Конструкция и основы расчета ДВС

Конструкция и основы расчета ДВС Введение Вопросы темы: 1. Конструирование двигателя внутреннего сгорания 2. Проектирование ДВС. Общая компоновка 3. Выбор дополнительных параметров и показателей 2 Конструирование двигателя внутреннего сгорания Силы, воздействия, параметры действующие на ДВС и его элементы разделяют на: • внутренние; • внешние. Внутренние воздействуют на изделие при работе, Внешние воздействуют постоянно от окружающей среды. Определим требования, предъявляемые к автомобильному двигателю при его проектировании: 1. Экономичность на всех режимах работы (небольшой удельный расход топлива). 2. Крутящий момент на валу двигателя или мощность, хорошая приемистость при изменении режима (быстрое повышение частоты вращения, быстрый запуск). 3. Высокая удельная мощность и малые габариты. 4. Удобство эксплуатации и простота технического обслуживания. 5. Низкая токсичность отработавших газов. 6. Высокая надежность, большой ресурс или время безаварийной работы до ремонта. 3 Конструирование двигателя внутреннего сгорания Рассмотрим упрощенную схему Давление газов в надпоршневом пространстве, образующихся при сгорании топлива, воздействует на поршень и на головку цилиндра и через нее на болты крепления головки. От поршня суммарная сила газов передается к пальцу, где она раскладывается на две силы: одна направлена по шатуну S, а вторая – на стенку цилиндра N. Величины этих сил находят из треугольника разложения сил. Сила S передается через кривошипную головку шатуна на шейку кривошипа. Здесь она раскладывается на две силы – Т и К. Сила T создает крутящий момент на валу двигателя, а сила К приходит на коренные шейки коленчатого вала и через корпусные детали разлагается на вертикальные и горизонтальные составляющие Кх, Ку и передается на опоры крепления двигателя и раму автомобиля. 4 Конструирование двигателя внутреннего сгорания Все виды обязательной конструкторской документации по ЕСКД приведены на рисунке. Конструкторские документы Текстовые Проектные Производственные 7 5 Ведомость технического предложения. Ведомость эскизного проекта. Ведомость технического проекта. Пояснительная записка Графические Рабочие Эксплуатационные Техническое описание. Инструкция по эксплуатации. Инструкция по техническому обслуживанию. Формуляр изделия. Паспорт изделия. Этикетка изделия. Ведомость запасных Спецификация. частей, инструмента и Ведомость специпринадлежностей фикаций. Ведомость ссылоч- (ЗИП). Ведомость эксплуатаных документов. Ведомость держате- ционных документов. Руководство по экслей подлинников плуатации Проектные и рабочие Проектные Ремонтные Общее руководство по ремонту. Руководство по среднему ремонту. Руководство по капитальному ремонту. Общие технические условия на капитальный и (или) средний ремонт. Технические условия на капитальный и (или) средний ремонт. Каталог деталей и сборочных единиц. Нормы расхода материала. Ведомость ремонтных документов Проектные и рабочие Чертежи Чертеж общего вида Схемы Теоретический чертеж. Габаритный чертеж Ведомость покупных изделий. Ведомость согласования применения покупных изделий. Технические условия. Карта технического уровня и качества изделий. Программа и методика испытаний. Таблица. Расчет. Патентный формуляр Рис. 1.2. Виды и состав конструкторских документов Рабочие Электрическая схема. Гидравлическая схема. Пневматическая схема. Кинематическая схема. Комбинированная схема Чертеж детали. Сборочный чертеж. Монтажный чертеж Конструирование двигателя внутреннего сгорания Устройство двигателя КамАЗ – 740. Продольный разрез: 1 – маслоприемник; 2 – масляный насос; 3 – насос системы охлаждения; 4 – топливный насос высокого давления; 5 – компрессор; 6 – фильтр тонкой очистки; 7 – распределительный вал; 8 – коленчатый вал; 9 – маховик; 10 – масляный поддон; 11 – вентилятор 6 Конструирование двигателя внутреннего сгорания Устройство двигателя КамАЗ – 740. Поперечный разрез: 1 – масляный насос; 2 – фильтр тонкой очистки; 3 – противовес коленчатого вала; 4 – фартук; 5 – распределительный вал; 6 – поршневой палец; 7 – поршень; 8 – форсунка; 9 – фильтр тонкой очистки; 10 – компрессор; 11 – бачок гидроусилителя руля; 12 – топливный насос высокого давления; 13 – штанга толкателя; 14 – клапан; 15 – головка цилиндра; 16 – гильза; 17 – блок цилиндров; 18 – картер; 19 – масляный поддон 7 Конструирование двигателя внутреннего сгорания Устройство двигателя ВАЗ-2101. Продольный разрез: 1 – коленчатый вал; 2 – шкив коленчатого вала; 3 – блок цилиндров; 4 – цепь распределительного вала; 5 – крышка газораспределительного механизма; 6 – распределительный вал; 7 – клапаны; 8 – головка блока цилиндров; 9 – шатун; 10 – маховик; 11 – масляный поддон. 8 Конструирование двигателя внутреннего сгорания Устройство двигателя ВАЗ-2101. Поперечный разрез: 1 – коленчатый вал; 2 – картер; 3 – масляный фильтр; 4 – блок цилиндров; 5 – крыльчатка насоса системы охлаждения; 6 – выпускной трубопровод; 7 – впускной трубопровод; 8 – головка блока цилиндров; 9 – крышка газораспределительного механизма; 10 – распределительный вал; 11 – клапан; 12 – свеча зажигания; 13 – поршень; 14 – шатун; 15 – масляный поддон; 16 – маслоприемник. 9 Проектирование ДВС. Общая компоновка. Проектирование ДВС начинается с изучения требований потребителей в различных отраслях промышленности: авиации, автомобильном транспорте, судостроении, энергомашиностроении и для агрегатов специального назначения. Среди этих свойств отмечаются обычно следующие показатели: 1. Номинальная мощность Nе, кВт. 2. Экономичность или эффективная мощность Nл, кВт. 3. Среднее эффективное давление Ре, МПа. 4. Рабочий объем iVл, л; i – число цилиндров; Vл – рабочий объем одного цилиндра. 5. Частота вращения: а) при полной нагрузке, мин-1; б) минимальная при холостом ходе, мин-1. 6. Диаметр поршня D, м. 7. Ход поршня S, м, или отношение S/D. 8. Максимальный крутящий момент, Н・м. 9. Чистый сухой вес с маховиком, кг; удельная масса mN, кг/кВт. 10. Габариты, мм. 11. Тактность двигателя, 𝜏. Кроме этого обязательно учитываются: уменьшение объема и массы, срок службы, снижение расходов и трудоемкости обслуживания 10 Проектирование ДВС. Общая компоновка. 11 Проектирование ДВС. Общая компоновка. При любом проектировании решается комплекс проблем и ищется оптимальное решение. Обычно проектирование начинается с определения основных параметров нового ДВС: номинальной мощности Nе, литровой мощности Nл, поршневой мощности Nп, быстроходности Сm , удельной массы mN. 1. Номинальная мощность равна Nе = pеniVл /30𝜏, кВт, ре – среднее эффективное давление, МПа. Для заданного S/D и Nе можно найти D: 𝐷= Варьируя i и S/D, изменяют объем двигателя. 12 ! 120𝜏𝑁! 𝑆 𝜋𝑖( )𝑝! 𝜂 𝐷 Проектирование ДВС. Общая компоновка. 2. литровая мощность. Nл = pe n/30𝜏, кВт/л; тогда диаметр цилиндра D= ! 4𝑁! /𝜋 1 𝑁л 𝑖(S/D). В современных дизелях Nл =70 – 80 кВт/л. 3. поршневая мощность, кВт, Nп = peCm/10 𝜏, 4. Быстроходность определяют как Сm = Sn/30, м/с. 5.Удельная масса двигателя mN= M/Ne , кг/кВт. Основные показатели, характеризующие конструкцию ДВС, приведены в табл. 13 Проектирование ДВС. Общая компоновка. Основные показатели, характеризующие конструкцию поршневого двигателя 14 Проектирование ДВС. Общая компоновка. Выбор отношения 𝜆=R/l зависит от длины хода поршня S и характеристики рабочего процесса. Обычно 𝜆 назначают в диапазоне от 1/3 до 1/12 с учетом соотношения углов 𝛽 – качания шатуна и 𝜑 – угла поворота кривошипа: sin 𝛽 = 𝜆 sin 𝜑, cos 𝛽 = 1 − 𝜆# sin 𝛽 # Тогда крутящий момент коленчатого вала, Нм, равен 𝑀$ = 𝑅𝑃% 15 sin(𝛽 + 𝜑) cos 𝛽 Выбор дополнительных параметров и показателей Для проведения теплового расчета проектируемого двигателя помимо значений максимальной эффективной мощности и частоты вращения коленчатого вала необходимо выбрать значения ряда дополнительных параметров, а именно: 1) параметры свежего заряда, поступающего к двигателю: давление P0, МПа, и температура T0, К; 2) элементарный состав и низшая теплота сгорания топлива Hu, кДж/кг. ; 3) степень сжатия 𝜀 ; 4) коэффициент избытка воздуха 𝛼; 5) параметры остаточных газов: давление Pr, МПа, и температура Tr,, К; 6) подогрев свежего заряда от стенок ∆𝑇 , К; 7) коэффициент наполнения цилиндра 𝜂𝑣 ; 8) показатель политропы сжатия n1 ; 9) показатель политропы расширения n2 ; 10) степень повышения давления (только для дизелей) 𝜆; 11) коэффициент использования тепла при сгорании 𝜉 ; 12) коэффициент скругления индикаторной диаграммы 𝜑 ; 13) отношение хода поршня к диаметру цилиндра m=S/D . 16 Выбор дополнительных параметров и показателей Параметры свежего заряда, поступающего к двигателю Если двигатель не имеет наддува, то давление свежего заряда, поступающего к двигателю, принимается равным атмосферному, т.е. 0,1 МПа, а его температура равна температуре атмосферного воздуха: 293 К. При работе двигателя с наддувом давление и температура свежего заряда, поступающего к двигателю, принимаются равными давлению и температуре воздуха после нагнетателя (или за промежуточным холодильником, если таковой предусматривается). Давление наддувочного воздуха зависит от степени наддува и может быть рекомендовано в следующих пределах: – при низком наддуве 0,15 МПа; – при среднем наддуве (0,15…0,22) МПа; – при высоком наддуве (0,22…0,25) МПа. Температура наддувочного воздуха зависит от степени повышения давления в нагнетателе, типа нагнетателя и n к -1 степени охлаждения корпуса нагнетателя: æP ö n T0 = 288 × ç 0 ÷ к è 0,1 ø где P0 – давление наддувочного воздуха, МПа; nk – показатель политропы сжатия в нагнетателе (компрессоре). Значения nk рекомендуется принимать следующими: – для центробежных нагнетателей с охлаждаемым корпусом = 1,4…1,8; – для центробежных нагнетателей с неохлаждаемым корпусом = 1,8..2,0. 17 Выбор дополнительных параметров и показателей Элементарный состав и низшая теплота сгорания топлива Характеристики топлив Элементарный состав Топливо В этой таблице кроме элементарного состава топлива и его низшей теплоты сгорания приведены следующие данные: 𝜇& – средняя молярная масса топлива, ; 𝑘 – отношение количества водорода к количеству угарного газа в продуктах сгорания при работе двигателя на обогащенных смесях. 18 Автомобильные бензины Дизельное топливо Метанол Этанол Метан Пропанобутановая смесь gС gO gH µт , Hu , кг кмоль кДж кг k= MH M CO 0,855 0,145 110-120 44000 0,45 0,87 0,375 0,52 0,75 0,82 0,004 0,5 0,35 180-200 32 46 16 51 0,7 0,6 0,7 0,56 0,126 0,125 0,13 0,25 0,18 42500 20000 27700 49000 43500 2 Выбор дополнительных параметров и показателей Степень сжатия • В современных автомобильных двигателях с искровым зажиганием степень сжатия колеблется в пределах 7…11, причем для двигателей грузовых автомобилей значение степени сжатия приближается к нижнему пределу, поскольку они часто работают на дешевом низкооктановом бензине. • Для перспективных двигателей легковых автомобилей степень сжатия обычно выше 8 и только для двигателей с воздушным охлаждением значение степени сжатия может быть менее 8. • При проектировании двигателя для автомобиля высшего класса следует принимать достаточно высокие степени сжатия (10…11) для обеспечения автомобилю высокой динамики и комфортабельности. Затратам на топливо здесь основного значения придавать не следует. • Для двигателей, работающих на газовом топливе и спиртах, следует выбирать высокие степени сжатия (9…11) поскольку эти топлива обладают высокими антидетонационными свойствами (октановое число 100 ед. и более). • В современных автомобильных дизелях значения степени сжатия находятся в пределах 16…21. Наименьшее значение степени сжатия для дизелей определяется величиной минимально необходимой температуры в конце сжатия для обеспечения самовоспламенения впрыснутого топлива, что обеспечивается при степени сжатия не менее 14. • Выбор степени сжатия для дизелей прежде всего определяется формой камеры сгорания и способом смесеобразования, а именно: • для дизелей с неразделенными камерами сгорания и объемным смесеобразованием степень сжатия находится в пределах 16…17 единиц; • для предкамерных и вихрекамерных дизелей степень сжатия выбирается в пределах 18…21. • В случае применения наддува степень сжатия снижается на 2 единицы в целях снижения механической и термической нагрузок деталей двигателя. 19 Выбор дополнительных параметров и показателей Коэффициент избытка воздуха Выбор коэффициента избытка воздуха 𝛼 зависит от сорта топлива, типа смесеобразования и других факторов. Значения для различных двигателей при номинальной мощности колеблются в пределах: 1) двигатели с искровым зажиганием: – при работе на бензине и спиртах = 0,9…0,95; – при работе на сжатом метане = 1,0…1,05; – при работе на сжиженном пропанобутановом газе = 0,9…0,95; 2) дизели с неразделенными камерами сгорания и объемным смесеобразованием = 1,3…1,5; 3) дизели с полуразделенными камерами сгорания и пленочным смесеобразованием = 1,2…1,4; 4) вихрекамерные и предкамерные дизели с объемным смесеобразованием = 1,2…1,35. В случае наддува дизеля обычно увеличивают до значений 1,4…2,2 в целях обеспечения приемлемой теплонапряженности деталей. 20 Выбор дополнительных параметров и показателей Параметры остаточных газов Величина давления остаточных газов Pr = (0,105…0,135) МПа. Большие значения принимаются для быстроходных двигателей легковых автомобилей, имеющих мощный глушитель на выхлопе. Для двигателей с турбонагнетателем = (0,75…1,0) , МПа. Температура остаточных газов зависит от величины степени сжатия, быстроходности и коэффициента избытка воздуха. На номинальном режиме работы находится обычно в пределах: – для двигателей с искровым зажиганием = 900…1100 К; – для дизелей = 700…900 К. При этом нижние пределы соответствуют большим значениям степени сжатия, меньшей быстроходности двигателя и большим значениям коэффициента избытка воздуха. 21 Выбор дополнительных параметров и показателей Подогрев свежего заряда от стенок Величина подогрева свежего ∆𝑇 заряда от стенок Место для уравнения. зависит от наличия или отсутствия специального устройства для подогрева, от расположения и конструкции впускного трубопровода, типа системы охлаждения, быстроходности двигателя и наддува. Величина обычно колеблется в пределах: – для двигателей с искровым зажиганием = 5…20 К; – для дизелей без наддува = 10…40 К; – для дизелей с наддувом = (-5)…(+10) К. При этом нижние пределы имеют место при отсутствии специального подогрева, раздельных впускном и выпускном трубопроводах, жидкостной системе охлаждения и повышенной быстроходности двигателя. Коэффициент наполнения цилиндра Значения.h v для различных типов автомобильных двигателей при работе с полной нагрузкой на номинальном режиме обычно лежат в пределах: – для двигателей с искровым зажиганием = 0,75…0,85; – для дизелей без наддува = 0,8…0,9; – для дизелей с наддувом = 0,85…0,95. При специально настроенных впускных системах значения использования инерционно-волновых явлений. 22 могут достигать 1,0 и несколько выше за счет Выбор дополнительных параметров и показателей Показатель политропы сжатия Величина n1 зависит в основном от частоты вращения коленчатого вала двигателя, степени сжатия, размеров цилиндра, материалов поршня и цилиндра, интенсивности охлаждения и т.п. Значения для различных типов автомобильных двигателей обычно лежат в пределах: – для двигателей с искровым зажиганием = 1,37…1,39; – для дизелей = 1,36…1,37. Величина увеличивается с увеличением быстроходности двигателя, с уменьшением отношения поверхности охлаждения к объему цилиндра (т.е. с увеличением диаметра). Значение уменьшается с увеличением степени сжатия и увеличением интенсивности охлаждения. Показатель политропы расширения Величина n2 зависит в основном от интенсивности охлаждения цилиндра, догорания топлива, утечек газа через неплотности и пр. Значения для различных видов автомобильных двигателей обычно лежат в пределах: – для двигателей с искровым зажиганием = 1,26…1,30; – для дизелей = 1,27…1,29. Величина снижается с увеличением быстроходности двигателя, с увеличением диаметра цилиндра и повышается с увеличением интенсивности охлаждения цилиндров. 23 Выбор дополнительных параметров и показателей Степень повышения давления газов при сгорании Выбор степени повышения давления газов при сгорании 𝜆 необходим только при тепловом расчете дизеля. Величина зависит в основном от формы камеры сгорания и способа смесеобразования и обычно лежит в пределах: – для дизелей с неразделенными камерами сгорания и объемным смесеобразованием =1,9…2,2; – для вихрекамерных и предкамерных дизелей, а также для дизелей с полуразделенными камерами и пленочным смесеобразованием =1,5…1,8. Более короткий резкий впрыск топлива приводит к повышению значений 𝜆, топливо с пониженным цетановым числом также дает повышенное значение . Коэффициент использования теплоты при сгорании Величина 𝜉 обычно находится в пределах: – для двигателей с искровым зажиганием = 0,85…0,95; – для быстроходных автомобильных дизелей с неразделенными и полуразделенными камерами сгорания = 0,75…0,85; – для быстроходных автомобильных дизелей с разделенными камерами сгорания = 0,7…0,8. Повышение значений 𝜉 достигается за счет сокращения потерь тепла в стенки, выбора рациональной формы камеры сгорания, оптимального значения коэффициента избытка воздуха. 24 Выбор дополнительных параметров и показателей Коэффициент скругления индикаторной диаграммы Значения 𝜑 обычно колеблются в пределах: – для двигателей с искровым зажиганием = 0,94…0,97; – для дизелей = 0,92…0,95. Отношение хода поршня к диаметру цилиндра Для современных автомобильных двигателей значения m лежат в пределах: – двигатели с искровым зажиганием = 0,8…1,0; – дизели = 0,9…1,2. Уменьшение величины m (большая короткоходность) двигателя способствует снижению массы и высоты двигателя, увеличению индикаторного КПД и коэффициента наполнения, а также снижению средней скорости поршня и износов деталей цилиндропоршневой группы. Однако при этом возрастают газовые нагрузки на детали цилиндропоршневой группы, ухудшается смесеобразование и увеличивается габаритная длина двигателя. 25 Благодарю за внимание! 26