Построение индикаторной диаграммы

Стр 1 из 2Следующая ⇒

Министерство образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Курганский государственный университет»

(КГУ)

Кафедра «Автомобильный транспорт и автосервис»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Основы теории и динамики автомобильных и тракторных двигателей»

Разработал: студент гр. _________ _______________/ /

^{(подпись)}

Руководитель: канд. техн. наук, доцент _____________/ /

^{(подпись)}

Работа защищена с оценкой _________________________

Члены комиссии: ____________ / /

^{(подпись)}

___________ / /

^{(подпись)}

Курган 2017

Содержание

1 Исходные данные. 3

2 Определение основных показателей двигателя. 4

2.1 Индикаторные показатели. 4

2.2 Эффективные показатели. 8

3 Построение индикаторной диаграммы.. 12

4 Динамический расчет. 16

4.1 Сила давления газов. 16

4.2 Силы инерции. 17

4.3 Суммарные силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме 19

4.4 Крутящий момент двигателя. 20

5 Анализ уравновешенности двигателя. 24

Список литературы.. 26

Исходные данные

Исходные данные для расчета представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Исходные данные

Четырехтактный рядный двигатель с искровым зажиганием без наддува
Наименование	Обозначение	Величина	Размерность
Диаметр цилиндра	D		м
Ход поршня	S		м
Число цилиндров	i		-
Частота вращения	n_N		мин^-1
Степень сжатия	ε		-
Давление конца впуска	Р_а		МПа
Давление конца сжатия	Р_с		МПа
Давление конца сгорания	Р_z		МПа
Давление конца расширения	Р_в		МПа
Давление остаточных газов	Р_r		МПа

Определение основных показателей двигателя

Индикаторные показатели

Расчет основных показателей двигателя производится для режима максимальной мощности.

На основании данных задания определяются основные параметры двигателя.

Рабочий объем цилиндра V_h, л,

. (2.1)

V_h= –––––––––– = л.

Объем камеры сгорания V_c, л,

V_c = V_h/(e-1). (2.2)

V_c= –––––––––– = л.

Полный объем цилиндра V_a, л,

V_a = V_h + V_c. (2.3)

V_a= + = л.

Рабочий объем (литраж) двигателя V_л, л,

V_л = V_h×i. (2.4)

V_л= = л.

Расчетное среднее индикаторное давление , МПа,

- бензиновый двигатель

(2.5)

- дизель

, (2.5)

где d - степень последующего расширения d=e/r;

l₁ – степень повышения давления l₁ = Р_Z/Р_C = 7,78/1,97 = 3,947

n₁, n₂ - показатели политроп сжатия и расширения.

Средние значения показателей политроп определяются как:

. (2.8)

P_i ‘= МПа.

Среднее индикаторное давление P_i, МПа,

(2.9)

где j_п - коэффициент полноты индикаторной диаграммы (j_п = 0,92-0,97; при этом большее значение для бензиновых двигателей).

P_i = МПа.

Индикаторная мощность N_i, кВт,

N (2.10)

где t - коэффициент тактности двигателя. (для четырехтактных t = 4).

N_i = кВт.

Индикаторный кпд цикла h_i

h_i = (2.11)

где l_o - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания I кг топлива, кг/кг (l_o = 14,95 для бензинов и l_o = 14,45 для дизельных топлив);

H_u - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг; (H_u = 44 для бензинов и H_u = 42,5 для дизельных топлив);

a - коэффициент избытка воздуха; (a = 0,85-0,96 для бензиновых карбюраторных двигателей; a =1,3-1,7 для дизелей без наддува; a =1,5-2,2 для дизелей с наддувом);

h_v - коэффициент наполнения;

r_к - плотность заряда на впуске, кг/м³.

r_к = Р_к 10⁶/(R_BT_K), (2.12)

где Р_к - давление наддува (для двигателей без наддува Р_к = Р_о), МПа;

Температура Т_к, К, воздуха на входе в двигатель,

Т_к = Т_о , (2.13)

где Р_о, Т_о - давление (МПа) и температура (К) окружающей среды (Р₀=0,1 МПа; Т₀=273+(10...20),К);

R_B = 287 Дж/(кг×град.) – удельная газовая постоянная воздуха.

Т_к = 293 = 293 К.

r_к = 0,1·10⁶/(287·293) = 1,189 кг/м³.

Коэффициент наполнения h_v определяется по выражению:

(2.14)

где j_доз - коэффициент дозарядки (j_доз = 1,02-1,15, при этом большее значение для высокооборотных двигателей);

DТ - подогрев свежего заряда, К (DТ = 0-25 для бензиновых карбюраторных двигателей и DТ = 20-40 для дизелей);

g_r - коэффициент остаточных газов;

Т_r - температура остаточных газов, К (Т_r = 900-1100 для бензиновых двигателей и Т_r = 700-900 для дизелей).

Коэффициент остаточных газов g_r

g_r = (2.15)

g_r = ,

h_v = ,

h_i = .

Удельный индикаторный расход топлива g_i, г/кВтч,

g_i = (2.16)

g_i = г/кВтч.

Эффективные показатели

Среднее эффективное давление Р_е, МПа,

Р_е = Р_i - Р_м, (2.17)

где Р_м - среднее давление механических потерь, МПа, определяемое в зависимости от средней скорости поршня по выражению,

Р_м = а + b V_п.ср, (2.18)

где а, b - постоянные для данного типа двигателя коэффициенты.

Выражение 2.18 имеет вид:

для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением S/D>1: Р_м = 0,049 + 0,0152 V_п.ср;

для бензиновых восьмицилиндровых двигателей с отношением S/D<1: Р_м = 0,039 + 0,0132 V_п.ср;

для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением S/D£1: Р_м = 0,034 + 0,0113 V_п.ср;

для четырехтактных дизелей с неразделенными камерами сгорания: Р_м = 0,089 + 0,0118 V_п.ср;

Средняя скорость поршня V_п.ср, м/с,

V_п.ср= Sn_N/30, (2.19)

где S - ход поршня, м.

V_п.ср= м/с,

Р_м = МПа,

Р_е = МПа.

Эффективная мощность двигателя N_е, кВт,

N_е = . (2.20)

N_e = кВт.

Литровая мощность двигателя N_л, кВт/л,

N_л = . (2.21)

N_л = кВт/л.

Эффективный крутящий момент двигателя М_е, Нм,

М_е = . (2.22)

М_е = Нм.

Эффективный кпд двигателя

h_е = h_i h_м, (2.23)

где h_м - механический кпд, определяемый по формуле

h_м = Р_е/Р_i. (2.24)

h_м = ,

h_е = .

Удельный эффективный расход топлива g_е, г/кВтч

g_е = g_i/h_м. (2.25)

g_е = г/кВтч.

Часовой расход топлива G_т, кг/ч

G_т = g_е N_е/1000. (2.26)

G_т = кг/ч.

Построение индикаторной диаграммы

На основании данных задания производится построение индикаторной диаграммы действительного цикла двигателя.

При построении диаграммы ее масштабы рекомендуется выбирать с таким расчетом, чтобы получить высоту равной 1,2-1,7 ее основания. Отрезок АВ, соответствующий рабочему объему цилиндра, рекомендуется выбирать равным ходу поршня в масштабе 1:1; 1,5:1 или 2:1. Масштаб давлений рекомендуется выбирать 0,02; 0,025; 0,04; 0,05; 0,07-0,1 МПа/мм.

Отрезок ОА, соответствующий объему камеры сгорания

ОА = АВ/(e - 1) мм,

отрезок Z’Z для дизелей Z’Z = ОА(r - 1).

Затем на диаграмме наносятся давления в характерных точках Р_а, Р_с, Р_z, Р_b, Р_r.

Построение политроп сжатия и расширения производится аналитическим или графическим методами.

При аналитическом методе необходимо определить ординаты промежуточных расчетных точек по уравнению политропы:

- сжатия РVⁿ¹ = const;

- расширения РVⁿ² = const.

Для политропы сжатия Р_xV_xⁿ¹ = Р_аV_аⁿ¹, откуда

Р_x = Р_а(V_а/V_x)ⁿ¹, (3.1)

где Р_x_,V_x - давление и объем в искомой промежуточной точке.

Отношение V_a/V_x изменяется в пределах I-e.

Аналогично для политропы расширения

Р_x = Р_b (V_b/V_x)ⁿ². (3.2)

Отношение V_b/V_x изменяется для бензинового двигателя в интервале I-e , для дизелей – I-d.

Для получения действительной индикаторной диаграммы а’а”c’fz_дb’b”ra (скругление индикаторной диаграммы) производится выбор:

- фаз газораспределения (точке a’ соответствует открытие впускного клапана j_Н.ВП. = 10-30 град. до в.м.т.; точке a” – закрытие его j_К.ВП. = 35-85 град. после н.м.т.; точке b’ – открытие выпускного клапана j_Н.ВЫП. = 40-70 град. до н.м.т.; точке r’ – закрытие выпускного клапана j_К.ВЫП. = 10-50 град после в.м.т.);

- угла опережения (угол опережения зажигания в двигателе с искровым зажиганием j_ОП.З = 5-25 град. до в.м.т., большее значение при повышенной степени сжатия; угол опережения впрыска в дизеле j_ОП.В = 20-35 град. до в.м.т.) - точка c’;

- периода задержки воспламенения (задержка воспламенения в двигателе с искровым зажиганием составляет Dj₁ = 5-18 град., а в дизеле Dj₁ = 8-12 град.; отрезок c’f = (j_ОП.З - Dj₁) для бензиновых или c’f = (j_ОП.В - Dj₁)) для дизелей;

- значения давления в верхней мертвой точке процесса сжатия P_С" = (1,15-1,25) Р_С;

- значения действительного максимального давления сгорания (Р_Z_Д=0,85Р_Z для бензиновых; Р_Z_Д=Р_Z для дизелей).

Для определения местоположения указанных точек устанавливается связь между углом j поворота коленчатого вала и перемещением поршня

АХ = АВ/2[(1-cosj) + l/4 (1-cos2j)], (3.3)

где l - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна l=0,25-0,3.

Масштабы диаграммы: масштаб хода поршня M_s = 1 мм в мм; масштаб давлений М_р = 0,05 МПа в мм.

Приведенные величины, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:

АВ = S/M_S =

ОА = АВ /( ε -1) =

Ординаты характерных точек:

Р_а/М_р =

р _r /М_р =

р₀/М_р =

Р _zd /М_р =

Результаты расчета точек политроп приведены в таблице 3.

Таблица 3.1 – Результаты расчета точек политроп

Политропа сжатия					Политропа расширения
V_a/V_x	V_x,л	Р_x,МПа	V_x,мм	Р_x,мм	V_b/V_x	V_x,л	Р_x,МПа	V_x,мм	Р_x,мм

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения зажигания определяют положение точек ь', r ', а', а", с', f по формуле (3.3).

Таблица 3.2 – Положение точек диаграммы

Обозначение точек	Положение точек	j°	(1-cos j) +l/4(1- cos 2 j)	Расстояние точек от в.м.т. (АХ), мм
ь'	до н. м. т.
а'	до в. м. т.
r '	после в. м. т.
а"	после н. м. т.
с'	до в. м. т.
f	до в. м. т.

Соединяя плавными кривыми точки, получим скругленную действительную индикаторную диаграмму.

Динамический расчет

На рисунке 4.1 приведены схемы сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме двигателя.

Рисунок 4.1 – Схемы сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме

Сила давления газов

Силу давления газов на поршень Р_г, Н, определяют по формуле

Р_г = (р – р_о)F_п × 10³= Dр_г F_n×10⁶, (4.1)

где р – текущее давление газов в цилиндре в любой момент времени, МПа;

F_п – площадь поршня, м², = πD²/4,

Зависимость силы давления газов, действующей на поршень, от угла поворота коленчатого вала определяют по индикаторной диаграмме, построенной на основании теплового расчета. Перестроение (развертывание) индикаторной диаграммы в координаты р – j осуществляется графическим методом (метод Брикса).

Под индикаторной диаграммой строят вспомогательную полуокружность радиусом R=S/2. Далее от центра полуокружности (точка 0) в сторону н.м.т. откладывают поправку Брикса, равную Rl/2. Полуокружность делят лучами из центра 0 на несколько частей (интервал между точками на развернутой диаграмме рекомендуется брать равным 30^о), а из центра Брикса (точка 0’) проводят линии, параллельные этим лучам. Из этих точек проводят вертикальные линии до пересечения с линиями индикаторной диаграммы, и полученные величины давления откладывают на вертикали соответствующих углов j. Развертку индикаторной диаграммы обычно начинают от в.м.т. в процессе хода впуска.

Нулевая отметка шкалы сил (удельных давлений) располагается на уровне величины р_о.

Силы инерции

Сила инерции Р_j, Н, от возвратно-поступательно движущихся масс

P_j = - m_jj= – m_jRw²(cosj + lcos 2j ), (4.2)

где m_j – возвратно-поступательно движущиеся массы, кг;

R – радиус кривошипа, м;

w – угловая скорость вращения коленчатого вала,с^-1.

Центробежные силы инерции определяют по формулам:

- силы инерции K_R_ш, Н, вращающихся масс шатуна

K_R_ш = –m_шкRw²; (4.3)

- силы инерции K_R_к, Н, вращающихся масс кривошипа

K_R_к = –m_кRw²; (4.4)

- суммарные центробежные силы инерции вращающихся масс, Н,

K_R = –m_RRw². (4.5)

Система сосредоточенных масс, динамически эквивалентная кривошипно-шатунному механизму, состоит из массы m_j=m_п+m_шп, совершающей возвратно-поступательное движение, и массы m_R, совершающей вращательное движение. Для рядного двигателя m_R=m_к+m_шк, для V-образного со сдвоенным кривошипно-шатунным механизмом m_R=m_к+2m_шк (m_шп=0,275 m_ш, m_шк=0,725 m_ш).

Для приближенного определения значений m_п, m_ш и m_к можно использовать конструктивные массы, отнесенные к площади поршня, m'= m/F_п, приведенные в таблице 4.1.

Принимаем :

масса поршневой группы (для поршня из алюминиевого сплава принято m '_п = 100 кг/м²)

m _п = m '_п F _п =

масса шатуна (для стального кованого шатуна принято

m '_ш =150 кг/м²)

m _ш = m '_ш F _п=

масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов (для литого чугунного вала принято

m '_к = 180 кг/м²)

m _к = m '_к F_n =

Масса шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца:

m _ш _n = 0,275m _ш =

Масса шатуна, сосредоточенная на оси кривошипа:

m _шк = 0,725m _ш =

Массы, совершающие возвратно-поступательное движение:

m_j = m_n + m _ш _n =

Массы, совершающие вращательное движение:

m_R = m _к + m _шк =

угловая скорость:

w =pn/30= рад/с;

R - радиус кривошипа, R=S/2= м.

Таблица 4.1 – Конструктивные массы

Элементы кривошипно-шатунного механизма	Конструктивные массы, кг/м²
Элементы кривошипно-шатунного механизма	Бензиновые двигатели	Дизели
Поршневая группа (m_п'=m_п/F_п): алюминиевый поршень чугунный поршень	80 – 150 150 – 250	150 – 300 250 – 400
Шатун (m_ш’=m_ш/F_п)	100 – 200	250 – 400
Неуравновешенные части одного колена вала без противовесов (m_к’=m_к/F_п): стальной кованый вал со сплошными шейками чугунный литой вал с полыми шейками	150 – 200 100 – 200	200 – 400 150 – 300

Дата добавления: 2019-02-26; просмотров: 470; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!