Описание двигателя Ford Fusion

Алгоритм расчета рабочего цикла ДВС

Выбор исходных данных

Топливо

Показатели топлива	Обознач.	Двигатели с искровым зажиганием (двигатели Отто)
Вид топлива		бензин
Элементарный состав, %
Углерод	gc	0,854
Водород	gн	0,142
Кислород	gо	0,004
Низшая теплота сгорания, МДж/кг	Ни	44000
Формула молекулы т-в.		С8,2Н16,7

Показатели двигателя (из задания)

-мощность двигателя, N _ном, кВт 74

-механический КПД, _м 0,79

-частота вращения, n_дв, об/мин 6000

-диаметр цилиндра, D_ц, м 0,079

-ход поршня, S, м 0,0814

Показатели цикла (задаются по прототипу)

-степень сжатия, 11

-степень повышения давления, 4

-коэффициент наполнения, 0,73

-коэффициент избытка воздуха, 0,95

-коэффициент остаточных газов, _г 0,056

-подогрев заряда о стенки КС, Т 10

-коэффициент использования теплоты

в () z, _z 0,92

-температура остаточных газов, Т_г, К 900

-давление остаточных газов, р_г 0,118 МПа

-показатель политропы сжатия, n₁ 1,375

-показатель политропы расширения, n₂ 1,306

Параметры окружающей среды

давление р_о = 0,101 МПа

температура Т_о = 300 К.

Последовательность расчета.

I. Расчет процесса наполнения.

Принимаем = 0,7

1. Коэффициент остаточных газов

2. Температура заряда в конце наполнения

К;

3 Коэффициент наполнения

Расчет параметров рабочего тела

1. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

кг;

Количество свежего заряда

кмоль;

где _Т -молекулярный вес;

2. Действительное количество воздуха в горючей смеси

.

3. Количество молей остаточных газов

кмоль/;

5. Количество молей составляющих продуктов сгорания

5.1. Количество молей окиси углерода

кмоль;

5.2. Количество молей водорода

кмоль;

5.3. Количество молей воды

кмоль;

5.4. Количество молей СО₂

кмоль;

5.5. Количество молей азота



5.6. Количество молей кислорода

кмоль;

6. Суммарное количество молей продуктов сгорания на 1кг топлива

7. Изменение количества вещества при сгорании

кмоль;

8.Коэффициент молекулярного изменения

- теоретический;

- действительный;

9.Действительный коэффициент молекулярного изменения рабочего тела к моменту начала расширения

,

где и - коэффициенты использования теплоты к началу и концу расширения.

Расчет процесса сжатия

1. Показатель политропы сжатия

Для оценки величины n₁ можно использовать эмпирическую зависимость

где n -частота вращения.

Рассчитывается n₁ методом итерации из выражения

где R_м = 8,31451 кДж/мольК -универсальная газовая постоянная,

а, b-коэффициенты в уравнении средней теплоемкости при сжатии, где а=20,16 и b=0,001738.

Таблица 1.

исходное n-1	рассчитанное n-1	разница исх-расч
0.393	0.3732612	0.0197388
0.392	0.3733222	0.0186778
0.391	0.3733832	0.0176168
0.390	0.3734442	0.0165558
0.389	0.3735052	0.0154948
0.388	0.3735662	0.0144338
0.387	0.3736272	0.0133728
0.386	0.3736882	0.0123118
0.385	0.3737492	0.0112508
0.384	0.3738102	0.0101898
0.383	0.3738712	0.0091288
0.382	0.3739322	0.0080678
0.381	0.3739932	0.0070068
0.380	0.3740542	0.0059458
0.379	0.3741152	0.0048848
0.378	0.3741762	0.0038238
0.377	0.3742372	0.0027628
0.376	0.3742982	0.0017018
0.375	0.3743592	0.0006408
0.374	0.3744202	0.0004202
0.373	0.3744812	0.0014812

2. Давление в конце сжатия

3. Температура в конце сжатия

4. Работа сжатия

Процесс сгорания

1. Неполнота сгорания

2. Средняя теплоемкость продуктов сгорания



3. Средняя теплоемкость при сжатии

4. Температура в конце процесса сгорания

Пусть T_Z=2800K > 2800 ? 3141,0559K;

T_Z=2900K > 2900 ? 3109,3494K;

T_Z=3000K > 3000 ? 3078,2766K;

T_Z=3050K > 3050 ? 3062,912K;

T_Z=3059,95K > 3059,95 = 3059,9445K;

Максимальное давление цикла

6. Степень повышения давления

Процесс расширения

1. Показатель политропы расширения

2. Коэффициенты в уравнении теплоемкости

Принимаем

n₂=1,26 + 100/6000 = 1,28;

Таблица 2.

исходное n2-1	рассчетное n2-1	исх - рассчетн
0,279	0,3074699	-0,0284699
0,28	0,3073846	-0,0273846
0,281	0,3072978	-0,0262978
0,282	0,307214	-0,025214
0,283	0,3071287	-0,0241287
0,284	0,3070434	-0,0230434
0,285	0,3069581	-0,0219581
0,286	0,3068728	-0,0208728
0,287	0,3067875	-0,0197875
0,288	0,3067022	-0,0187022
0,289	0,3066169	-0,0176169
0,29	0,3065316	-0,0165316
0,291	0,3064463	-0,0154463
0,292	0,306361	-0,014361
0,293	0,3062757	-0,0132757
0,294	0,3061904	-0,0121904
0,295	0,3061051	-0,0111051
0,296	0,3060198	-0,0100198
0,297	0,3059345	-0,0089345
0,298	0,3058492	-0,0078492
0,299	0,3057639	-0,0067639
0,3	0,3056786	-0,0056786
0,301	0,3055933	-0,0045933
0,302	0,305508	-0,003508
0,303	0,3054227	-0,0024227
0,304	0,3053374	-0,0013374
0,305	0,3052521	-0,0002521
0,306	0,3051668	0,0008332
0,307	0,3050815	0,0019185
0,308	0,3049962	0,0030038
0,309	0,3049109	0,0040891
0,31	0,3048256	0,0051744

3. Давление в конце расширения

4. Температура в конце расширения

5. Работа расширения



Индикаторные показатели

1. Среднее индикаторное давление теоретической диаграммы

2. Действительное индикаторное давление

МПа,

где _пд -коэффициент полноты индикаторной диаграммы,

_пд=0,920,97 (меньшие значения -дизель, большие -двигатель Отто).

3. Индикаторная работа цикла

L_i = L_zb - L_ac = 0,53 - 0,13 = 0,4 кДж;

L_i = p_i*V_h*1000;

0,4 ? 0,45

4. Индикаторная мощность двигателя

где -коэффициент тактности, = 4 -для 4^х тактного двигателя;

5. Индикаторный КПД

,

6. Удельный индикаторный расход топлива

7. Часовой расход топлива

Эффективные показатели

1. Средняя скорость поршня

2. Среднее давление трения

3. Потери на осуществление насосных ходов

4. Среднее давление трения

5. Среднее эффективное давление

.

6. Механический КПД

.

7. Эффективный КПД

.

8. Удельный эффективный расход топлива

.

9. Эффективная мощность двигателя

.

7. Крутящий момент

Где - угловая скорость коленчатого вала.

Расчет рабочего цикла двигателя можно считать верным, так как разница между книжным значением эффективной мощности и полученным составляет не более 3%. Погрешность N_e составляет 2,5%.

Расчет индикаторной диаграммы по методу Гринивецкого

Индикаторными диаграммами называют зависимости давления газа в цилиндре в функции от угла поворота коленчатого вала (развернутая индикаторная диаграмма) или в функции от текущего объема надпоршневого пространства (свернутая индикаторная диаграмма).

Порядок расчета индикаторной диаграммы

1. Задаемся рядом значений угла поворота КВ от 0 (положение поршня в ВМТ) до 180^о (положение поршня в НМТ) с интервалом в 10^о.

2. Рассчитываем текущее значение надпоршневого объема, используя зависимость

,

где - рабочий объем цилиндра, м³;

- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна (характеристика КШМ); _г - геометрическая степень сжатия двигателя.

3. Рассчитываем текущую степень сжатия

;

5. Давления сжатия (180^о - 360^о пкв)

6. Давления на ходе расширения (360^о - 540^о пкв)

7. Температура сжатия

8. Температура на ходе расширения (360^о - 540^о пкв)

Кинематический и динамический расчеты двигателя

Кривошипно-шатунный механизм работает в условиях значительных быстропеременных нагрузок. Величины и характер изменения этих нагрузок определяются на основе кинематического и динамического расчетов КШМ. Детали КШМ совершают различные по характеру движения. Так поршень участвует в возвратно-поступательном движении, кривошип коленчатого вала - во вращательном, а шатун в сложном плоско-параллельном движении.

Расчетная схема КШМ представлена на рис. 1. КШМ выполняют нормальными и смещенными (дезаксиальными). Основной характеристикой КШМ является, т.е. отношение радиуса кривошипа коленчатого вала к длине шатуна. Для автотранспортных ДВС =0,240,31. В смещенных КШМ дополнительным параметром является величина дезаксаиса а и относительное смещение . У автотранспортных ДВС величина k составляет 0,020,1.

В инженерных расчетах для их оценки используются следующие зависимости. Перемещение поршня

Скорость перемещения поршня

Ускорение поршня

Кинематика шатуна

Основными силами, действующими в двигателе и КШМ являются:

-силы давления газов ,

-силы инерции движущихся частей р_i,

-силы тяжести.

Силы тяжести деталей КШМ в расчетах не учитываются в силу их незначительности, а массы деталей учитываются в расчетах сил инерции.

Угловое перемещение шатуна

в_ш = arcsin(лsinц), град;

Угловая скорость качания шатуна;



Угловое ускорение шатуна

Динамика КШМ

Силы давления газов получают из развернутой индикаторной диаграммы р_г=f(_пкв).

В целях упрощения динамического расчета действительный механизм КШМ заменяют эквивалентной системой сосредоточенных масс (рис. 3). При этом рассматривают два типа движений - вращательное и возвратно-поступательное. Массу деталей КШМ, совершающих возвратно-поступательное движение, m_пост составляет поршень m_п, а также часть массы шатуна, отнесенную к оси пальца поршня

;

для большинства существующих конструкций автомобильных ДВС m_ш.п=(0,20,3)m_ш

Эта масса создает силы инерции поступательно движущихся частей.

Двигатель	Частота вращения, мин-1	Конструктивная масса, кг	Отношения Lk/L
		Поршневой группы	шатуна	линейные
Duratec - 16V	6000	0,4644	0,6579	0,26

Массу деталей КШМ, совершающих вращательное движение, составляют: масса шатунной шейки коленчатого вала m_шш, масса двух щек кривошипа, приведенных к радиусу R 2m_щR, а также части массы шатуна, приведенной к оси кривошипной головки m_шк. Эти массы совершают вращательное движение и создают силу инерции вращающихся частей

,

где ,

- масса щеки кривошипа, приведенная к радиусу R,

- отстояние центра масс щеки от оси коленчатого вала,

m_шк=(0,70,8)m_ш.

Результатом совместного действия сил инерции поступательно движущихся масс Р_iпост и сил давления газов является суммарная движущая сила Р

.

Она находится алгебраическим суммированием указанных сил.

Для анализа действия силы Р на элементы КШМ ее раскладывают на две составляющие S и N

- нормальная сила,

- сила, действующая вдоль шатуна.

В свою очередь, сила S в сопряжении шатуна и кривошипа раскладывается на силы Т и К

- сила, действующая вдоль кривошипа,

- тангенциальная сила.

Сила Т создает крутящий момент

М_к=ТК.

Нормальная сила создает опрокидывающий момент

.

Другими словами, опрокидывающий момент равен по величине крутящему и противоположно направлен.

Для удобства выполнения расчетов, все силы относят к площади поршня F_п, т.е.

; .

Полученные значения сил строим на диаграмме. Они представляют собой силы, действующие в КШМ одного цилиндра двигателя ДВС.

Построение скоростной характеристики двигателя

Скоростная характеристика двигателя представляет собой зависимости N_е, М_е и g_е и ряда других показателей от частоты вращения при неизменном положении органа управления двигателем. Такие характеристики называют внешними, они определяют поле эксплуатационных режимов двигателя. Режимы внешней скоростной характеристики имитируют работу двигателя на автомобиле при движении последнего в условиях переменного дорожного сопротивления, но при постоянном положении (предельном) органа управления автомобилем.

Скоростная характеристика двигателя с некоторым приближением может быть построена по эмпирическим формулам С. Р. Лейдермана:

Крутящий момент и часовой расход топлива определяют по формулам (Нм и кг/ч соответственно).