Расчёт кинематики кривошипно-шатунного механизма

Стр 1 из 2Следующая ⇒

Исходные данные: Степень сжатия, ε=12,4; Количество цилиндров, i =4; Эффективная мощность, Ne =100,566 = 74 КВт; Частота вращения, n =5000 мин-1; Минимальная частота вращения n(min) =950мин-1; Частота вращения при максимальном моменте n(м) =2500 мин-1; Максимальная частота вращения n(max) =5500мин-1.

Тепловой расчет

1.1. Параметры рабочего тела

Средний элементарный состав и молекулярная масса бензина:

С =0,855 кг/кмоль;

Н =0,145 кг/кмоль;

mТ = 115 кг/кмоль.

Низшая теплота сгорания:

Hu =33,91C+125,60H-10,89(O - S)-2,51(9H + W) . (1.1)

Hu =33,91*0,855+125,60*0,145-10,89*(0,855 -2,5)-2,51*(9*0,145 +0)=

=43929 Дж/кг =43,93 кДж/кг,

где:

W-количество водяного пара (принимаем равным 0).

Для полного сгорания топлива необходимо определить теоретически необходимое количество воздуха:

lo = ; (1.2)

или

Lo = , (1.3)

где:

l₀– теоретически необходимое количество воздуха в кг для сгорания 1 кг топлива кг возд/кг топл;

L₀ – теоретически необходимое количество воздуха в кмоль для сгорания 1 кг топлива, кмольвозд/кг топл;

0,23 – массовое содержание кислорода в 1 кг воздуха;

0,208 – объёмное содержание кислорода в 1 кмоль воздуха.

Рассчёт:

lo = (кмоль возд/кг топл);

Lo = (кмоль возд/кг топл).

Количество горючей смеси, поступающей в рабочую камеру определяется:

, (1.4)

где:

α- коэффициент избытка воздуха

mt- молекулярная масса паров топлива.

Общее количество продуктов сгорания определяется:

. (1.5)

Количество отдельных компонентов:

; (1.6)

; (1.7)

; (1.8)

; (1.9)

; (1.10)

Результаты расчетов занесены в таблицу 1.1

Таблица1.1- Параметры рабочего тела

n	950	2500	5000	5500
α	0,93	0,98	0,99	0,98
M1	0,4893	0,5152	0,5204	0,5152
M(CO2)	0,0612	0,0684	0,0698	0,0684
M(CO)	0,0100	0,0029	0,0014	0,0029
M(H2O)	0,0675	0,0711	0,0718	0,0711
M(H2)	0,0050	0,0014	0,0007	0,0014
M(N2)	0,3807	0,4011	0,4052	0,4011
M2	0,5244	0,5449	0,5490	0,5449

1.2. Параметры окружающей среды

Давление окружающей среды, po = 0,1МПа;

Температура окружающей среды, То =293 К.

1.3.Процесс впуска

Коэффициент давления остаточных газов, k =1,11;

Давление остаточных газов при номинальном режиме, p(rn) =0,11МПа;

Коэффициент изменения давления газов, A_r =0,26;

Повышение температуры подогрева свежего заряда, T_N =8;

Коэффициент изменения повышения тепературы, A _t=0,168;

Плотность заряда при впуске, p_к =1,189;

Коэффициент изменения потерь давления при впуске, A_п =0,019;

Влияние затухания скорости и сопротивления, (β²+ _вп) =2,8;

Коэффициент очистки, φ_оч =1.

T_r=865+0.035*n. (1.11)

. (1.12)

, (1.13)

где:

ΔT_N - температура подогрева;

n - принять равным 950 оборотам.

Потери давления за счет сопротивления впускной системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре при некотором допущении можно определить из уравнения Бернулли:

, (1.14)

где:

β - коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра;

ξ_вп - коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому ее сечению.

Давление в конце впуска – основной фактор, определяющий количество рабочего тела, поступающего в цилиндр двигателя:

. (1.15)

. (1.16)

Коэффициент остаточных газов для четырехтактных двигателей с учетом продувки и дозарядки цилиндра:

. (1.17)

Температура в конце впуска (Та) в основном зависит от температуры рабочего тела.

. (1.18)

. (1.19)

Наиболее важной величиной, характеризующей впуск является коэффициент наполнения:

, (1.20)

где:

G_D- действительное количество свежего заряда;

Go- теоретически возможное количество свежего заряда.

Результаты расчетов занесены в таблицу 1.2.

Таблица 1.2 – Параметры процесса впуска и газообмена

n	950	2500	5000	5500
α	0,93	0,98	0,99	0,98
Tr	898,25	952,5	1040	1057,5
Pr	0,1037	0,1051	0,1100	0,1114
ΔT	16,5	13,3	8,0	6,9
Δpa	0,00054	0,00376	0,01503	0,01818
Pа	0,09946	0,09624	0,08497	0,08182
φдоз	0,948	0,998	1,078	1,094
Γr	0,0335	0,0311	0,0310	0,0316
Tа	329	326	323	323
Ta	56	53	50	50
ηv	0,8851	0,9113	0,8760	0,8556

1.4. Процесс сжатия

Процесс сжатия условно считают политропным с переменным показателем n₁, который в начале периода сжатия превышает показатель адиабаты k₁.

; (1.21)

. (1.22)

Значение показателя политропы n₁ устанавливают в зависимост от k₁:

n₁= (k₁-0.04)- (k₁+0.04).

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

p_c=p_aε_n1 (МПа); (1.23)

T_c=T_aε^n1-1 (К). (1.24)

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:

a) свежей смеси:

(mc_v)_to^tc, tc=Tc-27, (1.25)

b) остаточных газов :

(mc″_v)_to^tc=(1/М₂)(Мсо₂(mc″_VCO2)_to^tc+ Мсо(mc″_VCO)_to^tc+Мн₂о (mc″_VН2О)_to^tc+

Мн₂(mc″_VН2)_to^tc+ М_N2(mc″_VN2)_to^tc+ Мо₂(mc″_VO2)_to^tc), (1.26)

c) рабочей смеси :

(mc′_v)_to^tc=((mc_v)_to^tc+γ_r(mc″_v)_to^tc)/(1+ γ_r), (1.27)

Результаты расчетов занесены в таблицу 1.3.

Таблица 1.3 - Параметры процесса сжатия

n	950	2500	5000	5500
k1	1,3737	1,3742	1,3745	1,3745
k1	1,3737	1,3742	1,3745	1,3745
n1	1,364	1,364	1,364	1,364
pc	3,081	2,985	2,638	2,540
Tc	842	836	830	830
tc	569	563	557	557
mcv(ta)	20,747	20,739	20,733	20,732
mcv(tc)	22,101	22,084	22,069	22,069
mc"v	23,662	23,730	23,727	23,709
mc'v	22,152	22,134	22,119	22,119

1.5. Процесс сгорания

Процесс сгорания – основной процесс рабочего цикла двигателя, в течение которого теплота, выделяющаяся вследствие сгорания топлива, идет на повышение внутренней энергии рабочего тела и на совершение механической работы.

Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси:

_.(1.17)

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси :

. (1.18)

Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания:

ΔН_и=119950 (1-α) L₀ . (1.19)

Теплота сгорания рабочей смеси :

. (1.20)

При увеличении скоростного режима ξ_z снижается. При проведении расчетов ξ_z выбирается по опытным данным рисунок 1.1.

Рисунок 1.1- Коэффициент использования теплоты

; (1.21)

. (1.22)

Максимальное давление сгорания:

Теоретическое:

. (1.23)

Действительное:

. (1.24)

Степень повышения давления:

. (1.25)

Результаты расчетов занесены в таблицу 1.4.

Таблица 1.4 - Параметры процесса сгорания

n	950	2500	5000	5500
μo	1,0717	1,0577	1,0550	1,0577
μ	1,0694	1,0559	1,0534	1,0559
ΔHu	4340	1240	620	1240
Hраб.см.	83711	85525	85897	85569
ξz	0,870	0,940	0,987	0,990
mc"v(tz)	30,58	30,85	31,05	31,08
mc"v(tz)	30,58	30,85	31,05	31,08
tz	2613	2850	2969	2957
Tz	2886	3123	3242	3230
pz	11,292	11,780	10,855	10,441
pz'	9,598	10,013	9,227	8,874
λ	3,665	3,946	4,115	4,111

1.6. Процесс расширения

Учитывая, что по опытным данным величина среднего показателя политропы расширения n₂ незначительно отличается от показателя адиабаты k₂ и, как правило, в меньшую сторону, при предварительных расчетах новых двигателей величину n₂ можно оценить по величине k₂ для соответствующих значений ε, α и Т_z:

, (1.26)

. (1.27)

. (1.28)

. (1.29)

B начале расчета процесса впуска задаются параметры процесса выпуска (р_r и Т_r), а точность выбора величины температуры остаточных газов проверяется по формуле:

. (1.30)

. (1.31)

Результаты расчетов занесены в таблицу 1.5.

Таблица 1.5 - Параметры процесса расширения и выпуска

n	950	2500	5000	5500
k2	1,2474	1,2452	1,2430	1,2424
k2	1,2474	1,2452	1,2430	1,2424
n2	1,247	1,245	1,243	1,242
pb	0,49	0,51	0,47	0,46
Tb	1548	1684	1759	1754
tb	1275	1411	1486	1481
mc"v(tb)	27,39	27,73	27,89	27,88
Тr	923,569	993,414	1080,046	1095,557
ΔTr	3%	4%	4%	3%

Индикаторная диаграмма

Индикаторная диаграмма двигателя внутреннего сгорания строится с использованием данных расчета рабочего процесса. При аналитическом методе построения политроп сжатия и расширения вычисляется ряд точек для промежуточных объемов , расположенных между:

V_c объем камеры сгорания,

V_а полный объем и между V_z и V_b по уравнению политропы:

pVⁿ¹=const. (2.1)

2.1. Индикаторные параметры рабочего цикла

Таблица 2.1 – Данные индикаторной диаграммы

Атмосферное давление, p₀	0.1	МПа
Давление, pA	0.0850	МПа
Показатель политропы сжатия, n₁	1.366
Показатель политропы расширения, n₂	1.242
Давление, рС	2.0821	МПа
Давление, рС’	3.4986	МПа
Коэффициент,	4.3099
Давление, pZ	8.9738	МПа
Давление, pZ’	7.6277	МПа
Давление, pB	0.4898	МПа
Давление, pB”	0.2949	МПа
Отношение R/L, ₂	0.25

Среднее теоретическое индикаторное давление:

. (2.2)

Среднее индикаторное давление:

p_i =p′_i∙φ_и , (2.3)

где:

n₁,n₂- показатели политропы;

φ_и- коэффициент полноты диаграммы;

p_i- среднее индикаторное давление.

Индикаторный КПД:

, (2.4)

где:

L₀- теоретическое необходимое количество воздуха;

α- коэффициент избытка воздуха;

Н_и- низшая теплота сгорания топлива;

ρ_к- плотность заряда при впуске;

η_V- коэффициент наполнения.

Результаты расчетов занесены в таблицу 2.1.

Таблица 2.2 -Индикаторные параметры рабочего цикла

Среднее теоретическое индикаторное давление, p_i'	1,412	МПа
Коэффициент полноты диаграммы, ju	0,940
Среднее индикаторное давление, p_i	1,327	МПа
Индикаторный КПД, h _i	0,4295
Теоретически необходимое количество воздуха, L _o	14,957	кг возд/кг топл
Коэффициент избытка воздуха, a	0,99
Низшая теплота сгорания топлива, H_и	43,93	МДж/кг
Давление наддувочного воздуха, p_к	0,1	МПа
Плотность заряда на впуске, r _к	1,189
Удельная газовая постоянная, R_b	283	Дж/(кг*град)
Температура окружающей среды, T_o	293	K
Коэффициент наполнения, h _v	0,876

2.2.Эффективные показатели двигателя

Отношение хода поршня к его диаметру, =1.2.

Механические потери при проведение предварительных расчётов оцениваются средним давлением механических потерь р_м, их можно высчитать по формуле:

р_м = 0,034 + 0,0132*ν_пср, (2.5)

ν_пср- средняя скорость поршня м/с;

Среднее эффективное давление:

р_е = p_i - p_m.(2.6)

Механический КПД:

ƞ_m = . (2.7)

Эффективный КПД:

η_e = η_i * ƞ_m. (2.8)

Удельный эффективный расход топлива, считается по этой формуле:

g_e = . (2.9)

2.3. Определение параметра двигателя

К основным параметрам двигателя относятся: рабочий объём цилиндра, диаметр цилиндра, площадь поршня, мощность двигателя, литровую мощность, крутящий момент и часовой расход топлива.

Литраж двигателя вычисляется по формуле:

V_л = , (2.10)

где:

τ – тактность двигателя.

Рабочий объём цилиндра:

V_h = , (2.11)

где:

i – количество цилиндров.

Диаметр цилиндра:

D = . (2.12)

Площадь поршня:

F_п = . (2.13)

Эффективная мощность:

N_e = . (2.14)

Литровая мощность:

N_л = . (2.15)

Эффективный крутящий момент:

М_е = . (2.16)

Часовой расход топлива:

G_т = N_e*g_e*10^-3. (2.17)

Средняя скорость поршня:

V_пср = . (2.18)

Результаты расчетов заносим в таблицу 2.3.

Таблица 2.3 – Основные параметры двигателя

Литраж двигателя, V_л	1,56	л
Рабочий объём цилиндра, V_h	0,39	л
Диаметр цилиндра, D	77,87	мм
Ход поршня, S	81,86	мм
Площадь поршня, F_п	47,8	см²
Уточненный литраж двигателя, V_л	1,57	л
Эффективная мощность, N_e	74,37	кВт
Литровая мощность двигателя, N_л	47,45	кВт/л
Эффективный крутящий момент, М_е	142,03	Н*м
Часовой расход топлива, G_т	16,54	кг/час
Средняя скорость поршня, V_пср	13,67	м/с

Таблица 2.4 – Данные для построения графиков

φ	ɛx	Впуск	φ	ɛx	Сжатие	φ	ɛx	Сгорание	φ	ɛx	Расширение	φ	ɛx	Выпуск
0	1	0,1	180	12	0,0850	360	1	2,6377				540	12	0,2874
10	1,1	0,0890	190	12	0,0856	360	1	3,1652	370	1,108	9,5551	550	12	0,16
20	1,4	0,0855	200	12	0,0875	370	1.1	9,55509	380	1,427	6,9767	560	12	0,105
30	1,9	0,0850	210	12	0,0908				390	1,942	4,7577	570	12	0,1
40	2,6	0,0850	220	11	0,0958				400	2,628	3,2662	580	11	0,1
50	3,5	0,0850	230	11	0,1028				410	3,454	2,3252	590	11	0,1
60	4,4	0,0850	240	10	0,1127				420	4,384	1,7288	600	10	0,1
70	5,4	0,0850	250	9,3	0,1262				430	5,38	1,3406	610	9,3	0,1
80	6,4	0,0850	260	8,4	0,1450				440	6,401	1,0800	620	8,4	0,1
90	7,4	0,0850	270	7,4	0,1715				450	7,413	0,9000	630	7,4	0,1
100	8,4	0,0850	280	6,4	0,2095				460	8,381	0,7726	640	6,4	0,1
110	9,3	0,0850	290	5,4	0,2655				470	9,279	0,6808	650	5,4	0,1
120	10	0,0850	300	4,4	0,3510				480	10,08	0,6139	660	4,4	0,1
130	11	0,0850	310	3,5	0,4860				490	10,78	0,5649	670	3,5	0,1
140	11	0,0850	320	2,6	0,7058				500	11,36	0,5040	680	2,6	0,1
150	12	0,0850	330	1,9	1,0666				510	11,81	0,5042	690	1,9	0,1
160	12	0,0850	340	1,4	1,6236				520	12,14	0,4875	700	1,4	0,1
170	12	0,0850	350	1,1	2,2930				530	12,33	0,4500	710	1,1	0,1
180	12	0,0850	360	1	2,6377				540	12,4	0,2874	720	1	0,1

Рисунок 2.1 – Индикаторная диаграмма

а – скругление нижней мёртвой точки; б – скругление верхней мёртвой точки. Рисунок 2.2 –Графики скругления

Таблица 2.5 – Внешняя скоростная характеристика двигателя

n, об/мин
n, об/мин	Ne, кВт	ge, г/(кВт ч)	Мe, Н м	Gт, кг/ч
1000	17,168	222,40	163,942	3,82
1900	34,745	197,58	174,627	6,86
2800	51,651	187,17	176,153	9,67
4400	71,997	204,25	156,254	14,71
5600	71,741	246,95	122,335	17,72
6000	67,488	266,87	107,410	18,01
1000	17,168	222,40	163,942	3,82

Рисунок 2.3 – Внешняя скоростная характеристика

Расчёт кинематики кривошипно-шатунного механизма

Расчет кинематики кривошипно-шатунного механизма сводится к определению пути, скорости и ускорения поршня. При этом принимается, что коленчатый вал вращается с постоянной угловой скоростью ω.

Кинематика кривошипно-шатунного механизма:

Ход поршня S=82 мм;

Отношение , λ=0,25 ;

Радиус кривошипа R=41 мм;

Длина шатуна L_ш=164 мм;

Угловая скорость =524 с^(-1).

В.М.Т.- верхняя мертвая точка; Н.М.Т.- нижняя мертвая точка. Рисунок 3.1 - Схема кривошипно-шатунного механизма

Текущее перемещение поршня:

. (3.1)

С учетом выражения :

. (3.2)

После преобразований выражение имеет вид:

. (3.3)

Скорость поршня:

. (3.4)

Ускорение поршня:

. (3.5)

Ускорение первого порядка:

, (3.6)

Ускорение второго порядка:

. (3.7)

Результаты расчетов заносим в таблицу 3.1.

Таблица 3.1– Результаты расчётов

j	S _x	V _п	j₁	j₂	j
градусы	м	м / c	м / c²	м / c²	м / c²
0	0,0000	0,00	11240	2810	14050
10	0,0008	4,65	11070	2641	13710
20	0,0031	9,07	10563	2153	12715
30	0,0068	13,06	9734	1405	11140
40	0,0117	16,44	8611	488	9099
50	0,0177	19,09	7225	-488	6737
60	0,0243	20,92	5620	-1405	4215
70	0,0315	21,90	3844	-2153	1692
80	0,0389	22,06	1952	-2641	-689
90	0,0461	21,47	0	-2810	-2810
100	0,0531	20,22	-1952	-2641	-4592
110	0,0595	18,45	-3844	-2153	-5997
120	0,0653	16,27	-5620	-1405	-7025
130	0,0704	13,80	-7225	-488	-7713
140	0,0745	11,16	-8611	488	-8123
150	0,0778	8,41	-9734	1405	-8329
160	0,0801	5,62	-10563	2153	-8410
170	0,0815	2,81	-11070	2641	-8429
180	0,0820	0,00	-11240	2810	-8430

Продолжение таблицы 3.1

190	0,0815	-2,81	-11070	2641	-8429
200	0,0801	-5,62	-10563	2153	-8410
210	0,0778	-8,41	-9734	1405	-8329
220	0,0745	-11,16	-8611	488	-8123
230	0,0704	-13,80	-7225	-488	-7713
240	0,0653	-16,27	-5620	-1405	-7025
250	0,0595	-18,45	-3844	-2153	-5997
260	0,0531	-20,22	-1952	-2641	-4592
270	0,0461	-21,47	0	-2810	-2810
280	0,0389	-22,06	1952	-2641	-689
290	0,0315	-21,90	3844	-2153	1692
300	0,0243	-20,92	5620	-1405	4215
310	0,0177	-19,09	7225	-488	6737
320	0,0117	-16,44	8611	488	9099
330	0,0068	-13,06	9734	1405	11140
340	0,0031	-9,07	10563	2153	12715
350	0,0008	-4,65	11070	2641	13710
360	0,0000	0,00	11240	2810	14050
370	0,0008	4,65	11070	2641	13710
370	0,0008	4,65	11070	2641	13710
380	0,0031	9,07	10563	2153	12715
390	0,0068	13,06	9734	1405	11140
400	0,0117	16,44	8611	488	9099
410	0,0177	19,09	7225	-488	6737
420	0,0243	20,92	5620	-1405	4215
430	0,0315	21,90	3844	-2153	1692
440	0,0389	22,06	1952	-2641	-689
450	0,0461	21,47	0	-2810	-2810
460	0,0531	20,22	-1952	-2641	-4592
470	0,0595	18,45	-3844	-2153	-5997
480	0,0653	16,27	-5620	-1405	-7025
490	0,0704	13,80	-7225	-488	-7713
500	0,0745	11,16	-8611	488	-8123
510	0,0778	8,41	-9734	1405	-8329
520	0,0801	5,62	-10563	2153	-8410
530	0,0815	2,81	-11070	2641	-8429
540	0,0820	0,00	-11240	2810	-8430
540	0,0820	0,00	-11240	2810	-8430
550	0,0815	-2,81	-11070	2641	-8429
560	0,0801	-5,62	-10563	2153	-8410
570	0,0778	-8,41	-9734	1405	-8329
580	0,0745	-11,16	-8611	488	-8123
590	0,0704	-13,80	-7225	-488	-7713
600	0,0653	-16,27	-5620	-1405	-7025
610	0,0595	-18,45	-3844	-2153	-5997
620	0,0531	-20,22	-1952	-2641	-4592
630	0,0461	-21,47	0	-2810	-2810
640	0,0389	-22,06	1952	-2641	-689
650	0,0315	-21,90	3844	-2153	1692
660	0,0243	-20,92	5620	-1405	4215
670	0,0177	-19,09	7225	-488	6737

Продолжение таблицы 3.1

680	0,0117	-16,44	8611	488	9099
690	0,0068	-13,06	9734	1405	11140
700	0,0031	-9,07	10563	2153	12715
710	0,0008	-4,65	11070	2641	13710
720	0,0000	0,00	11240	2810	14050

а – перемещение поршня; б – скорость поршня; в – ускорение поршня. Рисунок 3.2 – Кинематические характеристики поршня

Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 274; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!