Профессор кафедры АиАХ, доцент

Хмелев Р.Н.

Профессор кафедры АиАХ, доцент

 

 

Конспект лекций

 

по учебной дисциплине (модулю)

 

РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
(СИЛОВЫЕ АГРЕГАТЫ АВТОМОБИЛЕЙ –2)

 

 

Направление подготовки:

Эксплуатация транспортно-технологических машин

И комплексов

Профиль подготовки:

Автомобили и автомобильное хозяйство

Квалификация (степень) выпускника: прикладной бакалавр

 

Форма обучения:очная

 

Тула 2014 г.

 

 

Рассмотрено на заседании кафедры

протокол №___ от "___"____________ 20___ г.

Зав. кафедрой________________И.Е. Агуреев

 

 

 Лекция № 1

Внешний тепловой баланс

План лекции

1. Внешний тепловой баланс

 

Внешний тепловой баланс

В ДВС в эффективную работу превращается лишь 20-40 % от теплоты сгорания топлива. Остальная часть теплоты в виде различных потерь передается окружающей среде через систему охлаждения, с отработавшими газами теплопередачей от наружных поверхностей двигателя.

Для определения возможностей снижения тепловых потерь двигателя и, следовательно, увеличение его экономичности, получения необходимых данных для расчета систем двигателя необходимо знать, как распределяется теплота сгораемого топлива.

Распределение теплоты на эффективную работу и по отдельным видам тепловых потерь, называют внешним тепловым балансом.

Тепловой баланс двигателя определяется экспериментально в зависимости от различных параметров: числа оборотов, нагрузки, состава смеси и т.д.

Уравнение теплового баланса в абсолютных количествах теплоты (ккал/час) имеет вид:

.

Рассмотрим физический смысл слагаемых уравнения теплового баланса.

Примерные значения относительных величин внешнего теплового баланса приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Значения относительных величин внешнего теплового баланса

Тип двигателя	qe = h e	q охл	q ог	q нс	q ост
С искровым зажиганием	21-32	15-25	30-50	0-30	5-10
Дизель	29-40	20-35	25-40	0-5	3-8

Каждая модель двигателя имеет свой характерный для нее тепловой баланс.

При уменьшении мощности ДВС в двигатель поступает все меньшее количество смеси (топлива) и, соответственно, сокращается количество выделяемой теплоты, уменьшаются температура и давление газов в цилиндрах. Все это существенно влияет на изменение теплового баланса двигателя. Доля теплоты, идущая на полезную работу q_е, и равная эффективному к.п.д. двигателя, по мере снижения нагрузки уменьшается.

Уменьшение q_е происходит главным образом из-за увеличения относительных потерь на трение, в охлаждающую среду, ухудшение замедления процесса сгорания и обогащения смеси на малых нагрузках (потери на химическую неполноту сгорания).

Анализ показывает, что на режиме полной нагрузки, теплота расходуется наиболее полезно: например для тракторного дизеля с турбонаддувом q_е =38 %. При увеличении частоты вращения, время теплообмена уменьшается, в тоже время увеличиваются потери теплоты с отработавшими газами, так как процесс сгорания в большей степени переносится на линию расширения (догорание на такте расширения).

Анализ составляющих теплового баланса имеет практическое значение. Например, полученные значения Q_охл, Q _м, Q_ог применяют при расчете систем охлаждения, наддува и смазочной системы.

По значению Q_нс можно судить о степени неполноты сгорания, для решения задачи повышения использование теплоты в двигателе.

Тепловая напряженность двигателя характеризует уровень температуры его основных деталей и определяет допускаемую из условий прочности применяемых материалов, термическую нагрузку для них. Тепловая напряженность характеризует также условия работы трущихся пар.

Теплонапряженность деталей двигателя характеризуется общим температурным уровнем, температурой и перепадом температур в характерных зонах, температурными градиентами, тепловыми потоками и их распределением между элементами деталей.

Показатели тепловой напряженности могут быть получены на основе расчета или экспериментального определения температуры в характерных зонах. Наиболее полная оценка тепловой напряженности двигателя может быть сделана после исследования и анализа их температурных полей, полученных методом конечных элементов.

Современная тенденция развития быстроходных двигателей, характерна стремлением их форсирования по скоростному режиму и среднему эффективному давлению. Такое направление приводит к росту механических и тепловых нагрузок. Последние в основном и определяют предел форсирования двигателя.

В наиболее сложных условиях, по тепловой напряженности находятся огневые днища головки блока цилиндров и поршня, температурные поля которых, характеризуются значительной неравномерностью в различных зонах. Температура поверхности этих деталей и особенно поршня, существенно влияет на условия эксплуатации двигателя и его надежность. Также напряженными деталями в тепловом отношении в двигателе являются выпускные клапаны.

Вследствие неравномерного поля температур в днище поршня и головке они деформируются, так как степень тепловой напряженности этих деталей не одинакова, то возникают трещины и прогар в отдельных местах.

На температуру деталей цилиндропоршневой группы двигателя влияют частота вращения коленчатого вала, среднее эффективное давление, отклонение регулировок, параметры поступающего в двигатель воздуха, противодавление на выпуске отработавших газов, а также параметры охлаждающей жидкости и смазки.

 

Лекция № 2

План лекции

2.1. Общие понятия о характеристиках. Совместная работа двигателя и потребителя

2.2. Скоростные характеристики

2.3. Нагрузочные характеристики

2.4. Регулировочные и многопараметровые характеристики

 

2.1. Общие понятия о характеристиках

Изменение величины одного или нескольких показателей работы двигателя в зависимости от какого-либо эксплутационного фактора называется характеристикой двигателя. Характеристики двигателя снимаются при испытании или исследовании работающего двигателя на специальном стенде. В состав оборудования и приборов такого стенда входят тормоз и устройства для измерения крутящего момента, расходов топлива и воздуха, частоты вращения вала двигателя. Тормоз позволяет имитировать нагружение двигателя тем или иным потребителем.

Как правило, характеристики снимаются на установившихся режимах работы двигателя. Под установившимся режимом работы двигателя понимается такой режим, при котором обеспечивается практическое постоянство показателей его работы.

Обычно характеристики приводятся в виде графиков, построенных в прямоугольной системе координат: в качестве независимой переменной (аргумента) рассматривается тот или иной эксплутационный фактор, а в качестве функции рассматриваются показатели работы двигателя.

Различают скоростные, нагрузочные, регулировочные, регуляторные, многопараметровые и другие характеристики. Характеристики дают представление о работе двигателя в целом и, главным образом, о характере изменения мощности, крутящего момента, экономических показателей и других параметров при работе двигателя на разных эксплутационных режимах.

Особенно большое значение имеют характеристики с точки зрения совместной работы двигателя и потребителя (приводимая в действие машина или передача). Невозможно правильно подобрать двигатель к какому-либо конкретному потребителю, не зная его (двигателя) характеристик. Типичная характеристика изменения максимальной мощности двигателя Ne в зависимости от частоты вращения вала n и типичные кривые изменения мощности потребителя механической энергии Nп приведены на рис. 2.1, 2.2

Рис. 2.1. Типичная характеристика двигателя по мощности	Рис. 2.2. Типичная характеристика потребителя

 

На рис. характеристика двигателя совмещена с характеристикой потребителя. Устойчивый режим работы системы «двигатель – потребитель», то есть, динамическое равновесие системы, устанавливается при равенстве мощностей. Точка a пересечения характеристик при частоте вращения n_a соответствует этому состоянию. При частоте вращения n₁ < n_a мощность двигателя превышает мощность потребителя, и избыток мощности увеличивает кинетическую энергию системы, частота вращения вала системы будет повышаться до тех пор, пока не будет достигнуто состояние равенства мощностей (точка a). Наоборот, при n₂ > n_a недостаток мощности двигателя «покрывается» за счёт кинетической энергии системы, и частота вращения вала уменьшается до тех пор, пока опять не установится равенство мощностей.

Таким образом, при работе двигателя с потребителем устойчивый режим работы системы устанавливается автоматически. Если мощность потребителя на каком-либо скоростном режиме уменьшается (кривая  на рис. 2.3 а), а по условиям работы желательно поддерживать частоту вращения n_a неизменной, то мощность двигателя должна быть уменьшена до нового значения . Точка a” соответствует новому состоянию динамического равновесия системы. В двигателях предусмотрена возможность регулирования мощности увеличением или уменьшением подачи топлива (горючей смеси) в цилиндры двигателя.

Рис. 2.3. Совмещённые характеристики двигателя и потребителя:

а) – уменьшение мощностей двигателя и потребителя при постоянной частоте вращения; б) – мощность потребителя больше мощности двигателя (заглохание двигателя)

 

Если мощность потребителя на рассматриваемом скоростном режиме увеличивается и достигает значений, превышающих значения мощности, раз-

виваемой двигателем (кривая Nп на рис. 2.3, б), то совместная работа двигателя и потребителя становится невозможной, так как двигатель на всех скоростных режимах развивает мощность меньшую, чем требуется потребителю. В этом случае частота вращения вала системы прогрессивно уменьшается до полной остановки двигателя (двигатель глохнет).

Анализ вопроса совместной работы двигателя с потребителем показывает, насколько важно иметь ясное представление о характеристике двигателя.

 

Нагрузочные характеристики

Нагрузочной характеристикой называется изменение величины удельного или часового расхода топлива, а также других параметров в зависимости от нагрузки на двигатель (мощность, среднее эффективное давление или крутящий момент) при постоянной частоте вращения вала (см. рис. 2.6). В качестве независимой переменной при построении нагрузочной характеристики по оси абсцисс могут быть отложены Me = Mc, Ne, pe.

Рис. 2.6. Нагрузочные характеристики дизеля: а – без наддува; б – с наддувом

Работа на режимах нагрузочной характеристики наиболее характерна для двигателей, которые по условиям технологического процесса потребителя мощности должны сохранять почти постоянным скоростной режим при изменении внешней нагрузки (двигатели для привода электрических генераторов, насосов, компрессоров, тракторов). Также нагрузочная характеристика имитирует работу автомобильного двигателя при движении автомобиля с постоянной скоростью на одной из передач в условиях переменного дорожного сопротивления.

Нагрузочная характеристика двигателя с внешним смесеобразованием снимается посредством регулирования количества подаваемой горючей смеси в цилиндры двигателя при неизменной частоте вращения и оптимальном угле опережения зажигания. Изменение количества подаваемой горючей смеси осуществляется поворотом дроссельной заслонки, а постоянство частоты вращения достигается соответствующим изменением момента сопротивления нагрузочного устройства.

Нагрузочная характеристика дизеля снимается посредством изменения количества подаваемого в цилиндры двигателя топлива при сохранении неизменной частоты вращения вала. Изменение количества подаваемого топлива осуществляется перемещением рейки топливного насоса, а постоянство оборотов обеспечивается изменением момента сопротивления нагрузочного устройства.

Проводя эксперименты при различной, но постоянной частоте вращения коленчатого вала, можно получить множество нагрузочных характеристик.

Исследование нагрузочных характеристик позволяет определить оптимальный нагрузочный режим работы двигателя, характеризуемый зоной минимальных расходов топлива, а также определить способы улучшения топливной экономичности двигателя.

Лекция № 3

Кинематика КШМ

План лекции

3.1. Зависимости перемещения поршня от угла поворота кривошипа.

3.2. Скорость поршня

3.3. Ускорение поршня

 

Скорость поршня

Выражение для определения скорости поршня как функции угла поворота кривошипа можно получить путем дифференцирования уравнения движения кривошипно-шатунного механизма.

В результате получится

Скорость поршня можно представить как сумму скоростей первого и второго порядка:

,

где

Зависимость скорости поршня и ее составляющих от угла поворота имеют вид, представленный на рисунке 8.4

Видно, что составляющие скорости поршня представляют собой гармонические функции угла поворота кривошипа, причем с разными периодами.

В инженерной практике для оценки быстроходности и долговечности поршневых двигателей используется средняя скорость поршня

.

Cредняя скорость ограничивается условиями надежной работы деталей цилиндропоршневой группы и составляет 8-16 м/с.

Отношение .

Следовательно, с достаточной для инженерной практики точность можно считать, что

Рис. 3.4.Зависимость скорости поршня от угла поворота кривошипа

 

Ускорение поршня

Ускорение поршня находится дифференцированием выражения для определения скорости по времени:

Видно, что ускорение поршня .

- ускорение первого порядка

 - ускорение второго порядка.

Аналогично со скоростью можно построить график изменения ускорения.

Максимальное ускорение поршня для автомобильных двигателей 6000-20000 м/с.

 

Лекция № 4

Динамика КШМ (Часть 1)

План лекции

4.1. Силы давления газов

4.2. Массы движущихся деталей КШМ и их приведение.

 

Силы давления газов

Сила давления газов на поршень:

где р_r -давление газов в цилиндре (давление над поршнем); p_o- давление газов под поршнем, т.е. в картере двигателя; F_n- площадь сечения цилиндра.

Для четырехтактных двигателей с вентиляцией картера давление газов под поршнем принимается равным атмосферному давлению, а для двухтактных с кривошипно-камерной продувкой - давлению продувки р_к.

Поскольку давление газов переменно, то сила давления газов тоже является переменной величиной, т.е.

Р_Г=f(S_n)

Давление газов на поршень при различных значениях его хода определяется по индикаторной диаграмме. Индикаторную диаграмму перестраивают по методу Брикса в развернутую индикаторную диаграмму по углу поворота кривошипа . Развернутая индикаторная диаграмма в соответствующем масштабе представляет собой график зависимости силы давления газов от угла поворота кривошипа

Для графического перестроения индикаторной диаграммы в развернутую индикаторную диаграмму по углу поворота коленвала  вычисляют по формуле (*) и откладывают на диаграмме перемещение поршня от в.м.т., соответствующее определенным углам поворота коленвала (практически через 15 или 30).

Сила давления газов считается приложенной к оси поршневого пальца и имеет положительный знак; если она направлена к оси кривошипа, и отрицательный, если она направлена в противоположную сторону. Последнее имеет место лишь при давлении газов в цилиндре меньше атмосферного.

Сила давления газов имеет максимальное значение, когда поршень находится вблизи в.м.т. Сила давления газов вызывает основные нагрузки в деталях КШМ двигателя внутреннего сгорания.

 

Лекция № 5

Динамика КШМ (Часть 2)

План лекции

4.3. Силы инерции КШМ

4.4. Суммарные силы, действующие в КШМ

4.5. Силы, действующие на шатунную шейку коленчатого вала и шатунный подшипник

 

4.3. Силы инерции КШМ

В соответствии с принятой двухмассовой системой, динамически замещающей КШМ, силы инерщии движущихся масс КШМ сводятся к двум силам: силе инерции возвратно-поступательно движущихся масс P_j и центробежной силе инерции вращающихся масс K_r

Для центрального КШМ сила инерции возвратно - поступательно движущихся масс:

Сила инерции P_j может быть представлена в виде суммы сил инерции первого и второго порядка, изменяющихся по гармоническому закону в зависимости от угла поворота кривошипа:

P_j=P_jI+P_jII.,

где

Сила инерции P_j считается положительной, если она наравлена к оси коленвала, и отрицательной, если наоборот.

Изменение направления силы инерции происходит при положении кривошипа, для которого ускорение поршня равно нулю.

Основные экстремальные значения силы инерции имеют место в ВМТ и НМТ

График зависимости силы инерции Р 4j 0 от угла поворота кривошипа сходен с графиком ускорения поршня, отличаясь от него лишь знаком ординат и масштабом. Центробежная сила инерции вращающихся масс

Знак минус показывает, что сила К_r направлена противоположно центростремительному ускорению. Центробежная сила инерции имеет постоянное значение (при  = const) и направлена по радиусу кривошипа от оси его вращения. Учитывая, что получим:

где K_rK- центробежная сила инерции кривошипа с массой m_K нагружающая лишь коренные подшипники кривошипа; K_rШ центробежная сила инерции вращающейся части шатуна m_B, нагружающая шатунные и коренные подшипники кривошипа.

 

Лекция № 6

План лекции

5.1 Неравномерность крутящего момента

5.2. Назначение и расчет маховика

5.3. Уравновешенность и уравновешивание поршневых ДВС

 

Лекция № 7

План лекции

5.3. Уравновешенность и уравновешивание поршневых ДВС

 

 

Лекция № 8

План лекции

6.1. Расчетные режимы нагрузок ДВС

6.2. Расчет на прочность деталей ЦПГ

 

Лекция № 9

План лекции

6.3. Расчет на прочность деталей КШМ

 

 

Хмелев Р.Н.

профессор кафедры АиАХ, доцент

 

 

Конспект лекций

 

по учебной дисциплине (модулю)

 

РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
(СИЛОВЫЕ АГРЕГАТЫ АВТОМОБИЛЕЙ –2)

 

 

Направление подготовки: