Определение индикаторных показателей цикла двигателя

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Южно - Уральский Государственный Университет

Кафедра «Двигатели внутреннего сгорания»

Пояснительная записка

к курсовой работе

по дисциплине “Автомобильные двигатели”

Выполнил:

студент группы АТ-452

Проверил: Камалтдинов В.Г.

________________

«____» _________ 2008

Челябинск 2008г.

Анотация

Автомобильные

двигатели. - Челябинск: ЮУрГУ,

АТ - 452, 2008. - 24 л.

Библиография литературы - 6

наименований; 2 листа формата А1.

В данной курсовой работе проведен тепловой расчет двигателя ЗМЗ 4086. Рассчитан процесс впуска, сжатия, сгорания и расширения. Определили эффективные показатели цикла, диаметра цилиндра и хода поршня. А также сравнили эффективные и индикаторные параметры в следствии изменения угла опережения зажигания, ы силовой и прочностной расчеты, определены основные параметры и размеры отдельных узлов и деталей, приведена инструкция по эксплуатации.

Содержание

Введение

1 Выбор и обоснование исходных данных

2 Расчет процесса впуска

3 Расчет процесса сжатия 4 Расчет процесса сгорания

5 Расчет процесса расширения

6 Определение индикаторных показателей цикла

7 Определение эффективных показателей цикла, диаметра цилиндра и хода поршня

8 Определение мощностных и экономических показателей

9 Определение сил, действующих в КШМ

10 Проверка мощности и расчет маховика

11 Определение нагрузок на шатунную шейку

12 Тепловой баланс

13 Сравнение эффективных и индикаторных параметров в следствии изменения угла опережения зажигания

14. Диаграмма чередования тактов

Список литературы

Приложения

Введение

Курс «Автомобильные двигатели» включает вопросы теории, динамики, конструкции и расчета двигателя.

Теория двигателей изучает рабочий цикл двигателя, показатели цикл двигателя. Знание теории позволяет оценивать влияние различных конструктивных и эксплуатационных факторов на работу двигателя и, в соответствии с этим, правильно обслуживать и эксплуатировать двигатель автомобиля. На базе теории выполняется тепловой расчет двигателя и расчет внешней скоростной характеристики.

Динамика кривошипно-шатунного механизма изучает кинематику и силы, действующие в этом механизме, а также вопросы уравновешивания я неравномерности хода двигателей. Динамический расчет позволяет определить величину и характер нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма.

Конструкция и расчет двигателей рассматривает их конструктивные особенности, конструкция и расчет деталей и систем. Знание этого раздела помогает понять условия работы ответственных деталей кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов и намечать меры по повышению их работоспособности.

1. Выбор и обоснование исходных данных

1. Давление окружающей среды. Р0 = 0,1013 МПа для нормальных атмосферных условий.

2. Температура окружающего воздуха. Т0 = 293 К для нормальных атмосферных условий.

3. Средний элементарный химический состав топлива в весовых долях. Для бензина принимается С = 0,855 ; Н = 0,145 ; О = 0,00.

4. Низшая теплота сгорания для бензина принимается Hu = 44,0 МДж/кг.

5. Степень сжатия принимается равной степени сжатия аналога ? = 9,5.

6. Коэффициент наполнения. Принимается средний коэффициент наполнения для бензиновых двигателей ?V = 0,85

7. Величина подогрева свежего заряда. В связи с большей частотой вращения коленчатого валя на бензиновом двигателе принимается ?Т = 15⁰.

8. Коэффициент избытка воздуха. В связи наличия впрыска топлива и форсунок на бензиновом двигателе принимается ? = 1,0.

9. Коэффициент эффективности сгорания принимается ? = 0,88

10. Условная продолжительность сгорания. В связи с наличием впрыска топлива на бензиновом двигателе принимается ?Z = 45[1, табл. 2.1].

11. Показатель характера сгорания. В связи с наличием впрыска топлива и сгорания на бензиновом двигателе принимается m = 3,5 [1, табл. 2.1].

12. Угол опережения воспламенения принимается равным углу опережения воспламенения аналога Q = 20⁰.

13. Средний показатель политропы сжатия принимается равным показателю политропы сжатия аналога n1 = 1,375.

14. Показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре принимается равным показателю аналога nн = 0, в связи отсутствия компрессора.

15. Давление перед впускными клапанами принимается равным

Рк = 0,1013 МПа при

,

где Ne - мощность двигателя, = 114 кВт (значение аналога),

i - количество цилиндров, = 4 цилиндров (значение аналога),

n - обороты коленчатого вала при Ne, = 5200 об/мин,

Vh - объем камеры сгорания одного цилиндра

,

D и S - диаметр и ход поршня, = 95,5 и 86 мм соответственно,

тогда

[1, рис 2.3].

16. Понижение температуры в охладителе наддувочного воздуха принимается равным ?Тохл = 0⁰ из-за отсутствия охладителя.

17. Давление остаточных газов принимается Рr = 0,11 МПа [1, табл. 2.3].

18. Температура остаточных газов принимается Тr = 1050⁰ [1, табл. 2.3].

19. Средний показатель политропы расширения принимается равным показателю политропы расширения аналога n2 = 1,31.

20. Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

,

где г - радиус кривошипа, = S/2 = 0,043 м,

lш - длина шатуна, = 0,16 м,

тогда .

21. Шаг расчета процессов сжатия, сгорания и расширения принимается равным 5⁰ поворота коленчатого вала.

2. Расчет процесса впуска

1. Давление рабочего тела в конце впуска:

Коэффициент остаточных газов:

.

2. Температура рабочего тела в конце впуска:

.

3. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива в киломолях:

.

4. Удельный объем рабочего тела в конце впуска:

где L₀^| - теоретический необходимое количество воздуха в килограммах для сгорания одного килограмма топлива:

?_в = 28,97 - кажущаяся молекулярная масса воздуха;

?_T = 110 - 120 - молекулярная масса бензина, принимаем ?_T = 114, как в программе на ЭВМ.

3. Расчет процесса сжатия

Параметры рабочего тела в процессе сжатия определяются по уравнениям политропного процесса.

1. Текущее давление (Приложение):

,

где V - текущее значение удельного объема (Приложение )

.

? - кинематическая функция перемещения поршня, представляющая отношение текущего хода поршня S к радиусу кривошипа r.

2. Давление конца сжатия:

.

3. Температура конца сжатия:

.

4. Удельная работа политропного процесса сжатия:

4. Расчет процесса сгорания

В расчете определяют величины давлений и температур рабочего тела в процессе сгорания в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Расчет выполняется учетом угла опережения воспламенения и закономерности выгорания топлива.

1. Общая удельная использованная теплота сгорания:

,

где - теоретически необходимое количество воздуха в кг для сгорания 1 кг топлива:

,

тогда .

2. Максимальное значение химического коэффициента молекулярного изменения:

?_Т - молекулярная масса бензина, в ЭВМ = 114

3. Максимальное значение действительного коэффициента молекулярного изменения:

.

4. Температура и давление процесса (Приложение ):

,

,

где V₁ и V₂ - удельные объемы в начале и конце участка, для первого уча- стка V₁ = V_y. Для последующих участков в качестве V₁ принимаются значения V₂ предшествующих участков;

P₁ - давление в начале участка, для первого участка P₁ = P_y. Для последующих участков принятие P₁ аналогично V₁;

- фактор теплоемкости.

и x₂ - доля выгоревшего топлива в начале и конце участка. Для первого участка 1 - 2 X₁ = 0. Определяются о уравнению выгорания И.И Вибе:

где e = 2,718 - основание натуральных логарифмов;

?₂ - угол ПКВ, отсчитываемый от начала сгорания до конца участка; ?₂ = ?₂ + ?. При воспламенении до ВМТ угол опережения воспламе -нения ? положительный.

?₂ - угол ПКВ от ВМТ до конца участка 1 - 2

- среднее значение действительного коэффициента молекулярного изменения , ?₁ - его значение в начале участка. Для первого участка ?₁ = 1;

?₂ - тоже для конца участка. Определяется по зависимости:

Отвлеченная скорость сгорания определяется по уравнению:

5. Удельная работа газов процесса сгорания:

.

где n - число элементарных участков процесса сгорания.

5. Расчет процесса расширения

Параметры рабочего тела в процессе расширения определяются как в процессе сжатия по уравнениям политропного процесса.

1. Текущее давление (Приложение ):

,

где V - текущее значение удельного объема (Приложение)

V_z,P_z - удельный объем и давление в конце сгорания.

.

? - кинематическая функция перемещения поршня [1, приложение 3]

2. Давление конца расширения:

.

3. Температура конца расширения:

.

где Т_z - температура в конце сгорания.

4. Удельная работа политропного процесса расширения:

6. Определение индикаторных показателей цикла

1. Удельная работа цикла:

.

2. Среднее индикаторное давление цикла:

.

3. Индикаторный КПД:

.

4. Индикаторный удельный расход топлива:

.

7. Определение эффективных показателей цикла, диаметра цилиндра и хода поршня

1. Эффективный КПД:

,

2. Среднее давление механических потерь:

где См - средняя скорость поршня

а - эмпирический коэффициент

b - эмпирический коэффициент

где - механический КПД ,

тогда

3. Удельный эффективный расход топлива:

.

4. Диаметр цилиндра:

,

где S/D - берется с прототипа, S/D = 86/95,5 = 0,9005 ,

? - тактность двигателя, ? = 4,

i - количество цилиндров, берется с прототипа, i = 4,

тогда

5. Ход поршня:

.

6. Сравнение полученных результатов:

Показатели	Рассчитываемый двигатель	Прототип
Ne, кВт	114	114
n, об/мин	5200	5200
D, мм	95,5	95,5
S, мм	86	86
ge, г/кВт ч	199,1355	201,5365
Nл, кВт/л	44,25	44,25

8. Определение мощностных и экономических показателей

1. Определим среднее эффективное давление по эмпирической зависимости:

,

где p_{eMAX =} К_м*P_ен - максимальное значение эффективного давления по внешней характеристике, МПа

P_emax=1,17p_e=1,4355;

К_м - коэффициент приспособляемости по крутящему моменту.

К_м = 1,14 - 1,22 - для карбюраторных двигателей.

P_EH - среднее эффективное давление на номинальном режиме работы двигателя, МПа;

a_p - постоянная величина - а_р= P_ен (К_м - 1)/(n_н - n_м)² = 0,115*10^-6

n_M,n_н - частота вращения для режимов номинальной мощности и максимального крутящего момента соответственно, об/мин.

n_м (0,5 - 0,7)*n_н - для автомобильных двигателей. = 1900 об/мин,

a_p - постоянная величина, а = 0,166*10^-6

2. Механический КПД:

.

3. Эффективная мощность:

.

4. Крутящий момент двигателя:

.

5. Эффективный удельный расход топлива:

.

6. Расход топлива двигателем в час:

.

Данные сведены в таблицу 1

n	pe	Ne	M	ge	GT
800	1,1526	39,0173	255,412	199,126	26,33915
1350	1,1984	47,3245	270,435	205,3523	35,03248
1900	1,2214	56,1421	290,324	210,4522	43,96507
2450	1,3106	72,3241	340,654	219,4233	53,25118
3000	1,4355	74,2342	370,431	222,342	63,00727
3550	1,4361	88,4942	340,654	230,3541	73,24387
4100	1,3821	90,0555	290,324	239,2	83,75758
4650	1,3584	114,0975	270,122	244,01	94,02301
5200	1,3494	114,0979	270,122	244,01	94,02301

9. Определение сил, действующих в КШМ

1. Сила газов (Приложение):

,

где F_п - площадь поршня.

2. Сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс

(Приложение):

,

где m₁ - масса поступательно движущихся частей

m₁ = m_пк + 0,3m_ш,

J - ускорение движения поршня

3. Суммарная сила, действующая по оси цилиндра (Приложение):

.

4. Сила, действующая на стенку цилиндра (Приложение):

.

5. Сила, действующая по оси кривошипа коленчатого вала

(Приложение):

.

6. Тангенсальная сила (Приложение):

.

10. Проверка мощности и расчет маховика

1. Определение суммарных тангенсальных сил:

?, град	0	10	20	30	40	50	60
Т?	17,578	33,596	38,204	30,687	19,929	14,128	17,593

2. Средняя суммарная тангенсальная сила:

кН.

3. Средний суммарный момент:

.

4. Средний эффективный крутящий момент:

.

5. Эффективная мощность:

.

6. Момент инерции движущихся масс двигателя:

,

где L_изб = 2662 Дж, ?=0,02, ,

тогда .

7. Момент инерции маховика:

.

8. Масса маховика:

.

где Dср = 2*S - средний диаметр маховика, м

S - ход поршня.

11. Определение нагрузок на шатунную шейку

1. Сила инерции вращающихся масс шатуна:

,

где m_ш - масса вращающихся масс шатуна = 0,8270 кг,

? - частота вращения в 1/с

тогда .

2. Средняя равнодействующая сила:

12. Тепловой баланс

5. Общее количество теплоты:

.

6. Теплота, эквивалентная эффективной работе:

.

7. Теплота, передаваемая охлаждающей среде:

,

С - коэффициент пропорциональности = 0,53,

m - показатель степени = 0,68.

8. Теплота, унесенная с отработавшими газами:

9. Неучтенные потери теплоты:

Составляющие теплового баланса	Q, Дж/с	q, %
Теплота, эквивалентная эффективной работе	114000	36,04
Теплота, передаваемая охлаждающей среде	121666	32,67
Теплота, унесенная с отработавшими газами	126844	27,2
Неучтенные потери теплоты	23405	4,09
Общее количество теплоты		100

13. Сравнение эффективных и индикаторных параметров в следствии изменения угла опережения зажигания

1. Индикаторные показатели:

Удельная работа цикла растет с увеличением угла опережения

зажигания вследствие уменьшения затрат энергии на процесс сжатия и более раннего начала роста давления в процессе сгорания, что приводит к росту полезной работы в этом процессе.

Среднее индикаторное давление цикла растет с увеличением угла опережения зажигания из-за более высоких значений давлений в цикле, которые возникают вследствие начала процесса сгорания раньше ВМТ, давление само по себе растет плюс уменьшение объема.Индикаторный КПД растет с увеличением угла опережения зажигания вследствие роста удельной работы цикла, находясь в прямой зависимости от нее.

Индикаторный удельный расход топлива падает с увеличением угла опережения зажигания вследствие роста индикаторного КПД, находясь в обратной зависимости от него.

2. Эффективные показатели:

Эффективный КПД растет с увеличением угла опережения зажигания вследствие роста индикаторного КПД, находясь в прямой зависимости от него.

Эффективный удельный расход топлива падает с увеличением угла опережения зажигания вследствие роста эффективного КПД, находясь в обратной зависимости от него.

Эффективная мощность растет с увеличением угла опережения зажигания вследствие роста эффективного давления, которое растет из-за увеличения среднего индикаторного давления.

Крутящий момент двигателя растет с увеличением угла опережения зажигания вследствие роста эффективной мощности, находясь в прямой зависимости от нее.

Давление конца процесса сгорания растет с увеличением угла опережения зажигания вследствие более больших значений давлений в данном процессе.

14. Диаграмма чередования тактов

Здесь представлена диаграмма чередования тактов четырех цилиндрового двигателя ЗМЗ 4086 с порядком работы цилиндров 1342.

1 2 3 4

0 720

180 540

360 360

540 180

720 0

ВПУСК	СЖАТИЕ	ВЫПУСК	РАБ.ХОД
СЖАТИЕ	РАБ.ХОД	ВПУСК	ВЫПУСК
РАБ.ХОД	ВЫПУСК	СЖАТИЕ	ВПУСК
ВЫПУСК	ВПУСК	РАБ.ХОД	СЖАТИЕ

Список литературы

1. Двигатели внутреннего сгорания: Учебник для вузов/ Под ред. В.Н.Луканина - М; Высш.школа, 1985. -312 с.

2. Вибе И.И. Теория двигателей внутреннего сгорания; Конспект лекции: - Челябинск: ЧПИ, 1974. - 252с.

3. Лабораторные работа по теории рабочих процессов: Методические указания/ Под ред. М.Ф.Фарафонтова. - Челябинск: ЧПИ, 1988,- 76 с.

4. Фарафонтов М.Ф Автомобильные двигатели: Учебное пособие для студентов - заочников. -Челябинск: ЧПИ, 1990, - 58 с.