Referat.kulichki.net - - Расчет двигателя внутреннего сгорания

Рефераты - Расчет двигателя внутреннего сгорания

Заказать написание реферата, курсовой, диплома на мою тему



Файл 1

Содержание:


I. Тепловой расчет двигателя
II. Построение индикаторной диаграммы
III. Кинематический расчет КШМ
IV. Динамический расчет КШМ
V. Уравновешивание двигателя
VI. Расчет на прочность основных деталей КШМ
VII.Система принудительного воздушного охлаждения двигателя
Литература


I. Тепловой расчет двигателя
Задание:
В курсовом проекте рассматривается двухтактный карбюраторный двухцилиндровый мотоциклетный двигатель ИЖ-Планета-5
Рабочий объем двигателя W = 346 см3.
Количество цилиндров i = 2;
Диаметр цилиндра D = 72 мм = 0,072 м;
Ход поршня S = 85 мм = 0,085 м;
Наклон цилиндров 15( к вертикали;
Обороты максимальной мощности: ;
Геометрическая степень сжатия: ;
Доля хода, занятая продувочными окнами: .

Выбор и обоснование исходных данных:
Давление и температура окружающей среды:
; .
Коэффициент избытка воздуха для сгорания:
.
Коэффициенты полезного тепловыделения, для карбюраторных двигателей выбираются из интервала 0,85...0,95 [4]:
; .
Коэффициент остаточных газов - отношение количества оставшихся в цилиндре от предыдущего цикла газов к количеству поступившего свежего заряда. Для двухтактного двигателя с петлевой продувкой . Двигатели большей быстроходности характеризуются большим значением [4]. Принимаем: .
Давление и температура остаточных газов:
; .
Подогрев заряда от стенок - температура подогрева за счет тепла стенок цилиндра, которых касается газ при наполнении цилиндра, и температуры остаточных газов. Для карбюраторных двигателей [4]. Принимаем: .
Коэффициент скругления индикаторной диаграммы: меньшие значения выбирают для дизелей, большие - для двигателей с электрическим зажиганием) [2]. Принимаем: .
Средняя молекулярная теплоемкость газов при постоянном объеме:
- топливная смесь [4];
- остаточные газы [4].
Механический к.п.д.:
.


Предварительный расчет:
Действительная степень сжатия:
. В дальнейшем при расчетах будем пользоваться действительной степенью сжатия.
Давление продувки (после компрессора - кривошипной камеры):
.
Показатель политропы сжатия в нагнетателе:
.
Коэффициент, учитывающий неодинаковость теплоемкостей смеси и остаточных газов:
.


Наполнение:
Температура воздуха перед впускными органами:
К.
Давление в начале сжатия:
.
Коэффициент наполнения:

Коэффициент наполнения, отнесенный к полному ходу поршня:
.
Температура рабочего тела в начале сжатия:


Сжатие:
Находим показатель политропы сжатия из уравнения:
, где ; ,
используя программу MathCAD .
Давление в конце сжатия:
.
Температура в конце сжатия:
.
Средняя теплоемкость при сжатии:
.

Сгорание:
Количество воздуха, теоретически необходимое для сгорания:

где С, Н, О определяются из среднего элементарного состава 1 кг бензина (кг) или количество воздух в кг:
.
Молекулярный вес топлива:

Количество свежего заряда:
.
Количество продуктов сгорания (при ):

Теоретический коэффициент молекулярного изменения:
.
Действительный коэффициент молекулярного изменения:
.
Коэффициент молекулярного изменения в точке z:
.
Низшая теплотворная способность бензина:

Потери от неполноты сгорания:

Находим среднюю мольную теплоемкость и температуру продуктов сгорания (при ) из системы уравнений:
где
используя программу MathCAD ; .
Степень повышения давления:

Теоретическое максимальное давление:
.
- действительное значение давления, в дальнейшем при расчетах будем брать .
Расширение:
Степень предварительного расширения для карбюраторных двигателей:
.
Степень последующего расширения для карбюраторных двигателей:
.
Показатель политропы расширения определяем по формуле НАТИ:

Температура в конце расширения:
.
Давление в конце расширения:
.

Проверка по формуле Е.К. Мазинга: температура остаточных газов (относительная ошибка должна быть менее 15%):
- ошибка составила 1,7%.


II. Построение индикаторной диаграммы

Площадь поршня:
.
Часть рабочего хода занята продувочными окнами (). Полный ход поршня S = 58 мм. Тогда угол поворота, соответствующий открытию продувочного окна найдем из уравнения:
, используя программу MathCad получим , тогда:
- расширение;
- выпуск.
- впуск;
- сжатие;

А) процесс впуска:
;

Б) процесс сжатия:
;
- действительная степень сжатия;
где - рабочий объем цилиндра;
- полный объем цилиндра;
- объем камеры сгорания;
- текущий объем цилиндра;

В) сгорание:
.

Г) расширение:
.
По результатам расчетов строим индикаторную диаграмму в координатах . Полученные значения заносим в таблицу.

Индикаторные показатели:
Среднее индикаторное давление теоретического цикла:

Среднее индикаторное давление действительного цикла для двухтактного двигателя:
.
Индикаторный к.п.д.:
.
Удельный индикаторный расход топлива:
.

Эффективные показатели:
Среднее эффективное давление и к.п.д.:
.
.
Удельный эффективный расход топлива:
.
Эффективная номинальная мощность:

где в МПа; W в л; m - коэффициент тактности (для двухтактных двигателей m = 2).
л.с.

Внешние скоростные характеристики:
Максимальные развиваемые обороты двигателя:
.
Произведем расчет для диапазона оборотов:
.
Эффективная мощность двигателя:
, результаты в таблицу [1].
Удельный расход топлива:
, результаты в таблицу [1].
Крутящий момент:
, результаты в таблицу [1].
III. Кинематический расчет КШМ


S - ход поршня (58 мм);
s - путь поршня;
( - угол поворота коленчатого вала;
( - угол отклонения оси шатуна от оси цилиндра;
R - радиус кривошипа (28 мм);
lш - длина шатуна;
- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;
п - угловая скорость вращения коленчатого вала.
Задача кинематического расчета - нахождение перемещений, скоростей и ускорений в зависимости от угла поворота коленчатого вала. На основе кинематического расчета проводятся динамический расчет и уравновешивание двигателя.
Перемещение поршня:
шаг 10(.
, данные в таблицу [2].
Скорость поршня:
, данные в таблицу [2].
Определяем среднюю и максимальную скорости:
.
.

Ускорение поршня:
, данные в таблицу [2].



IV. Динамический расчет КШМ
Приведение масс деталей КШМ:
Приведение масс деталей поршневой группы:
Конструктивная масса поршневой группы:
;
масса поршневой группы (массы собственно поршня, поршневых колец, поршневого пальца и заглушки):
.

Приведение масс деталей шатунной группы:
Конструктивная масса шатуна:
;
Масса шатуна:
.
Длина шатуна:
, принимаем.
Зная длину шатуна определяем длину от оси нижней головки шатуна до центра тяжести из соотношения:
;
, принимаем .
Длина от оси верхней головки шатуна до центра тяжести:
.
Заменим массу шатуна на две эквивалентные массы, сосредоточенные на концах шатуна. Тогда масса шатуна:
.
Найдем эквивалентные массы из системы соотношений:

В этом случае возникает дополнительный момент от пары сил. Ввиду незначительности дополнительного момента - его учитывать не будем.

Приведение масс кривошипа:
Масса кривошипа:
,
где - масса шатунной шейки:
м - диаметр шатунной шейки;
м - длина шатунной шейки;
- плотность материала коленвала;
кг.

- масса щеки:
м - толщина щеки;
м - высота и ширина щеки;
кг.
м - расстояние от оси кривошипа до центра масс щеки.
кг.

Эквивалентная схема КШМ:

Вычисляем поступательно и вращательно движущиеся массы:
кг - поступательно движущиеся массы;
кг - вращательно движущиеся массы.

Силы и моменты, действующие в КШМ:
Силы инерции:
1. Сила инерции поступательно движущихся масс:
шаг 10(.
, данные в таблицу [2].
где - сила инерции первого порядка;
- сила инерции второго порядка.
Эти силы действуют по оси цилиндра и как и силы давления газов считаются положительными, если направлены к оси коленчатого вала, и отрицательными, если направлены от коленвала.


2. Сила инерции вращающихся масс:
.
Сила приложена в центре шатунной шейки, постоянна по величине и направлению и направлена по радиусу кривошипа.

Силы давления газов:
Силы давления газов в цилиндре двигателя в зависимости от хода поршня определяются по индикаторной диаграмме, построенной по данным теплового расчета.
Сила давления газов на поршень действует по оси цилиндра:
, где
- давление газов в цилиндре двигателя, определяемое для соответствующего положения поршня по индикаторной диаграмме;
- давление в картере;
- площадь поршня.
Результаты заносим в таблицу.

Суммарная сила:
Суммарная сила - это алгебраическая сумма сил, действующих в направлении оси цилиндра:
.

Сила, действующая вдоль шатуна:
, где
- угол наклона шатуна относительно оси цилиндра.

Сила перпендикулярная оси цилиндра:
Эта сила создает боковое давление на стенку цилиндра.
.
Сила, действующая вдоль кривошипа:
.
Сила, создающая крутящий момент:
.
Крутящий момент одного цилиндра:
.

Вычисляем силы и моменты, действующие в КШМ через каждые10( поворота кривошипа. Результаты вычислений заносим в таблицу [3], строим графики сил и моментов.

Крутящий момент двигателя:
Имеющийся график отнесём к каждому из цилиндров в соответствии с порядком работы. Просуммировав два полученных графика, получаем график суммарного крутящего момента.

Опрокидывающий момент:
Момент стремящийся опрокинуть двигатель называется реактивным моментом. Он всегда равен крутящему моменту двигателя но противоположен ему по направлению.



V. Уравновешивание двигателя

В уравновешенном двигателе при установившемся режиме работы силы и моменты сил, передаваемые на его опоры, постоянны по величине и направлению или равны нулю.
Уравновешивание можно осуществить двумя способами:
1) расположение определенным образом цилиндров и выбором такой кривошипной системы коленчатого вала, чтобы переменные силы инерции и их моменты взаимно уравновешивались;
2) созданием с помощью дополнительных масс (противовесов) новых сил, в любой момент времени равных по величине, но противоположных по направлению основным уравновешиваемым силам.
Динамический расчёт показывает, что на КШМ действуют:
- силы инерции поступательно движущихся масс и ,
- центробежные силы инерции ,
- возникают моменты , , , .
Все эти силы и моменты вызывают неуравновешенность двигателя.
Следует учитывать, что опрокидывающий (крутящий) момент уравновесить невозможно, так как двигатель имеет один коленчатый вал. Следовательно, считаем двигатель уравновешенным, если выполняются следующие условия:
(=0, (=0,
(=0, (=0,
(=0,( =0.
Для двухтактного двухцилиндрового рядного двигателя с кривошипами под углом 180( имеем:
(;

(.

Уравновешивание оставшихся сил и моментов:
1) Силы инерции второго порядка обоих цилиндров всегда имеют взаимно одинаковое направление и поэтому не уравновешиваются, а дают свободную силу:

или
.
Эта сила действует по оси параллельной осям цилиндров и проходящей через середину коленчатого вала, и может быть уравновешена только противовесами, установленными на дополнительных валах, вращающихся навстречу друг другу с угловой скоростью 2(:
радиус вала принимаем ;
Масса противовеса рассчитывается из условия:
;
где л - сила, возникающая при вращении уравновешивающего вала;
- диаметр уравновешивающего вала;
кг - масса противовеса на уравновешивающем валу.

2) Неуравновешенный момент от сил инерции первого порядка вызывает продольные колебания двигателя. Уравновесим этот момент установкой двух валов с противовесами, вращающимися в разные стороны с угловой скоростью (.

Момент на одном уравновешивающем валу будет равен:
,где
м - радиус уравновешивающего вала;
м - длина уравновешивающего вала.
Общую массу вала находим из:

кг,
так как масса на валу распределена по его концам на две равные части, то каждая из них равна:
кг.

3) Величина момента от центробежных сил инерции, действующего во вращающей плоскости коленчатого вала:
.
Этот момент может быть полностью уравновешен установкой противовесов с массой на продолжении щек коленвала.
Масса , расположенная на расстоянии от оси коленчатого вала, определяется аналогично предыдущему:

откуда
кг.



VI. Расчет на прочность основных деталей КШМ

Максимальная сила давления газов на поршень:
, где
- максимальное давление сгорания;
-площадь поршня;

ПОРШЕНЬ
При проектировании геометрические параметры поршня принимают на основе эмпирических зависимостей и статических данных, приведенных в таблице [3].
Затем производим проверочный расчет на прочность и износостойкость элементов поршня.
1. Напряжение изгиба.
, где
- внутренний диаметр поршня;
- толщина днища.
.
Предельное напряжение изгиба:


2. Проверочный расчет на сжатие.
, где
- площадь опасного сечения;
- толщина стенки поршня.
.
Предельное напряжение сжатия:


3. Наибольшее условное давление.
По нему проверяют поверхность отвердения под поршневой палец.
, где
- диаметр поршневого пальца;
- длина пальца в одном приливе.
.
Допустимое удельное давление.

ПОРШЕНЕВОЙ ПАЛЕЦ

Во время работы поршневой палец подвергается воздействию переменных по величине нагрузок, носящих большей частью ударный характер. В поршневом пальце появляются напряжения изгиба, среза и овализации, вызывающие его поломку.
1. Износостойкость пальца оценивают по удельным давлениям между втулкой шатуна и бобышками поршня и опорными поверхностями пальца.
, где
- сила инерции от массы поршневой группы.
- длина втулки шатуна.
.
, где
- сила инерции от массы поршневой группы без массы пальца, действующая на бобышки;
;
- длина пальца в одном приливе.
.
Для современных двигателей:
, .

2. Напряжение изгиба в среднем сечение пальца:

, где
л - максимальная сила давления газов, передаваемая через поршневой палец на шатун;
- рабочая длина пальца;
- расстояние между бобышкам;
- длина поршневой головки шатуна;
- отношение внутреннего диаметра поршневого пальца к внешнему диаметру.
.
.

3. Максимальные касательные напряжения:



4. Наибольшее увеличение горизонтального диаметра пальца при овализации:

- модуль упругости материала поршневого пальца.
.

ПОРШЕНЕВОЕ КОЛЬЦО

Поршневые кольца работают на изгиб как при надевании на поршень, так и в рабочем состоянии.
В свободном состоянии зазор в замке равен: .
В рабочем состоянии зазор в замке уменьшается до . Толщина кольца в радиальном направлении .
Напряжение изгиба в рабочем состоянии:

где - модуль упругости материала (чугун) поршневого кольца.
Напряжение изгиба при надевании:


Допускаемое напряжение .
Удельное давление кольца на стенку цилиндра:

допустимая величина .



ШАТУН

Конструктивные размеры шатуна - ширина поперечного сечения стержня шатуна, - высота поперечного сечения стержня шатуна; - наружный диаметр поршневой головки, -внутренний диаметр поршневой головки.
Стержень шатуна работает в условиях пульсирующего цикла нагрузки.
Максимальное напряжение цикла:
, где
- площадь среднего сечения стержня шатуна;
- коэффициент, соответствующий работе шатуна на сжатие.
.
Минимальное напряжение цикла:
, где
.
.
Среднее напряжение:
.
.

Запас прочности при асимметричном цикле:
, где
- масштабный коэффициент;
Коэффициент: ,
где - предел усталости от растяжения-сжатия при симметричном цикле;
- предел усталости при пульсирующем цикле.
.
Запас прочности должен быть не менее 1,8...2,0.
Проверим запас прочности также по пределу текучести:
.
Верхняя головка шатуна. При расчете шатуна можно ограничится определением относительного уменьшения диаметра верхней головки по формуле:
, где
- сила инерции от массы поршневой группы;
- модуль упругости материала (сталь 40Г) шатуна;
- средний диаметр;
- момент инерции сечения верхней головки.
.
Величина не должна превышать .

КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ
Коренные шейки нагружаются главным образом крутящим моментом, поэтому запас прочности оцениваем только по касательным напряжениям.
Диаметр коренной шейки .
л - момент сопротивления кручению шейки.
Максимальные и минимальные касательные напряжения подсчитываются по формулам:

определяем амплитудное и среднее значение в цикле:
.
.
Определяем запас прочности при асимметричном цикле нагружения:


Коэффициент: ,
где - предел выносливости материала (сталь) на кручение при симметричном цикле;
- предел выносливости при пульсирующем цикле.
.

Литература:


1. Автомобильные и тракторные двигатели. Ч.II. Конструкция и расчет двигателей. Под ред. Ленина И.М.. Учебник для втузов. Изд. 2-е, доп. и перераб. М.: "Высшая школа", 1976. - 280с.
2. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для втузов по специальности "Двигатели внутреннего сгорания" / Вырубов Д.Н., Иващенко Н.А., Ивин В.И. и др.; Под ред. Орлина А.С., Круглова. М.Г. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: "Машиностроение", 1983. - 372с.
3. Моргулис Ю.Б. Двигатели внутреннего сгорания (теория, конструкция и расчет). - М.: "Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы", 1959. - 344с.
4. Теория двигателей внутреннего сгорания. Под ред. проф. д-ра техн. наук Дьяченко Н.Х. Л.: "Машиностроение", 1974. - 552с.
5. Хачиян А.С., Морозов К.А., Луканин В.Н. Двигатели внутреннего сгорания: Учебник для вузов. - М.: "Высшая школа", 1978. - 280с.


Таблица 1
n,
Ne,
ge,
Me,
об/мин.
кВт.
кг/(кВт ч).
Н м.
1000
3.697
0.3449
35.3110
1500
5.786
0.3253
36.8369
2000
7.916
0.3105
37.7977
2500
9.998
0.3007
38.1933
3000
11.945
0.2957
38.0238
3500
13.666
0.2957
37.2891
4000
15.074
0.3007
35.9892
4500
16.079
0.3105
34.1242
5000
16.594
0.3253
31.6940
5500
16.528
0.3449
28.6987
6000
15.794
0.3695
25.1382


Таблица 2
, град
S, м
V,м/с
j,м/с2
Pi, Па
0
0
0
11007
4787689
10
0.0006
3.4984
10731
4335883
20
0.0022
6.8222
9925.2
3362214
30
0.0049
9.8105
8651.1
2426174
40
0.0085
12.328
7005.5
1735101
50
0.0127
14.274
5109.4
1269079
60
0.0176
15.591
3095.7
960359
70
0.0227
16.261
1096.7
753532
80
0.0279
16.308
-769.3
612037
90
0.0331
15.792
-2408
513067
100
0.038
14.796
-3756
442468
110
0.0425
13.418
-4786
411000
120
0.0466
11.761
-5504
411000
130
0.05
9.9199
-5946
411000
140
0.0529
7.9735
-6169
411000
150
0.0551
5.9812
-6243
411000
160
0.0567
3.98
-6236
411000
170
0.0577
1.9861
-6206
411000
180
0.058
0
-6191
411000
190
0.0577
-1.986
-6206
130000
200
0.0567
-3.98
-6236
130000
210
0.0551
-5.981
-6243
130000
220
0.0529
-7.974
-6169
130000
230
0.05
-9.92
-5946
130000
240
0.0466
-11.76
-5504
130000
250
0.0425
-13.42
-4786
130000
260
0.038
-14.8
-3756
147683
270
0.0331
-15.79
-2408
172735
280
0.0279
-16.31
-769.3
208191
290
0.0227
-16.26
1096.7
259457
300
0.0176
-15.59
3095.7
335392
310
0.0127
-14.27
5109.4
450488
320
0.0085
-12.33
7005.5
627277
330
0.0049
-9.811
8651.1
894471
340
0.0022
-6.822
9925.2
1263432
350
0.0006
-3.498
10731
1653712
360
0
0
11007
1836642



Таблица 3

, град
Pj, Н
P, Н
S, Н
K, Н
T, Н
N, Н
Mкр,
Н м
Pг, Н
0
-3890.854
10257.684
10257.684
10257.684
0.000
0.000
0.000
14148.538
10
-3793.345
8991.160
9001.807
8778.562
1992.330
437.681
57.778
12784.505
20
-3508.411
6336.520
6365.777
5745.877
2740.075
609.623
79.462
9844.931
30
-3058.046
3960.914
4000.311
3150.230
2465.469
560.044
71.499
7018.959
40
-2476.365
2456.196
2496.971
1592.682
1923.077
449.406
55.769
4932.560
50
-1806.105
1719.503
1760.477
816.010
1559.938
377.609
45.238
3525.607
60
-1094.303
1499.257
1545.379
425.099
1485.762
374.735
43.087
2593.560
70
-387.650
1581.485
1639.245
135.603
1633.626
431.308
47.375
1969.135
80
271.952
1813.904
1887.065
-197.464
1876.705
520.351
54.424
1541.953
90
851.124
2094.279
2181.540
-610.831
2094.279
610.831
60.734
1243.154
100
1327.639
2357.649
2452.740
-1075.460
2204.386
676.334
63.927
1030.010
110
1691.648
2628.074
2724.057
-1572.367
2224.443
716.737
64.509
936.426
120
1945.427
2881.853
2970.509
-2064.734
2135.603
720.310
61.932
936.426
130
2101.697
3038.123
3110.518
-2463.959
1898.481
667.183
55.056
936.426
140
2180.772
3117.198
3168.946
-2754.525
1566.784
570.349
45.437
936.426
150
2206.921
3143.347
3174.612
-2944.441
1186.772
444.446
34.416
936.426
160
2204.413
3140.839
3155.341
-3054.772
790.280
302.173
22.918
936.426
170
2193.754
3130.180
3133.887
-3109.085
393.491
152.374
11.411
936.426
180
2188.606
3125.032
3125.032
-3125.032
0.000
0.000
0.000
936.426
190
2193.754
2300.796
2303.520
-2285.290
-289.230
-112.001
-8.388
107.041
200
2204.413
2311.454
2322.127
-2248.115
-581.595
-222.380
-16.866
107.041
210
2206.921
2313.962
2336.978
-2167.539
-873.638
-327.177
-25.335
107.041
220
2180.772
2287.813
2325.793
-2021.636
-1149.914
-418.597
-33.347
107.041
230
2101.697
2208.738
2261.370
-1791.317
-1380.210
-485.047
-40.026
107.041
240
1945.427
2052.468
2115.610
-1470.512
-1520.986
-513.008
-44.109
107.041
250
1691.648
1798.689
1864.381
-1076.149
-1522.439
-490.545
-44.151
107.041
260
1327.639
1467.672
1526.868
-669.490
-1372.264
-421.028
-39.796
140.033
270
851.124
1066.792
1111.241
-311.148
-1066.792
-311.148
-30.937
215.667
280
271.952
594.663
618.647
-64.736
-615.251
-170.590
-17.842
322.711
290
-387.650
89.836
93.117
7.703
-92.798
-24.500
-2.691
477.486
300
-1094.303
-387.562
-399.485
-109.889
384.074
96.870
11.138
706.741
310
-1806.105
-751.881
-769.797
-356.814
682.108
165.116
19.781
1054.224
320
-2476.365
-888.404
-903.153
-576.072
695.576
162.550
20.172
1587.960
330
-3058.046
-663.407
-670.005
-527.627
412.937
93.801
11.975
2394.639
340
-3508.411
0.149
0.149
0.135
-0.064
-0.014
-0.002
3508.560
350
-3793.345
893.497
894.555
872.370
-197.988
-43.495
-5.742
4686.842
360
-3890.854
1348.264
1348.264
1348.264
0.000
0.000
0.000