Тепловой и динамический расчет двигателя внутреннего сгорания

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Волжский политехнический институт (филиал)

Волгоградского государственного технического университета

Кафедра ВАТ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

по дисциплине «Двигатель внутреннего сгорания»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент гр. ВТС-335

Лесных Д.В.

Проверил:

доцент, к.т.н.

Меньшенин Г. Г.

 

 

 

 

 

 

 

 

Волжский 2006 г.

ВОЛЖСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

Факультет_____Автомеханический                              Кафедра____ Автомобильный  транспорт____

Специальность_________Эксплуатация транспортных средств_______________________________

 

             ''УТВЕРЖДАЮ''

            Зав. кафедрой__________________

«_____» _______________ 200 ___ г.

 

З А Д А Н И Е

на курсовую работу (проект)

 

Студента_______Лесных Дмитрия Вячеславовича группы ВТС-335________________________

(фамилия, имя, отчество; группа)

 

1.Тема:___”Тепловой  и  динамический   расчет двигателя  внутреннего  сгорания”__________

___(тип двигателя – бензиновый рядный; число цилиндров - 4; тип охладителя - водяной; номинальная  мощность - 44 кВт; номинальная частота  вращения коленчатого вала - 5000 мин-1; степень сжатия – 8,8 ; коэффициент избытка воздуха – 0,98;  отношение хода поршня к его диаметру – 1,02_______________________________________________________________________

 

2. Содержание расчетно-пояснительной  записки:__23 стр._______________________________

1) Тепловой  расчет двигателя________________________________________________

2) Построение индикаторной диаграммы_______________________________________

3) Динамический расчет двигателя____________________________________________

4) Прочностной  расчет  детали (по указанию руководителя) 

 

3. Объем графических работ:_ 3л. формата А1__________________________________________

1) Индикаторная диаграмма (P–V и P–φ  координатах), графики кинематического и динамического расчетов (милимитровка)_____________________________________________1 А1

2) Поперечный разрез двигателя___________________________________________       1  А1

3) Рабочие чертежи деталей (1…3 детали)__________________________________1 А1, 2 А4

 

4. Срок сдачи законченной курсовой  работы (проекта)__  15…29 мая 2006г.___________________

5. Дата выдачи задания_1 ноября 2006г.____________________________________________

 

Руководитель работы ___доц.  Меньшенин  Г. Г.___          ____________________________

(фамилия, инициалы)      (подпись)

 

Студент_______________Лесных Д.В.                                    ___________________________

          (фамилия, инициалы)       (подпись)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ

 

Спроектировать (рассчитать) 4-х тактный бензиновый двигатель жидкостного охлаждения исходя из следующих данных:

    • Номинальная мощность Nе = 44 кВт ;
    • Частота вращения коленчатого вала двигателя n = 5000 мин-1;
    • Степень сжатия ε =8,8 ;
    • Коэффициент избытка воздуха α = 0,98;
    • Число цилиндров i = 4(Р);
    • Отношение хода поршня к диаметру цилиндров S/D = 1,02.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Выполнение курсовой работы и проекта, позволяет приобрести определенный навык в решении теоретических и конструкторских вопросов, существенно закрепляет и углубляет знание, полученное при изучении соответствующих курсов: двигатели внутреннего сгорания, энергетические установки транспортных средств.

Курсовой проект – это большая самостоятельная работа, способствующая формированию студента как специалиста, способного решать сложные технические задачи. В связи с этим, работа над ними должна вестись систематически с полной отдачей творческих способностей и сил.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Тепловой расчет бензинового двигателя

 

1.1 Выбор дополнительных данных

 

  1. Давление окружающей среды:  
  2. Температура окружающей среды  Т0 = 300 К
  3. Давление остаточных газов   Рr = 0,125 МПа, [Рr = (1,1…1,25) Р0]
  4. Температура остаточных газов Тr = 1000 К, [Тr = 900…10500К]
  5. Температура свежей смеси в момент поступления ее в цилиндр

  1. Показатель политропы сжатия n1 и политропы расширения n2 принимаются с учетом скоростного режима или по статистическим данным

  1. Коэффициент активного выделения тепла
  2. Давление газов в цилиндре в конце впуска Ра = 0,09 МПа
  3. Низшая теплотворная способность бензина Ни = 10500 ккал/кг = 44 Мдж

 

1.2 Определение параметров конца впуска

 

  1. Коэффициент остаточных газов

  

  1. Определение температуры газов в цилиндре в конце впуска

  1. Коэффициент наполнения

где - коэффициент дозарядки [1,05…1,1].

 

 

1.3. Определение параметров конца сжатия

 

  1. Давление газов в цилиндре в конце сжатия

  1. Температура газов в цилиндре в конце сжатия

 

1.4 Расчет рабочего тепла

 

Состав бензина: С = 0,855; Н = 0,145; О2 = 0.

Молекулярная масса бензина μ = 110…120.

  1. Определение теоретически необходимого количества воздуха для полного сгорания 1 кг топлива

 кг возд. / кг топлива ,

где 0,23 – массовая доля кислорода в воздухе;

В молях

 кг возд. / кг топлива,

где 0,21 – объемная доля кислорода в воздухе.

  1. Определение количества горючей смеси перед сгоранием в кг

 кг.

  1. Количество горючей смеси в молях

 кмоль.

  1. Определение продуктов сгорания при α = 0,98.

При неполном сгорании (α < 1) топлива выделяются следующие компоненты газов: СО; СО2; Н2; Н2О и N2.

Для случая α < 1 принимаем К = 0,5,

4.1) Число молей СО  в продуктах сгорания

 кмоль / кг;

4.2) Число молей СО2  в продуктах сгорания:

 кмоль / кг;

4.3) Число молей Н2  в продуктах сгорания:

 кмоль / кг;

4.4) Число молей Н2О  в продуктах сгорания:

 кмоль / кг;

4.5) Число молей N2  в продуктах сгорания:

 кмоль / кг.

  1. Суммарное количество продуктов сгорания:

  кмоль / кг.

  1. Определение потери низшей теплотворности бензина для случая

α < 1 из-за недостатка воздуха:

  1. Определение химического коэффициента молекулярного изменения:

8) Определение действительного  коэффициента молекулярного изменения:

 

1.5 Определение параметров конца сгорания


 

Где: (mcvc) = 20160 +1,74Тс;

        (mcvz) = (18420 + 2600а)+(1,6+1,38а).

 


 

12262924 = (Tz – 273) (19396,2 + 2683)+3,1(Tz^2 – 273Tz),

732459 = 21232,9Tz+3,1Tz^2,

C = B +A.

Tz =  - B/2 + ((B/2)^2 +C)^1/2 = - 21232,9/2 + 13731,6 = 3015 K.

 

Расчетное давление сгорания:

Степень повышения давления:

Максимальное давление цикла с учетом скругления индикаторной диаграммы Рz диагр

Рz диагр=0,95·Рz=0,95·7,0=6,65МПа

 

1.6. Расчет параметров расширения

 

  1. Давление конца расширения:

  1. Температура конца расширения:

  1. Среднее индикаторное расчетное давление цикла:

Действительное среднее индикаторное давление с учетом коэффициента скругления индикаторной диаграммы:

 

1.7 Основные показатели цикла

 

    1.  Индикаторный КПД:

    1. Расход топлива на один индикаторный кВт. час:

  1. Доля индикаторного давления, затраченного на трение и привод вспомогательных агрегатов (насосы, генератор и т.д.):

где А и В – коэффициенты, зависящие от отношения хода поршня к диаметру цилиндра (S / D):

при S / D > 1     А = 0,05;     В = 0,0155;

- средняя скорость поршня, м/с ,  Сп = 12 м/с

Среднее эффективное давление цикла

Ре = Рi – Рм=0,85-0,236=0,614 МПа

  1. Механический КПД

  1. Эффективный КПД

  1. Удельный эффективный расход топлива:

1.8 Основные размеры цилиндра

 

    1. Общий объем двигателя

    1. Объем одного цилиндра

    1. Диаметр зеркала цилиндра:

,

Принимаю 81мм.

    1. Ход поршня

,

Принимаю 83 мм. 

    1. Скорость (средняя) поршня:

Скорость не должна отличатся от выбранной более чем на 5...10 %, в противном случае необходимо заново пересчитать эффективные показатели.

  1. Площадь днища поршня:

Fn = пD^2/(4*10^2) = 3,14*81^2/400 = 51,5 см^2

  1. Литраж двигателя

Vh = п*D^2*S*i/(4*10^6) = 3,14 *81^2*83*4/ 4000000 = 1,7 л.

 

9)Эффективная мощность

.

  1. Индикаторная мощность

  1. Литровая мощность

  1. Эффективный крутящий момент

 

10 ) Индикаторный крутящий  момент

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Построение индикаторной диаграммы

 

     При построении индикаторной диаграммы ее масштабы выбирают так, чтобы высота диаграммы была равна 1,2…1,5 ее основания. Для этого на оси абсцисс откладываем отрезок АВ, соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня S. Тогда величина, соответствующая объему камеры сгорания, определяется из соотношения:

Масштабы давлений и хода поршня рекомендуется выбирать

- для бензинового двигателя;

при ;

По данным теплового расчета на диаграмме откладываем в масштабе величины давлений в характерных точках.

Построение линий политроп сжатия и расширения осуществляется графическим способом Брауэра, который заключается в следующем.

Из начала координат проводим луч ОС под углом α = 200 по часовой стрелке (вниз) от оси абсцисс, а лучи ОД и ОЕ под углом β1 и β2 от оси ординат влево против часовой стрелки. Углы β1 и β2 определяются из соотношений:

;   β1=28,3o

 

;      β2=25,3o

Политропа сжатия строится следующим образом. Из точки проводится горизонталь до пересечения с осью ординат. Из этой точки пересечения проводится линия под углом 450 к ординате (вертикали) до пересечения с лучом ОД. Из точки пересечения проводится горизонталь (параллельная оси абсцисс).

Затем из точки С опускается вертикаль до пересечения с лучом ОС, а из точки пересечения проводится линия под углом 45 0 к вертикальной линии до пересечения с осью абсцисс. Из последней точки восстанавливается вторая вертикальная линия до пересечения со второй горизонтальной линией. Полученная точка пересечения принадлежит политропе сжатия.

Следующая точка политропа находится аналогично, но за исходную принимается предыдущая (только что найденная точка политропы сжатия).

Политропа расширения строится аналогично построению линии сжатия, но с помощью лучей ОС и ОЕ, а за начало линии расширения принимается точка Z.

Полученная диаграмма  а с z в а является теоретической индикаторной диаграммой, из которой расчетное индикаторное давление определяется по выражению

,

где fаczba – площадь диаграммы в мм2;   - масштаб давлений.

Значение , полученное по этой формуле, должно быть равно значению , полученному в результате теплового расчета.

Действительная индикаторная диаграмма а/ c/ с// z/ b/ b// a/ отличается от теоретической, так как в реальном двигателе за счет опережения зажигания рабочая смесь воспламеняется до прихода поршня в в.м.т. и повышает давление в конце процесса сжатия. Процесс видимого сгорания происходит при постоянно изменяющемся объеме. Действительное давление конца видимого сгорания

.

Открытие выпускного клапана до прихода поршня в в.м.т. снижает давление в конце расширения и при положения поршня в в.м.т. имеют место процессы выпуска и наполнения цилиндра. Положение точки С/ зависит от угла опережения зажигания, а положение точки С// ориентировочно определяется выражением

.

Расстояние точки z/ от оси ординат определяется жесткостью работы двигателя и находится в пределах 10…150 поворота кривошипа от в.м.т.

Положение точки в/ определяет угол предварения выпуска, а точку в// обычно располагают между расчетными точками «в» и «а».

По индикаторной диаграмме для проверки теплового расчета определяются среднее индикаторное давление Рi и среднее давление насосных потерь

;    
.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Динамический расчет

 

Основной задачей динамического расчета является определение сил, действующих в кривошипно – шатунном механизме проектируемого двигателя.

 

3.1. Построение индикаторной диаграммы в Р–φ координатах

 

1) Скругленную индикаторную диаграмму, построенную по результатам теплового расчета двигателя, необходимо перестроить из Р – V координат в

Р – φ координаты, где φ – угол поворота коленчатого вала. Перестроение выполняют методом Брикса с учетом поправки на длину шатуна

  

где R =S/2 = 41,5мм – радиус кривошипа,

Перестроенная диаграмма представляет собой диаграмму избыточных сил давления газов в цилиндре. За начало отсчета принимается точка r.

На отрезке АВ, проведенном параллельно оси абсцисс индикаторной диаграммы, описывается полуокружность радиусом R с центром О. Затем через 20…300 из этого центра проводится лучи (радиусы).

От центра О вправо откладывается величина и из полученной точки О/ проводятся лучи, параллельные радиусам, проведенным из центра О. Из точек пересечения этих лучей с полуокружностью возводятся вертикали до пересечения с линиями индикаторной диаграммы

Измеряются отрезки вертикалей от атмосферной линии до линий индикаторной диаграммы и переносятся на соответствующие углы поворота на абсциссу φ диаграммы в Р – φ координатах. Затем полученные точки обводятся плавной кривой, которая будет характеризовать избыточное давление в цилиндре за все четыре цикла. В случае необходимости на отдельных участках находят давления газов в промежуточных точках между лучами, проведенными из точки О/.

2) Руководствуясь найденными размерами  Dц, S, R и lш и пользуясь статистическими данными и соотношениями размеров прототипов, делают эскиз кривошипного механизма двигателя с прикидкой основных размеров поршня, шатуна и коленчатого вала с целью определения величины движущихся масс поршня mп и шатуна mш, а также mi исходя из выбранных конструктивных масс этих деталей. Веса поршневого комплекта и верхней головки шатуна необходимо принимать согласно таблице, в которой приведены данные некоторых двигателей.

Массу возвратно – поступательно движущихся частей кривошипно – шатунного механизма можно определить по выражению

где g = 9,81 м/с2 .

3) Выбирают значение λ и вычисляют значения сил инерции возвратно – поступательно движущихся масс Рj , пользуясь таблицей, в которой приведены значения выражения cosφ+λcos2φ для для различных значений углов φ поворота коленчатого вала. Результаты рекомендуется вносить в сводную таблицу динамического расчета.

   Значение λ выбирают исходя из компоновочной схемы: .  λ=0,25.

Сила инерции  возвратно – поступательно движущихся масс, отнесенная к единице площади поршня (1 см2), определяется по формуле:

,

где Fп – площадь поршня, см2; R – радиус кривошипа (R = 1/2 S), м;

 ω= Пn/30 = 3,14*(5000/60)/30= 8,72  1/c – угловая скорость коленчатого вала, 1/сек ; λ – отношения радиуса кривошипа к длине шатуна; φ – угол поворота кривошипа.

  1. Строят развернутую диаграмму для Рj по углу поворота коленчатого вала и графическим суммированием находят кривую суммарной силы , приложенной к оси поршневого пальца

. Значения
вносят в сводную таблицу

  1. Пользуясь таблицами геометрических функций определяют значения боковой, тангенциальной и радиальной сил

; ; .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сводная таблица динамического расчета

0

0,2

1,25

-4,32

-4,12

0

0

1

-4,12

0

0

30

-0,1

0,991

-3,42

-3,52

0,126

-0,44

0,803

-2,8

0,609

-2,14

60

-0,1

0,375

-1,29

-1,39

0,2218

-0,308

0307

-0,43

0,977

-1,35

90

-0,1

-0,250

0,86

0,76

0,2582

0,19

-0,258

-0,2

1

0,76

120

-0,1

-0,625

2,15

2,05

0,2218

0,45

-0,692

-1,42

0,755

1,54

150

-0,1

-0,741

2,55

2,45

0,126

0,309

-0,929

-2,3

0,391

0,95

180

-0,05

-0,750

2,58

2,53

0

0

-1

-2,53

0

0

210

0,05

-0,741

2,55

2,6

-0,126

-0,33

-0,929

-2,4

-0,391

-1,0

240

0,15

-0,625

2,15

2,3

-0,2218

-0,51

-0,692

-1,6

-0,755

-1,7

270

0,2

-0,250

0,86

1,06

-0,2582

-0,27

-0,258

-0,27

-1

-1,06

300

0,35

0,375

-1,29

-0,94

-0,2218

0,208

0307

-0,28

-0,977

0,9

330

1,0

0,991

-3,42

-2,42

-0,126

0,305

0,803

-1,94

-0,609

1,47

360

1,8

1,250

   - 4,32

-2,52

0

0

1

-2,52

0

0

390

4,7

0,991

-3,42

1,28

0,126

0,16

0,803

1,02

0,609

0,78

420

1,7

0,375

 

-1,29

0,41

0,2218

0,09

0307

0,12

0,977

0,4

450

0,85

-0,250

0,86

1,71

0,2582

0,44

-0,258

-0,44

1

1,71

480

0,6

-0,625

2,15

2,75

0,2218

0,61

-0,692

-1,9

0,755

2,06

510

0,4

-0,741

2,55

2,95

0,126

0,37

-0,929

-2,74

0,391

1,15

540

0,35

-0,750

2,58

2,93

0

0

-1

-2,93

0

0

570

0,35

-0,741

2,55

2,9

-0,126

-0,36

-0,929

-2,7

-0,391

-1,13

600

0,35

-0,625

2,15

2,5

-0,2218

-0,55

-0,692

-1,73

-0,755

-1,9

630

  0,35

-0,250

0,86

1,21

-0,2582

-0,3

-0,258

-0,3

-1

-1,21

660

0,35

0,375

-1,29

-0,94

-0,2218

0,21

0307

-0,28

-0,977

0,9

690

0,35

0,991

-3,42

-3,07

-0,126

0,38

0,803

-2,46

-0,609

1,87

720

0,35

1,250

   - 4,32

-3,97

0

0

1

-3,97

0

0


 

Все силы в данном расчете подсчитываются как удельные силы, отнесенные к 1 см2 площади поршня и строятся в одинаковом масштабе , как и для давления газов.

Пересчет удельных сил в полные силы на данном этапе проекта можно не производить, а ограничиться лишь подсчетом масштаба:

.

  1. График изменения тангенциальной силы в масштабе

 выражает индикаторный крутящий  момент одного цилиндра, поэтому  строить специальный график крутящего  момента одного цилиндра не  следует, достаточно указать масштаб  на графике изменения силы .

Диаграмма суммарного индикаторного момента многоцилиндрового двигателя получается графическим суммированием кривых крутящего момента его цилиндров. При суммировании кривая крутящего момента для одного цилиндра за один цикл делится для двигателя с равномерным чередованием вспышек на i частей, где i – число цилиндров двигателя.

Полученные отрезки кривой сдвигают на участок диаграммы, длина которого равна периоду изменения крутящего момента θ0, т.е. 720/ i – для 4-х тактных (и 360/ i- для 2-х тактных) двигателей, а затем складываются.

При выборе кривошипной схемы коленчатого вала следует учитывать то, что равномерное чередование рабочих ходов (вспышек) в однорядных двигателях с числом цилиндров i обеспечивается для 4-х тактных двигателей при условии 720/i=δ, где δ – угол между коленами вала.

Пользуясь кривой суммарного индикаторного крутящего момента двигателя, следует определить его среднее значение и сравнить полученное значение со значением, подсчитанным при тепловом расчете. Расхождение не должно быть больше 5 %.

Мкр = Т ср * mp *  Fn * R = 0,12 * 0,025 * 51,5 * 0,0415 = 1,785

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Прочностной расчет детали

 

Расчет  шатунного болта бензинового двигателя.  

Из  расчета кривошипной головки шатуна имеем: максимальную силу инерции, разрывающую   кривошипную  головку   и   шатунные  болты: 0,0186 МН. Принимаем: номинальный диаметр болта 6 мм; шаг резьбы количество болтов Материал — сталь 40Х.

По табл. для легированной стали 40Х определяем: – пределы прочности текучести и усталости при растяжении-сжатии

коэффициент  приведения   цикла  при   растяжении-сжатии 

    

Сила предварительной затяжки

Суммарная сила, растягивающая болт:

где   Максимальные и минимальные напряжения, возникающие в болте:

  МПа;

МПа,

где                         

Среднее напряжение и амплитуды цикла

МПа;

МПа;

 МПа,

 

где

   

 

  

10 мм;

Так   как  , то запас прочности болта определяется по пределу текучести:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

 

    1. Строков В.Л. Тепловой и динамический расчет двигателя внутреннего сгорания: Учебное пособие/ ВолгГТУ.- Волгоград, 2005. – 48с.
    2. Артамонов М.Д., Морин М.М. Основы теории и конструирования автотракторных двигателей в 2-х частях. М: Высшая школа, 1973. – 136 и 205с.
    3. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М: Высшая школа, 2002. – 496с.