Контрольная работа: Основні розрахунки щодо роботи автомобільного двигуна
Вступ
1. Хімічні реакції при горінні палива
2. Розрахунок процесів дійсного циклу індикаторних та ефективних показників дійсного циклу двигуна
4. Розрахунок параметрів циліндра та тепловий баланс двигуна
5. Побудова зовнішньої швидкісної характеристики двигуна
6. Кінематичний розрахунок кривошипно-шатуного механізму
7. Побудова індикаторної діаграми циклу двигуна
8. Динамічний розрахунок кривошипно-шатунного механізму
9. Розрахунок та побудова графіків залежностей
10. Розрахунок та побудова поверхневих діаграм
Висновки
Література
Вступ
Впровадження досягнень науково-технічного прогресу в автомобілебудуванні та на автомобільному транспорті вимагає творчого підходу до вирішення наукових і практичних завдань, які стоять перед робітниками цих галузей, що в свою чергу передбачає необхідність підвищення якості підготовки і перепідготовки кадрів для них.
В області розвитку і удосконалення автомобільних двигунів основними задачами на сучасномк етапі являється:
· зниження паливної економічності;
· питомої маси;
· вартості їх виготовлення і експлуатації;
· боротьба з токсичними викидами в атмосферу;
· зниження шуму при експлуатауії двигунів.
Виконання цих задач вимагає від спеціалістів, пов’язаних з виробництвом та експлуатацією автомобільних двигунів, глибоких знань теорії, конструкції та розрахунку двигунів внутрішнього згоряння.
Важливим чином у придбанні даних знань, що базуються на основних теоретичних положеннях дисципліни «Автомобільні двигуни».
Курс «Автомобільні двигуни» є одним з базових у справі підготовки інженерно-технічних працівників автомобільного транспорту.
Сучасна автомобільна силова установка (автомобільний двигун) являє собою одну з найскладніших машин, здатних перетворювати теплоту, що виділяється при згорянні палива, у механічну роботу. Процеси згоряння, виділення теплоти і перетворення її в механічну роботу продуктами згоряння відбувається у середині двигуна. Звідси й назва – двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ).
1. Хімічні реакції при горінні палива
Теоретично необхідна кількість повітря для згоряння 1 кг палива:
, кг.повітря/кг.палива.
l0=
кг.повітря/кг.палива.
Склад палива: бензинів – С = 0,870; Н = 0,145; О = 0; дизельного палива –
С = 0,870; Н = 0,126; О = 0,004. Вид палива повинен відповідати прототипу двигуна, що заданий у таблиці вихідних параметрів.
Теоретично необхідна кількість повітря для згоряння палива:
, кмоль.повітря/кг.палива.
L0=
кмоль.повітря/кг.палива.
Коефіцієнт надлишку повітря a у режимі номінальної потужності приймають за таблицею вихідних параметрів α =0.82
Кількість свіжого заряду
, кмоль свіжого заряду/кг.палива.
M1=0.82·
=0.4246 кмоль свіжого
заряду/кг.палива.
Кількість двоокису вуглецю (СО2) у продуктах згоряння за умови:
a<1, 
, кмоль/кг.палива,
MCO2= 
кмоль/кг.палива,
де
; для нафтових рідких палив к = 0,45...0,53. 
Кількість окису вуглецю (СО) у продуктах згоряння за умови:
a<1,
, кмоль/кг.палива.
MCO=
кмоль/кг.палива.
Кількість водяної пари (Н2О) у продуктах згоряння
за умови:
a<1,
, кмоль/кг
палива.
MH2O=
кмоль/кг палива.
Кількість водню (Н2) у продуктах згоряння за умови:
a<1,
, кмоль/кг
палива.
MH2=
кмоль/кг палива.
Кількість кисню (О2) у продуктах згоряння за умови:
a<1,
, кмоль/кг.палива.
Кількість азоту (N2) у продуктах згоряння
, кмоль/кг.палива.
MN2=
кмоль/кг.палива
Загальна кількість продуктів згоряння рідкого палива
, кмоль/кг.палива.
M2=
кмоль/кг.палива.
Зміна кількості робочого тіла при згорянні палива
, кмоль/кг.палива.
∆M=
кмоль/кг.палива.
Коефіцієнт молекулярної зміни паливної суміші
.
Нижча теплота згоряння рідкого палива за формулою Менделєєва
, кДж/кг.палива.
Hu=
кДж/кг.палива.
Вміст
сірки S та вологи W у паливі приймають рівними 0.
Хімічна неповнота згоряння за умови:
a<1, 
, кДж/кг
палива.
∆Hu=
кДж/кг палива.
Теплота згоряння паливної суміші:
, кДж/кмоль пал.суміші.
Hпал.сум=
кДж/кмоль пал.суміші.
Розрахунок процесів дійсного циклу
Тиск навколишнього середовища для розрахунків Р0 = 0,10 МПа.
Температура навколишнього середовища для розрахунків Т0 = 293 К.
Тиск середовища, звідки повітря надходить у циліндр.У випадку відсутності наддуву Рк = Р0.
Температура середовища, звідки повітря надходить у циліндр
При відсутності наддуву Рк = Р0, а Тк = Т0.
Тиск
залишкових газів у циліндрі двигуна перед початком процесу наповнення: при відсутності наддуву
, МПа;
Pr=
МПа
Температуру залишкових газів Tr =1050 K
Густина заряду при наповненні:
при відсутності
наддуву 
,кг/м3;
кг/м3
де В =
287Дж/кг×град - питома газова стала.
При відсутності
наддуву приймають 
.
Втрати тиску при наповненні
, МПа,
∆Pa=
МПа
де b - коефіцієнт затухання швидкості руху заряду у перерізі циліндра;
xВП – коефіцієнт опору впускної системи, віднесений до
найбільш вузького його перерізу, 
;
wВП = 50...150 м/с - середня швидкість руху заряду у найменшому перерізі впускної системи в м/с. Значення wВП приймають за таблицею вих. пар.
Тиск кінця впуску
, МПа
Pa=
МПа
Температура підігріву свіжого заряду DТ. Приймається
DТ=10ºС.
Коефіцієнт залишкових газів
,
.
де e - ступінь стиску, приймається за табл. вих. пар.
Температура в кінці наповнення
, К.
Ta=
К.
Коефіцієнт наповнення
.
.
Середній показник адіабати стиску k1=1,378
Визначається
за номограмою Додатку Е (рис. Е-1) у залежності від ступеня стиску e і температури в кінці
наповнення Та.
Значення показника політропи стиску n1 в залежності від k встановлю ють у межах:
для бензинових двигунів (k1-0,01)…(k1-0,04); Приймаємо n1=1,338
Тиск у кінці теоретичного стиску
, МПа.
Pc=
МПа
Температура у кінці теоретичного стиску
, К.
Tc=
К
Середня мольна теплоємність свіжого заряду у кінці стиску
, кДж/кмоль×град.,
кДж/кмоль×град
де tс - температура у кінці стиску в °С (tс = Tс-273°).
Середня мольна теплоємність залишкових газів
=23,3796 кДж/кмоль×град
визначається в залежності
від коефіцієнта надлишку повітря a і температури у кінці стиску
tс шляхом інтерполяції
за таблицею В-1 Додатку В
Середня мольна теплоємність робочої суміші
, кДж/кмоль×град.
кДж/кмоль×град.
Коефіцієнт молекулярної зміни робочої суміші
,
де gr - коефіцієнт залишкових газів.
Теплота згоряння робочої суміші
, кДж/кмоль.
Hроб.сум=
кДж/кмоль.
Середня мольна теплоємність продуктів згоряння
.
Окремі
компоненти 
беруть з таблиці С-1 Додатку
С.
Рівняння згоряння (тепловий баланс) для:
бензинових двигунів
;
0,85·96494,13+21,99·383=1,1235·(21,01+0,0046tz)·tz
91451,24=25,3855 tz+0,00208tz2
0,00208tz2+25,3855tz-91451,24=0
де xz - коефіцієнт використання тепла. Коефіцієнт використання теплоти у період згорання залежить від типу двигуна:
для бензинового
двигуна xz = 0,85...0,95
Температуру, що відповідає максимальному тиску згоряння Рz визначають шляхом розв’язування квадратного рівняння попереднього пункту
, °С,
tz=
°С.
, К.
Tz=2909+273=3182 К.
Максимальний тиск згоряння:
для бензинового
двигуна 
, МПа;
Pz=
МПа.
Дійсний максимальний тиск згоряння:
для бензинового
двигуна 
. МПа.
Pzд=0.85·5,6=4,76Мпа.
Ступінь
підвищення тиску l. Для бензинових двигунів
.
МПа.
Ступінь попереднього розширення
Для бензинових
двигунів
;
Ступінь подальшого розширення
Для бензинових
двигунів 
=6,5
Середній показник адіабати розширення k2 =1,2584
Визначають по номограмам Е-2
та Е-3 Додатку Е, відповід но, для бензинових та дизельних двигунів за числовими
значеннями d, a та Tz.
Середній показник політропи розширення n2
k2=1,2584
Тиск кінця процесу розширення
, МПа.
Pb=
МПа.
Температура кінця процесу розширення
, К.
Tb=
К.
Перевірка точності вибору значень тиску та температури залишкових газів
, К.
Tr=
К.
Значення Тr відрізняється від значення прийнятого у пункті 2.6 на 5%. Умова виконується.
3. Розрахунок індикаторних та ефективних показників дійсного циклу двигуна
3.1. Теоретичний середній індикаторний тиск
, МПа.
МПа.
Дійсний середній індикаторний тиск
, МПа,
Pi=0,95·1,25=1,21 МПа
де j - коефіцієнт повноти індикаторної діаграми, приймається за таб. вих. пар.
Індикаторна потужність двигуна
, кВт,
Ni=
кВт,
де Vл – робочий об’єм циліндрів двигуна у літрах (літраж);
n – частота обертання колінчастого вала, об/хв;
t – коефіцієнт тактності (t = 4).
Значення Vл та n приймають за таб. вих. пар.
Індикаторний коефіцієнт корисної дії
,
Індикаторні питомі витрати палива
, г/кВт×год,
q=
г/кВт×год.
Тиск механічних втрат Рм визначають за емпіричною залежністю по заданому у таблиці А-1 значенню середньої швидкості поршня (Vп.ср, м/с).
Для бензинових двигунів з числом циліндрів 8 та більше
PM =0,039+0,0132·Vп.ср, МПа,
PM=0,039+0,0132·10,1=0,17 МПа.
Середній ефективний тиск
, МПа.
Pe=1,19-0,17=1,04 МПа
Механічний коефіцієнт корисної дії
,
.
Ефективний коефіцієнт корисної дії
.
Ефективна потужність двигуна
.
Ne=199,19·0,86=166,69 кВт
Ефективні питомі витрати рідкого палива
, г/кВт×год.
ge=
г/кВт×год
Годинні витрати палива
, кг/год.
GT=259,55·166,69·10-3=44,36 кг/год
Циклова подача рідкого палива
, г/цикл.
Gц=
г/цикл
4. Розрахунок параметрів циліндра та тепловий баланс двигуна
4.1 Робочий об’єм циліндра
, л,
Vh=
л.
деі – кількість циліндрів (таблиця вих. пар.).
Діаметр циліндра
, мм,
D=
мм.
де S/D – відношення ходу поршня до діаметра циліндра, приймають за таблицею А-1.
Значення D приймають для подальшого розрахунку округленим до цілих значень у мм.
Хід
поршня 
, мм.
S=100·0,95=95 мм,
Значення ходу поршня приймають для подальших розрахунків округленим до цілих міліметрів.
Уточнене значення літражу двигуна
, л,
Vл=
л
де D та S у мм.
Уточнене значення ефективної потужності
, кВт.
Ne=
кВт
Номінальний ефективний крутний момент
, Н×м.
Me=
Н×м
Уточнене значення годинних витрат палива
, кг/год,
GT=166,79·265,94·10-3=44,36 кг/год.
Уточнене значення середньої швидкості поршня
, м/с,
Vп,ср=
м/с.
Загальна кількість тепла, що вводиться у двигун при згорянні палива
, Дж/с,
Q0=
Дж/с.
Тепло еквівалентне ефективній роботі
, Дж/с,
Qe=1000·166,79=166790 Дж/с.
Тепло, що передається охолоджуючому середовищу
, Дж/с,
Qв=
Дж/с
де С-
коефіцієнт пропорційності (С = 0,45…0,52);
і – число
циліндрів; D – діаметр циліндра у см; m – показник степеня (для чотирьохтактних
двигунів m = 0,6…0,7);
n- число обертів колінчастого валу двигуна, об/хв. (таблиця вих. пар.).
Теплота, що винесена з відпрацьованими газами
, Дж/с,
=31,69
=29,68
Qr=
Дж/с
де 
- середня мольна теплоємність
відпрацьованих газів при сталому тискові у кінці випуску;
, кДж/кмоль×град. Значення 
визначається згідно пункту
2.19 за таблицею В-2 або В-3 додатку В для tr;
- середня мольна теплоємність
повітря при сталому тискові і температурі середовища, звідки надходить повітря;
, кДж/кмоль×град. Значення 
визначається за формулою лівого
рядку таблиці С-1 додатку С для tк;
Теплота, що втрачена із-за хімічної неповноти згоряння:
для бензинового двигуна
, Дж/с.
Qнс=
Дж/с.
Невраховані втрати тепла
, Дж/с.
Qост=
Дж/с.
Складові частини теплового балансу у процентах:
=
; 
=
;
=
; 
=
; 
=
; 
.
5. Побудова зовнішньої швидкісної характеристики двигуна
Мінімальна частота обертання двигуна nmin= n / 5, об/хв.
nmin=3300/5=660 об/хв
Максимальна частота обертання двигуна:
для бензинового двигуна nmax = 1,1× n, об/хв.
nmax=1,1·3300=3630 об/хв
Крок зміни частоти обертання Dn = nmin, об/хв.
Dn =660 об/хв.
Послідовність розрахункових частот:
n1 = nmin; n2 = n1 + Dn; n3 = n2 + Dn; n4 = n3 + Dn; n5 = n.
n1 =9660 об/хв.n2 =660+660=1320 об/хв.n3 =1320+660=1980 об/хв
n4 =1980+660=2640 об/хв.n5 =3300 об/хв.n6 =3630 об/хв.
Для бензинового двигуна n6 = nmax .
Для розрахункових частот обертання колінчастого валу визначають розрахункові точки кривої ефективної потужності:
для бензинових двигунів:
, кВт;
кВт;
кВт;
кВт;
кВт;
кВт;
кВт.
де Ne – номінальна ефективна потужність 4.5; Nex – біжуче значення ефективної потужності (кВт) для конкретних обертів швидкісної характеристики (nx); nx - біжуче значення швидкості обертання колінчастого валу (об/хв).
Біжучі значення ефективного крутного моменту
, Н×м.
Н×м;
Н×м;
Н×м;
Н×м;
Н×м;
Н×м.
Біжучі значення середнього ефективного тиску для розрахункових частот обертання колінчастого валу
, МПа.
МПа.
МПа.
МПа.
МПа.
МПа.
МПа.
Біжучі значення середньої швидкості поршня
, м/с.
м/с;
м/с;
м/с;
м/с;
м/с;
м/с.
Біжучі значення середнього тиску механічних втрат для прийнятих частот обертання визначають за формулами пункту 3.6 для відповідної швидкості поршня Vп.срх.
МПа
МПа
МПа
МПа
МПа
МПа
МПа
Біжучі значення питомих ефективних витрат палива визначають за формулами:
для бензинового
двигуна 
, г/кВт×год;
г/кВт×год;
г/кВт×год;
г/кВт×год;
г/кВт×год;
г/кВт×год;
г/кВт×год.
де ge – питомі витрати палива при номінальній потужності 3.11;
gex – біжуче значення питомих ефективних витрат палива.
Біжучі значення годинних витрат палива
, кг/год.
кг/год
кг/год
кг/год
кг/год
кг/год
кг/год
Залежність коефіцієнта надлишку повітря від частоти обертання визначають через ax, що відповідають розрахунковим частотам обертання.
Для бензинових двигунів значення коефіцієнту при мінімальній частоті обертання nmin дорівнює a1 = (0,8…0,85)×a.
a1 =0,85·0,94=0,752
Подальші значення коефіцієнтів a2, a3, a4, a5 та a6 дорівнюють a=0,94
Біжучі значення коефіцієнта наповнення визначають за формулою
,
де Рех – у МПа; gex – у г/кВт×год.
Таблиця 5.1 - Результати розрахунків зводяться в таблицю у наступній формі
Швидкість обертання
nx, об/хв
Параметри зовнішньої швидкісної характеристики
Nex,
кВт
Мех ,
Н×м
Pex ,
МПа
Vп.срх ,
м/с
Рмх ,
МПа
gex ,
г/кВт×год
Gтх ,
кг/год
ax
hvx
За результатами розрахунків будуються графіки зовнішньої швидкісної характеристики. Приклади зовнішньої швидкісної характеристики бензинового двигуна приведено на рис. 1, 2.
Рис. 1 - Зовнішньо швидкісна характеристика бензинового двигуна
6. Кінематичний розрахунок кривошипно-шатунного механізму
Відношення
радіуса кривошипа до довжини шатуна 
=0,28 визначають
за таблицею вихідних параметрів.
Радіус
кривошипу 
, мм,
R=
мм
де S – хід поршня у відповідності за пунктом 4.3.
Переміщення поршня в залежності від кута повороту кривошипа
, мм,
де j - кут повороту кривошипа,
що відраховується від точки ВМТ осі циліндра в напрямі обертання колінчастого валу
за годинниковою стрілкою. Розрахунок проводиться для значень j від 0° до 360° з кроком 10° використовуючи таблицю
D-1 додатку D, в якій для заданих l¢ та j наведені значення
виразу 
.
Результати розрахунків зводять у таблицю в наступній формі:
Таблиця 6.1 - Результати розрахунків переміщення поршня
,
рад/с.
рад/с
. 
, м/с 2,
. 
, м/с 2
, мм,
мм
, мм,
. 
, МПа,
, МПа
, МПа,
, МПа
; 
; 
=0,125 МПа
МПа 
МПа
, кН.
, кг.
,
кН.
, кН. 
беруть
з таблиці D-4 додатку D. 
, кН.
беруть
з таблиці D-5 додатку D. 
, кН. 
беруть
з таблиці D-6 додатку D. 
, кН.
беруть
з таблиці D-7 додатку D. 
