Определение параметров рабочего тела

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К Курсовому проекту

по дисциплине

"АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ"

Вариант №__

 

 

Выполнил: ___________

____________________

Проверил: ___________

____________________

 

Севастополь

2012
Содержание

 

ВВЕДЕНИЕ.. 3

1   ТЕПЛОВОй РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ.. 4

1.1    Определение параметров рабочего тела. 4

1.2    Количество продуктов сгорания. 4

1.3    Параметры действительного цикла двигателя. 5

1.3.1 Параметры процесса выпуска. 5

1.3.2 Параметры процесса впуска. 5

1.3.3 Параметры процесса сжатия. 6

1.3.4 Определение теплоемкости рабочей смеси. 6

1.3.5 Параметры процесса сгорания. 7

1.3.6 Параметры процесса расширения. 9

1.3.7 Параметры процесса выпуска. 10

1.4    Индикаторные и эффективные показатели рабочего цикла. 10

1.4.1 Среднее индикаторное давление. 10

1.4.2 Индикаторный КПД двигателя и расход топлива. 10

1.4.3 Среднее эффективное давление. 10

1.4.4 Эффективный КПД и расход топлива. 11

1.5    Определение основных размеров цилиндра двигателя. Рабочий объем двигателя и одного цилиндра. 11

1.6    Построение индикаторной диаграммы.. 12

1.6.1 Выбор масштабов и определение координат основных точек. 12

1.6.2 Построение политроп сжатия и расширения аналитическим методом.. 12

1.6.3 Скругление индикаторной диаграммы.. 13

1.7    Тепловой баланс двигателя. 13

1.8    Построение внешней скоростной характеристики. 14

2   КИНЕМАТИКА И ДИНАМИКА КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА.. 17

2.1    Кинематика кривошипно-шатунного механизма. 17

2.2    Динамика кривошипно-шатунного механизма. 18

2.2.1 Силы давления газов. 18

2.2.2 Определение сил инерции. 18

2.2.3 Суммарные силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме. 20

2.2.4 Силы, действующие на шатунные шейки коленчатого вала. 21

2.2.5 Диаграмма износа шатунной шейки. 21

2.2.6 Определение наиболее нагруженной шейки коленвала. 21

3   РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МЕХАНИЗМА ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ.. 24

3.1    Общие сведения. 24

3.2    Построение профиля кулачка. 24

3.3    Время-сечения клапана. 26

3.4    Расчет пружины клапана. 27

БИБЛИОГРАФИЯ.. 31

ВВЕДЕНИЕ

 

В данном курсовом проекте необходимо произвести расчет характеристик и конструктивных элементов автомобильного двигателя внутреннего сгорания, который должен обладать следующими техническими характеристиками:

- Номинальная мощность двигателя, ,кВт............................................................. ________

- Номинальная частота вращения, _,мин^-1.............................................................. ________

- Степень сжатия,  ...................................................................................................... ________

- Коэффициент избытка воздуха, ..............................................................................________

- Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна,  .............................................. ________

- Тип двигателя -

 

Так как степень сжатия , следовательно, проектируемый двигатель является карбюраторным.

ТЕПЛОВОй РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

Определение параметров рабочего тела

Проектируемый двигатель является карбюраторным. Элементарный состав карбюраторного топлива принимаем =________%,  =________%, =________%.

Необходимое количество воздуха для полного сгорания массовой и объемной единицы топлива:

                                               =________ кмоль/кг   (1.1)

                                                           =________ кг/кг

где , , и  - количество углерода, водорода и кислорода.

Величина поступившего в цилиндры карбюраторных двигателей свежего заряда:

 =                                     = ________кмоль/кг            (1.2)

где =110...120=________ кг/моль - молекулярная масса паров топлива.

Параметры действительного цикла двигателя

Параметры процесса выпуска

При тепловом расчете двигателя задаемся давлением и температурой окружающей среды:

 МПа; С,  К.

При предварительных расчетах двигателя принимают давление остаточных газов, МПа:

                                               =________ МПа

Температуру остаточных газов  рекомендуется принимать для карбюраторных двигателей К, принимаем К.

 

Параметры процесса впуска

Величина температуры подогрева заряда  для карбюраторных двигателей К; принимаем ________К.

Плотность заряда на впуске, кг/м³,

=                                        =________  кг/м³                       (1.8)

где =287 Дж/(кг×К) - удельная газовая постоянная для воздуха.

Потери давления на впуске, МПа,

                                          (1.9)

где  - коэффициент затухания скорости движения заряда в цилиндре;

 - коэффициент сопротивления системы впуска;

 - средняя скорость заряда на впуске, м/с.

Значениями  и  при расчете задаются. Для автотранспортных двигателей рекомендуются следующие интервалы значений:  = 2,5...4; = 50...130 м/с. Принимаем ;  м/с;

                                    =________  МПа

Таким образом, давление в конце впуска, МПа,

                                  =________  МПа

Коэффициент остаточных газов  характеризует степень очистки цилиндра от продуктов сгорания и может быть определен по выражению

                                        =________            (1.10)

Температура заряда в конце впуска, К,

= =                                                       =________ К         (1.11)

Величина, характеризующая качество процесса впуска, - коэффициент наполнения двигателя :

=                                                                       =________ (1.12)

 для современных карбюраторных двигателей находятся в пределах: = 0,7...0,85.

Параметры процесса сжатия

 

Процесс сжатия характеризуется показателем политропы сжатия, температурой, давлением и теплоемкостью рабочего тела в процессе сжатия. Величина показателя политропы сжатия определяется на основании опытных данных в зависимости от степени сжатия двигателя и температуры в конце впуска , для карбюраторных двигателей:

;

где  - показатель адиабаты сжатия, определяется по номограмме. .

; принимаем =________

Давление в конце процесса сжатия определяется по формуле, МПа.

=                                  =________МПа                       (1.13)

Температура рабочего тела в конце процесса сжатия, К,

=                                =________ К                      (1.14)

Расчетные значения величин  и  для современных карбюраторных двигателей внутреннего сгорания  МПа;  К.

 

Параметры процесса сгорания

Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси

              =________                                   (1.19)

При сгорании топлива действительный коэффициент изменения рабочей смеси должен учитывать наличие в рабочей смеси некоторого количества остаточных газов от предыдущего цикла

=                         =________                                   (1.20)

При сгорании обогащенных смесей () некоторое количество теплоты не выделяется при сгорании вследствие образования и выброса из цилиндра некоторого количества  и . Потеря теплоты в результате химической неполноты сгорания топлива () может быть определена по формуле, кДж/кг,

                                       =_________ кДж/кг           (1.20)

При известном элементарном составе жидкого топлива низшая теплотворная способность топлива определяется по формуле Д.И.Менделеева, МДж/кг,

                               (1.21)

=                                                                                  =________ (МДж/кг)= ________ кДж/кг

где  - количество водяных паров в продуктах сгорания массовой единицы топлива.

В результате сгорания рабочей смеси в цилиндре двигателя выделяется некоторое количество теплоты, кДж/кмоль рабочей смеси:

=                                =________ кДж/кмоль             (1.22)

Для определения температуры рабочего тела в конце процесса сгорания определяем среднюю мольную теплоемкость продуктов сгорания кДж/(кмоль×К),

(1.23)

где ; ; ; ;  - средние мольные теплоемкости компонентов продуктов сгорания, определяемые по эмпирическим формулам, приведенным в табл. 1.2 для интервала температур  ⁰С.

 

Таблица 1.2 - Средние мольные теплоемкости компонентов продуктов сгорания

Газ	Формула	,
		1501...2800 0С
Углекислый		39,123 + 0,003349
Окись углерода		22,49 + 0,00143
Водяной пар		26,67  + 0,004438
Водород		19,678 + 0,001758
Азот		21,951 + 0,001457

 

=__________ + __________  

Подставляя в эти формулы вместо  величину   и группируя известные члены, получаем уравнение

.

Температура в конце видимого процесса сгорания для карбюраторного двигателя может быть определена из выражения

                  (1.24)

Значения коэффициента использования теплоты  для карбюраторных двигателей =0,85...0,95;  Принимаем =_______.

После подстановки в уравнение сгорания соответствующих числовых значений  и выполнения необходимых преобразований, уравнение сгорания примет вид

 

________ +________ -________=0

В результате решения уравнения было получено два корня уравнения:

________ ºС;

________  ºС;

Т.е. принимаем _________ К., тогда К

Имея значение величины  можно определить давление в конце видимого сгорания, МПа для карбюраторных двигателей

                                =__________ МПа                      (1.25)

Степень повышения давления

                 =_________                                       (1.26)

Расчетные значения величин  для современных автотракторных двигателей находятся для карбюраторных двигателей в пределах: .

Действительные максимальные давления  в цилиндре карбюраторного двигателя обычно ниже расчетных значений , что объясняется увеличением объема надпоршневого пространства к моменту реализации максимума давления.

3,92 МПа

 

Параметры процесса выпуска

Для проверки правильности выбора значений , проверяется вероятное значение , на основании полученных величин  и  по следующей формуле, К:

                       =________ К                                (1.29)

Тепловой баланс двигателя

Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом, определяется по формуле, Дж/с,

                                            = ______________ Дж/с       (1.54)

Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1 с, Дж,

                                   = ______________ Дж              (1.55)

Теплота, передаваемая охлаждающей среде, Дж/с,

                                       (1.56)

где  - коэффициент пропорциональности, =0,45...0,53 = _______;

 - число цилиндров;

 - диаметр цилиндра, см;

-показатель степени; для четырехтактных двигателей

 

                                                                      = _____________ Дж/с

 

Теплота, унесенная с отработавшими газами, Дж/с,

                 (1.57)

Значение величины  определяется для полученной температуры = ______ К (________ ⁰C) по таблице методом интерполяции.

 

Тогда

___________

                                                       =_________ кДж/(кмоль×К)

Аналогично определяется и величина . T_o =293 К (20 ⁰С).

 = 29,09 кДж / (кмоль×К)

                                                                                                         =____________ Дж/с

Теплота потерянная из-за химической неполноты сгорания для карбюраторных двигателей при

=                                     =______________ Дж/с       (1.55)

Неучтенные потери теплоты

                                                                  =____________ Дж/с

Все составляющие теплового баланса сводятся таблицу  1.6.

Таблица 1.7 - Составляющие теплового баланса

Составляющие теплового баланса	Q, Дж/с	q, %
1	2	3
Теплота, эквивалентная эффективной работе
Теплота, передаваемая охлаждающей среде
Теплота, унесенная с отработавшими газами
Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива
Неучтенные потери теплоты
Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом

 

Силы давления газов

Давление газов, Н:

                                         (2.2)

где  - площадь поршня, м²;                    =_________ м²

 - давление газов в цилиндре двигателя, МПа.

 - и атмосферное давление, МПа.

Результаты вычислений давлений для каждого угла поворота коленвала занесены в таблицу 2.3.

 

Определение сил инерции

По характеру движения массы деталей кривошипно-шатунного механизма можно разделить на массы, движущиеся возвратно-поступательно (поршневая группа и верхняя головка шатуна); массы, совершающие вращательные движения (коленвал и нижняя головка шатуна), и массы совершающие сложные движения (стержень шатуна). Для приближенного расчета масс используют конструктивные массы:

 

Таблица 2.2 - Массы деталей кривошипно-шатунного механизма

Конструктивный элемент или масса	Конструктивная масса, кг/м2	Масса, кг
Поршень (из алюминиевого сплава),
Шатун,
Неуравновешенные части коленвала (стальной кованный вал),

 

                                        =_______ кг;

                                       =_______ кг

                                         =_______ кг;

                                   =_______ кг

Имея значения приведенных масс, можно определить силу инерции возвратно-поступательно движущихся масс, Н:

                               (2.3)

Сила инерции вращающихся масс, Н,

                                       =___________ H                (2.4)

Полученные значения величины  для различных углов поворота коленвала заносят в таблицу 2.3.

 

Таблица 2.3 - Расчет динамики КШМ

, мм

, МПа

, МПа

, Н

, м/с2

, Н

, Н

, Н

, Н

, Н

, Н

, Н·м

Общие сведения

 

Площадь проходного сечения в клапане определяется из условия неразрывности потока несжимаемого газа по условной средней скорости в сечении седла при максимальном подъеме клапана на режиме номинальной частоты вращения, см²,

,                                                          (3.1)

где -значение средней скорости поршня, =_______ м/с;  

- скорость газа в проходном сечении клапана = _____ м/с;

 - площадь поршня _______ (м²)=_______ (см²);

 - число одноименных клапанов,  = 1.

 (см²)

Учитывая, что через горловину проходит стержень клапана, ее площадь обычно принимают

= (см²)                                      (3.2)

Диаметр горловины, мм:

 (мм).

Диаметр  впускного клапана должно лежать в пределах

 (мм).

Диаметры горловин выпускных клапанов принимают на 10-20% меньше  впускных клапанов.

 (мм).

У современных двигателей угол наклона фаски тарелки выпускного клапана обычно принимается равным 45⁰, а впускного клапана - 45⁰ или 30⁰.

Если известны  и , то максимальная высота подъема клапана может быть определена: при :

=                             (3.3)

Построение профиля кулачка

 

Построение профиля кулачка ведется от начальной окружности радиуса . Значение величины  находится в пределах

 (см).

Угол , задающий положение этих точек, определяется из условия обеспечения принятых фаз газораспределения для проектируемого клапана:

                                               (3.4)

где -угол опережения открытия впускного клапана до ВМТ, ___⁰;

 - запаздывания закрытия впускного после НМТ, __⁰.

Условие максимального хода толкателя

                                                (3.5)

где  и  - длина плеча коромысла, прилегающая соответственно к толкателю и к клапану.

0,7;  (мм)

Для выпуклого кулачка значение величины  принимается по технологическим соображениям из условия .  мм.

Если задаемся значением , то значение  может быть рассчитано по формуле, мм,

                                       (3.6)

где

                                               (3.7)

 (мм)

 (мм)

Для обеспечения зазора в клапанном механизме тыльную часть кулачка выполняют радиусом , меньшим, чем  на зазор . Зазор  учитывает температурную и упругую деформацию элементов механизма газораспределения и принимается равным: для впускных клапанов  =0,25...0,35 мм, (принимаем 0,3 мм).

Угол  определяют из условия, что в точке С угол  и , а

                                           (3.8)

В зависимости от выбранного профиля кулачка и типа толкателя определяются подъем, скорость и ускорение толкателя и клапана. Для выпуклого кулачка с плоским толкателем

                     (3.9)

где  - соответственно подъем, м, скорость м/с и ускорение, толкателя, м/с² при движении его по дуге радиуса  от точки А к точке С;  - соответственно подъем, скорость и ускорение толкателя при движении его по дуге радиуса  от точки С к точке В.

 - угловая скорость кулачка (распредвала), рад/с;

 (сек^-1)                              (3.10)

 и   - текущие значения углов при движении толкателя по дугам окружности   и .

 

Таблица 3.1 - Графики пути, скорост