Каталог :: Теплотехника

Курсовая: Расчет двигателя внутреннего сгорания

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; a – угол поворота коленчатого вала; b - 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: S=0, S=0, S=0, S=0, S=0,S =0. Для двухтактного двухцилиндрового рядного двигателя с кривошипами под углом 180° имеем: S; S. 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 2w: 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 w. 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.
10003.6970.344935.3110
15005.7860.325336.8369
20007.9160.310537.7977
25009.9980.300738.1933
300011.9450.295738.0238
350013.6660.295737.2891
400015.0740.300735.9892
450016.0790.310534.1242
500016.5940.325331.6940
550016.5280.344928.6987
600015.7940.369525.1382
Таблица 2

, град

S, мV,м/с

j,м/с2

Pi, Па
000110074787689
100.00063.4984107314335883
200.00226.82229925.23362214
300.00499.81058651.12426174
400.008512.3287005.51735101
500.012714.2745109.41269079
600.017615.5913095.7960359
700.022716.2611096.7753532
800.027916.308-769.3612037
900.033115.792-2408513067
1000.03814.796-3756442468
1100.042513.418-4786411000
1200.046611.761-5504411000
1300.059.9199-5946411000
1400.05297.9735-6169411000
1500.05515.9812-6243411000
1600.05673.98-6236411000
1700.05771.9861-6206411000
1800.0580-6191411000
1900.0577-1.986-6206130000
2000.0567-3.98-6236130000
2100.0551-5.981-6243130000
2200.0529-7.974-6169130000
2300.05-9.92-5946130000
2400.0466-11.76-5504130000
2500.0425-13.42-4786130000
2600.038-14.8-3756147683
2700.0331-15.79-2408172735
2800.0279-16.31-769.3208191
2900.0227-16.261096.7259457
3000.0176-15.593095.7335392
3100.0127-14.275109.4450488
3200.0085-12.337005.5627277
3300.0049-9.8118651.1894471
3400.0022-6.8229925.21263432
3500.0006-3.498107311653712
36000110071836642
Таблица 3

, град

Pj, Н

P, НS, НK, НT, НN, Н

Mкр,

Н м

Pг, Н

0-3890.85410257.68410257.68410257.6840.0000.0000.00014148.538
10-3793.3458991.1609001.8078778.5621992.330437.68157.77812784.505
20-3508.4116336.5206365.7775745.8772740.075609.62379.4629844.931
30-3058.0463960.9144000.3113150.2302465.469560.04471.4997018.959
40-2476.3652456.1962496.9711592.6821923.077449.40655.7694932.560
50-1806.1051719.5031760.477816.0101559.938377.60945.2383525.607
60-1094.3031499.2571545.379425.0991485.762374.73543.0872593.560
70-387.6501581.4851639.245135.6031633.626431.30847.3751969.135
80271.9521813.9041887.065-197.4641876.705520.35154.4241541.953
90851.1242094.2792181.540-610.8312094.279610.83160.7341243.154
1001327.6392357.6492452.740-1075.4602204.386676.33463.9271030.010
1101691.6482628.0742724.057-1572.3672224.443716.73764.509936.426
1201945.4272881.8532970.509-2064.7342135.603720.31061.932936.426
1302101.6973038.1233110.518-2463.9591898.481667.18355.056936.426
1402180.7723117.1983168.946-2754.5251566.784570.34945.437936.426
1502206.9213143.3473174.612-2944.4411186.772444.44634.416936.426
1602204.4133140.8393155.341-3054.772790.280302.17322.918936.426
1702193.7543130.1803133.887-3109.085393.491152.37411.411936.426
1802188.6063125.0323125.032-3125.0320.0000.0000.000936.426
1902193.7542300.7962303.520-2285.290-289.230-112.001-8.388107.041
2002204.4132311.4542322.127-2248.115-581.595-222.380-16.866107.041
2102206.9212313.9622336.978-2167.539-873.638-327.177-25.335107.041
2202180.7722287.8132325.793-2021.636-1149.914-418.597-33.347107.041
2302101.6972208.7382261.370-1791.317-1380.210-485.047-40.026107.041
2401945.4272052.4682115.610-1470.512-1520.986-513.008-44.109107.041
2501691.6481798.6891864.381-1076.149-1522.439-490.545-44.151107.041
2601327.6391467.6721526.868-669.490-1372.264-421.028-39.796140.033
270851.1241066.7921111.241-311.148-1066.792-311.148-30.937215.667
280271.952594.663618.647-64.736-615.251-170.590-17.842322.711
290-387.65089.83693.1177.703-92.798-24.500-2.691477.486
300-1094.303-387.562-399.485-109.889384.07496.87011.138706.741
310-1806.105-751.881-769.797-356.814682.108165.11619.7811054.224
320-2476.365-888.404-903.153-576.072695.576162.55020.1721587.960
330-3058.046-663.407-670.005-527.627412.93793.80111.9752394.639
340-3508.4110.1490.1490.135-0.064-0.014-0.0023508.560
350-3793.345893.497894.555872.370-197.988-43.495-5.7424686.842
360-3890.8541348.2641348.2641348.2640.0000.0000.0005239.119