Расчет двигателя внутреннего сгорания автомобиля КамАЗ

Выбор и обоснование исходных данных

Давление окружающей среды - ;

Температура окружающей среды - К;

Коэффициент избытка воздуха для сгорания - ;

Степень сжатия = 18;

Элементный состав топлива: С = 0,87, Н = 0,126, О_Т = 0,004;

Топливо дизельное автотракторное ЦЧ = 45 ед;

Температура остаточных газов Т_r - 700-900 К;

Коэффициент остаточных газов г_r - 0,03;

Давление отработавших газов р_r в конце выпуска - (0,75-1,00)р_К;

Подогрев свежего заряда на впуске ДТ - 5-10 К;

Показатели политропы сжатия n₁ и расширения n₂ - n₁ = 1,35-1,42, n₂ = 1,15-1,28;

Коэффициент выделения тепла о - 0,70-0,85;

Степень повышения давления л - 1,4-1,7;

Отношение хода поршня к диаметру цилиндра S/d - 1.

1. Тепловой расчет двигателя

При тепловом расчете определяются основные параметры, характеризующие эффективные и экономические показатели рабочего процесса, устанавливаются основные размеры двигателя.

Тепловой расчет проводится для номинального режима рабочего двигателя при оптимальных условиях протекания рабочего процесса.

В основу теплового расчета положен аналитический метод В.И. Гриневецкого- Е.К. Мазинга.

1.1 Определение параметров впуска

1.1.1 Давление в конце впуска

Давление р_a в конце впуска оказывает большое влияние на наполнение цилиндра свежим зарядом. Зависит от аэродинамических потерь во впускной системе, использования наддува, скоростного режима двигателя и ряда других факторов.

(1)

где - давление в конце впуска;

- давление воздуха после компрессора (0,25 МПа).

1.1.2 Температура в конце впуска

Температура Т_а в конце впуска определяется по зависимости

(2)

где - температура после компрессора, К;

- температура подогрева заряда, К;

- коэффициент остаточных газов;

- температура остаточных газов, К.

(3)

где - показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре (для центорбежного неохлаждаемого компрессора при газотурбинном наддуве автомобильных двигателей =1,8-2,0)

Тогда, температура в конце впуска будет равной:

.

1.1.3 Коэффициент наполнения

Коэффициент наполнения двигателя з_V определяется по зависимости

(4)

где - коэффициент сжатия.

1.2 Определение параметров сжатия

1.2.1 Давление в конце сжатия

Расчет давления и температуры в конце сжатия проводят по уравнениям политропического процесса:

(5)

(6)

где - средний показатель политропы сжатия.

(7)

где - число оборотов коленчатого вала.

Тогда давление и температура в конце сжатия будет равной:

1.3 Процесс сгорания

1.3.1 Теоретическое количество воздуха

Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива определяется по его элементарному составу:

(8)

где С, Н, О_Т - элементный состав топлива.

кмоль воз./кг топ.

1.3.2 Действительное количество свежего заряда

Действительное количество свежего заряда (кмоль/кг топлива), поступившего в цилиндр:

(9)

где - коэффициент избытка воздуха.

кмоль/кг топ

1.3.3 Количество остаточных газов

Количество остаточных газов в двигателе считается по формуле:

(10)

кмоль/кг топ.

1.3.4 Количество газов в цилиндре в конце сжатия

Количество газов в цилиндре в конце сжатия определяется из выражения:

(11)

кмоль/кг топ.

1.3.5 Состав и количество продуктов сгорания

При б>1 продукты сгорания жидкого топлива состоят из СО₂, Н₂О, О₂ и N₂. Количество отдельных компонентов (кмоль/кг топлива):

(12)

(13)

(14)

(15)

где С, Н - относительное содержание углерода и водорода в моторном топливе (таблице 1).

Таблица 1 - Основные показатели моторных топлив.

Топливо	Средний элементарный состав 1кг топлива, (кг)	Молекулярный вес mт, кг/кмоль	Низшая теплота сгорания Нu, кДж/кг
	С	Н	О
Автомобильные бензины Дизельное топливо	0,85 0,870	0,145 0,126	- 0,004	110-120 180-200	43995 42530

Количество продуктов сгорания 1кг топлива (кмоль/кг топлива) при б>1

(16)

кмоль/кг топ.

1.3.6 Теоретический коэффициент молекулярного изменения смеси

Коэффициент молекулярного изменения смеси определяется:

(17)

1.3.7 Действительный коэффициент молекулярного изменения смеси

Определим уточнений коэффициент молекулярного изменения смеси:

(18)

1.3.8 Средняя мольная теплоемкость

Средняя мольная теплоемкость (кДж/кмоль К) свежего заряда при V = соnst в первом приближении может быть определена по зависимости:

(19)

кДж/кмоль К

1.3.9 Средняя мольная теплоемкость

Средняя мольная теплоемкость (кДж/кмольК) продуктов Сгорания при V=соnst может быть определена по следующей приближенной формуле:

(20)

кДж/кмоль К

1.3.10 Средние мольные теплоемкости свежего заряда

Средние мольные теплоемкости (кДж/кмольК) свежего заряда и продуктов сгорания при Р = соnst определяются соответственно по зависимостям:

(21)

(22)

кДж/кмоль К

кДж/кмоль К

1.3.11 Потеря тепла

Потеря тепла вследствие химической неполноты сгорания из-за недостатка кислорода (при б>1)

(23)

Знак «-» показывает, что при неполном сгорании топлива из-за недостачи воздуха температура падает на .

1.3.12.Температура конца сгорания

Температура конца сгорания Т_Z определяется из уравнения:

(24)

где - коэффициент выделения тепла;

- низшая теплотворная топлива принимаем = 42,8 МДж/м³.

Отсюда:

1.3.13 Давление конца сгорания

Давление конца сгорания в двигателе с воспламенением от сжатия определяется:

(25)

1.3.14 Степень предварительного расширения

Степень предварительного расширения для двигателя с воспламенением от сжатия определяется по формуле:

(26)

1.3.15 Объем в конце сгорания

Объем в конце сгорания можно определить из выражения:

(27)

где V_С - объем пространства сжатия.

(28)

где V_S - рабочий объем цилиндра.

1.4 Определение параметров конца расширения

1.4.1 Давление конца расширения

Давление конца расширения в двигателе с воспламенением от сжатия определяется из следующего выражения:

(29)

где - степень последующего расширения;

- средний показатель политропы расширения.

(30)

(31)

1.4.2 Температура конца расширения

В конце расширения температура высчитывается по формуле:

(32)

1.5 Определение индикаторных показателей двигателя

1.5.1 Теоретическое среднее индикаторное давление для двигателя с воспламенением от сжатия определяется по следующему выражению:

(33)

1.5.2 Действительное среднее индикаторное давление

Действительное давление будет равно:

(34)

где - коэффициент неполноты индикаторной диаграммы, учитывающий скругления в точках C, Z, b, принимаем = 0,95;

- среднее давление насосных потерь при процессах впуска и выпуска.

(35)

где - давление при впуске смеси

(36)

Тогда:

Следовательно:

1.5.3 Индикаторный коэффициент полезного действия

Индикаторный коэффициент полезного действия определяется:

(37)

где - плотность заряда на впуске, (кг/м3);

- коэффициент наполнения.

(38)

где - удельная газовая постоянная, ().

1.5.4 Индикаторный удельный расход топлива

Удельный расход топлива для двигателя с воспламенением от сжатия рассчитывается по выражению:

(39)

1.6 Определение эффективных показателей двигателя

1.6.1 Среднее давление механических потерь

Величина зависит от многих факторов (трения в кривошипно-шатунном механизме, потерь на привод вспомогательных механизмов, теплового состояния, режимов работы двигателя). Оценка величины механических потерь может быть произведена для каждого двигателя только на основании экспериментальных данных.

Среднее давление МПа/м² механических потерь рекомендуется определять по эмпирической зависимости вида:

(40)

где а, b - постоянные коэффициенты для двигателя (a = 0,089, b = 0,0135);

- средняя скорость поршня, м/с.

(41)

где - ход поршня, мм;

- номинальная частота вращения коленчатого вала, об/мин.

1.6.2 Среднее эффективное давление

Среднее эффективное давление определяется:

 (42)

1.6.3 Механический коэффициент полезного действия

Механический коэффициент полезного действия выражается:

(43)

1.6.4 Эффективный коэффициент полезного действия

Эффективный коэффициент полезного действия определяется:

(44)

1.6.5 Эффективный удельный расход топлива

(45)

1.6.6 Часовой расход топлива

Часовой расход топлива выражается:

(46)

где - эффективная мощность, кВт.

1.6.7 Степень использования рабочего объема цилиндра

Степень использования рабочего объема цилиндра (степень форсирования) характеризуется литровой мощностью (кВт/л).

1.7 Определение основных размеров двигателя

1.7.1 Рабочий объем цилиндра

Рабочий объем цилиндра определяется:

(47)

где - количество цилиндров.

Задавшись отношением хода поршня к диаметру поршня , определяют диаметр цилиндра:

(48)

Принимаем диаметр по ГОСТу .

1.7.2 Ход поршня

По окончательно принятому значению и полученному при расчете уточняем величину хода поршня S по зависимости:

(49)

1.8 Определение теплового баланса

1.8.1 Уравнение внешнего теплового баланса в абсолютных единицах

Уравнение внешнего теплового баланса имеет вид:

(50)

где - количество теплоты, введенное в двигатель с топливом, кДж/ч;

- количество теплоты, превращенное в эффективную работу, кДж/ч;

- количество теплоты, отводимой в охлаждающую среду, кДж/ч;

- количество теплоты, унесенной отработавшими газами, кДж/ч;

- теплота, не выделившаяся вследствие неполноты сгорания

(51)

(52)

(53)

где - температура отработанных газов, К;

- средняя мольная теплоемкость отработавших газов, кДж/кмольК;

- средняя мольная теплоемкость свежего заряда

(54)

Q_НС=119*10³(1-б)L₀G_Т;

Q_ОХЛ=Q-(Q_e+Q_r+Q_НС).

С_р1- средняя мольная теплоемкость при р=соnst свежего заряда при температуре

Т₀ (кДж/кмольК)

С_р1=28,475+1,74*10^-3Т₀; (74)

Q_НС- теплота, не выделившаяся вследствие неполноты сгорания (кДж/ч) при б<1

Q_НС=119*10³(1-б)L₀G_Т; (75)

Q_ОХЛ- количество теплоты, отводимой в охлаждающую среду (кДж/ч),

Q_ОХЛ=Q-(Q_e+Q_r+Q_НС). (76)

1.9.1 Уравнение теплового баланса в относительных единицах

q_e+q_r+q_HC+q_OXЛ=100%, (77)

где q_e=*100%, q_r=*100%, q_ОХЛ=*100%, q_НС=*100%.

В табл.2 приведены примерные значения составляющих теплового баланса для номинального режима работы двигателей.

2. Построение индикаторной диаграммы

2.1 Построение индикаторной диаграммы двигателя с воспламенением от сжатия

Индикаторная диаграмма строится в координатах р-V.

По оси абсцисс (оси объемов) откладывают отрезок АВ (рисунок 1), соответствующий ходу поршня S в натуральную величину. Влево от точки А откладывают отрезок ОА, соответствующий объему камеры сжатия V_с; величина отрезка определяется из соотношения:

(50)

Точка О принимается за начало координат р-V.

Для построения индикаторной диаграммы рекомендуются масштабы давлений в пределах = 0,02 - 0,05 МН/м². Масштаб давлений принимается таким, чтобы высота диаграммы превышала основание в 1,2-1,5 раза.

Из точек А и В проводят вертикальные линии, являющиеся отметками ВМТ и НМТ, на которые наносят точки а, с, в, r, z, соответствующие давлениям р_а, р_с, р_b, р_r, р_z.

При выполнении построения политроп сжатия и расширения рекомендуется осуществим графическим методом в следующей последовательности. Из начала координат О проводят луч под произвольным углом (б=15-20⁰) к оси абсцисс. Из начала координат О под углами и к оси ординат проводят лучи ОЕ и ОК. значения углов и определяют по зависимостям:

(51)

(52)

Следовательно и будут равны 30⁰ и 26⁰ соответственно.

Из точки С проводят горизонталь до пересечения с осью ординат. Из полученной точки под углом 45⁰ к оси ординат проводят прямую до пересечения с лучом ОЕ, а из точки пересечения с лучом- горизонтальную линию. Из точки С опускают перпендикуляр на ось абсцисс до пересечения с лучом ОД. Из полученной точки проводят прямую под углом 45⁰ к вертикали до пересечения с осью абсцисс. Из нее восстанавливают перпендикуляр к оси абсцисс до пересечения с ранее проведенной горизонталью. Полученная точка 1' принадлежит политропе сжатия. Другие точки политропы сжатия получаются аналогичным путем. Из точки пересечения горизонтали, на которой лежит точка 1', с осью ординат проводят прямую под углом 45⁰ к оси ординат до пересечения с лучом ОЕ и т.д. Через полученные точки 1',2',3' и т.д. проводится политропа сжатия АС. Построение политропы расширения выполняется аналогично. Построение начинают из точки Z, используя лучи ОД и ОК. Через полученные точки 1^",2^",3^" и т.д. проводится политропа расширения ZB.

При правильном построении политропы сжатия и расширения должны проходить соответственно через точки А и В.

В действительной индикаторной диаграмме следует учесть округления в точках с, z и b, обусловленные опережением зажигания, протекания процесса сгорания и предваоеним открытия выпускного клапана.

Для этой цели под индикаторной диаграммой строят полуокружность с диаметром, равным ходу поршня с центром О₁. От центра О₁ вправо откладывают отрезок r(л/2) (поправку Ф.А.Брикса на конечную длину шатуна). При расчетах задаются значением (?- длина шатуна, r- радиус кривошипа, л=1/3,5-1/4,5) или принимают по данным прототипа проектируемого двигателя.

Из центра О₂ под углом г₁ (угол опережения открытия выпускного клапана) проводят луч О₂В₁. Через точку В₁ проводят вертикаль до пересечения с политропой расширения. Полученная точка b₁ на индикаторной диаграмме соответствует моменту открытия выпускного клапана.

Скругление индикаторной диаграммы делают на участке b_1, b_2, b₃.

Затем из центра О₂ проводят луч О₂С под углом г₂ (угол опережения зажигания, г₂=25-35⁰ поворота коленчатого вала до ВМТ). Через точку С проводят вертикаль до пересечения с политропой сжатия. Точка С' на индикаторной диаграмме соответствует моменту зажигания. Положение точки С^" определяют, приняв р^"_С=1,15-1,25 р_С.

Процессы впуска и выпуска условно принимают протекающими при постоянном давлении на участках соответственно r, a и b_1, b_2, b_3,r.

Рисунок 1 - Индикаторная диаграмма

3. Динамическое исследование кривошипно-шатунного механизма

Динамическое исследование кривошипно-шатунного механизма включает:

1)построение развернутой индикаторной диаграммы в функции угла поворота коленчатого вала двигателя;

2)определение сил инерции от возвратно-поступательно движущихся масс кривошипно-шатунного механизма;

3)построение развернутой диаграммы удельных сил инерции от возвратно-поступательно движущихся масс кривошипно-шатунного механизма;

4)построение развернутой диаграммы суммарной силы, действующей на поршень;

5)определение тангенциальной силы, приложенной к оси шатунной шейки коленчатого вала;

6)построение развернутой диаграммы тангенциальных сил;

7)определение размеров маховика;

8)анализ уравновешенности двигателя и методов уравновешивания сил и моментов в проектируемом двигателе.

3.1 Построение развернутой индикаторной диаграммы

Для построения развернутой индикаторной диаграммы используют полуокружность (рисунок 1), расположенную под индикаторной диаграммой. Полуокружность делим на 12 равных частей через 150 поворота коленчатого вала. Полученные на полуокружности точки 1, 2, 3 и т. д. соединяют с центром О₁. Из центра О₂ проводят лучи, параллельные ранее проведенным из центра О1 лучам. Через полученные точки 1', 2', 3' и т. д. проводят вертикальные линии до пересечения с кривыми индикаторной диаграммы. Найденные точки индикаторной диаграммы соответствуют текущим значениям давлений при определенных углах поворота коленчатого вала. Развертывают индикаторную диаграмму относительно давления р₀ в диапазоне угла поворота коленчатого вала 0-4р. Текущие значения давления газов р_х:

(53)

где - текущее значение давления по индикаторной диаграмме.

3.2 Силы и моменты, действующие в кривошипно-шатунном механизме

На рисунке 3 представлены силы действующие на КШМ.

Рисунок 3 - Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме.

На поршневой палец действует сила от давления газов Р_r и сила инерции Р_г, вызываемая возвратно-поступательно движущимися массами кривошипно-шатунного механизма

(54)

где - массы КШМ;

- радиус кривошипа, мм;

- угловая скорость вращения коленчатого вала, с^-1,

(55)

(56)

где - массы поршневой группы, кг ();

- массы шатунной группы, кг ().

Суммарная сила P_t направлена по оси цилиндра

(57)

Сила действует по оси шатуна

(58)

Сила N направлена перпендикулярно оси цилиндра

(60)

Сила , приложенная к центру шатунной шейки, раскладывается на две составляющие: тангенциальную касательную Т, действующую по нормали к радиусу кривошипа, и радиальную Z, направленную по радиусу кривошипа.

(61)

(62)

Тангенциальная сила T создает крутящий момент двигателя

(63)

Радиальная сила Z вызывает нагружение коренных подшипников.

Вращающиеся массы кривошипно-шатунного механизма (неуравновешенные массы коленчатого вала и часть массы шатуна) вызывают центробежную силу , которая направлена по радиусу кривошипа

(64)

Если приложить к центру коленчатого вала две взаимно противоположные силы Рt' и Рt" (равные и параллельные силе Рt), образуется силами Рt' и Рt" момент, который равен крутящему моменту М_К двигателя

М_R=N*Н=-М_К

3.2 Определение сил инерции от возвратно-поступательно движущихся масс кривошипно-шатунного механизма

Сила инерции

(65)

где - сила инерции первого порядка (период изменения равен 2р), МН;

- сила инерции второго порядка (период изменения равен р), МН.

(66)

(67)

При динамическом исследовании кривошипно-шатунного механизма удобно пользоваться удельными силами инерции Р_j (МН/м²), отнесенными к площади поршня

(68)

где - площадь поршня, м².

(69)

где R - радиус поршня, м.

Силы инерции определяют аналитически или графически. При выполнении курсовой работы рекомендуется использовать графический метод определения .

Для удобства суммирования сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме, график сил строят в том же масштабе Мр, который был принят для построения индикаторн горизонталь, на ней откладывается отрезок МN, соответствующий проводится ходу S поршня. Из точки М вниз в масштабе Мр откладывается (МПа/м²), а из точки N вверх в масштабе Мр откладывается значение (МПа/м²).

(70)

(71)