Расчет рядного 6-целендрового двигателя внутреннего сгорания

 

Содержание

Исходные данные 2

1 Тепловой расчет двигателя 3

1.1 Параметры процесса впуска 4

1.2 Параметры процесса сжатия 5

1.3 Параметры конца процесса сгорания 5

1.4 Параметры процесса расширения 7

2 Основные показатели цикла 8

3 Основные размеры двигателя 9

4 Силы, действующие в КШМ 10

4.1 Построение индикаторной диаграммы 10

4.2 Силы давления газов 11

4.3 Силы инерции движущихся масс КШМ 12

4.4 Суммарные силы и моменты, действующие в КШМ 13

Список литературы 16

 

Исходные данные

Тип двигателя	четырехтактный, дизельный
Число и расположение цилиндров, i	R6
Степень сжатия, ε	20
Мощность, Ne	160
Коэффициент избытка воздуха,α	1,3
Частота вращения, n	2800
Используемое топливо	DT

 

 

1 Тепловой расчет двигателя

 

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива дизельного двигателя

, кг     (1)

кмоль     (2)

где g_С = 0,87 g_Н = 0,126, g_О = 0,004– элементарный состав дизельного топлива

Тогда:

 

Суммарное количество свежей смеси для дизельного двигателя:

кмоль      (3)

кмоль

 

Количество отдельных  составляющих продуктов сгорания при k = 0,5:

 кмоль;

 кмоль; 

 кмоль;

 кмоль;

 кмоль;

 

кмоль;

 

Суммарное количество продуктов  сгорания

    (9)

 

 

 

Теоретический коэффициент  молекулярного изменения

      (10)

1. Параметры процесса впуска

Рис. 1. Схема  работы впуска и его диаграмма

 

Температуру подогрева заряда для дизельного двигателя принимаем ∆Т = 20°С.

Давление принимаем P_k = 0,1 МПа, К

Плотность заряда на впуске:

,     (11)

где = 8314- универсальная газовая постоянная;

= 28,96 кг/моль – молекулярная масса воздуха.

кг/м³

 

Давление в конце впуска:

 МПа    (12)

Суммарный коэффициент, учитывающий  гашение скорости и сопротивление  впускной системы, отнесенный к сечению  в клапане b²+x, выбирается 2,5-4 из учета скорости в проходном сечении клапана.

Принимаем  b²+x= 3.

Средняя скорость движения заряда в клапане ω_кл =  90 м/с.

 МПа

Давление остаточных газов:

  (13)

Принимаем МПа.

Температуру остаточных газов  принимаем Т = 800 К

Коэффициент остаточных газов:

, (14)

Температура конца впуска, при φ₁ = 1

  К  (15)

Коэффициент наполнения:

  (16)

1.2 Параметры процесса сжатия

Рис. 2. Схема  работы сжатия и его диаграмма

 

Показатель политропы  сжатия принимаем п₁ = 1,36

Давление в конце сжатия

МПа    (17)

Температура в конце сжатия

К    (18)

1.3 Параметры конца процесса сгорания

Рис. 3. Схема  работы сгорания и его диаграмма

 

Действительный коэффициент  молекулярного изменения:

 

    (19)

 

Энергия сгоревшей смеси

 кДж/кг·кмоль

 

Температура газов в конце  сгорания смеси

 или К

Принимаем t_c=600⁰С.

                                                                           Таблица 1. Параметры выпускных газов

	СО	Н2	Н2О	СО2	N2	O2
аi	22,49	19,678	26,67	39,123	21,951	23,725
bi	0,00143	0,001758	0,004438	0,003349	0,001457	0,00155

 

Объёмная доля продуктов сгорания

Имеем:

 

 

Теплоемкость продуктов сгорания в конце процесса сжатия:

Энтальпия 1 кмоля свежей смеси в конце процесса сжатия кДж/кмоль Коэффициент использования теплоты = 0,76

 

Тогда:

°C  или К

 

Давление в конце сгорания:

 МПа     (25)

где λ –  степень повышения давления.

1.4 Параметры процесса расширения

Рис. 4. Схема  работы расширения и выпуска и  их диаграммы

 

Задаемся показателем  политропы расширения .

Степень предварительного расширения

Степень последующего расширения

Температура конца расширения:

К    (28)

Давление конца расширения:

МПа     (29)

Среднее индикаторное давление цикла для  дизельных двигателей при коэффициенте скругления j = 0,97:

 

,   (30)

МПа

 

2 Основные показатели цикла

Примем среднюю скорость поршня м/с.

Доля индикаторного давления, затраченного на трение и привод вспомогательных  механизмов:

 

Р_м = 0,105+ 0,012· = 0,105 + 0,012·9 = 0,21 МПа   (32)

 

Среднее эффективное давление цикла:

МПа  (33)

 

Механический  коэффициент полезного действия

,

Индикаторный КПД цикла:

Удельный индикаторный расход топлива:

г/кВт·ч 

   Удельный эффективный  расход топлива:

 г/(кВт·ч)

Эффективный КПД цикла:

    (38)

                          

Рис. 5. Индикаторная диаграмма четырехтактного дизельного двигателя 
3 Основные размеры двигателя

Для номинального режима работы двигателя определяется:

Рабочий объем цилиндра:

 л

Диаметр цилиндра:

  мм

Тогда из соотношения:

  ход поршня мм

Общий объем двигателя:

 л

Литровая мощность:

 кВт/л

                                                   м/с    

                                                  м/с

Эффективный крутящий момент:

                                               Нм

 

Часовой расход топлива:

,кг/ч    (39)

 

4 Силы, действующие в КШМ

4.1 Построение индикаторной диаграммы

Построение  политроп сжатия и расширения производится вычислением ряда точек для промежуточных  объемов из уравнений:

для политропы  сжатия:

,   (40)

для политропы  расширения:

,     (41)

 

где - искомое давление процесса;

Va, =  1,61 - объёмы цилиндра

Vx- объём принимаемый в пределах  0-1,61

 

сжатие                         ,

 

расширение                ,

Остальные расчёты точек  занесем в таблицу 2.

                                                                                   Таблица 2 . Параметры политроп

Сжатие	1	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20
,МПа	5,00	2,01	1,12	0,67	0,4	0,22	0,17	0,14	0,12	0,1	0,087
Расширение	1	2	3	4	5	6	8	10	12	14	14,7
,МПа	9,00	4,4	3,28	2,39	1,81	1,39	1,05	0,82	0,6	0,4	0,31

 

 

мм    

 

 

Рис.6. Схема переноса индикаторной диаграммы из ρ-ν в Р-φ –  координаты

4.2 Силы давления газов

Сила давления газов равна:

,     (42)

где - давление в цилиндре двигателя над поршнем,

       - давление в картере;

       - площадь поршня, = 0,0119 м².

Сила давления газов находится  перестроением индикаторной диаграммы  из координат P-V в координаты Р-φ.

4.3 Силы инерции движущихся масс КШМ

Весь кривошипно-шатунный механизм, заменяется системой двух сосредоточенных  масс, связанных жесткими невесомыми звеньями: массой в точке А, имеющей  возвратно-поступательные движение:

,     (43)

где - масса поршневой группы (данные из таблицы конструктивных масс КШМ)

 

 кг

 

- масса шатуна, отнесенного к  поршневой группе.

 кг     (44)

 

где - масса шатуна, (данные из таблицы конструктивных масс КШМ)

                             кг

 

 кг

 

В соответствии с принятой системой  двух масс, динамически  замещающей кривошипно-шатунный механизм, силы инерции сводятся к двум силам: силе инерции от возвратно-поступательно движущихся масс и центробежной силе инерции от вращающихся масс.

Сила инерции возвратно-поступательно  движущихся масс:

 

,  (45)

где R – радиус кривошипа, R = 0,0678 м;

      - частота вращения двигателя, равная:

c^-1

- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, = 0,25

φ – угол поворота кривошипа за 4 такта. φ = 0…720^о

 

4.4 Суммарные силы и моменты, действующие в КШМ

Суммарная сила равна:

      (46)

Сила Р, действующая вдоль  оси цилиндра, может быть разложена  на две составляющие:

а) боковую силу, перпендикулярную к оси цилиндра:

 

,                                                                 (47)

 

б) силу, направленную вдоль  оси шатуна:

,                                                                    (48)

Силу S можно перенести по линии ее действия в центр шатунной шейки кривошипа и разложить на две составляющие:

 а) нормальную силу, направленную по радиусу кривошипа:

 

,                                                    (49)

 б) тангенциальную силу, касательную к окружности радиуса  кривошипа:

,                                                    (50)

Нормальную силу перенесем по линии ее действия в центр вала и обозначим через - . Тангенциальную силу также перенесем в центр вала , при этом появляется присоединенная пара сил и с моментом М_кр, называемым крутящим моментом.

Крутящий момент:

 

,                                  (51)

Крутящий момент двигателя: 

 

,

Коэффициент неравномерности крутящего момента:

 

 

Рис. 7. Схема сил, действующих в КШМ

 

Внесем результаты расчетов формул (45)-(50) в таблицу.