Тепловой расчет дизельного двигателя

 

1. Тяговый расчет трактора

Исходные данные для тягового расчета.

1. Тип трактора универсально пропашной

. Тип движителя 4Ч4

3. Номинальная сила тяги на крюке, 14 кН.

. Действительная скорость движения агрегата при номинальной силе тяги на крюке, 4,0 м/с.

. Число основных передач 7

. Действительная скорость движения агрегата при работе на транспорте, 5,0 м/с

. Коэффициент эксплуатационной загрузки двигателя =0,85.

1.1 Расчет эксплуатационной массы трактора, номинальной мощности двигателя и теоретической регуляторной характеристики двигателя

Определение эксплуатационной массы трактора

Различают конструктивную (сухую) массу трактора и эксплуатационную (полную) . Конструктивная масса должна обеспечивать прочность и долговечность конструкции трактора, эксплуатационная - необходимые тягово-сцепные качества.

,

трактор двигатель газообмен двигатель

где - коэффициент возможной перегрузки, 1,4; - коэффициент сцепления при допустимом буксовании, 0,55 - колесный движитель стерня колосовых; - коэффициент нагрузки ведущих колес, 1,0 - колесный движитель 4Ч4; - коэффициент, показывающий долю сопротивления качению, обусловленную деформацией опорной поверхности, 1,0 колесный движитель; - коэффициент сопротивления качению, 0,06 колесный движитель стерня колосовых; - ускорение свободного падения, м/с.

т

Конструктивную массу можно принять, ориентируясь на показатели современных тракторов того же тягового класса. С достаточной для учебных расчетов точностью можно принять, что за счет водителя, инструмента, топлива, смазочных материалов и т.п. масса трактора увеличивается на 7,0… 10,0%. Недостаток эксплуатационной массы восполняется применением балласта, навешиваемого на ведущие колеса.

т

.2 Расчет номинальной мощности двигателя

Номинальная мощность двигателя определяется из условия равномерного движения на горизонтальном поле с номинальной силой тяги на крюке и действительной скоростью движения в определенных почвенных условиях при допустимом буксовании.

где - сила сопротивления качения, кН; - механический КПД трансмиссии,

,

здесь - механический КПД трансмиссии, учитывающий потери холостого хода, ; , - механический КПД цилиндрической и конической пары шестерен, ; ; , - число цилиндрических пар шестерен, работающих на одной передаче, .

кВт

По результатам расчетов номинальной мощности двигателя для трактора определить двигатели-прототипы, основные технические параметры которых занести в таблицу 1.

Основные технические параметры

№ п/пНаименование параметраТрактор прототип МТЗ-82Расчетный1Назначение двигателятракторныйтракторный2Тип двигателядизельдизель3Тактность двигателя444Номинальная мощность, кВт58,8102,7125Конструктивная масса трактора, т3,7003,7086Номинальная частота вращения коленчатого вала, мин22002200

2. Тепловой расчет

Степень сжатия

Степень сжатия в первую очередь зависит от способа смесеобразования и рода топлива, а также от быстроходности двигателя, наличия наддува и других факторов.

принимаем равным 16

Параметры заряда на впуске.

При работе двигателя без наддува в цилиндр поступает воздух из атмосферы. В этом случае в качестве параметров исходного состояния заряда на впуске принимаются давление и температура окружающей среды, соответственно равные МПа и К.

При расчете рабочего цикла двигателя с наддувом за исходные параметры принимаются давление и температура на выходе из компрессора, а при наличии промежуточного холодильника - за холодильником.

В настоящее время на двигателях тракторов используется низкий или средний наддув.

Температура воздуха после компрессора , К:

,

где - показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре. В зависимости от типа компрессора значение принимаем равным 1,4

К

2.1 Расчет процессов газообмена

Определение давления и температуры остаточных газов

Процессы газообмена включают очистку цилиндра от продуктов сгорания и наполнения цилиндра свежим зарядом.

МПа

Температура остаточных газов.

принимаем равным 810 К

Температура подогрева свежего заряда.

принимаем 5°С

.2 Расчет давления в конце впуск

Давление в конце впуска (МПа) определяется исходя из потерь во

впускной системе:

,

где - потери давления во впускной системе.

,

где в - коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра, - коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому ее сечению; - средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы, м/с; - плотность заряда на впуске, кг/м.

По опытным данным в современных двигателях на номинальном режиме работы принимаем 4 и м/с. принимаем 80

Плотность заряда на впуске:

,

где - удельная газовая постоянная воздуха, Дж/(кг К);

МПа

МПа

.3 Расчет коэффициента остаточных газов

Коэффициент остаточных газов характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания. Коэффициент остаточных газов для четырехтактных двигателей (с учетом продувки и дозарядки цилиндра):

;

При определении на номинальном режиме работы двигателя с учетом дозарядки можно принять , что вполне можно получить при подборе угла опаздывания закрытия впускного клапана в пределах 30 - 60° поворота коленчатого вала, принимаем 1,1

Коэффициент очистки принять равным единице ().

2.4 Расчет температуры в конце впуска и коэффициента наполнения

Температура в конце впуска определяется:

К

Для четырехтактных двигателей коэффициент наполнения с учетом продувки и дозарядки цилиндра равен:

2.5 Расчет процесса сжатия

Давление (МПа) и температура (К) в конце процесса сжатия определяются из уравнения политропы:

; ,

где - показатель политропы сжатия, 1,36

МПа

К

Коэффициент избытка воздуха.

Для различных двигателей на номинальном режиме работы коэффициент избытка воздуха принимаем равным 1,7

Топливо.

Состав топлива и его теплота сгорания принимаются по таблице 2.

Средний элементный состав дизельных топлив и их теплота сгорания

Жидкое топливоСодержание, кгНизшая теплота сгорания , кДж/кгДизельное топливо0,8700,1260,00442500

.6 Термохимический расчет процесса сгорания

Количество заряда , находящегося в цилиндре в конце сжатия, определяется количеством свежего заряда и остаточных газов :

Количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг жидкого топлива определяется из стехиометрических соотношений.

В массовых единицах, :

в объемных единицах :

Количество свежего заряда , находящегося в цилиндре дизеля, кмоль/кг:

Для дизельных двигателей, кмоль/кг:

где - молекулярная масса паров дизельного топлива, принимаем 190 кг/кмоль.

Количество остаточных газов в цилиндре определяется кмоль/кг,

Количество заряда, находящегося в цилиндре к концу процесса сгорания на 1 кг топлива, определяется количеством продуктов сгорания и остаточных газов :

Количество продуктов сгорания , образующихся при сгорании 1 кг жидкого топлива, может быть определено по формулам, кмоль/к г:

для бедных смесей :

2.7 Термодинамический расчет процесса сгорания

Величина теплоемкости зависит от температуры и давления тела, его физических свойств и характера процесса. Для расчетов работ их процессов обычно пользуются средними молярными теплоемкостями при постоянном объеме и при постоянном давлении , между которыми существует зависимость:

Теплоемкость заряда определяется в зависимости от температуры конца сжатия по эмпирической формуле, кДж/(кмоль К):

Теплоемкость продуктов сгорания определяется в зависимости от температуры и состава рабочей смеси:

при

Температуру в конце процесса сгорания определяют по следующему выражению. для дизельных двигателей:

где - коэффициент использования теплоты, 0,8; - степенью повышения давления, 2,0

После подстановки перечисленных величин в выражение получается квадратное уравнение типа:

К

Давление газов в конце сгорания, МПа

Степенью предварительного расширения в дизеле.

.8 Расчет процесса расширения

Предполагают, что расширение происходит по политропному процессу со средним показателем политропы , принимаем равному 1,23 Степень последующего расширения для дизелей определяем по выражению:

Значения давления (МПа) и температуры (К) в конце процесса расширения определяются по формулам политропного процесса

дизельный двигатель:

МПа

К

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов осуществляем по формуле:

К

Погрешность составляет:

,

где и - соответственно расчетная и принятая температура остаточных газов.

%

Значение расчетной температуры остаточных газов может отличаться от выбранной ранее не более чем на 5%.

.9 Расчет индикаторных показателей двигателя

Оценку рабочего цикла проводят по индикаторным показателям, среди которых важны, прежде всего, среднее индикаторное давление индикаторный КПД , удельный индикаторный расход топлива .

Среднее индикаторное давление цикла МПа:

для дизельных двигателей

,

где - коэффициент полноты индикаторной диаграммы, 0,95

МПа

Индикаторный КПД характеризует степень использования теплоты топлива в действительном цикле для получения индикаторной работы и определяется по выражению:

Совершенство цикла, его топливная экономичность оценивается величиной удельного индикаторного расхода топлива, г/(кВт ч):

.10 Расчет эффективных показателей двигателя

Работу двигателя в целом оценивают по эффективным показателям - среднему эффективному давлению , эффективной мощности , эффективному КПД , удельному расходу топлива и др.

Расчет эффективных показателей двигателя требует оценку внутренних (механических) потерь в двигателе. Механические потери можно определить приближенно по эмпирическим формулам в зависимости от средней скорости поршня, м/с:

,

где - ход поршня, 125 мм.

м/с

Эмпирическое выражение для определения величины (МПа) имеет следующий вид:

Среднее эффективное давление, МПа

Относительный уровень механических потерь характеризует механический КПД:

В целом топливная экономичность двигателя характеризуется величиной эффективного КПД или удельного эффективного расход; топлива , г/(кВт ч):

г/кВтч

2.11 Расчет основных размеров двигателя

Рабочий объем цилиндра, л (дм):

,

где - тактность, для четырехтактных двигателей , - число цилиндров; , , - соответственно эффективная мощность (кВт), среднее эффективное давление (МПа), частота вращения коленчатого вала (мин) на номинальном режиме работы двигателя.

л

Диаметр цилиндра, мм

,

где - отношение хода поршня к диаметру цилиндра, 0,96

мм примем 110 мм

Тогда ход поршня, мм:

мм

Полученные значения и округляют до целых чисел ближайшего размера существующего двигателя.

Основные параметры и показатели двигателя определяются по окончательно принятым значениям = 110 и =106.

Рабочий объем цилиндра, л:

л

Эффективная мощность двигателя, кВт:

кВт

Эффективный крутящий момент, кН м:

Часовой расход топлива, кг/ч:

3. Построение графиков по тепловому и динамическому расчету двигателя

Индикаторная диаграмма в рV координатах

Индикаторная диаграмма строится на основании данных, полученных в тепловом расчете в координатах рV, а затем перестраивается в координаты .

Для построения диаграммы масштаб подбирается так, чтобы высота была в 1,2… 1,5 раза больше ширины. На оси абсцисс в принятом масштабе откладывают объемы ; ; ; (дизельный двигатель).

По оси ординат откладывают давления ,,,,,, для соответствующих объемов.

Действительная индикаторная диаграмма отличается от теоретической скругленностью в точках, .

Построение политропы сжатия и расширения можно производить аналитическим или графическим методом. При аналитическом методе построения политроп сжатия и расширения вычисляется ряд точек для промежуточных объемов, расположенных между и , и между и по уравнению политропы

Для политропы сжатия , откуда

где и - давление, и объем в искомой точке процесса сжатия. Отношение изменяется в пределах от 1 до

Va/Vx11,522,545,5Vx1,0740,7160,5370,4300,2680,195Px0,1300,2250,3330,4510,8541,317Va/Vx78,51011,5131516Vx0,1530,1260,1070,0930,0830,0720,067Px1,8292,3812,9703,5924,2445,1565,629

Аналогично для политропы расширения

Для дизельных двигателей отношение изменяется в пределах 1….

Vb/Vx11,522,545,5Vx1,0740,7160,5370,4300,2680,195Px0,4540,7471,0641,4002,4953,692Vb/Vx78,51013,616Vx0,1530,1260,1070,079Px4,9676,3067,70211,258

Соединяя точки а и с плавной кривой проходящей через вычисленные и нанесенные на поле диаграмм точки политропы сжатия, а точки z и b - кривой, проходящей через точки политропы расширения, а также остальные точки между собой получим индикаторную диаграмму.

При графическом методе диаграммы сжатия и расширения строятся по способу Брауэра.

Индикаторная диаграмма в координатах рц

Индикаторная диаграмма в координатах рV может быть перестроена в методом Брикса. Для этого на отрезке стройся полуокружность с центром , из которого через 30° (лучше через 15°) проводят лучи до пересечения с полуокружностью. Затем из центра отстоящем от центра на расстоянии , проводят лучи ; ; и т.д. до пересечения с той же полуокружностью. Из точек 1; 2; 3 и т.д. восстанавливают перпендикуляр до линии впуска, сжатия, расширения и выпуска на индикаторной диаграмме. Отрезки от оси абсцисс до кривых индикаторной диаграммы последовательно для всех процессов цикла и есть давление в цилиндре для соответствующих углов поворота коленчатого вала двигателя.

Полученные значения давлений переносятся на график , где по оси абсцисс отложен угол поворота коленчатого вала в определенном масштабе. Масштаб давлений оставляют тот же, что и на графике .

Величине - носят название поправки Брикса и учитывает конечную величину шатуна. Здесь мм - радиус кривошипа и - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна. Для современных двигателей . Тогда поправка Брикса будет равна мм

Диаграммы перемещения, скорости и ускорения поршня

Все эти графики взаимосвязаны и строятся на одном рисунке.

Перемещение поршня определяется выражением и может быть построено

графически по методу проф. Ф.А. Брикса проектированием на вертикаль радиус-вектора, имеющего полюсом точку сдвинутую относительно центра окружности кривошипа на в сторону Н.М.Т. Чаше всего перемещение поршня определят путем вычисления по вышеприведенной формуле для различных углов , причем значения в квадратных скобках для каждого угла для приводятся в литературе (4). Скорость движения поршня определяется выражением

Значения множителя, заключенного в скобки в зависимости от и с целью облегчения расчетов также приводятся в литературе (4). Для построения диаграммы скоростей на диаграмме перемещений из данного угла проводится линия, параллельная оси до пересечения с кривой перемещений и из полученной точки восстанавливается перпендикуляр на ось , от которой затем откладываются значения скорости. Максимальное значение скорости составляет приблизительно 1,625Vср. и соответствует 74…77° поворота коленчатого вала от ВМТ

1530456075903,9247,42310,15411,89012,55112,204105,0120,0135,0150,0165,0180,011,0259,2487,1034,7812,3980,000

Кривая ускорения поршня строится там же где и скорость. Для построения находят максимальное ускорение м/с2 минимальное ускорение м/с2.

с-1

На отрезке в определенном масштабе, в точках и откладывается (в масштабе ускорений) отрезки , и ; точки и соединяются пряной. В точке пересечения перпендикулярно вниз откладывается отрезок ; точка соединяется с точками и . Отрезки и делятся на произвольное, но равное число отрезков. Точке 1, 2, 3 и т.д. соединяются с одноименными точками 1, 2, 3 прямыми. Кривая касательная к прямым 1-1; 2-2 и т.д. и есть кривая

Диаграмма сил инерции

Сил инерции прямолинейно возвратно-движущихся частей шатунно-поршневой группы определяются по формуле

Для графического построения сил инерции необходимо найти

массы возвратно-движущихся частей

где - масса поршневого комплекта;

- часть массы шатуна, условно отнесенная к массе совершающей возвратно-поступательное движение,

Для приближенного определения значений ,, можно использовать

конструктивные массы , (кг/м или г/см), приведенные в таблице 3.

Конструктивные массы деталей шатунно-поршневой группы в кг/м

ДвигателиМатериал поршняДизелилегкий сплав200…300250…340

Силы давления газов, изображенные на индикаторной диаграмме отнесены к единице площади поршня, поэтому и силы инерции также должны быть той же размерности (МПа), - можно определить аналитически по формуле МПа для различных углов поворота коленчатого вала двигателя (напр. через 15° п.к.в.) или графически. Силы инерции первого порядка и второго порядка (отнесенные к площади поршня) строятся проектированием конца радиус-вектора на вертикаль. Радиусом для построения сил инерции первого порядка является

, а второго порядка

где кг/м2

МПа

МПа

Масштаб для сил инерции принимается тот же, что и при построении индикаторной диаграммы.

Диаграмма сил инерции строится под индикаторной диаграммой, развернутой по углу поворота коленчатого вала. Для этого проводим из общего центра две полуокружности радиусами и лучи через 15°. Вертикальные проекции отрезков лучей, пересекающих первую окружность (), дают в принятом масштабе значения сил при соответствующих углах поворота коленчатого вала, а проекции отрезков тех же лучей, пересекающих вторую окружность (), значения сил при углах поворота коленчатого вала соответственно вдвое меньших. Далее проводим через центр горизонтальную линию и откладываем на ней как на оси абсцисс, значения ц углов поворота коленчатого вала за рабочий цикл от 0° до 720° п.к.в. четырехтактный двигатель.

По точкам пересечения указанных выше проекций с ординатами, проходящих через соответствующие значения углов на оси абсцисс, строим кривые и .

Суммарная кривая относительных сил инерции находится сложением двух гармоник . Следует помнить, что изменение силы инерции второго порядка происходит вдвое быстрее, а абсолютное значение в раз меньше, чем силы инерции первого порядка.

Суммарные силы, действующие на поршень

Для построения суммарной силы .

Суммарные силы инерции переносятся на развернутую по углу поворота индикаторную диаграмму и складываются с силами давления газов . При этом следует учитывать, что силы инерции в конце такта сжатия (ВМТ) направлены в противоположную сторону силам давления газов.

Диаграмма тангенциальных сил и суммарного крутящего момента

Сила действующая вдоль оси цилиндра может быть разложена на две составляющие:

нормальную силу , перпендикулярную оси цилиндра, и силу , действующую вдоль оси шатуна.

Силу S можно перенести по линии ее действия в центр шатунной шейки кривошипа и разложить на две составляющие:

силу , направленную по радиусу кривошипа, и силу , направленную по касательной к окружности радиуса кривошипа. Сила Т, называемая тангенциальной, на плече r дает крутящий момент

Радиус кривошипа величина постоянная, поэтому крутящий момент для одного цилиндра изменяется по закону изменения тангенциальной силы .

Для определения тангенциальной силы строится схема кривошипного механизма в произвольном масштабе, но с учетом выбранного отношения . От центра кривошипа по направлению радиуса кривошипа откладывают отрезок , равный суммарной силе для данного угла поворота коленчатого вала в принятом масштабе сил.

Через точку конца отрезка проводят линю, параллельную оси шатуна, которая отсекает на диаметре, перпендикулярном оси цилиндров отрезок , равный силе .

При положительном значении силы она откладывается на положительном направлении радиуса от центра кривошипа к шатуну. При отрицательном значении силы она откладывается от центра кривошипа в противоположную сторону на продолжении радиуса, независимо от положения кривошипа. Значение силы определяют через каждые 15° поворота коленчатого вала. Все значения силы выше горизонтального диаметра положительные, а ниже - отрицательные.

Кривая одновременно есть кривая изменения крутящего момента для одного цилиндра в масштабе моментов, который определяется по выражению:

где - масштаб моментов, ; - масштаб давления, ; - радиус кривошипа, ; - площадь поршня, .

Кривую суммарного крутящего момента многоцилиндрового двигателя строят путем графического суммирования кривых крутящих моментов отдельных цилиндров, сдвигая одну кривую относительно другой на угол поворота кривошипа между вспышками в отдельных цилиндрах. Для четырехтактных двигателей с равными интервалами между рабочими ходами , где - число цилиндров двигателя

Для проверки правильности графических построений необходимо найти среднее значение суммарного крутящего момента, для чего находятся средняя ордината путем деления избыточной площадки под; кривой моментов на длину абсциссы под ней

где - суммарная площадка всех участков диаграммы, расположенных над осью абсцисс; - суммарная отрицательная площадка; - длина диаграммы под суммарной кривой в мм.

Тогда крутящий момент ; здесь - механический к.п.д. двигателя.

Крутящий момент двигателя на номинальном режиме определяется по выражение:

трактор двигатель газообмен

кНм

%

Расхождения в значениях крутящего момента не должки превышать 5%.

1. Тяговый расчет трактора Исходные данные для тягового расчета. 1. Тип трактора универсально пропашной . Тип движителя 4Ч4 3. Номинальная сила

Больше работ по теме: