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.

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.

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.

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.

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.

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.

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