Курсовая работа: Двигатели внутреннего сгорания

Содержание

1. Описание процессов, происходящих в одном цикле ДВС

2. Расчет параметров одного цикла и построение индикаторной диаграммы ДВС

3. Расчет и построение внешней характеристики ДВС

4. Построение диаграммы фаз газораспределения

5. Проектирование кривошипно-шатунного механизма

6. Определение основных параметров ДВС

7. Тепловой баланс двигателя

Список литературы


1. Описание процессов, происходящих в одном цикле ДВС

Рассмотрим действительный цикл работы четырехтактного дизельного двигателя по мере происходящих в нем процессов.

Процесс впуска

Первый такт – впуск горючей смеси.

Во время такта впуска (рис. 1, а), когда поршень 1 движется от В.М.Т. к Н.М.Т., а впускной клапан 3 открыт, в цилиндр 2 поступает атмосферный воздух, который, нагреваясь в процессе сжатия, воспламеняет топливо, впрыскиваемое в конце такта сжатия. Гидравлическое сопротивление впускного трубопровода повышает давление воздуха в конце такта впуска до 0,08 МПа. Температура воздуха в цилиндре составляет 50–80° С.

Процесс сжатия

Второй такт – сжатие смеси.

Во время такта сжатия (рисунок 1, б), когда впускной 3 и выпускной 5 клапаны закрыты, температура, и давление воздуха в цилиндре значительно возрастают. Вследствие высокой степени сжатия (е=7,8) давление и температура воздуха достигают значений 3,419МПа и 600 °С соответственно. В конце такта в цилиндр через форсунку 4 (рисунок, 1, в) впрыскивается топливо. В зависимости от формы камеры сгорания и типа форсунки давление впрыска находится в пределах 8…40 МПа.

Процесс сгорания и расширения

Третий такт – расширение, или рабочий ход.

Впрыснутое распыленное топливо, перемешиваясь со сжатым воздухом, самовоспламеняется и сгорает. При этом температура газов к концу сгорания повышается до 1600 °С, а давление до 7,864МПа. В конце такта расширения температура снижается до 700…10000С, а давление до 0,677МПа. Под давлением газов, образующихся в результате сгорания топливовоздушной смеси, поршень перемещается от В.М.Т. к Н.М.Т., совершая механическую работу (рисунок 1, в).

Процесс выпуска

Четвертый такт – выпуск отработавших газов.

Продукты сгорания выходят из цилиндра в атмосферу (рисунок 1, г). Температура выпуска равна 600…700 °С, а давление газов – 0,125МПа.

 

2. Расчет параметров одного цикла и построение индикаторной диаграммы ДВС

Объем камеры сгорания:

Vc = 1 (в условных единицах). (1)

Полный объем:

Va = e × Vc, (2)

где e – степень сжатия;

Va = 8×1 = 8.

Показатель политропы сжатия:


n1 =1,41 – 100/ne, (3)

где ne – номинальная частота вращения коленвала, об./мин;

n1= 1,41 – 100/4500 = 1,39

Давление в конце такта сжатия, МПа:

pc = pa × e n1, (4)

где pa – давление при впуске, МПа;

pc = 0,09×8 1,39 = 1,62 МПа

Промежуточные точки политропы сжатия (табл. 1):

px = (Va / Vx) n1 × pa, (5)

При  px = (8 / 1) 1,39 × 0,09=1,62 МПа

Таблица 1. Значения политропы сжатия

Vx

2 3 4 5 6 7 8

px, МПа

0,62 0,35 0,24 0,17 0,13 0,11 0,09

Давление в конце такта сгорания, МПа:

pz = l × pc, (6)

где l – степень повышения давления;

pz = 3,8 × 1,62 = 6,16 МПа

Показатель политропы расширения:

n2 =1,22 – 130/ne, (7)

n2 = 1,22 – 130/4500 = 1,19

Давление в конце такта расширения:

pb = pz / e n2, (8)

pb= 6,16/81,19= 0,52 МПа

Промежуточные точки политропы расширения (табл. 2):

px = (Vb / Vx) n2 × pb. (9)

 
При  px = (8 / 1) 1,19 × 0,52= 6,16 МПа

Таблица 2. Значения политропы расширения

Vx

2 3 4 5 6 7 8

px, МПа

2,71 1,67 1,19 0,91 0,73 0,61 0,52

Среднее теоретическое индикаторное давление, МПа:

, (10)

МПа.

Среднее давление механических потерь, МПа:

, (11)

где – средняя скорость поршня в цикле. Предварительно =.

МПа

Действительное индикаторное давление, МПа, с учетом коэффициента скругления диаграммы n=0,95:

, (12)

где  – давление выхлопных газов, МПа.

 МПа

Среднее эффективное давление цикла:

, (13)

 МПа

Полученные расчетом данные используем для построения индикаторной диаграммы (рисунок 2).

 

3. Расчет и построение внешней характеристики ДВС

Мощность Pe, кВт:

, (14)

nei – текущие (принимаемые) значения частоты вращения коленчатого вала;

np – номинальная частота вращения.

Вращающий момент, Н∙м:

, (15)

Удельный расход, гр/кВт∙ч:

 (16)

Массовый расход, кг∙ч:

 (17)

Полученные расчетом значения сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Зависимость мощности Pe, вращающего момента Те, удельного расхода ge и массового расхода Ge от частоты вращения коленвала ne.

Параметр

Отношение nei/ np

0,16 0,22 0,44 0,66 0,88 1 1,11

ne (об/мин)

700 1000 2000 3000 4000 4500 5000

Pe, кВт

13,6 19,33 41,1 60,6 73 75 73,1

Te, H×м

185,5 186,6 196,2 192,9 174,3 159,2 139,6

ge, гр/кВт∙ч

284,4 248 222,8 216,3 228,8 243,5 261,9

Ge, гр∙ч

3868 4794 9157 13108 16702 18263 19145

Графическая зависимость мощности Pe, вращающего момента Те, удельного расхода ge и массового расхода Ge от частоты вращения коленвала ne отображена на рисунке 4.

 

4. Построение диаграммы фаз газораспределения

Радиус кривошипа коленвала, м:

r = S / 2, (18)

r = 0,083/2 = 0,0415 м

4.2 Отрезок ОО1 (см. диаграмму фаз газораспределения, рис. 3):

, (19)

где r – радиус кривошипа в масштабе индикаторной диаграммы (r=55 мм)

g – коэффициент;

, (20)

lш – длина шатуна, м;

r – радиус кривошипа (r = 0,0415 м). Принимаем:

lш = 4r; (21)

Отсюда,

мм, (22)

Угол впрыска:

Полученные расчетом данные используем для построения диаграммы фаз газораспределения (рисунок 3) и ее связи с индикаторной диаграммой (рисунок 2).

5. Проектирование кривошипно-шатунного механизма

Рабочий объем цилиндра, л:


, (23)

где t – тактность двигателя (t = 4);

Pе – заданная мощность двигателя, кВт;

i – заданное число цилиндров,

5.2 Рабочий объем, м3:

, (24)

где D – диаметр поршня, м:

, (25)

S – неизвестный ход поршня, м.

Зная отношение S/D=0,9, определим:

м;

Принимаем 92 мм. Тогда мм.

5.3 Средняя скорость поршня, м/с:

, (26)

 м/с < 13 м/с = []

Здесь [] – максимальная допускаемая скорость поршня.

Таблица 4. Параметры бензинового ДВС

Параметр бензинового ДВС Значение параметра
d = D d = 92 мм

d

 

 

 

L= (0,8…1,1) d

L= 1.92 = 92 мм

h=(0,6…1,0) d

h = 0,7. 92 = 64 мм

lш = (3,5…4,5) r

lш = 4×41,5 = 166 мм

H = (1,25…1,65) d H = 1,3×92 = 120 мм

dk = (0,72…0,9) d

dk = 0,8 × 92= 74 мм

dш = (0,63…0,7) d

dш = 0,65×92 = 60 мм

lk = (0,54…0,7) dk

lk = 0,6×74 = 44 мм

lшат = (0,73…1,05) dш

lшат = 1×60 = 60 мм

При известном диаметре поршня его остальные основные размеры определяются из эмпирических соотношений. Результаты расчетов приведены в таблице 4.

Обозначения, принятые в таблице 4:

d – диаметр поршня;

dп – диаметр пальца;

dв – внутренний диаметр пальца;

lп – длина пальца;

l2 – расстояние между внутренними торцами бобышек;

d – толщина днища поршня;

dd – внешний диаметр внутреннего торца бобышек;

с1 – расстояние от днища поршня до первой канавки под поршневое кольцо;

е1 – толщина стенки головки поршня;

h – расстояние от днища поршня до центра отверстия под палец;

bк – глубина канавки под поршневое кольцо;

L – расстояние от торца юбки поршня до канавки под кольцо головки поршня;

H – высота поршня;

dю – минимальная толщина направляющей части поршня;

dш – диаметр шатунной шейки;

dк – диаметр коренной шейки коленвала;

lшат – длина шатунной шейки;

lк – длина коренной шейки коленвала.

Полученные расчетом параметры используем для проектирования кривошипно-шатунного механизма (рисунок 5).

 

6. Определение основных параметров ДВС

Крутящий момент, Н∙м:

 (27)

Литровая мощность, кВт/л:

 (28)


Удельная поршневая мощность, кВт/дм2:

 (29)

Механический КПД:

 (30)

Индикаторный КПД:

, (31)

где  – коэффициент избытка воздуха ( = 0,9)

 = 14.96 (для бензиновых двигателей)

 – низшая теплота сгорания топлива, ккал/кг. = 44

 – плотность топливо – воздушной смеси, кг/м3. =1,22

 = 0,7

Эффективный КПД:

 (32)

Удельный расход, г/кВт∙ч:

 (33)

Массовый расход, г∙ч:

 (34)

Перемещение поршня

Зависимость перемещения поршня от угла поворота коленчатого вала определяется по формуле:

 (35)

Строим график перемещения поршня из условия =0,25, угол поворота коленчатого вала 0–3600 с шагом 300.

Скорость поршня

Зависимость скорости поршня от угла поворота коленчатого вала определяется по формуле:

 (36)

Строим график скорости поршня из условия =0,25, угол поворота коленчатого вала 0–3600 с шагом 300.

Ускорение поршня

Зависимость скорости поршня от угла поворота коленчатого вала определяется по формуле:

 (37)

Строим график ускорения поршня из условия =0,25, угол поворота коленчатого вала 0–3600 с шагом 300.

 

Силы, действующие в двигателе

Сила инерции

Сила инерции определяется по формуле:

, (38)

где - угловая скорость поршня, определяемая по формуле:

, (39)

где - номинальная частота вращения двигателя. =4500 об/мин.

.

- приведенная масса поршня, определяемая по формуле:

, (40)

где - масса поршня, определяемая по формуле:


 (41)

- масса шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца:

, (42)

где - масса шатуна, определяемая по формуле:

 (43)

В итоге по формуле (40) определяем приведенную массу поршня:

Значения силы инерции в зависимости от угла поворота коленчатого вала заносим в таблицу 5.

Сила давления газов

Сила давления газов определяется по формуле:

, (44)

где - значения давления при данном угле поворота.

- атмосферное давление. =0,1 МПа.

- площадь поршня.

Площадь поршня определим по формуле:

 (45)

Значения силы давления газов в зависимости от угла поворота коленчатого вала заносим в таблицу 5.

Суммарная сила

Суммарная сила определится по формуле:

 (46)

Значения суммарной силы в зависимости от угла поворота коленчатого вала заносим в таблицу 5.

Таблица 5. Зависимости силы давления газов, силы инерции и суммарной силы от угла поворота коленчатого вала

Угол Давление, МПа Сила давления газов, Н

Ускорение, м/с2

Сила инерции, Н Суммарная сила, Н
0 0,125 165 11519,19 -11519,19 -11354,19
30 0,09 -66 9123,197 -9123,197 -9189,197
60 0,09 -66 3409,68 -3409,68 -3475,68
90 0,09 -66 -2303,84 2303,84 2237,84
120 0,09 -66 -5713,52 5713,52 5647,52
150 0,09 -66 -6819,36 6819,36 6753,36
180 0,09 -66 -6911,51 6911,51 6845,51
210 0,1 0 -6819,36 6819,36 6819,36
240 0,12 132 -5713,52 5713,52 5845,52
270 0,15 330 -2303,84 2303,84 2633,84
300 0,33 1518 3409,68 -3409,68 -1891,68
330 0,79 4554 9123,197 -9123,197 -4569,197
360 1,62 10032 11519,19 -11519,19 -1487,19
390 3,7 23760 9123,197 -9123,197 14636,803
420 1,6 9900 3409,68 -3409,68 6490,32
450 0,82 4752 -2303,84 2303,84 7055,84
480 0,65 3630 -5713,52 5713,52 9343,52
510 0,54 2904 -6819,36 6819,36 9723,36
540 0,44 2244 -6911,51 6911,51 9155,51
570 0,125 165 -6819,36 6819,36 6984,36
600 0,125 165 -5713,52 5713,52 5878,52
630 0,125 165 -2303,84 2303,84 2468,84
660 0,125 165 3409,68 -3409,68 -3244,68
690 0,125 165 9123,197 -9123,197 -8958,197
720 0,125 165 11519,19 -11519,19 -11354,19

Сила, направленная по радиусу кривошипа

Сила, направленная по радиусу кривошипа определяется по формуле:

 (47)

Строим график изменения силы К из условия =0,25, угол поворота коленчатого вала 0–7200 с шагом 300.

Тангенциальная сила

Тангенциальная сила определяется по формуле:

 (48)

Строим график изменения тангенциальной силы из условия =0,25, угол поворота коленчатого вала 0–7200 с шагом 300.

Нормальная сила

Нормальная сила определяется по формуле:

 (49)


Строим график изменения нормальной силы из условия =0,25, угол поворота коленчатого вала 0–7200 с шагом 300.

Сила, действующая по оси шатуна

Сила, действующая по оси шатуна, определяется по формуле:

 (50)

Строим график изменения силы, действующей по оси шатуна из условия =0,25, угол поворота коленчатого вала 0–7200 с шагом 300.

угол Сила К угол Сила Т угол Сила N угол Сила S
0 -11354,2 0 0 0 0 0 -11354,2
30 -7378,93 30 -5761,63 30 -1157,84 30 -9262,71
60 -1073,99 60 -3458,3 60 -764,65 60 -3559,1
90 -572,887 90 2237,84 90 572,887 90 2309,451
120 -3902,44 120 4162,222 120 1242,454 120 5783,06
150 -6273,87 150 2519,003 150 850,9234 150 6807,387
180 -6845,51 180 0 180 0 180 6845,51
210 -6335,19 210 -2543,62 210 -859,239 210 6873,915
240 -4039,25 240 -4308,15 240 -1286,01 240 5985,812
270 -674,263 270 -2633,84 270 -674,263 270 2718,123
300 -584,529 300 1882,222 300 416,1696 300 -1937,08
330 -3669,07 330 2864,887 330 575,7188 330 -4605,75
360 -1487,19 360 0 360 0 360 -1487,19
390 11753,35 390 9177,275 390 1844,237 390 14753,9
420 2005,509 420 6457,868 420 1427,87 420 6646,088
450 -1806,3 450 7055,84 450 1806,295 450 7281,627
480 -6456,37 480 6886,174 480 2055,574 480 9567,764
510 -9033 510 3626,813 510 1225,143 510 9801,147
540 -9155,51 540 0 540 0 540 9155,51
570 -6488,47 570 -2605,17 570 -880,029 570 7040,235
600 -4062,06 600 -4332,47 600 -1293,27 600 6019,604
630 -632,023 630 -2468,84 630 -632,023 630 2547,843
660 -1002,61 660 3228,457 660 713,8296 660 -3322,55
690 -7193,43 690 5616,79 690 1128,733 690 -9029,86
720 -11354,2 720 0 720 0 720 -11354,2

Средний крутящий момент

угол Крутящий момент ср. момент
0 0 0
30 -239,1075005 -71,925252
60 -143,5195164 -234,1036
90 92,87036 173,9265
120 172,732223 670,601599
150 104,5386361 607,040943
180 0 0
210 -105,5602831

 

240 -178,788152

 

270 -109,30436

 

300 78,1121964

 

330 118,8927905

 

360 0

 

390 380,8569325

 

420 268,0015386

 

450 292,81736

 

480 285,776231

 

510 150,5127511

 

540 0

 

570 -108,1144006

 

600 -179,7974735

 

630 -102,45686

 

660 133,9809489

 

690 233,096765

 

720 0

 

, где Тх – значение тангенциальной силы при данном угле поворота.

Тср.= 163,2 Н∙м, что составляет разницу с ранее

посчитанным моментом (27) 2,45%.

 

7. Тепловой баланс двигателя

Теплота сгорания израсходованного топлива:

 (51)

Эквивалентная эффективная теплота работы двигателя:

 (52)


Список литературы

1. Сырямин Ю.Н. Двигатели внутреннего сгорания. Методические указания к выполнению расчетно-графического упражнения. Н., 1998. 13 с.

2. Сергеев В.П. Автотракторный транспорт. М., 1984. 304 с.

3. Колчин А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М., 1971.

4. Орлин А.И. Двигатели внутреннего сгорания. М., 1970. 384 с.

5. СТП СГУПС 01.01–2000. Курсовой и дипломный проекты. Требования к оформлению. 41 с.