Тепловой расчет двигателя

 

 

 

 

Где n1- средний показатель политропы сжатия, величина которого зависит от многих факторов. Для приближенных расчетов его значение имеет следующее значение:

n1=1,365-карбюраторные ДВС

МПа

 

К

 

 

3.4. Процесс сгорания.

 

Расчет процесса сгорания заключается в определении максимальных значений температуры Тz и давления Pz в цилиндре двигателя. Однако подсчет величины Тz представляет определенные трудности и ее принимают по опытным данным

Тz= 2600 К

Давление конца сгорания в карбюраторных двигателях, МПа,

 

 

Вследствие потерь в карбюраторных ДВС действительное давление конца сгорания, МПа,

МПа

 

МПа

 

 

3.5. Процесс расширения.

 

Расчет процесса расширения заключается в определении давления Pв МПа и температуры Тв К по уравнениям политропного процесса:

 

 

МПа

 

К

 

где - средний показатель политропы расширения. Эту величину принимают по опытным данным: =1,245.

 

 

К

 

 

3.6. Индикаторные показатели  рабочего цикла.

 

Теоретическое среднее индикаторное давление для карбюраторных двигателей, МПа:

 

 

 

,

 

где

 

Действительное среднее индикаторное давление

 

где - коэффициент полноты индикаторной диаграммы.

 

Индикаторный КПД

 

 

где .

 

плотность заряда на впуске, кг/м3,

 

где В=287 Дж/кг град – удельная газовая постоянная для воздуха.

 

Индикаторный удельный расход топлива, г/кВт ч,

 

где - низшая теплота сгорания.

 

 

 

3.7. Эффективные показатели  рабочего цикла

 

Среднее эффективное давление, МПа,

 

,

где Рм  - среднее давление механических потерь Рм =0,04 + 0,013 -для карбюраторных ДВС.

Для современных двигателей величину принимают в пределах:

 

 

 для ДВС с воспламенением от искры легковых автомобилей.

 

Механический КПД

 

Эффективный КПД

 

Эффективный удельный расход топлива, г/кВ ч,

 

 

 

 

3.8. Основные размеры  двигателя

 

Литраж двигателя, л, дм3

 

Здесь - тактность современных транспортных двигателей.

 

Рабочий объем одного цилиндра, дм3 ,

 

 

Диаметр цилиндра и ход поршня, мм:

 

 

,

где S/D – отношение хода поршня к диаметру цилиндра, которое по опытным данным S/D=0,85.

 

 

Литраж, дм3

Эффективная мощность, кВт,

 

Крутящий момент, Н м,

 

Часовой расход топлива, кг/ч,

 

Средняя скорость поршня, м/с,

 

 

3.9. Построение  индикаторной диаграммы

Построение индикаторной диаграммы двигателя внутреннего сгорания производится с использованием данных расчета рабочего процесса.

 

В начале построения на оси абсцисс откладывают отрезок АВ, соответствующий рабочему объему цилиндра, т. е. по величине равной ходу поршня в масштабе Мs.

Отрезок OA, мм, соответствующий объему камеры сгорания, определяется из соотношения

Отрезок Az

Определим масштаб

Затем по данным теплового расчета на диаграмме откладывают в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках: a,z,c,c”,b,r.

 

 

 

          Построение политроп сжатия и расширения можно производить графическим или аналитическим методами.

По наиболее распространенному графическому методу Брауэра политропы сжатия и расширения строят следующим образом. Из начала координат проводят луч ОС под углом 15° к оси абсцисс. Далее из начала координат проводят луч OD и ОЕ под определенными углами b1 и b2 к оси ординат. Эти углы определяют из соотношений

 

 

Политропу сжатия строят с помощью лучей ОС и OD. Из точки с проводят горизонталь до пересечения с осью ординат; из точки пересечения - линию под углом 45° к вертикали до пересечения с лучом OD, а из этой точки - вторую горизонтальную линию, параллельную оси абсцисс. Затем из точки с проводят вертикальную линию до пересечения с лучом ОС, точки пересечения под углом 45° к вертикали - линию до пересечения 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 1 политропы сжатия. Точку 2 находят аналогично точке 1, принимая ее за исходную.

Политропу расширения строят с помощью лучей ОС и ОЕ, начиная от точки z, аналогично построению политропы сжатия.

Соединяя точки а и с плавной кривой, проходящей через вычисленные и нанесенные на поле диаграммы точки политропы сжатия, а точки z и b - кривой, проходящей через точки политропы расширения, и соединяя точки с с z, а b с а прямыми линиями, получаем расчетную индикаторную диаграмму. Процессы основных выпуска и впуска принимаются протекающими при p= const.

Полученные диаграммы acz'zba являются расчетными индикаторными диаграммами, по которым можно определить величину теоретического индикаторного давления p’i , МН/м2:

 

 

где F’ - площадь диаграммы acz'zba, мм2; отрезок АВ, мм; Мp - масштаб давлений.

Значение P’i должно быть равно значению P’i, полученному в результате теплового расчета.

Действительная индикаторная диаграмма отличается от расчетной, т. к. в реальном двигателе за счет опережения зажигания или подачи топлива (точка с') рабочая смесь воспламеняется до прихода поршня в ВМТ (точка f’) и повышает давление в конце процесса сжатия (точка с"). Процесс видимого сгорания происходит при изменяющемся объеме и протекает по кривой c"zd а не по прямой cz; открытие выпускного клапана до прихода поршня в НМТ (точка b') снижает давление в конце расширения (точка b", которая обычно располагается между точками b и а). В этих точках производят скругление индикаторной диаграммы.

 

,

где .

Для точки  с’ , - угол опережения зажигания.

Для точки f , - угол задержки воспламенения.

Для точки b’, - угол опережения выпуска.

 

Определим величину теоретического индикаторного давления:

 

 

4. Динамический  Расчет.

 

Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма (КШМ) заключается в определении суммарных сил и моментов, возникающих от давления газов и от сил инерции.

Во время работы двигателя на детали КШМ действуют:

• Силы давления газов в цилиндре;
• Силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс;
• Центробежные силы;

В течение каждого рабочего цикла силы, действующие в КШМ, непрерывно изменяются по величине и направлению. Поэтому для определения характера изменения этих сил по углу поворота коленчатого вала их величины определяются для различных положений кривошипа через 300 . Результата динамического расчета сводятся в таблицы.

За время полного рабочего цикла сила от давления газов, силы инерции и эффективный крутящий момент изменяются по величине и направлению. Центробежная сила от вращающихся масс изменяется только по направлению. В многоцилиндровых двигателях возникают продольные моменты от сил инерции возвратно-поступательно и вращательно движущихся масс.

Рг - сила давления газов; Рj - сила инерции возвратно-поступательно, движущихся масс; Р - суммарная сила; N - нормальная сила; S - сила, действующая по шатуну; К - сила, направленная по радиусу кривошипа; Т - тангенциальная сила; КR – центробежная сила вращающихся масс; w – угловая скорость; Мк - крутящий момент; α - угол поворота кривошипа; β- угол наклона шатуна от оси цилиндра, Fn- площадь поршня.

Для определения длины шатуна пользуются величиной , равной отношению радиуса кривошипа R к длине шатуна. Для предварительных расчетов принимают .

Массы поршневой группы , шатунной группы и неуравновешенных частей кривошипа (кг) принимают по заданным удельным конструктивным массам, приходящимся на единицу площади поршня Fn (м2).

 

 

 

 

 

кг

кг

кг

 

4.1. Силы давления газов

 

Силы давления газов, действующих на поршень, условно заменяют одной силой, приложенной к оси поршневого пальца и направленной по оси цилиндра. Определяется эта сила для каждого значения угла поворота кривошипа по индикаторной диаграмме, рассчитанной для номинального режима работы двигателя. Для этого полученную при тепловом расчете диаграмму в координатах P – V перестраивают в развернутую, с координатами Р - . Для этого, под индикаторной диаграммой строят полуокружность радиусом R=S/2. Далее от центра полуокружности в сторону нижней мертвой точки откладывается поправка Брикса, равная R /2. Полуокружность из центра О делят лучами на шесть частей, а из центра О1 проводят линии, параллельные этим лучам. Точки, полученные на полуокружности, соответствуют определенным углам положения кривошипа. Из этих точек проводят вертикальные линии до пересечения с контуром индикаторной диаграммы.

 

Справа от индикаторной диаграммы наносят координаты Р - . При этом ось абсцисс располагают на уровне линии атмосферного давления Р0 , так как давление на P – V отсчитывается от абсолютного нуля, а на диаграмме Р - изображается избыточное давление над поршнем. Ось абсцисс на диаграмме Р - делят вертикальными линиями на отрезки, через 30о угла поворота кривошипа и обозначают точки соответствующими значениями угла.

Развертку индикаторной диаграммы начинают от верхней мертвой точки процесса впуска. Для чего величины давлений, полученные пересечением вертикальных линий с контуром диаграммы P – V, переносят на соответствующие линии диаграммы Р - . Следует учесть, что давления процесса впуска на диаграмме  Р - должны быть отрицательными. Точку Zд  действительного давления конца сгорания, отмечают на развернутой диаграмме отдельно, так как её положение соответствует 3700 угла поворота кривошипа. Полученные точки соединяют плавной кривой.

Численное значение величины силы давления газов на поршень (кН) определяют по формуле :

 

Рr  = ( Рzd - P0 )  Fn  103

Рr  = ( 4,96 - 0,1 )  0,006  103 = 29,2

 

где Рr  и Р0 - давление газа на поршень и атмосферное давление в МН/м2, принятые по диаграмме Р - V, Fn - площадь поршня, м2.

Для определения величины сил давления газов по развернутой диаграмме пересчитывают её масштаб (кН/мм)

 

 

где Мg - масштаб давления, Fn - площадь поршня, м2.

Для подсчета величин в (кН) сил давления газов, расстояние в (мм) соответствующее определенному углу умножают на масштаб и заносят в таблицу.

Шкалу сил наносят на оси ординат развернутой диаграммы. Составляют сводную таблицу величин, определяемых в динамическом расчете. В графу 1 записывают значения угла поворота кривошипа от 00 до 7200 через принятый интервал 300 . Отдельно помещают угол 3700 , которому соответствует максимальное давление газа.

 

Значение сил, действующих в КШМ

 

α	Рг,	Cosα+λcos2α	Pj	P	tgβ	N	1/cosβ	S	Cos(α+β)/cosβ	K	Sin(α+β)/cosβ	T
0	0,3	1.26	-18,522	-18,22	0	0	1	-18,22	1	-18,22	0	0
30	-0,3	1	-14,07	-15	0.13	-1,95	1.01	-15,15	0.8	-12	0.61	-9,15
60	-0,3	0.37	-5,44	-5,74	0.23	-1,32	1.02	-5,85	0.3	-1,72	0.98	-5,63
90	-0,3	-0.26	3,82	3,52	0.27	0,95	1.03	3,63	-0.28	-0,99	1	3,52
120	-0,3	-0.63	9,86	8,96	0.23	2,06	1.03	9,23	-0.71	-6,36	0.75	6,72
150	-0,3	-0.73	10,73	10,43	0.13	1,36	1.01	10,53	-0.93	-9,7	0.39	4,07
180	-0,3	-0.74	10,88	10,58	0	0	1	10,58	-1	-10,58	0	0
210	-0,3	-0.73	10,73	10,43	-0.13	-1,36	1.01	10,53	-0.93	-9,7	-0.39	-4,07
240	0	-0.63	9,26	9,26	-0.23	-2,13	1.03	9,54	-0.71	-6,57	-0.75	-6,92
270	0,3	-0.26	3,82	4,12	-0.27	-1,11	1.03	4,24	-0.28	-1,19	-1	-4,12
300	0,9	0.37	-5,44	-4,54	-0.23	1,04	1.02	-4,63	0.3	-1,36	-0.98	4,45
330	3,9	1	-14,7	-10,8	-0.13	1,40	1.01	-10,91	0.8	-8,64	-0.61	6,59
360	10,8	1.26	-18,52	-7,72	0	0	1	-7,72	1	-7,72	0	0
370	29,1	1.23	-18,08	11,02	0.04	0,44	1	11,02	0.98	10,8	0.22	2,42
390	15,9	1	-14,7	1,2	0.13	0,16	1.01	1,21	0.8	0,96	0.61	0,73
420	7,2	0.37	-5,44	1,76	0.23	0,40	1.02	1,8	+0.3	0,53	0.98	1,72
450	3,9	-0.26	3,82	7,72	0.27	2,08	1.03	7,95	-0.28	-2,16	1	7,72
480	2,7	-0.63	9,26	11,96	0.23	2,75	1.03	12,32	-0.71	-8,5	0.75	8,97
510	1,5	-0.73	10,73	12,23	0.13	1,59	1.01	12,35	-0.93	-11,37	0.39	4,77
540	0,9	-0.74	10,88	11,78	0	0	1	11,78	-1	-11,78	0	0
570	0,3	-0.73	10,73	11,03	-0.13	-1,43	1.01	11,14	-0.93	-10,26	-0.39	-4,3
600	0,3	-0.63	9,26	9,56	-0.23	-2,2	1.03	9,85	-0.71	-6,79	-0.75	-7,17
630	0,3	-0.26	3,82	4,12	-0.27	-1,11	1.03	4,24	-0.28	-1,15	-1	-4,12
660	0,3	0.37	-5,44	-5,14	-0.23	1,18	1.02	-5,24	0.3	-1,54	-0.98	5,04
690	0,3	1	-14,7	-14,4	-0.13	1,87	1.01	-14,54	0.8	-11,52	-0.61	8,78
720	0,3	1.26	-18,52	-18,22	0	0	1	-18,22	1	-18,22	0	0