Расчет и конструирование автомобильного двигателя

На оси ординат откладываются  величины давления в масштабе М_р. Рекомендуется М_р = 0,02; 0,025; 0,04; 0,05; 0,07; 0,1 МПа/мм.

 

9.1 Принимаются масштабы диаграммы: М_S = 1,00 мм/мм; М_р = 0,05 МПа/мм.

Строится индикаторная диаграмма  для рассчитанного режима: n=n_N=5500 мин^-1; N=N_е=56,87 кВт.

 

9.2 Величины в принятом масштабе, соответствующие рабочему объему  цилиндра V_h и камеры сгорания V_с:

 

9.3 Максимальная высота  диаграммы (точка z):

 

9.4 Ординаты характерных  точек:

 

9.5 Расчет политропы  сжатия:

, откуда 

где

Отношение изменяется в интервале ε … 1, т.е. 7,5 … 1

Ординаты расчетных  точек политропы сжатия рассчитываются в таблице 5.

 

9.6 Расчет политропы  расширения:

, откуда

Отношение изменяется в интервале ε … 1, т.е. 7,5 … 1

Ординаты расчетных  точек плитропы расширения рассчитываются в таблице 5.

Таблица 5 – Расчет политропы  сжатия и расширения карбюраторного двигателя.

№ точек	ОХ, мм	ОВ/ОХ	Политропа сжатия			Политропа расширения
					рх, мм			рх, мм
1	12,0	7,5	16,06	27,3	1,37 (точка с)	12,44	111,5	5,58 (точка z)
2	12,9	7,0	14,61	24,8	1,24	11,41	102,7	5,14
3	15	6,0	11,81	20,1	1,01	9,41	84,7	4,24
4	18	5,0	9,19	15,6	0,78	7,49	67,4	3,37
5	22,5	4,0	6,76	11,5	0,58	5,66	50,9	2,55
6	30,0	3,0	4,54	7,7	0,39	3,95	35,6	1,78
7	45,0	2,0	2,60	4,4	0,22	2,38	21,4	1,07
8	60,0	1,5	1,75	3,0	0,15	1,66	14,9	0,75
9	90,0	1,0	1	1,7	0,085 (точка а)	1	9,0	0,45 (точка b)

9.7 Построение индикаторной  диаграммы:

- нанести на поле  диаграммы характерные точки  а и с и промежуточные рассчитанные  точки политропы сжатия и соединить их плавной кривой;

- нанести на поле  диаграммы характерные точки z и b и промежуточные рассчитанные точки политропы сжатия и соединить их плавной кривой;

- соединить точку с  и z. Затем точку b и a прямыми линиями.

 

9.8 В современных быстроходных  двигателях открытие впускного клапана происходит в среднем за 10 … 35⁰ до ВМТ, а закрытие через 40 … 85⁰ после НМТ. Выпускной клапан закрывается через 10 … 30⁰ после ВМТ.

Скругление индикаторной диаграммы производится с учетом фаз газораспределения, обеспечивающих хорошую очистку цилиндра от отработавших газов, и рассчитанную дозарядку. При этом учитывается скоростной режим, быстроходность и форсированность двигателя. Фазы газораспределения характеризуются точками: r^/ и а^// - начало открытия и соответственно закрытие впускного клапана; b^/ и а^/ - начало открытия и закрытия выпускного клапана.

Так как рассчитываемый двигатель достаточно быстроходный (n = 5500 мин^-1), то фазы газораспределения необходимо устанавливать с учетом получения хорошей очистки цилиндра от отработавших газов и обеспечения дозарядки в пределах, принятых в расчете. В связи с этим начало открытия впускного клапана (точка r^/) устанавливается за 18⁰ до прихода поршня в ВМТ, а закрытие (точка а^//) – через 60⁰ после прохода поршнем НМТ; начало открытии выпускного клапана (точка b^/) принимается за 55⁰ до прихода поршня в НМТ, а закрытие (точка а^/) – через 25⁰ после прохода поршнем ВМТ. Учитывая быстроходность двигателя, угол опережения зажигания θ принимается равным 35⁰, а продолжительность периода задержки воспламенения - ∆ φ₁ = 5⁰.

В соответствии с принятыми  фазами газораспределения и углом  опережения зажигания определяем положение  точек r^/, а^/, а^//, с^/, f, b^/ по формуле для перемещения поршня:

где λ – отношение  радиуса кривошипа к длине шатуна.

Выбор величины λ производится при проведении динамического расчета, а при построении индикаторной диаграммы  предварительно принимается λ=0,285.

Значение  принимается из таблицы в зависимости от λ и φ.

Результаты расчетов сведены в таблицу 6.

Таблица 6 – Расчет положения  точек скругленной индикаторной диаграммы карбюраторного двигателя  при λ=0,285.

Обозначение точек	Положение точек	φ0		Расстояние точек от ВМТ (АХ), мм
r/	180 до ВМТ	18	0,0655	2,6
а/	250 после ВМТ	25	0,1223	4,8
а//	600 после НМТ	120	1,6069	62,5
с/	350 до ВМТ	35	0,2313	9,0
f	300 до ВМТ	30	0,1697	6,6
b/	550 до НМТ	125	0,6667	65,0

 

Действительное давление сжатия и  положение точки с^// определяется из выражения:

Действительное давление сгорания и положение точки  :

 

Соединяя плавной линией точки r с а^/, с^/ с с^// и далее с z_д и политропой расширения b^/ с b^// (точка b^// располагается обычно между точками b и а) и линией выпуска b^//r^/r, получим скругленную (действительную) индикаторную диаграмму.

2 Построение  внешней скоростной характеристики  двигателя

 

1. На основании теплового  расчета, проведенного для режима  номинальной мощности, получены следующие параметры, необходимые для расчета и построения внешней скоростной характеристики двигателя. Все расчетные данные заносятся в таблицу 7.

Таблица 7 – Параметры  теплового расчета

Частота вращения коленчатого  вала, мин-1	Параметры внешней скоростной характеристики
	Nex, кВт	gе, г/(кВт∙ч)	Ме, Н∙м	GТ, кг/ч	ηV	α
1000 3300 5500 6000	11,67 41,66 56,00 54,00	316,6 262,08 312,0 334,4	111,5 120,6 97,3 85,9	3,69 10,9 17,4 18,0	0,8277 0,9468 0,8734 0,8548	0,86 0,96 0,96 0,96

 

Расчетные точки кривой определяются через каждые 500 … 1000 мин^-1 по эмпирической зависимости:

где N_е и n_N – номинальная эффективная мощность, кВт, и частота вращения коленчатого вала, мин^-1, при номинальной мощности; N_ex и n_х – то же в искомой точке скоростной ВСХ.

По рассчитанным точкам в масштабе строят кривую N_e=N(n).

Эффективный крутящий момент, Н∙м:

Удельный эффективный  расход топлива, г/(кВт∙ч), в расчетной  точке ВСХ:

где g_eN – удельный эффективный расход топлива при номинальной мощности, г/(кВт∙ч).

Часовой расход топлива, кг/ч:

2. По данным таблицы  строится ВСХ для карбюраторного  двигателя (рисунок 5).

3. Для оценки приспособляемости  двигателя к изменению внешней нагрузки, т.е. способности двигателя преодолевать перегрузки, определяется коэффициент приспособляемости:

4. Выполняется расчет  параметров в точках ВСХ по  методу И.М. Ленина для эффективной  мощности и удельного эффективного расхода топлива g. Результаты расчета сводятся в таблицу 8.

Таблица 8 – Параметры  расчета по методу И.М. Ленина.

Частота вращения коленчатого  вала, nx		Мощность, Ne		Удельный расход топлива, gе
%	мин-1	%	кВт	%	г/(кВт∙ч)
20 40 60 80 100 120	1100 2200 3300 4400 5500 6600	20 50 73 92 100 92	11,2 28 40,8 51,5 56,0 51,5	115 100 97 95 100 115	358,8 312,0 302,6 296,4 312,0 358,8

 

5. Наносим расчетные  точки N_ex и g_ех, полученные в таблице 8, на график.

6. Сравнивая полученные  данные с кривыми ВСХ можно  сделать следующие выводы:

Для удельного расхода  топлива g_е характеристики И.М.Ленина отличаются в сторону увеличения особенно при малых частотах к.в.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Кинематика  кривошипно-шатунного механизма

 

3.1 Перемещение  поршня

 

В целях уменьшения высоты двигателя без значительного увеличения инерционных и нормальных сил отношение радиуса кривошипа к длине шатуна предварительно было принято в тепловом расчете λ=0,285. при этих условиях L_ш=R/λ=39/0,285=136,8 мм.

Построив кинематическую схему кривошипно-шатунного механизма, устанавливаем, что ранее принятые значения L_ш и λ обеспечивают движение шатуна без задевания за нижнюю кромку цилиндра. Следовательно, перерасчета L_ш и λ не требуется.

Перемещение поршня определяется по формуле:

Используя формулу вычисляем  значения S_x перемещения поршня от ВМТ до НМТ для ряда промежуточных значений φ (через каждые 10 … 30⁰) и строим кривую S=f(φ).

Полученные значения заносим в таблицу 9.

 

3.2 Скорость  поршня

 

При перемещении поршня скорость (м/с) его движения является величиной переменной и при постоянной частоте вращения коленчатого вала зависит только от изменения угла поворота кривошипа φ и отношения λ=r/L_ш, где L_ш – длина шатуна.

Из формулы следует, что максимальная скорость растет с ростом λ, т.е. с уменьшением длины шатуна и сдвигается в стороны мертвых точек (φ=0 и 180⁰).

.

Быстроходность двигателя  оценивается по средней скорости поршня, м/с.

.

 

3.3 Ускорение  поршня

 

Ускорение поршня определяется формулой:

 

Данные расчетов значений перемещения, скорости и ускорения  сведены в таблицу 9.

Таблица 9 – Расчетные  данные кинематического расчета.

φ0		Sx, мм		vП, м/с		jП, м/с2
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360	0,000 +0,1697 +0,6069 +1,1425 +1,6069 +1,9017 +2,0000 +1,9017 +1,6069 +1,1425 +0,6069 +0,1697 +0,0000	0,0 6,6 23,7 44,6 62,7 74,2 78,0 74,2 62,7 44,6 23,7 6,6 0,0	0,0000 +0,6234 +0,9894 +1,0000 +0,7426 +0,3766 0,0000 -0,3766 -0,7426 -1,0000 -0,9894 -0,6234 0,0000	0,0 +14,2 +22,6 +22,9 +17,0 +8,6 0,0 -8,6 -17,0 -22,9 -22,6 -14,2 0,0	+1,2860 +1,0085 +0,3575 -0,2850 -0,6425 -0,7235 -0,7150 -0,7235 -0,6425 -0,2850 +0,3575 +1,0085 +1,2860	+17209 +13506 +4788 -3817 -8605 -8689 -9576 -9689 -8605 -3817 +4788 +13506 +17209