Тепловой и динамический расчет двигателя

Для существующих бензиновых двигателей эффективные показатели могут иметь следующие величины (табл. 4);

Таблица 4

Двигатели	η%	Ре,  МПа (кгс/см²)	Gе, г/кВтч (г/эл.с.ч)
бензиновые	23…30	0,5…1,1 (5…10)	280…345 (210…260)

 

 

      2.8. Оснoвные  показатели и размеры цилиндра двигателя

  

                 

     По эффективной мощности, частоте вращения

коленчатого вала и среднему эффективному давлению определяем литраж двигателя:

 

 

где, Ne =50 кВт;

       Ре =0,782 МПа;

       п =5650 об/мин;

       t = 4 для четырехтактных двигателей

 

     Рабочий объем одного  цилиндра:

   где  i – число цилиндров двигателя.

 

 

 

Диаметр цилиндра:

                        

 

                                       

Ход поршня:

S=D*(S/D);

S=0,079*0,85=0,069м 

Полученные теоретические значения D и S округляем до ближайшего четного или кратного пяти. По окончательно принятым значениям D=0,08м и S=0,07м определяем основные параметры и показатели двигателя: 

Литраж двигателя :

эффективную мощность:

 

эффективный крутящий момент:

часовой расход жидкого топлива:

 

среднюю скорость поршня:

 

 

     Определим погрешность вычисления Ne:

                                  

Литровая мощность определяется по формуле:

Величина литровой мощности для автотракторных бензиновых двигателей колеблется в пределах:

 

 

 

                      Сводная таблица результатов теплового расчета                                         

                                                                                                          Таблица 5

1	2	3
Параметр	Вычисленное значение	Экспериментальное значение
γr	0,0645	(0,06...0,12)
Ta, К	359,3	(320...360)
ηv	0,768	(0,70...0,85)
Pc, МПа	1,53	(0,9...1,6)
Tc, К	743,8	(550...750)
µ	1,11	(1,02...1,12)
PzT, МПа	5,96	(3,5...6,5)
Pzd, МПа	5,066	(3...5,5)
Tz, К	2612,9	(2300...2800)
Pb, МПа	0,385	(0,34...0,5)
Tb, К	1435,1	(1200...1700)
Pi, МПа	0,92	(0,8...1,18)
ηi	0,284	(0,25...0,4)
gi, г/(кВт*ч)	288,1	(253...340)
Pe, МПа	0,782	(0,5...1,1)
ηe	0,241	(0,23...0,3)
ge, г/(кВт*ч)	338,9	(280...345)

 

 

2.9. Анализ полученных результатов

В результате теплового расчета были определены параметры рабочего тела в цилиндре двигателя, а также произведены оценочные показатели процесса, позволяющие определить размеры двигателя и оценить его мощностные и экономические показатели.

Вычисленные значения некоторых величин (давление и температура конца сжатия, давление конца сгорания, давление и температура конца расширения, а также коэффициент наполнения и среднее эффективное давление) входят в интервалы значений экспериментальных данных.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Динамический расчет

 

Порядок выполнения расчета для поршневого двигателя

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 течение 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 30 град ПКВ. В отдельных случаях  через 10 град ПКВ.

Последовательность выполнения расчета следующая:

1. Строим индикаторную диаграмму в координатах р-V.
2. Перестраиваем индикаторную диаграмму, выполненную по результатам теплового расчета, в координаты р-φ.
3. Определяем силу давления газов на днище поршня для положений коленчатого вала, отстоящих друг от друга на 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:

                    

                                 (1)

Результаты расчета заносятся в табл. 5.

4. Определяем силу инерции от возвратно-поступательно движущихся масс:

                   

                                (2)

Масса поступательно движущихся частей КШМ определяется из выражения:

               

,                                                      (3)

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

χ=0,26.

Значения mп и mш берутся из справочника.

mп = 0,49 кг, mш=0,637 кг.

 

Угловая скорость ω,  входящая в формулу(2):

 

                                        

,                                             (4)

 

При известной величине хода поршня S радиус кривошипа:

 

                          

                                              (5)

 

5. 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:

 

                     

                                       (6)

результаты определения РΣ, а также Рг и РJ заносятся в табл.5.

6. Определяем нормальную силу К, направленную по радиусу кривошипа 

                     

.                                         (7)                                            

7.  Определяем тангенциальную  силу Т, направленную по касательной  к окружности радиуса кривошипа 

 

                                 

.                                        (8)

Результаты определения К и Т заносим в таблицу 6

 

 

Рисунок 1 – Схема сил в КШМ.

 

3.1 Построение индикаторной  диаграммы

 

Индикаторная диаграмма строится в координатах p-V. Построение индикаторной диаграммы двигателя внутреннего сгорания производится на основании теплового расчета.

В начале построения на оси абсцисс откладывают отрезок AB, соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня в масштабе ms, который в зависимости от величины хода поршня проектируемого двигателя может быть принят 1:1, 1.5:1, или 2:1.

Принимаем 1.5:1.

      Отрезок  ОА, соответствует объему камеры  сгорания, определяется из соотношения 

                                                                         

    

       При построении  диаграммы выбираем масштаб давления mр=0,04.

Затем по данным теплового расчета на диаграмме откладывают в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках а, с, z’, z, b, r. Точка z для бензинового двигателя соответствует pzT

По наиболее распространенному графическому методу Бауэра политропы сжатия и расширения строим следующим образом.

Из начала координат проводим луч OK под  углом α0=15° к оси координат. Далее из начала координат проводим лучи ОД и ОЕ под  углами β1 и β2 к оси ординат. Эти углы определяют из соотношений:

,                             .

                        

β1=21°                                                   β2=20°

Политропу сжатия строим с помощью лучей ОК и ОД. Из точки С проводим горизонталь до пересечения с осью ординат; из точки пересечения – линию под углом 45° к вертикали до пересечения с лучом ОД, а из этой точки—вторую горизонтальную линию, параллельную оси абсцисс. Затем из точки С проводим вертикальную линию до пересечения с лучом ОК. Из этой точки пересечения под углом 45° к вертикали проводим линию до пересечения с осью абсцисс, а из этой точки - вторую вертикальную линию, параллельную оси ординат, до пересечения со второй горизонтальной линией. Точка пересечения этих линий будет промежуточной  точкой 1 политропы сжатия. Точку 2 находим аналогично, принимая точку 1 за начало построения.

Политропу расширения строим с помощью лучей ОК и ОЕ, начиная от точки z, аналогично построению политропы сжатия. Критерием правильности построения политропы расширения является приход ее в ранее нанесенную точку b.

 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

 

                              ,

                                               мм

 

Величина О'О'1 представляет собой поправку Брикса. Из точки О1' под углом γ0=42° (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= 25° ПКВ до в. м. т.), а точку С1 сносим на политропу сжатия, получая точку с1'. Затем проводят плавные кривые с1’c’’ изменяя линии сжатия в связи с опережением зажигания и b1’b’’ изменения линии расширения в связи с предварением открытия выпускного клапана. При этом можно считать, что точка b’’ находиться на середине расстояния ba , а ордината точки с’’ находиться из соотношения pc''=1,2pс и откладывается на линии AZ’. Наклон линии сгорания можно определить исходя из величины скорости сгорания

pc''=0,85pz’

pc''=0,85*149=127

 

Для этого находят разность давлений между pz  и pz’ , а затем делят ее на скорость нарастания давления, получая при этом угол δ0 проводят соответствующий углу поворота коленчатого вала за период сгорания от pc до pz’:

 

 

3.2. Перестроение индикаторной  диаграммы

 

Развертку индикаторной диаграммы в координаты p-φ выполняем справа от индикаторной диаграммы. Ось абсцисс развернутой диаграммы располагаем по горизонтали на уровне линии р0 индикаторной диаграммы. Длина графика (720° ПКВ) делим на 24 равных участка, которые соответствуют определенному углу поворота коленчатого вала. Каждую точку на линии абсцисс нумеруем (0, 30, 60° ПКВ). По наиболее распространенному способу Ф. А. Брикса дальнейшее перестроение индикаторной диаграммы ведем в следующей последовательности.

Полученную полуокружность  делим вспомогательными лучами из центра О' на 6 равных частей, а затем из центра Брикса (точка О1') проводим линии, параллельные вспомогательным лучам, до пересечения с полуокружностью.

Вновь полученные точки на полуокружности соответствует определенным углам φ ПКВ. Из этих точек проводим вертикали до пересечения с соответствующими линиями индикаторной диаграммы. Развертку индикаторной диаграммы  начинаем, принимая за начало координат положение поршня в в.м.т. в начале такта впуска. Далее для каждого значения угла φ на индикаторной диаграмме определяем величину давления в надпоршневой полости и заносим в табл.5. Модуль газовой силы находится по формуле(1) и также заносим в таблицу. 5. По данным этой таблицы строим зависимость Рг=f(φ).

Полученные точки на графике соединяем плавной кривой.

 

 

3.3. Построение графиков  сил Рj и PΣ

 

График силы инерции Рj строим в том же масштабе и на той же координатной сетке, где выстроен график газовой силы Рг.  На основании полученных графиков Рг и Рj на той же координатной сетке  и в том же масштабе строим график суммарной  силы РΣ.

Определение модуля силы РΣ для различных значений угла φ  выполняем путем суммирования в каждой точке ординат графиков Рг=ƒ(φ) и  Рj=ƒ(φ) с учетом их знаков или модулей сил Рг и Рj из табл. 5.

Масштабные коэффициенты mPг =mPj=mPΣ=200.

 

3.4.Построение графиков  сил Т и К

 

Координатную сетку для графика сил Т и К размещаем под координатной сеткой сил Рг, Рj, РΣ . график сил  Т и К строим в том же масштабе, что и предыдущий график (mT=mK=200).