Расчет двигателя внутреннего сгорания

Курсовая работа

дизель двигатель кинематический уравновешенность

Расчётно-графическая работа необходима для закрепления теоретических знаний получение опыта расчёта двигателей.

В пояснительной записке приводятся расчёты двигателя Д-245: тепловой расчёт, динамический и кинематические расчёты, проведено уравновешивание двигателя. В графической части помещены: свёрнутая и развёрнутая индикаторные диаграммы, графики перемещения скорости и ускорения поршня от угла поворота коленчатого вала, графики сил действующих на КШМ.

1. Тепловой расчет дизеля без наддува

Исходные данные:

  • тип двигателя — Д-245, четырехтактный, четырёхцилиндровый, рядный, с наддувом;

п = 1750 мин

степень сжатия е = 17;

эффективная мощность N e = 62,7 кВт ;

коэффициент избытка воздуха б = 1,75 ;

давление наддува p к = 1,52 МПа;

С = 85,7%, Н = 13,3%, О = 1%.

Параметры рабочего тела

Определяем теоретически необходимое количество воздуха для сгорания

кг топлива по формуле (1.1) и (1.2)

, (1.1)

,(1.2)

Определяем количество свежего заряда

  • (1.3)

Определяем общее количество продуктов сгорания

  • (1.4)

Параметры окружающей среды и остаточные газы

Принимаем атмосферные условия: p 0 = 0,1 МПа, То = 288 К.

Определяем давление и температуру остаточных газов:

Р к = (1,2… 2,5)·ро = 1,7·0,1 = 0,17 МПа.

Определяем температуру воздуха за компрессором

где n к показатель политропы сжатия в компрессоре nк =1,65.

Определяем давление и температуру остаточных газов

р r = (0,75… 0,95) рк = 0,85·0,17 = 0,145 МПа.

Принимаем Тr = 800 К.

Процесс впуска

Принимаем температуру подогрева свежего заряда Дt = 30°.

Определяем плотность заряда на впуске по формуле:

, (1.5)

где R B = 287 Дж/кг-град — удельная газовая постоянная для воздуха.

Определяем потери давления на впуске в двигатель по формуле:

  • (1.6)

В соответствии со скоростным режимом работы двигателя и качеством обработки внутренней поверхности принимаем коэффициент (в 2вп )=3,3, а скорость движения заряда щвп = 90 м/с.

9 стр., 4331 слов

Тюнинг двигателей в автомобилях

... необходимо проконтролировать легкость вращения распред.вала. При наполнение цилиндров воздухом возникает перепад давлений между цилиндрами двигателя и атмосферой. Двигатель в этой части цикла работает как насос ... головки в сторону свечи зажигания, при этом происходит интенсивное движение (турбулизация) заряда, что способствует лучшему сгоранию. Чем меньше зазор, тем меньше вероятность возникновения ...

Определяем давление в конце впуска:

р а = рк — Дра = 0,17 — 0,023 = 0,147 МПа, (1.7)

Определяем коэффициент остаточных газов

  • (1.8)

Определяем температуру в конце впуска:

  • (1.9)

Определяем коэффициент наполнения:

, (1.10)

Процесс сжатия

Определяем показатель адиабаты сжатия к 1 в функции е и Та , по номограмме:1 = 1,362.

Определяем показатель политропы сжатия n, в зависимости от к 1 , который устанавливается в пределах:

1 = (k1 + 0,02)… (k1 — 0,02) = 1,36.

Определяем давление в конце сжатия:

  • (1.11)

Определяем температуру в конце сжатия:

  • (1.12)

Определяем среднюю молярную теплоемкость заряда (воздуха) в конце сжатия (без учёта влияния остаточных газов):

,(1.13)

Определяем число молей остаточных газов:

(1.14)

Определяем число молей газов в конце сжатия до сгорания:

М с = М1 + Мr = 0,752+ 0,024 = 0,776 кмоль. (1.15)

Процесс сгорания

Определяем среднюю молярную теплоёмкость продуктов сгорания в дизеле при постоянном давлении, при а>1

(1.16)

Определяем число молей газов после сгорания:

М z = М2 + Мr = 0,790 + 0,024 = 0,814. (1.17)

Определяем расчётный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

  • (1.18)

Принимаем коэффициент использования теплоты о = 0,8.

Тогда количество теплоты, передаваемое газом на участке cz’z индикаторной диаграммы при сгорании 1 кг топлива определится, как:= о·Q Н = 0,85 ·42500 = 36125 кДж/кг.

Принимаем степень повышения давления л = 1,7.

Температуру в конце сгорания определяют из уравнения сгорания

, (1.19)

Подставляем имеющиеся значения величин, решаем полученное квадратное уравнение относительно T z :

Определяем давление в конце процесса сгорания:

р z = рс ·л = 5,90·1,7 = 10,03 МПа.

Определяем степень предварительного расширения:

(1.20)

Процесс расширения

Определяем степень последующего расширения:

(1.21)

Показатель политропы расширения для дизеля определяем по номограмме учитывая, что его значение незначительно отличается от значения показателя адиабаты расширения к 2 :2 = 1,29,2 = k2 = 1,29.

Определяем давление процесса расширения:

  • (1.22)

Определяем температуру процесса расширения:

  • (1.23)

Проверяем правильность ранее принятого значения температуры остаточных газов (погрешность не должна превышать 5% для номинального скоростного режима):

, (1.24)

Индикаторные параметры рабочего цикла дизеля

Определяем среднее индикаторное давление цикла для не-скругленной индикаторной диаграммы по формуле:

(1.25)

=.

Принимаем коэффициент полноты индикаторной диаграммы н = 0,92 .

Определяем среднее индикаторное давление цикла для скругленной индикаторной диаграммы:

(1.26)

Определяем индикаторный КПД:

  • (1.27)

Определяем индикаторный удельный расход топлива:

  • (1.28)

Эффективные показатели дизеля

Принимаем предварительно среднюю скорость поршня Wn.cp = 10 м/с

Определяем среднее давление механических потерь:

p M = a + b ·Wncp = 0,089 + 0,0118

  • 10 = 0,207 МПа. (1.29)

Определяем среднее эффективное давление:

р е = рi — рм = 0,95 — 0,207 = 0,743 МПа. (1.30)

Определяем механический КПД:

. (1.31)

Определяем эффективный КПД:

  • (1.32)

Определяем эффективный удельный расход топлива:

, (1.33)

Основные размеры цилиндра и удельные параметры двигателя

Исходя из величин эффективной мощности, частоты вращения коленчатого вала, среднего эффективного давления и числа цилиндров определяем рабочий объем одного цилиндра по формуле (1.33):

, (1.34)

гдеф дв — тактность двигателя;e — эффективная мощность;e — среднее эффективное давление;

  • i- число цилиндров;
  • частота вращения.

Выбираем значение

Определяем диаметр цилиндра

, (1.35)

Определяем ход поршня S = D ·с= 110 ·1,136 =125 мм,(1.36)

Определяем площадь поршня

(1.37)

Определяем рабочий объем цилиндра

,(1.38)

Определяем среднюю скорость поршня

,(1.39)

Определяем значение эффективной расчётной мощности

,(1.40)

Сравниваем полученное значение мощности с заданным значением

2. Построение индикаторных диаграмм

Свёрнутую диаграмму работы двигателя строим в масштабе в прямоугольных координатах по данным теплового расчёта. Для этого находим давление в цилиндре при различных перемещениях поршня через 10 мм по формуле (2.1) для политропы сжатия, и по формуле (2.2) для политропы расширения:

,(2.1)

,(2.2)

где S c — высота камеры сжатия, определяется по выражению (2.3)

,(2.3)

Абсциссу точки z определяем по уравнению (2.4)

, (2.4)

Таблица 1 — Расчётные данные для построения диаграммы

Sx, мм

Px, МПа сжатие

Px, МПа расширение

12,5

1,82

4,72

25

0,97

2,69

37,5

0,63

1,83

50

0,46

1,36

62,5

0,35

1,08

75

0,28

0,88

87,5

0,23

0,75

100

0,20

0,64

112,5

0,17

0,56

125

0,15

0,50

Масштаб давления м p = 0,07 МПа/мм, масштаб перемещения м s = 1 мм S /мм.

3. Динамический расчёт двигателя

Определяем массы движущихся частей КШМ по формуле (3.1)

,(3.1)

гдеm’ — конструктивная масса детали. Отнесённая к площади поршня, кг/м 2 ;

F n — площадь поршня, м2 .

Масса частей, движущихся возвратно-поступательно:

m j = mn + mшп ,(3.2)

где m шп — масса шатуна, приведенная к поршню,

m ШП =(0,2..0, З) ·mш (3.3)

Масса вращающихся деталей:

m R = mK + mшк, (3.4)

где m шк — масса шатуна, приведенная к коленчатому валу,

m шк = (0,7…0,8) ·mш ,(3.5)

m n = 262,5 ·0,0095 = 2,495 кг

т ш = 362,5 ·0,0095 = 3,445 кг

т шп = 0,25 ·3,445 = 0,861 кг

m j = 2,495 + 0,861 = 3,356 кг

m K = 350 ·0,0095 = 3,326 кг

т шк = 0,75 ·3,445 = 2,584 кг

m R = 3,326 + 2,584 = 5,910 кг

Определяем силы действующие в КШМ, Н:

силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс

Pj = — mj ·R ·щ 2 ·(cosц + л ·cos2ц),(3.6);

центробежной силы инерции вращающихся масс

K R = — mR ·R ·щ2 (3.7)

силы инерции вращающихся масс шатуна

K r = — mшк ·R ·щ2 (3.8)

суммарной силы, действующей на поршень

P У = Pr + Pj ,(3.9);

боковой силы, перпендикулярной оси цилиндра

N = P — tgв,(3.10);

силы, действующей вдоль шатуна

,(3.11);

нормальной силы, действующей вдоль радиуса кривошипа

,(3.12);

тангенциальной силы, касательной окружности кривошипа

,(3.13)

Расчет всех действующих сил проводим через 20° поворота коленчатого вала, а данные заносим в таблицу 2. По рассчитанным данным строим графики изменения сил, в зависимости от угла поворота коленвала.

Таблица 2 — Расчётные данные для построения графиков сил

ц, град

P j , Н

p j , МПа

p У , МПа

P У , Н

N, кН

S, кН

K, кН

T, кН

0

-12943,40

-1,36

-1,32

-12553,78

0,00

-12553,78

-12553,78

0,00

20

-11676,66

-1,23

-1,19

-11287,04

-1070,25

-11337,67

-10240,30

-4866,10

40

-8256,71

-0,87

-0,83

-7854,49

-1415,92

-7981,10

-5106,75

-6133,43

60

-3672,03

-0,39

-0,34

-3256,47

-801,61

-3353,67

-934,02

-3220,98

80

869,39

0,09

0,14

1300,16

367,22

1351,02

-135,87

1344,17

100

4392,27

0,46

0,51

4837,72

1366,37

5026,98

-2185,67

4526,96

120

6471,70

0,68

0,73

6929,75

1705,81

7136,61

-4942,15

5148,43

140

7284,39

0,77

0,82

7751,84

1397,42

7876,79

-6836,50

3912,31

160

7387,32

0,78

0,83

7860,52

745,34

7895,78

-7641,40

1988,06

180

7344,06

0,77

0,82

7819,21

0,00

7819,21

-7819,21

0,00

200

7387,32

0,78

0,83

7903,52

-749,42

7938,97

-7683,20

-1998,94

220

7284,39

0,77

0,84

7939,91

-1431,32

8067,89

-7002,36

-4007,22

240

6471,70

0,68

0,78

7409,60

-1823,93

7630,79

-5284,37

-5504,94

260

4392,27

0,46

0,62

5869,37

-1657,75

6098,98

-2651,77

-5492,34

280

869,39

0,09

0,36

3433,16

-969,66

3567,46

-358,77

-3549,38

300

-3672,03

-0,39

0,14

1323,41

-325,77

1362,92

379,58

-1308,99

320

-8256,71

-0,87

0,34

3239,36

-583,96

3291,57

2106,13

-2529,55

340

-11676,66

-1,23

1,91

18157,67

-1721,73

18239,12

16473,77

-7828,19

360

-12943,40

-1,36

4,56

43304,85

0,00

43304,85

43304,85

0,00

370

-11676,66

-1,23

6,47

61531,12

5834,44

61807,12

55824,85

26527,46

380

-8256,71

-0,87

2,43

23068,27

4158,49

23440,10

14998,29

18013,59

400

-3672,03

-0,39

1,32

12540,99

3087,07

12915,36

3597,02

12404,35

420

869,39

0,09

1,11

10594,09

2992,20

11008,55

-1107,10

10952,74

440

4392,27

0,46

1,17

11090,13

3132,30

11523,98

-5010,49

10377,73

460

6471,70

0,68

1,22

11619,38

2860,21

11966,24

-8286,70

8632,58

480

7284,39

0,77

1,22

11603,32

2091,72

11790,34

-10233,19

5856,12

500

7387,32

0,78

1,19

11292,53

1070,77

11343,18

-10977,73

2856,08

520

7344,06

0,77

1,17

11126,26

0,00

11126,26

-11126,26

0,00

540

7387,32

0,78

1,15

10932,94

-1036,67

10981,97

-10628,16

-2765,13

560

7284,39

0,77

1,08

10220,96

-1842,52

10385,71

-9014,06

-5158,45

580

6471,70

0,68

0,91

8643,85

-2127,75

8901,88

-6164,61

-6421,92

600

4392,27

0,46

0,62

5846,42

-1651,26

6075,14

-2641,40

-5470,86

620

869,39

0,09

0,19

1778,26

-502,25

1847,82

-185,83

-1838,45

640

-3672,03

-0,39

-0,33

-3093,92

761,59

-3186,27

-887,40

3060,21

660

-8256,71

-0,87

-0,82

-7825,94

1410,77

-7952,08

-5088,19

6111,13

680

-11676,66

-1,23

-1,19

-11283,38

1069,90

-11333,99

-10236,98

4864,52

700

-12943,40

-1,36

-1,32

-12553,78

0,00

-12553,78

-12553,78

0,00

720

-12943,40

-1,36

-1,32

-12553,78

0,00

-12553,78

-12553,78

0,00

4. Кинематический расчёт

Определяем значения перемещения, скорости и ускорения поршня, рассчитанных через 20 градусов поворота коленчатого вала.

При расчете значений, для двигателя с центральным кривошипно-шатунным механизмом, следует воспользоваться формулами:

перемещения поршня

,(4.1)

скорости поршня

,(4.2)

ускорения поршня

,(4.3)

Таблица 3 — Значения перемещения, скорости и ускорения

ц

S 1 , мм

S 2 , мм

S, мм

W 1 , м/с

W 2 , м/с

W, м/с

J 1, м/с2

J 2 , м/с2

J, м/с 2

0

0,000

0,000

0,000

0,00

0,00

0,00

2703,10

2445,31

257,79

36

0,015

0,012

0,003

8,08

1,80

9,88

259,12

934,02

-674,90

72

0,051

0,043

0,008

13,07

1,11

14,19

-1608,93

-934,02

-674,90

108

0,090

0,082

0,008

13,07

-1,11

11,96

-2187,52

-2445,31

257,79

144

0,116

0,113

0,003

8,08

-1,80

6,27

-2188,34

-3022,57

834,23

180

0,125

0,125

0,000

0,00

0,00

0,00

-2187,52

-2445,31

257,79

216

0,116

0,113

0,003

-8,08

1,80

-6,27

-1608,93

-934,02

-674,90

252

0,090

0,082

0,008

-13,07

1,11

-11,96

259,12

934,02

-674,90

288

0,051

0,043

0,008

-13,07

-1,11

-14,19

2703,10

2445,31

257,79

324

0,015

0,012

0,003

-8,08

-1,80

-9,88

3856,79

3022,57

834,23

360

0,000

0,000

0,000

0,00

0,00

0,00

-2170,56

-2315,42

144,86

5. Уравновешивание двигателя

Условия уравновешенности двигателя с любым числом цилиндров (при соблюдении равенства масс движущихся частей и идентичности протекания рабочего процесса во всех цилиндрах, а также обеспечении статической и динамической уравновешенности коленчатого вала) принято записывать в следующем виде:

а) результирующие силы инерции первого порядка и их моменты равны нулю: УР JI = 0 и УМ JI = 0 ;

б) результирующие силы инерции второго порядка и их моменты равны нулю: УР JII = 0 и УМ JII = 0;

в) результирующие центробежные силы инерции и их моменты равны нулю: УK r = 0 и УМ R = 0.

Таким образом, решение вопроса уравновешивания двигателей сводится к уравновешиванию лишь наиболее значительных сил и их моментов.

Четырехцилиндровый рядный двигатель с кривошипами, расположенными под углом 180°. Порядок работы двигателя 1-2-4-3 или 1-3-4-2. Промежутки между вспышками равны 180°. Коленчатый вал двигателя имеет кривошипы, расположенные под углом 180°.

Силы инерции первого порядка и их моменты при указанном расположении кривошипов взаимно уравновешиваются: УР J I =0 и УМ J i = 0. Силы инерции второго порядка для всех цилиндров равны и направлены в одну сторону. Их равнодействующая

(5.1)

Силы инерции второго порядка можно уравновесить лишь с помощью дополнительных валов. Суммарный момент этих сил равен нулю: УМ JII = 0. Центробежные силы инерции для всех цилиндров равны и направлены попарно в разные стороны. Равнодействующая этих сил и момент равны нулю: УKr = 0 и УМR = 0.

Для снижения нагрузки на коренные подшипники на коленчатый вал можно установить противовесы для уменьшения центробежных сил.

Уравновешивание двигателя снижает шумы и вибрации в двигателе, увеличивает его долговечность, но также увеличивает металлоемкость и трудоемкость производства

Литература

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/raschet-dvigatelya-vnutrennego-sgoraniya/

1) Лиханов В.А., Деветьяров Р.Р. Расчёт двигателей внутреннего сгорания: Учебное пособие. — Киров: Вятская ГСХА, 2005.-69 с.

2) Колчин А.И., Демидов В.П. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей. — М.: Высшая школа. 2002.-496 с.

3) Николаенко А.В. Теория, конструкция и расчёт автотракторных двигателей. — М.: Колос, 1984. — 335 с.

4) Расчёт автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. Пособие для вузов./ А.И. Колчин, В.П. Демидов — 3-е изд. Перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 2003.