Тепловой расчет и расчет основных показателей работы двигателя (прототипом рассчитываемого двигателя является ВАЗ 21093)

опытным данным в зависимости от конструктивных особенностей двигателя по графику [1. рис.5.1.];

Температура в конце видимого процесса сгорания

;

;

или                         ;

Решив данное квадратное уравнение, получаем

;

;

Максимальное теоретическое давление сгорания

;

Максимальное действительное давление сгорания

;

Степень повышения давления

Данное значение удовлетворяет допустимым для бензиновых двигателей (3,2÷4,2)

1.6. Процесс расширения и выпуска.

Средний показатель адиабаты определяется пономограмме [1. рис.4.8.]при, а также рассчитанном значении , а средний показатель расширения политропы расширения  оценивается по величине среднего показателя адиабаты.

,;

Давление и температура в конце процесса расширения

;

;

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов

;

Погрешность расчета составляет

;

1.7. Индикаторные показатели рабочего цикла.

Теоретическое среднее индикаторное  давление

Среднее индикаторное давление

;

где  коэффициент полноты диаграммы для карбюраторных двигателей.

Индикаторный КПД

;

Индикаторный удельный расход топлива

;

1.8. Эффективные показатели двигателя.

Среднее давление механических потерь для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением

, где, приняв ход поршня , получим значение средней скорости поршня

;

Примем =13,42

Среднее эффективное давление

;

Механический КПД

;

Эффективный КПД

;

Эффективный удельный расход топлива

1.9.Основные показатели цилиндра и двигателя.

Литраж

;

Рабочий объем одного цилиндра

;

Диаметр цилиндра.

Так как =0,866, то

.

Пересчитываем ход поршня

Еще раз пересчитываем скорость и проверяем, погрешность расчета не должна превышать 5%.

;

;

Окончательно принимаем ,;

Основные параметры и показатели двигателей определяются по окончательно принятым значениям S и D

Площадь поршня ;

Литраж двигателя ;

Мощность двигателя ;

Литровая мощность двигателя ;

Крутящий момент ;

Часовой расход топлива ;

1.10. Тепловой баланс двигателя.

Внешний тепловой баланс двигателя может быть представлен в виде следующих составляющих

, где - общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом

;

Теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя за 1с.

;

Теплота,  потерянная с отработавшими газами

       Теплота, передаваемая окружающей среде

Где с=0,5 - коэффициент пропорциональности для четырехтактных двигателей; i=4 – число цилиндров; D – диаметр цилиндра, см.; n – частота вращения коленчатого вала двигателя, мин^-1; m=0,65 – показатель степени для четырехтактных двигателей.

Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива

;

Неучтенные потери теплоты

1.11. Построение индикаторной диаграммы.

Индикаторную диаграмму строим к координатах P-V (давление объем), для номинального режима, т.е. при N_e=58кВт и n=5800об/мин, аналитическим методом.

Масштаб диаграммы: Масштаб хода поршня М_s=1мм в 1мм; масштаб давления М_р=0,05МПа в 1мм.

Величины в приведенном масштабе, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания

;

;

Максимальная высота диаграммы (точка z)

;

Ординаты характерных точек

;

;

;

;

;

Построение политропы сжатия и расширения аналитическим методом, а) политропа сжатия . Отсюда

, где ;

б) политропа расширения . Отсюда

Результаты расчета приведены в таблице 1.

Таблица 1.

№	ОХ,мм	ОВ/ОХ,мм	(ОВ/ОХ)1,375,мм	Рх/Мр,мм	Рх,МПа	(ОВ/ОХ)1,249,мм	Рх/Мр,мм	Рх, МПа
1	8,8	9,9	23,39	39,8	1,99	17,52	151,7	7,59
2	9,7	9	20,5	34,9	1,75	15,55	134,7	6,74
3	10,9	8	17,45	29,7	1,49	13,43	116,3	5,82
4	12,5	7	14,52	24,7	1,24	11,36	98,4	4,92
5	17,5	5	9,14	15,5	0,78	7,46	64,6	3,23
6	21,8	4	6,73	11,4	0,57	5,65	48,9	2,45
7	29,1	3	4,53	7,7	0,39	3,94	34,1	1,71
8	43,7	2	2,59	4,4	0,22	2,38	20,6	1,03
9	58,2	1,5	1,75	3	0,15	1,66	14,4	0,72
10	87,3	1	1	1,7	0,085	1	8,66	043

Теоретически среднее индикаторное давление

где F₁=1712мм² – площадь диаграммы aczba.

Величина , полученная планиметрированием индикаторной диаграммы, очень близка к величине , полученной в тепловом  расчете.

Скругление индикаторной диаграммы осуществляется на основании следующих соображений и расчетов. Так как рассчитываемый двигатель достаточно быстроходный (n=5800об/мин), то фазы газораспределения необходимо устанавливать с учетом получения хорошей очистки цилиндра от отработавших газов и обеспечения дозарядки в пределах, принятых в расчете. В связи с этим начало открытия впускного клапана устанавливается за 33˚ до прихода поршня в в.м.т., а закрытие – через 79˚ после прохода поршнем н.м.т.; начало открытия выпускного клапана принимается за 47˚ до прихода поршня в н.м.т., а закрытие – через 17˚ после прохода поршнем в.м.т. Учитывая быстроходность двигателя, угол опережения зажигания принимается равным 35˚ , а продолжительность периода задержки воспламенения - 5˚.

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения зажигания определяем положение точек  по формуле для перемещения поршня. Расчеты ординат данных точек сводим в таблицу 2.

, где λ-отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, принимаемое исходя из прототипа двигателя, λ=0,285.

Таблица 2.

Обозначение точек	Положение точек	φ˚		Расстояние точек от в.м.т. (АХ),мм
	33˚ до в.м.т.	33	0,2036	7,9
	17˚после в.м.т.	17	0,055	2,1
	79˚после н.м.т.	101	1,32	51,8
	30˚до в.м.т.	30	0,16	6,3
	25˚до в.м.т.	25	0,119	4,6
	47˚до н.м.т.	133	1,75	68,7

Положение точки  определяется из выражения

Действительное давление сгорания

2. Скоростная характеристика

2.1. Исходные данные.

Исходные данные принимаются из предыдущего расчета - теплового баланса.

- частота вращения коленчатого вала

- литраж двигателя

- средняя скорость поршня

- номинальная эффективная мощность

- тактность двигателя

- плотность заряда на впуске

2.2. Расчет скоростной характеристики

Все значения рассчитываем в интервале 1000-5800об/мин, через каждые 1000об/мин. Полученные значения сводим в таблицу 4. По данным таблицы строим скоростную характеристику двигателя

(см. Приложение).

Расчетные точки кривой эффективной мощности

Точки кривой эффективного крутящего момента

Величина среднего эффективного давления

Среднее давление механических потерь при S/D≤1 определяется следующим образом

Среднее индикаторное давление

Точки кривой среднего индикаторного крутящего момента

Удельный эффективный расход топлива в искомой точке скоростной характеристики

Часовой расход топлива

Для определения коэффициента наполнения необходимо определить коэффициент избытка воздуха [1. рис.5.1.]

;

По скоростной характеристики определяем коэффициент приспособляемости

Полученный коэффициент не превышает допустимых значений: для бензиновых двигателей (1,20÷1,35).

Таблица 4.

Частота вращения колен.вала	Параметры внешней скоростной характеристики
	Ne,кВт	Мe,Нм	ge,г/кВт∙ч	GТ,кг/ч		рe,МПа		рi,МПа	Мi,Нм
1000	11,43	109,2	293,2	3,35	0,947	1,05	0,88	1,235	128,5
2000	24,52	117,1	259,5	6,36	0,973	1,13	0,95	1,315	136,8
3000	37,49	119,4	242,8	9,1	0,937	1,15	0,96	1,335	138,9
4000	48,56	116	243,1	11,8	0,905	1,11	0,96	1,295	134,8
5000	55,95	106,9	260,5	14,57	0,9	1,03	0,96	1,215	126,4
5800	58	95,5	286,7	16,63	0,885	0,92	0,96	1,105	115

3.Кинематический расчет

3.1. Исходные данные.

Все данные приняты из предыдущих расчетов.

3.2. Расчет кинематических показателей.

Расчет перемещения, скорости и ускорения производится аналитически через каждые 10˚ угла поворота коленчатого вала. Все полученные значения заносятся в таблицу 5. По результатам таблицы построены графики (см. Приложение). в масштабе  в мм,   в мм,  в мм.

Перемещение поршня

где

Значения для  при различных φ взяты из [1. табл. 7.1.], как среднее между значениями λ=0,28 и λ=0,29.

Таблица 5.

φ˚	[(1-cosφ)+λ/4 (1-cos2φ)]	Sх,мм	[(sinφ+λ/2sin2φ]	Vn,м/c	[(cosφ+λcos2φ]	j,м/c2
0	0,0000	0,0	0	0	1,2860	18598
30	0,1697	6,6	0,6234	14,2	1,0086	14585
60	0,6069	23,7	0,9894	22,6	0,3575	5170
90	1,1425	44,6	1	22,9	-0,2850	-4122
120	1,6069	62,7	0,7426	17	-0,6425	-9292
150	1,9017	74,2	0,3766	8,6	-0,7235	-10463
180	2,0000	78,0	0	0	-0,7150	-10340
210	1,9017	74,2	-0,3766	-8,6	-0,7235	-10463
240	1,6069	62,7	-0,7426	-17	-0,6425	-9292
270	1,1425	44,6	-1	-22,9	-0,2850	-4122
300	0,6069	23,7	-0,9894	-22,6	0,3575	5170
330	0,1697	6,6	-0,6234	-14,2	1,0085	14585
360	0,0000	0	0	0	1,2850	18583

Угловая скорость вращения коленчатого вала

Скорость поршня

Значения для  взяты из таблицы [1. табл. 7.2.].

Ускорение поршня

Значения для  взяты из [1. табл. 7.3.].

4. Динамический расчет

4.1. Исходные данные.

Все данные приняты из предыдущих расчетов, а так же согласно прототипу двигателя .

- конструктивная масса поршневой группы

- конструктивная масса шатуна

- конструктивная масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов

4.2. Расчет усилий в кривошипно-шатунном механизме.

4.2.1. Силы давления газов

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

Поправка Брикса

где М_s - масштаб хода поршня на индикаторной диаграмме.

Масштаб развернутой диаграммы

Давлений и удельных сил М_р=0,05МПа; полных сил М_р= М_р∙F_n=0,05∙0,004837=242Н в мм.

По развернутой диаграмме через каждые 30˚ угла поворота кривошипа определяем значения ΔР_Г и заносим в таблицу 6.

4.2.2. Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма

Масса поршневой группы

;

Масса шатуна

;

Масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов

;

Масса шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца

;

Масса шатуна, сосредоточенная на оси кривошипа

;

Массы, совершающие возвратно-поступательное движение

Массы, совершающие вращательное движение

4.2.3. Удельные и полные силы инерции.

Удельная сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс

Центробежная сила инерции вращающихся масс

Центробежная сила инерции вращающихся масс шатуна

Центробежная сила инерции вращающихся масс кривошипа

4.2.4. Удельные суммарные силы.

Удельная сила, сосредоточенная на оси поршневого пальца

Удельная нормальная сила

Значение tgβ определяем по таблице [1. табл. 8.2.] для λ=0,285.

Удельная сила, действующая вдоль шатуна

Значение (1/сosβ) определяем по таблице [1. табл. 8.3]

Удельная сила, действующая по радиусу кривошипа

Значение (сos(φ+β)/cos β) определяем по таблице [1. табл. 8.4]

Удельная тангенциальная сила

Значение (sin(φ+β)/cos β) определяем по таблице [1. табл. 8.5]

Полная тангенциальная сила

По данным таблицы 6 строим график изменения удельных сил в зависимости от угла поворота коленчатого вала φ

4.2.5. Крутящие моменты

Крутящий момент одного цилиндра

Период изменения крутящего момента

Суммирование значений крутящих моментов всех четырех цилиндров двигателя осуществляется через каждые 30˚ угла поворота коленчатого вала. Все значения сводятся в таблицу 7. По полученным значениям строится кривая М_кр, в масштабе М_М=10Нм в мм.

 Таблица 7.

Цилиндры								Мкр
1-й		2-й		3-й		4-й
j	Мкр.ц	j	Мкр.ц	j	Мкр.ц	j	Мкр.ц
0	0	180	0	360	0	540	0	0
30	-244	210	-104	390	167	570	-109	-290
60	-139	240	-183	420	118	600	-185	-389
90	107	270	-119	450	242	630	-113	117
120	181	300	95	480	243	660	133	652
150	104	330	153	510	123	690	240	620
180	0	360	0	540	0	720	0	0

Средний крутящий момент двигателя

- по данным теплового расчета

- по площади, заключенной под кривой М_кр.

- ошибка

Максимальный и минимальный крутящие моменты

 

4.2.6. Силы, действующие на шатунную шейку коленчатого вала

Суммарная сила, действующая на шатунную шейку по радиусу кривошипа

где

Результирующая сила R_ш.ш., действующая на шатунную шейку, подсчитывается графическим сложением векторов сил Т и Р_к. при построении полярной диаграммы. Масштаб сил на полярной диаграмме для суммарных сил М_р= 0,2кН в мм

Все рассчитанные силы сводятся в таблицу 8. Также туда переносятся значения Т из таблицы 6.

Таблица 8.

φ˚	Полные силы, кН
	Т	К	Рк	Rш.ш	КРк
0	0	-12,5085	-20,1155	20,12	-30,0865
30	-6,22	-7,89882	-15,5058	16,7	-25,4768
60	-3,55	-1,0061	-8,6131	9,2	-18,5841
90	2,718	-0,80294	-8,40994	8,6	-18,3809
120	4,605	-4,47423	-12,0812	12,8	-22,0522
150	2,636	-6,57832	-14,1853	14,6	-24,1563
180	0	-6,93142	-14,5384	14,54	-24,5094
210	-2,636	-6,57832	-14,1853	14,6	-24,1563
240	-4,658	-4,5226	-12,1296	13,2	-22,1006
270	-3,033	-0,89485	-8,50185	9	-18,4728
300	2,419	-0,68685	-8,29385	8,6	-18,2649
330	3,908	-4,96276	-12,5698	13,04	-22,5408
340	2,96	-6,18652	-13,7935	14,02	-23,7645
350	1,4	-6,16234	-13,7693	13,64	-23,7403
360	0	-4,6145	-12,2215	12,2	-22,1925
370	4,039	17,7663	10,1593	10,88	0,188301
390	4,257	5,407766	-2,19923	4,82	-12,1702
420	3,009	0,851312	-6,75569	7,34	-16,7267
450	6,177	-1,82355	-9,43055	11,12	-19,4015
480	6,196	-6,02207	-13,6291	14,96	-23,6001
510	3,139	-7,82627	-15,4333	15,76	-25,4043
540	0	-7,72953	-15,3365	15,34	-25,3075
570	-2,772	-6,91691	-14,5239	14,86	-24,4949
600	-4,721	-4,58548	-12,1925	13,02	-22,1635
630	-2,878	-0,85131	-8,45831	8,82	-18,4293
660	3,391	-0,95773	-8,56473	9,12	-18,5357
690	6,119	-7,77306	-15,3801	16,54	-25,3511
720	0	-12,5085	-20,1155	20,12	-30,0865

По полярной диаграмме строим диаграмму износа шатунной шейки. Сумму сил R_ш.ш., действующих по каждому лучу диаграммы износа, определяем с помощью талицы 9. По данным этой же таблицы в масштабе М_р= 50кН в мм  по каждому лучу откладываем величины суммарных сил R_ш.ш., от окружности к центру. По лучам 4 и5 силы не действуют, а по лучам 6, 7 и 8 действуют только в интервале 360˚<φ<390˚. По диаграмме определяют расположение оси масляного отверстия (φ _м=68˚).

4.2.7. Силы, действующие на колено вала

Суммарная сила, действующая на колено вала по радиусу кривошипа

Результирующая сила, действующая на колено вала

4.3. Уравновешивание двигателя.

Коленчатый вал имеет кривошипы, направленные в одну сторону. При данной схеме расположения кривошипов для каждого цилиндра будут одинаковыми силы К_R ; Р_j1; Р_j11;

Неуравновешенных моментов нет, так как действующие силы и плечи приложения этих сил одинаковы: ∑М_j1=0; ∑М_R=0; ∑М_j11=0

Уравновешивание сил инерции второго порядка осуществляется за счет установки еще двух противовесов на двух дополнительных валах. .

Рассмотрим часть коленчатого вала и подберем массу противовесов. Расчет проведем при φ=0, следовательно cosφ=1. Все данные берем из предыдущего расчета.

Сила инерции первого порядка

;

Центробежная сила инерции вращающихся масс

Сила инерции второго порядка

Сила инерции противовеса

Принимаем радиус кривизны противовеса ρ=31мм, тогда

Масса противовеса

Также приняв радиус кривизны дополнительного вала =0,015мм, мы получим массу вала.

Масса противовеса вала

4.4. Подбор маховика.

Равномерность крутящего момента

Избыточная работа крутящего момента

где F_abc=2168,1 мм² — площадь над прямой среднего крутящего момента;

Масштаб угла поворота вала на диаграмме М_кр

в мм

Равномерность хода двигателя принимаем d=0,01.

Момент инерции движущихся масс двигателя, приведенных к оси коленчатого вала

Момент инерции маховика                                

Средний диаметр маховика

                                                         d        D_cp       D_m   

Маховый момент

,

откуда, масса маховика

                              

H

По результатам расчета внешний диаметра маховика принимаем:

D_м=0,287 м.

Плотность чугуна  кг/м³

Объем маховика  ;

Масса маховика  ;

Площадь маховика  

Т.к. ранее мы высчитали массу маховика, можем составить квадратное уравнение из которого найдем диметр выреза в маховике:

где Н- толщина маховика.

откуда d=0,038м.

Таким образом мы подобрали маховик со следующими габаритами:

Диаметр маховика D=0,233м;

Диаметр выреза в маховике d=0,038м;

Ширина маховика Н=0,045;

Маховик выполнен из чугуна.

5 . Расчёт  механизма газораспределения.

Из теплового расчёта :

D=79мм;                    F=45.34см

nN=5800мин;            =628рад/с

n.ср.=14,2м/с ;          вn=95 м/с

np=33;                  зн=79

5.1 Основные размеры проходных сечений в горловине и в клапане:

* площадь проходного сечения клапана  при MAX подъёме:

*  диаметр горловины клапана:

 принимаем = 32,5

*максимальная высота подъёма клапана при угле фаски клапана

5.2 Основные размеры впускного кулачка

* радиус начальной окружности

 

* максимальный подъём толкателя

где  и  - расстояния от опоры.

5.3 Профилирование выпуклого кулачка с плоским толкателем.

Радиус выпуклого профиля кулачка принимаем

  

Фазы газораспре деления
ВМТ Такт выпуска 180 НМТ	733 718 0 13 33 53 73 93 113 133 153 173 180 173   154 129 104 79	366.5 359 0 6.5 16.5 26.5 36.5 46.5 56.5 66.5 76.5 86.5 90 96.5 77 64.5 52 39.5	0 5 10 19.6 - - - - - - - - - - 19.6 10 5 0	- - - - 53.4 40 30 20 10 0 10 20 30 33.5 40 53.4 - - - -	1 0.9962 0.9848 0.9421 0.5962 0.7660 0.8660 0.9397 0.9848 1 0.9848 0.9397 0.8660 0.8339 0.7660 0.5962 0.9421 0.9848 0.9962 1	0 0.186 0.747 0.842 2.877 5.312 6.854 7.990 8.686 8.92 8.686 7.990 6.854 6.359 5.312 2.877 2.842 0.747 0.186 0	0 1.345 2.679 3.886 3.886 3.111 2.420 1.655 0.840 0 -0.840 -1.655 -2.420 -2.671 -3.111 -3.866 -3.886 -2.679 -1.343 0	4845 4826 4772 4564 -906 -1164 -1316 -1428 -1496 -1520 -1496 -1428 -1316 -1267 -1164 -906 +4564 +4772 +4826 +4845	0 0.002 0.011 0.035 0.035 0.160 0.395 0.612 1.006 1.325 1.712 1.976 2.115 2.175 2.192 2.211 2.239 2.281 2.289 2.291

Таблица  10 значения  и  подсчитанные по приведенным  формулам, в зависимости от угла поворота распределительного