Макушев Ю.П., Ширлин И.И. Динамика двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

ДИНАМИКА

ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО

СГОРАНИЯ

Федеральное агентство по образованию

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

ДИНАМИКА

ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО

СГОРАНИЯ

Методические указания по Динамике ДВС

Составители: Ю.П. Макушев,

И.И. Ширлин

Омск

Издательство СибАДИ

2006

УДК 621.43

ББК 31.365

Рецензент

д-р техн. наук, проф. В.В. Сыркин (СибАДИ)

Работа одобрена методической комиссией факультета АТ в качестве

методических указаний к выполнению курсовой работы по дисциплине «Динамика

двигателей внутреннего сгорания» для студентов очного и заочного обучения по

специальности 140501

Динамика двигателей внутреннего сгорания: Методические указания / Сост.

Ю.П. Макушев, И.И. Ширлин. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2006. – 48 c.

Изложены методические указания по выполнению расчетных, практических и

лабораторных работ по курсу «Динамика двигателей внутреннего сгорания».

Приведена методика определения пути, скорости и ускорения поршня, сил,

действующих в деталях кривошипно-шатунного механизма. Рассмотрена методика

экспериментального и расчетного определения момента инерции, маховика,

коленчатого вала, приведена методика построения векторных диаграмм сил,

действующих на шатунную шейку и подшипник.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности

«Двигатели внутреннего сгорания» (140501).

Табл. 11. Ил. 20. Библиогр.: 6 назв.

ВВЕДЕНИЕ

Современный надежный, долговечный и экономичный двигатель

внутреннего сгорания не может быть создан без правильного кинематиче-

ского и динамического расчетов, выполненных с учетом действительных

величин и характера изменения сил, нагружающих детали кривошипно-

шатунного механизма (КШМ).

Кинематика (греч. движение) – раздел механики, в котором изучают-

ся геометрические свойства механического движения тел без учета дейст

вующих на них сил. Основной задачей кинематического расчета является

определение положения звеньев, траекторий, скоростей и ускорений от-

дельных точек механизмов.

Динамика (греч. сильный) – раздел механики, в котором рассматрива-

ются закономерности движения тел под действием приложенных к ним

сил.

Динамика ДВС – раздел механики, в котором изучается движение де-

талей кривошипно-шатунного

механизма под действием давления газа и

сил инерции. Она исследует способы уменьшения нагрузок, возникающих

при движении деталей КШМ; режимы их движения; уравновешивание

инерционных сил; количество потребляемой энергии и КПД механизмов;

способы обеспечения заданного движения деталей.

Надежность, долговечность и экономичность современных двигателей

внутреннего сгорания зависит также от выбранной схемы кривошипно-

шатунного механизма

(КШМ), равномерности хода, уравновешенности, а

также величины крутильных колебаний коленчатых валов. Для равномер-

ного вращения коленчатого вала и снижения крутильных колебаний ма-

шины применяют маховик. Крутящий момент на валу двигателя изменяет-

ся по величине и направлению в зависимости от угла поворота вала двига-

теля. Маховик при избыточной работе крутящего момента,

увеличивая

скорость вращающихся масс, накапливает энергию, при недостатке работы

– отдает. Таким образом, стабилизируется среднее значение крутящего

момента на валу двигателя и обеспечивается равномерность хода.

В методических указаниях приведена методика расчетного и экспери-

ментального определения момента инерции маховика и колена вала, дан

пример расчета маховика. Величины моментов инерции маховика и колена

необходимы для расчета коленчатого вала на крутильные колебания.

Особое значение в расчетах ДВС имеет практическое применение век-

торных диаграмм, которые позволяют определить величину и направление

силы, действующей на шейку или подшипник коленчатого вала. На основе

векторных диаграмм базируются расчеты основных размеров коленчатого

вала, подшипников скольжения, строятся диаграммы износа шейки и под

шипника.

1. РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

Цель и задачи расчета двигателя – определение пути, скорости, уско-

рения поршня и сил, действующих в деталях КШМ.

Исходными данными для расчета являются результаты теплового рас-

чета и индикаторная диаграмма изменения давления газов в цилиндре дви-

гателя в координатах Р-V.

1.1 Кинематический расчет КШМ

Кинематический расчет кривошипно-шатунного механизма двигателя

позволяет определить изменение пути, скорости, ускорения поршня в за-

висимости от угла поворота кривошипа коленчатого вала.

Перемещение поршня определяется из выражения

()()

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−+−⋅=

2cos1

cos1RS

, (1.1)

где R – радиус кривошипа (

), м;

– отношение радиуса кривошипа к длине шатуна (

), м.

Значение

обычно находится в пределах 0,23… 0,30.

Скорость поршня – это производная пути по времени. Следовательно,

скорость поршня равна:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+⋅⋅=

ϕω

2sin

sinRС

, (1.2)

где

– окружная скорость кривошипа (

⋅

), рад/с.

959,575

550014,3

⋅

рад/с.

Ускорение поршня является первой производной скорости поршня по

времени:

(

)

ϕλϕω

2coscos

+⋅⋅= Rj . (1.3)

На основе представленных формул определим изменение пути, скоро-

сти, ускорения поршня для различных значений угла поворота коленчатого

вала двигателя. Результаты расчета для

= 0,237 сведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Результаты кинематического расчета

, град

, м

С , м/с

, м/с

0 0,000 0,000 10463,9

30 0,003 8,851 8328,17

60 0,013 14,227 3227,14

90 0,026 14,687 -2004,8

120 0,038 11,212 -5231,94

150 0,048 5,836 -6323,37

180 0,051 0,000 -6454,27

210 0,048 -5,836 -6323,37

240 0,038 -11,212 -5231,94

270 0,026 -14,687 -2004,8

300 0,013 -14,227 3227,14

330 0,003 -8,851 8328,17

360 0,000 0,000 10463,9

Графическое представление перемещения, скорости и ускорения

поршня представлены на рис. 1.1 – 1.3.

Рис. 1.1. Изменение перемещения поршня

0,000

0,010

0,020

0,030

0,040

0,050

0,060

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Угол поворота коленчатого вала, град

Перемещение поршня,

Рис. 1.2. Изменение скорости поршня

-20,000

-15,000

-10,000

-5,000

0,000

5,000

10,000

15,000

20,000

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Угол поворота коленчатого вала, град

Скорость поршня, м/с

Рис. 1.3. Изменение ускорения поршня

-8000

-6000

-4000

-2000

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Угол поворота коленчатого вала, град

Ускорение поршня, м/с

Зависимость хода поршня от угла поворота коленчатого вала необхо-

дима для определения положения поршня в цилиндре, что важно для оцен-

ки текущего значения давления на тактах сжатия и расширения. В процес-

се компоновки механизма газораспределения при положении поршня в

ВМТ определяют возможность встречи днища поршня с головкой клапана.

В днище поршня иногда выполняют выемки для того, чтобы поршень не

соприкасался с клапанами.

Значение скорости поршня необходимо для расчета впускной систе-

мы. По средней скорости поршня определяют скорость воздушного потока

в каналах впускной системы и потери давления в местных сопротивлениях,

что необходимо для оценки величины давления свежего заряда в конце

такта впуска.

Зависимость ускорения поршня от угла поворота коленчатого вала не-

обходима для расчета сил инерции от поступательно движущихся масс.

1.2. Построение индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма представляет собой зависимость изменения

давления рабочего тела в цилиндре двигателя от угла поворота коленчатого

вала и соответственно перемещения поршня.

Индикаторная диаграмма строится на основе данных, полученных в

результате теплового расчета. При этом вводят следующие допущения:

– давление в процессе впуска постоянно и равно давлению в конце

впуска;

– давления в процессе сжатия и в процессе расширения изменяются по

политропному закону с постоянными значениями политроп, которые опре-

делены в процессе теплового расчета;

– давление в процессе выпуска постоянно и равно давлению в конце

наполнения.

Таким образом, на основе принятых допущений остается определить

изменение давления для промежуточных значений политроп сжатия и рас-

ширения.

Изменение давления на тактах сжатия и расширения можно определить

двумя методами:

– графическим методом по способу Брауэра;

– аналитическим (расчетным) методом.

Воспользуемся аналитическим методом.

Аналитический метод построения индикаторной диаграммы сводится

к определению значений давления в промежуточных точках. Значения дав-

лений определяются на основе решения уравнения политропы

const=

pV . (1.4)

Тогда для политропы сжатия получим

VpVp = , (1.5)

отсюда

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Аналогично определим значения давления для политропы расшире-

ния:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Следовательно, для получения искомых давлений достаточно задать

значения промежуточных объемов. Для удобства дальнейших построений

зададим значения промежуточных объемов в соответствии с углом поворо-

та коленчатого вала на величину 30 градусов.

Для определения промежуточных объемов цилиндра воспользуемся

следующим выражением:

hксx

VVV

, (1.6)

где

кс

V – объем камеры сгорания, дм

;

– часть рабочего объема цилиндра, соответствующая ходу

поршня при повороте коленчатого вала на угол

, дм

Значения

кс

определим соответственно

()()

03,0

11,9

250,0

−

кс

дм

;

пц

⋅⋅

, (1.7)

где

()()

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−+−⋅=

2cos1

cos1RS

Отсюда, задав значения

= 0,237 и подставляя значения

, получим

искомые промежуточные объемы для соответствующих углов поворота ко-

ленчатого вала двигателя. При этом значения

V для политропы сжатия и

для политропы расширения будут одинаковыми. Значение

281,0==

дм

. Полученные значения искомых величин приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Результаты расчета политроп сжатия и расширения

, МПа

град

дм

сжатие расширение

МПа

1 2 3 4 5 6 7 8

0 0,00000 0,000 0,031 1,71840 6,73114 0,08496 0,12765

30 0,04172 0,020 0,051 0,85999 3,57791 0,08496 0,12765

Продолжение табл. 1.2.

1 2 3 4 5 6 7 8

60 0,15016 0,074 0,104 0,32662 1,47840 0,08496 0,12765

90 0,28522 0,140 0,171 0,16741 0,80315 0,08496 0,12765

120 0,40516 0,199 0,229 0,11187 0,55588 0,08496 0,12765

150 0,48339 0,237 0,268 0,09065 0,45873 0,08496 0,12765

180 0,51000 0,250 0,281 0,08496 0,43240 0,08496 0,12765

На основе полученных данных строим расчетную индикаторную диа-

грамму (рис. 1.4.).

1.3. Определение избыточного давления газов

Для определения избыточного давления газов, которое совершает ра-

боту в цилиндре двигателя, используем выражение:

ppp

гг

−

∆

, (1.8)

где

p – давление рабочего тела, МПа;

– атмосферное давление, МПа.

На основе представленной формулы вычисляются соответствующие

значения давлений газа. Результаты этих расчетов сведены в табл. 1.3, по

данным которой построится развернутая индикаторная диаграмма.

Таблица 1.3

Результаты динамического расчета

,град

, МПа

p , МПа

, МПа.

, МПа

1 2 3 4 5 6

0 0,08496 -0,01504 -1,69515 -1,71019 0

30 0,08496 -0,01504 -1,34916 -1,3642 -0,752

60 0,08496 -0,01504 -0,5228 -0,53783 -0,493

90 0,08496 -0,01504 0,32478 0,30974 0,31

120 0,08496 -0,01504 0,84757 0,83254 0,678

150 0,08496 -0,01504 1,02439 1,00935 0,453

180 0,08496 -0,01504 1,04559 1,03055 0

210 0,09065 -0,00935 1,02439 1,01503 -0,455

240 0,11187 0,01187 0,84757 0,85945 -0,7

270 0,16741 0,06741 0,32478 0,39219 -0,392

300 0,32662 0,22662 -0,5228 -0,29617 0,272