Построение индикаторной диаграммы

ПРОЦЕСС СЖАТИЯ

 

Для определения давления (МПа) и температуры (К) в конце такта сжатия используют зависимости:

 

,

где n₁ – показатель политропы сжатия, определяемый, как

.

 

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:

а) свежей смеси (воздуха)

б) остаточных газов

в) рабочей смеси

 

2.2.3. ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ

 

Необходимое количество воздуха (кмоль) для сгорания 1 кг топлива:

.

где С, H, O - средний элементарный состав топлива, %.

Средний элементарный состав топлива:

- бензин: С – 0,855; H – 0,145

Количество молей отработавших газов М₂:

Количество отдельных компонентов продуктов неполного сгорания топлива (α<1), , , , соответственно:

где - постоянная величина, зависящая от отношения количества водорода к оксиду углерода, содержащаяся в продуктах сгорания (для бензинов 0,45-0,50);

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания и их общее количество в кмоль/кг топл занесены в таблицу 2.

 

Таблица 2. Количество компонентов продуктов сгорания в ОГ.

МСО2	Мсо	Мн2о	Мн2	MN2	M2
0,057	0,014	0,065	0,007	0,368	0,512

 

 

Количество горючей смеси:

 

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси :

.

 

Теплота сгорания рабочей смеси:

где H_u – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг (для бензина 44000)

- количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания, (только для двигателей, работающих при α<1).

 

Средняя мольная изохорная теплоемкость продуктов сгорания в точке z

 

После упрощения и преобразований:

 

 

Уравнение сгорания карбюраторного ДВС

- коэффициент использования теплоты в рабочем процессе.

 

После преобразований имеем:

 

Давление в конце сгорания:

Степень повышения давления :

.

Для бензиновых двигателей максимальное давление сгорания действительное:

 

2.2.4. ПРОЦЕСС РАСШИРЕНИЯ

 

Давление и температура в конце такта расширения (т. b):

Осуществляем проверку ранее принятой температуры остаточных газов:

Погрешность расчета мала, поэтому принимаем рассчитанные ранее параметры ДВС как исходные данные в дальнейших расчетах.

 

2.3 Определение основных показателей, характеризующих работу карбюраторного двигателя

 

2.3.1 ИНДИКАТОРНЫЕ И ЭФФЕКТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОЧЕГО ЦИКЛА

 

Индикаторные параметры рабочего тела характеризуют работу газов в цилиндре двигателя. К ним относятся среднее индикаторное давление , индикаторный удельный расход топлива , индикаторный КПД .

Среднее индикаторное давление по нескругленной диаграмме (МПа):

- для бензиновых двигателей

.

Среднее индикаторное давление по скругленной диаграмме , МПа:

.

где =0.92 - коэффициент полноты индикаторной диаграммы, вызванный отклонением действительного процесса от теоретического.

Индикаторный КПД характеризует степень использования в действительном цикле теплоты топлива для получения полезной работы:

Индикаторный удельный расход топлива , :

Среднее давление механических потерь , МПа:

где а,b – эмпирические коэффициенты, для различных типов двигателей

- средняя скорость поршня, м/с, определяется как:

где - ход поршня, м

На данном этапе проектирования ход поршня S выбирается приблизительно исходя из значений двигателя-прототипа из справочных данных.

Среднее эффективное давление , МПа:

.

Механический КПД :

Эффективный КПД :

Эффективный удельный расход топлива , :

.

Результаты расчетов индикаторных и эффективных показателей ДВС сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Индикаторные и эффективные показатели ДВС

, МПа	, МПа		, г/(кВт∙ч)	, г/(кВт∙ч)	Vп.ср. , м/с	, МПа	, МПа
1,134	1,044	0,348	235,27	301,5	17,28	0,229	0,8144	0,780	0,271

 

2.3.2 ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЦИЛИНДРА И ДВИГАТЕЛЯ

 

Литраж двигателя , л:

Рабочий объем одного цилиндра , л:

Диаметр цилиндра , мм:

С целью унификации двигателей диаметр цилиндра округляется с учетом диаметра прототипа. Принимаем D=120мм.

Основные параметры и показатели двигателя определяем по окончательно принятым значениям и .

Площадь поршня , см²:

Средняя скорость движения поршня , м/с:

Литраж двигателя , л:

 

Рабочий объем одного цилиндра , л:

Мощность двигателя , кВт:

Литровая мощность двигателя , кВт/л:

Поршневая мощность двигателя , кВт/см²:

Крутящий момент , Н∙м:

Часовой расход топлива , кг/ч:

 

2.4 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ

 

Тепло, выделяющееся при сгорании топлива в цилиндрах двигателя, не может быть полностью преобразовано в полезную механическую работу. В термодинамическом цикле эффективность превращения тепла в работу оценивается термическим коэффици­ентом полезного действия η_t, который всегда остается меньше еди­ницы вследствие передачи части тепла холодному источнику. В реальном двигателе потери тепла возрастают из-за трения, теплообмена, неполноты сгорания и других причин. В связи с этим эффективный КПД цикла имеет меньшее значение по сравнению с вели­чиной η_t.

Распределение тепловой энергии топлива, сгорающего в двига­теле, наглядно иллюстрируется составляющими внешнего теплово­го баланса, которые определяются при установившемся тепловом состоянии двигателя в процессе его испытаний. Приближенно со­ставляющие теплового баланса можно найти аналитически по дан­ным теплового расчета двигателя.

Тепловой баланс позволяет определить тепло, превращенное в полезную эффективную работу, т. е. установить степень достиг­нутого совершенства теплоиспользования и наметить пути умень­шения имеющихся потерь. Знание отдельных составляющих тепло­вого баланса позволяет судить о теплонапряженности деталей дви­гателя, рассчитать схему охлаждения, выяснить возможность ис­пользования теплоты отработавших газов и т. д.

В общем виде тепловой баланс двигателя может быть представлен в виде следующих составляющих:

Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом , Дж/с:

Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1с , Дж/с:

Теплота, унесенная с отработавшими газами , Дж/с:

{ }=

где - теплоемкость отработавших газов при и [4];

- теплоемкость свежего заряда при ^оС [4].

Теплота, передаваемая охлаждающей среде , Дж/с:

где - коэффициент пропорциональности для четырехтактных двигателей,

- показатель степени для четырехтактных двигателей.

Показатель степени m для четырехтактных двигателей зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Для меньших значений частот вращения следует принимать меньшие m из указанного диапазона.

 

Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива (только для двигателей, работающих при α<1), Дж/с:

Неучтенные потери теплоты , Дж/с:

Выражаем все составляющие теплового баланса в процентах ():

;

;

;

.

 

 

Результаты расчета составляющих теплового баланса представлены в таблице 4.

Таблица 4. Тепловой баланс ДВС

Составляющие теплового баланса	Q, Дж/с	q, %
Теплота, эквивалентная эффективной работе	159074,39	27,14
Теплота, унесенная с отработавшими газами	161875,84	28,23
Теплота, передаваемая охлаждающей среде	165481,47	27,58
Теплота, потерянная из-за неполноты сгорания топлива	82591,48	14,09
Неучтенные потери теплоты	17372,5	2,96
Общее количество теплоты, введенной в двигатель	586195,56

 

Силы давления газов.

Индикаторную диаграмму, полученную в тепловом расчете, развертываем по углу поворота кривошипа по методу Брикса. Поправка Брикса составит

где M_s – масштаб хода поршня на индикаторной диаграмме.

 

Приведение масс частей КШМ.

По характеру движения массы деталей кривошипно-шатунного механизма разделяют на движущиеся возвратно-поступате­льно (поршневая группа и верхняя головка шатуна); совершающие вращательное движение (коленчатый вал и нижняя головка шатуна) и совершающие сложное плоскопараллельное движение (стержень шатуна).

Для упрощения динамического расчета действительный кривошипно-шатунный механизм заменяется динамически эквивалентной системой сосредоточенных масс. Используя табличные данные для конструктивных масс поршневой группы, шатуна, коленчатого вала и применяя метод интерполяции, принимаем:

масса поршневой группы (поршень из алюминиевого сплава)

масса шатуна (принимаем стальной кованый шатун)

масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов (выбираем стальной кованый вал)

Масса шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца:

Масса шатуна, сосредоточенная на оси кривошипа:

Массы, совершающие возвратно-поступательное движение:

Массы, совершающие вращательное движение:

 

!!!!!Удельные и полные силы инерции.

Используя данные кинематического расчета и рассчитанные значения масс, подсчитываем значения сил, действующих на КШМ.

Значения берутся из индикаторной диаграммы, aсила инерции P_j определяется из формулы, кН:

Центробежная сила инерции вращающихся масс, кН:

Центробежная сила инерции вращающихся масс шатуна, кН:

Центробежная сила инерции вращающихся масс кривошипа, кН:

Удельная сила, сосредоточенная на оси поршневого пальца, МПа:

.

Удельная нормальная сила, МПа:

.

Значения определяют по [4].

Удельная сила, действующая вдоль шатуна, МПа:

.

Удельная сила, действующая по радиусу кривошипа, МПа:

.

Удельная тангенциальная сила, МПа:

.

Полная тангенциальная сила, кН:

.

Таблица 9. – Результаты динамического расчета кривошипно-шатунного механизма ДВС

 

		j, м/с2	рj,Мпа	р, Мпа	tgβ		1/cosβ			Рк, Мпа		Рт, Мпа	Т, кН	Мкр.ц,Нм
	-0,018	19465,22	-2,676	-2,694		0,000		-2,694		-2,694		0,000	0,000	0,000
	-0,015	15972,10	-2,196	-2,211	0,144	-0,318	1,01	-2,233	0,794	-1,756	0,625	-1,382	-15,622	-674,865
	-0,015	7314,85	-1,006	-1,021	0,253	-0,258	1,031	-1,052	0,281	-0,287	0,993	-1,014	-11,458	-494,996
	-0,015	-2414,26	0,332	0,317	0,295	0,094	1,042	0,330	-0,295	-0,094		0,317	3,583	154,782
	-0,015	-9721,40	1,337	1,322	0,253	0,334	1,031	1,363	-0,719	-0,950	0,739	0,977	11,041	476,970
	-0,015	-13535,16	1,861	1,846	0,144	0,266	1,01	1,865	-0,938	-1,732	0,376	0,694	7,846	338,965
	-0,015	-14609,55	2,009	1,994		0,000		1,994	-1	-1,994		0,000	0,000	0,000
	-0,015	-13548,90	1,863	1,848	-0,144	-0,266	1,01	1,866	-0,938	-1,733	-0,376	-0,695	-7,854	-339,312
	0,012	-9754,98	1,341	1,353	-0,253	-0,342	1,031	1,395	-0,719	-0,973	-0,739	-1,000	-11,306	-488,405
	0,068	-2468,50	0,339	0,408	-0,295	-0,120	1,042	0,425	-0,295	-0,120	-1	-0,408	-4,611	-199,175
	0,238	7254,44	-0,997	-0,759	-0,253	0,192	1,031	-0,783	0,281	-0,213	-0,993	0,754	8,524	368,252
	0,877	15931,49	-2,191	-1,314	-0,144	0,189	1,01	-1,327	0,794	-1,043	-0,625	0,821	9,281	400,927
	2,142	19465,08	-2,676	-0,535		0,000		-0,535		-0,535		0,000	0,000	0,000
	7,255	19074,95	-2,623	4,632	0,047	0,218	1,001	4,637	0,977	4,525	0,22	1,019	11,519	497,622
	3,786	16012,52	-2,202	1,584	0,144	0,228	1,01	1,600	0,794	1,258	0,625	0,990	11,194	483,574
	1,366	7375,21	-1,014	0,351	0,253	0,089	1,031	0,362	0,281	0,099	0,993	0,349	3,945	170,409
	0,671	-2359,91	0,324	0,996	0,295	0,294	1,042	1,038	-0,295	-0,294		0,996	11,258	486,349
	0,430	-9687,68	1,332	1,762	0,253	0,446	1,031	1,816	-0,719	-1,267	0,739	1,302	14,718	635,808
	0,337	-13521,33	1,859	2,197	0,144	0,316	1,01	2,218	-0,938	-2,060	0,376	0,826	9,336	403,307
	0,219	-14609,48	2,009	2,227		0,000		2,227	-1	-2,227		0,000	0,000	0,000
	0,117	-13562,53	1,865	1,981	-0,144	-0,285	1,01	2,001	-0,938	-1,859	-0,376	-0,745	-8,422	-363,811
	0,058	-9788,43	1,346	1,404	-0,253	-0,355	1,031	1,448	-0,719	-1,010	-0,739	-1,038	-11,730	-506,740
	0,018	-2522,65	0,347	0,365	-0,295	-0,108	1,042	0,380	-0,295	-0,108	-1	-0,365	-4,124	-178,175
	0,018	7194,00	-0,989	-0,971	-0,253	0,246	1,031	-1,001	0,281	-0,273	-0,993	0,964	10,901	470,937
	0,018	15890,68	-2,185	-2,167	-0,144	0,312	1,01	-2,189	0,794	-1,721	-0,625	1,354	15,310	661,376
	0,018	19464,67	-2,676	-2,658		0,000		-2,658		-2,658		0,000	0,000	0,000

 

 

 

Среднее значение тангенциальной силы за цикл:

- по данным теплового расчета, кН:

.

- по площади, заключенной между кривой и осью абсцисс, (МПа, кН)

.

 

ошибка

Ошибка между значениями не должна превышать 5%.

Крутящие моменты

Крутящий момент одного цилиндра, Н∙м:

.

Период изменения крутящего момента четырехтактного двигателя с равными интервалами между вспышками:

.

Суммирование значений крутящих моментов всех четырех цилиндров двигателя осуществляется табличным методом через каждые 30º угла поворота коленчатого вала и по полученным данным строится кривая в определенном масштабе (таблица 8).

Таблица 8. Крутящие моменты в ДВС

φ, град	Цилиндры	Мкр, Нм
1й	2й	3й	4й
φ криво-шипа, град	Мкр.ц., Нм	φ криво-шипа, град	Мкр.ц., Нм	φ криво-шипа, град	Мкр.ц., Нм	φ криво-шипа, град	Мкр.ц., Нм
		0,00							0,00
		-674,70		-340,43		483,57		-363,81	-895,36
		-494,73		-488,41		170,41		-506,74	-1319,46
		155,05		-199,18		486,35		-171,34	270,89
		477,17		368,25		635,81		477,73	1958,95
		339,07		400,93		403,31		665,65	1808,95
		0,00

Рис. 1. Кривая изменения крутящего момента ДВС

 

Средний крутящий момент двигателя:

по данным теплового расчета

по площади, заключенной под кривой М_кр

ошибка

Максимальный и минимальный крутящие моменты:

 

РАСЧЕТ ПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ

ПОРШНЕВЫЕ КОЛЬЦА

Поршневые кольца работают в условиях высоких температур и значительных переменных нагрузок, выполняя три основные фун­кции:

— герметизации надпоршневого пространства в целях максима­льно возможного использования тепловой энергии топлива;

— отвода избыточной доли теплоты от поршня в стенки цилин­дра;

— «управление маслом», т. е. рационального распределения ма­сляного слоя по зеркалу цилиндра и ограничения попадания масла в камеру сгорания.

Выполнение этих функций обеспечи­вает комплект из трех колец: двух компрессорных и одного маслосъемного.

Наиболее нагруженным, особенно в тепловом отношении, явля­ется первое (верхнее) компрессионное кольцо, температура которо­го достигает 200 — 250 °С. Оно изготовляется из легирован­ного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, имеющим предел прочности 1100 — 1400 МПа, легирующие добавки хрома, никеля, молибдена и других металлов способствуют повышению термостойкости компрессионных колец до 340 °С. Тем не менее для наиболее высокофорсированных дизелей и бензиновых двигателей применяются верхние компрессионные кольца, изготовленные из высокоуглеродистых сталей с пределом прочности 1400 — 1500 МПа и выше. В качестве износостойкого покрытия исполь­зуется электролитическое хромирование слоем (0,10 — 0,15 мм) твердого хрома, или слоем еще более тугоплавкого и износостой­кого молибдена. Второе компрессионное кольцо практически является компрессионно-маслосъемным. Оно работает в более «мягких» условиях по давлению, температуре и смазке, чем первое ком­прессионное кольцо. Для его использования приме­няется серый легирован­ный чугун с пластинчатым графитом как с износо­стойким покрытием, так и без специальных покры­тий. Кроме уплотнения надпоршневого простран­ства второе кольцо обес­печивает «управление мас­лом», снимая его со сте­нок цилиндра при ходе по­ршня вниз и осуществляя пропуск некоторого количества масла при ходе поршня вверх. Эта функция определяет и специальные «скребковые» профили компрессионно-маслосьемных колец.

Третье кольцо — маслосъемное — обеспечивает съем масла с зеркала цилиндра и сброс его в картер через отверстия в канавке кольца. Наиболее важными качествами маслосъемных колец явля­ются хорошая приспособляемость к форме цилиндра и высокое давление на стенки цилиндра, необходимые для эффективного съема масла. Специфические условия работы и функций маслосъем­ных колец определяют и соответствующие требования к их конст­рукции и материалу.

 

 

Расчет поршневого кольца.

Необходимые данные для расчета приведены в расчете поршня. Материал кольца — серый легированный чугун, Е = 1,2 ∙ 10⁵ МПа.

Среднее давление кольца на стенку цилиндра:

Давление (МПа) кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности определяется по формуле:

где μ_к — переменный коэффициент, определяемый изготовителем в соответствии с принятой формой эпюры давления кольца на зеркало цилиндра. Принимаем гру­шевидную форму эпюры давления кольца со следующими парамет­рами:

Таблица 11. Давление кольца на стенку цилиндра

рср, МПа	0,049
Угол ψ, определяющий положение текущего давления кольца, градусы
Коэффициент μк	1,05	1,04	1,02		1,02	1,27	1,5
Давление р в соответствующей точке, МПа	0,052	0,051	0,050	0,049	0,050	0,063	0,074

 

Напряжение изгиба кольца в рабочем состоянии

Напряжение изгиба при надевании кольца на поршень

Монтажный зазор в замке поршневого кольца

где =0,08 мм, Т_ц = 383 К, Т_к = 493 К, Т₀ = 293 К.

Список литературы

1. «Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей» - под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1990.

2. «Расчет автомобильных и тракторных двигателей» -
Колчин А.И., Демидов В.П.. М.: Высшая школа, 2002.

3. «Двигатели внутреннего сгорания. Теория рабочих процессов» - под ред. В.Н. Луканина. М.: Высшая школа, 1985.

ПРОЦЕСС СЖАТИЯ

 

Для определения давления (МПа) и температуры (К) в конце такта сжатия используют зависимости:

 

,

где n₁ – показатель политропы сжатия, определяемый, как

.

 

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:

а) свежей смеси (воздуха)

б) остаточных газов

в) рабочей смеси

 

2.2.3. ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ

 

Необходимое количество воздуха (кмоль) для сгорания 1 кг топлива:

.

где С, H, O - средний элементарный состав топлива, %.

Средний элементарный состав топлива:

- бензин: С – 0,855; H – 0,145

Количество молей отработавших газов М₂:

Количество отдельных компонентов продуктов неполного сгорания топлива (α<1), , , , соответственно:

где - постоянная величина, зависящая от отношения количества водорода к оксиду углерода, содержащаяся в продуктах сгорания (для бензинов 0,45-0,50);

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания и их общее количество в кмоль/кг топл занесены в таблицу 2.

 

Таблица 2. Количество компонентов продуктов сгорания в ОГ.

МСО2	Мсо	Мн2о	Мн2	MN2	M2
0,057	0,014	0,065	0,007	0,368	0,512

 

 

Количество горючей смеси:

 

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси :

.

 

Теплота сгорания рабочей смеси:

где H_u – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг (для бензина 44000)

- количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания, (только для двигателей, работающих при α<1).

 

Средняя мольная изохорная теплоемкость продуктов сгорания в точке z

 

После упрощения и преобразований:

 

 

Уравнение сгорания карбюраторного ДВС

- коэффициент использования теплоты в рабочем процессе.

 

После преобразований имеем:

 

Давление в конце сгорания:

Степень повышения давления :

.

Для бензиновых двигателей максимальное давление сгорания действительное:

 

2.2.4. ПРОЦЕСС РАСШИРЕНИЯ

 

Давление и температура в конце такта расширения (т. b):

Осуществляем проверку ранее принятой температуры остаточных газов:

Погрешность расчета мала, поэтому принимаем рассчитанные ранее параметры ДВС как исходные данные в дальнейших расчетах.

 

2.3 Определение основных показателей, характеризующих работу карбюраторного двигателя

 

2.3.1 ИНДИКАТОРНЫЕ И ЭФФЕКТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОЧЕГО ЦИКЛА

 

Индикаторные параметры рабочего тела характеризуют работу газов в цилиндре двигателя. К ним относятся среднее индикаторное давление , индикаторный удельный расход топлива , индикаторный КПД .

Среднее индикаторное давление по нескругленной диаграмме (МПа):

- для бензиновых двигателей

.

Среднее индикаторное давление по скругленной диаграмме , МПа:

.

где =0.92 - коэффициент полноты индикаторной диаграммы, вызванный отклонением действительного процесса от теоретического.

Индикаторный КПД характеризует степень использования в действительном цикле теплоты топлива для получения полезной работы:

Индикаторный удельный расход топлива , :

Среднее давление механических потерь , МПа:

где а,b – эмпирические