Номинальная мощность КВт.
|
Число цилиндров
|
Расположение цилиндров .
|
Тип двигателя .
|
Частота вращения К.В.
|
Степень сжатия .
|
Коэффициент избытка воздух
|
90
|
6
|
Рядное .
|
Карбюратор.
|
5400
|
8,.2
|
0,95
|
3. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ .
При
проведении теплового расчета необходимо правильно выбрать исходные данные и
опытные коэффициенты , входящие в некоторые формулы . При этом нужно учитывать
скоростной режим и другие показатели , характеризующие условия работы двигателя
.
ТОПЛИВО :
Степень сжатия e = 8,2 . Допустимо
использование бензина АИ-93 ( октановое число = 81¸90 ) . Элементарный
состав жидкого топлива принято выражать в единицах массы . Например в одном
килограмме содержится С = 0,855 , Н = 0,145 , где От - кислород ; С-
углерод ; Н - водород . Для 1кг. жидкого топлива , состоящего из долей углерода
, водорода , и кислорода , при отсутствии серы можно записать : С+Н+От
= 1 кг .
ПAРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО ТЕЛА:
Определение
теоретически необходимого количества воздуха при полном сгорании жидкого
топлива . Наименьшее количество кислорода Оо , которое необходимо
подвести извне к топливу для полного его окисления , называется теоретически
необходимым количеством кислорода . В двигателях внутреннего сгорания
необходимый для сгорания кислород содержится в воздухе , который вводят в
цилиндр во время впуска . Зная , что кислорода в воздухе по массе 0,23% , а по
объему 0,208% , получим теоретически необходимое количество воздуха для
сгорания 1кг топлива :
кг.
кмоль.
Действительное
количество воздуха , участвующего в сгорании 1 кг. топлива при a=0,9 : alo = 0.9*14.957 = 13.461
кг ; aLo = 0,9 * 0,516 = 0,464 . При молекулярной массе паров топлива mт = 115 кмоль , найдем суммарное количество свежей смеси :
М1 = 1/ mт + aLo = 1/115+0,464 = 0,473 кмоль.
При неполном
сгорании топлива ( a<1 ) продукты
сгорания представляют собой смесь окиси углерода (СО) , углекислого газа (СО2)
, водяного пара (Н2О) , свободного водорода (Н2) , и
азота (N2) . Количество отдельных составляющих
продуктов сгорания и их сумма при К=0,47 (постоянная зависящая от отношения
количества водорода к окиси углерода , содержащихся в продуктах сгорания).:
Мсо =
2*0,21*[(1-a)/(1+K)]*Lo = 0,42*(0,1/1,47)*0,516 = 0,0147 кмоль.
МСО2 = С/12- Мсо
= 0,855/12-0,0147 = 0,0565 кмоль.
МН2 = К* Мсо = 0,47*0,0147 = 0,00692 кмоль.
МН2О = Н/2 - МН2 = 0,145/2-0,00692 = 0,06558 кмоль.
МN2 = 0,792*aLo =
0,792*0,9*0,516 = 0,368 кмоль.
Суммарное
количество продуктов сгорания :
М2
= 0,0147+0,0565+0,00692+0,06558+0,368 = 0,5117 кмоль.
Проверка : М2
= С/12+Н/2+0,792*aLo = 0,855/12+0,145/2+0,792*0,9*0,516 = 0,5117 .
Давление и
температура окружающей среды : Pk=Po=0.1 (МПа) и Tk=To= 293 (К) , а
приращение температуры в процессе подогрева заряда DТ = 20о С .
Температура остаточных газов : Тr = 1030o
К . Давление остаточных газов на номинальном режиме определим по
формуле : PrN = 1.16*Po = 1,16*0,1
= 0,116 (МПа) .
, где
РrN - давление остаточных газов на номинальном режиме , nN - частота вращения
коленчатого вала на номинальном режиме равное 5400 об/мин.
Отсюда получим :
Рr=Р0×( 1,035+ Ар×10-8 ×n2)= 0,1×(1,035+0,42867×10-8×54002)
= 0,1×(1,035+0,125)=0,116
(Мпа)
3.1 ПРОЦЕСС ВПУСКА .
Температура
подогрева свежего заряда DТ с целью получения хорошего наполнения двигателя на номинальном
скоростном режиме принимается DТN =10о С .
Тогда :
DТ = Ат × (110-0,0125×n) = 0,23533×(110-0,0125×5400)= 10о
С .
Плотность заряда на
впуске будет : ,
где Р0
=0,1 (Мпа) ; Т0 = 293 (К) ; В - удельная газовая постоянная равная
287 (Дж./кг*град.) Þ r0 = ( 0,1*106)/(287*293)
= 1,189 (кг/м3).
Потери
давления на впуске DРа , в соответствии со скоростным режимом двигателя
(примем (b2+xвп)= 3,5 , где b - коэффициент затухания
скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра , xвп - коэффициент впускной системы ) ,
DРа = (b2+xвп)* Аn2*n2*(rk /2*10-6) , где Аn = wвп/ nN , где wвп - средняя скорость движения заряда в наименьшем
сечении впускной системы (wвп = 95 м/с) , отсюда Аn= 95/5400 =
0,0176 . : rk = r0 = 1,189 (
кг/м3) .Þ DРа = (3,5× 0,1762×54002×1,189×10-6)/2 = (3,5×0,0003094×29160000×1,189×10-6) = 0,0107 (Мпа).
Тогда давление в
конце впуска составит : Ра = Р0 - DРа = 0,1-
0,0107 = 0,0893 (Мпа).
Коэффициент
остаточных газов :
, при Тк=293 К
; DТ = 10
С ; Рr = 0,116 (Мпа) ; Тr =
1000 K ;
Pa= 0.0893 (Мпа);e = 8,2 , получим : gr
= (293+10)/1000*0,116/(8,2*0,0893-0,116) =0,057.
Коэффициент
наполнения :
(К).
3.2 ПРОЦЕСС СЖАТИЯ.
Учитывая
характерные значения политропы сжатия для заданных параметров двигателя примем
средний показатель политропы n= 1,37 . Давление в конце
сжатия:
Рс = Ра
×en = 0.0893× 8.21.37 = 1,595
(Мпа). Температура в конце сжатия : Тс = Та×e(n-1)
= 340,6×8,20,37 = 741,918@ 742 (К).
Средняя
молярная теплоемкость в конце сжатия ( без учета влияния остаточных газов): mcv’ = 20,16+1,74×10-3×Тс = 20,16+1,74×10-3×742 = 21,45 (Кдж/кмоль×град.)
Число молей остаточных
газов : Мr = a×gr×L0
= 0,95×0,057×0,516=0,0279
(кмоль).
Число молей газов в
конце сжатия до сгорания: Мс= М1+Мr = 0,473+0,0279= 0,5(кмоль)
3.3 ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ .
Средняя молярная теплоемкость при постоянном объеме для продуктов
сгорания жидкого топлива в карбюраторном двигателе при ( a<1) : mcв’’ = (18,4+2,6×a)+(15,5+13,8×a)×10-4×Тz= 20,87+28,61×10-4×Тz = 20,87+0,00286×Тz (Кдж/кмоль×К).
Определим количество молей газов после сгорания : Мz
= M2+Mr = 0,5117+0,0279 = 0,5396 (кмоля) .
Расчетный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси находится по
формуле : b = Мz / Mc = 0,5397/0,5 =
1,08 .
Примем коэффициент использования теплоты xz = 0,8 , тогда
количество теплоты , передаваемой на участке lz при
сгорании топлива в 1 кг. : Q = xz×(Hu-DQH) , где Hu
- низшая теплотворная способность топлива равная 42700 (Кдж/кг).,
DQH
=119950×(1-a)× L0 - количество теплоты , потерянное в
следствии химической неполноты сгорания :
DQH = 119950×(1-0,95) ×0,516 = 3095 (Кдж/кг) , отсюда Q = 0,8×(42700-3095)
=31684 (Кдж/кг). Определим температуру в конце сгорания из уравнения сгорания
для карбюраторного двигателя (a<1) :
, тогда
получим :
1,08(20,87+0,00286*Тz)*Tz =
36636/(0,95*0,516*(1+0,057))+21,45*742
22,4Тz
+0,003Тz2 = 86622 Þ 22,4 Тz
+0,003 Тz2 - 86622 = 0
Максимальное давление в конце процесса сгорания теоретическое : Рz
= Pc*b*Tz /Tc
= 1,595*1,08*2810/742 = 6,524 (Мпа) . Действительное максимальное
давление в конце процесса сгорания : Рzд = 0,85*Рz = 0,85*6,524 =5,545 (МПа) .
Степень повышения давления : l = Рz / Рс = 6,524/1,595 =
4,09
3.4 ПРОЦЕСС РАСШИРЕНИЯ .
С учетом характерных значений показателя политропы расширения для
заданных параметров двигателя примем средний показатель политропы расширения n2 = 1,25
Давление и
температура в конце процесса расширения :
6,524/13,876=0,4701(МПа).2810/1,7=1653 К
Проверка ранее
принятой температуры остаточных газов :
1653/ 1,6 = 1037 К .
Погрешность составит :
3.5 ИНДИКАТОРНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
РАБОЧЕГО ЦИКЛА .
Теоретическое среднее индикаторное давление определенное по формуле :
=1,163 (МПа) . Для определения среднего
индикаторного давления примем коэффициент полноты индикаторной диаграммы равным
jи = 0,96 , тогда среднее индикаторное давление получим : рi = 0,96* рi’ = 0,96*1,163 = 1,116 (МПа) .
Индикаторный К.П.Д.
: hi
= pi l0 a
/ (QH r0
hv )
= (1,116
*14,957*0,9)/(42,7*1,189*0,763) = 0,388 , Qн = 42,7 МДж/кг.
Индикаторный
удельный расход топлива : gi = 3600/ (QH hi ) = 3600/(42,7*0,388) =217 г/КВт ч.
3.6 Эффективные
показатели двигателя .
При средней скорости поршня Сm = 15
м/с. , при ходе поршня S= 75 мм. и частотой вращения
коленчатого вала двигателя n=5400 об/мин. , рассчитаем
среднее давление механических потерь : Рм = А+В* Сm
, где коэффициенты А и В определяются соотношением S/D =0,75<1 , тогда А=0,0395 , В = 0,0113 , отсюда Рм =
0,0395+0,0113*15 =0,209 МПа.
Рассчитаем среднее эффективное
давление : ре = рi - pм = 1,116-0,209=
0,907 МПа.
Механический К.П.Д.
составит : hм = ре / рi
= 0,907/ 1,116 = 0 ,812
Эффективный К.П.Д.
и эффективный удельный расход топлива :
hе= hi
hм = 0,388*0,812 = 0,315 ; ge
= 3600/(QH hе) = 3600/(42,7*0,315)
= 268 г/КВт ч
Основные параметры цилиндра и двигателя.
1. Литраж двигателя : Vл = 30×t Nе / (ре n) = 30*4*90/(0,907*5400) = 2,205 л.
2. Рабочий объем цилиндра : Vh = Vл / i = 2,205 / 6 = 0,368 л.
3. Диаметр цилиндра : D = 2×103×Ö Vh(pS) = 2*10^3*(0,368/(3,14*75))^(0,5)= 2*103*0,0395 = 79,05 мм.@ 80 мм.
4. Окончательно приняв S = 75 мм. и D = 80мм. объем двигателя составит : Vл = pD2Si / (4*106) =
(3,14*6400*75*6)/(4000000)= 2,26 л.
5. Площадь поршня : Fп = pD2 / 4 = 20096/4 = 5024 мм2 =
50,24 (см2).
6. Эффективная мощность двигателя : Nе = ре Vл n / 30t = (0,907*2,26*5400)/(30*4) = 92,24 (КВт.).
7. Эффективный крутящий момент : Ме = (3*104 / p)(Ne
/n) = (30000/3,14)*(92,24/5400) = 163,2 (н×м)
8. Часовой расход топлива : Gт = Ne ×ge
×10-3 = 92,24×268×10-3 =
92,24*268*10^(-3)=24,72 .
9. Удельная поршневая мощность : Nn = 4× Ne /i×p×D2 = (4*92,24)/(6*3,14*80*80)
=30,6
3.7 ПОСТРОЕНИЕ ИНДИКАТОРНОЙ
ДИАГРАММЫ ДВИГАТЕЛЯ .
Индикаторную диаграмму строим для номинального режима двигателя , т.е.
при Ne=92,24 кВт. И n=5400
об/мин.
Масштабы диаграммы
:масштаб хода поршня 1 мм. ; масштаб давлений 0,05 МПа в мм.
Величины
соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания :
АВ = S/Ms
= 75/1,0 =75 мм. ; ОА = АВ / (e-1) = 75/(8,2-1) = 10,4 мм.
Максимальная высота
диаграммы точка Z : рz
/ Mp = 6,524/0,05 = 130,48 мм.
Ординаты
характерных точек :
ра / Мр = 0,0893/0,05 = 1,786 мм. ; рс / Мр
= 1,595/0,05 = 31,9 мм. ; рв / Мр = 0,4701/0,05 =
9,402 мм. : рr / Мр = 0,116/0,05 = 2,32 мм. ; р0 / Мр = 0,1/0,05 = 2 мм.
Построение политроп сжатия и расширения аналитическим методом :
1. Политропа сжатия : Рх = Ра (Vа Vх )n1 . Отсюда Рх / Мр
= (Ра/Мр)(ОВ/ОХ)n1 мм. ,
где ОВ= ОА+АВ= 75+10,4 = 85,4 мм. ; n1 = 1,377
.
ТАБЛИЦА 2. Данные политропы сжатия :
ТАБЛИЦА 3. Данные политропы расширения .:
Рх / Мр
= Рв (Vв /Vх)n2 ,
отсюда Рх / Мр = (рв/Мр)(ОВ/ОХ)n2
, где ОВ= 85,4 ; n2 =1.25
Рис.1. Индикаторная
диаграмма.
4. ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ .
Кинематика кривошипно-шатунного механизма .
Sn = (R+a)- ( R cos.a+acos.b)=
R[(1+1/l)-( cos.b+1/l cos.b)] , где l =R / a , тогда Sn
= R[(1+ l/4)-( cos.a+ l/4
cos.2a)] , если a=180о то Sn=S
- ходу поршня , тогда : 75 = R[(1+l/4)-(-1+l/4)] ; 75 = R[1.0625+0.9375] ; 75 = 2R Þ R = 75/2 = 37.5 мм.=0,0375 м.
l=R/Lш Þ Lш =
R/l= 37,5/0,25 = 150
мм.=15 см. т.к. l=
0,25
Находим скорость
поршня и ускорение в зависимости от угла поворота кривошипа :
Vп = dSn/dt = Rw(
sina + l/2sin2a) , jn = d2Sn/dt
= Rw2(cosa + lcos2a) ,
Угловую скорость
найдем по формуле : w = pn/30 = 3,14*5400/30 = 565,2 рад/с .
ТАБЛИЦА 4.. Числовые данные определяющие соотношения :
1- ( sina + l/2sin2a) ; 2- (cosa + lcos2a)
Подставив эти
значения в формулы скорости и ускорения и подсчитав результаты занесем их в
таблицу 5.
ТАБЛИЦА 5. Скорость поршня при различных углах поворота кривошипа.(м/с)
a
|
0
|
30
|
60
|
90
|
120
|
150
|
180
|
210
|
240
|
270
|
300
|
330
|
Vп
|
0
|
12,89
|
20,65
|
21,2
|
8,31
|
0
|
-8,31
|
-16,06
|
-21,2
|
-20,65
|
-12,89
|
a
|
360
|
390
|
420
|
450
|
480
|
510
|
540
|
570
|
600
|
630
|
660
|
690
|
Vп
|
0
|
12,89
|
20,65
|
21,2
|
16,06
|
8,31
|
0
|
-8,31
|
-16,06
|
-21,2
|
-20,65
|
-12,89
|
ТАБЛИЦА 6. Ускорение поршня при различных углах поворота кривошипа .
a
|
0
|
30
|
60
|
90
|
120
|
150
|
180
|
210
|
240
|
270
|
300
|
330
|
jп
|
14974
|
11872
|
4492
|
-2995
|
-7487
|
-8877
|
-8985
|
-8877
|
-7487
|
-2995
|
4492
|
11872
|
a
|
360
|
390
|
420
|
450
|
480
|
510
|
540
|
570
|
600
|
660
|
690
|
jп
|
14974
|
11872
|
4492
|
-2995
|
-7487
|
-8877
|
-8985
|
-8877
|
-7487
|
-2995
|
4492
|
11872
|
Рис.2 График
зависимости скорости поршня от угла поворота кривошипа .
Рис. 3 График зависимости ускорения
поршня от угла поворота кривошипа .
4.2 ПОСТРОЕНИЕ РАЗВЕРНУТОЙ
ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ.
Отрезок
ОО1 составит : ОО1= Rl/2 = 0,25*3,75/2 = 0,47 (см). Отрезок АС :
АС = mj
w2 R(1+l) = 0,5 Рz =
0,5*6,524 = 3,262 (МПа) ; Рх = 3,262/0,05 = 65,24 мм.
Отсюда можно
выразить массу движущихся частей :
Рассчитаем
отрезки BD и EF :
BD = - mj
w2 R(1-l) = -
0,000218*319451*0,0375*(1-0,25) = -1,959 (МПа) .
EF = -3 mj
w2 Rl =
-3*0,000218*319451*0,0375*0,25 = -1,959 (МПа ). Þ BD= EF
Рис.4 Развернутая
индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя.
Силы инерции
рассчитаем по формуле : Рj = - mj
w2 R(cosa + lcos2a)
ТАБЛИЦА 7. Силы инерции .
a
|
0
|
30
|
60
|
90
|
120
|
150
|
180
|
210
|
240
|
270
|
300
|
330
|
Рj
|
-3,25
|
-2.58
|
-0,98
|
0,65
|
1,625
|
1,927
|
1,95
|
1,927
|
1,625
|
0,65
|
-0,98
|
-2,58
|
a
|
360
|
390
|
420
|
450
|
480
|
510
|
540
|
570
|
600
|
630
|
660
|
690
|
Pj
|
-2,58
|
-0,98
|
0,65
|
1,625
|
1,927
|
1,95
|
1,927
|
1,625
|
0,65
|
-0,98
|
-2,58
|
Расчет радиальной ,
нормальной и тангенциальной сил для одного цилиндра :
Определение
движущей силы , где Р0 = 0,1 МПа , Рдв = Рr
+Pj - P0 , где Рr - сила давления газов на поршень , определяется по индикаторной диаграмме
теплового расчета . Все значения движущей силы в зависимости от угла поворота
приведены в таблице 8. Зная движущую силу определим радиальную , нормальную и
тангенциальную силы :
N= Рдв*tgb ;
Z = Рдв * cos(a+b)/cosb
; T = Рдв * sin(a+b)/cosb
ТАБЛИЦА 8. Составляющие силы .
По результатам
расчетов построим графики радиальной N (рис.5) ,
нормальной (рис.6) , и тангенциальной (рис.7) сил в зависимости от угла
поворота кривошипа .
Рис.5 График
радиальной силы N в зависимости от угла поворота кривошипа
.
Рис 6. График
зависимости нормальной силы от угла поворота кривошипа.
Рис.7. График
тангенциальной силы в зависимости от угла поворота кривошипа
4.4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУММАРНЫХ
НАБЕГАЮЩИХ ТАНГЕНЦИАЛЬНЫХ СИЛ И СУММАРНОГО НАБЕГАЮЩЕГО КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА .
Алгебраическая
сумма касательных сил , передаваемых от всех предыдущих по расположению
цилиндров , начиная со стороны , противоположной фланцу отбора мощности ,
называется набегающей касательной силой на этой шейке . В таблице 10 собраны
тангенциальные силы для каждого цилиндра в соответствии с работой двигателя и
определена суммарная набегающая тангенциальная сила на каждом последующем
цилиндре .
Суммарный
набегающий крутящий момент будет : å Мкр = å (å Тi) Fп R , где Fп - площадь поршня : Fп = 0,005 м2 , ; R= 0,0375 м . - радиус кривошипа . Порядок работы поршней в шести
цилиндровом рядном двигателе : 1-4-2-6-3-5 .
Формула перевода
крутящего момента : Мкр =98100* Fп R
Рис. 8. График
среднего крутящего момента в зависимости от угла поворота кривошипа.
Определим средний
крутящий момент : Мкр.ср = ( Мmax + Mmin)/2
Мкр.ср =
(609,94+162,2)/2 = 386 н× м .
5. ВЫВОДЫ.
В
результате проделанной работы были рассчитаны индикаторные параметры рабочего
цикла двигателя , по результатам расчетов была построена индикаторная диаграмма
тепловых характеристик.
Расчеты
динамических показателей дали размеры поршня , в частности его диаметр и ход ,
радиус кривошипа , были построены графики составляющих сил , а также график
суммарных набегающих тангенциальных сил и суммарных набегающих крутящих
моментов.
Шестицилиндровые
рядные двигатели полностью сбалансированы и не требуют дополнительных мер
балансировки .
6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.
1. КОЛЧИН А. И.
ДЕМИДОВ В. П. РАСЧЕТ АВТОМОБИЛЬНЫХ И ТРАКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. М.: Высшая школа,
1980г.;
2. АРХАНГЕЛЬСКИЙ В.
М. и другие. АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ. М.: Машиностроение, 1967г.;
3. ИЗОТОВ А. Д.
Лекции по дисциплине: «Рабочие процессы и экологическая безопасность
автомобильных двигателей» . Заполярный, 1997г..