Теория автомобилей и двигателей

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Теория автомобилей и двигателей

вариант 9



Содержание

1. Основы технической термодинамики

1.1 Объясните работу изобарного процесса

1.2 Приведите схему процесса

2. Основы теории двигателей внутреннего сгорания

2.1 Цель, задачи, условия снятия нагрузочной характеристики ДВС

2.2 Зависимость основных показателей характеристики от нагрузки

2.3 Приведите график характеристики

3. Кинематика и динамика КШМ

3.1 Силы, действующие в КШМ

3.2 Приведите схему векторов сил, действующих в КШМ

4. Задача

Список литературы



1. Основы технической термодинамики

1.1 Объясните работу изобарного процесса

Изобарным процессом называется процесс, протекающий при неизменном давлении (P=const) и условии m = const и М = const.

Если в некотором процессе не изменяются масса и давление газа, то уравнение Менделеева-Клапейрона для начального и конечного состояний будет:

P₁V₁ = RT₁

И

P₂V₂ = RT₂

При

m = const P = const V / T = const или V1 / V2 = T1 / T2

(уравнение называется законом Гей-Люссака).

Таким же способом, как это было сделано для изохорного процесса, можно получить для изобарного процесса уравнение: Р = соnst.

Кривая изобарного процесса называется изобарой.

Изобара, изображенная в прямоугольной системе координат (P - V), по оси ординат которой отсчитывается давление газа, а по оси абсцисс -- его объем, является прямой, параллельной оси абсцисс (рис. 9).

Изобара, изображенная в прямоугольной системе координат (V - T), является прямой, проходящей через начало координат (рис. 10).

Изобара, изображенная в прямоугольной системе координат (P - T), является прямой, параллельной оси абсцисс (рис. 11).

Экспериментальное исследование зависимости объема газа от температуры провел в 1802г. французский физик Жозеф Гей-Люссак.

Изобарный процесс происходит, например, при нагревании или охлаждении воздуха в стеклянной колбе, соединенной со стеклянной трубкой, отверстие в которой закрыто небольшим столбом жидкости.

1.2 Приведите схему процесса

Рис. 1

Рис. 2



Рис. 3

Рис. 4 Изобарные процессы в разных системах координат

Рис. 5 График изобарического расширения газа от объёма Va до Vb (AB здесь является изобарой)



2. Основы теории двигателей внутреннего сгорания

2.1 Цель, задачи, условия снятия нагрузочной характеристики ДВС

Нагрузочная характеристика (НХ) представляет собой зависимость основных показателей двигателя от одного из параметров, характеризующих его нагрузку (N_e, М_к,р_е). Их определяют при постоянной частоте вращения.

Работа на режимах НХ наиболее характерна для двигателей, которые используются для привода электрических генераторов, насосов, компрессоров, тракторов. В частности, НХ имитирует работу двигателя на автомобиле при движении последнего с постоянной скоростью на одной из передач в условиях переменного дорожного сопротивления.

Основными показателями двигателя по НХ являются G_т и g_е. В зависимости от целей испытаний в качестве показателей также используются концентрации токсичных веществ в ОГ, показатели дымности ОГ (для дизелей), показатели наполнения двигателя , коэффициент избытка воздуха, УОЗ для двигателей с искровым зажиганием или УОВ для дизелей, температура ОГ (t_r) и т. д.

При снятии НХ двигатель оборудуют штатными системами топливоподачи и зажигания.

Крайняя правая точка НХ (N_{e max}) соответствует максимальной нагрузке, которую двигатель может преодолеть при данной частоте вращения (двигатели с искровым зажиганием), или ее значению при положении регулирующего органа на упоре (дизели).

НХ могут быть построены и по результатам регулировочных испытаний. Такие НХ, как уже oтмечалось, называются характеристиками оптимального регулирования (ХОР).

Сравнение реальных НХ с нагрузочными ХОР позволяет оценить правильность выбора регулировок систем топливоподачи и зажигания двигателя. На НХ выделяют следующие характерные точки:

* минимальный удельный расход топлива g_{e min} и значение нагрузки, а также , которые ему соответствуют;

* часовой расход топлива (G_{т max}) и а на режиме N_{e max};

* часовой расход топлива и  на режиме холостого хода (G_т.хх).

2.2 Зависимость основных показателей характеристики от нагрузки

Нагрузочная характеристика двигателя с искровым зажиганием

В двигателях с искровым зажиганием изменение мощности достигается в основном за счет изменения количества горючей смеси (изменением положения ДЗ), поступающей в цилиндры.

Состав смеси на режимах НХ теоретически должен оставаться экономическим ) при каждом значении N_е. Исключение составляет режим полной нагрузки, когда возможности количественного регулирования будут исчерпаны и обеспечение

N_е =N_emax

возможно только при обогащении смеси до мощностного состава.

Совместное изменение наполнения цилиндров и обеспечиваемых штатными системами реальных значений оказывает сложное воздействие на рабочий процесс и показатели двигателя (рис.6). Характер изменения основных показателей двигателя определяется совместным влиянием изменения  (рис. 7). Величина  по НХ определяется составом смеси,  и значением УОЗ, а величина  практически зависит только от нагрузки двигателя.

При полном открытии ДЗ из-за химической неполноты сгорания (<1) уменьшается и увеличивается g_e, несмотря на максимальное значение (рис. 7).

Прикрытие ДЗ переводит работу системы топливоподачи на обеспечение близкого к экономичному состава смеси (=1,1...1,2), что повышает . Минимальный удельный эффективный расход топлива определяется максимальной величиной произведения  соответствует, как правило, значению N_е=(0,8...0,9)N_{е max} (см. рис.6 и 7).

Однако прикрытие ДЗ приводит к ухудшению условий воспламенения и сгорания горючей смеси. В результате этого «необходимо несколько уменьшить, что особенно важно на режимах малых нагрузок и холостого хода, где для обеспечения хорошей экономичности необходимо обогатить смесь до = 0,90...0,95 (см. рис. 6). По этой же причине необходимо увеличивать УОЗ, чтобы компенсировать увеличение длительности первой фазы сгорания.

Ухудшение условий сгорания и обогащение смеси по мере прикрытия ДЗ приводят к некоторому уменьшению  (рис. 7), что увеличивает g_e. Но более сильное влияние на зависимость

g_е=f(N_e)

оказывает изменение .

Мощность механических потерь незначительно изменяется с уменьшением N_е. Но вследствие уменьшения индикаторной мощности  быстро снижается, достигая нулевого значения на режиме холостого хода (рис. 7). Это приводит к интенсивному увеличению g_е с уменьшением нагрузки, так как все большая часть теплоты расходуется не на полезную работу, а на преодоление механических потерь. Это указывает на нецелесообразность использования двигателя на режимах очень малых нагрузок.

Содержание токсичных компонентов ОГ по НХ определяется совместным влиянием , и УОЗ. Нагрузочная характеристика дизеля

При снятии нагрузочной характеристики снижение нагрузки достигается уменьшением цикловой подачи топлива путем перемещения рейки топливного насоса. В дизеле без наддува (рис. 8, а) увеличение при снижении нагрузки вызвано снижением часового расхода топлива G_т, в то время как часовой расход воздуха G_в несколько увеличивается. Температура отработавших газов Т_r снижается из-за уменьшения количества теплоты, выделяющейся при сгорании. Увеличение  приводит к снижению дымности отработавших газов D_х а также уменьшению g_i в результате увеличения.

Однако на очень малых нагрузках величина g_i может увеличиваться из-за ухудшения качества процессов впрыскивания и распыливания топлива. Удельный эффективный расход топлива обычно достигает минимума при 70...80%-ной нагрузке. При полной нагрузке g_е возрастает из-за уменьшения  и , а на малых нагрузках -- увеличивается в связи с уменьшением

У дизеля с турбонаддувом (рис. 8, б) при снижении нагрузки в связи с падением температуры ОГ перед турбиной Т_т уменьшается располагаемая работа газа, что приводит к снижению частоты вращения турбины и компрессора. В результате снижаются параметры наддувочного воздуха: давление p_к, температура Т_к и расход воздуха G_в. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению расхода газа через турбину и противодавления газа перед турбиной р_т и, как следствие, дополнительному уменьшению частоты вращения турбины и компрессора. Процесс продолжается до тех пор, пока не установится новый режим совместной работы дизеля с ТК, что обычно продолжается несколько секунд. При уменьшении нагрузки у дизеля с турбонаддувом  увеличивается более плавно, поскольку уменьшается расход воздуха. Такой характер изменения  вызывает более плавное снижение Т_т. В результате снижения р_к и Т_к коэффициент наполнения уменьшается. При снижении нагрузки падает КПД ТК, что объясняется отклонением режима его работы от расчетного. Это вызывает более значительное падение давления наддува р_к, чем противодавления перед турбиной р_т, что приводит к дополнительному увеличению g_е на малых нагрузках из-за увеличения затраты работы на газообмен. Поэтому целесообразно использовать регулирование турбонадува на малых нагрузках. Поскольку при увеличении нагрузки повышаются дымность ОГ и тепловая напряженность деталей, предел форсирования дизеля по нагрузке определяется той из этих двух величин, которая первой приблизится к критическому уровню. Дизели с турбонаддувом (по сравнению с безнаддувнымн) при средних и высоких частотах вращения имеют большие значения , поэтому для них предел форсирования обычно определяется тепловой напряженностью деталей в цилиндре и колеса турбины ТК.

2.3 Приведите график характеристики

Рис. 6 Нагрузочная характеристика карбюраторного двигателя: ; п = 2000 мин^-1; iV_h = 1,5 л



Рис. 7 Изменение показателей карбюраторного двигателя по нагрузочной характеристике: п = 2000 мин^-1; =7,0; iV_h = 6,0 л

Рис. 8 Нагрузочные характеристики дизеля: а - без наддува; б - с турбонаддувом и охлаждением воздуха



3. Кинематика и динамика КШМ

термодинамика изобарный двигатель кинематика

3.1 Силы, действующие в КШМ

Силы, действующие в двигателе внутреннего сгорания, можно разделить на движущие силы, силы инерции и силы сопротивления. Движущие силы -- это силы давления газов в цилиндре. Силы инерции образуют возвратно-поступательно движущиеся и вращающиеся части двигателя. Силы сопротивления делят на силы сопротивления потребителя энергии двигателя и силы трения в KШM (поршня и поршневых колец о стенку цилиндра, в подшипниках и т. п.), на преодоление которых затрачивается дополнительная работа.

Главными силами считают силы давления газов, силы инерции в двигателе и силы сопротивления потребителя энергии, совершающие полезную работу. Все силы, действующие в двигателе, изменяются во времени.

Рис. 9 Силовые схемы двигателей с жидкостным охлаждением: а -- с несущим блоком цилиндров, б -- с несущей рубашкой; в -- с несущими силовыми шпильками



Схема сил, действующих на кривошипно-шатунный механизм, показана на рисунке 10. Направление сил к центру кривошипа принято за положительное.

Рис. 10 Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме

Сила давления газов на поршень со стороны камеры сгорания (ее определяют по индикаторной диаграмме)

P_г = р_гF_п

где р_г -- давление газов в цилиндре, МПа; F_п -- площадь поршня, м².

Сила давления газов со стороны картера (это давление обычно равно атмосферному р₀)



Р₀ = р₀F_п

Сила инерции возвратно-поступательно движущихся частей равна произведению массы этих частей на их ускорение в данный момент времени:

P_j = -- mj = -- mrщ² (cosц + cos2ц)

где m = m_пк + 0,275m_ш;

m_пк -- масса поршня и других деталей, движущихся поступательно; m_ш -- масса верхней головки шатуна, обычно принимаемая равной 0,2...0,3 массы всего шатуна; r --радиус кривошипа; щ и ц -- соответственно частота вращения и угол поворота коленчатого вала.

Суммарная сила, действующая на поршень,

P_{l =} P_г - P_{0 +}P_j

Сила P_l, приложенная к оси поршневого пальца и направленная по оси цилиндра, может быть разложена на силу N, действующую перпендикулярно оси цилиндра, и силу Р_t действующую по оси шатуна.

Сила N прижимает поршень к стенке цилиндра, что вызывает износ их поверхностей. Она изменяется по значению и направлению, поочередно прижимая поршень то к одной, то к другой стороне цилиндра.

Силу Р_t перенесенную на ось шатунной шейки, можно разложить на касательную силу Т, действующую перпендикулярно кривошипу коленчатого вала, и радиальную силу Z, направленную по оси кривошипа:

Т=Р_l [sin(ц + в)/cos в]; Z=Р_l [sin(ц + в)/cos в],



где в -- угол отклонения шатуна от оси цилиндра.

Вращающий момент на валу двигателя, необходимый для совершения полезной работы,

M_вр = Тr.

Работа касательных сил затрачивается на преодоление сил сопротивления и изменение частоты вращения коленчатого вала. В период рабочего хода совершается полезная работа и увеличивается частота вращения коленчатого вала. Избыточная энергия аккумулируется всеми вращающимися частями, главным образом маховиком и потребителем энергии, и возвращается в систему, когда ее не хватает при совершении других тактов двигателя. Чем больше момент инерции маховика и число цилиндров, тем равномернее вращается вал двигателя.

Сила N на плече L создает реактивный (опрокидывающий) момент, который стремится опрокинуть двигатель. Он равен вращающему моменту по значению, но противоположен по направлению. Опрокидывающий момент воспринимается опорами и вызывает колебания всего двигателя.

Вращающиеся части (шатунная шейка коленчатого вала и часть шатуна, отнесенная к оси шатунной шейки коленчатого вала) создают центробежную силу

Р_с = -- mrщ².

Эта сила, направленная от центра вращения по оси кривошипа, вместе с радиальной силой Z нагружает подшипники коленчатого вала. Центробежная сила Р_с обычно уравновешивается центробежной силой противовесов Р_с.п, устанавливаемых на коленчатом валу с противоположной стороны шатунной шейки, или за счет изменения формы коленчатого вала.

Все силы и моменты, возникающие при работе поршневых ДВС, непрерывно изменяясь по значению и направлению, передаются на опоры двигателя и раму автомобиля. При этом возникают вибрации, снижающие эффективную мощность и топливную экономичность (вследствие затрат энергии на возбуждение вибрации и дополнительных механических потерь), ослабляются крепления агрегатов и деталей (что ускоряет в итоге износ деталей), нарушаются регулировки, снижается надежность контрольно-измерительных приборов.

Поэтому уменьшение влияния переменных сил и моментов, действующих на двигатель, относится к числу основных требований, предъявляемых в ДВС.

3.2 Приведите схему векторов сил, действующих в КШМ

Рис. 11 Схема сил, действующих в КШМ



4. Задача

Двигатель внутреннего сгорания работает на установившемся режиме.

Дано: i = 4; ф = 4; n = 1200 об/мин.; е = 6,8; Vi = 0,7 л;

Нu = 46 МДЖ/кг; k = 1,4; q _е = 220 г/кВт · ч; Nе = 75 кВт;

Pi = 1050 кПа; Ре = 700 кПа.

Определить Ме; Gт; зe; Pi

РЕШЕНИЕ

1. Часовой расход топлива двигателем равен:

G_т = q_е·Nе/1000 = 220·75/1000 = 16,5 кг/ч, с другой стороны:

G_т = 3,6·Nе/(з_e·Н_u), отсюда находим эффективный КПД:

2. з_e = 3,6·Nе/(G_т·Н_u) = 3,6·75,0/(16,5· Н_u) = 3,6·75,0/(16,5·46) = 0,356 (35,6%)

3. Механический КПД определяем по формуле:

з_м = р_е/р_i = 700/1050 = 0,667 (66,7%)

4.Индикаторный КПД определяем по формуле:

з_i = з_e/з_м = 0,356/0,667 = 0,534 (53,4%)

5. Термический КПД определяем по формуле:

= 1 - 1/(6,8^1,4-1) = 0,535 (53,5%)



6. Эффективный крутящий определяем по формуле:

М_е = 9555·Nе/n = 9555·75/1200 = 597,2 Н·м.

7. Удельный часовой индикаторных расход равен:

g_i = 3600/(з_i·Н_u) = 3600/(0,534·46) = 147 г/кВт·ч.

8. Определяем время одного цикла t_ц:

t_ц = ,

где n- частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин , ф- коэффициент тактности двигателя.

t_ц = 30·ф/n = 30·4/1200 = 0,1 c.

9. Эффективная работа цикла равна:

L_e = Nе·t_ц = 75,0·0,1 = 7,5 кДж/цикл

10. Индикаторная мощность равна:

N_i = N_е/з_м = 75,0/0,667 = 112,5 кВт.

11. Потери мощности равны:

ДN = N_i - N_е = 112,5 - 75,0 = 37,5 кВт.



12. Индикаторная работа цикла равна:

L_i = Ni·t_ц =112,5·0,1 = 11,25 кДж/цикл

Ответ: М_е = 597,2 Н·м, G_т = 16,5 кг/ч, з_e = 0,356 (35,6%).



Список литературы

1. Артоболевский, И.И. Теория механизмов и машин. / И.И. Артоболевский. - М.: Альянс, 2016. - 640 c.

2. Коловский, М.З. Теория механизмов и машин: учебник / М.З. Коловский. - М.: Academia, 2018. - 304 c.

3. Кудинов, Ю.И. Теория механизмов и машин. Учебно-метод. пос. КПТ / Ю.И. Кудинов, Ф.Ф. Пащенко. - СПб.: Лань КПТ, 2016. - 288 c.

4. Матвеев, Ю.А. Теория механизмов и машин: Учебное пособие / Ю.А. Матвеев, Л.В. Матвеева. - М.: Альфа-М, Инфра-М, 2011. - 320 c.

5. Мкртычев, О.В. Теория механизмов и машин: Практ. / О.В. Мкртычев. - М.: Вузовский учебник, 2019. - 320 c.

6. Соболев, А.Н. Теория механизмов и машин: Лабораторный практикум / А.Н. Соболев, А.Г. Схиртладзе, А.Я. Некрасов. - М.: Инфра-М, 2016. - 383 c.

7. Тимофеев, Г.А. Теория механизмов и машин: Учебное пособие для бакалавров / Г.А. Тимофеев. - М.: Юрайт, 2013. - 351 c.

8. Фролов, К.В. Теория механизмов и механика машин.Т.5.Механика в техническом университете / К.В. Фролов. - М.: МГТУ , 2012. - 686 c.

9. Чмиль, В.П. Теория механизмов и машин: Учебно-методическое пособие / В.П. Чмиль. - СПб.: Лань, 2015. - 288 c.

Размещено на Allbest.ru