Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский Национальный Технический Университет

Кафедра

“Двигатели внутреннего сгорания”

Группа 101456

“ Тепловой и динамический расчет двигателя ЗИЛ-375 ”

Курсовая работа

по дисциплине “Автомобильные двигатели ”

Выполнил: Лис Д.А.

Руководитель: Ивандиков М.П.

Минск 2009

Содержание

Введение

1. Исходные данные для теплового расчета поршневого двигателя внутреннего сгорания

2. Тепловой расчет и определение основных размеров двигателя

2.1 Процесс наполнения

2.2 Процесс сжатия

2.3 Процесс сгорания

2.4 Процесс расширения

2.5 Процесс выпуска

2.6 Индикаторные показатели

2.7 Эффективные показатели

2.8 Размеры двигателя

2.9 Сводная таблица результатов теплового расчетa

2.10 Анализ полученных результатов

3. Динамический расчет

3.1 Построение индикаторной диаграммы

3.2 Развертка индикаторной диаграммы в координатах

3.3 Построение диаграмм сил

3.4 Построение диаграммы суммарного крутящего момента

4. Расчет и построение внешней скоростной характеристики двигателя

Заключение

Литература

Введение

Тепловой расчет двигателя служит для определения параметров рабочего тела в цилиндре (рабочей полости) двигателя, а также оценочных показателей процесса, позволяющих определить размеры двигателя и оценить его мощностные и экономические показатели.

Проведение теплового расчета позволяет освоить связь между отдельными элементами рабочего цикла и получить представление о влиянии различных факторов на показатели двигателя в целом.

Задачей динамического расчета является определение сил, действующих в механизмах преобразования энергии рабочего тела в механическую работу двигателя.

Как правило, тепловой и динамический расчеты выполняются для режима номинальной мощности.

1. Исходные данные для теплового расчета поршневого двигателя внутреннего сгорания

Марка двигателя ЗИЛ - 375

Номинальная мощность 132,4

Частота вращения коленчатого вала 3400

Число цилиндров 8

Степень сжатия 6,9

Тактность 4

Коэффициент избытка воздуха 1

Отношение хода поршня к диаметру цилиндра 0,88

2. Тепловой расчет и определение основных размеров двигателя

2.1 Процесс наполнения

В результате данного процесса цилиндр двигателя (рабочая полость) наполняется свежим зарядом. Давление и температура окружающей среды принимаются: , .

Давление остаточных газов в зависимости от типа двигателя . Принимаем .

Температура остаточных газов выбирается в зависимости от типа двигателя с учетом того, что для бензиновых двигателей она изменяется в пределах . Принимаем .

В зависимости от типа двигателя температура подогрева свежего заряда . Принимаем .

Давление в конце впуска

.

Принимаем .

Величина потери давления на впуске , для бензиновых и газовых двигателей, колеблется в пределах . Принимаем

Коэффициент остаточных газов

.

Величина коэффициента остаточных газов для бензиновых и газовых двигателей изменяется в пределах .

Температура в конце впуска

.

В современных двигателях температура в конце впуска для бензиновых двигателей является: .

Коэффициент наполнения

.

Величина коэффициента наполнения изменяется в пределах:

для бензиновых и газовых двигателей =0,70…0,85.

2.2 Процесс сжатия

Давление в конце сжатия

.

Давление в конце сжатия, для бензиновых и газовых двигателей, изменяется в пределах: =0,9…1,6.

Температура в конце сжатия

.

Температура в конце сжатия, для бензиновых и газовых двигателей, изменяется в пределах: =550…750.

В этих формулах - показатель политропы сжатия, который для автотракторных двигателей находится в пределах .

2.3 Процесс сгорания

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг жидкого топлива

.

Средний элементарный состав бензина принимают:

Количество свежего заряда для дизельного двигателя

.

где - молекулярная масса топлива (для бензинов =110…220 кг/кмоль).

Количество продуктов сгорания при работе двигателей на жидком топливе при

.

Теоретический коэффициент молекулярного изменения

.

Действительный коэффициент молекулярного изменения

.

Величина м для бензиновых двигателей изменяется в пределах .

Низшую теплоту сгорания бензина принимаем:

.

Для двигателей, работающих с (бензиновые двигатели) подсчитывается потеря тепла вследствие неполноты сгорания топлива

Средняя мольная теплоемкость свежего заряда

.

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания для бензиновых двигателей



Значения коэффициента использования теплоты при работе бензинового двигателя на номинальном режиме следующие . Принимаем .

Максимальная температура сгорания подсчитывается по уравнению

(1)

Решая уравнение (1), находим :

,

,

.

Величина теоретического максимального давления цикла и степень повышения давления определяются:

для бензиновых двигателей

Численное значение степени повышения давления k для бензиновых двигателей . Принимаем .

Действительное давление

,

Значения температуры и давления конца сгорания для бензиновых двигателей изменяются в следующих пределах:

2.4 Процесс расширения

Степень предварительного расширения для бензиновых двигателей :

.

Степень последующего расширения для бензиновых двигателей

.

Давление в конце расширения

.

Величина среднего показателя политропы расширения для бензиновых двигателей .

Температура в конце расширения

.

Примерные значения и для бензиновых двигателей следующие:

2.5 Процесс выпуска

Параметрами процесса выпуска ( и ) задаются в начале расчета процесса впуска. Правильность предварительного выбора величин и проверяется по формуле профессора Е. К. Мазинга:

.

Погрешность вычислений составляет

.

Т.к. погрешность вычислений не превышает 10%,то величина выбрана правильно.

2.6 Индикаторные показатели

Среднее индикаторное давление теоретического цикла для бензиновых двигателей подсчитывается по формуле:



Среднее индикаторное давление действительного цикла

,

где - коэффициент полноты диаграммы, который принимается для бензиновых двигателей . Принимаем .

Величина для бензиновых двигателей может изменяться .

Индикаторный КПД для бензиновых двигателей подсчитывается по формуле

.

Величина индикаторного КПД для автотракторных дизельных двигателей .

Удельный индикаторный расход топлива определяется по уравнению

.

Удельный индикаторный расход топлива для бензиновых двигателей

2.7 Эффективные показатели

Механический КПД бензинового двигателя . Принимаем .

Тогда среднее эффективное давление

,

а эффективный КПД

.

Удельный эффективный расход жидкого топлива

.

Для бензиновых двигателей эффективные показатели имеют следующие величины:

2.8 Размеры двигателя

По эффективной мощности, частоте вращения коленчатого вала и среднему эффективному давлению определяем литраж двигателя

,

где , , , - для четырехтактных двигателей.

Рабочий объем одного цилиндра:

.

где i=8 - число цилиндров.

Диаметр цилиндра

Принимаем диаметр цилиндра D =0,105м.

Ход поршня

.

Определяем основные параметры и показатели двигателя:

- литраж двигателя

,

- эффективную мощность

,

- эффективный крутящий момент

,

- часовой расход жидкого топлива

,

- среднюю скорость поршня

.

Определим погрешность вычисления :

,

Погрешность составляет меньше 10% следовательно расчет верен.

Литровая мощность определяется по формуле

.

Величина литровой мощности для автотракторных дизельных двигателей колеблется в пределах .

2.9 Сводная таблица результатов теплового расчета

Параметр	Вычисленное значение	Экспериментальное значение
	0.066	0.06…0.12
	346	320…360
	0.84	0.70…0.85
	1.18	0.9…1.6
	667	550…750
	1.02	1.02…1.12
	4.9	3.5…6.5
	4.16	3.0…5.5
	2709	2300…2800
	0.41	0.34…0.50
	1577	1200…1700
	0,88	0.8…1.18
	0.28	0.25…0.40
	292	253…340
	0.774	0.5…1.1
	23.8	23…30
	344	280…345

2.10 Анализ полученных результатов

В результате теплового расчета были определены параметры рабочего тела в цилиндре двигателя, а также произведены оценочные показатели процесса, позволяющие определить размеры двигателя и оценить его мощностные и экономические показатели.

Вычисленные значения величин входят в интервалы значений экспериментальных данных.

3. Динамический расчет

Порядок выполнения расчета для поршневого двигателя

Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма выполняется с целью определения суммарных сил и моментов, возникающих от давления газов и от сил инерции. Результаты динамического расчета используются при расчете деталей двигателя на прочность и износ.

В течение каждого рабочего цикла силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме, непрерывно изменяются по величине и направлению. Поэтому для характера изменения сил по углу поворота коленчатого вала их величины определяют для ряда различных положений вала через каждые 30 град ПКВ. В отдельных случаях через 10 град ПКВ.

Последовательность выполнения расчета следующая:

Строим индикаторную диаграмму в координатах .

Перестраиваем индикаторную диаграмму, выполненную по результатам теплового расчета, в координаты .

Определяем силу давления газов на днище поршня для положений коленчатого вала, отстоящих друг от друга на 30° ПКВ в пределах (0…720)° ПКВ.

За начало отсчета принимаем такое положение кривошипа, когда поршень находится в начале такта впуска.

Сила давления газов на днище поршня определяется по формуле

,

где .

Результаты расчета заносятся в табл. 1.

Таблица 1

1	2	3	4	5	6	7	8	9
0	0,02	778,3	1,25	-	14590,5	-	15368,8	-
30	-0,01	961,4	0,99	-	11556,9	-	12518,3	-
60	-0,01	961,4	0,37	-	4348,0	-	5309,4	-
90	-0,01	961,4	-0,25	-	2946,1	+	1984,7	+
120	-0,01	961,4	-0,63	-	7290,0	+	6328,6	+
150	-0,01	984,3	-0,74	-	8597,7	+	7613,4	+
180	-0,01	972,9	-0,75	-	8679,8	+	7707,0	+
210	0,00	876,7	-0,74	-	8600,0	+	7723,3	+
240	0,04	586,0	-0,63	-	7305,7	+	6719,7	+
270	0,09	87,9	-0,26	-	2983,1	+	2895,2	+
300	0,22	1098,7	0,37	+	4299,6	-	3200,8	-
330	0,58	4438,5	0,99	+	11522,0	-	7083,5	-
360	1,40	11916,8	1,25	+	14590,4	-	2673,5	-
390	2,91	25761,1	1,00	+	11591,6	-	14169,4	+
420	1,35	11475,1	0,38	+	4396,4	-	7078,7	+
450	0,75	5905,8	-0,25	+	2908,9	+	8814,7	+
480	0,50	3667,1	-0,63	+	7274,1	+	10941,2	+
510	0,35	2270,7	-0,74	+	8595,5	+	10866,2	+
540	0,22	1053,0	-0,75	+	8679,8	+	9732,8	+
570	0,07	251,8	-0,74	-	8602,1	+	8350,3	+
600	0,05	421,2	-0,63	-	7321,4	+	6900,2	+
630	0,04	515,0	-0,26	-	3020,0	+	2505,0	+
660	0,03	650,1	0,37	-	4251,2	-	4901,3	-
690	0,02	743,9	0,99	-	11486,9	-	12230,9	-
720	0,02	778,3	1,25	-	14590,0	-	15368,3	-

Определяем силу инерции от возвратно-поступательно движущихся масс

Масса поступательно движущихся частей КШМ определяется из выражения

,

где - доля массы шатуна, отнесенная к возвратно-поступательно движущимся массам.

. Принимаем .

Приближенные значения и определяем с помощью таблицы: , , ,

. Тогда принимаем m

,

.

Угловая скорость

.

При известной величине хода поршня S радиус кривошипа

.

Находим суммарную силу, действующую в кривошипно-шатунном механизме. Определение этой силы ведем путем алгебраического сложения сил давления газов и сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс

Результаты определения , а также и заносятся в табл.1.

Определяем нормальную силу К, направленную по радиусу кривошипа (см. рис. 1)

Рис. 1.

7. Определяем тангенциальную силу Т, направленную по касательной к окружности радиуса кривошипа (см. рис. 1)

Результаты определения К и Т заносим в табл. 2.

Таблица 2

0	1,00	-15368,8	-	0,00	0,0	0,0
30	0,80	-10042,2	-	0,61	-7643,9	-
60	0,31	-1621,0	-	0,98	-5195,6	-
90	-0,26	-519,6	-	1,00	1985,1	+
120	-0,69	-4395,9	-	0,75	4771,4	+
150	-0,93	-7078,0	-	0,39	2969,9	+
180	-1,00	-7707,0	-	0,00	9,2	+
210	-0,93	-7186,9	-	-0,39	-2994,7	-
240	-0,70	-4681,2	-	-0,75	-5052,9	-
270	-0,27	-767,2	-	-1,00	-2893,4	-
300	0,30	-966,0	-	-0,98	3136,0	+
330	0,80	-5666,0	-	-0,61	4347,8	+
360	1,00	-2673,5	-	0,00	10,7	+
390	0,80	11399,3	+	0,61	8607,0	+
420	0,31	2185,8	+	0,98	6918,5	+
450	-0,26	-2279,7	-	1,00	8823,8	+
480	-0,69	-7577,6	-	0,75	8270,8	+
510	-0,93	-10092,4	-	0,39	4264,3	+
540	-1,00	-9732,7	-	0,00	34,7	+
570	-0,93	-7777,8	-	-0,39	-3218,3	-
600	-0,70	-4820,8	-	-0,75	-5174,8	-
630	-0,01	-14,0	-	-1,00	-2504,9	-
660	0,30	-1462,1	-	-0,98	4807,8	+
690	0,80	-9755,0	-	-0,62	7545,9	+
720	1,00	-15367,8	-	0,00	122,8	+

3.1 Построение индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма строится в координатах . Построение индикаторной диаграммы двигателя внутреннего сгорания производится на основании теплового расчета.

В начале построения на оси абсцисс откладывают отрезок , соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня в масштабе , который в зависимости от величины хода поршня проектируемого двигателя может быть принят 1:1, 1.5:1 или 2:1.

Принимаем 1:1.

Отрезок , соответствующий объему камеры сгорания, определяется из соотношения

.

При построении диаграммы выбираем масштаб давления .

Затем по данным теплового расчета на диаграмме откладывают в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках .

По наиболее распространенному графическому методу Брауэра политропы сжатия и расширения строим следующим образом.

Из начала координат проводим луч под углом к оси координат. Далее из начала координат проводим лучи и под углами и к оси ординат. Эти углы определяют из соотношений

, ,

, .

Политропу сжатия строим с помощью лучей и . Из точки проводим горизонталь до пересечения с осью ординат; из точки пересечения - линию под углом к вертикали до пересечения с лучом , а из этой точки - вторую горизонтальную линию, параллельную оси абсцисс. Затем из точки проводим вертикальную линию до пересечения с лучом . Из этой точки пересечения под углом к вертикали проводим линию до пересечения с осью абсцисс, а из этой точки - вторую вертикальную линию, параллельную оси ординат, до пересечения со второй горизонтальной линией. Точка пересечения этих линий будет промежуточной точкой политропы сжатия. Точку находим аналогично, принимая точку за начало построения.

Политропу расширения строим с помощью лучей и , начиная от точки , аналогично построению политропы сжатия. Критерием правильности построения политропы расширения является приход ее в ранее нанесенную точку .

После построения политропы сжатия и расширения производим скругление индикаторной диаграммы с учетом предварения открытия выпускного клапана, опережения зажигания и скорости нарастания давления, а также наносим линии впуска и выпуска. Для этой цели под осью абсцисс проводим на длине хода поршня как на диаметре полуокружность радиусом . Из геометрического центра в сторону н.м.т. откладываем отрезок

,

где - длина шатуна.

Величина О'О'₁ представляет собой поправку Брикса. Из точки О₁' под углом г₀=67° (угол предварения открытия выпускного клапана, выбирается из таблицы или по прототипу) проводим луч О₁В₁. Полученную точку В₁, соответствующую началу открытия выпускного клапана, сносим на политропу расширения (точка b₁).

Луч О₁'С₁ проводим под углом И₀, соответствующим углу опережения зажигания (И₀= 25° ПКВ до в. м. т.), а точку С₁ сносим на политропу сжатия, получая точку с₁'. Затем проводят плавные кривые с₁'c'' изменяя линии сжатия в связи с опережением зажигания и b₁'b'' изменения линии расширения в связи с предварением открытия выпускного клапана. При этом можно считать, что точка b'' находиться на середине расстояния ba, а ордината точки с'' находиться из соотношения p_c''=1,2p_с и откладывается на линии AZ'. Наклон линии сгорания можно определить исходя из величины скорости сгорания

P_z=0,85p_z'

P_z=0,85*4.9=4.36 МПа.

Для этого находят разность давлений между p_z и p_z', а затем делят ее на скорость нарастания давления, получая при этом угол д₀ проводят соответствующий углу поворота коленчатого вала за период сгорания от p_c до p_z':

При скруглении индикаторной диаграммы из центра проводят луч под углом , соответствующим предварению открытия выпускного клапана. Полученную точку , соответствующую началу открытия выпускного клапана, сносим на политропу расширения (точка ).

Далее из того же центра проводят луч под углом , соответствующим углу опережения начала впрыска топлива ( ПКВ до в.м.т.), а точку сносим на политропу сжатия, получая точку . На линии в.м.т. находим точку из соотношения . Соединяем точки и плавной кривой. Из точки проводим плавную кривую до середины отрезка . Из середины отрезка проводим кривую с плавным переходом в кривую политропы расширения.

Затем проводим плавную кривую изменения линии расширения в связи с предварительным открытием выпускного клапана.

В результате указанных построений получаем действительную индикаторную диаграмму.

3.2 Развертка индикаторной диаграммы в координатах

Развертку индикаторной диаграммы в координаты выполняем справа от индикаторной диаграммы. Ось абсцисс развернутой диаграммы располагаем по горизонтали на уровне линии индикаторной диаграммы. Длина графика (720° ПКВ) делится на 24 равных участка, которые соответствуют определенному углу поворота коленчатого вала. Каждую точку на линии абсцисс нумеруем (0, 30, 60° ПКВ). По наиболее распространенному способу Ф. А. Брикса дальнейшее перестроение индикаторной диаграммы ведем в следующей последовательности.

Полученную полуокружность делим вспомогательными лучами из центра на 6 равных частей, а затем из центра Брикса (точка ) проводим линии, параллельные вспомогательным лучам, до пересечения с полуокружностью.

Вновь полученные точки на полуокружности соответствует определенным углам ПКВ. Из этих точек проводим вертикали до пересечения с соответствующими линиями индикаторной диаграммы. Развертку индикаторной диаграммы начинаем, принимая за начало координат положение поршня в в.м.т. в начале такта впуска. Далее для каждого значения угла на индикаторной диаграмме определяем величину давления в надпоршневой полости и заносим в табл. 1. Модуль газовой силы также заносим в табл. 1. По данным этой таблицы строим зависимость .

Полученные точки на графике соединяем плавной кривой.

3.3. Построение диаграмм сил

График силы инерции строим в том же масштабе и на той же координатной сетке, где выстроен график газовой силы . На основании полученных графиков и на той же координатной сетке и в том же масштабе строим график суммарной силы .

Определение модуля силы для различных значений угла выполняем путем суммирования в каждой точке ординат графиков и с учетом их знаков или модулей сил и из табл. 1.

Координатную сетку для графика сил и размещаем под координатной сеткой сил , , . График сил и строим в том же масштабе, что и предыдущий график.

Принимаем масштабные коэффициенты

.

3.4 Построение диаграммы суммарного крутящего момента

Для построения кривой суммарного крутящего момента многоцилиндрового двигателя необходимо графически просуммировать кривые крутящих моментов от каждого цилиндра, сдвигая влево одну кривую относительно другой на угол поворота кривошипа между вспышками.

Для двигателя с равными интервалами между вспышками суммарный крутящий момент будет периодически повторяться.

Для четырехтактного двигателя через

.

Поскольку

,

а , то кривая , будет отличаться от кривой лишь масштабом.

Масштаб крутящего момента

;

где - масштаб силы, Н/мм.

Средний крутящий момент определяется по площади, лежащей под кривой графика суммарного :

;

где и - соответственно положительная и отрицательная площади под кривой суммарного _., мм²;

при отрицательная площадь в большинстве случаев отсутствует;

- длина интервала между вспышками по диаграмме крутящего момента, мм.

Найденный момент представляет собой средний индикаторный момент двигателя.

Эффективный крутящий момент двигателя



Значение см. в разделе 2.7. Значение эффективного крутящего момента, полученное по данной формуле, должно совпадать с величиной , вычисленной ранее.

Относительная погрешность вычислений не должна превышать .

4. Расчет и построение внешней скоростной характеристики двигателя

Для расчета и построения внешней скоростной характеристики двигателя воспользуемся следующими эмпирическими зависимостями:

где _, - эффективная мощность (кВт) и удельный эффективный расход топлива (г/(кВт•ч)) при заданной частоте вращения коленчатого вала (об/мин) в искомой точке скоростной характеристики двигателя;

, - максимальная эффективная мощность двигателя (кВт) и максимальный удельный эффективный расход топлива (г/(кВт•ч)) при частоте вращения коленчатого вала (об/мин);

- постоянные коэффициенты (табл. 4).

Значения коэффициентов для расчета характеристики двигателя.

Таблица 4

Тип двигателя	C1	C2	С3	С4	С5
Карбюраторный	1	1	1,2	1	0,8

Значения и берутся из ранее произведенных расчетов:

_,

,

где , - заданные номинальная эффективная мощность двигателя (кВт) и соответствующая ей частота ращения коленчатого вала (об/мин).

Текущие значения эффективного крутящего момента (Н•м) и часового расхода топлива (кг/ч), необходимые для построения соответствующих графиков, рассчитываются по формулам:

,

.

Данные для построения внешней скоростной характеристики двигателя представлены в табл. 5.

Для построения внешней скоростной характеристики двигателя принимаем масштабы построения , , , .

Таблица 5.

800	36,76	438,99	347,09	12,76
1000	47,03	449,29	335,43	15,77
1500	72,81	463,77	314,60	22,91
2000	96,75	462,17	305,67	29,57
2500	116,30	444,46	308,65	35,90
3000	128,95	410,67	323,53	41,72
3400	132,40	372,05	344,00	45,55
3500	132,17	360,78	350,31	46,30
4000	123,43	294,81	388,99	48,01
4500	100,20	212,74	439,58	44,05

Заключение

В результате выполнения курсовой работы был произведен тепловой и динамический расчет двигателя ЗИЛ - 375.

При выполнении теплового расчета были определены параметры рабочего тела в цилиндре двигателя, а также оценочные показатели процесса, позволяющие определить размеры двигателя и оценить его мощностные и экономические показатели.

При выполнении динамического расчета были определены силы, действующие на кривошипно-шатунный механизм, произведен расчет и построены диаграммы суммарного крутящего момента и внешней скоростной характеристики двигателя.

двигатель тепловой динамический расчет

Литература

1. Вершина Г.А., Якубенко Г.Я. Методическое пособие по курсам «Теория рабочих процессов ДВС» и «Динамика ДВС» для студентов специальности Т.05.10.00. - Мн.: Техноперспектива, 2001. -87 с.

2. Железко Б.Е. Основы теории и динамики автомобильных и тракторных двигателей.- Мн., 1980. -304 с.

3. Колчин А. И., Демидов В. П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. - М.: Высшая школа, 1980. -400 с.

4. Автомобильные двигатели. Под ред. д-ра техн. наук Ховаха М. С. - М.: Машиностроение, 1977. -592с.

Размещено на Allbest.ru