Расчет двигателя внутреннего сгорания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1.1 Выбор исходных данных для теплового расчета

1.1.1 Давление окружающей среды (р_о)

Принимается равным 0,1013 МПа для нормальных условий.

1.1.2 Давление перед впускными клапанами (р_к)

Принимается равным 0,16 МПа по двигателю прототипу.

1.1.3 Температура окружающей среды (Т_о)

Принимается равным 293 К

1.1.4 Степень сжатия (е)

Принимается равным 14 по двигателю прототипу

1.1.5 Коэффициент наполнения ( з_v)

Принимается равным 0,85

1.1.6 Давление остаточных газов (р_г)

Принимается равным 0,153 МПа

1.1.7 Температура остаточных газов (Т_г)

Принимается равным 1000К

1.1.8 Подогрев свежего заряда (?Т)

Принимается равным 10 К

1.1.9 Массовая доля углерода в топливе С=0,86

1.1.10 Массовая доля водорода в топливе Н=0,13

1.1.11 Массовая доля кислорода в топливе О=0,01 (ЭХС)

1.1.12 Коэффициент избытка воздуха (б)

Принимается равным 1,6

1.1.13 Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна (л)

л=205/2/380=0,27

1.1.14 Показатель политропы сжатия (n₁)

Принимается равным 1,35

1.1.15 Низшая теплота сгорания топлива (Н_u)

42,5 МДж/кг

1.1.16 Показатель характера сгорания (m) для полуразделённых камер сгорания с объемно-плёночным смесеобразованием (Д-160) m=0,05..0,3

Принимается равным 0,2

1.1.17 Продолжительность сгорания (ц_z)

Принимается равным 110 град ПКВ

1.1.18 Показатель политропы расширения (n₂)

Принимается равным 1,4

1.1.19 Коэффициент эффективности сгорания (о) для полуразделённых камер сгорания с объемно-плёночным смесеобразованием (Д-160) о=0,8..0,88

Принимаем 0,84.

1.1.20 Понижение температуры в охладителе надувочного воздуха (?Т_охл)

Принимается равным 0К (ОНВ отсутствует)

1.1.21 Показатель политропы сжатия в компрессоре (n_н)

Принимается равным 1,6

1.1.22 Угол опережения воспламенения (и)

Принимается равным 5 град ПКВ

1.1.23 Шаг расчета процесса сгорания (?ц)

Принимается равным 5 град ПКВ

1.1.24 Шаг расчета процесса сжатия и расширения

Принимается равным 5 град ПКВ

1.1.25 Исходные данные для расчета на ЭВМ

Выбор исходных данных для теплового расчета (на ЭВМ)
Параметр	Единицы измерения	Численное значение
Давление окружающей среды	МПа	0,1013
Давление перед впускными клапанами	МПа	0,16
Температура окружающей среды	К	293
Степень сжатия		14
Коэффициент наполнения		0,85
Давление остаточных газов	МПа	0,153
Температура остаточных газов	К	1000
Подогрев свежего заряда	К	10
Массовая доля углерода в топливе		0,86
Массовая доля водорода в топливе		0,13
Массовая доля кислорода в топливе		0,01
Коэффициент избытка воздуха		1,6
Отношение R/L		0,27
Показатель политропы сжатия		1,35
Низшая теплота сгорания топлива	МДж/кг	42,5
Показатель характера сгорания		0,3
Продолжительность сгорания	Град ПКВ	110
Показатель политропы расширения		1,4
Коэффициент эффективности сгорания		0,84
Пониж.тепл. в охл.надд.воздуха	К	0
Показатель политропы сжатия в компрессоре		1,6
Угол опережения воспламенения	Град ПКВ	5
Шаг расчета процесса сгорания	Град ПКВ	5
Шаг расчета проц.сжатия и расширения	Град ПКВ	5

1.1.26 Проверка мощности и давления

Давление механических потерь:

(2.2)

где

- эмпирические коэффициенты ([1] стр.43), а = 0,09 и в=0,012;

- средняя скорость поршня;

среднее давление насосных потерь, зависящее от давления перед клапанами и отношения давлений [18]. Здесь давление газов перед турбиной.

(2.3)

;

тогда

(2.4)

где - среднее индикаторное давление полученное в тепловом расчёте

(см. приложение)

;

Расхождение по N_е составляет:

,

и не превышает допустимые 3%, что позволяет вести последующие расчеты.

1.2 Выбор исходных данных для динамического расчета

1.2.1 Радиус кривошипа R

Радиус равен половине хода поршня двигателя:

где R- радиус кривошипа

S-ход поршня

,

1.2.2 Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна

Выбирается в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и его назначения.

1.2.3 Обороты коленчатого вала

Принимаются равными частоте вращения коленчатого вала рассчитываемого двигателя

1.2.4 Масса движущихся частей

Для двигателя Д-160

6,9 - масса поршня (кг)

9,4 - масса шатуна (кг)

Масса движущихся частей равна:

1.2.5 Давление в конце впуска

Принимается по результатам теплового расчета

МПа

1.2.6 Давление выпуска отработавших газов

Принимается по результатам теплового расчета

МПа

1.2.7 Площадь поршня

где d- диаметр поршня

1.2.8 Атмосферное давление

Принимается равным 0.1013 МПа для нормальных условий.

1.2.9 Массив давлений

Массив давлений для углов 190-530 градусов принимается по результатам теплового расчета

0.142 0.145 0.150 0.158 0.170 0.185 0.207

0.238 0.281 0.343 0.436 0.578 0.807 1.187

1.834 2.886 4.235 6.034 7.298 6.239 4.604

3.290 2.386 1.785 1.384 1.112 0.992 0.789

0.689 0.613 0.559 0.520 0.493 0.475 0.464

динамический двигатель поршень

2. Кинематика КШМ

При работе поршневого двигателя в его кривошипно-шатунном механизме возникают усилия, определяющие условие работы, как отдельных его деталей, так и двигателя в целом. Величина и характер изменения этих усилий могут быть определены при помощи уравнений кинематики и динамики кривошипно-шатунного механизма двигателя.

При рассмотрении кинематики КШМ считают, что угловая скорость коленчатого вала постоянна и следовательно угол его поворота пропорционален времени.

Рассмотрим характер изменения перемещения скорости и ускорения поршня.

2.1 Перемещение поршня

Перемещение поршня в зависимости от положения коленчатого вала, определяется по формуле ( ц =410 град ПКВ)

;

2.2 Скорость поршня

Скорость поршня в зависимости от положения коленчатого вала, определяется по формуле ( ц =410 град ПКВ)

,



2.3 Ускорение поршня

Ускорение поршня в зависимости от положения коленчатого вала, определяется по формуле ( ц =410 град ПКВ)

,

.

3. Динамика двигателя

Динамический расчет КШМ заключается в определении суммарных сил и моментов, возникающих от давления газов и сил инерции. В зависимости от их суммарных величин ведется расчет на прочность и износ деталей двигателя, а также определяют неравномерность крутящего момента и степени неравномерности хода двигателя.

3.1 Силы, действующие в ДВС

В поршневом двигателе во время его работы действуют силы:

а) Давление газов в цилиндре;

б) Инерции возвратно-поступательно движущихся масс;

в) Вес деталей двигателя;

г) Аэро- и гидродинамического сопротивления;

д) Внутреннего (вредного) сопротивления;

е) Внешнего (полезного) сопротивления.

3.2 Силы давления газов

Силы давления газов, действующие на поверхность поршня, для упрощения динамического расчета заменяют направленной по оси цилиндра силой, приложенной к оси поршневого пальца. Сила давления газов определяется по результатам теплового расчета.

где - давление газов в цилиндре двигателя, МПа;

-давление в картере, принимаемое равное давлению окружающей среды, МПа

- площадь поршня, м²

За начало отсчета углов б принимаем положение поршня в ВМТ.Таким образом, для ц =410 град ПКВ получаем:

.

3.3 Силы инерции

Приведенные силы инерции возвратно-поступательных движущихся масс.

где - ускорение движения поршня, (м/с²)

- масса поступательно движущихся частей, (кг)

.

Сила инерции противоположна по направлению ускорению движения и знак ее действия является положительным относительно определенной детали в том случае, если сила работает на сжатие этой детали.

3.4 Суммарная сила и ее составляющие

Суммарную силу, действующие в КШМ, определяем сложением сил давления газов и сил возвратно-поступательно движущихся масс:

Сила N действующая перпендикулярно оси цилиндра, называется нормальной силой и воспринимается стенками цилиндра:

Нормальная сила N считается положительной, если создаваемый ею момент относительно оси коленчатого вала направлен противоположно направлению вращения вала двигателя.

Сила , действующая вдоль шатуна, воздействует на него и далее передается кривошипу. Она считается положительной, если сжимает шатун, и отрицательной, если его растягивает:

, (кН)

кН

От действия силы P_ш на шатунную шейку возникают две составляющие силы:

Сила направленная по радиусу кривошипа

, (кН)

Сила Z считается положительной,если она сжимает щеки колена.

кН

Тангенциальная сила, направленная по касательной к окружности радиуса кривошипа

, (кН)

Сила T считается положительной, если направление создаваемого ею момента совпадает с направлением вращения коленчатого вала.

кН

3.5 Динамический расчет двигателя с использованием ЭВМ

Для расчета кинематики поршня и сил,действующих в кривошипно-шатунном механизме, воспользовался программой «КШМ». Были подготовлены необходимые данные, а именно: радиус кривошипа r (м), частота вращения коленчатого вала n (мин^-1), масса движущихся частей m (кг), давление в конце такта впуска P_а (МПа), давление процесса выпуска P_г (МПа), площадь поршня F_п (м²), атмосферное давление P₀ (МПа).Также был задан массив давлений газов, взятый из теплового расчета, в интервале 190…530 град. п.к.в. с шагом 10 градусов.

4. Уравновешивание двигателя

Двигатель считается полностью уравновешенным, если при установившемся режиме работы силы и моменты, действующие на его опоры, были постоянны по величине и направлению. Однако поршневые двигатели не могут быть полностью уравновешенными, так как крутящий момент М_кр всегда является периодической функцией угла поворота коленчатого вала и, следовательно, величина опрокидывающего момента М_опр всегда переменна.

Рассмотрим уравновешивание заданного двигателя.

Восьмицилиндровый V-образный двигатель. Порядок работы двигателя: 1-5-4-2-6-3-7-8. Промежутки между вспышками равны 90⁰.Угол развала цилиндров 90⁰. Коленчатый вал имеет кривошипы, расположенные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (рис 1).

В двигателе рассматриваемого типа силы инерции первого порядка взаимно уравновешиваются: ?Р_j1=0.

Суммарный момент этих сил действует во вращающейся плоскости, составляющей с плоскостью первого кривошипа: ?М_jЙ=v10m_jR²a

Равнодействующие сил инерции второго порядка для каждой секции двигателя всегда направлены по горизонтали перпендикулярно оси коленчатого вала. Сумма этих равнодействующих сил равна 0: ?Р_jЙЙ=0

Суммарный момент сил инерции второго порядка также равен нулю: ?М_jЙЙ=0. Центробежные силы инерции для всех секций равны и направлены попарно в разные стороны. Равнодействующая этих сил ?K_R=0

Суммарный момент ?М_R центробежных сил действует в той же плоскости, что и равнодействующий момент сил инерции первого порядка ?М_jЙ

?М_R =K_Ra=(m_K+2m_шк)R²a

Уравновешивание моментов ?М_jЙ и ?М_R осуществляется противовесами, устанавливаемыми на продолжении щек вала или путем установки двух противовесов на концах коленчатого вала в плоскости действия моментов.

Следовательно, что

?М_jЙ+?М_R = R²a (m_j+ m_K+2m_шк)

5. Расчет маховика

Основное назначение маховика - обеспечение равномерности хода двигателя.

Расчет маховика сводится к определению момента инерции маховика, махового момента и основных размеров маховика.

(кг м²),

где д- коэффициент неравномерности вращения

д = 0,006…0,01-для автомобильных двигателей.

Работа избыточного крутящего момента, которая рассчитывается по формуле:

L_изб=F_abc•M_M•M_ц (Дж),

где F_abc-площадь над прямой среднего крутящего момента, мм²;

F_abc=192 мм²;

M_M- масштаб крутящего момента; 9,5 Н•м/мм

M_ц-масштаб угла поворота коленчатого вала; 22,5мм

L_изб=192•9,5•0,07=127,68 (Дж)

(кг•м²)

Маховый момент, определяется по формуле:

m_M•D²_ср=4J_M (кг•м²)

где m_M-масса маховика, кг;

D²_ср- средний диаметр маховика, м

J_M=(0,75…0,90)J₀

J_M=0,84• J₀=0,84•0,081=0,068 (кг•м²)

D²_ср=2,1•S=2,5•0,068=0,17(м)

(кг)

(кг)

Размещено на Allbest.ru