Динамика двигателя внутреннего сгорания

Динамика двигателя внутреннего сгорания

ЗАДАНИЕ

. Двигатель-прототип - ГАЗ-24;

. Номинальная эффективная мощность двигателя прототипа , кВт - 70-80;

. Номинальная частота вращения вала двигателя , об/мин - 5000;

. Числа цилиндров, z - 4P;

. Диаметр цилиндра D, м - 0,092;

. Ход поршня S, м - 0,092;

. Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, 𝜆кр - 0,260;

. Степень сжатия  - 7,3 ;

. Коэффициент избытка воздуха  - 0,86;

. Степень предварительного расширения  - 1,08;

. Коэффициент эффективного использования теплоты при сгорании  - 0,91;

. Масса поршня , кг - 0,62;

. Масса шатуна , кг - 1,02;

. Отношение массы шатуна приведенного к поршню, к массе шатуна  - 0,278;

. Масса кривошипа , кг - 3,90.

1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ ДВИГАТЕЛЯ

Рис. 1.1 - Схема кривошипно-шатунных механизмов (рядного)

1.1 Характерные объёмы цилиндров

Рабочий объём цилиндра

где D - диаметр цилиндра;- ход поршня.

  (по заданию).

Объём камеры сжатия

где  - степень сжатия.

 (по заданию).

Полный объём цилиндра

Текущий объём

где  - угол поворота кривошипа;

 - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

;  (по заданию).

Результаты расчётов выполненные от 0 до  сводят в таблицу 1. 1 и строя график зависимости изменения объёма цилиндра от угла поворота кривошипа.

Табл. 1.1 - Зависимость объёма цилиндра от угла поворота кривошипа

Литраж двигателя

где  - число цилиндров;  (по заданию).

1.2 Характеристика горючей смеси и продуктов сгорания

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:

где С - массовая доля в топливе углерода;

Н - массовая доля в топливе водорода;

О - массовая доля в топливе кислорода;

 - объёмная доля кислорода в воздухе.

;  [2];

Количество горючей смеси на 1 кг топлива для карбюраторного двигателя

где  - коэффициент избытка воздуха;

 - молекулярная масса топлива.

 (по заданию); [2]. Принимаю .

Количество продуктов сгорания на 1 кг топлива

Химический коэффициент молекулярного изменения горячей смеси при сгорании

1.3 Параметры состояния газа перед впускными и за выпускными клапанами

Давление свежего заряда перед впускными клапанами для двигателей без наддува

где  - давление окружающей среды;

 - потеря давления в впускном трубопроводе.

; . Принимаем .

Температура свежего заряда перед впускными клапанами для двигателей без наддува

где  - температура окружающей среды;

 - температура подогрева свежего заряда.

 .. Принимаем .

Давление газа за выпускными клапанами двигателя без наддува

где  - перепад давления в выпускном трубопровода;

. Принимаем .

1.4 Показатели процесса наполнения

Количество остаточных газов

где  - универсальная газовая постоянная;

 - температура остаточных газов в начале процесса впуска.

; . Принимаем .

Давление остаточных газов

где  - коэффициент, учитывающий перепад давления остаточных газов в цилиндре по отношению к давлению за выпускными клапанами в конце процесса выпуска.

. .

Давление в конце процесса наполнения

где  - коэффициент, учитывающий перепад давления рабочей смеси перед впускными клапанами по отношению к давлению в цилиндре в конце процесса наполнения.

. .

Коэффициент наполнения

где  - повышение температуры свежего заряда от стенок цилиндра.

. Принимаем .

Коэффициент остаточных газов

Температура в конце процесса наполнения

Количество свежей смеси, заполнившей цилиндр

Количество рабочей смеси

1.5 Показатели процессов сжатия и сгорания

Изменение давления в цилиндре в процессе сжатия

где  - показатель политропы сжатия.

.

Давление в конце процесса сжатия

Температура в конце процесса сжатия

Коэффициент молекулярного изменения при сгорании рабочей смеси

Температуру в условном конце сгорания , по методу расчёта, изложенному в работе. Определяют решая уравнения

Для карбюраторного двигателя входящие в уравнение зависимости определяют по формулам

где ;

 - степень предварительного расширения.

 (по заданию).

где ; ;

 - низшая теплотворная способность топлива;

 - коэффициент эффективности использования теплоты при сгорании.

;  (по заданию).

Для карбюраторного двигателя степень повышения давления определяется по заданной степени предварительного расширения

Давление в конце сгорания

Объём цилиндра в конце сгорания

1.6 Показатели процесса расширения

Давление в цилиндре на участке предварительного расширения принимают величиной постоянной равной .

Степень последующего расширения

При последующем расширении давление в цилиндре уменьшается в результате увеличения объёма и рассчитывается по формуле

где  - показатель политропы расширения.

Принимаем .

Давление в конце процесса расширения

Температура в конце процесса расширения

Давления и температуры в цилиндре двигателя в процессах сжатия, сгорания и расширения вносятся в таблицу. По результатом расчёта рабочего процесса двигателя строятся индикаторные диаграммы, представляющие собой зависимости изменения давления газов в цилиндре от его объёма и угла поворота кривошипа. В процессе наполнения давления принимают величиной постоянной, равной , а давление в процессе выпуска равным .

Табл. 1.2 - Индикаторная диаграмма

1.7 Индикаторные и эффективные показатели двигателя

Среднее индикаторное давление

где  - коэффициент полноты индикаторной диаграммы.

 [2].

Индикаторная мощность двигателя

где  - тактность двигателя.

Средний индикаторный момент

Экономичность рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания характеризуется индикаторным КПД, который представляет собой отношение тепла преобразованного в индикаторную работу цикла  к теплу, затраченного за цикл топлива .

Удельный индикаторный расход топлива

Среднее давление механических потерь

где  - средняя скорость поршня.

 и  - эмпирические коэффициенты.

 [6];  [6].

Механический КПД двигателя

Среднее эффективное давление

Эффективный КПД двигателя

Эффективная мощность двигателя

Эффективный момент

Удельный эффективный расход топлива

Часовой расход топлива

2. ДИНАМИКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

К выполнению данного этапа проекта приступают после определения показателей рабочего процесса. Расчёты проводят в следующей последовательности:

. Определение движущих масс кривошипно-шатунного механизма.

. Определение сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме и крутящего момента.

Для проведения расчётов необходимо составить схему сил действующих в кривошипно-шатунном механизме.

Силы, действующие на кривошипно-шатунный механизм

Рис. 2.1

2.1 Определение масс движущихся частей кривошипно-шатунного механизма

Масса возвратно-поступательно движущихся частей

где  - масса поршня;

 - масса шатуна, приведенная к поршню.

;  (по заданию).

Масса вращающихся частей

где  - масса кривошипа;  - масса шатуна, приведенная к кривошипу.

;  (по заданию).

2.2 Определение сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме и крутящего момента

Сила от давления газов на поршень

где  - давление газов в цилиндре. Сила инерции возвратно-поступательных масс

Суммарная сила действующая на поршень

Нормальная сила, действующая перпендикулярно оси цилиндра

где  - угол отклонения шарнира от оси цилиндра. Сила, действующая на кривошип

Центробежная сила, действующая на кривошип

Полная радиальная сила на кривошипе

Тангенциальная сила на одном кривошипе

Крутящий момент от одного цилиндра,

По данным результатом строим диаграммы от угла поворота кривошипа от 0 до 720 действующая на поршень и кривошип. Определить суммарный индикаторный момент

Среднее величина индикаторного момента многоцилиндрового двигателя определяется индикаторной работой периода, отнесенной к углу поворота

Эффективный момент двигателя

Эффективная мощность

где  - угловая скорость вала двигателя, рад/сек.

Табл. 2.1 - Такт впуска. Силы, действующие на поршень

двигатель цилиндр объём клапан

Табл. 2.2 - Такт впуска. Силы, действующие на кривошип

Табл. 2.3 - Такт сжатия. Силы, действующие на поршень

Табл. 2.4 - Такт сжатия. Силы, действующие на кривошип

Табл. 2.5 - Такт расширения. Силы, действующие на поршень

Табл. 2.6 - Такт расширения. Силы, действующие на кривошип

Табл. 2.7 - Такт выпуска. Силы, действующие на поршень

Табл. 2.8 - Такт выпуска. Силы, действующие на кривошип

3. ХАРАКТЕРИСТИКА ДВИГАТЕЛЯ

.1 Внешняя скоростная характеристика двигателя

Внешняя скоростная характеристика представляет собой зависимость эффективного крутящего момента , эффективной мощности , удельного расхода топлива  и часового расхода топлива  при полном открытии дроссельной заслонки в карбюраторном двигателе или при положении органа управления подачей топлива в низу, обеспечивающей получений номинальной мощности, в зависимости от скорости вращения вала двигателя .

Для расчета зависимости эффективной мощности  от скорости вращения вала двигателя  используют эмпирическое уравнение

где  - эмпирические коэффициенты.

 - эффективная мощность двигателя на номинальном режиме, получаем при выполнении расчёта рабочего процесса двигателя.

Построение внешней скоростной характеристике необходимо производить в диапазоне от  до . Если на авто установлен карбюраторный двигатель без ограничения скорости вращения вала, то принять . В случае применению карбюраторного двигателя с ограниченной скорости вращения то .

Эффективный момент двигателя определяют по формуле

Удельный эффективный расход топлива рассчитывают по формуле

где  - удельный эффективный расход топлива при максимальной мощности;

 - коэффициент учитывающий изменение удельного расхода топлива при изменении угловой скорости вращения вала.

. Принимаем .

Коэффициент  приближено можно определить по эмпиричному выражению:

где  - коэффициенты зависящие от типа и конструкции двигателя. При проведении расчётов можно принимать ; ; . Часовой расход топлива

Результаты заносим в таблицу 3. 1

Табл. 3.1 - Внешняя скоростная характеристика двигателя

3.2 Нагрузочная характеристика

Нагрузочную характеристику необходимо построить для 6-8 значений скорости вращения вала двигателя начиная от минимальной до максимальной включая номинальный режим.

При определении удельного расхода топлива пользуется зависимостью

где  - коэффициент учитывающий степень использования мощности двигателя.

Коэффициент определяется по формуле

где  - степень использования мощности двигателя.

Степень использования мощности двигателя представляет собой отношения используемой эффективной мощности двигателя  к  по внешней скорости характеристике при соответствующей скорости вращения вала двигателя

Коэффициенты ; ; .

Для постоянной скорости вращения вала двигателя коэффициент проявляется величиной постоянной.

3.3 Многопараметровая характеристика

Многопараметровую характеристику строят в координатах: эффективный момент - угловая скорость вращение вала двигателя, но которую наносят кривые равных удельных расходов и кривые равных эффективных мощностей.

Для построения многопараметровой характеристики используются результаты внешней скорости характеристики.

Для построения многопараметровой характеристике результаты расчётов различных угловых скоростей вращения вала двигателя в пределах от 60 …80 рад/сек до . Минимальное значение эффективного момента принимают 0,2…0,3 от максимального момента по внешней скорости характеристике. Внешняя скорость характеристика ограничивает поля многопараметровой характеристик сверху.

Табл. 3.2 - Нагрузочные и многопараметровые характеристики

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Болотин Г.М., Токаренко В.М. Оформление материалов самостоятельной работы. - К: Вища школа, 1984. - 72 с.

. Разлейцев Н.Ф. и др. Типовая программа, методические указания и контрольные задания по курсу «Основы теории и расчёта автомобильных и тракторных двигателей». - Харьков.: ХПИ, 1988. - 60 с.

. Богданов С.Н., Буренков М.М., Иванов И.Е. Автомобильные двигателя. М.: Машиностроения, 1987. - 368 с.

. Артамонов М.Д., Морин М.М. Основы теории и конструирования автотракторных двигателей. - М.: Высшая школа, 1973. - 205 с.

. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. (Под ред. А.С. Ормена и М.Г. Круглова) - М.: Машиностроения, 1983. - 372 с.

. Железко Б.Е. и др. Расчет и конструирование автомобильных и тракторных двигателей. - Минск. Вышэйшая школа, 1987. - 247 с.

. Автомобильные и тракторные двигатели. Часть 1. Теория двигателей и системы их топливоподачи. (Под ред. И.М. Ленина). - М.: Машиностроения, 1976. -368 с.

. Автомобильные и тракторные двигатели. Часть 2. Конструкция и расчёт двигателей. (Под ред. И.М. Ленина). - М.: Машиностроения, 1976. -280 с.

. Двигатели внутреннего сгорания. (Пол ред. В.Н. Луканина). - М.: Высшая школа, 1985.

. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. - М.: Высшая школа, 1980.

. Шапко В.Ф., Нарбут Т.А. К вопросу о расчёте топливной экономичности автомобиля. - М.: Известия высших учебных заведений, №5, 1977.