- •Чернигов чгту 2011
- •Содержание
- •Вступление
- •Требования к структуре и выполнению расчётно-графической работы
- •Графики и расчёты производить не на компьютере!!! задание
- •Краткие теоретические сведения
- •1 Некоторые основные понятия механики
- •2 Общие сведения о работе и устройстве двигателя внутреннего сгорания
- •3 Некоторые параметры двигателя и его скоростные (внешние) характеристики
- •Рекомендованная литература
3 Некоторые параметры двигателя и его скоростные (внешние) характеристики
В ДВС превращение теплоты, которая выделяется при сгорании горючей смеси, в механическую работу осуществляется с помощью газового рабочего тела, состояние которого изменяется на протяжении всего рабочего цикла. Под действием газов в камере сгорания, которая ограничена поршнем, головкой и стенками цилиндра, поршень выполняет обратно-поступательное движение, которое кривошипно-шатунным механизмом превращается во вращательное.
Рисунок 2 - Схема кривошипно-шатунного механизма двигателя
внутреннего сгорания.
- диаметр поршня, - высота рабочей камеры, - высота камеры сгорания, - длина шатуна, - радиус кривошипа коленчатого вала.
За один поворот коленчатого вала поршень дважды перемещается между своими крайними положениями - верхней (ВМТ) и нижней (НМТ) мёртвыми точками (рисунок 2). Расстояние между ними называется ходом поршня , м:
, (4)
где R - радиус кривошипа коленчатого вала, м.
Отношение радиуса кривошипа к его длине в современных двигателях
(5)
Одним из важнейших параметров, которые обусловливают среднюю скорость движения поршня и основные геометрические параметры двигателя, есть отношение хода поршня к диаметру цилиндра (поршня). Как правило, это отношение называют показателем быстроходности и в современных двигателях находится в пределах:
(6)
Если - такой двигатель называется короткоходным. При двигатель считается долгоходным. В современном двигателестроении при производстве высокоскоростных двигателей для частичного уменьшения средней скорости поршней используются короткоходные двигатели.
Объём цилиндра, который образуется между ВМТ и НМТ называется рабочим объёмом . Суммарный рабочий объём (литраж) всех цилиндров двигателя есть одним из основных параметров, которые характеризуют двигатель и автомобиль в целом. Рабочий объём двигателя с количеством цилиндров i равен:
, (7)
Объём над поршнем и головкой двигателя, в момент, когда он находится в ВМТ, называется объёмом камеры сгорания . Сумму рабочего и объёма камеры сгорания называют полным объёмом цилиндра.
Полный объём всего двигателя:
, (8)
Важным параметром, от которого зависит рабочий процесc двигателя, есть степень сжатия . Она представляет собой отношение полного объёма к объёму камеры сгорания:
(9)
Между степенью сжатия и важнейшими параметрами двигателя, его мощностью и экономичностью существует прямая зависимость. Но при значительном увеличении степени сжатия температура в цилиндрах двигателя значительно повышается, что может привести к такому явлению, как детонация - взрывоподобное сгорание горючей смеси.
Во время детонации детали двигателя, в первую очередь поршни, воспринимают большие ударные нагрузки. Поэтому работа двигателя при таких условиях недопустима в целях предотвращения разрушения его деталей. В ДВС с определённой степенью сжатия вероятность возникновения детонации зависит от детонационной стойкости горючего, на котором работает двигатель. Для бензинов марки "АИ" она исчисляется октановым числом - 76, 78, 82, 92, 93, 95, 96, 98 и зависит от количества изооктана и гептана присутствующего в нём. Как правило тихоходные карбюраторные двигатели имеют степень сжатия 7,0/1 - 9,0/1 и работают на топливе с низким октановым числом (до 82). У карбюраторных быстроходных двигателей = 9,0/1 - 9,5/1, используемые марки бензина "АИ - 92", "АИ - 93", у инжекторных = 9,5/1 - 12/1 и топливо с октановым числом - выше 93.
В спортивных автомобилях не массового производства в качестве горючего используется газ метанол и степень сжатия достигает 15-ти абсолютных единиц.
В дизельных двигателях топливом является, как правило, солярка, а цифры 45 - 55 есть показателем в ней цетана, а степень сжатия колеблется в пределах 16 - 22 единиц.
Главными параметрами, которые характеризуют работу ДВС, есть крутящий момент, мощность и расход топлива. Эти параметры изменяются в зависимости от частоты оборотов коленчатого вала двигателя и называются внешними скоростными показателями.
У двигателя различают:
- индикаторную мощность, т. е. мощность, снимаемую с поршня двигателя. Ее называют индикаторной, так как определяют с помощью специального прибора — индикатора во время испытаний двигателя на стенде:
, (кВт) (10)
где - давление в камере сгорания , - объём рабочей камеры , - количество оборотов коленчатого вала, i - число цилиндров двигателя, - тактность двигателя.
- эффективную мощность, т. е. мощность, снимаемую с коленчатого вала двигателя.
, (кВт) (11)
где - эффективный крутящий момент, - угловая скорость вращения коленвала в рад/сек, или:
, (л.с.) (12)
Эффективным крутящим моментом называют результирующий момент системы сил, действующих на коленчатый вал двигателя и вызывающих его вращение:
, (13)
где - частота вращения в об/мин.
Важным показателем, характеризующим совершенство конструкции двигателя, является литровая мощность, которая представляет собой отношение максимальной эффективной мощности двигателя к его рабочему объему:
, (кВт/л) (14)
Как известно, всякое преобразование энергии сопровождается ее потерями. Отношение энергии, воспринимаемой поршнем, к энергии сгорающего в двигателе топлива называют индикаторным коэффициентом полезного действия (к.п.д.), который меньше единицы. Механический к.п.д. представляет собой отношение эффективной мощности к индикаторной.
Эффективный к. п. д. равен произведению индикаторного и механического к.п.д. Среднее значение индикаторного к.п.д. составляет около 0,30. Это означает, что из 100 кал теплоты, которая выделяется при сгорании топлива в цилиндрах, только 30 кал превращаются в полезную механическую работу. Малое значение к.п.д. объясняется тем, что значительную часть теплоты уносят с собой охлаждающая вода и отработавшие газы. Механический к. п. д. двигателя равен примерно 0,85 вследствие потерь мощности на преодоление трения в различных механизмах двигателя. Таким образом, эффективный к.п.д. карбюраторных двигателей составляет 0,30 х 0,85 = 0,25.
Удельным эффективным расходом топлива называют расход топлива в граммах, отнесенный к единице эффективной мощности:
, (15)
где G - расход топлива за один час, который определяется зависимостью:
, (кг/час) (16)
где - цикловая подача топлива (г/цикл).
Как видно, скоростные характеристики ДВС являются величинами переменными и изменяются в зависимости от частоты вращения коленчатого вала на каждом определённом режиме работы (на оборотах холостого хода, номинальных и максимальных) двигателя и внешних нагрузок.
Связь между внешними характеристиками двигателя и частотой вращения представляется в качестве зависимостей , , и выводится в виде графиков. В качестве примера (рисунок 3) представлены скоростные характеристики бензинового инжекторного двигателя автомобиля "Volkswagen" (Passat) объёмом 2 тыс. куб. см.
- максимальные эффективные мощность и крутящий момент, - мощность и крутящий момент развиваемые при минимальной угловой скорости коленчатого вала, которая соответствует оборотам холостого хода двигателя, - соответственно минимальный удельный расход топлива, расход при которых двигатель развивает максимальную мощность и расход при максимальном крутящем моменте, - соответственно минимальная и максимальная частоты, частоты, при которых двигатель развивает максимальный крутящий момент и мощность, частота
при минимальном удельном расходе топлива.
Рисунок 3 - Внешние скоростные характеристики двигателя автомобиля "Volkswagen" (Passat)
После математической обработки результатов большого множества стендовых испытаний различных двигателей получены аппроксимирующие уравнения, которые позволяют с достаточно высокой степенью приближения рассчитывать промежуточные параметры указанных выше величин при различных частотах вращения коленвала двигателя:
, ( кВт) (17)
, ( ) (18)
, ( ) (19)
где - максимальная мощность двигателя, кВт;
- угловая скорость коленчатого вала, при которой достигается максимальное значение мощности, рад/c;
- поточные значения мощности и частоты вращения коленвала;
- эмпиричные коэффициенты (таблица 1).
Таблица 1 - Значения эмпиричных коэффициентов
Коэффициент |
Тип двигателя |
|||
Бензиновый |
Дизель |
|||
Легковое авто |
Грузовое авто |
Легковое авто |
Грузовое авто |
|
a b c |
0,9 1,1 1,0 |
1,0 1,0 1,0 |
0,8 1,2 1,0 |
0,7 1,3 1,0 |
a1 b1 c1 |
1,120 0,580 0,470 |
1,168 0,670 0,491 |
Таблица 2 - Варианты заданий
Вариант |
Тип автомобиля |
Количество цилиндров |
Диаметр поршня, мм |
Ход поршня, мм |
Длина шатуна, мм |
Эффективное давление, атм |
Степень сжатия |
Частота min, об/мин
|
Частота max, об/мин |
Частота ном, об/мин |
Цикловая подача топлива, г |
1 |
л |
3 |
76 |
87 |
165 |
13 |
9/1 |
800 |
6000 |
4800 |
0,009 |
2 |
л |
4 |
70 |
90 |
168 |
13 |
9/1 |
800 |
6000 |
4900 |
0,009 |
3 |
л |
4 |
76 |
76 |
167 |
14 |
10/1 |
800 |
6000 |
5300 |
0,009 |
4 |
л |
4 |
72 |
92 |
169 |
11 |
7,5/1 |
1000 |
6000 |
4000 |
0,010 |
5 |
л |
4 |
72 |
92 |
171 |
34 |
20/1 |
1000 |
5000 |
2800 |
0,010 |
6 |
л |
4 |
76 |
87 |
172 |
13,5 |
10/1 |
900 |
7000 |
5100 |
0,011 |
7 |
л |
4 |
77 |
91 |
173 |
36 |
20/1 |
1000 |
5000 |
3000 |
0,009 |
8 |
л |
4 |
80 |
87 |
174 |
13 |
9,5/1 |
900 |
7000 |
5200 |
0,015 |
9 |
л |
4 |
80 |
95 |
176 |
32 |
20/1 |
1000 |
5000 |
2800 |
0,010 |
10 |
л |
4 |
82 |
93 |
174 |
14 |
10/1 |
900 |
7000 |
5300 |
0,013 |
11 |
л |
5 |
81 |
90 |
175 |
14,5 |
10/1 |
900 |
7000 |
5200 |
0,012 |
12 |
л |
4 |
80 |
99 |
179 |
12 |
8/1 |
1000 |
6000 |
5000 |
0,015 |
13 |
л |
6 |
81 |
90 |
176 |
14 |
10/1 |
900 |
8000 |
5200 |
0,012 |
14 |
л |
6 |
84 |
83 |
175 |
14,5 |
10/1 |
900 |
8000 |
5600 |
0,012 |
15 |
л |
6 |
89 |
85 |
171 |
14,5 |
10/1 |
1000 |
8000 |
5900 |
0,015 |
16 |
л |
8 |
87 |
84 |
170 |
14,5 |
10/1 |
1000 |
8000 |
6000 |
0,016 |
17 |
л |
8 |
85 |
92 |
177 |
38 |
22/1 |
1000 |
7000 |
3200 |
0,016 |
18 |
л |
10 |
82 |
95 |
178 |
40 |
22/1 |
1000 |
7000 |
4500 |
0,017 |
19 |
л |
12 |
84 |
90 |
178 |
14,5 |
10/1 |
800 |
7000 |
6000 |
0,021 |
20 |
г |
6 |
83 |
93 |
180 |
10 |
8/1 |
1000 |
6000 |
4500 |
0,035 |
21 |
г |
8 |
82 |
96 |
182 |
10 |
8/1 |
1000 |
6000 |
3800 |
0,040 |
22 |
г |
6 |
115 |
160 |
340 |
38 |
22/1 |
1000 |
4000 |
1900 |
0,031 |
23 |
г |
8 |
110 |
157 |
335 |
40 |
22/1 |
1000 |
5000 |
2200 |
0,035 |
24 |
г |
6 |
127 |
154 |
330 |
38 |
22/1 |
1000 |
5000 |
2000 |
0,036 |
25 |
л |
4 |
77 |
91 |
173 |
36 |
20/1 |
1000 |
5000 |
3000 |
0,009 |
26 |
г |
8 |
82 |
96 |
182 |
10 |
8/1 |
1000 |
6000 |
3800 |
0,040 |
27 |
л |
6 |
84 |
83 |
175 |
14,0 |
11/1 |
900 |
8000 |
5600 |
0,012 |
28 |
л |
4 |
72 |
92 |
169 |
11,5 |
7,5/1 |
1000 |
6000 |
4000 |
0,010 |
29 |
л |
4 |
72 |
92 |
171 |
36 |
20/1 |
1000 |
5000 |
2800 |
0,010 |
30 |
л |
4 |
76 |
87 |
172 |
13,5 |
11/1 |
900 |
7000 |
5100 |
0,011 |