В существующих двигателях значения Т_r соответствуют:

для бензиновых и газовых двигателей-----900…1100 К;

для дизелей------600…900 К.

Большие значения Т_r выбираются для высокооборотных двигателей и двигателей с низкой степенью сжатия.

Т-степень подогрева свежего заряда во впускном тракте зависит от частоты вращения, наличия наддува и принимается в следующих пределах:

для бензиновых и газовых двигателей --------10…30;

для дизелей без наддува ------------------------ 10…20;

для двигателей с наддувом ---------------------- 0…10.

Давление в конце впуска р_а принимается из следующих соотношений:

р_а= р_к - р_а ; для двигателей без наддува - р_а = р_о - р_а.

У двигателей потери давления р_а за счет сопротивления впускного тракта находятся в пределах (большие значения принимаются для высокооборотных двигателей):

для бензиновых и газовых двигателей - (0,05…0,2)р_о;

для дизелей без наддува - (0,03…0,18)р_о;

для дизелей с наддувом - (0,03…0,1)р_к.

б) Определяют величины: _r (коэффициент остаточных газов), Т_a (температура конца наполнения) и _v (коэффициент наполнения) по следующим формулам:

Определяют параметры процесса расширения: n₂; р_b; Т_b.

а) Показатель политропы расширения n₂ определяется из соотношения:

n₂ = 1,22 + 130 / n_н. (20)

б) Давление и температура конца расширения:

для бензиновых двигателей - ; (21)

; (22)

для дизелей - ; (23)

(24)

где - степень последующего расширения,

- степень предварительного расширения.

Полученные расчетные значения термодинамических параметров процессов цикла необходимо сопоставить с данными табл. 2.

Таблица 2. Предельные значения параметров процессов цикла

1.5 Индикаторные показатели цикла

а) Определяют среднее индикаторное давление (теоретическое) газов:

для дизеля - (25)

для бензинового и газового двигателей -

. (26)

б) Определяют среднее индикаторное давление (действительное) газов:

p_i = _п р₁¹,

где _п - коэффициент полноты индикаторной диаграммы, учитывающий ее скругление в ВМТ и НМТ, как результат наличия фаз газораспределения, угла опережения впрыскивания топлива или зажигания, а также скорости сгорания топлива. Значения _п принимаются для дизелей 0,9…0,96, для бензиновых и газовых двигателей 0,94…0,97.

в) Определяют индикаторный КПД цикла:

, (27)

для двигателей с наддувом: Т_о = Т_к, р_о = р_к.

г) Определяют индикаторный удельный расход топлива:

. (28)

1.6 Эффективные показатели двигателя

а) Определяют среднее давление механических потерь:

, (29)

где - средняя скорость поршня, принимается по двигателю-прототипу (у существующих двигателей с_п= 8…15 ),

и - эмпирические коэффициенты, приведенные в табл. 3.

Таблица 3. Значения коэффициентов и

б) Определяют среднее эффективное давление газов:

. (30)

в) Определяют механический КПД двигателя:

. (31)

г) Определяют эффективный КПД двигателя:

. (32)

д) Определяют удельный эффективный расход топлива:

. (33)

Полученные расчетные значения индикаторных и эффективных показателей необходимо сопоставить с данными табл.4.

Таблица 4. Предельные значения индикаторных и эффективных показателей современных поршневых двигателей

1.7 Определение основных размеров двигателя

а) Определяют рабочий объем одного цилиндра по заданным значениям мощности, частоты вращения и расчетному значению среднего эффективного давления газов (р_е):

, л, (34)

где - число цилиндров двигателя (принимается с учетом литража двигателя и установившейся тенденции в двигателестроении),- тактность двигателя (=2,4).

б) Выбирают отношение хода (S) поршня к диаметру (D) по прототипу двигателя или задаются :

для дизелей - 0,9…1,4; для бензиновых двигателей - 0,7…1,0; (для быстроходных двигателей принимаются меньшие значения), и определяют:

, мм; S = (S/D) D. (35)

Результаты теплового расчета необходимо свести в табл. 5 и выполнить краткий анализ с точки зрения соответствия показателей рассчитываемого двигателя показателям двигателей, приведенных в приложении.

Таблица 5. Характеристика двигателей

2. Построение расчетной индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма строится в координатах р - v и изображается на миллиметровой бумаге формата А4. На рис.1 изображена индикаторная диаграмма бензинового двигателя, на рис.2 -дизеля.

При построении диаграммы ее масштабы рекомендуется выбирать с таким расчетом, чтобы получить высоту равной 1,5…1,7 ее основания. Исходя из опыта построения и обработки диаграмм, можно рекомендовать следующую методику. В начале построения на оси абсцисс откладывают отрезок АБ, соответствующий рабочему объему V_h,, а по величине равный ходу поршня в масштабе М_s, который в зависимости от величины хода поршня может быть принят 1:1; 1,5:1; 2:1. Тогда отрезок ОА, соответствующий объему камеры сгорания V_с будет равен:

ОА =AБ/ ( - 1). (36)

При построении диаграммы рекомендуются выбирать следующие масштабы давлений: Мр=(0,05…0,025) МПа /мм. С учетом масштабов наносят точки: r, a, c, z, , b. Точка определяется из соотношения:

.

Для построения политроп сжатия и расширения необходимо рабочий объем Vh (отрезок АБ) разделить на 6…8 интервалов (ближе к ВМТ интервалы необходимо уменьшить, см. рис.1) и определить соответствующие величины давлений рх, заменив отношение объемов отношением отрезков в мм по уравнениям:

для процесса сжатия - , (37)

для процесса расширения - . (38)

Для дизелей отношение изменяется в пределах 1….

Точки политропы соединяются плавной кривой. После планиметрирования площади индикаторной диаграммы расчетного цикла соответствующего двигателя определяют среднее индикаторное давление газов:

, (39)

где Мр - масштаб давлений (МПа/ мм), Fd- площадь диаграммы в .

Допустимое отклонение среднего индикаторного давления, определенное планиметрированием, не должно отличаться от расчетного более чем на 0,025МПа.

Рис.1. Индикаторная диаграмма расчетного цикла бензинового двигателя

Рис.2. Индикаторная диаграмма расчетного цикла дизеля

3. Построение эксплуатационных характеристик двигателя

Эксплуатационные характеристики - это графические зависимости основных показателей двигателя (Р_е,Т_е,В_Т,b_е) от эксплуатационных факторов (частоты вращения коленчатого вала n, нагрузки: р_е,Т_е,Р_е). Наибольшее применение получили следующие эксплуатационные характеристики: скоростная (внешняя и частичные), регуляторная, нагрузочная.

Внешняя скоростная характеристика строится для двигателей, используемых в качестве энергетической установки автотранспортных средств.

Внешняя скоростная характеристика бензинового двигателя представлена на рис.3, а дизеля на рис.4. В основу определения энергетических и экономических показателей двигателя положены следующие эмпирические зависимости, предложенные С.Г. Лейдерманом:

. (40)

. (41)

Численные значения коэффициентов в уравнениях (40) и (41) приведены в табл. 6.

Таблица 6. Коэффициенты для построения скоростной характеристики

Задаваться частотой вращения необходимо из расчета, чтобы отношение было кратным 0,1 т.е. =0,2; 0,3; 0,4…1,0; 1,1 - для бензиновых и газовых двигателей легковых автомобилей;

=0,2; 0,3; 0,4…1,0 - для дизелей и бензиновых двигателей средней и большой мощностей.

Для дизеля строится регуляторная ветвь скоростной характеристики из условия, что на этом участке мощность, момент и часовой расход топлива изменяются по линейному закону. При работе на регуляторе частота вращения изменяется от до (максимальной частоты вращения на холостом ходу)

, (42)

где - коэффициент неравномерности регулятора, принимается в пределах 0,07…0,08.

Часовой расход топлива В_Т.х на регуляторной ветви определяется из соотношения: В_Т.х =(0,25…0,30)В_Т.мах, (см. рис.4).

Вращающий момент и часовой расход топлива подсчитываются по формулам:

, кНм, (43)

где - частота вращения коленчатого вала в , -мощность в кВт.

. (44)

После этого все расчетные данные заносятся в табл. 7

Таблица 7. Показатели двигателя для построения скоростной характеристики

Рис.3. Скоростная характеристика бензинового двигателя

Рис. 4. Скоростная характеристика дизеля с регуляторной ветвью

В тексте пояснительной записки дается сравнительный анализ характеристики рассчитываемого двигателя и прототипа с точки зрения:

а) диапазона рабочих частот вращения - (); для дизеля - режима перегрузки;

б) коэффициента приспособляемости - ;

в) минимального удельного расхода топлива - b_e.min и соответствующей ему частоты вращения (нагрузки).

4. КИНЕМАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

Конечной целью кинематического расчета двигателя является определение ускорения поршня.

Основными геометрическими параметрами, определяющими законы движения элементов КШМ, являются: r - радиус кривошипа коленчатого вала,

l_ш - длина шатуна. Параметр = r/ l_ш является критерием кинематического подобия КШМ, его значения для некоторых двигателей приведены в Приложении 2_. В существующих автотракторных двигателях применяются КШМ с = 0,24…0,31. Порядок кинематического расчета двигателя следующий.

В ходе динамического расчета определяют силы и моменты, действующие на детали кривошипно-шатунного механизма (КШМ).

а) Строят развернутую диаграмму давления газов в координатах

р_г - ^о п.к.в, используя построенную свернутую индикаторную диаграмму действительного цикла в ходе теплового расчета двигателя. Перестроение индикаторной диаграммы в развернутую выполняется графическим путем по методу проф. Ф.А. Брикса. Для чего под индикаторной диаграммой проводится полуокружность радиусом r=S/2 (рис. 8). Из центра этой полуокружности (точка 0) в сторону НМТ в масштабе диаграммы откладывается поправка Брикса - отрезок . Из нового центра 0₁ полуокружность делят лучами на равные углы. Точки пересечения, полученные на полуокружности, соответствуют определенным углам

а) Задаемся значениями: Т₀; р₀; Т_r; р_r; Т; _r; р_а.

Температура То и давление ро окружающей среды принимаются в соответствии со стандартными атмосферными условиями: То=273+25=298 К; ро=0,1 Мпа.

Температура Тr и давление рr остаточных газов зависят от частоты вращения и нагрузки двигателя, сопротивления выпускного тракта, способа наддува.

рr=0,8р_к=0,8?0,17=0,136МПа.

давление наддувочного воздуха:

рк=1,7р₀=1,7?0,1=0,17МПа.

Температуру остаточных газов (Т_r) принимаем 800К.

Температуру подогрева свежего заряда (ДТ) принимаем 10 град.

Коэффициент остаточных газов (_r) принимаем 0,03.

Температура воздуха за компрессором:

=,

где - показатель политропы сжатия в компрессоре, принимается 1,65.

Давление в конце впуска (р_а) принимаем из следующего соотношения:

р_а=р_к- р_а.

Потери давления (р_а) за счет сопротивления впускного тракта:

,

Принимаем коэффициент сопротивления впускного тракта к=2,5; скорость заряда на впуске щ=90 м/с.

Плотность заряда на впуске:

р_а=0,17- 0,017=0,153МПа.

б) Определяем величину температуры в конце впуска:

???

Определяем коэффициент наполнения:

=.

в) В зависимости от принятого значения коэффициента избытка воздуха (=1,7) определяем массу свежего заряда, введенного в цилиндры двигателя (ориентировочно):

М₁ = l_о / 29; кмоль.

l_o = 14,5 кг. воздуха / кг. топлива - для дизеля;

Масса воздуха в кмолях: L_o =l_o/29. (29 -масса 1 кмоль воздуха).

М₁=1,7?14,5/29=0,85 кмоль.

1.2 Процесс сжатия

Определяем параметры процесса сжатия: n₁; р_с; Т_с, .

а) Показатель политропы сжатия определяем из соотношения:

n₁ = 1,41 - 100/n_н =1.41-100/2100=1,362.

б) Давление конца сжатия:

= 0,153?16^1,362 = 6,68МПа.

в) Температура конца сжатия:

? 377?16^1,362-1 = 1029К.

г) Масса рабочей смеси в конце сжатия:

= 0,85?(1+0,03) = 0,875кмоль.

д) Теплоемкость рабочей смеси в конце сжатия:

С_vc=20,16+1,7410^-3Т_с = 20,16+1,74?10^-3?1029 =21,95 кДж/(кмоль.град).

1.3 Процесс сгорания

а) Определяем массу продуктов сгорания в цилиндрах двигателя:

+М_{1 r},

б) Определяем температуру газов в цилиндре в конце процесса сгорания из уравнения:

,

С_z - теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении:

С_z =(20,2 + 0,92/1,7) + (15,5 + 13,8/1,7) 10 ^-4 Т_z + 8,314 =

=29,05+0,00236? T_Z, кДж/(кмоль град)

-коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси в ходе сгорания ==

- коэффициент использования теплоты в ходе сгорания, принимаем равным 0,85.

Н_н- низшая теплотворная способность топлива:

для дизтоплива -

Степень повышения давления -л принимаем равным 1,6.

Уравнения сгорания после подстановки соответствующих значений решается как квадратное уравнение:

А Т_z² + В Т_z + C =0,

T_z =.

(21,95+8,314?1,6)?1029+(0,85?42500)/(1,7?0,5(1+0,03)=1,032?(29,05+0,00236?Т_z)?T_z.

T_z=2245K.

в) Определяем максимальное давление газов в цилиндре:

р_z = р_c =1,6?6,68=10,68МПа.

1.4 Процесс расширения

Определяем параметры процесса расширения: n₂; р_b; Т_b.

а) Показатель политропы расширения определяем из соотношения:

n₂ = 1,22 + 130/n_н =1,22+130/2100=1,28.

б) Давление и температура конца расширения:

=0,47МПа.

=1134К.

где - степень последующего расширения,- степень предварительного расширения. .

Полученные расчетные значения термодинамических параметров процессов цикла соответствуют данными таблицы 2.

1.5 Индикаторные показатели цикла

а) Определяем среднее индикаторное давление газов:

?

.

б) индикаторный КПД цикла:

=.

в) индикаторный удельный расход топлива:

.

1.6 Эффективные показатели двигателя

а) Определяем среднее давление механических потерь:

=0,105+0,012?8=0,2МПа,

принимаем среднюю скорость поршня с_п=8 м/с

б) среднее эффективное давление газов:

=1,26 - 0,2=1,06 МПа.

в) механический КПД двигателя:

г) эффективный КПД двигателя:

=

д) удельный эффективный расход топлива:

.

Полученные эффективные показатели двигателя соответствуют значениям таблицы 4.

1.7 Определение основных размеров двигателя

а) Определяем рабочий объем одного цилиндра по заданным значениям мощности, частоты вращения и расчетному значению среднего эффективного давления газов (р_е):

, л.

б) Принимаем отношение хода (S) поршня к диаметру (D) равным 1,0 и определяем:

, мм; S = (S/D) D=135, мм.

Результаты теплового расчета необходимо сводим в таблицу и проводим анализ с точки зрения соответствия показателей рассчитываемого двигателя показателям двигателей, приведенных в приложении.

Характеристика двигателей

Проектируемый двигатель по удельным показателям: литровой мощности - Р_л=11,87 кВт/л и топливной экономичности b_e=206 ^г/кВт.ч превосходит один из прототипов ЯМЗ-238 в основном за счет применения наддува.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Техническая характеристика отечественных двигателей.

Таблица П. 1.1. Бензиновые двигатели.

Таблица П.1.2. Дизельные двигатели

Таблица П.1.3. Современные автотракторные двигатели

Таблица П.1.4. Техническая характеристика стационарных дизелей, применяемых в нефтегазодобыче

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Таблица П.3.1. Значения функции cos + cos 2 для определения ускорения

Таблица П.3.2. Значения функции tgв для определения боковой силы.

От 180^о до 360^о функция имеет отрицательный знак.

Таблица П.3.3. Значения функции 1/cosв для определения силы, действующей вдоль шатуна

От 180^о до 360^о функция имеет положительный знак.

Таблица П.3.4. Значения функции для определения тангенциальной силы.

От 180^о до 360^о функция имеет отрицательный знак.

Таблица П.4.4. Значения функции для определения силы, действующей по кривошипу.

ЛИТЕРАТУРА

1. Автомобильные двигатели. Под редакцией М.С. Ховаха.М. 1977. 591с.

2. Автомобильные и тракторные двигатели. Под редакцией И.М. Ленина. Ч.1,2.М. 1976. 368 с, 280 с.

3. Двигатели внутреннего сгорания. Под редакцией В.Н. Луканина в3кн.М.1995.370 с, 320 с, 247 с.

4. Колчин А.И. Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М.1980.400с.

5. Николаенко А.В. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей.М.1992.414с.

Размещено на Allbest.ru