Автомобильные двигатели

 

Определим координаты характерных  точек индикаторной диаграммы

Координаты характерных точек        Таблица 5

Наименование	Обозначение	Положение точки	j°	Sj	Sc+Sj
Начало открытия впускного  клапана	a'	18° до ВМТ	18°	2,1	10,7
Закрытие впускного  клапана	a"	60° после НМТ	120°	55,8	64,4
Начало открытия выпускного клапана	b'	55° до НМТ	125°	58	66,6
Закрытие выпускного клапана	b"	25° после ВМТ	25°	4,1	12,7
Подача искры	c'	35° до ВМТ	35°	7,8	16,4
Конец задержки воспламенения	f	30° до ВМТ	30°	5,8	14,4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.11. Тепловой баланс  двигателя

Общее количество теплоты, введенной  в двигатель:

Q₀ = Н_u*G_т/3,6= 44000*20,5/3,6 = 250555 Дж/с;

Теплота, эквивалентная эффективной  работе за 1 с:

Q_е=1000*N_e=1000*76,8=76800 Дж/с

Теплота, передаваемая охлаждающей  среде:

Q_в=c*i*D^1+2m*n^m*(Н_u-DH_u)/(a*H_u) =

= 0,48*4*8^1+2*0,65*5800^0,65*(44000-3100)/(0,95*44000) = 62687 Дж/с

где

с = (0,45¸0,53) – коэффициент пропорциональности;

i = 4 – число цилиндров;

D – диаметр цилиндра, см;

m = (0,6¸0,7) – показатель степени;

n = 5800 об/мин – частота вращения коленчатого вала.

Теплота, унесённая с отработавшими  газами:

где табл.3.8. [1].

при a = 0,95 и t_r = T_r –273 = 1000 –273 = 727°C

где

табл. 3.6. [1] (воздух) при t_к = T₀ – 273 = 288 – 273 = 15°C

Неучтённые потери теплоты:

Q_ост=Q_о-( Q_е+ Q_r + Q_в ) = 250555 - (76800 + 71814 + 62687) = 39254 Дж/с

 

 

 

2.Построение внешней  скоростной характеристики двигателя

Для построения внешней скоростной характеристики двигателя принимаем:

n_min = 800 об/мин – минимальная частота вращения коленчатого вала;

n_н = 5800 об/мин – номинальная частота вращения коленчатого вала;

n_max = (1,05…1,2)*n_н = 1,1*5800 =6090…6960 об/мин = 6500 об/мин – максимальная частота вращения коленчатого вала.

Расчет эффективной мощности ведем  по формуле

  N_e = 76,8 кВт

Удельный эффективный расход топлива  определим по формуле

 g_eH = 267 г/(кВт*ч)

Часовой расход топлива  G_т = g_eх * N_eх *10^-3 кг/ч

Эффективный крутящий момент  M_e = 9554*N_ex /n_x

Расчеты сводим в таблицу 6.

 

Расчет внешней характеристики двигателя   Таблица 6

Частота вращения коленчатого вала, n, об/мин	700	1000	2000	3000	4000	5000	6000	6500
Эффективная мощность двигателя, Ne, кВт	10,3	15,1	32,5	49,6	64,3	74,1	76,6	74,4
Удельный эффективный   расход топлива, ge, г/(кВт*ч)	286	273	242	226	226	243	275	297
Часовой расход топлива, Gт, кг/ч	2,93	4,13	7,85	11.2	14,6	18	21	22,1
Крутящий эффективный момент, Ме, Н*м	140	145	155	158	154	142	122	109

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Кинематический расчет

Радиус кривошипа  R = S/2 = 70/2 = 35 мм

Принимаем l = R/L_ш =0,25

Длина шатуна L_ш = R/0,25 = 35/0,25 = 140 мм

Перемещение поршня определим по формуле

Скорость поршня определим по формуле

w = p*n_H/30 = p*5800/30 = 607 рад/с

Ускорение поршня

j_п = w²*R*[cosj + l*cos(2*j)] = 12896*[cosj+0,25*cos(2*j)]

Расчеты сводим в таблицу 7.

Таблица 7

Угол поворота   кривошипа от В.М.Т.,     j, град.	0	30	60	90	120	150	180	210	240	270	300	330	360
Перемещение поршня, Sп, мм	0	5,8	20,8	39,4	55,8	66,4	70	66,4	55,8	39,4	20,8	5,8	0
Скорость поршня, uп, м/с	0	12,9	20,7	21,2	16,1	8,3	0	-8,3	-16,1	-21,1	-20,7	-12,9	0
Ускорение поршня, jп, м/с2	16120	12780	4836	-3224	-8060	-8500	-9672	-9556	-8060	-3224	4836	12780	16120

 

4. Динамический расчёт

4.1. Сила давления газов

Избыточное давление газов на поршень  определим по формуле

Dр_г = р_г – р₀

Аналитически строим развернутую  индикаторную диаграмму по углу кривошипа (рис.4.1). Расчет в таблице 4.1.

 

 

 

4.2. Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма

 По табл.8.1. [1] с учетом диаметра  цилиндра, отношения S/D, рядного расположения цилиндров и достаточно высокого значения p_z устанавливаются:

- масса поршневой группы (для  поршня из алюминиевого сплава  принято m'_п= 100 кг/м²)

m_п=m'_п*F _п= 100*52,8*10^-4 = 0,528 кг;

-масса шатуна (для стального  кованого шатуна принято m'_ш= 150кг/м²)

m_ш=m'_ш*F _п=150*52,8*10^-4 = 0,792 кг;

-масса неуравновешенных частей  одного колена вала без противовесов (m'_к= 140 кг/м²)

m_к=m'_к*F _п=140*52,8*10^-4 = 0,739 кг.

-масса шатуна, сосредоточенная  на оси поршневого пальца:

m_ш.п=0,275*m_ш=0,275*0,792=0,218 кг.

-масса шатуна, сосредоточенная  на оси кривошипа:

m_ш.к=0,725*m_ш=0,725*0,792 = 0,574 кг.

-массы, совершающие возвратно-поступательное  движение:

m_j= m_п+ m_ш.п= 0,528 + 0,218 = 0,746 кг.

-массы, совершающие вращательное  движение:

m_RS= m_к+ m_ш.к= 0,739 + 0,574 = 1,313 кг

 

4.3 Удельные и полные  силы инерции

Удельные силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс:

p_j=-j*m_j/F_п=-j*0,746*10^-6/52,8*10^-4 =-j*0,000141 МПа.

Центробежная сила инерции вращающихся  масс шатуна

K_Rш=-m_ш.к*R*ω²=- 0,574*0,035*607²*10^-3=- 7,402 кН.

Центробежная сила инерции вращающихся  масс кривошипа

K_Rк=-m_к*R*ω²=- 0,739*0,035*607²*10^-3= - 9,53 кН.

Центробежная сила инерции вращающихся  масс

К_R = K_Rш + K_Rк = -7,402 – 9,53 = - 16,93 кН

4.4 Удельные суммарные  силы

Удельная сила, сосредоточенная на оси поршневого пальца:

р = Δр_г + р_j, МПа

Удельная нормальная сила  р_N = р*tgβ, МПа

Значения tg β определяют для λ=0,25 по табл.8.2. [1].

Удельная сила, действующая вдоль  шатуна:  p_s=p*(1/cos β), МПа

Удельная сила, действующая по радиусу  кривошипа:

p_k=p*cos(φ+β)/cosβ, МПа

Удельная и полная тангенциальные силы:

p_T = p*sin(φ+β)/cosβ, МПа     Т = р_Т*F_п= р_Т*94,98*10^-1, кН

Результаты расчетов заносим в  таблицу 8. По результатам расчета  строим диаграммы (Рис.4¸ )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Динамический расчет сил             Таблица 8

j, град	0	30	60	90	120	150	180	210	240	270	300	330	360	380	390	420	450	480	510	540	570	600	630	660	690	720
рг, МПа	0,086	0,086	0,086	0,086	0,086	0,086	0,086	0,1	0,12	0,19	0,36	0,95	6	6,82	4,22	1,73	0,94	0,65	0,54	0,5	0,22	0,106	0,106	0,106	0,106	0,106
Dрг, МПа	-0,014	-0,014	-0,014	-0,014	-0,014	-0,014	-0,014	0	0,02	0,09	0,26	0,85	5,9	6,72	4,12	1,63	0,84	0,55	0,44	0,4	0,12	0,006	0,006	0,006	0,006	0,006
jп , м/с2	16120	12780	4836	-3224	-8060	-8500	-9672	-9556	-8060	-3224	4836	12780	16120	14588	12780	4836	-3224	-8060	-8500	-9672	-9556	-8060	-3224	4836	12780	16120
рj, МПа	-2,27	-1,8	-0,68	0,45	1,14	1,35	1,36	1,35	1,14	0,45	-0,68	-1,8	-2,27	-2,06	-1,8	-0,68	0,45	1,14	1,35	1,36	1,35	1,14	0,45	-0,68	-1,8	-2,27
р, МПа	-2,29	-1,82	-0,7	0,44	1,12	1,33	1,35	1,35	1,16	0,54	-0,42	-0,95	3,63	4,66	2,32	0,95	1,29	1,69	1,79	1,76	1,47	1,14	0,46	-0,68	-1,8	-2,27
tg b	0	0,13	0,22	0,26	0,22	0,13	0	-0,13	-0,22	-0,26	-0,22	-0,13	0	0,09	0,13	0,22	0,26	0,22	0,13	0	-0,13	-0,22	-0,26	-0,22	-0,13	0
b (рад)	0	0,125	0,217	0,251	0,217	0,125	0	-0,125	-0,217	-0,251	-0,217	-0,125	0	0,086	0,125	0,217	0,251	0,217	0,125	0	-0,125	-0,217	-0,251	-0,217	-0,125	0
рN, МПа	0	-0,23	-0,15	0,11	0,25	0,17	0	-0,17	-0,25	-0,14	0,09	0,15	0	0,4	0,29	0,21	0,33	0,37	0,23	0	-0,18	-0,25	-0,12	0,15	0,23	0
рS, МПа	-2,29	-1,83	-0,71	0,45	1,15	1,34	1,35	1,36	1,18	0,56	-0,43	-0,96	3,63	4,68	2,34	0,97	1,34	1,73	1,8	1,76	1,48	1,17	0,48	-0,69	-1,81	-2.27
рк, МПа	-2,29	-1.46	-0,22	-0,11	-0,78	-1.24	-1,35	-1,25	-0,8	-0,14	-0,13	-0,75	3,63	4,24	1,86	0,29	-0,33	-1,16	-1,66	-1,76	-1,36	-0,79	-0,12	-0,21	-1,44	-2,27
рт, МПа	0	-1,11	-0,68	0,44	0,85	0,52	0	-0,53	-0,87	-0,54	0,41	0,61	0	1,97	1,41	0,93	1,29	1,28	0,7	0	-0,57	-0,86	-0,46	0,66	1,09	0
Т, кН	0	-5,8	-3,6	2,3	4,5	2,8	0	-2,8	-4,6	-2,9	2,2	3,2	0	10,4	7,5	4,9	6,8	6,7	3,7	0	-3	-4,6	-2,4	3,5	5,8	0
Мкр.ц., Н*м	0	-204	-126	81	157	96	0	-97	-162	-101	76	113	0	364	261	171	239	236	129	0	-106	-160	-85	122	202	0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.5. Крутящие моменты

Крутящий момент одного цилиндра определим  по формуле

М_кр.ц=Т*R=T*0,055*10³ Н.м.

Результат расчета в таблице 8.

Период изменения крутящего  момента четырехтактного двигателя  с равными интервалами между  вспышками 

θ = 720/i = 720/ 4 = 180⁰.

Суммирование значений крутящего моментов всех трех цилиндров двигателя осуществляется табличным методом через каждые 30⁰ угла поворота коленчатого вала и по полученным данным строится кривая М_кр

Расчет сводим в таблицу 9

Таблица 9

	j, град	0	30	60	90	120	150	180
1 цилиндр	j кривошипа, град	0	30	60	90	120	150	180
	Мкр.ц., Н*м	0	-204	-126	81	157	96	0
2 цилиндр	j кривошипа, град	180	210	240	270	300	330	360
	Мкр.ц., Н*м	0	-97	-162	-101	76	113	0
3 цилиндр	j кривошипа, град	360	390	420	450	480	510	540
	Мкр.ц., Н*м	0	261	171	239	236	129	0
4 цилиндр	j кривошипа, град	540	570	600	630	660	690	720
	Мкр.ц., Н*м	0	-106	-160	-85	122	202	0
	Мкр., Н*м	0	-146	-227	134	591	540	0