Курсовая работа: Тепловой и динамический расчет автомобильного двигателя

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

Гродненский государственный университет

им. Я. Купалы

Курсовой проект

по дисциплине “Силовые установки транспортных средств”

на тему “Тепловой и динамический расчет двигателя”

Гродно 2010

Содержание

Введение

1. Тепловой расчет двигателя

1.1 Выбор топлива, определение его теплоты сгорания

1.2 Определение параметров рабочего тела

1.3 Определение параметров окружающей среды и остаточных газов

1.4 Расчет параметров процесса впуска

1.5 Расчет параметров процесса сжатия

1.6 Расчет параметров процесса сгорания

1.7 Расчет параметров процесса расширения и выпуска

1.8 Определение индикаторных показателей двигателя

1.9 Определение эффективных показателей двигателя

1.10 Определение основных размеров цилиндра и параметров двигателя

1.11 Построение индикаторной диаграммы

2. Расчет и построение внешней скоростной характеристики двигателя

3. Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма двигателя

3.1 Расчет сил давления газов

3.2 Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма

3.3 Расчет сил инерции

3.4 Расчет суммарных сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме

3.5 Расчет сил, действующих на шатунную шейку коленчатого вала

3.6 Построение графиков сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме

3.7 Построение диаграммы износа шатунной шейки

3.8 Построение графика суммарного крутящего момента двигателя

Заключение

Литература

Введение

Целью курсовой работы является систематизация и закрепление знаний, полученных студентами при изучении теоретического курса дисциплины «Силовые установки транспортных средств», а также при выполнении практических и лабораторных работ; освоение методики и получение практических навыков теплового и динамического расчета автомобильного (тракторного) двигателя.

Приведенная в настоящем курсовом проекте последовательность расчета двигателя базируется на известных методиках, изложенных в литературе.

Помимо указанных данных при выполнении курсовой работы студенту необходимо самостоятельно выбрать ряд величин, используя сведения о принятом прототипе двигателя.

1 Тепловой расчет двигателя

1.1 Выбор топлива, определение его теплоты сгорания

Для бензинового двигателя с впрыском в соответствии с заданной степенью сжатия () октановое число используемого бензина находится в пределах от 90 до 100. Выбираем следующие виды бензинов: “Регуляр-91”, “Регуляр-92”, “Премиум-95”, “Супер-98”,

Низшая теплота сгорания жидкого топлива, кДж/кг:

где – массовые доли углерода, водорода и кислорода в одном килограмме топлива.

1.2 Определение параметров рабочего тела

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания одного килограмма жидкого топлива:

Количество свежего заряда:

где – коэффициент избытка воздуха;

= 115 кг/кмоль – средняя молярная масса бензина.

При не полном сгорании топлива () в состав продуктов сгорания входят: оксид углерода , углекислый газ, водяной пар, водород и азот .

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания жидкого топлива при :

1. Оксида углерода:

2. Углекислого газа:

3. Водяного пара:

4. Водорода:

5. Азота:

Общее количество продуктов сгорания жидкого топлива:

1.3 Определение параметров окружающей среды и остаточных газов

При работе двигателя без наддува давление и температура окружающей среды:

Давление остаточных газов:

Температура остаточных газов:

1.4 Расчет параметров процесса впуска

Давление газов в цилиндре определяется по формуле:

где, – потери давления за счет сопротивления впускной системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре.

Величина с учетом некоторых допущений определяется из уравнения Бернулли, МПа:

где, – коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра;

– коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому ее сечению;

– средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы (как правило, в клапане или продувочных окнах), м/с;

– плотность заряда на впуске (при отсутствии наддува ), кг/м³ .

По опытным данным в современных автомобильных двигателях с электронным управлением на номинальном режиме:

Плотность заряда на впуске:

где, = 287 Дж/(кгград) – удельная газовая постоянная воздуха.

Коэффициент остаточных газов характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания; с его ростом уменьшается количество свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя в процессе впуска:

где , – температура подогрева свежего заряда при его контакте со стенками впускного трубопровода и цилиндра;

– степень сжатия.

Температура подогрева свежего заряда принимается в зависимости от типа двигателя:

Температура заряда в конце процесса впуска:

Коэффициент наполнения без учета продувки и дозарядки четырехтактного двигателя:

1.5 Расчет параметров процесса сжатия

По опытным данным при жидкостном охлаждении величина показателя политропы сжатия для бензиновых двигателей:

Давление и температура конца процесса сжатия определяются из уравнения политропы с постоянным показателем :

1.6 Расчет параметров процесса сгорания

Целью расчета процесса сгорания является определение температуры и давления в конце видимого сгорания.

Температура , определяется путем решения уравнения сгорания, которое имеет вид:

где – коэффициент использования теплоты;

– теплота сгорания рабочей смеси, кДж/кмоль раб.см;

– средняя мольная теплоемкость свежего заряда при постоянном объеме, кДж/кмоль град;

– средняя мольная теплоемкость продукта сгорания при постоянном объеме , кДж/кмоль град;

– действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси.

По опытным данным значения коэффициента для двигателей c электронным впрыском при их работе на номинальном режиме:

Теплота сгорания рабочей смеси, кДж/кмоль раб.см.:

где – количество теплоты потерянное вследствие химической неполноты сгорания, кДж/кг:

Тогда имеем:

Средние мольные теплоемкости:

свежего заряда

продуктов сгорания, :

Действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

Уравнение сгорания (1.19) после подстановки аналитических выражений всех рассчитываемых параметров и последующих преобразований можно представить в виде уравнения второго порядка относительно :

где A, B и C – коэффициенты уравнения второго порядка относительно :

Решение уравнения второго порядка относительно имеет вид:

Теоретическое давление:

Действительное давление:

Степень повышения давления:

1.7 Расчет параметров процесса расширения и выпуска

По опытным данным средние значения величины при номинальной нагрузке:

Давление и температура конца процесса расширения:

Правильность предварительного выбора температуры остаточных газов проверяется с помощью выражения:

Погрешность менее 10%, соответственно температура остаточных газов выбрана верно.

1.8 Определение индикаторных показателей двигателя

Теоретическое среднее индикаторное давление, МПа:

Действительное среднее индикаторное давление:

где – коэффициент полноты диаграммы, который принимается равным:

Индикаторный КПД двигателей, работающих на жидком топливе:

Индикаторный удельный расход жидкого топлива:

1.9 Определение эффективных показателей двигателя

При проведении предварительных расчетов двигателей величина (МПа) приближенно определяется в зависимости от средней скорости поршня по эмпирическим формулам вида:

где выражено в м/с;

a, b - коэффициенты, значения которых устанавливаются экспериментально.

Для высокофорсированного двигателя с впрыском топлива и электронным управлением имеем:

а = 0,024 МПа;

b = 0,0053 (МПаc)/м;

Средняя скорость поршня:

где S – ход поршня, мм;

n – номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя, мин¹ .

Для заданного прототипа ход поршня S составляет 80 мм.

Среднее эффективное давление:

Механический КПД () представляет собой отношение среднего эффективного давления к индикаторному:

Эффективный КПД двигателя:

Эффективный удельный расход жидкого топлива:

1.10 Определение основных размеров цилиндра и параметров двигателя

По эффективной мощности, частоте вращения коленчатого вала, тактности и эффективному давлению определяется литраж двигателя:

где – тактность двигателя;

– эффективная мощность для номинального режима, кВт;

– среднее эффективное давление, МПа;

– обороты коленчатого вала на номинальном режиме, .

Рабочий объем одного цилиндра:

где, – число цилиндров двигателя.

Диаметр цилиндра:

Ход поршня, мм:

По рассчитанным значениям в и S определяем основные параметры двигателя:

литраж двигателя:

эффективная мощность:

эффективный крутящий момент:

часовой расход топлива:

Средняя скорость поршня:

Проверяем правильность предварительного расчета средней скорости поршня:

1.11 Построение индикаторной диаграммы

Построение индикаторной диаграммы ДВС производится в координатах (давление – объем) или (давление – ход поршня) на основании данных расчета рабочего цикла.

В начале построения на оси абсцисс откладывается отрезок АВ , соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня в масштабе , который в зависимости от величины хода поршня принимаем 1:1.

Отрезок ОА (мм), соответствующий объему камеры сгорания:

ОА=АВ/(ε-1); (1.54)

ОА = 79,4/(10,8-1) = 8,102 мм.

При построении диаграммы масштабы давлений (М_р = 0,07 МПа в мм).

Построение политроп сжатия и расширения можно осуществлять аналитическим или графическим методом. Для аналитического метода точки политроп сжатия и расширения приведены в таблице 1.1

Таблица 1.1 – Определение точек политроп сжатия и расширения аналитическим методом

При графическом методе из начала координат проводится луч ОС под углом ° к оси абсцисс, а также лучи OD и OE под определенными углами и к оси ординат:

; (1.55)

; (1.56)

;

;

Политропа расширения строится при помощи лучей ОС и ОЕ. Политропа сжатия строится при помощи лучей ОС и ОD.

Производим построение теоретической индикаторной диаграммы.

При построении действительной диаграммы углы фаз газораспределения принимаются ориентировочно на основе статистических данных для современных четырехтактных автомобильных двигателей.

Таблица 1.2 – Ориентировочные значения углов поворота коленчатого вала, определяющих положение характерных точек действительной индикаторной диаграммы

Для нанесения характерных точек действительной индикаторной диаграммы на теоретическую диаграмму используем метод Брикса.

Поправка Брикса:

где ; – радиус кривошипа; – длина шатуна.

Для автомобильных и тракторных двигателей:

λ=(0,23 - 0,3);

принимаем: λ = 0,28.

Под индикаторной диаграммой строим вспомогательную полуокружность с диаметром равным ходу поршня. От центра полуокружности в сторону н.м.т. откладываем поправку Брикса. Согласно метода Брикса наносим характерные точки действительной индикаторной диаграммы, затем производим скругление индикаторной диаграммы.

2. Расчет и построение скоростной характеристики двигателя

Построение кривых скоростной характеристики ведется в интервале частот вращения коленчатого вала от = 780 миндо = 6600 мин (значение = 5500 мин), где – частота вращения коленчатого вала при номинальной мощности.

Расчетные точки кривых эффективной мощности и эффективного удельного расхода топлива определяются по следующим зависимостям через каждые 582 мин:

где ,, – соответственно номинальная эффективная мощность (кВт), удельный эффективный расход топлива при номинальной мощности (), частота вращения коленчатого вала при номинальной мощности (мин);

, , – соответственно эффективная мощность (кВт), удельный эффективный расход топлива (), частота вращения коленчатого вала (мин) в искомой точке скоростной характеристики;

– коэффициенты, значения которых устанавливаются экспериментально (см. табл. 2.1).

Таблица 2.1 – Значение эмпирических коэффициентов для расчета скоростной характеристики двигателя

Точки кривых эффективного крутящего момента (Нм) и часового расхода топлива (кг/ч) определяются по формулам:

Аналогично производим расчеты для остальных значений . Результаты вычислений заносим в таблицу 2.2

Коэффициент приспособляемости К :

где – эффективный крутящий момент при номинальной мощности.

Таблица 2.2 – Расчеты внешней скоростной характеристики.

По полученным значениям производим построение внешней скоростной характеристики.

3 Динамический расчет КШМ двигателя

3.1 Расчет сил давления газов

Сила давления газов, Н:

где – атмосферное давление, МПа;

, – абсолютное и избыточное давление газов над поршнем в рассматриваемый момент времени, МПа;

– площадь поршня, м² ;

Величины снимаются с развернутой индикаторной диаграммы для требуемых φ и заносятся в сводную табл. 3.1 динамического расчета. Соответствующие им силы рассчитываются по формуле (3.1) и также заносятся в табл. 3.1

Для определения сил непосредственно по развернутой индикаторной диаграмме, а также для случая, когда на ее координатной сетке строятся графики других сил, масштаб диаграммы пересчитывается. Если кривая построена в масштабе (МПа в мм), то масштаб этой же кривой для будет:

3.2 Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма

Для упрощения динамического расчета действительный КШМ заменяется эквивалентной системой сосредоточенных масс , которая состоит из массы (кг), сосредоточенной в точке А и совершающей возвратно-поступательное движение, и массы (кг), сосредоточенной в точке В и совершающей вращательное движение:

где – масса поршневой группы;

– часть массы шатуна, приходящаяся на возвратно-поступательную движущуюся массу, кг;

– часть массы шатуна, приходящаяся на вращающуюся движущуюся массу, кг;

– часть массы кривошипа, сосредоточенной в точке В.

Для приближенного определения значений , и можно использовать конструктивные массы т' (кг/м² ), т.е. массы, отнесенные к площади поршня .

Исходя из определения конструктивных масс, значения т' , выбранные по справочнику, умножили на площадь (м² ) для получения искомых величин т .

Таким образом, имеем:

3.3 Расчет сил инерции

Силы инерции, действующие в КШМ, в соответствии с характером движения приведенных масс подразделяются на силы инерции поступательно движущихся масс , и центробежные силы инерции вращающихся масс , Н:

где j – ускорение поршня, м/с² ;

– угловая скорость вращения коленчатого вала для расчетного режима;

Для рядного двигателя центробежная сила инерции является результирующей двух сил:

силы инерции вращающихся масс шатуна

и силы инерции вращающихся масс кривошипа

Силы , рассчитанные для требуемых положений кривошипа (углов φ), заносятся в табл. 3.1.

3.4 Расчет суммарных сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме

Суммарные силы, действующие в КШМ, определяют алгебраическим сложением сил давления газов и сил возвратно-поступательно движущихся масс, Н:

Суммарная сила , как и силы и , направлена по оси цилиндра и приложена к оси поршневого пальца . Воздействие от силы Р передается на стенки цилиндра перпендикулярно его оси и на шатун по направлению его оси.

Сила N (Н), действующая перпендикулярно оси цилиндра, называется нормальной силой воспринимается стенками цилиндра:

где, – угол отклонения шатуна от оси цилиндра.

Сила S (Н), действующая вдоль шатуна:

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

сила, направленная по радиусу кривошипа (Н)

тангенциальная сила, направленная по касательной к окружности радиуса кривошипа (Н):

Производим расчеты для всех положений коленчатого вала.

Рассчитанные для требуемых углов φ значения Р, N , S , К, Т заносятся в табл. 3.1.

3.5 Расчет сил, действующих на шатунную шейку коленчатого вала

Аналитически результирующая сила, действующая на шатунную шейку рядного двигателя, учитывается действие сил со стороны только одного из двух расположенных рядом на шейке шатунов, Н:

где – сила, действующая на шатунную шейку по кривошипу.

Значения вычисленные для требуемых φ , заносятся в табл. 3.1.

Таблица 3.1- Результаты вычисления сил, действующих в КШМ

3.6 Построение графиков сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме

Графики изменения сил, действующих в КШМ, в зависимости от угла поворота кривошипа φ строятся в прямоугольной системе координат по данным табл. 3.1

Построение графика (φ) ведется как в прямоугольной системе координат, так и в виде полярной диаграммы с базовым направлением (полярной осью) по кривошипу.

При построении графика (φ) прямоугольных координатах по расчетным данным табл. 3.1 минимальное и максимальное значения силы (а также необходимые значения в точках перегиба кривой) определяются по полярной диаграмме.

Н;

Н;

Н;

3.7 Построение диаграммы износа шатунной шейки

На основании полярной диаграммы нагрузки на шатунную шейку коленчатого вала производится построение диаграммы износа

Результирующие величины заносятся в таблицу 3.2. По их значениям определяется величина износа в определенной точке шатунной шейки. Масштабный коэффициент для построения диаграммы износа М_р = 10 кН/мм.

Таблица 3.2 – Определение суммарных сил, обуславливающих характер износа шатунной шейки.

3.8 Построение графика суммарного крутящего момента двигателя

Крутящий момент (Н м), развиваемый одним цилиндром двигателя в любой момент времени, прямо пропорционален тангенциальной силе Т ;

; (3.20)

где Т, Н; R , м.

При равных интервалах между вспышками в цилиндрах двигателя построение кривой (φ) производится в следующей последовательности: график (φ) (или Т(φ) при соответствующем выборе масштаба) разбивается на число участков, равное числу цилиндров двигателя; все участки совмещаются на новой координатной сетке длиной θ и суммируются. Для четырехтактного двигателя:

θ=720° / i =720/4=180° ; (3.21)

Производим расчет суммарного крутящего момента, результаты расчетов заносим в таблицу 3.3.

Таблица 3.3 – Определение суммарного крутящего момента

Принимаем масштабный коэффициент для суммарного крутящего момента:

М_р = 7,6737 (Н·м)/мм .

Производим построение графика суммарного крутящего момента. По графику определяем среднее значение суммарного крутящего момента:

; (3.22)

где F₁ , F₂ – соответственно положительная и отрицательная площади, заключенные между кривой и линией ОА, мм² .

Н·м.

По величине определяем эффективный крутящий момент , снимаемый с вала двигателя:

; (3.23)

Н·м.

Производим сравнение полученного значения с величиной полученной в тепловом расчете ( Н·м):

.

Заключение

В данном курсовом проекте мы систематизировал и закрепил наши знания, полученные при изучении теоретического курса дисциплины «Силовые установки транспортных средств», а также освоил методику и получил практические навыки теплового и динамического расчета автомобильного двигателя.

Литература

1. Автомобильные двигатели / Под. ред. М.С. Ховаха - М.: Машиностроение, 1977.-591с.

2. Артамонов М.Д. и др. Основы теории и конструирования автомобильных двигателей. - М.: Высш. шк., 1976. - 132 с.

3. Болтинский В.Н. Теория, конструирование и расчет тракторных и автомобильных двигателей. - М.: Сельхозиздат, 1962. - 390 с.

4. Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А.С. Орлина и М.Г. Круглова. — М.: Машиностроение, 1984. - 383 с.

5. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А.С. Орлина и М.Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1983. - 375 с.

6. Железко Б.Е. и др. Расчет и конструирование автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. пособие для вузов. - Мн.: Вышэйшая школа, 1987. - 247 с.

7. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей:

Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 2003. - 496 с.

8. Попык К.Г. Конструирование и расчет автомобильных и тракторных двигателей.- М.: Высш. шк., 1968. - 389 с.