Основы теории и расчёта автомобильных и тракторных двигателей

Содержание

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Задание

1 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ ДВИГАТЕЛЯ

1.1 Характерные объёмы  цилиндров

1.2 Характеристика горючей  смеси и продуктов сгорания

1.3 Параметры состояния  газа перед впускными и за выпускными клапанами

1.4 Показатели процесса  наполнения

1.5 Показатели процессов  сжатия и сгорания

1.6 Показатели процесса  расширения

1.7 Индикаторные и эффективные  показатели двигателя

2 ДИНАМИКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО  СГОРАНИЯ

2.1 Определение масс движущихся  частей кривошипно-шатунного механизма

2.2 Определение сил, действующих  в кривошипно-шатунном механизме  и крутящего момента

3 ХАРАКТЕРИСТИКА ДВИГАТЕЛЯ

3.1 Внешняя скоростная  характеристика двигателя

3.2 Нагрузочная характеристика

3.3 Многопараметровая характеристика

Список использованных источников

 

 

Задание

1.Двигатель-прототип –  ГАЗ-24;

2.Номинальная эффективная  мощность двигателя прототипа , кВт – 70-80;

3.Номинальная частота  вращения вала двигателя , об/мин – 5000;

4.Числа цилиндров, z – 4P;

5.Диаметр цилиндра D, м – 0,092;

6.Ход поршня S, м – 0,092;

7.Отношение радиуса кривошипа  к длине шатуна, *_кр – 0,260;

8.Степень сжатия  – 7,3  ;

9.Коэффициент избытка  воздуха  – 0,86;

10.Степень предварительного  расширения  – 1,08;

11.Коэффициент эффективного использования теплоты при сгорании – 0,91;

12.Масса поршня _, кг – 0,62;

13.Масса шатуна _{, кг – 1,02;}

14.Отношение массы шатуна  приведенного к поршню, к массе  шатуна  _{– 0,278;}

15.Масса кривошипа _, кг – 3,90. 

1 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ ДВИГАТЕЛЯ

Рис.1.1 – Схема кривошипно-шатунных механизмов (рядного)

 

1.1 Характерные объёмы  цилиндров

Рабочий объём цилиндра

 

 

где D – диаметр цилиндра;

       S – ход поршня.

  (по заданию).

 

Объём камеры сжатия

 

где – степень сжатия.

      (по заданию).

 

Полный объём цилиндра

 

 

Текущий объём

 

где – угол поворота кривошипа;

      – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

; (по заданию).

 

 

       

 

Результаты расчётов выполненные от 0 до сводят в таблицу 1.1 и строя график зависимости изменения объёма цилиндра от угла поворота кривошипа.

 

 

Табл.1.1 – Зависимость  объёма цилиндра от угла поворота кривошипа

Параметры	Угол поворота кривошипа
	0 360	10 370		20 380		30 390	40 400		50 410		60 420	70 430		80 440		90 450
Объём цилиндра V, дм3	0,097	0,103		0,12		0,148	0,185		0,23		0,28	0,333		0,388		0,443
Параметры	Угол поворота кривошипа
	100 460	110 470		120 480		130 490	140 500		150 510		160 520	170 530		180 540		190 550
Объём цилиндра V, дм3	0,494	0,542		585		0,623	0,653		0,678		0,695	0,705		0,709		0,705
Параметры	Угол поворота кривошипа
	200 560	210 570		220 580		230 590	240 600		250 610		260 620	270 630		280 640		290 650
Объём цилиндра V, дм3	0,695	0,678		0,654		0,623	0,586		0,543		0,495	0,443		0,388		0,333
Параметры	Угол поворота кривошипа
	300 660		310 670		320 680			330 690		340 700			350 710		360 720
Объём цилиндра V, дм3	0,28		0,23		0,185			0,148		0,12			0,103		0,097

 

Рис.1.2 – Зависимость объёма цилиндра от угла поворота кривошипа

Литраж двигателя

 

где – число цилиндров;

      (по заданию).

 

1.2 Характеристика горючей  смеси и продуктов сгорания

Теоретически необходимое  количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:

 

где С – массовая доля в топливе углерода;

       Н - массовая доля в топливе водорода;

       О - массовая доля в топливе кислорода;

          _{– объёмная доля кислорода в воздухе}.

; [2];

 

Количество горючей смеси  на 1 кг топлива для карбюраторного двигателя

 

где – коэффициент избытка воздуха;

       – молекулярная масса топлива.

 (по заданию); [2]. Принимаю .

 

Количество продуктов сгорания на 1 кг топлива

 

 

Химический коэффициент  молекулярного изменения горячей  смеси при сгорании

 

 

 

1.3 Параметры состояния  газа перед впускными и за выпускными клапанами

 

Давление свежего заряда перед впускными клапанами для  двигателей без наддува

 

где – давление окружающей среды;

      – потеря давления в впускном трубопроводе.

; . Принимаем .

 

Температура свежего заряда перед впускными клапанами для  двигателей без наддува

 

где – температура окружающей среды;

      – температура подогрева свежего заряда.

 .. Принимаем .

 

Давление газа за выпускными клапанами двигателя без наддува

 

где – перепад давления в выпускном трубопровода;

. Принимаем .

 

 

1.4 Показатели процесса  наполнения

 

Количество остаточных газов

 

где – универсальная газовая постоянная;

      – температура остаточных газов в начале процесса впуска.

; . Принимаем .

Давление остаточных газов

 

где – коэффициент, учитывающий перепад давления остаточных газов в цилиндре по

       отношению к давлению за выпускными клапанами в конце процесса выпуска.

. Принимаем .

 

 

Давление в конце процесса наполнения

 

где – коэффициент, учитывающий перепад давления рабочей смеси перед впускными

       клапанами по отношению к давлению в цилиндре в конце процесса наполнения.

. Принимаем .

 

Коэффициент наполнения

 

где – повышение температуры свежего заряда от стенок цилиндра.

. Принимаем .

 

Коэффициент остаточных газов

 

 

Температура в конце процесса наполнения

 

 

 

Количество свежей смеси, заполнившей цилиндр

 

 

Количество рабочей смеси

 

 

1.5 Показатели процессов  сжатия и сгорания

Изменение давления в цилиндре в процессе сжатия

 

где – показатель политропы сжатия.

.

 

Давление в конце процесса сжатия

 

 

Температура в конце процесса сжатия

 

 

Коэффициент молекулярного  изменения при сгорании рабочей  смеси

 

 

 

Температуру в условном конце  сгорания , по методу расчёта, изложенному в работе. определяют решая уравнения

 

Для карбюраторного двигателя  входящие в уравнение зависимости  определяют по формулам

 

где ;

       – степень предварительного расширения.

(по заданию).

 

 

 

 

 

где ;

       ;

       – низшая теплотворная способность топлива;

       – коэффициент эффективности использования теплоты при сгорании.

; (по заданию).

 

 

 

 

 

Для карбюраторного двигателя  степень повышения давления определяется по заданной степени предварительного расширения

 

 

Давление в конце сгорания

 

 

Объём цилиндра в конце  сгорания

 

 

1.6 Показатели процесса  расширения

Давление в цилиндре на участке предварительного расширения принимают величиной постоянной равной .

Степень последующего расширения

 

 

При последующем расширении давление в цилиндре уменьшается  в результате увеличения объёма и  рассчитывается по формуле

 

где – показатель политропы расширения.

 Принимаем  .

Давление в конце процесса расширения

 

 

Температура в конце процесса расширения

 

 

Давления и температуры  в цилиндре двигателя в процессах  сжатия, сгорания и расширения вносятся в таблицу. По результатом расчёта рабочего процесса двигателя строятся индикаторные диаграммы, представляющие собой зависимости изменения давления газов в цилиндре от его объёма и угла поворота кривошипа.

В процессе наполнения давления принимают величиной постоянной, равной , а давление в процессе выпуска равным .

Табл.1.2 – Индикаторная диаграмма

Линия сжатия			Линия расширения
, град	V, дм3	Р, МПа	, град	V, дм3	Р, МПа
1	2	3	4	5	6
180	0,709	0,083	360	0,097	4,325
190	0,705	0,083	370	0,103	4,325
200	0,695	0,085	380	0,12	3,662
210	0,678	0,088	390	0,148	2,841
220	0,654	0,092	400	0,185	2,163
230	0,623	0,098	410	0,23	1,662
240	0,586	0,107	420	0,28	1,306
250	0,543	0,118	430	0,333	1,055
260	0,495	0,134	440	0,388	0,876

 

 

Продолжение табл.1.2

1	2	3	4	5	6
270	0,443	0,155	450	0,443	0,746
280	0,388	0,185	460	0,494	0,652
290	0,333	0,227	470	0,542	0,582
300	0,28	0,287	480	0,585	0,53
310	0,23	0,374	490	0,623	0,492
320	0,185	0,499	500	0,653	0,464
330	0,148	0,674	510	0,678	0,444
340	0,12	0,89	520	0,695	0,43
350	0,103	1,096	530	0,705	0,423
360	0,097	1,186	540	0,709	0,42

 

1.7 Индикаторные и эффективные  показатели двигателя

 

Среднее индикаторное давление

 

где – коэффициент полноты индикаторной диаграммы.

 [2].

 

 

Индикаторная мощность двигателя

 

где – тактность двигателя.

 

 

Средний индикаторный момент

 

Экономичность рабочего цикла  двигателя внутреннего сгорания характеризуется индикаторным КПД, который представляет собой отношение  тепла преобразованного в индикаторную работу цикла  к теплу, затраченного за цикл топлива .

 

 

Удельный индикаторный расход топлива

 

 

Среднее давление механических потерь

 

где – средняя скорость поршня.

 

      и – эмпирические коэффициенты.

[6]; [6].

 

 

Механический КПД двигателя

 

 

 

Среднее эффективное давление

 

 

Эффективный КПД двигателя

 

 

Эффективная мощность двигателя

 

 

 

Эффективный момент

 

Удельный эффективный расход топлива

 

 

Часовой расход топлива

 

 

 

2 ДИНАМИКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

 

К выполнению данного этапа  проекта приступают после определения  показателей рабочего процесса. Расчёты  проводят в следующей последовательности:

1.Определение движущих  масс кривошипно-шатунного механизма.

2.Определение сил, действующих  в кривошипно-шатунном механизме  и крутящего момента.

Для проведения расчётов необходимо составить схему сил действующих  в кривошипно-шатунном механизме.

Силы, действующие на кривошипно-шатунный механизм

2.1 Определение масс движущихся  частей кривошипно-шатунного механизма

Масса возвратно-поступательно движущихся частей

 

где – масса поршня;

      – масса шатуна, приведенная к поршню.

; (по заданию).

 

Масса вращающихся частей

 

где – масса кривошипа;

      – масса шатуна, приведенная к кривошипу.

; (по заданию).

 

2.2 Определение сил, действующих  в кривошипно-шатунном механизме  и крутящего момента

Сила от давления газов  на поршень

 

где – давление газов в цилиндре.

Сила инерции возвратно-поступательных масс

 

Суммарная сила действующая на поршень

 

Нормальная сила, действующая  перпендикулярно оси цилиндра

 

где – угол отклонения шарнира от оси цилиндра.

Сила действующая на кривошип

 

 

Центробежная сила, действующая на кривошип

 

Полная радиальная сила на кривошипе

 

Тангенциальная сила на одном кривошипе

 

Крутящий момент от одного цилиндра,

 

По данным результатом  строим диаграммы от угла поворота кривошипа от 0 до 720 действующая на поршень и кривошип.

Определить суммарный индикаторный момент

 

Среднее величина индикаторного  момента многоцилиндрового двигателя  определяется индикаторной работой  периода, отнесенной к углу поворота

 

Эффективный момент двигателя

 

Эффективный мощность

 

где – угловая скорость вала двигателя, рад/сек.

 

Полученные результаты расчёта  индикаторного момента и индикаторной мощности, не значительно отличаются от действующей параметров полученных при расчёте рабочего процесса двигателя.

 

 

 

Табл.2.1 – Такт впуска. Силы, действующие на поршень