Тепловой и динамический расчет двигателя внутреннего сгорания

Удельный расход топлива, g_e

%

мин^-1

%

кВт

%

г/(кВт-ч)

20

1120

20

9,72

115

358

40

2240

50

19,44

100

311

60

3360

73

29,15

97

302

80

4480

92

38,87

95

295

100

5600

100

48,59

100

311

120

6720

92

58,31

115

358

Рисунок 2. Внешние скоростные характеристики g_e и М_е.

Рисунок 3. Внешние скоростные характеристики N_e и G_T.

Рисунок 4. Внешние скоростные характеристики з_х и б.

На основе сравнения полученных данных с кривыми N_e и g_е, построенными по результатам теплового расчета, можно сделать следующие выводы:

Точки относительной характеристики практически полностью совпадают с внешней скоростной характеристикой мощности рассчитываемого двигателя.

Точки относительной характеристики удельного расхода топлива несколько отличаются от кривой g_е, построенной по данным теплового расчета, в сторону увеличения g_е и особенно при малых значениях частоты вращения коленчатого вала. Максимальное расхождение составляет при п=1000 мин^-1 около 23% [350 и 284 г/(кВт·ч)].

4. КИНЕМАТИКА

Выбор л и длины L_ш шатуна.

В целях уменьшения высоты двигателя без значительного увеличения инерционных и нормальных сил отношение радиуса кривошипа к длине шатуна предварительно было принято в тепловом расчете л=0,285 [6]

При этих условиях L_ш=R/л=32,5/0,285=114,0 мм.

Принятые значения L_ш и л обеспечивают движение шатуна без задевания за нижнюю кромку цилиндра. Следовательно, перерасчета величин L_ш и л не требуется.

Перемещение поршня

s_x=R·[(1-соs ц)+ (1-соs 2ц)]=32,5·[(1-соs ц)+ (1-соs 2ц)] мм. (4.1.1)

Расчет s_x производится аналитически через каждые 10° угла поворота коленчатого вала.

Угловая скорость вращения коленчатого вала:

щ=рn/30=3,14·5600/30=586 рад/с.

Скорость поршня:

х_п=щR(sin ц+sin 2ц)=586·0,033Ч(sin ц+0,285/2sin 2ц) м/с. (4.1.2)

Ускорение поршня:

j=щ²R(cos ц+лcos 2ц)=586²·0,033 (соs ц+0,285 соs 2ц) м/с² (4.1.3)

Параметры перемещения поршня даны в таблице 14.

Построены графики (в соответствии с рисунком 5, 6, 7).

Таблица 14

Параметры перемещения поршня

ц°	[(1-cosц)+(1-cos2ц]	sx мм	(sinц+sin2ц)	хп м/с	(соsц+0,285 соs2ц)	j, м/с2
1	2	3	4	5	6	7
0	0,0000	0,0	0,0000	0,0	+1,2860	+14352
30	+0,1697	5,5	+0,6234	+11,9	+1,0085	+11255
60	+0,6069	19,7	+0,9894	+18,8	+0,3575	+3990
90	+1,1425	37,1	+1,0000	+19,0	-0,2850	-3181
120	+1,6069	52,2	+0,7426	+14,1	-0,6425	-7171
150	+1,9017	61,8	+0,3766	+7,2	-0,7235	-8075
180	+2,0000	65,0	0,0000	0,0	-0,7150	-7980
210	+1,9017	61,8	-0,3766	-7,2	-0,7235	-8075
240	+1,6069	52,2	-0,7426	-14,1	-0,6425	-7171
270	+1,1425	37,1	-1,0000	-19,0	-0,2850	-3181
300	+0,6069	19,7	-0,9894	-18,8	+0,3575	+3990
330	+0,1697	5,5	-0,6234	-11,9	+1,0085	+11255
360	+0,0000	0,0	-0,0000	0,0	+1,2850	+14341

По табличным данным строем графики s_x в масштабе М_z=2 мм в мм, х_п-в масштабе М_у=1 м/с в мм, j-в масштабе M_j=500 м/с² в мм. Масштаб угла поворота коленчатого вала М_ц=3° в мм.

При j=0 х_п=±х_max, а на кривой s_x-это точка перегиба.

Рисунок 5. График перемещения поршня.

Рисунок 6. График скорости поршня.

Рисунок 7. График ускорения поршня.

5. ДИНАМИКА

5.1 Силы давления газов

Индикаторную диаграмму, полученную в тепловом расчете, развертывают по углу поворота кривошипа по методу Брикса (в соответствии с рисунком 8).

Рисунок 8. Развернутая индикаторная диаграмма.

Основные параметры двигателя даны в таблице 15.

Таблица 15

Основные параметры двигателя

Частот вращения n, об/мин	5600	D	65	n2	1,251
Радиус кривошипа R, мм	32,5	е	8,5	Pb	0,4676
Длина шатуна L, мм	114,0	Pa	0,085	Pr	0,1180
Постоянная механизма л	0,285	n1	1,377	Fп	33170
Угловая скорость коленчатого вала	586	Pz	6,8016	Vh	0,20839

Поправка Брикса:

Rл/(2M_s)=32,5·0,285/(2·1)=4,63 мм,

где М_s-масштаб хода поршня на индикаторной диаграмме.

Масштабы развернутой диаграммы:

давлений и удельных сил М_р=0,05 МПа в мм;

полных сил М_F=М_рF_п=0,05·0,003317=0,000166 МН в мм, или М_р=1659 Н в мм, угла поворота кривошипа М_ц=3° в мм, или М'_ц=4р/ОВ=4·3,14/240=0,0523 рад в мм, где ОВ - длина развернутой индикаторной диаграммы, мм.

По развернутой диаграмме через каждые 10° угла поворота кривошипа определяют значения Др_r и заносят в таблицу 16.

Таблица 16

Значения давлений и удельных сил

цо	Дрr. МПа	j, м/с2	pj, МПа	p, МПа	tg в	pN, МПа		ps, МПа		pк, МПа		рТ, МПа	Т, кН	Мкр.ц, Н·м
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
0	0,18	+14352	-2,029	-2,209	0,000	0,000	1,000	-2,209	+1	-2,209	0	0	0	0
30	0,18	+11255	-1,591	-1,771	+0,144	-0,318	1,010	-1,789	+0,794	-1,406	+0,625	-1,107	-3,672	119,3
60	0,18	+3990	-0,564	-0,630	+0,253	-0,159	1,031	-0,650	+0,281	-0,177	+0,993	-0,626	-2,076	67,5
90	0,18	-3181	+0,450	+0,630	+0,295	-0,186	1,043	+0,657	-0,295	-0,186	+1	-0,630	+2,090	67,9
120	0,18	-7171	+1,014	+1,194	+0,253	+0,302	1,031	+1,231	-0,719	-0,858	+0,740	+0,884	+2,932	95,3
150	0,18	-8075	+1,142	+1,322	+0,144	+0,19	1,010	+1,335	-0,938	-1,240	+0,376	+0,497	+1,649	53,6
180	0,18	-7980	+1,128	+1,308	0,000	0,000	1,000	+1,308	-1	-1,711	0	0	0	0
210	0,03	-8075	+1,142	+1,172	-0,144	-0,169	1,010	+1,184	-0,938	-1,099	-0,376	-0,441	-1,463	47,5
240	0,03	-7171	+1,014	+1,044	-0,253	-0,264	1,031	+1,076	-0,719	-0,751	-0,740	-0,773	-2,564	83,3
270	0,05	-3181	+0,450	+0,500	-0,295	-0,148	1,043	+0,522	-0,295	-0,148	-1	-0,500	-1,659	53,9
300	0,12	+3990	-0,564	-0,684	-0,253	+0,173	1,031	-0,705	+0,281	-0,192	-0,993	+0,679	+2,252	73,2
330	0,49	+11255	-1,591	-2,081	-0,144	+0,3	1,010	-2,102	+0,794	-1,652	-0,625	+1,301	+4,315	140,2
360	4,15	+14341	-2,028	-6,178	0,000	0,000	1,000	-6,178	+1	-6,178	0	0	0	0
370	6,9	+14352	-2,029	+8,929	+0,050	+0,446	1,001	+8,938	+0,976	+8,715	+0,222	+1,982	+6,574	213,7
390	2,28	+11255	-1,591	+3,871	+0,144	+0,557	1,010	+3,910	+0,794	+3,074	+0,625	+2,419	+8,024	260,8
420	0,63	+3990	-0,564	+1,194	+0,253	+0,302	1,031	+1,231	+0,281	+0,336	+0,993	+1,186	+3,934	127,9
450	0,3	-3181	+0,450	+0,750	+0,295	+0,221	1,043	+0,782	-0,295	+0,221	+1	+0,750	+2,488	80,9
480	0,2	-7171	+1,014	+1,214	+0,253	+0,307	1,031	+1,252	-0,719	-0,873	+0,740	+0,898	+2,979	96,8
510	0,16	-8075	+1,142	+1,302	+0,144	-0,187	1,010	+1,315	-0,938	-1,221	+0,376	+0,490	+1,625	52,8
540	0,27	-7980	+1,128	+1,398	0,000	0,000	1,000	+1,398	-1	-1,398	0	0	0	0
570	0,17	-8075	+1,142	+1,312	-0,144	-0,189	1,010	+1,325	-0,938	-1,231	-0,376	-0,493	-1,635	53,1
600	0,17	-7171	+1,014	+1,184	-0,253	-0,300	1,031	+1,221	-0,719	-0,851	-0,740	-0,876	-2,906	94,4
630	0,17	-3181	+0,450	+0,620	-0,295	-0,183	1,043	+0,647	-0,295	-0,183	-1	-0,620	-2,057	66,9
660	0,17	+3990	-0,564	-0,734	-0,253	+0,186	1,031	-0,757	+0,281	-0,206	-0,993	+0,729	+2,418	78,6
690	0,17	+11255	-1,591	-1,761	-0,144	+0,254	1,010	-1,779	+0,794	-1,398	-0,625	+1,101	+3,652	118,7
720	0,17	+14341	-2,028	-2,198	0,000	0,000	1,000	-2,198	+1	-2,198	0	0	0	0

5.2 Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма

С учетом диаметра цилиндра, отношения S/D устанавливаются:

-масса поршневой группы (для поршня из алюминиевого сплава принято т'_п=100 кг/м²): т_п=т'_п·F_п=100·0,003317=0,332 кг;

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

т_ш=т'_ш·F_п=150 0,003317=0,498 кг;

-масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов (для литого чугунного вала принято m'_к=140 кг/м²):

т_к=m'_к F_п=140 0,003317=0,464 кг.

Масса шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца:

т_ш.п.=0,275т_ш=0,275·0,498=0,137 кг.

Масса шатуна, сосредоточенная на оси кривошипа:

m_ш.к.=0,725m_ш=0,725·0,498=0,361 кг.

Массы, совершающие возвратно-поступательное движение:

m_j=т_п+т_ш.п=0,332+0,137=0,469 кг.

Массы, совершающие вращательное движение:

m_R=т_к+m_ш.к.=0,464+0,361=0,825 кг.

5.3 Удельные и полные силы инерции

Удельная сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс:

p_j=-jm_j/F_n=-j·469·10^-6/0,003317=-j141·10^-6 МПа.

Центробежная сила инерции вращающихся масс:

K_R=-m_RRщ²=-0,825 0,033-586²·10^-3=-9,207 кН.

Центробежная сила инерции вращающихся масс шатуна:

К_Rш=-m_ш.к·Rщ²=-0,361·0,033 586²·10^-3=-4,029 кН.

Центробежная сила инерции вращающихся масс кривошипа:

К_Rк=-m_к·Rщ²=-0,464-0,033·586²·10^-3=-5,178 кН.

5.4 Удельные суммарные силы

Удельная сила (МПа), сосредоточенная на оси поршневого пальца:

p=Дp_r+p_j

Удельная нормальная сила (МПа): p_N=p·tg в

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

Удельная сила (МПа), действующая по радиусу кривошипа:

р_х=р cos (ц+в)/cos в

Удельная и полная тангенциальные силы (МПа и кН):

p_T=p·sin(ц+в)/cos в и T=p_T ·F_п=p_T·0,003317·10³

По табличным данным строят графики изменения удельных сил p_j, р, р_S, p_N, р_К и р_Т в зависимости от изменения угла поворота коленчатого вала ц (в соответствии с рисунком 9, 10, 11).

Рисунок 9. Графики изменения p_j и p.

Рисунок10. Графики изменения р_N и p_s.



Рисунок 11. Графики изменения р_К и p_Т.

Среднее значение тангенциальной силы за цикл:

-по данным теплового расчета:

Т_ср=р_iF_п=1,4093·0,003317=744 Н; (5.4.1)

-по площади, заключенной между кривой р_т и осью абсцисс:

р_Тср=М_р=0,05=0,215 МПа, (5.4.2)

а Т_ср=р_Тср·F_п=0,215 0,003317·10⁶=713 Н

ошибка Д=(744-713)100/744=4,2%.

5.5 Крутящие моменты

Крутящий момент одного цилиндра: М_кр.ц=ТR=T·0,033·10³ Н·м

Период изменения крутящего момента четырехтактного двигателя с равными интервалами между вспышками: и=720/i=720/4=180°

Суммирование значений крутящих моментов всех четырех цилиндров двигателя осуществляется табличным методом (Таблица 17) через каждые 10° угла поворота коленчатого вала и по полученным данным строится кривая М_кр в масштабе М_м=10 Н·м в мм. (в соответствии с рисунком 12).

Рисунок 12. График изменения крутящего момента.

Таблица 17

Значения крутящих моментов

ц°	Цилиндры	Мкр, Н·м
	1-й	2-й	3-й	4-й
	ц° кривошипа	Мкр, Н·м	ц° кривошипа	Мкр, Н·м	ц° кривошипа	Мкр, Н·м	ц° кривошипа	Мкр, Н·м
0	0	0	180	0	360	0	540	0	0
10	10	-132,4	190	-28,0	370	+125,5	550	-29,8	-64,7
20	20	-203,2	200	-65,2	380	+161,3	560	-67,1	-174,2
30	30	-223,3	210	-94,6	390	+176,6	570	-97,4	-238,7
40	40	-209,7	220	-123,0	400	+156,6	580	-126,8	-302,9
50	50	-174,3	230	-154,7	410	+128,6	590	-155,7	-356,1
60	60	-127,6	240	-165,2	420	+124,8	600	-169,7	-337,7
70	70	-65,2	250	-159,4	430	+142,6	610	-165,9	-247,9
80	80	+19,6	260	-139,8	440	+185,5	620	-146,3	-81,0
90	90	+97,4	270	-103,9	450	+234,3	630	-103,5	+124,3
100	100	+140,7	280	-36,3	460	+248,9	640	-39,1	+314,2
110	110	+160,3	290	+32,6	470	+244,2	650	+61,5	+498,6
120	120	+165,2	300	+97,0	480	+229,3	660	+121,4	+612,9
130	130	+152,9	310	+123,0	490	+190,1	670	+183,6	+649,6
140	140	+127,7	320	+138,0	500	+147,3	680	+208,8	+621,8
150	150	+94,6	330	+137,8	510	+115,3	690	+219,6	+567,3
160	160	+63,4	340	+120,2	520	+76,4	700	+201,3	+461,3
170	170	+29,8	350	+71,8	530	+30,8	710	+139,8	+272,2
180	180	0	360	0	540	0	720	0	0

Средний крутящий момент двигателя:

-по данным теплового расчета

M_кp.cp=M_i=M_е/з_м=82,9/0,8591=96,5 Н·м;

-по площади, заключенной под кривой М_кр:

М_кр.ср=М_м=10=92,3 Н м; (5.5.1)

ошибка Д=100=4,4 %.

Максимальный и минимальный крутящие моменты:

М_кр.max=5 Н·м; М_кр.min=-1 Н·м. (5.5.2)

5.6 Силы, действующие на шатунную шейку коленчатого вала

Для проведения расчета результирующей силы, действующей на шатунную шейку рядного двигателя, составляют таблицу 18.

Таблица 18

Полные силы

цє	Полные силы, кН
	T	K	Pк	Rш.ш.	КРк	Rк
0	0	-7,327	-11,356	11,356	-2,969	8,387
30	-3,672	-4,664	-8,693	12,365	-3,772	8,593
60	-2,076	-0,587	-4,616	6,692	-5,001	1,691
90	+2,090	-0,617	-4,646	6,736	-4,992	1,744
120	+2,932	-2,846	-6,875	9,807	-4,32	5,487
150	+1,649	-4,113	-8,142	9,791	-3,938	5,853
180	0	-5,675	-9,704	9,704	-3,467	6,237
210	-1,463	-3,645	-7,674	9,137	-4,079	5,058
240	-2,564	-2,491	-6,52	9,084	-4,427	4,657
270	-1,659	-0,491	-4,52	6,179	-5,03	1,149
300	+2,252	-0,637	-4,666	6,918	-4,986	1,932
330	+4,315	-5,480	-9,509	12,365	-3,526	8,839
360	0	-20,492	-24,521	24,521	-1	25,521
370	+6,574	+28,908	+24,879	31,453	-3,537	34,990
390	+8,024	+10,196	-6,167	14,191	-2,104	12,087
420	+3,934	+1,115	-2,914	1,020	-4,842	-3,822
450	+2,488	-0,733	-4,762	7,250	-4,957	2,293
480	+2,979	-2,896	-6,925	9,904	-4,305	5,599
510	+1,625	-4,050	-8,079	9,704	-3,957	5,747
540	0	-4,637	-8,666	8,666	-3,78	4,886
570	-1,635	-4,083	-8,112	9,747	-3,947	5,800
600	-2,906	-2,823	-6,852	9,758	-4,327	5,431
630	-2,057	-0,607	-4,636	6,693	-4,995	1,698
660	+2,418	-0,683	-4,712	7,130	-4,972	2,158
690	+3,652	-4,637	-8,666	12,318	-3,78	8,538
720	0	-7,291	-11,32	11,320	-2,98	8,340

Суммарная сила, действующая на шатунную шейку по радиусу кривошипа: Р_к=К+К_Rш=(К-4,029) кН, где К=р_к F_п=р_к 0,003317·10³ кН.

Результирующая сила R_ш.ш, действующая на шатунную шейку, подсчитывается графическим сложением векторов сил Т и Р_х при построении полярной диаграммы (в соответствии с рисунком 13).

Рисунок 13. Полярная диаграмма.

Масштаб сил на полярной диаграмме для суммарных сил М_Р=0,1 кН в мм. Значения R_ш.ш для различных ц> заносят в таблицу и по ним строят диаграмму R_ш.ш в прямоугольных координатах (в соответствии с рисунком 14).

Рисунок 14. Диаграмма нагрузки на шатунную шейку.

По развернутой диаграмме R_ш.ш определяют:

R_ш.ш.cp=FM_P/OB=24030·0,05/74=16,303 кН;

R_ш.ш.max=31,453 кН; R_ш.ш.min=1,02 кН,

где ОВ - длина диаграммы, мм; F-площадь под кривой R_ш.ш, мм².

По полярной диаграмме строят диаграмму износа шатунной шейки. Сумму сил R_ш.ш.j, действующих по каждому лучу диаграммы износа, определяют с помощью таблицы 19.

Таблица 19

Значение сил, действующих по каждому лучу

б	Значения Q, кН для точек
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
10	44	44										44
40	39	39										39
70	36	36										36
100	37	37	37									37
130	32	32	32									32
160	22	22	22									22
190	19	19									19	19
220	29	29									29	29
250	39	39									39	39
280	40	40									40	40
310	36	36									36	36
340	102								102	102	102	102
370					427	427	427	427
400			144	144	144	144
430	73	73	73	73
460	62	62	62	62
490	52	52	52									52
520	37	37	37									37
550	22	22									22	22
580	28	28									28	28
610	36	36									36	36
640	36	36									36	36
670	38	38	38									38
700	43	43	43									43
УQi	902	800	539	278	571	571	427	427	102	102	388	768
qi	1	0,54	0,36	0,19	0,38	0,38	0,29	0,29	0,07	0,07	0,26	0,52

По данным таблицы в масштабе М_Р=50 кН в мм по каждому лучу откладывают величины суммарных сил УR_ш.ш.j, от окружности к центру (в соответствии с рисунком 15). По диаграмме износа определяют расположение оси масляного отверстия (ц_м=68°).

Рисунок 15. Диаграмма износа шатунной шейки карбюраторного двигателя.

5.7 Силы, действующие на колено вала

Суммарная сила, действующая на колено вала по радиусу кривошипа:

K_Pк=P_к+K_Rк=Р_к-8,960 кН (5.7.1)

Результирующая сила, действующая на колено вала R_к=R_ш.ш+K_Рк, определяется по диаграмме R_ш.ш. Векторы из полюса О_к до соответствующих точек на полярной диаграмме в масштабе М_Р=0,1 кН в мм выражают силы R_к, значения которых для различных ц заносят в таблицу.

5.8 Равномерность крутящего момента и равномерность хода двигателя

Равномерность крутящего момента:

м=(M_кр.max-M_кр.min)/M_кp.cp=[5-(-1)]/92,3=0,04 (5.8.1)

Избыточная работа крутящего момента:

L_изб=F_abc·М_М·М?_ц=841·10·0,3622=3046,1 Дж, (5.8.2)

где F_abc-площадь над прямой среднего крутящего момента мм²; М?_ц=4р/(iОА)=4·3,14/(4·9)=0,3622 рад в мм-масштаб угла поворота вала на диаграмме М_кр.

Равномерность хода двигателя принимаем д=0,01.

Момент инерции движущихся масс двигателя, приведенных к оси коленчатого вала: J₀=L_изб/(дщ²)=3046,1/(0,01 586²)=0,887 кг·м²

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Курсовая работа “Тепловой и динамический расчет двигателя” выполнена в соответствии с заданием на основе методической и учебной технической литературы.

Рассчитанные показатели рабочего цикла, работы, размеров, кинематики и динамики проектируемого двигателя отличаются от прототипа топливной экономичностью и габаритными размерами. Снижение удельного расхода топлива на 17 г/кВт ч достигнуто уменьшением хода и диаметра поршня, т.е. снижением габаритов, скорости и потерь на трение.

В целом из выполненной работы следуют выводы:

1. Обоснованы исходные данные для проектирования эффективного двигателя по заданию с учетом прототипа и методических рекомендаций.

2. Рассчитаны с применением ЭВМ рабочий цикл, работа и размеры двигателя, его удельные мощности и топливные показатели, кинематика и динамика, регуляторная (нагрузочная) характеристика. Проектируемый двигатель отличается повышенной топливной экономичностью и меньшими габаритами.

3. Получены навыки расчета и опыт оформления материалов по проектированию автомобильного двигателя, отвечающего современным техническим требованиям.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Краткий автомобильный справочник НИИАТ, М.: Транспорт, 1984.

2. Колчин А. И., Демидов В. П. «Расчет автомобильных и тракторных двигателей», М.: Высшая школа, 1980.

3. Ховах М. С., Вихерт М. М., Воинов А. Н. и др. «Автомобильные двигатели», М.: Машиностроение, 1977.

4. Ленин И. М., Попык К. Г, Малашкин О. М. и др. «Автомобильные и тракторные двигатели», М.: Машиностроение, 1969.

5. Орлин А. С., Вырубов Д. Н., Круглов М. Г. и др. «Двигатели внутреннего сгорания. Конструкция и расчет.», М.: Машиностроение, 1972.

6.Вахламов В. К. Автомобили, основы конструкции М: Асадема, 2004 г.

Размещено на Allbest.ru