Краткое описание процессов, происходящих в одном цикле двигателя внутреннего сгорания. Расчет параметров кривошипно-шатунного механизма

Оглавление

1.   Краткое описание процессов, происходящих в одном цикле двигателя внутреннего сгорания.... 4

1.1.      Процесс впуска.............................................................................................................................. 4

1.2.      Процесс сжатия.............................................................................................................................. 4

1.3.      Процесс сгорания и расширения............................................................................................... 4

1.4.      Процесс выпуска........................................................................................................................... 4

2.   Расчет параметров одного цикла и построение индикаторной диаграммы.................................................... 5

3.   Расчет параметров кривошипно-шатунного механизма......................................................................................... 7

4.   Построение диаграммы фаз газораспределения      8

5.   Расчет и построение внешней характеристики ДВС........................................................................................................... 8

6.   Проектирование кривошипно-шатунного механизма......................................................................................... 9

Список литературы................................................................... 15

1.  Краткое описание процессов, происходящих в одном цикле двигателя внутреннего сгорания

Рассмотрим действительный цикл работы четырехтактного дизельного двигателя по мере происходящих в нем процессов.

1.1.  Процесс впуска

Первый такт – впуск горючей смеси.

Во время такта впуска (рис. 1, а), когда поршень 1 движется от в. м. т. к н. м. т., а впускной клапан 3 открыт, в цилиндр 2 поступает атмосферный воздух, который, нагреваясь в процессе сжатия, воспламеняет топливо, впрыскиваемое в конце такта сжатия. Давление воздуха  при впуске - 0,09 МПа. Температура воздуха в цилиндре составляет 50—80°С[1].

1.2.  Процесс сжатия

Второй такт – сжатие смеси.

Во время такта сжатия (рис. 1, б), когда впускной 3 и выпускной 5 клапаны закрыты, температура, и давление воздуха в цилиндре значительно возрастают. Вследствие высокой степени сжатия (e = 15) давление и температура воздуха достигает значений 3,55 МПа и 550-700°С соответственно. В конце такта сжатия в цилиндр через форсунку 4 (рис, 1, в) впрыскивается топливо [1] .

1.3.  Процесс сгорания и расширения

Третий такт - расширение, или рабочий ход.

Впрыснутое распыленное топливо, перемешиваясь со сжатым воздухом, самовоспламеняется и сгорает. При этом температура газов к концу сгорания повышается до 1800—2000°С, а давление  до 7,81 МПа. Под давлением газов, образующихся в результате сгорания топливовоздушной смеси, поршень перемещается от в.м.т. к н.м.т., совершая механическую работу (рис. 1, в)[1].

1.4.  Процесс выпуска

Четвертый такт - выпуск отработавших газов.

Продукты сгорания выходят из цилиндра в атмосферу (рис. 1, г). Температура выпуска равна 600-700° С, а давление газов – 0,11 МПа [1].

2.  Расчет параметров одного цикла и построение индикаторной диаграммы

В координатах  p – V  по оси абсцисс V откладываются условные отрезки, равные V_c = 1 и V_a = e×V_c = e×1, т.е. при неизвестных значениях объемов за единицу их измерения принимают объем камеры сгорания V_c. Через концы этих отрезков (рис.2) проводятся вертикальные линии, параллельные оси p, которые ограничивают зону индикаторной диаграммы [2].

Полный объем:

Va = e × Vc ,

(1)

где e - степень сжатия (e = 16);

V_c – объем камеры сгорания (V_c= 1 [2]).

V_a = 16×1 = 16

Рабочий объем V_h:

Vh = Va - Vc ,

(2)

V_h = 16 - 1 = 15

Объем в конце сгорания V_z:

Vz = r × Vc ,

(3)

где  r - степень предварительного расширения (r = 1,7).

V_z = 1,7×1 = 1,7

Показатель политропы сжатия n₁ [2]:

n1 =1,41 – 100/n p,

(4)

где  n _p-частота вращения колен вала об/мин (n _p =3500 об./мин)

n₁ =1,41 – 100/3500 = 1,381

Давление в конце такта сжатия p_c, МПа:

pc = pa × e n1,

(5)

где p_a  - давление газа при впуске, МПа (p_a = 0,08 МПа);

e - степень сжатия (e = 15);

n₁ – показатель политропы  сжатия (n₁ = 1,381).

p_c = 0,08×15 ^1,381 = 3,36 МПа

Промежуточные точки политропы сжатия (табл. 1) p_x и V_x:

px = (Va / Vx) n1 × pa,

(6)

где  V_a / V_x – отношение соответствующих отрезков диаграммы ;

n₁ – показатель политропы  сжатия (n₁= 1,381);

V_a - объем (V_a = 16)

p_a  - давление газа при впуске, МПа (p_a = 0,08 МПа).

Определяем значение p_x и V_x по формуле (6) , беря значения V_x из интервала 2…14, результаты заносим в табл.1.

Таблица 1

Vx	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
px (МПа)	1,41	0,80	0,542	0,39	0,30	0,250	0,20	0,17	0,15	0,134	0,11	0,106	0,096

Давление в конце такта сгорания p_z, МПа:

pz = l × pc,

(7)

где l - степень повышения давления  (l = 1,9);

p_c – давление в конце такта сжатия, МПа (p_c = 3,36 МПа)

p_z = 1,9 × 3,36 = 6,384 МПа

Показатель политропы расширения n₂:

n2 =1,22 – 130/n p,

(8)

n₂ =1,22 – 130/3500 = 1,182

Степень последующего расширения d:

d = /r,

(9)

где  r - степень предварительного расширения (r = 1,7).

d =  16/1,7= 9,41

Давление в конце такта расширения p_b, МПа:

pb = pz / d n2,

(10)

где p_z - давление в конце такта сгорания, МПа (p_z = 6,384 МПа);

d -  степень последующего расширения (d = 9,41);

n₂ - показатель политропы расширения  (n₂ = 1,182)

p_b = 6,384/9,41 ^1,182 = 0,632 МПа

Промежуточные точки политропы расширения (табл. 2) p_x и V_x:

px = (Vb / Vx) n2 × pb,

(11)

где  V_b / V_x- отношение соответствующих отрезков (V_x = 2,5…14)

V_b – объем (V_b = 16)

n₂ -показатель политропы расширения (n₂ = 1,182)

p_b - давление в конце такта расширения, МПа (p_b = 0,632 МПа)

Определяем значение p_x и V_x по формуле (11) , результаты заносим в табл.2.

Таблица 2

Vx	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
px (МПа)	7,3	4,57	3,25	2,4	2,01	1,67	1,4	1,24	1,10	0,98	0,88	0,8	0,74

Среднее теоретическое индикаторное давление p_iT, МПа [2]:

(12)

Среднее давление механических потерь р_м, МПа [2]:

(13)

где- средняя скорость поршня в цикле, м/с.

Предварительно принимаем скорость равной = 10 м/с [2].

Действительное индикаторное давление с учетом коэффициента скругления n  диаграммы р_iT, МПа:

(14)

где n - коэффициент скругления диаграммы (n = 0,95 [2]).

Среднее эффективное давление цикла р_э, МПа:

(15)

Полученные расчетом данные используем для построения индикаторной диаграммы (рис. 2).

3.  Расчет параметров кривошипно-шатунного механизма

Рабочий объем цилиндра V_h, л [2]:

,

(16)

где t - тактность двигателя (t = 4);

P_e – заданная мощность двигателя, кВт (P_e = 145кВт);

i – заданное число цилиндров (i = 6);

р_э - среднее эффективное давление цикла, МПа (р_э = 0,92 МПа);

n_р – номинальная частота вращения коленвала, об/мин (n_р = 3500).

Диаметр поршня D, дм:

(17)

где S/D – заданное отношение хода поршня к его диаметру (S/D = 0,9).

Ход поршня S, дм:

(18)

Средняя скорость поршня J, м/с:

(19)

где S - ход поршня, м (S=0,082 м)

n -номинальная частота вращения коленвала , об./мин (= 3500 );

Сравниваем среднюю скорость   и предварительно принятую , видно, что они различаются, значит расчетом по формуле (13) при  =  = 9,5 м/с получено . По формуле (15) при  получено  0,92 МПа.

4.  Построение диаграммы фаз газораспределения

Радиус кривошипа коленвала r, м:

r = S / 2,

(20)

r = S / 2 = 0,082/2 = 0,041 м

Под отрезком V_h ниже оси V строится полуокружность радиусом r равным половине отрезка (рис. 2) [2].

Радиус r:

r = Vh / 2,

(21)

где V_h – рабочий объем (V_h = 15).

r = 15 / 2 = 7,5

Вправо от центра полуокружности по горизонтали откладываем отрезок ОО₁.

,

(22)

где - коэффициент;

r – радиус кривошипа (r = 7,5);

l_шат – длина шатуна.

Учитывая, что l_шат = (3,5…4,5) × r, примем l_шат = 3,5 × r.

(23)

мм

Угол открытия клапанов: впускного j₁ = 20 ⁰, выпускного j₂ = 70 ⁰.

Угол закрытия клапанов: впускного j₃ = 60 ⁰, выпускного