Тепловой и динамический расчет двигателя ЗМЗ-53

 

Содержание

 

Введение             2

1. Исходные данные для  теплового расчета поршневого  двигателя внутреннего сгорания             4

2. Тепловой расчет и  определение основных размеров  двигателя    5

2.1 Процесс наполнения          5

2.2 Процесс сжатия           6

2.3 Процесс сгорания           6

2.4 Процесс расширения          8

2.5 Процесс выпуска           9

2.6 Индикаторные показатели         10

2.7 Эффективные показатели         10

2.8 Размеры двигателя           11

3. Динамический расчет          14

3.1 Построение индикаторной  диаграммы       14

  3.2 Построение диаграмм сил          16

3.3 Построение диаграммы суммарного крутящего момента    20

4. Расчет и построение  внешней скоростной характеристики  двигателя   22

5. Система питания           25

Заключение            32

Литература             33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Прогресс в автомобильной  промышленности, дальнейшее увеличение грузооборота автомобильного транспорта предусматривает не только количественный рост автопарка, но и значительное улучшение  использования имеющихся автомобилей, повышение культуры эксплуатации, увеличение межремонтных сроков службы.

В области развития и совершенствования  автомобильных двигателей основными  задачами являются: расширение использования  дизелей, снижение топливной экономичности  и удельной массы двигателей, стоимости  их производства и эксплуатации.

На принципиально новый  уровень ставится борьба с токсичными выбросами двигателей в атмосферу, а также задачи по снижению шума и вибрации в процессе их эксплуатации. Значительно больше внимания уделяется  использованию электронно-вычислительных машин при расчетах и испытаниях двигателей. В настоящее время  вычислительная техника широко используется на моторостроительных заводах, в научно-исследовательских  центрах, конструкторских и ремонтных  организациях, а также в высших учебных заведениях.

Современные автотракторные двигатели отличаются приемлемыми  мощностными и экономическими показателями, достаточной надежностью и долговечностью. Однако дальнейшее повышение эффективности  использования автомобилей и  тракторов требует совершенствования  их силовых установок, что невозможно без глубоких знаний конструкции, процессов, сопровождающих работу автотракторного  двигателя, и расчета его элементов.

Знание рабочих процессов, основ конструирования и расчета  деталей двигателя необходимо не только конструкторам и исследователям, создающим силовые установки, но и техническому персоналу, эксплуатирующему и ремонтирующему их.

Задачей настоящего курсового  проекта является рассмотрение методики выполнения теплового и динамического  расчетов двигателя и ознакомление с основными сведениями, необходимыми для конструирования и расчета  деталей, узлов и двигателя в  целом. Исходные данные для выполнения работы используются из задания «Теория  автомобиля и трактора». Курсовая работа включает расчётно-графический материал и конструкторскую часть (продольный и/или поперечный разрез двигателя).

Методика изложения материала  отдельных разделов максимально  адаптирована к современным способам анализа работоспособности, а также  термической и динамической нагруженности  элементов двигателя с использованием ЭВМ. В материал включены новейшие достижения в конструировании двигателей, используемых в средствах транспорта.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1  ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ  ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

Задачами теплового расчета  рабочего цикла двигателя внутреннего  сгорания являются:

- определение его показателей,  характеризующих экономичность  и эффективность рабочего процесса;

- определение максимального  давления в цилиндре и переменных  давлений в зависимости от  хода поршня, необходимых для  расчета деталей двигателя на  прочность. 

На основании теплового  расчета с достаточной для  практики точностью строится индикаторная диаграмма, рассчитывается индикаторное давление, а по заданной мощности определяется число и размеры цилиндров  для проектируемого двигателя.

Расчет рабочего цикла  и динамический расчет производятся для режима работы двигателя, соответствующего номинальной (полной) мощности и нормальным условиям окружающей среды.

Предварительно все расчеты  выполняются в черновиках и согласовываются  с консультантом.

Исходными данными для  теплового расчета являются:

 

кВт

n

i

ε

τ

α

  

Спецзадание

Прототип

90

3800

8V

8,5

4

0,9

0,92

Система питания

ЗМЗ-53


 

2. Тепловой расчет и  определение основных размеров  двигателя

 

2.1 Процесс наполнения

 

В  результате  данного  процесса  цилиндр  двигателя ( рабочая  полость)  наполняется  свежим  зарядом.     Давление  и  температура  окружающей среды принимаются:   = 0.1МПа (1,03  кг/см″),  =298  К для автомобильных двигателей.

Давление остаточных газов  можно принять  , а температуру .Большие значения принимаются для двигателей с высокой частотой вращения коленчатого вала двигателя.

Примем для расчета  , .

В зависимости от типа двигателя  температура подогрева свежего  заряда  ∆Т карбюраторных двигателей принимают .

Примем для расчета  .

Давление в конце впуска, мПа

          (2.1)

Величина потери давления на впуске колеблется в пределах:  для бензиновых и газовых двигателей = (0,06…0,20) .

Примем для расчета  = 0,15

=0,150.1=0,015 Мпа

=0.1-0.015=0.085 Мпа

Коэффициент остаточных газов

 

      (2.2)

 

Температура в конце впуска, К

            (2.3)

Коэффициент наполнения

  (2.4)

2.2 Процесс сжатия

 

Расчет параметров заряда в процессе сжатия проводится по условному  среднему за процесс показателю политропы  сжатия . Показатель политропы сжатия для карбюраторных двигателей принимается .

Примем для расчета  .

Давление в конце сжатия

     (2.5)

Температура в конце сжатия

  (2.6)

 

 

2.3 Процесс сгорания.

 

Теоретически необходимое  количество воздуха для сгорания 1 кг  жидкого топлива

   (2.7)

 

Средний элементарный состав топлива принимают: для бензина ., , .

Количество свежего заряда (кмоль) для бензиновых двигателей:

   (2.8)

где средняя малярная масса  (для бензинов = 110…120 кг/кмоль).

 Примем для расчета ;

      a - коэффициент избытка воздуха, a = 0,9.

Количество продуктов  сгорания при работе двигателей на жидком топливе при

    (2.9)

Теоретический коэффициент  молекулярного изменения

   (2.10)

 

Действительный коэффициент  молекулярного изменения

   (2.11)

 

Низшую теплоту сгорания топлива принимают:

для бензинов = 44000 кДж/кг.

Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания топлива, при  , кДж/кг

 

   (2.12)

 

 

Средняя мольная теплоемкость свежего заряда

 

   (2.13)

 

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания

 

   (2.14)

Значения коэффициента использования теплоты на участке сгорания для карбюраторных двигателей изменяется в пределах .

Примем для расчета  .

   (2.15)

 

 

После подстановки в уравнение  значения , которое является функцией и , и последующих преобразований выражение принимает вид квадратного уравнения:

 

 

Откуда

Давление в конце сгорания, расчетное и действительное , Мпа

    (2.16)

    (2.17)

Степень повышения давления для карбюраторных ДВС

    (2.18)

 

 

2.4 Процесс  расширения.

 

Степень предварительного расширения:

для бензиновых и газовых двигателей  ρ=1

 

     (2.20)

 

Степень последующего расширения для бензиновых двигателей δ = ε=8.5.

Показатель политропы  расширения для карбюраторных двигателей принимается  .

Примем для расчета  .

Температура в конце расширения, МПа

     (2.21)

Давление в конце расширения, МПа

    (2.22)

 

2.5 Процесс выпуска.

Параметрами  процесса  выпуска ( p r  и  Т r )  задаются  в  начале  расчета  процесса  впуска ( см.  п. 2.1). Правильность  предварительного  выбора величин p r иТr проверяется по формуле проф. Е. К. Мазинга:

 

    (2.23)

 

Расхождение  между принятой  величиной  Тr  и вычисленной  по  формуле (2.23)  не  должно превышать 10%; 

 

 

2.6 Индикаторные показатели

Среднее индикаторное давление теоретического цикла для   бензиновых и газовых двигателей подсчитывается по формуле:

    (2.24)

 

Действительное среднее  индикаторное давление, Мпа

 

      (2.25)

где – коэффициент полноты индикаторной диаграммыдля  двигателей  с  искровым  зажиганием = 0,94…0,97.

Примем 

Индикаторный КПД двигателя

     (2.26)

Индикаторный удельный расход топлива  (г/кВт×ч)

    (2.27)

 

2.7 Эффективные показатели

 

Величина  механического КПД     для бензиновых двигателей   = 0,70…0,85.

 Принимаем

Среднее эффективное давление

 

    (2.28)

 

Эффективный КПД

 

    (2.29)

 

Удельный эффективный  расход жидкого топлива

 

    (2.30)

 

 

2.8. Оснoвные размеры цилиндра и показатели поршневого  двигателя

 

По эффективной мощности, частоте вращения коленчатого вала и  среднему эффективному давлению определяем литраж двигателя

    (2.31)

 

где  –  выражена  в кВт; – в  МПа;  – в 1/мин; τ = 4 для четырехтактных двигателей.

 

Рабочий объем одного цилиндра

 

    (2.32)  

где число цилиндров.

Диаметр цилиндра и ход поршня , мм

 

    (2.33)

 

 

 

Принимаем D=85мм.

    (2.34)

Полученное значение округляем  до S=80мм.

По полученным значениям  и уточняем основные параметры ДВС:

- литраж двигателя ,л

     (2.35)

- эффективная мощность двигателя, кВт

    (2.36)

- эффективный крутящий момент, Н·м

 

    (2.37)

- часовой расход топлива, кг/ч

    (2.38)

- средняя скорость поршня, м/с

     (2.39)

- литровая мощность, кВт/л

    (2.30)

,

- площадь поршня мм2

    (2.31) 

 

 

3. ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ.

3.1 Построение индикаторной диаграммы

При построении индикаторной диаграммы масштаб выберем с  таким расчетом, чтобы высота диаграммы  была больше основания в 1,7…2,0 раза.

Построение индикаторной диаграммы производится в следующей  последовательности:

 

- по оси абсцисс откладываем  отрезок АВ=120 (в мм), величина которого с учетом выбранного масштаба 1:1.5 соответствует рабочему объему цилиндра =0,45 или ходу поршня .=80 мм. Тогда величина отрезка ОА, соответствующая объему камеры сгорания, определяется из соотношения

=120/(8,5-1)=16мм.

ОВ=120+16=136мм.

- по оси ординат в  выбранном масштабе  МПа в 1 мм, откладываем значения давлений в характерных точках диаграммы ;

, 

, 

, 

, 

, 

, 

 

- линию, соответствующую  атмосферному давлению  , проведем в виде тонкой горизонтали.

  = 0.1Мпа 

При  аналитическом методе построения политроп сжатия и расширения вычислим ряд точек для промежуточных  объемов, расположенных между  и и между и по следующим формулам:

- для политропы сжатия 

где и - давление и объем в искомой точке сжатия и расширения.

Отношение изменяется в пределах .

 

Остальные значения политропы сжатия приведены в таблице 5.1.

- для политропы расширения 

где и - давление и объем в искомой точке сжатия и расширения.

Отношение изменяется в пределах .

Остальные значения политропы расширения приведены в таблице 2.

Таблица 2– Расчетные точки политроп сжатия и расширения для построения индикаторной диаграммы

 

 

     

Политропа сжатия

  

Политропа расширения

N точки

ОХ, мм

ОВ/ОХ

(OB/OX)n1

Рх/mp

Рх

(OB/OX)n2

Px/mp

Рх

0

16

8,5

17,59

57.2

1,49

15,14

245.6

6.14

1

17

8

16.22

55.2

1,38

14.02

227.2

5.68

2

19.4

7

13.56

46

1,15

11.83

191.6

4.79

3

22.6

6

11.03

37.6

0,94

9.73

157.6

3.94

4

27.52

5

8.64

29.2

0,73

7.72

124.8

3.12

5

34

4

6.4

20.2

0,54

5.81

94

2.35

6

45.3

3

4.35

14.8

0,37

4.03

65.2

1.63

7

68

2

2.53

8.4

0,21

2.41

38.8

0.97

8

136

1

1

3.4

0,085

1

16.2

0.405


 

После построения политропы  сжатия и расширения производим скругление индикаторной диаграммы с учетом предварения открытия выпускного клапана, опережения зажигания и скорости нарастания давления, а также наносим  линии впуска и выпуска. Для этой цели под осью абсцисс проводим на длине хода поршня S как на диаметре полуокружность радиусом R=S/2. Из геометрического центра О' в сторону н.м. т. откладываем отрезок

                              ,

Значения λ для двигателя ЗМЗ-53 принимаем 0,256.

                             

Величина О'О'1 представляет собой поправку Брикса. Из точки О1' под углом γ0=50° (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= 20° ПКВ до в. м. т.), а точку С1 сносим на политропу сжатия, получая точку с1' . На линии в.м.т. находим точку с'' из соотношения pc''=1,2pc. Соединяем точки с1' и с'' плавной кривой из точки с'' проводим плавную кривую до серидины отрезка z'z.  Из середины отрезка проводим кривую с плавным переходом в кривую политропы расширения. Затем проводим плавную кривую b1'b'' изменения линии расширения в связи с предварительным открытием выпускного клапана. При этом можно считать, что точка b'' находится на середине расстояния ba.

В результате указанных построений получаем действительную индикаторную диаграмму.

3.2 Построение диаграмм сил

 

 

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 течении 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 10…30 град ПКВ. В отдельных случаях  через 5…10 град ПКВ.

Последовательность выполнения расчета следующая:

1)     Перестраиваем  индикаторную диаграмму, выполненную  по результатам теплового расчета,  в координаты р-φ.

2)   Определяем силу  давления газов на днище поршня  для положений коленчатого вала, отстоящих друг от друга на 10…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:

                    

                                 (3.1)

Результаты расчета заносятся  в табл. 5.

3) Определяем силу инерции  от возвратно-поступательно движущихся  масс:

                  

                        (3.2)

Масса поступательно движущихся частей КШМ определяется из выражения:

               

,                                                (3.3)

где χ - доля массы шатуна, отнесенная к возвратно-поступательно движущимся массам

χ=0,25…0,275

  Принимаем χ=0,25

Значения mп и mш берутся из справочника.

mп = 0,56745 кг, mш=0,56745 кг.

Угловая скорость ω,  входящая в формулу (2):

 

                                        

,                                             (3.4)

 

При известной величине хода поршня S радиус кривошипа

 

                          

                                              (3.5)

4) 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:

 

                                (3.6)

     результаты  определения РΣ, а также Рг и Рj заносятся в табл.3

5) Определяем нормальную  силу К, направленную по радиусу  кривошипа (см. рис. 1):

                                         

                                                           Рис. 1

 

                     

.                                         (3.7)                                            

 

6) Определяем тангенциальную  силу Т, направленную по касательной  к окружности радиуса кривошипа  (см. рис. 1):

 

                                 

.                                        (3.8)

 

Результаты определения  К и Т заносим в таблицу  4.

 

Таблица 3  

 

Результаты расчета  Рг, Рj, Р∑

f, град

Рг

Рг, Мпа

Рг, Н

cosf+lcosf

Знак силы

Рj, H

Знак силы

Ps, H

Знак силы

1

мм

2

3

4

5

6

7

8

9

0

4,8

0,12

113,49

1,256

-

-5989,53374

-

-5876,04

-

30

3,4

0,085

-85,11753

0,995

-

-4744,893368

-

-4830,01

-

60

3,4

0,085

-85,11753

0,372

-

-1773,970184

-

-1859,09

-

90

3,4

0,085

-85,11753

-0,256

-

1220,796686

+

1135,679

+

120

3,4

0,085

-85,11753

-0,622

-

2966,154447

+

2881,037

+

150

3,4

0,085

-85,11753

-0,737

-

3514,559209

+

3429,442

+

180

3,4

0,085

-85,11753

-0,744

-

3547,940368

+

3462,823

+

210

3,4

0,085

-85,11753

-0,737

-

3514,559209

+

3429,442

+

240

3,4

0,085

-85,11753

-0,622

-

2966,154447

+

2881,037

+

270

5,40

0,135

198,6076

-0,256

+

1220,796686

+

1419,404

+

300

12,40

0,31

1191,645

0,372

+

-1773,970184

-

-582,325

-

330

31,5

0,7875

3901,22

0,995

+

-4744,893368

-

-843,673

-

360

152,5

3,8125

21066,59

1,226

+

-5846,471628

-

15220,12

+

370

208,6

5,215

29025,08

1,208

+

-5760,634361

-

23264,44

+

390

133

3,325

18300,27

0,995

+

-4744,893368

-

13555,37

+

420

51

1,275

6667,54

0,372

+

-1773,970184

-

4893,569

+

450

24

0,6

2837,251

-0,256

+

1220,796686

+

4058,048

+

480

18,70

0,4675

2085,379

-0,622

+

2966,154447

+

5051,534

+

510

14,50

0,3625

1489,557

-0,737

+

3514,559209

+

5004,116

+

540

9,80

0,245

822,8028

-0,744

+

3547,940368

+

4370,743

+

570

6,30

0,1575

326,2838

-0,737

-

3514,559209

+

3840,843

+

600

5,80

0,145

255,3526

-0,622

-

2966,154447

+

3221,507

+

630

4,81

0,12025

114,9087

-0,256

-

1220,796686

+

1335,705

+

660

4,81

0,12025

114,9087

0,372

-

-1773,970184

-

-1659,06

-

690

4,81

0,12025

114,9087

0,995

-

-4744,893368

-

-4629,98

-

720

4,81

0,12025

114,9087

1,256

-

-5989,53374

-

-5874,63

-


.

 

 

Таблица 4

Результаты расчета  К, Т

 

cos(f+b)/cosb

K, H

Знак силы

sin(f+b)/cosb

T, H

Знак силы

   

-5876,04

-

0

0

+

   

-3873,67

-

0,612

-2955,97

-

   

-561,444

-

0,98

-1821,91

-

90

-0,266

-302,091

-

1

1135,679

+

120

-0,697

-2008,08

-

0,752

2166,54

+

150

-0,931

-3192,81

-

0,388

1330,623

+

180

-1

-3462,82

0

1

0

+

210

-0,931

-3192,81

30

0,802

-1330,62

-

240

-0,697

-2008,08

60

0,302

-2166,54

-

270

-0,266

-377,562

-

-1

-1419,4

-

300

0,302

-175,862

-

-0,98

570,6783

-

330

0,802

-676,626

+

-0,612

516,3281

-

360

1

15220,12

+

0

0

+

370

0,977

22729,36

+

0,218

5071,648

+

390

0,802

10871,41

+

0,612

8295,889

+

420

0,302

1477,858

+

0,98

4795,698

+

450

-0,266

-1079,44

-

1

4058,048

+

480

-0,697

-3520,92

-

0,752

3798,753

+

510

-0,931

-4658,83

-

0,388

1941,597

+

540

-1

-4370,74

-

0

0

+

570

-0,931

-3575,82

-

-0,388

-1490,25

-

600

-0,697

-2245,39

-

-0,752

-2422,57

-

630

-0,266

-355,298

-

-1

-1335,71

-

660

0,302

-501,037

-

-0,98

1625,88

-

690

0,802

-3713,25

-

-0,612

2833,551

-

720

1

-5874,63

-

0

0

+


 

 

3.3 Построение диаграммы суммарного крутящего момента

Для двигателя с равными  интервалами между вспышками  суммарный крутящий момент будет  периодически повторятся:

для четырехтактного двигателя  через:

 

Масштаб крутящего момента:

 

где - масштаб силы, H/мм.

График крутящих моментов строим на листе 1 графической части  работы.

Средний крутящий момент определяется по площади, лежащей под кривой графика суммарного , Нм:

 

где - соответственно положительная и отрицательная площади под кривой суммарного момента;

L – длина интервала между вспышками по диаграмме крутящего момента, мм.

По данным теплового расчета ,Нм

4. Расчет и построение  внешней скоростной характеристики  двигателя

 

Внешняя скоростная характеристика, представляет собой зависимость  основных показателей двигателя  от частоты вращения n вала двигателя при полной подаче топлива, является основной характеристикой двигателя.

Кривые Ne= f1(n) и ge = f2(n) для карбюраторных двигателей строят с использованием эмпирических формул:

= ,

,

где Ne max – максимальная мощность ДВС, кВт, при частоте   вращения nN ;

Ne – мощность, кВт, при расчетной частоте n;

qe – удельный эффективный расход топлива, г/(кВтּч), при частоте n;

qeN – удельный расход топлива, г/(кВтּч), при Ne max;

Рассчитаем:

 = /0,93=90/0,93=96,7 кВт

=0,85* 3800=3230 мин-1

Пример расчета для  частоты вращения n = 800 мин-1

 

 

 

Остальные величины рассчитываются аналогично и представлены в таблице 6.1

Удельный эффективный  расход топлива, ge (г/кВт∙ч) при частоте n

где geN – удельный расход топлива, при Nemax

С = 1,2, D = 1, E = 0,8.

Пример расчета для  частоты вращения n = 800 мин-1

 

 

Остальные величины рассчитываются аналогично и представлены в таблице  Эффективный крутящий момент (H∙м)

Пример расчета для  частоты вращения n = 800 мин-1

 

 

Остальные величины рассчитываются аналогично и представлены в таблице  Часовой расход топлива (кг/ч)