Вибір і обгрунтування вихідних даних
Тиск навколишнього середовища - ;
Температура навколишнього середовища - До;
Коефіцієнт надлишку повітря для згоряння - ;
Ступінь стиснення e = 18;
Елементний склад палива: С = 0,87, Н = 0,126, О Т = 0,004;
Паливо дизельне автотракторне ЦЧ = 45 од;
Температура залишкових газів Т r - 700-900 К;
Коефіцієнт залишкових газів γ r - 0,03;
Тиск відпрацьованих газів р r наприкінці випуску - (0,75-1,00) р К;
Підігрів свіжого заряду на впуску Δ Т - 5-10 К;
Показники політропи стиснення n 1 і розширення n 2 - n 1 = 1,35-1,42, n 2 = 1,15-1,28;
Коефіцієнт виділення тепла ξ - 0,70-0,85;
Ступінь підвищення тиску λ - 1,4-1,7;
Відношення ходу поршня до діаметру циліндра S / d - 1.
1. Тепловий розрахунок двигуна
При тепловому розрахунку визначаються основні параметри, що характеризують ефективні і економічні показники робочого процесу, встановлюються основні розміри двигуна.
Тепловий розрахунок проводиться для номінального режиму робочого двигуна при оптимальних умовах протікання робочого процесу.
В основу теплового розрахунку покладено аналітичний метод В.І. Гриневецького-Є.К. Мазінга.
1.1 Визначення параметрів впуску
1.1.1 Тиск в кінці впуску
Тиск р a наприкінці впуску дуже впливає на наповнення циліндра свіжим зарядом. Залежить від аеродинамічних втрат у впускний системі, використання наддуву, швидкісного режиму двигуна і ряду інших чинників.
(1)
де - Тиск у кінці впуску;
- Тиск повітря після компресора (0,25 МПа).
1.1.2 Температура в кінці впуску
Температура Т а наприкінці впуску визначається по залежності
(2)
де - Температура після компресора, К;
- Температура підігріву заряду, К;
- Коефіцієнт залишкових газів;
- Температура залишкових газів, К.
(3)
де - Показник політропи стиснення повітря в компресорі (для центорбежного неохолоджуваного компресора при газотурбінному наддуванні автомобільних двигунів
= 1,8-2,0)
Тоді, температура в кінці впуску буде рівною:
.
1.1.3 Коефіцієнт наповнення
Коефіцієнт наповнення двигуна η V визначається по залежності
(4)
де e - коефіцієнт стиснення.
1.2 Визначення параметрів стиснення
1.2.1 Тиск в кінці стиснення
Розрахунок тиску і температури
в кінці стиску проводять по рівняннях политропического процесу:
(5)
(6)
де - Середній показник політропи стиснення.
(7)
де - Число оборотів колінчастого валу.
Тоді тиск і температура в кінці стискування буде рівною:
1.3 Процес згоряння
1.3.1 Теоретична кількість повітря
Теоретично необхідну кількість повітря для повного згоряння 1 кг палива визначається за його елементарного складу:
(8)
де С, Н, О Т - елементний склад палива.
кмоль воз. / кг топ.
1.3.2 Справжнє кількість свіжого заряду
Справжнє кількість свіжого заряду (кмоль / кг палива), надходження в циліндр:
(9)
де - Коефіцієнт надлишку повітря.
кмоль / кг топ
1.3.3 Кількість залишкових газів
Кількість залишкових газів у двигуні обчислюється за формулою:
(10)
кмоль / кг топ.
1.3.4 Кількість газів в циліндрі наприкінці стиснення
Кількість газів в циліндрі наприкінці стиснення визначається з виразу:
(11)
кмоль / кг топ.
1.3.5 Склад і кількість продуктів згоряння
При α> 1 продукти згоряння рідкого палива складаються з СО 2, Н 2 О, О 2 і N 2. Кількість окремих компонентів (кмоль / кг палива):
(12)
(13)
(14)
(15)
де С, Н - відносний вміст вуглецю і водню в моторному паливі (таблиці 1).
Таблиця 1 - Основні показники моторних палив.
Середній елементарний склад
1кг палива, (кг)
Молекулярний вага mт, кг / кмоль
Нижча теплота згоряння Нu, кДж / кг
З
Н
Про
Автомобільні бензини
Дизельне паливо
0,85
0,870
0,145
0,126
-
0,004
110-120
180-200
43995
42530
Кількість продуктів згоряння 1 кг палива (кмоль / кг палива) при α> 1
(16)
кмоль / кг топ.
1.3.6 Теоретичний коефіцієнт молекулярного зміни суміші
Коефіцієнт молекулярного зміни суміші визначається:
(17)
1.3.7 Дійсний коефіцієнт молекулярного зміни суміші
Визначимо уточнень коефіцієнт молекулярного зміни суміші:
(18)
1.3.8 Середня мольна теплоємність
Середня мольна теплоємність (кДж / кмоль К) свіжого заряду при V = соnst в першому наближенні може бути визначена по залежності:
(19)
кДж / кмоль До
1.3.9 Середня мольна теплоємність
Середня мольна теплоємність (кДж / кмольК) продуктів Згорання при V = соnst може бути визначена за такою наближеною формулою:
(20)
кДж / кмоль До
1.3.10 Середні молярний теплоємності свіжого заряду
Середні молярний теплоємності (кДж / кмольК) свіжого заряду та продуктів згоряння
при Р = соnst визначаються відповідно по залежностям:
(21)
(22)
кДж / кмоль До
кДж / кмоль До
1.3.11 Втрата тепла
Втрата тепла внаслідок хімічної неповноти згорання через нестачу кисню (при α> 1)
(23)
Знак «-» показує, що при неповному згорянні палива з-за нестачі повітря температура падає на .
1.3.12.Температура кінця згоряння
Температура кінця згоряння Т Z визначається з рівняння:
(24)
де - Коефіцієнт виділення тепла;
- Нижча теплотворна палива приймаємо
= 42,8 МДж / м 3.
Звідси:
1.3.13 Тиск кінця згоряння
Тиск кінця згоряння в двигуні із запалюванням від стиснення визначається:
(25)
1.3.14 Ступінь попереднього розширення
Ступінь попереднього розширення для двигуна із запалюванням від стиснення визначається за формулою:
(26)
1.3.15 Обсяг наприкінці згоряння
Обсяг наприкінці згоряння можна визначити з виразу:
(27)
де V З - Обсяг простору стиснення.
(28)
де V S - Робочий об'єм циліндра.
1.4 Визначення параметрів кінця розширення
1.4.1 Тиск кінця розширення
Тиск кінця розширення в двигуні із запалюванням від стиснення визначається з наступного виразу:
(29)
де - Ступінь подальшого розширення;
- Середній показник політропи розширення.
(30)
(31)
1.4.2 Температура кінця розширення
В кінці розширення температура вираховується за формулою:
(32)
1.5 Визначення індикаторних показників двигуна
1.5.1 Теоретичне середнє індикаторне тиск для двигуна із запалюванням від стиснення визначається з такого виразу:
(33)
1.5.2 Дійсне середнє індикаторне тиск
Дійсне тиск буде дорівнювати:
(34)
де - Коефіцієнт неповноти індикаторної діаграми, враховує скруглення в точках C, Z, b, приймаємо
= 0,95;
- Середній тиск насосних втрат при процесах впуску і випуску.
(35)
де - Тиск при впуску суміші
(36)
Тоді:
Отже:
1.5.3 Індикаторний коефіцієнт корисної дії
Індикаторний коефіцієнт корисної дії визначається:
(37)
де - Щільність заряду на впуску, (кг/м3);
- Коефіцієнт наповнення.
(38)
де - Питома газова стала, (
).
1.5.4 Індикаторний питома витрата палива
Питома витрата палива для двигуна із запалюванням від стиснення розраховується за виразом:
(39)
1.6 Визначення ефективних показників двигуна
1.6.1 Середній тиск механічних втрат
Величина залежить від багатьох факторів (тертя в кривошипно-шатунном механізмі, втрат на привід допоміжних механізмів, теплового стану, режимів роботи двигуна). Оцінка величини механічних втрат може бути здійснена для кожного двигуна тільки на підставі експериментальних даних.
Середній тиск МПа / м 2 механічних втрат рекомендується визначати за емпіричною залежності виду:
(40)
де а, b - постійні коефіцієнти для двигуна (a = 0,089, b = 0,0135);
- Середня швидкість поршня, м / с.
(41)
де - Хід поршня, мм;
- Номінальна частота обертання колінчастого валу, об / хв.
1.6.2 Середнє ефективне тиск
Середнє ефективне тиск визначається:
(42)
1.6.3 Механічний коефіцієнт корисної дії
Механічний коефіцієнт корисної дії виражається:
(43)
1.6.4 Ефективний коефіцієнт корисної дії
Ефективний коефіцієнт корисної дії визначається:
(44)
1.6.5 Ефективний питома витрата палива
(45)
1.6.6 Часовий витрата палива
Часовий витрата палива виражається:
(46)
де - Ефективна потужність, кВт.
1.6.7 Ступінь використання робочого об'єму циліндра
Ступінь використання робочого об'єму циліндра (ступінь форсування) характеризується літрової потужністю (кВт / л).
1.7 Визначення основних розмірів двигуна
1.7.1 Робочий об'єм циліндра
Робочий об'єм циліндра визначається:
(47)
де - Кількість циліндрів.
Поставивши собі за ставленням ходу поршня до діаметру поршня , Визначають діаметр циліндра:
(48)
Приймаємо діаметр за ГОСТом .
1.7.2 Хід поршня
За остаточно прийнятим значенням та отриманим при розрахунку
уточнюємо величину ходу поршня S по залежності:
(49)
1.8 Визначення теплового балансу
1.8.1 Рівняння зовнішнього теплового балансу в абсолютних одиницях
Рівняння зовнішнього теплового балансу має вигляд:
(50)
де - Кількість теплоти, введене в двигун з паливом, кДж / год;
- Кількість теплоти, перетворене в ефективну роботу, кДж / год;
- Кількість теплоти, що відводиться в охолоджуючу середу, кДж / год;
- Кількість теплоти, віднесені відпрацьованими газами, кДж / год;
- Теплота, не виділилася внаслідок неповноти згоряння
(51)
(52)
(53)
де - Температура відпрацьованих газів, К;
- Середня мольна теплоємність відпрацьованих газів, кДж / кмольК;
- Середня мольна теплоємність свіжого заряду
(54)
Q НС = 119 * 10 3 (1-α) L 0 G Т;
Q охол = Q-(Q e + Q r + Q НС).
З р1 - середня мольна теплоємність при р = соnst свіжого заряду при температурі
Т 0 (кДж / кмольК)
З р1 = 28,475 +1,74 * 10 -3 Т 0; (74)
Q НС - теплота, не виділилася внаслідок неповноти згоряння (кДж / ч) при α <1
Q НС = 119 * 10 3 (1-α) L 0 G Т; (75)
Q охол - кількість теплоти, що відводиться в охолоджуючу середовище (кДж / год),
Q охол = Q-(Q e + Q r + Q НС). (76)
1.9.1 Рівняння теплового балансу у відносних одиницях
q e + q r + q HC + q OXЛ = 100%, (77)
де q e = * 100%, q r =
* 100%, q охол =
* 100%, q НС =
* 100%.
У табл.2 наведено приблизні значення складових теплового балансу для номінального режиму роботи двигунів.
2. Побудова індикаторної діаграми
2.1 Побудова індикаторної діаграми двигуна із запалюванням від стиснення
Індикаторна діаграма будується в координатах р-V.
По осі абсцис (осі обсягів) відкладають відрізок АВ (рисунок 1), відповідний ходу поршня S в натуральну величину. Ліворуч від точки А відкладають відрізок ОА, відповідний об'єму камери стиснення V с; величина відрізка визначається зі співвідношення:
(50)
Точка Про приймається за початок координат р-V.
Для побудови індикаторної діаграми рекомендуються масштаби тисків у межах = 0,02 - 0,05 МН / м 2. Масштаб тисків приймається таким, щоб висота діаграми перевищувала підставу в 1,2-1,5 рази.
З точок А і В проводять вертикальні лінії, які є відмітками ВМТ і НМТ, на які наносять точки а, с, у, r, z, відповідні тискам р а, р з, р b, р r, р z.
При виконанні побудови політропи стиснення і розширення рекомендується здійснимо графічним методом в такій послідовності. З початку координат Про проводять промінь під довільним кутом (α = 15-20 0) до осі абсцис. З початку координат Про під кутами і
до осі ординат проводять промені ОЕ і ОК. значення кутів
і
визначають по залежностях:
(51)
(52)
Отже і
будуть рівні 30 0 і 26 0 відповідно.
З точки З проводять горизонталь до перетину з віссю ординат. З отриманої точки під кутом 45 0 до осі ординат проводять пряму до перетину з променем ОЕ, а з точки перетину з променем-горизонтальну лінію. З точки З опускають перпендикуляр на вісь абсцис до перетину з променем ОД. З отриманої точки проводять пряму під кутом 45 0 до вертикалі до перетину з віссю абсцис. З неї відновлюють перпендикуляр до осі абсцис до перетину з раніше проведеної горизонталлю. Отримана крапка 1 'належить політропи стиснення. Інші точки політропи стиснення виходять аналогічним шляхом. З точки перетину горизонталі, на якій лежить точка 1 ', з віссю ординат проводять пряму під кутом 45 0 до осі ординат до перетину з променем ОЕ і т.д. Через отримані точки 1 ', 2', 3 'і т.д. проводиться політропи стиснення АС. Побудова політропи розширення виконується аналогічно. Побудова починають з точки Z, використовуючи промені ОД і ОК. Через отримані точки 1 ", 2", 3 "і т.д. проводиться політропи розширення ZB.
При правильній побудові політропи стиснення і розширення повинні проходити відповідно через точки А і В.
У дійсної індикаторної діаграмі слід врахувати округлення в точках з, z і b, зумовлені випередженням запалювання, протікання процесу згоряння і предваоенім відкриття випускного клапана.
Для цієї мети під індикаторної діаграмою будують півколо з діаметром, рівним ходу поршня з центром О 1. Від центру О 1 вправо відкладають відрізок r (λ / 2) (поправку Ф. А. Брикса на кінцеву довжину шатуна). При розрахунках задаються значенням (ℓ - довжина шатуна, r-радіус кривошипа, λ = 1 / 3 ,5-1 / 4,5) або приймають за даними прототипу проектованого двигуна.
З центру О 2 під кутом γ 1 (кут випередження відкриття випускного клапана) проводять промінь О 2 В 1. Через точку В 1 проводять вертикаль до перетину з політропи розширення. Отримана точка b 1 на індикаторної діаграмі відповідає моменту відкриття випускного клапана.
Округляє індикаторної діаграми роблять на ділянці b 1, b 2, b 3.
Потім з центру О 2 проводять промінь О 2 С під кутом γ 2 (кут випередження запалювання, γ 2 = 25-35 0 повороту колінчастого валу до ВМТ). Через точку С проводять вертикаль до перетину з політропи стиснення. Точка С 'на індикаторної діаграмі відповідає моменту запалювання. Положення точки С "визначають, прийнявши р" С = 1,15-1,25 р З.
Процеси впуску і випуску умовно приймають протікають при постійному тиску на ділянках відповідно r, a і b 1, b 2, b 3, r.
Малюнок 1 - Індикаторна діаграма
3. Динамічне дослідження кривошипно-шатунного механізму
Динамічне дослідження кривошипно-шатунного механізму включає:
1) побудова розгорнутої індикаторної діаграми в функції кута повороту колінчастого вала двигуна;
2) визначення сил інерції від зворотно-поступально рухомих мас кривошипно-шатунного механізму;
3) побудова розгорнутої діаграми питомих сил інерції від зворотно-поступально рухомих мас кривошипно-шатунного механізму;
4) побудова розгорнутої діаграми сумарної сили, що діє на поршень;
5) визначення тангенціальною сили, прикладеної до осі шатунной шийки колінчастого валу;
6) побудова розгорнутої діаграми тангенціальних сил;
7) визначення розмірів маховика;
8) аналіз врівноваженості двигуна і методів урівноваження сил і моментів у проектованому двигуні.
3.1 Побудова розгорнутої індикаторної діаграми
Для побудови розгорнутої індикаторної діаграми використовують півколо (рисунок 1), розташовану під індикаторної діаграмою. Півколо ділимо на 12 рівних частин через 150 повороту колінчастого валу. Отримані на півкола точки 1, 2, 3 і т. д. з'єднують з центром О 1. З центру О 2 проводять промені, паралельні раніше проведеними з центру О1 променям. Через отримані точки 1 ', 2', 3 'і т. д. проводять вертикальні лінії до перетину з кривими індикаторної діаграми. Знайдені точки індикаторної діаграми відповідають поточним значенням тисків при певних кутах повороту колінчастого валу. Розгортають індикаторну діаграму щодо тиску р 0 в діапазоні кута повороту колінчастого валу 0-4 π. Поточні значення тиску газів р х:
(53)
де - Поточне значення тиску по індикаторної діаграмі.
3.2 Сили і моменти, що діють в кривошипно-шатунном механізмі
На малюнку 3 представлені сили діють на КШМ.
Малюнок 3 - Сили, що діють в кривошипно-шатунном механізмі.
На поршневий палець діє сила від тиску газів Р r і сила інерції Р γ, що викликається зворотно-поступально рухомими масами кривошипно-шатунного механізму
(54)
де - Маси КШМ;
- Радіус кривошипа, мм;
- Кутова швидкість обертання колінчастого валу, с -1,
(55)
(56)
де - Маси поршневої групи, кг (
);
- Маси шатунной групи, кг (
).
Сумарна сила P t спрямована по осі циліндра
(57)
Сила діє по осі шатуна
(58)
Сила N спрямована перпендикулярно осі циліндра
(60)
Сила , Прикладена до центру шатунной шийки, розкладається на дві складові: тангенціальну дотичну Т, що діє по нормалі до радіусу кривошипа, і радіальну Z, спрямовану по радіусу кривошипа.
(61)
(62)
Тангенціальна сила T створює крутний момент двигуна
(63)
Радіальна сила Z викликає навантаження корінних підшипників.
Обертові маси кривошипно-шатунного механізму (неврівноважені маси колінчастого валу і частина маси шатуна) викликають відцентрову силу
, Яка спрямована по радіусу кривошипа
(64)
Якщо прикласти до центру колінчастого валу дві взаємно протилежні сили Рt 'і Рt "(рівні і паралельні силі Рt), утворюється силами Рt' і Рt" момент, який дорівнює обертовому моменту М К двигуна
М R = N * Н =- М К
3.2 Визначення сил інерції від зворотно-поступально рухомих мас кривошипно-шатунного механізму
Сила інерції
(65)
де - Сила інерції першого порядку (період зміни дорівнює 2 π), МН;
- Сила інерції другого порядку (період зміни дорівнює π), МН.
(66)
(67)
При динамічному дослідженні кривошипно-шатунного механізму зручно користуватися питомими силами інерції Р j (МН / м 2), віднесеними до площі поршня
(68)
де - Площа поршня, м 2.
(69)
де R - радіус поршня, м.
Сили інерції визначають аналітично або графічно. При виконанні курсової роботи рекомендується використовувати графічний метод визначення .
Для зручності підсумовування сил, що діють в кривошипно-шатунний механізм, графік сил будують в тому ж масштабі Мр, який був прийнятий для побудови індикаторно горизонталь, на ній відкладається відрізок МN, відповідний проводиться ходу S поршня. З точки М вниз у масштабі Мр відкладається
(МПа / м 2), а з точки N вгору в масштабі Мр відкладається значення
(МПа / м 2).
(70)
(71)