Двигатели внутреннего сгорания

• Содержание
• 1. Описание процессов, происходящих в одном цикле ДВС

2. Расчет параметров одного цикла и построение индикаторной диаграммы ДВС

3. Расчет и построение внешней характеристики ДВС

4. Построение диаграммы фаз газораспределения

5. Проектирование кривошипно-шатунного механизма

6. Определение основных параметров ДВС

7. Тепловой баланс двигателя

Список литературы

1. Описание процессов, происходящих в одном цикле ДВС

Рассмотрим действительный цикл работы четырехтактного дизельного двигателя по мере происходящих в нем процессов.

Процесс впуска

Первый такт - впуск горючей смеси.

Во время такта впуска (рис. 1, а), когда поршень 1 движется от В.М.Т. к Н.М.Т., а впускной клапан 3 открыт, в цилиндр 2 поступает атмосферный воздух, который, нагреваясь в процессе сжатия, воспламеняет топливо, впрыскиваемое в конце такта сжатия. Гидравлическое сопротивление впускного трубопровода повышает давление воздуха в конце такта впуска до 0,08 МПа. Температура воздуха в цилиндре составляет 50-80° С.

Процесс сжатия

Второй такт - сжатие смеси.

Во время такта сжатия (рисунок 1, б), когда впускной 3 и выпускной 5 клапаны закрыты, температура, и давление воздуха в цилиндре значительно возрастают. Вследствие высокой степени сжатия (е=7,8) давление и температура воздуха достигают значений 3,419МПа и 600 °С соответственно. В конце такта в цилиндр через форсунку 4 (рисунок, 1, в) впрыскивается топливо. В зависимости от формы камеры сгорания и типа форсунки давление впрыска находится в пределах 8…40 МПа.

Процесс сгорания и расширения

Третий такт - расширение, или рабочий ход.

Впрыснутое распыленное топливо, перемешиваясь со сжатым воздухом, самовоспламеняется и сгорает. При этом температура газов к концу сгорания повышается до 1600 °С, а давление до 7,864МПа. В конце такта расширения температура снижается до 700…1000⁰С, а давление до 0,677МПа. Под давлением газов, образующихся в результате сгорания топливовоздушной смеси, поршень перемещается от В.М.Т. к Н.М.Т., совершая механическую работу (рисунок 1, в).

Процесс выпуска

Четвертый такт - выпуск отработавших газов.

Продукты сгорания выходят из цилиндра в атмосферу (рисунок 1, г). Температура выпуска равна 600…700 °С, а давление газов - 0,125МПа.

2. Расчет параметров одного цикла и построение индикаторной диаграммы ДВС

Объем камеры сгорания:

V_c = 1 (в условных единицах). (1)

Полный объем:

V_a = V_c, (2)

где - степень сжатия;

V_a = 81 = 8.

Показатель политропы сжатия:

n₁ =1,41 - 100/n_e, (3)

где n_e - номинальная частота вращения коленвала, об./мин;

n₁= 1,41 - 100/4500 = 1,39

Давление в конце такта сжатия, МПа:

p_c = p_a ^n1, (4)

где p_a - давление при впуске, МПа;

p_c = 0,098 ^1,39 = 1,62 МПа

Промежуточные точки политропы сжатия (табл. 1):

p_x = (V_a / V_x) ⁿ¹ p_a, (5)

При p_x = (8 / 1) ^1,39 0,09=1,62 МПа

Таблица 1. Значения политропы сжатия

Vx	2	3	4	5	6	7	8
px, МПа	0,62	0,35	0,24	0,17	0,13	0,11	0,09

Давление в конце такта сгорания, МПа:

p_z = p_c, (6)

где - степень повышения давления;

p_z = 3,8 1,62 = 6,16 МПа

Показатель политропы расширения:

n₂ =1,22 - 130/n_e, (7)

n₂ = 1,22 - 130/4500 = 1,19

Давление в конце такта расширения:

p_b = p_z / ⁿ²_, (8)

p_b= 6,16/8^1,19= 0,52 МПа

Промежуточные точки политропы расширения (табл. 2):

p_x = (V_b / V_x) ⁿ² p_b. (9)

При p_x = (8 / 1) ^1,19 0,52= 6,16 МПа

Таблица 2. Значения политропы расширения

Vx	2	3	4	5	6	7	8
px, МПа	2,71	1,67	1,19	0,91	0,73	0,61	0,52

Среднее теоретическое индикаторное давление, МПа:

, (10)

МПа.

Среднее давление механических потерь, МПа:

, (11)

где - средняя скорость поршня в цикле. Предварительно =.

МПа

Действительное индикаторное давление, МПа, с учетом коэффициента скругления диаграммы =0,95:

, (12)

где - давление выхлопных газов, МПа.

МПа

Среднее эффективное давление цикла:

, (13)

МПа

Полученные расчетом данные используем для построения индикаторной диаграммы (рисунок 2).

3. Расчет и построение внешней характеристики ДВС

Мощность P_e, кВт_:

, (14)

n_ei - текущие (принимаемые) значения частоты вращения коленчатого вала;

n_p - номинальная частота вращения.

Вращающий момент, Н•м:

, (15)

Удельный расход, гр/кВт•ч:

(16)

Массовый расход, кг•ч:

(17)

Полученные расчетом значения сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Зависимость мощности P_e, вращающего момента Т_е, удельного расхода g_e и массового расхода G_e от частоты вращения коленвала n_e.

Параметр	Отношение nei/ np
	0,16	0,22	0,44	0,66	0,88	1	1,11
ne (об/мин)	700	1000	2000	3000	4000	4500	5000
Pe, кВт	13,6	19,33	41,1	60,6	73	75	73,1
Te, Hм	185,5	186,6	196,2	192,9	174,3	159,2	139,6
ge, гр/кВт•ч	284,4	248	222,8	216,3	228,8	243,5	261,9
Ge, гр•ч	3868	4794	9157	13108	16702	18263	19145

Графическая зависимость мощности P_e, вращающего момента Т_е, удельного расхода g_e и массового расхода G_e от частоты вращения коленвала n_e отображена на рисунке 4.

4. Построение диаграммы фаз газораспределения

Радиус кривошипа коленвала, м:

r = S / 2, (18)

r = 0,083/2 = 0,0415 м

4.2 Отрезок ОО₁ (см. диаграмму фаз газораспределения, рис. 3):

, (19)

где r - радиус кривошипа в масштабе индикаторной диаграммы (r=55 мм)

- коэффициент;

, (20)

l_ш - длина шатуна, м;

r - радиус кривошипа (r = 0,0415 м). Принимаем:

l_ш = 4r; (21)

Отсюда,

мм, (22)

Угол впрыска:

Полученные расчетом данные используем для построения диаграммы фаз газораспределения (рисунок 3) и ее связи с индикаторной диаграммой (рисунок 2).

5. Проектирование кривошипно-шатунного механизма

Рабочий объем цилиндра, л:

, (23)

где - тактность двигателя ( = 4);

P_е - заданная мощность двигателя, кВт;

i - заданное число цилиндров,

5.2 Рабочий объем, м³:

, (24)

где D - диаметр поршня, м:

, (25)

S - неизвестный ход поршня, м.

Зная отношение S/D=0,9, определим:

м;

Принимаем 92 мм. Тогда мм.

5.3 Средняя скорость поршня, м/с:

, (26)

м/с < 13 м/с = []

Здесь [] - максимальная допускаемая скорость поршня.

Таблица 4. Параметры бензинового ДВС

Параметр бензинового ДВС	Значение параметра
d = D	d = 92 мм
d
L= (0,8…1,1) d	L= 1.92 = 92 мм
h=(0,6…1,0) d	h = 0,7. 92 = 64 мм
lш = (3,5…4,5) r	lш = 441,5 = 166 мм
H = (1,25…1,65) d	H = 1,392 = 120 мм
dk = (0,72…0,9) d	dk = 0,8 92= 74 мм
dш = (0,63…0,7) d	dш = 0,6592 = 60 мм
lk = (0,54…0,7) dk	lk = 0,674 = 44 мм
lшат = (0,73…1,05) dш	lшат = 160 = 60 мм

При известном диаметре поршня его остальные основные размеры определяются из эмпирических соотношений. Результаты расчетов приведены в таблице 4.

Обозначения, принятые в таблице 4:

d - диаметр поршня;

d_п - диаметр пальца;

d_в - внутренний диаметр пальца;

l_п - длина пальца;

l₂ - расстояние между внутренними торцами бобышек;

- толщина днища поршня;

d - внешний диаметр внутреннего торца бобышек;

с₁ - расстояние от днища поршня до первой канавки под поршневое кольцо;

е₁ - толщина стенки головки поршня;

h - расстояние от днища поршня до центра отверстия под палец;

b_к - глубина канавки под поршневое кольцо;

L - расстояние от торца юбки поршня до канавки под кольцо головки поршня;

H - высота поршня;

_ю - минимальная толщина направляющей части поршня;

d_ш - диаметр шатунной шейки;

d_к - диаметр коренной шейки коленвала;

l_шат - длина шатунной шейки;

l_к - длина коренной шейки коленвала.

Полученные расчетом параметры используем для проектирования кривошипно-шатунного механизма (рисунок 5).

6. Определение основных параметров ДВС

Крутящий момент, Н•м:

(27)

Литровая мощность, кВт/л:

(28)



Удельная поршневая мощность, кВт/дм²:

(29)

Механический КПД:

(30)

Индикаторный КПД:

, (31)

где - коэффициент избытка воздуха ( = 0,9)

= 14.96 (для бензиновых двигателей)

- низшая теплота сгорания топлива, ккал/кг. = 44

- плотность топливо - воздушной смеси, кг/м³. =1,22

= 0,7

Эффективный КПД:

(32)

Удельный расход, г/кВт•ч:

(33)

Массовый расход, г•ч:

(34)

Перемещение поршня

Зависимость перемещения поршня от угла поворота коленчатого вала определяется по формуле:

(35)

Строим график перемещения поршня из условия =0,25, угол поворота коленчатого вала 0-360⁰ с шагом 30⁰.

Скорость поршня

Зависимость скорости поршня от угла поворота коленчатого вала определяется по формуле:

(36)

Строим график скорости поршня из условия =0,25, угол поворота коленчатого вала 0-360⁰ с шагом 30⁰.

Ускорение поршня

Зависимость скорости поршня от угла поворота коленчатого вала определяется по формуле:

(37)

Строим график ускорения поршня из условия =0,25, угол поворота коленчатого вала 0-360⁰ с шагом 30⁰.

Силы, действующие в двигателе

Сила инерции

Сила инерции определяется по формуле:

, (38)

где - угловая скорость поршня, определяемая по формуле:

, (39)

где - номинальная частота вращения двигателя. =4500 об/мин.

.

- приведенная масса поршня, определяемая по формуле:

, (40)

где - масса поршня, определяемая по формуле:

 (41)

- масса шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца:

, (42)

где - масса шатуна, определяемая по формуле:

(43)

В итоге по формуле (40) определяем приведенную массу поршня:

Значения силы инерции в зависимости от угла поворота коленчатого вала заносим в таблицу 5.

Сила давления газов

Сила давления газов определяется по формуле:

, (44)

где - значения давления при данном угле поворота.

- атмосферное давление. =0,1 МПа.

- площадь поршня.

Площадь поршня определим по формуле:

(45)

Значения силы давления газов в зависимости от угла поворота коленчатого вала заносим в таблицу 5.

Суммарная сила

Суммарная сила определится по формуле:

(46)

Значения суммарной силы в зависимости от угла поворота коленчатого вала заносим в таблицу 5.

Таблица 5. Зависимости силы давления газов, силы инерции и суммарной силы от угла поворота коленчатого вала

Угол	Давление, МПа	Сила давления газов, Н	Ускорение, м/с2	Сила инерции, Н	Суммарная сила, Н
0	0,125	165	11519,19	-11519,19	-11354,19
30	0,09	-66	9123,197	-9123,197	-9189,197
60	0,09	-66	3409,68	-3409,68	-3475,68
90	0,09	-66	-2303,84	2303,84	2237,84
120	0,09	-66	-5713,52	5713,52	5647,52
150	0,09	-66	-6819,36	6819,36	6753,36
180	0,09	-66	-6911,51	6911,51	6845,51
210	0,1	0	-6819,36	6819,36	6819,36
240	0,12	132	-5713,52	5713,52	5845,52
270	0,15	330	-2303,84	2303,84	2633,84
300	0,33	1518	3409,68	-3409,68	-1891,68
330	0,79	4554	9123,197	-9123,197	-4569,197
360	1,62	10032	11519,19	-11519,19	-1487,19
390	3,7	23760	9123,197	-9123,197	14636,803
420	1,6	9900	3409,68	-3409,68	6490,32
450	0,82	4752	-2303,84	2303,84	7055,84
480	0,65	3630	-5713,52	5713,52	9343,52
510	0,54	2904	-6819,36	6819,36	9723,36
540	0,44	2244	-6911,51	6911,51	9155,51
570	0,125	165	-6819,36	6819,36	6984,36
600	0,125	165	-5713,52	5713,52	5878,52
630	0,125	165	-2303,84	2303,84	2468,84
660	0,125	165	3409,68	-3409,68	-3244,68
690	0,125	165	9123,197	-9123,197	-8958,197
720	0,125	165	11519,19	-11519,19	-11354,19

Сила, направленная по радиусу кривошипа

Сила, направленная по радиусу кривошипа определяется по формуле:

(47)

Строим график изменения силы К из условия =0,25, угол поворота коленчатого вала 0-720⁰ с шагом 30⁰.

Тангенциальная сила

Тангенциальная сила определяется по формуле:

(48)

Строим график изменения тангенциальной силы из условия =0,25, угол поворота коленчатого вала 0-720⁰ с шагом 30⁰.

Нормальная сила

Нормальная сила определяется по формуле:

(49)

Строим график изменения нормальной силы из условия =0,25, угол поворота коленчатого вала 0-720⁰ с шагом 30⁰.

Сила, действующая по оси шатуна

Сила, действующая по оси шатуна, определяется по формуле:

(50)

Строим график изменения силы, действующей по оси шатуна из условия =0,25, угол поворота коленчатого вала 0-720⁰ с шагом 30⁰.

угол	Сила К	угол	Сила Т	угол	Сила N	угол	Сила S
0	-11354,2	0	0	0	0	0	-11354,2
30	-7378,93	30	-5761,63	30	-1157,84	30	-9262,71
60	-1073,99	60	-3458,3	60	-764,65	60	-3559,1
90	-572,887	90	2237,84	90	572,887	90	2309,451
120	-3902,44	120	4162,222	120	1242,454	120	5783,06
150	-6273,87	150	2519,003	150	850,9234	150	6807,387
180	-6845,51	180	0	180	0	180	6845,51
210	-6335,19	210	-2543,62	210	-859,239	210	6873,915
240	-4039,25	240	-4308,15	240	-1286,01	240	5985,812
270	-674,263	270	-2633,84	270	-674,263	270	2718,123
300	-584,529	300	1882,222	300	416,1696	300	-1937,08
330	-3669,07	330	2864,887	330	575,7188	330	-4605,75
360	-1487,19	360	0	360	0	360	-1487,19
390	11753,35	390	9177,275	390	1844,237	390	14753,9
420	2005,509	420	6457,868	420	1427,87	420	6646,088
450	-1806,3	450	7055,84	450	1806,295	450	7281,627
480	-6456,37	480	6886,174	480	2055,574	480	9567,764
510	-9033	510	3626,813	510	1225,143	510	9801,147
540	-9155,51	540	0	540	0	540	9155,51
570	-6488,47	570	-2605,17	570	-880,029	570	7040,235
600	-4062,06	600	-4332,47	600	-1293,27	600	6019,604
630	-632,023	630	-2468,84	630	-632,023	630	2547,843
660	-1002,61	660	3228,457	660	713,8296	660	-3322,55
690	-7193,43	690	5616,79	690	1128,733	690	-9029,86
720	-11354,2	720	0	720	0	720	-11354,2

Средний крутящий момент

угол	Крутящий момент	ср. момент
0	0	0
30	-239,1075005	-71,925252
60	-143,5195164	-234,1036
90	92,87036	173,9265
120	172,732223	670,601599
150	104,5386361	607,040943
180	0	0
210	-105,5602831
240	-178,788152
270	-109,30436
300	78,1121964
330	118,8927905
360	0
390	380,8569325
420	268,0015386
450	292,81736
480	285,776231
510	150,5127511
540	0
570	-108,1144006
600	-179,7974735
630	-102,45686
660	133,9809489
690	233,096765
720	0

, где Т_х - значение тангенциальной силы при данном угле поворота.

Т_ср.= 163,2 Н•м, что составляет разницу с ранее

посчитанным моментом (27) 2,45%.

7. Тепловой баланс двигателя

Теплота сгорания израсходованного топлива:

(51)

Эквивалентная эффективная теплота работы двигателя:

(52)

Список литературы

1. Сырямин Ю.Н. Двигатели внутреннего сгорания. Методические указания к выполнению расчетно-графического упражнения. Н., 1998. 13 с.

2. Сергеев В.П. Автотракторный транспорт. М., 1984. 304 с.

3. Колчин А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М., 1971.

4. Орлин А.И. Двигатели внутреннего сгорания. М., 1970. 384 с.

5. СТП СГУПС 01.01-2000. Курсовой и дипломный проекты. Требования к оформлению. 41 с.