РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Методические указания

к выполнению курсового проекта

для студентов специальности 190601

НОВОСИБИРСК

2011

Оглавление

Введение

1. Описание процессов, происходящих в одном цикле двс

   1. Процесс впуска

   2. Процесс сжатия

   3. Процесс сгорания и расширения

   4. Процесс выпуска

2. Расчет параметров одного цикла

2.1. Процесс впуска и газообмена

2.2. Процесс сжатия

2.3. Процесс сгорания

2.4. Процесс расширения

2.5. Построение индикаторной диаграммы

3. Расчет индикаторных и эффективных показателей ДВС

3.1. Индикаторные показатели

3.2. Эффективные показатели

4. Расчет размеров цилиндра и средней скорости поршня

5. Тепловой баланс ДВС

6. Расчет и построение внешней скоростной характеристики двигателя

7. Кинематический и динамический расчет КШМ

7.1. Кинематика КШМ

7.2. Динамика КШМ

7.3. Суммарные силы и моменты, действующие в КШМ

8. Построение диаграммы фаз газораспределения

9. Определение основных размеров и проектирование поршневой, шатунной группы и газораспределительного механизма

1. Поршневая группа

2. Шатунная группа

3. Механизм газораспределения

9.3.1. Построение профиля кулачка

9. Оформление курсового проекта

Список литературы

Приложение 1

Приложение 2

Введение

1. Описание процессов, происходящих в одном цикле двс

В первом разделе пояснительной записки необходимо привести подробное описание процессов, происходящих на различных стадиях рабочего цикла четырехтактного двигателя внутреннего сгорания (процесс впуска, сжатия, сгорания и расширения, выпуска).

2. Расчет параметров одного цикла

Действительный цикл четырехтактного двигателя совершается за два оборота коленчатого вала и состоит из следующих процессов:

• впуска и газообмена – впуск свежего заряда и выпуск отработавших газов

• сжатия топливовоздушной смеси (воздуха);

• сгорания;

• расширения.

При этом последовательность протекания процессов зависит от места приготовления топливовоздушной смеси – вне цилиндра (двигатели с внешним смесеобразованием), или непосредственно в цилиндре (двигатель с внутренним смесеобразованием).

К двигателям с внешним смесеобразованием и воспламенением от искры относятся все карбюраторные и газовые двигатели, а также двигатели с впрыском топлива во впускной трубопровод.

К двигателям с внутренним смесеобразованием относятся все дизели с самовоспламенением топливовоздушной смеси от сжатия (в том числе газодизели), а также двигатели с впрыском легкого топлива непосредственно в цилиндр.

Расчет действительного цикла двигателя заключается в определении параметров, определяющих состояние рабочего тела в характерных точках процесса.

2.1. Процесс впуска и газообмена

Процесс впуска и газообмена практически состоит из трех различных периодов:

• в первый период, от момента открытия впускного клапана (точка r′) до момента закрытия выпускного клапана (точка a′) (рис. 1) происходит одновременное наполнение цилиндра свежим зарядом, выпуск отработавших газов и их смешение. В этот период происходит наиболее интенсивный процесс газообмена;

• второй период – от точки a′ до точки a при движении поршня к н.м.т. происходит дальнейший впуск свежего заряда, продолжение смешения его с отработавшими газами, выравнивание их совместного давления и температуры;

• в третий период при движении поршня от н.м.т. (точка a) до точки a″ происходит одновременно завершение процесса наполнения цилиндра (дозарядка или начало сжатия смеси.

Рис. 1. Изменение давления в процессе впуска в четырехтактном двигателе

Параметры процесса впуска и газообмена можно разделить на две группы:

1. параметры, определяющие состояние рабочего тела в характерных точках процесса;

2. параметры, характеризующие совершенство процесса наполнения и очистки цилиндров в целом.

К первой группе относятся:

• ρ₀ – плотность заряда на впуске соответственно при отсутствии наддува и с наддувом;

• р₀, Т₀ – давление и температура окружающей среды;

• p_r, T_r – давление и температура остаточных газов;

• ΔT – подогрев заряда от нагретых деталей;

• p_a – давление в конце впуска;

• Δp_a – потери давления за счет сопротивления впускной системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре;

• T_a – температура в конце впуска.

Ко второй группе относятся:

• γ_r – коэффициент остаточных газов;

• η_V – коэффициент наполнения.

При проведении расчетов протекание процесса впуска принимается от точки r до точки a (см. рис. 1), причем предполагается мгновенное изменение давления в в.м.т. по линии rr″ , а в дальнейшем давление принимается постоянным (прямая r″a). После расчетов и получения координат точек r, r″ и a производится ориентировочное скругление по кривой ra′.

Плотность заряда ρ₀, (кг/м³) на впуске без наддува

ρ₀ = p₀10⁶/(R_BT₀) (2.1)

где R_B – удельная газовая постоянная воздуха:

R_B = R_У/μ_B = 8315/28,96 = 287 Дж/(кг·град),

R_У = 8315 Дж/(кмоль·град) – универсальная газовая постоянная,

T₀ – температура окружающей среды (К).

При работе двигателя без наддува в цилиндр поступает воздух из атмосферы. При этом при расчете рабочего цикла двигателя давление окружающей среды принимается равным р₀ = 0,1 МПа, а температура окружающей среды Т₀ = 293 К.

В цилиндре двигателя перед началом процесса наполнения всегда содержится некоторое количество остаточных газов, находящихся в объеме камеры сгорания.

Давления остаточных газов p_r (МПа) на номинальном режиме работы двигателя равно (для двигателей без наддува),

p_r = (1,05 – 1,25)p₀. (2.2)

Большее значение принимаются для двигателей с высокой частотой вращения коленчатого вала. Меньшие значения характерны для двигателей с непосредственным впрыском и электронной системой управления системой питания.

Температура остаточных газов T_r (К) зависит от степени сжатия, частоты вращения и коэффициента избытка воздуха. Для двигателей с воспламенением от искры она равна 900÷1100 К, для дизелей – 600÷900 К.

При выборе величины необходимо иметь в виду, что при увеличении степени сжатия и обогащении рабочей смеси температура остаточных газов снижается, а при увеличении частоты вращения – возрастает.

В процессе наполнения цилиндра температура свежего заряда увеличивается благодаря подогреву от нагретых деталей двигателя.

Температура подогрева свежего заряда ΔT в зависимости от типа двигателя принимается:

для двигателей с воспламенением от искры – 0÷20 К

для дизелей без наддува – 10÷40 К

Давление в конце впуска p_a (МПа) в двигателях без наддува

p_a = p₀ – Δp_a, (2.3)

Давление в конце впуска определяет количество заряда, поступающего в цилиндр.

Потери давления Δp_a (МПа) за счет сопротивления впускной системы и затухания скорости движения для двигателей без наддува

Δp_a = (β² + ξ_вп)( /2)ρ₀·10^-6, (2.4)

где β – коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра;

ξ_вп – коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому сечению;

V_вп – средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы (как правило, в клапане).

В расчетах параметры (β² + ξ_вп) и V_вп назначаются на основании опытных данных. На номинальном режиме (β² + ξ_вп) = 2,5÷4,0 и V_вп = 50÷130 м/с. Для двигателей с электронным впрыском значения (β² + ξ_вп) принимаются пониженными в связи с отсутствием карбюратора.

У четырехтактных двигателей без наддува величина Δp_a колеблется в пределах:

для двигателей с воспламенением от искры (0,05÷0,20)p₀

для дизелей без наддува (0,03÷0,18)p₀

Температура в конце впуска T_a (K) определяется на основании уравнения баланса теплоты, составленного по линии впуска от точки r до точки a

T_a = (T₀+ΔT+γ_rT_r)/(1+γ_r) (2.5)

У современных двигателей температура в конце впуска изменяется в пределах:

для бензиновых двигателей………………………… 320÷370 К

для дизелей………………………………………….. 310÷350 К

для четырехтактных двигателей с наддувом……… 320÷400 К

Коэффициент остаточных газов γ_r характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания. С увеличением γ_r уменьшается количество свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя в процессе впуска.

Коэффициент остаточных газов для четырехтактных двигателей:

без продувки и дозарядки (φ_оч = φ_доз = 1)

, (2.6)

где ε – степень сжатия.

Величина γ_r изменяется в пределах:

Для бензиновых двигателей без наддува……… 0,04÷0,10

Для дизелей без наддува………………………… 0,02÷0,05

При наддуве величина коэффициента остаточных газов снижается.

Коэффициент наполнения η_V представляет собой отношение действительного количество свежего заряда, поступающего в цилиндр, к тому количеству, которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при условии, что температура и давление в нем равны температуре и давлению среды из которой поступает свежий заряд:

η_V = G_д/G₀ = V_д/V₀ = M_д/M₀, (2.7)

где G_д, V_д, M_д, – действительное количество свежего заряда, поступившего в цилиндр двигателя в процессе впуска, соответственно в кг, м³, моль;

G₀, V₀, M₀ – количество заряда, которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при р₀ и Т₀ (или при p_k и T_k), соответственно в кг, м³, моль.

Для четырехтактных двигателей без учета продувки и дозаправки цилиндра (φ_оч = φ_доз = 1)

. (2.8)

Значение коэффициента наполнения η_V для различных типов автомобильных и тракторных двигателей при работе их с полной нагрузкой изменяются в пределах:

для двигателей с электронным впрыском………….. 0,80÷0,96

для карбюраторных двигателей…………………….. 0,70÷0,90

для дизелей без наддува……………………………... 0,80÷0,94

для дизелей с наддувом……………………………… 0,80÷0,97