С учетом диаметра цилиндра и наносятся координатные оси, при этом положительная сила N должна быть направлена влево. Шкала угла поворота коленчатого вала нелинейная, деления шкалы рассчитываются по перемещению поршня.

(2.14)

Где =1 мм/мм – максимальный масштаб шкалы;

- перемещение поршня от ВМТ, соответствующее повороту коленчатого вала.

Значения сводятся в таблица 2.1.

…

График силы N вычерчивают тонкими линиями. В предположении, что износ цилиндра пропорционален силе, строится эпюра износа методом графического суммирования.

Диаграммы крутящего момента двигателя

Кривая изменения тангенсальной силы Т в зависимости от угла α в определенном масштабе является кривой изменения крутящего момента одного цилиндра.

Для построения кривой суммарного момента многоцилиндрового двигателя с равномерным чередованием вспышек производят графическое суммирование кривых крутящих моментов каждого цилиндра, сдвигая одну кривую относительно другой на угол между вспышками.

(2.15)

Где – число цилиндров.

Диаграмма крутящего момента строится под индикаторной диаграммой в нижней левой части листа.

Крутящий момент определяем по формуле:

(2.16)

Где Т – тангенциальная сила, МПа;

– площадь поршня , м²

(2.17)

R – радиус кривошипа, м.

Среднее значение суммарного момента можно определить по формуле:

(2.18)

Где 0А – отрезок построения диаграммы;

F₁, F₂ – площади диаграмм;

– масштаб крутящего момента.

Построение полярной диаграммы нагрузок на шатунную шейку коленвала.

На втором листе строится векторная диаграмма результирующей силы, действующей на шатунную шейку кривошипа.

На шейку кривошипа действуют силы T, Z и центробежная сила части шатуна, совершающей вращательное движение K_RШ.

Так как расчет ведется для постоянной частоты вращения коленчатого вала, то сила K_RШ постоянная по величине и направлена по радиусу кривошипа от оси коленчатого вала.

(2.19)

Где – масса шатуна, кг/м²

– радиус кривошипа в мм.

Оси координат принимаем совпадающими с направлением сил T и Z. Масштаб сил Т и Z должен быть одинаков. Для учета влияния центробежной силы перенесём начало координат по оси Z из точки О в точку О₁, расположенную на расстоянии .

Для каждого положения кривошипа, начиная от 0 до конца цикла, из таблицы 2.1 берут величины сил Т и Z, откладывая их по осям в выбранном масштабе с учетом знака. Из концов этих векторов проводят перпендикуляры, точку пересечения которых отмечают соответствующим углом поворота коленвала. Полученные точки являются концами векторов суммарной силы, действующей на шатунную шейку для каждого угла поворота. Полученные точки соединяют плавной кривой, которая обозначает замкнутый контур.

Развернутая диаграмма нагрузок, действующих на шатунную шейку.

Для нахождения максимальной, минимальной и средней нагрузок, действующих на шатунную шейку, полярную диаграмму перестраивают в прямоугольные координаты R_ШШ –α.

Построение развернутой диаграммы ведут в следующем порядке:

- наносятся координаты оси R_ШШ –α и выполняется их разметка в соответствующих масштабах;

- из центра 0₁ полярной диаграммы измеряются вектора силы для 0⁰, 30⁰, 60⁰ и т.д. углов поворота кривошипа α и переносятся на прямоугольные координаты;

- полученные точки соединяют плавной кривой;

- развернутую диаграмму планиметрируют, находят её среднюю ординату и проводят на чертеже среднюю линию, обозначающую среднюю нагрузку R_{ШШ
ср};

- по величине средней нагрузки проверяют шатунные подшипники по удельным нагрузкам.

Диаграмма износа шатунной шейки

На основании полярной диаграммы нагрузок на шатунную шейку коленчатого вала можно построить диаграмму износа шейки. Эта диаграмма дает возможность определить наиболее и наименее нагружаемые участки шатунной шейки с целью правильного определения местонахождения масляного отверстия. Кроме того, диаграмма дает наглядное представление о характере износа шейки по всей окружности.

Построение диаграммы износа шатунной шейки осуществляется следующим образом:

- проводят окружность, изображающую в произвольном масштабе шатунную шейку, и делят её на равное количество участков углами 0₁, 0₂ и т.д.;