Расчет двигателя ВАЗ-21126 мощностью N = 76 кВт

1 2

---

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5 Расчет рабочего процесса двигателя 7 Параметры рабочего тела 7 Процесс впуска… 8 Процесс сжатия 11 Процесс сгорания… 15 Процесс расширения… 16 Расчет точек политроп сжатия и расширения. Расчетная индикаторная диаграмма… 17 Показатели двигателя. Тепловой баланс… 19 Индикаторные показатели Среднее индикаторное давление, МПа… 19 Эффективные показатели двигателя 19 Основные размеры двигателя… 21 Оценочные показатели 22 Экологические показатели… 22 Кинематический и динамический анализ кривошипно-шатунного механизма… 24 Расчёт и построение кривой перемещения поршня… 24 Расчёт и построение кривой скорости поршня 24 Расчёт и построение кривой удельных сил инерции 25 Расчёт и построение суммарной кривой давления газов и удельных сил инерции 26 Расчёт и построение кривой крутящего момента одного цилиндра… 28 Расчёт и построение кривой крутящего момента двигателя в целом… 31 Уравновешивание двигателя… 32 Расчёт деталей поршневой и шатунной групп на прочность 33 Расчёт деталей поршневой группы 33 Расчёт шатуна 35 Сравнительная оценка разработанного и базового двигателей 39 Заключение… 43 Список использованных источников… 45

ВВЕДЕНИЕ

Особенности и тенденции развития конструкций автомобильных двигате- лей полностью определяется требованиями, предъявляемыми к автомобилям промышленностью и потребителями. Эти требования сводятся к обеспечению максимальной производительности автомобиля, минимальной стоимости пере- возок при надежной и безопасной их работе. Основные требования, предъявля- емые к автомобильным двигателям, следующие: Развитие необходимой мощности двигателя при различных скоростях движения автомобиля, обладание хорошей приемистостью при трогании авто- мобиля с места и при изменении его рабочих режимов. Максимально возможная экономичность на всех режимах работы. Простота конструкции, упрощающая условия выпуска и последующих ремонтов автомобильных двигателей и облегчающая условия их обслуживания и эксплуатации. Низкая производственная стоимость автомобильных двигателей, сни- жение их веса. Возможно меньший удельный и литровый вес двигателя, достигаемые без снижения надежности и долговечности его работы. Малые габаритные размеры. Максимально целесообразное уравновешивание двигателя и необходи- мая равномерность хода, высокая надежность и долговечность работы. В соответствии с перечисленными требованиями конструкции автомо- бильных двигателей развиваются и совершенствуются в направлениях макси- мального их соответствия условиям эксплуатации, повышения экономичности и снижения себестоимости. Линию развития современных автомобильных двигателей можно охаракте- ризовать следующим образом: увеличение литровой мощности двигателя при од- новременном уменьшении его веса и габаритов и повышении экономичности.

1. Расчет рабочего процесса двигателя

Параметры рабочего тела

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кмоль/кг топлива: L_0=(C/12+H/4-O/32)/0,21 L_0=((0,855/12+0,145/4-O/32))/0,21=0,512 кмоль/кг Число кмолей свежего заряда, кмоль/кг топлива: М_1=α∙L_0+1/μ_Т =1∙0,512+1/115=0,5207 кмоль/кг Число кмолей продуктов сгорания, кмоль/кг топлива при α=1 М_2=С/12+Н/2+0,79∙α∙L_0+N/28 М_2=0,855/12+0,145/2+0,79∙1∙0,512+0/28=0,548 кмоль/кг Считается, что смесь топлива с воздухом является гомогенной (однородной), что вполне допустимо, т.к. видимый процесс сгорания современных быстроходных двигателей не зависит от коэффициента избытка воздуха при его изменении в пределах 0,8…1,25. Коэффициент наполнения ηV принимается по экспериментальным данным или рассчитывается по формулам для безнаддувных двигателей: η_V={А-6,2∙〖10〗^(-8)∙[n-0,01∙(200-D_р)∙n_м ]^2/(0,01∙(100+D_р))}∙K_9∙[1-cos⁡(0,9∙D_р)] где А – постоянная, зависимая от формы камеры сгорания; Dp – степень открытия дроссельной заслонки, %; nм – частота вращения коленчатого вала, на которой двигатель развивает максимальный крутящий момент, мин-1; K9 – коэффициент, зависимый от числа впускных клапанов на 1 цилиндр, который может приниматься равным 1,0 при одном впускном клапане и 1,05 при двух впускных клапанах. η_V={0,9-6,2∙〖10〗^(-8)∙[5700-0,01∙(200-100)∙5700]^2/(0,01∙(100+100))}∙1,05∙[1-cos⁡(0,9∙100)]=0,94

Процесс впуска

Расчеты проводят при стандартных условиях, когда окружающий двигатель воздух имеет давление ро = 0,1 МПа и температуру То = 293 К. Большинство двигателей с искровым зажиганием являются безнаддувными. Поэтому давление и темпереатура воздуха перед впускными органами pk=p0, Tk=T0. Так как двигатель ВАЗ-21126 является безнаддувным, то температура остаточных газов, К: Т_r=[460+80∙ε/(ε-1)+0,1∙n_Н-20∙〖10〗^(-6)∙〖(n-n_м)〗^2 ]∙[1-2,5∙〖(α_в-1,05)〗^2 ] Т_r=[460+80∙10,8/(10,8-1)+0,1∙5700-20∙〖10〗^(-6)∙〖(5700-5700)〗^2 ]∙[1-2,5∙〖(1-1,05)〗^2 ]=1111,17 К Давление остаточных газов, МПа: P_r=[0,1∙(1-1,035+1,75∙〖10〗^(-8)∙n^2/ε^0,5 )]∙[1-0,5∙(α_в-1)^2 ] P_r=[0,1∙(1-1,035+1,75∙〖10〗^(-8)∙〖5700〗^2/〖10,8〗^0,5 )]∙[1-0,5∙(1-1)^2 ]=0,14 МПа Коэффициент остаточных газов γ_ост=0,05. Количество испарившегося топлива при пуске, кг: m_ra=0,85∙(1-m_c) m_ra=0,85∙(1-0)=0,85 кг Коэффициент паров топлива: γ_т=m_ra/(μ_т∙М_1 ) γ_т=0,85/(115∙0,5207)=0,0142 Расход теплоты на испарение топлива: Q_т=270∙m_ra=270∙0,85=229,5 кДж/(кг топлива) Средняя температура стенок впускного канала, К: Т_ст=0,65∙(Т_х-0,004∙n∙k_α/(k_N∙k_n ))+0,35∙T_0 K_α=1+0,05∙(α-1)-1,1∙〖(α-1)〗^2 K_α=1+0,05∙(1-1)-1,1∙(1-1)^2=1 K_N=(0,05+1/(1+0,01∙D_р ))^0,06 K_N=(0,05+1/(1+0,01∙100))^0,06=0,965 K_n=1,18-3∙〖10〗^(-5)∙n K_n=1,18-3∙〖10〗^(-5)∙5700=1,009 T_ст=0,65∙(293-0,004∙5700∙1/(0,965∙1,009))+0,35∙293=278 К Теплоотвод к свежему заряду при впуске: Q_ra=0,4∙b∙√(p_k∙T_k )∙∛(((M_1∙T_k)/(k_1∙n∙p_k∙n_V ))^2 )∙(T_ст-T_к ) значение b принимается равным 3,2 при одном впускном клапане и 2,45 при двух впускных клапанах на цилиндр): Q_ra=0,4∙2,45∙√(0,1∙293)∙∛(((0,5207∙293)/(5700∙0,1∙5700))^2 )∙(278-293)=103,57 Объемная долю свежего заряда в рабочей смеси: g_1=1/(1+γ_ост+γ_т )=1/(1+0,05+0,0142)=0,94 Объемная доля паров топлива: g_т=γ_т/(1+γ_ост+γ_т )=0,0142/(1+0,05+0,0142)=0,0133 Объемная доля остаточных газов g_2=1-g_1+g_т=1-0,94+0,0133=0,0733 Теплоемкость воздуха, кмоль, К: μс_v1=20,6+0,002638∙(Т_к-273)=20,6+0,002638∙(293-273)=20,65 Теплоемкость остаточных газов, кмоль⋅К: μс_vr=X+Y∙(T_r-273)∙〖10〗^(-3)+Z∙(T_r-273)^2∙〖10〗^(-6) X=A2+A3∙α_в X=20,1+1,85∙1=21,95 Y=A4+A5∙α_в Y=0,95+4,05∙4=17,15 Z=A6-A7∙α_в Z=0,46-1,15∙1=0,69 μс_vr=21,95+17,15∙(293-273)∙〖10〗^(-3)+0,69∙(293-273)^2∙〖10〗^(-6)=22,3 Промежуточная функция определяется по формуле G=([(μс_v1+8,314)∙(1-γ_т )+190∙γ_т ]∙Т_к+μс_vr∙γ_ост∙Т_к+(Q_ra-Q_т)/М_1 )/(1+γ_ост+γ_т ) G=([(20,65+8,314)∙(1-0,0142)+190∙0,0142]∙293+22,3∙0,05∙293+(103,57-229,5)/0,5207)/(1+0,05+0,0142)=7800 Температура конца впуска в первом приближении, К, Т_а1=G/((μс_v1+8,314)∙(1-γ_т )+190∙γ_т ) Т_а1=8683/((20,65+8,314)∙(1-0,0142)+190∙0,0142)=277,85 К Теплоемкость рабочей смеси конца впуска в первом приближении, μс_vа1=g_1∙[20,6+0,002638∙(T_a1-273)]+g_2∙[■(X+Y∙(T_a1-273)∙〖10〗^(-3)+@Z∙(T_a1-273)^2∙〖10〗^(-6) )]+190∙g_т μс_vа1=0,94∙[20,6+0,002638∙(277,85-273)]+0,0736∙[■(21,95+17,15∙(277,85-273)∙〖10〗^(-3)+@0,69∙(277,85-273)^2∙〖10〗^(-6) )]+190∙0,0136=23,58 Температура рабочей смеси в конце впуска, К, Т_а=G/(μс_vа1+7,15∙(ε-1)/ε) Т_а=7800/(23,58+7,15∙(10,8-1)/10,8)=259,41 К Давление рабочей смеси в конце впуска, МПа p_a=p_к∙n_v∙(1+γ_ост)∙(ε-1)/ε∙T_a/T_k p_a=0,1∙5700∙(1+0,05)∙(10,8-1)/10,8∙259,41/273=516,05 МПа

Процесс сжатия

Продолжительность первой фазы сгорания, град. пкв, φ_1ф=(32+0,0056∙n-3,3∙ε)+[1+2,7∙(a_c-0,9)^2 ]∙k_g∙k_ε∙k_w Второй фазы, град. пкв: φ_2ф=(62-0,002∙n-2,4∙ε)∙k_g∙k_ε∙k_w Где коэффициент нагрузки k_g=1,8-0,008∙D_р k_g=1,8-0,008∙100=1 Коэффициент степени сжатия k_ε=ε_max/ε k_ε=10,8/10,8=1 Коэффициент теплового состояния двигателя k_w=(100/(Т_х-273))^0,2 k_w=(100/(293-273))^0,2=1,38 φ_1ф=(32+0,0056∙5700-3,3∙10,8)+[1+2,7∙(1-0,9)^2 ]∙1∙1∙1,38=29,7 φ_2ф=(62-0,002∙5700-2,4∙10,8)∙1∙1∙1,38=34,06 Для возможности оценки влияния угла опережения зажигания на процесс сгорания вводим коэффициент kϕ =0,1…0,9. При оптимальном угле опережения зажигания kϕ≈0,5. Угол опережения относительно ВМТ начала видимого процесса сгорания, град. пкв: φ_с^»=(1-k_φ)∙φ_2ф φ_с^»=(1-0,5)∙34,06=17,03 Угол относительно ВМТ, соответствующий «окончанию» процесса сгорания и началу процесса расширения в т. z , град. пкв, φ_z^»=k_φ∙φ_2ф φ_z^»=0,5∙34,06=17,03 Угол опережения зажигания относительно ВМТ, град. Пкв: φ_3^»=φ_1ф∙φ_с^» Знание угловой продолжительности фаз сгорания позволяет найти степени последующего сжатия и предварительного расширения газов. Степень последующего расширения δ=ε/p_z δ=10,8/7=1,5 Усредненные температуры поверхностей цилиндра могут быть рассчитаны по формулам (град. К) головки цилиндра при четырех клапанах: Т_г=0,38∙Т_гс+0,35∙Т_вп+0,27∙Т_вып головки впускного клапана: Т_вп=(Т_х+125+0,036∙n)∙[1+0,05∙(α-1)-1,5∙(α-1)^2 ]∙(K_т∙K_c∙K_H)/(K_N∙K_n ) головки выпускного клапана: Т_вып=(Т_х+355+0,006∙n)∙[1+0,05∙(α-1)-2,5∙(α-1)^2 ]∙(K_т∙K_c∙K_H)/(K_N∙K_n ) собственно головки цилиндра: Т_сг=(Т_х+50+0,003∙n)∙(K_т∙K_c∙K_H∙K_α)/(K_N∙K_n ) поверхности днища поршня: Т_n=(Т_х+50+0,002∙n)∙(K_т∙K_c∙K_H∙K_α)/(K_N∙K_n ) поверхности верхней части цилиндра (в пределах ϕ =−30…+45 град. пкв при нахождении днища поршня вблизи ВМТ) Т_цв=(Т_х+10+0,013∙n)∙(K_т∙K_c∙K_H∙K_α)/(K_N∙K_n ) поверхности цилиндра: Т_ц=(Т_х+Т_цв)/2 где коэффициенты: К_т=((Т_х-273)/100)^0,06 К_т=((293-273)/100)^0,06=0,908 К_с=0,9+0,014∙ε К_с=0,9+0,014∙10,8=1,05 К_н=(0,4+0,6∙π_к )^0,2 К_н=(0,4+0,6∙3,14)^0,2=1,18 К_α=1+0,05∙(α-1)-1,1∙(α-1)^2 К_α=1+0,05∙(1-1)-1,1∙(1-1)^2=1 К_N=(0,05+1/(1+0,01∙D_р ))^0,06 К_N=(0,05+1/(1+0,01∙100))^0,06=0,55 К_n=1,18-3∙〖10〗^(-5)∙n К_n=1,18-3∙〖10〗^(-5)∙5700=1,009 Т_вп=(293+125+0,036∙5700)∙[1+0,05∙(1-1)-1,5∙(1-1)^2 ]∙(0,908∙1,05∙1)/(0,55∙1,009)=1070,62 Т_вып=(293+355+0,006∙5700)∙[1+0,05∙(1-1)-2,5∙(1-1)^2 ]∙(0,908∙1,05∙1)/(0,55∙1,009)=1172 Т_сг=(293+50+0,003∙5700)∙(0,908∙1,05∙1,18∙1)/(0,55∙1,009)=730 Т_г=0,38∙730+0,35∙1172+0,27∙1070,62=976,67 Т_n=(293+50+0,002∙5700)∙(0,908∙1,05∙1,18∙1)/(0,55∙1,009)=718 Т_цв=(293+10+0,013∙5700)∙(0,908∙1,05∙1,18∙1)/(0,55∙1,009)=764 Т_ц=(293+764)/2=528 Находим: К_2=8,6∙〖10〗^(-5)∙φ∙∛([(M_a∙T_a)/p_a +(ε-1)/(1∙ε)]^2 )∙1/(ε-1) К_2=8,6∙〖10〗^(-5)∙160∙∛([(0,574∙259,41 )/5,16+(10,8-1)/(1∙10,8)]^2 )∙1/(10,8-1)=0,025 Определяем показатель политропы сжатия: n_11=1,38-100/5800=1,36 Давление рабочей смеси, МПа, p_с1=5,16∙1,36=7,02 Температура рабочей смеси, К: Т_с1=259,41∙1,36=352,8

Процесс сгорания

Потери теплоты из-за диссоциации продуктов сгорания для т. z при ис- пользовании расчетных данных, кг топлива Н_3z=7500∙M_2z∙(a_z-0,78)∙ε^0,36∙η_v^0,14∙(С/Н)^0,5∙ε^(-x_1z ) x_1z=14,5∙(a_z-0,78)^2 x_1z=14,5∙(1-0,78)^2=0,702 Н_3z=7500∙0,548∙(1-0,78)∙〖10,8〗^0,36∙〖0,945〗^0,14∙(0,855/0,145)^0,5∙〖10,8〗^(-0,702)=1423,1

Процесс расширения

Расчет параметров газов в конце расширения проводится методом последовательных приближений. Показатель политропы расширения: n_21=1,22+130/5700=1,243 температура газов в конце расширения, К: Т_в1=Т_z/δ^(n_21-1) Т_в1=790,35/〖1,5〗^(1,243-1) =716,2 Теплоемкость газов в т. в, кмоль⋅К: 〖μс〗_vв1=X+Y∙(Т_в1-273)∙〖10〗^(-3)+Z∙〖(Т_в1-273)〗^2∙〖10〗^(-6) 〖μс〗_vв1=21,95+17,15∙(716,2-273)∙〖10〗^(-3)+0,69∙〖(716,2-273)〗^2∙〖10〗^(-6)=26,11 Величина: z_1=2,5-2∙n_21 z_1=2,5-2∙1,243=0,014 Величина: z_2=(δ^(z_1 )-1)/z_1 =(〖1,243〗^0,014-1)/0,014=0,218 Рассчитываются: давление газов в конце расширения, МПа, p_в=7/〖1,243〗^0,014 =6,98

 Расчет точек политроп сжатия и расширения. Расчетная индикаторная диаграмма

Для политропы сжатия: p∙V^n1=p_a∙V_a^n1=const Если разделить рабочий объем цилиндра на равные отрезки, количество которых j max = 20), объем газов в j −ой точке. V_о=0,01+0,42/20∙j Таблица 1 – Результаты расчета характерных точек индикаторной диаграммы

2. Показатели двигателя. Тепловой баланс

Индикаторные показатели

Среднее индикаторное давление, МПа: p_i=(p_a∙ε_c^(n_1 ))/(ε-1)-[■((λ_1+λ_2)/2∙(p_z-1)+λ_2∙(p_z-p_z’)(λ_2+p_z)/(n_2-1)∙(1-1/δ^(n_2-1) )-@-p_c/(n_1-1)∙(1-1/(ε_с^(n_1-1) ))-(1+λ_1)/2∙(p_c-1) )] p_i=(3,41∙〖10,8〗^1,36)/(10,8-1)-[■((0,294+0,294)/2∙(7-1)+0,294∙(7-6,9)+(0,294+7)/(1,243-1)∙(1-1/〖1,5〗^(1,243-1) )—4,72/(1,36-1)∙(1-1/〖10,8〗^(1,36-1) )-(1+0,294)/2∙(4,72-1) )]=1,01 Индикаторная мощность, кВт N_i=(p_i∙i∙V_h∙n)/(30∙τ) N_i=(1,01∙4∙0,51∙5800)/(30∙4)=94,54 — КПД: η_i=(2900∙p_i∙L_0∙α)/(H_u∙p_k∙η_v ) Где p_k=(P_k∙〖10〗^6)/(278∙Т_к ) плотность воздуха перед впускными органами, кг/м3 p_k=(2900∙1,01∙0,512∙1)/(44000∙0,1∙0,945)=0,36 — удельный расход топлива, г/(кВт⋅ч) g_i=(3,6∙〖10〗^6)/(44000∙0,36)=228

Эффективные показатели двигателя

— среднее эффективное давление, МПа P_e=P_i-P_м где: P_м=a+(b∙n∙S)/300 P_м=0,034+0,0113∙(5700∙75,6)/300=0,162 P_e=1,01-0,162=0,848 — эффективная мощность, кВт N_e=(P_e∙i∙V_h∙n)/(30∙τ) N_e=(0,848∙4∙0,51∙5700)/(30∙4)=82,17 — КПД механический η_м=N_e/N_i =82,17/94,54=0,87 — КПД эффективный: η_е=η_i∙η_м η_е=0,36∙0,87=0,31 — эффективный удельный расход топлива, г/(кВт⋅ч): g_e=g_i/η_м g_e=228/0,87=262,09 — часовой расход топлива двигателем, кг/ч G_т=g_e∙N_e∙〖10〗^(-3) G_т=262,09∙82,17∙〖10〗^(-3)=21,54 -крутящий момент двигателя: M_e=(9550∙N_e)/n M_e=(9550∙82,17)/5700=137,67

Основные размеры двигателя

Задаются значением хода поршня S, дм. Средняя скорость поршня в первом приближении, м/с: С_n1=(S∙n)/300 С_n1=(75,6∙5700)/300=1436,4 Условное среднее давление механических потерь, МПа P_м=a+b∙C_n1 P_м=0,034+0,0113∙1436,4=0,162 P_e=P_i-P_м P_e=1,01-0,162=0,848 Рабочий объем цилиндра, л (литров): V_h=(N_e∙30∙τ)/(P_e∙i∙h) где τ — коэффициент тактности, равный 4 для 4-тактного двигателя. V_h=(N_e∙30∙τ)/(P_e∙i∙h) V_h=(82,17∙30∙4)/(0,848∙4∙0,8)=1,952 Диаметр цилиндра, дм Д=∛((4∙V_h)/((π∙k_1))) Д=∛((4∙1,952)/((3,14∙0,92)))=0,82 Ход поршня, дм: S=0,92∙83=77 Средняя скорость поршня во втором приближении, м/с: С_n2=(S∙n)/300 С_n2=(77∙5700)/300=1463 Округляются размеры S и Д до десятых четных долей мм, — определяется длина шатуна L=S/(2∙λ) L=77/(2∙0,284)=135,6 V_h=(π∙D^2∙S)/4 V_h=(3,14∙〖0,83〗^2∙0,77)/4=0,42 〖дм〗^3

Оценочные показатели

Оценочные показатели применяются для сравнения различных двигателей. К ним относятся: литровая мощность, кBт: N_л=N_eН/(i∙V_(h_d ) )=(p_e∙n)/(30∙τ) N_л=(0,848∙5700)/(30∙4)=40,28 кВт Учитывая современные требования к двигателям внутреннего сгорания сравнительная оценка может проводиться и по экологическим показателям.

Экологические показатели

Как отмечалось выше, двигатели внутреннего сгорания выбрасывают в атмосферу вредные для окружающей среды окислы углерода, азота, несгоревшие углеводороды, сажу. Оценка количества этих выбросов проводится по процентному содержанию в выхлопных газах, по количеству граммов, миллиграммов в литре выхлопных газов, по количеству граммов на 1 кВт ч эффективной работы двигателя. Выбросы двигателей с искровым зажиганием, кг топлива: Несгоревших углеводородов СН=9,1∙〖10〗^(-3)∙ε∙М_2b∙[0,2+7∙〖(1,1-α_b)〗^2 ] СН=9,1∙〖10〗^(-3)∙10,8∙0,548∙[0,2+7∙〖(1,1-1)〗^2 ]=0,0145 Окиси углерода из-за химического недожога топлива вследствие недостатка кислорода: 〖CO〗_x=11,76∙(1-α_в )∙L_0∙(1+2,63∙H/C )^(-1) 〖CO〗_x=11,76∙(1-1)∙0,512∙(1+2,63∙0,855/0,145 )^(-1)=0,328 Окиси углерода из-за диссоциации продуктов сгорания 〖CO〗_g=0,75∙M_2b∙(a_b-0,78)∙(C/H)^0,5∙η_v^0,14∙ε^(-0,05)∙e^(-x1), Где x_1=14,5∙(α_b-0,78)^2 〖CO〗_g=0,75∙0,548∙(1-0,78)∙(0,855/0,145)^0,5∙〖0,945〗^0,14∙〖10,8〗^(-0,05)∙e^(-0,7)=0,0992 Cуммарное количество окиси углерода CO=0,328+0,0992=0,43

---

1 2