Расчет теплового баланса, кинематики и динамики двигателя внутреннего сгорания на основе двигателя-прототипа ВАЗ-2112

Содержание

Задание………………………………………………………………………..2

Содержание………………………………………………………………...…3

Введение……………………………………………………………………....5

1. Тепловой расчет…………………………………………………………………..6

1.1. Исходные данные………………………………………………………….6

1.2. Выбор топлива……………………………………………………………..6

1.3. Процесс впуска…………………………………………………………….9

1.4. Процесс сжатия…………………………………………………………...12

1.5. Процесс сгорания…………………………………………………………13

1.6. Процесс расширения и выпуска…………………………………………16

1.7. Индикаторные показатели рабочего цикла……………………………..17

1.8. Эффективные показатели двигателя…………………………………….18

1.9. Основные показатели цилиндра и двигателя…………………………...20

1.10. Тепловой баланс………………………………………………………...22

1.11. Построение индикаторной диаграммы………………………………..24

1.12. Оценка результатов теплового расчета………………………………..28

2. Скоростная характеристика…………………………………………………….29

2.1. Исходные данные……………………………………………………...…29

2.2. Расчет скоростной характеристики……………………………………..29

3. Кинематический расчет…………………………………………………………32

4. Динамический расчет……………………………………………………………36

4.1. Исходные данные………………………………………………………...36

4.2. Расчет усилий в кривошипно-шатунном механизме…………………..36

4.2.1. Силы давления газов ………………………………………………36

4.2.2. Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма….37

4.2.3. Удельные и  полные силы инерции……………………………….38

4.2.4. Удельные суммарные силы………………………………………..39

4.2.5. Крутящий момент…………………………………………………..42

4.2.6. Силы действующие на шатунную шейку коленчатого вала ……44

4.2.7.  Силы действующие на колено вала………………………………45

4.3. Уравновешивание двигателя ……………………………………………47

4.4. Подбор маховика…………………………………………………………48

5. Конструктивный расчет. Система смазки. Масляный насос…………………52

Заключение………………………………………………………………………55

Список литературы……………………………………………………………...56

Приложение

Введение

Основой любого транспортного средства, в том числе наземного, является силовая установка – двигатель, преобразующий различные виды энергии в механическую работу.

Приоритетными задачами  при проектировании новых двигателей и модификации старых являются: повышение топливной экономичности, повышение литровой мощности, снижение вредных выбросов в отработавших газах, максимальная унификация запасных частей, уменьшение вибраций и шума при работе двигателя на всех режимах, внедрение новых технологий облегчающих эксплуатацию  и диагностирование, переход двигателей на альтернативные  виды топлива.

Большинство двигателей не проектируются с «чистого листа», а проектируются на базе старых моторов. При таком подходе снижаются финансовые затраты, снижается количество «детских болезней», так как по сути модифицируется старый двигатель который хорошо изучен и ясно видно направление для модернизации. 

1 Тепловой расчет двигателя ВАЗ-2112

1.1 Исходные данные

- прототипом рассчитываемого двигателя является ВАЗ-2112;

- число оборотов двигателя на номинальном режиме ;

- эффективная мощность двигателя ;

- двигатель является четырехцилиндровый:  с рядным расположением;

- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна =34,5/121=0,285;

- четырехтактный ;

- степень сжатия: .

1.2 Выбор топлива

В соответствии с заданной степенью сжатия можно использовать бензин марки АИ-93.

Средний элементарный состав и молекулярная масса бензина

; ;.

Низшая теплота сгорания топлива рассчитывается по формуле:

                 ,                      (1)

где,     -низшая теплота сгорания, МДж/кг;

С – массовая  доля углерода, кг;

Н – массовая доля водорода, кг;

О – массовая доля кислорода, кг;

S – массовая доля серы, кг;

W – количество водяных паров, кг.

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива:

                         ,                                               (2)

, где         - объемное количество воздуха,

                                     ,                                                (3)

, где      - массовое содержание воздуха, .

Т.к. мы стремимся получить двигатель достаточно экономичный и с меньшей     токсичностью продуктов сгорания, по графику «Исходные параметры для теплового расчета» [1. рис.5.1.] коэффициент избытка воздуха принимаем: , так как при этом достигается полное сгорание смеси и минимальное количество отработавших газов.

Количество горючей смеси: 

                                  ,                                               (4)

где     - количество горючей смеси,;

- коэффициент избытка воздуха;

- молекулярная масса паров топлива, .

.

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания:

                                       ,                                                        (5)

,

                                                   ,                                                      (6)

,

                                ,                                       (7)

,

                                          ,                                                  (8)

.

Общее количество продуктов сгорания:

                                ,                             (9)

1.3 Процесс впуска

Атмосферное давление и температура окружающей среды:

Температуру остаточных газов определяем по графику [1. рис.5.1.]:

/

Давление остаточных газов:

                                           ,                                                 (10)

МПа;

Температура подогрева свежего заряда:

Так как двигатель высокооборотный, то подогрев смеси минимальный на номинальных скоростных режимах, принимаем ;

Плотность заряда на впуске:

                                                   ,                                             (11)

, где   - удельная газовая постоянная для воздуха,.

Потери давления на впуске:

                                   ,                        (12)

где - суммарный коэффициент, учитывающий уменьшение скорости заряда и сопротивление впускной системы, отнесенный к сечению впускного клапана;

 - геометрическая характеристика впускной системы;

- частота вращения коленчатого вала, об/мин;

- средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы.

Принимаем   , так как отсутствует карбюратор, короткая по длине впускная система и два впускных клапана на цилиндр, а  так как впускной тракт достаточно широкий и двигатель не высокооборотный.  

                                                       ,                                                  (1.13)

,

,

Давление в конце впуска:

.

Коэффициент остаточных газов:

                             ,                    (14)

где     - коэффициент остаточных газов;

- коэффициент отчистки;

- коэффициент дозарядки.

Коэффициент очистки принимаем , а коэффициент дозарядки принимаем , так как при меньших значениях на номинальном режиме неучтенные потери в тепловом балансе имеют отрицательные значения.                    

.

Температура в конце впуска:

                                      ,                                          (15)

.

Коэффициент наполнения:

                              ,                       (16)

где    - коэффициент наполнения.

1.4  Процесс сжатия

Средний показатель адиабаты сжатия  (при, а также рассчитанном значении ) определяется по номограмме [1. рис.4.4.], а средний показатель политропы сжатия  принимаем несколько меньше . При выборе  учитывается, что с уменьшением частоты вращения теплоотдача от газов в стенки цилиндра увеличивается, а  уменьшается по сравнению с  более значительно.

,.

Давление в конце сжатия:

                                                        ,                                                (17)

где  - давление в конце сжатие.

,

Температура в конце сжатия:

                                                   ,                                                  (18)

где      Тс – температура в конце сжатия.

,

Средняя мольная теплоёмкость в конце сжатия:

а) Свежей смеси:

                                 ,                                   (19)

где      -  средняя мольная теплоемкость воздуха,;

 - температура в конце сжатия, .

, б) Остаточных газов - определяется методом интерполяции по таблице [1. табл.3.8.]:

, в) Рабочей смеси

1.5  Процесс сгорания

Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси:

                                              ,                                                 (1.20)

где    - коэффициент молекулярного изменения горючей смеси.

.

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

      ,                                       (1.21)

где    - коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси.

.

Теплота сгорания рабочей смеси:

                                                  ,                                                (22)

где      - теплота сгорания рабочей смеси, МДж;

  - теплота потерянная в следствии неполноты сгорания, МДж.

.

Так как  равен 1, то  равен нулю.

Средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания:

 

                     (23)

определяется по эмпирическим формулам, приведенным в [1. табл.3.6.] для интервала температур от 1501 до 2800⁰С:

Коэффициент использования теплоты ξ_zвыбирается по опытным данным в зависимости от конструктивных особенностей двигателя по графику