Название реферата: Расчёт бензинового инжекторного двигателя 84 кВт
Раздел: Транспорт
Скачано с сайта: www.refsru.com
Дата размещения: 17.04.2013
Расчёт бензинового инжекторного двигателя 84 кВт
содержание
Введение
1. Тепловой расчёт бензинового двигателя
1.1 Топливо
1.2 Параметры рабочего тела
1.3 Параметры окружающей среды и остаточные газы
1.4 Процесс впуска
1.5 Процесс сжатия
1.6 Процесс сгорания
1.7 Процессы расширения и выпуска
1.8 Индикаторные параметры рабочего цикла
1.9 Эффективные показатели двигателя
1.10 Основные параметры цилиндра и двигателя
1.11 Посторенние индикаторной диаграммы
2. Тепловой баланс двигателя
3. Построение внешней скоростной характеристики двигателя
Введение
Современные наземные виды транспорта обязаны своим развитием главным образом применению в качестве силовых установок поршневых двигателей внутреннего сгорания. Именно поршневые ДВС до настоящего времени являются основным видом силовых установок, преимущественно используемых на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных, дорожно-транспортных и строительных машинах.
Являясь достаточно сложным агрегатом, любой двигатель должен вбирать в себя многие достижения постоянно развивающихся различных направлений и отраслей науки: химии и физики, гидравлики и аэродинамики, теплотехники и электроники, металлургии и сопротивления материалов, математики и вычислительной техники и т. д. и т. п.
Выполнение сегодняшних задач и движение к прогрессу требует от специалистов, связанных с производством и эксплуатацией автомобильных двигателей, глубоких знаний теории, конструкции и расчета двигателей внутреннего сгорания.
Прогресс в автомобильной промышленности, дальнейшее увеличение грузооборота автомобильного транспорта предусматривает не только количественный рост автопарка, но и значительное улучшение использования имеющихся автомобилей, повышение, культуры эксплуатации, увеличение межремонтных сроков службы.
Тепловой расчет позволяет с достаточной степенью точности аналитическим путем определить основные параметры вновь проектируемого двигателя, а также проверить степень совершенства действительного цикла реально работающего двигателя.
В данном учебном пособии основное внимание уделено расчету вновь проектируемого двигателя. В связи с этим приводятся основные положения, необходимые для выбора исходных параметров, которые используются при выполнении как теплового, так и последующих расчетов двигателя.
При расчете двигателя обычно задаются величиной номинальной мощности или определяют ее с помощью тяговых расчетов. Номинальной мощностью (Nе) называют эффективную мощность, гарантируемую заводом-изготовителем для определенных условий работы. В автомобильных и тракторных двигателях номинальная мощность равна максимальной мощности при нормальной частоте вращения коленчатого вала. Выбор или задание номинальной мощности определяется прежде всего назначением двигателя (для легкового или грузового автомобилей, трактора); его типом (бензиновый - карбюраторный или двигатель с впрыском топлива, газовый, дизель); условиями эксплуатации и т.д. Мощность современных автомобильных и тракторных двигателей колеблется в очень широких пределах – 15 – 500 кВт.
Другим важнейшим показателем двигателя является частота вращения коленчатого вала, характеризующая тип двигателя и его динамические качества. На протяжении длительного времени существовала тенденция повышения частоты вращения коленчатого вала. Результатом этого являлось снижение основных размеров двигателя, его массы и габаритов. Однако с увеличением частоты вращения возрастают инерционные силы, ухудшается наполнение цилиндров, возрастает токсичность продуктов сгорания, повышается износ деталей и узлов двигателя, снижается его срок службы. В связи с этим в 60- 80-х годах частота вращения коленчатого вала двигателей практически стабилизировалась, а для отдельных типов автомобильных двигателей даже снижалась. Однако применение бензиновых двигателей с впрыском топлива во впускную систему и непосредственно в цилиндр позволило значительно увеличивать частоту вращения коленчатого вала при снижении токсичности отработавших газов.
1.Тепловой расчет бензинового двигателя
Исходные данные
Тип двигателя |
Бензиновый инжектор |
Тактность |
4-х |
Количество цилиндров |
4 |
Расположение цилиндров |
Рядный |
Частота вращения КВ, (n,мин-1) |
5800 |
Эффективная мощность, (Ne, КВт) |
84 |
Степень сжатия, (ε) |
11,3 |
Коэффициент избытка воздуха, (α) |
1 |
В соответствии с ГОСТ Р 51105-97 /2/. для рассчитываемого двигателя принимаем бензиновое топливо марки Премиум – 95.
1.1 Топливо
Средний элементарный состав бензинового топлива:
Углерод: C=0,855; Водород: H2=0,145; Кислород: O2=0.
Низшая теплота сгорания бензина:
1.2 Параметры рабочего тела
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива.
кмоль воздуха/кг топлива
где 0,208 – объемное содержание кислорода в 1кмоль воздуха.
кг воздуха/кг топлива
где 0,23 – массовое содержание кислорода в 1кг воздуха.
Коэффициент избытка воздуха.
Принимаем: .
Количество горючей смеси:
кмоль гор. смеси/кг топлива
где mТ = 115 кг/моль – молекулярная масса паров бензина.
При неполном сгорании топлива продукты сгорания представляют собой смесь углекислого газа СО, водяного пара Н
О, кислорода О
и азота N
.
Количество отдельных компонентов продуктов неполного сгорания топлива:
Углекислого газа:
кмоль СО2/кг топлива
Водяного пара:
кмоль Н2О/кг топлива
Кислорода:
кмоль О2/кг топлива
Азота:
кмоль N2/кг топлива
Общее количество продуктов неполного сгорания топлива:
кмоль сгорания/кг топлива
1.3 Параметры окружающей среды и остаточные газы
Атмосферные условия
МПа и
К.
Степень сжатия 11,3
Температура и давление остаточных газов.
К
МПа
1.4 Процесс впуска
Температура подогрева свежего заряда.
Рассчитываемый двигатель не имеет специального устройства для подогрева свежего заряда. Однако естественный подогрев заряда в бензиновом двигателе может достигать . Принимаем:
Потери давления на впуске
,
Примем
.
Давление в конце впуска составляет:
Коэффициент остаточных газов характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания и определяется по формуле:
Температура заряда в конце пуска определяется:
Коэффициент наполнения
Параметры |
Значения |
Pr, МПа |
0,12 |
P0, МПа |
0,1 |
Тr, K |
1040 |
T0, K |
293 |
ηv |
0,79699 |
ε |
11,3 |
∆T, K |
7 |
γ |
|
Pa, МПа |
0,085 |
Ta, К |
329,27 |
1.5 Процесс сжатия
Для расчетов параметров в конце сжатия примем показатель политропы равный
.
Давление в конце сжатия:
Температура в конце сжатия:
Определим среднюю теплоемкость в конце сжатия
а) свежей смеси (воздуха)
,
где
б) остаточных газов определяем по рекомендации методического пособия.
в) рабочей смеси:
Параметры |
Значения |
Tc, K |
788,24 |
Pc, МПа |
2,299 |
1.6 Процесс сгорания
Коэффициент молекулярного изменения горючей и рабочей смеси
.
Определим теплоту сгорания рабочей смеси
Определим мольную теплоемкость продуктов сгорания
Температура в конце видимого процесса сгорания:
примем , получим
Отсюда имеем
Отсюда
Максимальное давление сгорания теоретическое:
Максимальное давление сгорания теоретическое:
Определим степень повышения давления
Параметры |
Значения |
μ |
1,024 |
μ0 |
1,0524 |
(mcv’), кДж/кг |
21,96 |
(mcv’’), кДж/кг |
24,24 |
ξ |
0,91 |
Tz, K |
2978 |
Pz, МПа |
8,89 |
λ |
3,867 |
1.7 Процессы расширения и выпуска
Для определения параметров процесса расширения примем показатель политропы расширения
Определим давление :
Определим температуру:
Проверка ранее принятой температуры остаточных газов:
Погрешность составляет:
Таблица 5
Параметры |
Значения |
Pb |
0,4 |
Tb |
1510,3 |
1.8 Индикаторные параметры рабочего цикла
Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания характеризуется индикаторными показателями:
Среднее индикаторное давление теоретическое:
Среднее индикаторное давление действительное:
Примем , получим
Определим индикаторный КПД:
Где плотность воздуха на впуске двигателя.
Удельный расход топлива
Таблица 6
Параметры |
Значения |
Pi’, МПа |
1,16 |
Pi, МПа |
1,14 |
ηi |
0,4 |
gi, г/кВт*ч |
204,87 |
φ |
0,98 |
1.9 Эффективные показатели двигателя
Эффективное давление определяется:
,
Где - среднее давление механических потерь. Для инжекторного двигателя составляет
.
Механический КПД:
Эффективный КПД двигателя:
Определим эффективный удельный расход топлива:
Таблица 7
Параметры |
Значения |
∆P, МПа |
0,12 |
Pe, МПа |
1,02 |
ηм |
0,89 |
ηe |
0,356 |
ge, г/кВт*ч |
230,2 |
1.10 Основные параметры цилиндра и двигателя
Литраж двигателя:
Литраж одного цилиндра:
Примем соотношение хода поршня к диаметру и определим диаметр цилиндра.
Округлим до 85мм.
Определим ход поршня.
Определим основные параметры двигателя для полученных значений S и D.
Литраж двигателя:
Номинальная эффективная мощность
Номинальный крутящий момент
Часовой расход топлива
Таблица 8
Параметры |
Значения |
D, мм |
85 |
S,мм |
77 |
Vл, л |
1,7 |
Ne,кВт |
86 |
Me, Н·м |
141,6 |
Gт, кг/ч |
19,8 |
1.11 Посторенние индикаторной диаграммы
Индикаторная диаграмма ДВС строится с использованием данных теплового расчета, в выбранных масштабах. . В начале построения на оси абсцисс откладываем отрезок AB, соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня в масштабе MS.
Масштабы диаграммы: масштаб хода поршня МS=0,5мм в мм и масштаб давления МР=0,04 МПа в мм.
Величины в приведенном масштабе, соответствующему рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания.
Максимальная высота диаграммы (точка Z)
Ординаты характерных точек:
;
;
;
;
Построение политроп сжатия и расширения производится аналитическим или графическим методом. Построение политроп выполняем аналитическим методом, вычисляя 9 точек для промежуточных объемов, расположенных между Vc и Va и между Vz и Vb по уравнению политропы . Для политропы сжатия
, откуда
где Px и Vx – давление и объем в искомой точке процесса сжатия.
Отношение Va/Vx изменяется от 1 до . Для политропы расширения
а) политропа сжатия
Отсюда
где
б) политропа расширения
Отсюда
,
Результаты расчета точек представлены в таблице 1.
Таблица 9
№ точек |
OX, мм |
OB/OX |
Политропа сжатия |
Политропа расширения | ||||
|
|
|
|
|
| |||
1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
160 130 110 90 70 50 30 20 14,96 |
1,056 1,3 1,54 1,87 2,41 3,38 5,63 8,45 11,3 |
1,078 1,43 1,798 2,34 3,31 5,24 10,49 18,22 27,05 |
2,29 3,05 3,83 4,98 7,05 11,16 22,34 38,8 57,62 |
0,09 0,122 0,15 0,199 0,28 0,45 0,89 1,55 2,3 |
1,072 1,39 1,74 2,23 3,08 4,75 9,13 15,36 22,28 |
10,72 13,9 17,4 22,3 30,8 47,5 91,3 153,6 222,8 |
0,429 0,556 0,696 0,892 1,23 1,9 3,65 6,144 8,91 |
Действительная или скругленная индикаторная диаграмма отличатся от расчетной за счет опережения зажигания или впрыска (т. с´), повышение давления в конце сжатия (т. c˝). Кроме того на рабочий процесс оказывает влияние период открытия и закрытия клапанов газораспределения (т. a´ a˝ b´ и r´). Для определения местоположения точек c´, b´, r´, a´ и a˝ следует задаться фазами газораспределения и углом опережения зажигания (впрыска), а также соотношение радиуса кривошипа R к длине шатуна Lш. значение данного соотношения. Примем .
В соответствии с принятыми фазами газораспределением и углом опережения зажигания (впрыска) определяют положение точек r´, a´, a˝, c´ и b´ по формуле:
Результаты расчетов приводим в таблице 2
Таблица10
Обозначение точек |
Положение точек |
φ° |
|
Расстояние точек от ВМТ (AX) мм. |
r´ |
18° до ВМТ |
18 |
0,0625 |
4,8 |
a´ |
25° после ВМТ |
25 |
0,119 |
9,2 |
a˝ |
60° после НМТ |
120 |
1,607 |
123,74 |
c´ |
35° до ВМТ |
35 |
0,227 |
17,48 |
b´ |
55° до НМТ |
125 |
1,669 |
128,51 |
Положение точки с" определяется из выражения
2.Тепловой баланс
Тепло, выделяющееся при сгорании топлива в цилиндрах двигателя, не может быть полностью преобразовано в полезную механическую работу. В реальном двигателе потери тепла возрастают из-за трения, теплообмена, неполноты сгорания и других причин. В связи с эти эффективный КПД цикла имеет меньшее значение по сравнению с термическим КПД, который всегда остается меньше единицы вследствие передачи части тепла холодному источнику.
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 имевшихся потерь. Знание отдельных составляющих теплового баланса позволяет судить о теплонапряженности деталей двигателя, рассчитать схему охлаждения, выяснить возможность использования теплоты отработавших газов и т.д.
Тепловой баланс двигателя характеризует распределение тепловой энергии сгоревшего топлива. Приближенно, составляющие теплового баланса можно определить аналитически по данным теплового расчета двигателя.
Уравнение теплового баланса:
Qo= Qe + Qг + Qв + Qн.с.+ Qост.
где Qo – теплота, введенная в цилиндры двигателя с топливом при режиме номинальной нагрузки:
Qe – теплота, превращенная в полезную (эффективную) работу
Qг – теплота, потерянная с отработавшими газами,
где ,
– молярные теплоемкости продуктов сгорания и свежего заряда, кДж/(кмоль·град.),
tг , to – температура отработавших газов и свежего заряда, для расчета примем:
кДж/(кмоль·град),
кДж/(кмоль·град);
Qв – теплота, передаваемая охлаждающей среде:
, Дж/с ,
где – коэффициент пропорциональности для 4-х тактных двигателей,
– эмпирический коэффициент, примем m=0,6
– число цилиндров,
Qост – неучтенные потери теплоты:
Представим тепловой баланс в относительных единицах.
Знание абсолютных значений составляющих теплового баланса позволяет осуществить количественную оценку распределения теплоты в двигателе.
Величины отдельных составляющих теплового баланса двигателя не являются постоянными, а изменяются в процессе его работы в зависимости от нагрузки, быстроходности и других факторов.
Характер распределения теплоты, подводимой в цилиндр с топливом, в процессе превращения в полезную эффективную работу наглядно может быть представлен в виде кривых теплового баланса. Графические зависимости строятся на основании определения каждой составляющей в зависимости от частоты вращения, нагрузки, качества смеси и т.д.
Тепловой баланс
3. Построение внешней скоростной характеристики двигателя
Внешняя скоростная характеристика позволяет провести анализ и дать оценку мощностных, экономических и эксплуатационных показателей при работе двигателя с полной нагрузкой.
При построение внешней скоростной характеристики двигателя используют результаты испытаний двигателя на специальных стендах, а на стадии проектирования двигателя можно использовать результаты теплового расчета.
В курсовом проекте внешнюю скоростную характеристику двигателя строим по результатам теплового расчета для режима номинальной нагрузки с использованием эмпирических зависимостей.
Построение кривых скоростей характеристики ведется в интервале от 1000 до 6300мин-1
Расчетные точки кривой эффективной мощности определяются по следующим эмпирическим зависимостям через каждые 1000 мин-1:
Где, Neи nN – номинальная эффективная мощность (кВт) и частота вращения коленчатого вала (мин-1) при этой мощности (по результатам теплового расчета);
Nex и nx – эффективная мощность (кВт) и частота вращения коленчатого вала (мин-1) в искомой точке на кривой скоростной характеристики двигателя.
Для рассмотрения произведём расчёт только для одной точки х=1 (), а результаты расчёта для других точек занесём в табл.11.
Мощность в расчётных точках, кВт:
По рассчитанным точкам в масштабе MN строится кривая эффективной мощности.
Точки кривой эффективного крутящего момента (Н·м) определяются по формуле:
Расчетные точки кривой удельного эффективного расхода топлива qe , г/(кВт·ч) определяются:
- для бензиновых двигателей:
где qeN – удельный эффективный расход топлива при номинальной мощности принимается из теплового расчета, г/(кВт·ч).
Часовой расход топлива для расчетных точек, кг/ч:
;
Значение параметров скоростной характеристики рассчитываем по приведенным выше формулам и заносим в таблицу 3.
Таблица 11
Частота вращения коленчатого вала, мин-1 |
Параметры внешней скоростной характеристики | |||
Nex, кВт |
Mex, Н·м |
qex , г/(кВт·ч) |
GT, кг/ч | |
1000 |
16,94 |
161,777 |
242,0248 |
4,0999 |
2000 |
36,35 |
173,5713 |
218,7584 |
7,951869 |
3000 |
55,59 |
176,9615 |
206,441 |
11,47605 |
4000 |
72 |
171,9 |
205,0723 |
14,76521 |
5000 |
82,95 |
158,4345 |
214,6526 |
17,80543 |
5800 |
86 |
141,6034 |
230,2 |
19,7972 |
6100 |
85,53 |
133,9035 |
237,8368 |
20,34218 |
6300 |
84,64 |
128,349 |
243,4755 |
20,61507 |
4. Кинематический расчет КШМ
Цель кинематического расчета – определение перемещения, скорости и ускорения поршня от угла поворота коленчатого вала. Кинематический расчет выполняется только для двигателя с центральным КШМ.
Рис. 3. Кинематическая схема КШМ
S – ход поршня ( 77 мм);
s – путь поршня;
a – угол поворота коленчатого вала;
b - угол отклонения оси шатуна от оси цилиндра;
R – радиус кривошипа (38,5 мм);
– длина шатуна;
– отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;
– угловая скорость вращения коленчатого вала;
Перемещение поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала
, мм
Расчет Sx производим аналитически через каждые 30° для одного оборота коленчатого вала, результаты расчета заносим в таблицу 12
Скорость поршня является переменной величиной и при постоянной частоте вращения коленчатого вала зависит от φ и λ.
Vn=R, м/с;
Результаты расчеты Vn заносим в таблицу 12.
Ускорение поршня:
, м2/с;
Результаты расчета jn заносим в таблицу 12.
По данным результатам таблицы 12 строим графически Sx, Vn и j.
Таблица 12
|
|
Sx, мм |
|
Vп, м/с |
|
j, м/с2 |
0 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
1,25 |
17731,61 |
30 |
0,17 |
6,55 |
0,61 |
14,26 |
0,99 |
14043,43 |
60 |
0,60 |
23,10 |
0,97 |
22,67 |
0,38 |
5390,409 |
90 |
1,12 |
43,12 |
1,00 |
23,37 |
-0,25 |
-3546,32 |
120 |
1,60 |
61,60 |
0,76 |
17,76 |
-0,62 |
-8794,88 |
150 |
1,90 |
73,15 |
0,39 |
9,11 |
-0,74 |
-10497,1 |
180 |
2,00 |
77,00 |
0,00 |
0,00 |
-0,75 |
-10639 |
210 |
1,90 |
73,15 |
-0,39 |
-9,11 |
-0,74 |
-10497,1 |
240 |
1,60 |
61,60 |
-0,76 |
-17,76 |
-0,62 |
-8794,88 |
270 |
1,12 |
43,12 |
-1,00 |
-23,37 |
-0,25 |
-3546,32 |
300 |
0,60 |
23,10 |
-0,97 |
-22,67 |
0,38 |
5390,409 |
330 |
0,17 |
6,55 |
-0,61 |
-14,26 |
0,99 |
14043,43 |
360 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
1,25 |
17731,61 |
5.Динамический расчет двигателя
Цель динамического расчета определение сил и моментов, действующих в КШМ, и установление закономерностей их изменения за рабочий цикл двигателя. Во время работы двигателя на детали КШМ действуют силы давления газов в цилиндре, силы инерции возвратно-поступательно движущихся и вращающихся масс. В течение каждого рабочего цикла (720°) силы, действующие в КШМ, непрерывно изменяются по величине и направлению. Характер изменения этих сил по углу поворота коленчатого вала, их величины определяют для ряда отдельных положений вала (рекомендуется через каждые 30°).
Определение сил давления газов
Индикаторную диаграмму полученную в тепловом расчете , развертываем по углу поворота кривошипа по методу Брикса.
Поправка Брикса
Избыточное давление газов, приложенное к поршню, МПа
, (2.4)
где PО – давление окружающей среды, PО = 0,1 МПа;
PЦ – текущее значение давления газов в цилиндре принимается по индикаторной диаграмме, МПа.
Сила давления газов в цилиндре КШМ, кН.
Pг=,
Площадь дна поршня.
Приведение масс частей КШМ
Масса поршневой группы (для поршня из алюминиевого сплава принято
)
Масса шатуна (для стального кованного шатуна принято )
Масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов (для литого чугунного вала принято
).
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
Из таблицы 12 переносим значения j в таблицу 13 и определяем значения удельной силы инерции возвратно-поступательно движущих масс
Центробежная сила инерции вращающих масс
Центробежная сила инерции вращающихся масс шатуна
Удельные суммарные силы
Удельная сила (МПа), сосредоточенная на оси пальца
Удельная нормальная сила
.
Значения определяем для
и заносим в таблицу14.
Удельная сила действующая вдоль шатуна
Удельная сила действующая по радиусу кривошипа
Удельная и полная тангенциальные силы в МПа и кН:
По данным таблицы строим графики изменения удельных сил ,
,
,
,
и
в зависимости от изменения угла поворота коленчатого вала
.
Крутящие моменты
Крутящий момент одного цилиндра равен
Период изменения крутящего момента четырехтактного двигателя с равными интервалами между вспышками
Осуществляем табличным методом суммирование значений крутящих моментов всех четырех цилиндров двигателя через каждые 30 градусов угла поворота коленчатого вала и по полученным данным (таблица13) строим кривую в масштабе
.
Средний крутящий момент двигателя:
По данным теплового расчета
По площади заключенной под кривой
Ошибка
Максимальный и минимальный крутящие моменты.
Таблица13
Таблица крутящих моментов | |||||||||
|
Цилиндры |
| |||||||
1 |
2 |
3 |
4 | ||||||
φо криво-шипа |
|
φо криво-шипа |
|
φо криво-шипа |
|
φо криво-шипа |
| ||
0 |
0,0 |
0 |
180,0 |
0 |
360,0 |
0 |
540,0 |
0 |
0 |
30 |
30,0 |
-273,369 |
210,0 |
-114,201 |
390,0 |
231,211 |
570,0 |
-130,835 |
-287,194 |
60 |
60,0 |
-183,116 |
240,0 |
-186,277 |
420,0 |
237,226 |
600,0 |
-210,904 |
-343,071 |
90 |
90,0 |
82,2089 |
270,0 |
-100,49 |
450,0 |
112,762 |
630,0 |
-93,1775 |
1,3034 |
120 |
120,0 |
181,953 |
300,0 |
129,674 |
480,0 |
226,638 |
660,0 |
172,4108 |
710,66 |
150 |
150,0 |
114,201 |
330,0 |
137,766 |
510,0 |
251,973 |
690,0 |
266,6887 |
77063 |
180 |
180,0 |
0 |
360,0 |
0 |
540,0 |
143,03 |
720,0 |
0 |
0 |
φ° |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
-0,064 |
17501,33 |
-2,47 |
-2,54 |
0 |
0 |
1 |
-2,53587 |
1 |
-2,53587 |
0 |
0 |
0 |
0 |
30 |
-0,115 |
13861,05 |
-1,96 |
-2,07 |
0,126 |
-0,26112 |
1,008 |
-2,08898 |
0,803 |
-1,66413 |
0,609 |
-1,26209 |
-7,19391 |
-273,369 |
60 |
-0,115 |
5320,404 |
-0,75 |
-0,87 |
0,22 |
-0,19056 |
1,024 |
-0,88699 |
0,309 |
-0,26766 |
0,976 |
-0,84541 |
-4,81885 |
-183,116 |
90 |
-0,115 |
-3500,27 |
0,49 |
0,38 |
0,256 |
0,097163 |
1,032 |
0,391688 |
-0,256 |
-0,09716 |
1 |
0,379542 |
2,163392 |
82,2089 |
120 |
-0,115 |
-8680,66 |
1,23 |
1,11 |
0,22 |
0,244457 |
1,024 |
1,137837 |
-0,691 |
-0,76782 |
0,756 |
0,840044 |
4,788251 |
181,9535 |
150 |
-0,115 |
-10360,8 |
1,46 |
1,35 |
0,126 |
0,169905 |
1,008 |
1,359241 |
-0,929 |
-1,25271 |
0,391 |
0,527245 |
3,005299 |
114,2014 |
180 |
-0,115 |
-10500,8 |
1,48 |
1,37 |
0 |
0 |
1 |
1,368227 |
-1 |
-1,36823 |
0 |
0 |
0 |
0 |
210 |
-0,115 |
-10360,8 |
1,46 |
1,35 |
-0,126 |
-0,16991 |
1,008 |
1,359241 |
-0,929 |
-1,25271 |
-0,391 |
-0,52725 |
-3,0053 |
-114,201 |
240 |
-0,088 |
-8680,66 |
1,23 |
1,14 |
-0,22 |
-0,25027 |
1,024 |
1,164871 |
-0,691 |
-0,78606 |
-0,756 |
-0,86 |
-4,90201 |
-186,277 |
270 |
-0,030 |
-3500,27 |
0,49 |
0,46 |
-0,256 |
-0,11877 |
1,032 |
0,478789 |
-0,256 |
-0,11877 |
-1 |
-0,46394 |
-2,64447 |
-100,49 |
300 |
0,138 |
5320,404 |
-0,75 |
-0,61 |
-0,22 |
0,134948 |
1,024 |
-0,62812 |
0,309 |
-0,18954 |
-0,976 |
0,598679 |
3,41247 |
129,6739 |
330 |
0,913 |
13861,05 |
-1,96 |
-1,04 |
-0,126 |
0,131594 |
1,008 |
-1,05275 |
0,803 |
-0,83865 |
-0,609 |
0,636037 |
3,625413 |
137,7657 |
360 |
2,560 |
17501,33 |
-2,47 |
0,09 |
0 |
0 |
1 |
0,088288 |
1 |
0,088288 |
0 |
0 |
0 |
0 |
370 |
7,356 |
17093,18 |
-2,41 |
4,94 |
0,043 |
0,212503 |
1,001 |
4,946872 |
0,977 |
4,828266 |
0,216 |
1,067457 |
6,084504 |
231,2112 |
390 |
3,756 |
13861,05 |
-1,96 |
1,80 |
0,126 |
0,226599 |
1,008 |
1,812791 |
0,803 |
1,444118 |
0,609 |
1,095228 |
6,242799 |
237,2264 |
420 |
1,285 |
5320,404 |
-0,75 |
0,53 |
0,22 |
0,117348 |
1,024 |
0,546201 |
0,309 |
0,16482 |
0,976 |
0,520598 |
2,967408 |
112,7615 |
450 |
0,552 |
-3500,27 |
0,49 |
1,05 |
0,256 |
0,267864 |
1,032 |
1,079825 |
-0,256 |
-0,26786 |
1 |
1,046342 |
5,964152 |
226,6378 |
480 |
0,313 |
-8680,66 |
1,23 |
1,54 |
0,22 |
0,338529 |
1,024 |
1,5757 |
-0,691 |
-1,06329 |
0,756 |
1,16331 |
6,630865 |
251,9729 |
510 |
0,226 |
-10360,8 |
1,46 |
1,69 |
0,126 |
0,212796 |
1,008 |
1,702365 |
-0,929 |
-1,56895 |
0,391 |
0,660342 |
3,763948 |
143,03 |
540 |
0,149 |
-10500,8 |
1,48 |
1,63 |
0 |
0 |
1 |
1,632227 |
-1 |
-1,63223 |
0 |
0 |
0 |
0 |
570 |
0,082 |
-10360,8 |
1,46 |
1,54 |
-0,126 |
-0,19465 |
1,008 |
1,557213 |
-0,929 |
-1,43517 |
-0,391 |
-0,60404 |
-3,44302 |
-130,835 |
600 |
0,062 |
-8680,66 |
1,23 |
1,29 |
-0,22 |
-0,28335 |
1,024 |
1,318881 |
-0,691 |
-0,88999 |
-0,756 |
-0,9737 |
-5,55012 |
-210,904 |
630 |
-0,064 |
-3500,27 |
0,49 |
0,43 |
-0,256 |
-0,11013 |
1,032 |
0,443948 |
-0,256 |
-0,11013 |
-1 |
-0,43018 |
-2,45204 |
-93,1775 |
660 |
-0,064 |
5320,404 |
-0,75 |
-0,82 |
-0,22 |
0,179423 |
1,024 |
-0,83513 |
0,309 |
-0,25201 |
-0,976 |
0,795987 |
4,537127 |
172,4108 |
690 |
-0,064 |
13861,05 |
-1,96 |
-2,02 |
-0,126 |
0,254741 |
1,008 |
-2,03793 |
0,803 |
-1,62347 |
-0,609 |
1,23125 |
7,018123 |
266,6887 |
720 |
-0,064 |
17501,33 |
-2,47 |
-2,54 |
0 |
0 |
1 |
-2,53587 |
1 |
-2,53587 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Таблица14
Силы, действующие на шатунную шейку коленчатого вала
Для проведения расчета результирующей силы, действующей на шатунную шейку рядного двигателя, составляем таблицу 15 в которую из таблицы 14 переносим значения силы Т.
Суммарная сила, действующая на шатунную шейку по радиусу кривошипа:
Результирующая сила RШ.Ш., действующая на шатунную шейку, подсчитываем графическим сложением векторов сил T и Pk при построении полярной диаграммы . Масштаб сил на полярной диаграмме для суммарных сил Значения для RШ.Ш для различных φ и по ним строим диаграмму RШ.Ш в прямоугольных координатах.
Таблица15
|
Полные силы, kH | |||
T |
K |
Pk |
RШ.Ш. | |
0 |
0 |
-14,4545 |
-23,1345 |
23,13447 |
30 |
-7,19391 |
-9,48557 |
-18,1656 |
19,53817 |
60 |
-4,81885 |
-1,52564 |
-10,2056 |
11,28611 |
90 |
2,163392 |
-0,55383 |
-9,23383 |
9,483873 |
120 |
4,788251 |
-4,37656 |
-13,0566 |
13,90688 |
150 |
3,005299 |
-7,14047 |
-15,8205 |
16,10339 |
180 |
0 |
-7,7989 |
-16,4789 |
16,4789 |
210 |
-3,0053 |
-7,14047 |
-15,8205 |
16,10339 |
240 |
-4,90201 |
-4,48054 |
-13,1605 |
14,04385 |
270 |
-2,64447 |
-0,67698 |
-9,35698 |
9,723497 |
300 |
3,41247 |
-1,08038 |
-9,76038 |
10,33973 |
330 |
3,625413 |
-4,78031 |
-13,4603 |
13,94 |
360 |
0 |
0,503239 |
-8,17676 |
8,176761 |
370 |
6,084504 |
27,52111 |
18,84111 |
19,79921 |
390 |
6,242799 |
8,231474 |
-0,44853 |
6,258891 |
420 |
2,967408 |
0,939476 |
-7,74052 |
8,289826 |
450 |
5,964152 |
-1,52682 |
-10,2068 |
11,82161 |
480 |
6,630865 |
-6,06075 |
-14,7408 |
16,16348 |
510 |
3,763948 |
-8,94299 |
-17,623 |
18,02046 |
540 |
0 |
-9,3037 |
-17,9837 |
17,9837 |
570 |
-3,44302 |
-8,18046 |
-16,8605 |
17,20842 |
600 |
-5,55012 |
-5,07293 |
-13,7529 |
14,8306 |
630 |
-2,45204 |
-0,62772 |
-9,30772 |
9,625289 |
660 |
4,537127 |
-1,43645 |
-10,1164 |
11,08729 |
690 |
7,018123 |
-9,25378 |
-17,9338 |
19,2581 |
720 |
0 |
-14,4545 |
-23,1345 |
23,13447 |
По полярной диаграмме строим диаграмму износа шатунной шейки . Сумму сил , действующих по каждому лучу диаграммы износа (от 1 до 12), определяем с помощью таблицы 16. По данным таблицы 16 в масштабе
по каждому лучу откладываем величину суммарных сил
от окружности к центру. По лучам 4 и 5 силы
не действуют, а по луча 6,7,8 действуют только в интервале
.
По диаграмме износа определяем расположение оси масляного отверстия ().
Уравновешивание двигателя
Силы и моменты, действующие в КШМ, непрерывно изменяются и, если они неуравновешенны, вызывают сотрясение и вибрацию двигателя, передаваемое раме автомобиля.
Условия уравновешенности двигателя с любым числом цилиндров:
а) результирующие силы инерции первого порядка и их моменты равны нулю:
и
б) результирующие силы инерции второго порядка и их моменты равны нулю:
и
в) результирующие центробежные силы инерции и их моменты равны нулю:
и
Схема сил инерции, действующих в КШМ четырехцилиндрового рядного двигателя, показана на схеме.
Схема сил инерции, действующих в четырехцилиндровом рядном двигателе.
Порядок работы двигателя 1 – 3 – 4 – 2 или 1 – 2 – 4 – 3. Промежутки между вспышками 180˚.
Коленчатый вал имеет кривошипы расположенные под углом 180˚.Как видно из схемы
;
;
;
;
;
Следовательно, для данного двигателя неуравновешенными являются силы инерции второго порядка PjII, которые из-за сложности их уравновешивания остаются неуравновешенными. Некоторые двигатели имеют коленчатые валы с противовесами для уменьшения центробежных сил, действующие на коренные подшипники.
Таблица16
Таблица износа шатунной шейки | |||||||||||||
Rш.ш.i |
Значение Rш.ш. i , кН, для лучей | ||||||||||||
1,00 |
2,00 |
3,00 |
4,00 |
5,00 |
6,00 |
7,00 |
8,00 |
9,00 |
10,00 |
11,00 |
12,00 | ||
0,00 |
23,13447 |
23,13447 |
23,13447 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
23,13447 |
23,13447 |
0 |
30,00 |
19,53817 |
19,53817 |
19,53817 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
19,53817 |
30 |
60,00 |
11,28611 |
11,28611 |
11,28611 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
11,28611 |
60 |
90,00 |
9,483873 |
9,483873 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
9,483873 |
9,483873 |
90 |
120,00 |
13,90688 |
13,90688 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
13,90688 |
13,90688 |
120 |
150,00 |
16,10339 |
16,10339 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
16,10339 |
16,10339 |
150 |
180,00 |
16,4789 |
16,4789 |
16,4789 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
16,4789 |
16,4789 |
180 |
210,00 |
16,10339 |
16,10339 |
16,10339 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
16,10339 |
210 |
240,00 |
14,04385 |
14,04385 |
14,04385 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
14,04385 |
240 |
270,00 |
9,723497 |
9,723497 |
9,723497 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
9,723497 |
270 |
300,00 |
10,33973 |
10,33973 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
10,33973 |
10,33973 |
300 |
330,00 |
13,94 |
13,94 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
13,94 |
13,94 |
330 |
360,00 |
8,176761 |
8,176761 |
8,176761 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
8,176761 |
8,176761 |
360 |
390,00 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
6,258891 |
6,258891 |
6,258891 |
6,258891 |
390 |
420,00 |
8,289826 |
8,289826 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
8,289826 |
8,289826 |
420 |
450,00 |
11,82161 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
11,82161 |
11,82161 |
11,82161 |
450 |
480,00 |
16,16348 |
16,16348 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
16,16348 |
16,16348 |
480 |
510,00 |
18,02046 |
18,02046 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
18,02046 |
18,02046 |
510 |
540,00 |
17,9837 |
17,9837 |
17,9837 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
17,9837 |
17,9837 |
540 |
570,00 |
17,20842 |
17,20842 |
17,20842 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
17,20842 |
570 |
600,00 |
14,8306 |
14,8306 |
14,8306 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
14,8306 |
600 |
630,00 |
9,625289 |
9,625289 |
9,625289 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
9,625289 |
630 |
660,00 |
11,08729 |
11,08729 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
11,08729 |
11,08729 |
660 |
690,00 |
19,2581 |
19,2581 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
19,2581 |
19,2581 |
690 |
Сумма |
307,2897 |
295,4681 |
178,1332 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
6,258891 |
18,0805 |
201,1893 |
313,5486 |
Расчет маховика
Основное назначение маховика – обеспечение равномерности хода двигателя и создание необходимых условий для преодоления кратковременных перегрузок и облегчения трогания автомобиля с места.
Расчет маховика сводится к определению момента инерции Jm и основных размеров.
Для расчетов можно принять:
Jm = (0,8…0,9)J0,
где J0 – момент инерции движущихся масс КШМ, приведенных к оси коленчатого вала.
кг м2;
где Lизб – избыточная работа крутящего момента, определяемая по графику крутящего момента двигателя
Дж,
где Fабс – площадь над прямой среднего крутящего момента в мм2,
Мм – масштаб кривой Мкр, Н·м в мм,
Мφ = 4π/iОА, рад в мм
– масштаб угла поворота.
Коэффициент неравномерности хода принимается по рекомендации:
δ = 0,01…0,02.
Из уравнения момента инерции маховика:
принимаемая по рекомендации,
Dср = (2…3)S,
получим:
где Dср – диаметр окружности, проведенной через центр тяжести сечения маховика, м
S – ход поршня, м,
m – расчетная масса маховика, кг.
6. Расчет шатунной группы
Расчет поршневой головки шатуна
Из теплового расчета:
Определим основные размеры головки шатуна:
Длина поршневой головки с плавающим пальцем:
Внутренний диаметр поршневой головки шатуна.
Без втулки:
С втулкой:
.
Наружный диаметр головки:
.
Радиальная толщина стенки головки:
Радиальная толщина стенки втулки:
Материал шатуна – углеродистая сталь 45Г2; Еш=2,2·105МПа;
αг=1·10-51/К;
Материал втулки – бронза;
Ев=1,15·105МПа; αг=1,8·10-51/К.
Предел прочности , пределы усталости при изгибе
и растяжении – сжатии
. Предел текучести
.
Коэффициенты приведения при изгибе и растяжении- растяжении сжатии
.
Определяем при изгибе:
При растяжении-сжатии:
Расчет сечения I-I. Максимальное напряжения пульсирующего цикла.
Где масса части головки выше сечения I-I:
Среднее напряжение и амплитуда напряжений
- эффективный коэффициент концентрации напряжений. - определены по таблице.
Так как
,
то запас прочности определяется по пределу усталости
Напряжения от запрессованной втулки
- натяг посадки бронзовой втулки
- температурный натяг.
- средний нагрев головки и втулки.
Суммарный натяг:
Удельное давление на поверхности соприкосновения втулки с головкой.
Напряжение от суммарного натяга на внутренней поверхности головки.
Напряжение от суммарного натяга на наружной поверхности головки
Расчет сечения А-А на изгиб.
Максимальная сила, растягивающая головку на номинальном режиме работы двигателя.
.
Нормальная сила и изгибающий момент
Где - угол заделки.
Средний радиус головки:
Нормальная сила и изгибающий момент в расчетном сечении от растягивающей силы.
Напряжение на внешнем волокне от растягивающей силы:
Где
- площадь поперечного сечения головки шатуна
- площадь поперечного сечения втулки.
Суммарная сила, сжимающая головку:
Нормальная сила и изгибающий момент в расчетном сечении от сжимающей силы:
Напряжение на внешнем волокне от сжимающей силы:
Максимальное и минимальное напряжение асимметричного цикла:
Среднее напряжение и амплитуда напряжений
Так как
,
то запас прочности определяется по пределу текучести
Расчет кривошипной головки шатуна
Из динамического расчета и расчета поршневой головки шатуна имеем:
Определим основные размеры кривошипной головки шатуна:
Диаметр шатунной шейки:
Толщина стенки вкладыша:
Расстояние между шатунными болтами:
Длина кривошипной головки
Максимальная сила инерции:
Момент сопротивления расчетного сечения
Где - внутренний радиус кривошипной головки шату
Заключение
В данном курсовом проекте представлен расчет ,бензинового ижекторного двигателя. В ходе расчетов был определен рабочий объем двигателя, который составляет 1,447л. Диаметр цилиндра составляет 80мм а ход поршня 72 мм. Двигатель по расчетам получился мощностью 73 кВт при 6200 мин-1 и крутящем моменте в 112,44 Н·м Двигатель обладает хорошей топливной экономичностью - расход топлива 16,8 кг топлива в час при 6200 об/мин Двигатель с такими показателями можно использовать на легковых автомобилях среднего класса.
Библиографический список
1. Богатырев А.В. Автомобили/А.В. Богатырев.- М.: Колос,2001.-496 с.
2. Колчин А.И. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей: учебное пособие для вузов/А.И.Колчин. – М.: Высшая школа, 2002.- 496с.
3. Методические указания: "Программа, методические указания, задания на контрольные работы и курсовой проект для студентов специальности 190601 " Автомобили и автомобильное и автомобильное хозяйство", Сыктывкар 2007г.