КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПО ТРАКТОРАМ И АВТОМОБИЛЯМ

 

ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Ефимов М. А. Акимочкин А. В.

 

КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПО ТРАКТОРАМ И АВТОМОБИЛЯМ

«Механизация сельского хозяйства» и «Технология обслуживания и ремонта машин в АПК»    

Параметры рабочего тела

1.2.1 Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания одного килограмма топлива

Теоретически необходимым называется количество воздуха /о, кг, достаточное для полного сгорания 1 кг топлива. Оно зависит от элементарного состава топлива и рассчитывается по стехиометрическим отношениям:

(1.1)

При делении /о на среднюю молярную массу воздуха /л теоретически необходимое количество Lo, выразится в киломолях

 

(1,2)

где масса I кмоля воздуха (=218,96 кг/кмоль.).

Количество свежего заряда

В дизельном двигателе топливовоздушная смесь приготавливается в камере сгорания при впрыскивании топлива. Число киломолей горючей смеси Mi, кмоль, определяется по формуле: (1.3)

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания

На основе расчёта реакций сгорания находим число кмолей углекислого газа и водяного пара, образовавшихся при сгорании 1 кг топлива по формулам… Количество углекислого газа , кмоль: (1,5)

Общее количество продуктов сгорания

Общее количество продуктов сгорания , кмоль, при а ≥ 1 определяется по формуле:

(1.10)

Общее количество продуктов сгорания , кмоль, при а ≤1, определяется по формуле:

(1.11)

1.3 Расчёт впуска

Давление воздуха на впуске

Для карбюраторного и дизельного двигателя без наддува давление на впуске, МПа, можно принять равным атмосферному ,МПа:

(1.12)

В двигателе с наддувом воздух в цилиндры поступает из компрессора, где он предварительно сжимается. В зависимости от степени наддува принимаются следующие значения давления , МПа. наддувочного воздуха [3]:

• при низком наддуве, МПа;

• при среднем наддуве, МПа;

• при высоком наддуве, МПа.

Температура воздуха на впуске

Для двигателей без наддува температуру воздуха на впуске Тк, К можно условно считать равной атмосферной , К:

= (1.13)

Для двигателей с наддувом, температура воздуха за компрессором, т.е. на впуске, Тк, К, определяется по формуле:

(1.14)

где -показатель политропы сжатия воздуха вкомпрессоре.

В зависимости от типа наддувочного агрегата и степени охлаждения значения по опытным данным находится и следующих пределах [2]:

• для поршневых нагнетателей от 1,4 до 1,6;

• дляобъёмных нагнетателей от 1,55 до I, 75;

• для осевых и центробежных нагнетателей от 1,4 до 2,

Плотность заряда на впуске

(1.15) где - удельная газовая постоянная воздуха, = 287 Дж/(кгград). 1.3.4 Давление в конце впуска

Коэффициент остаточных газов

Отношение числа киломолей остаточных газов Mr, оставшихся в цилиндре от предыдущего цикла, к числу киломолей свежего заряда, поступившего в цилиндр… (1.17) где Mr - число киломолей остаточных газов;

Температура в конце впуска

Температура газа, находящегося в цилиндре двигателя _в конце впуска, зависит от температуры рабочего тела, температуры остаточных газов , коэффициента остаточных газов подогрева свежего заряда:

(1,19)

У современных четырёхтактных двигателей значение варьирует вследующих пределах:

• для карбюраторных двигателей - от 320 до 380 К;

• для дизелей без наддува - от 310 до 350 К;

• для четырёхтактных дизелей с наддувом и двухтактные дизелей с прямоточной продувкой - от 320 до 400 К.

Коэффициент наполнения

(1,20) Для четырёхтактных двигателей значение составляет • для карбюраторных двигателей - от 0,75 до 0,85;

Показатель политропы сжатия

С учётом реальных условий теплообмена в двигателе на показатель политропы будут влиять конструктивные параметры, режимы работы и условия… Наибольшее влияние на оказывает частота вращения коленчатого вала п, так как… При п от 600 до 2500 минможно пользоваться ориентировочной зависимостью:

Давление в конце сжатия

Расчёт давления в конце сжатия , МПа, ведут по уравнению политропического процесса:

(1.22)

Ориентировочные значения для современных автотракторных двигателей находятся в следующих пределах [2]

• длякарбюраторных двигателей при полном открытии дроссельной заслонки - от 0,9 до 1,6 МПа;

• для дизелей без наддува - от 3,5 до 5,5 МПа;

• для дизелей с наддувом (при давлении наддува

0,2 МПа и без промежуточного охлаждения воздуха после компрессора) - от 6 до 8 МПа.

Температура в конце сжатия

(1.23) Для современных автотракторных двигателей значения Тс находятся в следующих… • для карбюраторных двигателей при полном открытии дроссельной заслонки - от 650 до 800 К;

Число киломолей остаточных газов

Число киломолей остаточных газов, кмоль, определяются по формуле:

(1.25)

Число киломолей газов в конце сжатия до сгорания

, (1.26) где - число киломолей газов в конце сжатия до сгорания, кмоль. 1.5 Расчёт сгорания

Число киломолей газов после сгорания

, кмоль (1.30)

Действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

Действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси характеризует изменение объема газов при сгорании рабочей смеси.

 

(1.31)

На значение действительного коэффициента молекулярного изменения в основном влияет коэффициент избытка воздуха; при обогащении смеси (уменьшении) возрастает.

Ориентировочно значение находится в следующих пределах [2]:

• для карбюраторных двигателей - от 1,05 до 1,08;

• для дизельныхдвигателей - от1,01 до1,05.

Количество теплоты, передаваемое газам при сгорании одного килограмма топлива

(1.32) Если 1, то данное выражение опускается и не определяется. При определении количества теплоты, передаваемой газам, задаются значением коэффициента использования теплоты.

Максимальная температура сгорания

• для карбюраторных двигателей: (1.35) •для дизельных двигателей

Для дизелей с наддувом для ограничения максимального давления сгорания принимают меньшее значение степени повышения давления, чем в дизеле без наддува.

После подстановки ипреобразования выражения получают уравнение второго порядка вида:

(1,37)

Решая уравнение относительно, получают:

(1.38)

Для современных автотракторных двигателей значение находится в следующих пределах [2].

• для карбюраторных двигателей - от 2400 до 2900 К;

• для дизельных двигателей - от 1800 до 2300 К;

• для газовых двигателей - от 2200 до 2500 К,

Максимальное давление сгорания

(1.40) Для карбюраторных и других двигателей, теоретическая основа рабочего… (1.41)

Степень повышения давления

(1.43)

1.6 Расчёт расширения

1.6.1 Степень предварительного расширения (для дизельных двигателей)

(1.44)

где - степень предварительного расширения.

Для современных автотракторных дизелей значения находятся в пределах от 1,2 до 2,4 [2].

 

Степень последующего расширения (для дизельных двигателей)

Степень последующего расширения определяется по формуле:

(1.45)

Показатель политропы расширения

В расчётах параметров конца процесса расширения вместо действительного процесса с переменными показателями политропы обычно принимают условный… Зависимость показателя от частоты вращения по экспериментальным данным имеет… (1.46)

Давление в конце расширения

Значение давления в конце процесса расширения , МПа, рассчитывают по уравнению политропического процесса.

• для карбюраторных двигателей:

(147)

• для дизельных двигателей:

(1.48)

Для современных автотракторных двигателей значения находятся в следующих пределах [2]:

• дня карбюраторных двигателей - от 0,35 до 0,6 МПа;

• для дизельных двигателей - от 0,2 до 0,5 МПа.

Температура в конце расширения

Значение температуры газов в конце процесса расширения, К, также рассчитывают по уравнению политропического процесса

• для карбюраторных двигателей:

(1,49)

• для дизельных двигателей:

(1.50)

Значения температуры для современных автотракторных двигателей без наддува на номинальном режиме составляют [2]:

• для карбюраторных двигателей - от 1400 до 1700 К;

• для дизельных двигателей - от 1000 до 1400 К

При этом для высокооборотных двигателей характерны более высокие значения и .

Выпуск

Из-за периодичности процесса выпуска и переменной скорости поршня в выпускном трубопроводе происходят колебания давления газов по времени. Поэтому линия выпуска, получаемая при снятии индикаторных диаграмм, имеет волнообразный характер подобно линии впуска.

Значение давления зависит от частоты вращения, времени - сечения клапанов, фаз газораспределения, длины трубопроводов и общего сопротивления выпускной системы.

1.7.1 Расчётное значение температуры остаточных газов.

Правильность ранее сделанного выбора параметров процесса выпуска и можно проверить по формуле [4]:

(1.51)

Проверка ранее принятых параметров процесса выпуска

При расхождении расчёт, необходимо Повторить с пункта 1.3.4, выбрав новое значение температуры остаточных газов.

Выбор масштаба и расположение характерных точек на диаграмме

Определение величины отрезка АВ, мм, соответствующего рабочему объёму цилиндра - , а по величине равному ходу поршня - S в масштабе, по формуле: (1.53) где - масштаб хода поршня.

Построение линии сжатия и линии расширения

*для политропы сжатия: (1.56)  

Теоретическое среднее индикаторное давление

Площадь не скруглённой индикаторной диаграммы в определённом масштабе выражает теоретическую расчётную работу газов за один цикл двигателя. Эта… На основании зависимостей термодинамики, из выше сказанного, следует: (1.58)

Индикаторная мощность

(1.64) где - число цилиндров; п - частота вращения коленчатого вала двигателя, мин;

Индикаторный коэффициент полезного действия (КПД)

Индикаторный КПД , представляет собой отношение

количества теплоты, эквивалентного индикаторной работе действительного цикла, ко всему количеству затраченной теплота или к теплотворности топлива, умноженной на цикловую подачу топлива:

(1.65)

Для расчёта удобнее использовать формулу:

(1.66)

где -низшая удельная теплота сгорания топлива, МДж/кг.

Для современных автотракторных двигателей на номинальном режиме работы значение индикаторного КПД составляет [2]:

• для карбюраторных двигателей - от 0,28 до 0,38;

• для дизельных двигателей - от 0,42 до 0,52;

• для газовых двигателей - от 0,26 до 0,34.

Индикаторный удельный расход топлива

Индикаторный удельный расход топлива, г/(кВтч)- количество топлива, расходуемого в двигателе за один час, отнесённое к индикаторной мощности, развиваемой двигателем.

(1.67)

где - низшая удельная теплота сгорания топлива, МДж/кг.

Для современных автотракторных двигателей на поминальном режиме работы значение удельного индикаторного расхода топлива, г/(кВтч) составляет [2]:

• для карбюраторных двигателей - от 235 до 290;

• для дизельных двигателей - от 175 до 220;

1.10 Расчёт эффективных показателей

Средняя скорость поршня

(1.68)

где -средняя скорость поршня, м/с;

S - ход поршня, мм;

п - частота вращения коленчатого вала, мин.

Давление механических потерь

Значение механических потерь, МПа, зависит от типа камеры сгорания и определяется по формулам: • для карбюраторных двигателей с отношением хода поршня S к диаметру цилиндра… (1.71)

Мощность механических потерь

Мощность механических потерь.- это мощность, затрачиваемая на преодоление внутренних сопротивлений и самом двигателе, а также на привод компрессора или продувочного насоса.

По аналогии с индикаторной мощностью формула для мощности механических потерь будет иметь вид:

(1.73)

Среднее эффективное давление

Среднее эффективное давление Ре, МПа, - это значение условного постоянного давления в цилиндре двигателя, при котором работа, произведённая рабочим телом за один такт, равнялась бы эффективной работе цикла. Оно определяется по формуле:

(1.74)

При работе автотракторных двигателей на номинальном режиме значения , МПа, находятся в следующих пределах [3]:

• для четырехтактных карбюраторных двигателей - от 0,6 до 1,1;

• для четырёхтактных дизелей без наддува - от 0.55 до 0,85;

• для четырёхтактных дизелей с наддувом - до 2;

• для газовых двигателей - от 0.5 до 0,75;

для двухтактных высокооборотных дизелей - от 0.4 до 0,75.

Механический КПД

Механический КПД - оценочным показатель механических потерь в двигателе. Он характеризует долю или , переходящую в или ,

(1.75)

При работе автотракторных двигателей на номинальном режиме значение находится в следующих пределах [2]:

• для четырёхтактных карбюраторных двигателей - от 0,7 до 0,85;

• для четырёхтактных дизелей без наддува - от 0,7 до 0,82;

•для четырёхтактных дизелей с наддувом - от 0,8 до 0,9;

• для газовых двигателей - от 0,75 до 0,85;

•для двухтактных высокооборотных дизелей - от 0,7 до 0,85.

Эффективная мощность

Эффективная мощность , кВт – это мощность двигателя, снимаемая с коленчатого вала.

(1.76)

Эффективный КПД

Доля теплоты, превращаемой в эффективную (полезную) мощность на валу дизеля, называется эффективным коэффициентом полезного действия.

Этот коэффициент оценивает степень использования теплоты в двигателе с учётом всех тепловых и механических потерь:

(1.77)

Для автотракторных двигателей на номинальном режиме работы значение эффективного КПД находится в следующих пределах [2]:

• для карбюраторных двигателей - от 0,25 до 0,33;

• для дизельных двигателей - от 0,35 до 0,4;

• для газовых двигателей - от 0,23 до 0,3.

Эффективный удельный расход топлива

Эффективный удельный расход топлива , г/кВтч, оценивает топливную экономичность двигателя.

(1.78)

где - выражено в МДж/кг.

Для современных автотракторных двигателей значение , г/кВтч, находится в пределах:

• для карбюраторных двигателей - от 270 до 350;

• для дизелей с неразделёнными камерами сгорания - от 200 до 240;

• для вихрекамерных и предкамерных дизелей - от 245 до 260;

• для газовых двигателей (расход теплоты) - от 14 до МДж/(кВт ч).

Эффективный крутящий момент

(1.79)

где -эффективный крутящий момент, Нм ;

- частота вращения коленчатого вала двигателя, мин.

Часовой расход топлива.

(1.80)

где - часовой расход топлива, кг/ч.

1.11 Определение основных параметров цилиндраи двигателя

При проектировании нового двигателя параметры S и D неизвестны, тогда поступают следующим образом.

Литраж двигателя

По эффективной мощности, частоте вращения коленчатого вала и эффективному давлению определяется литраж двигателя:

(1.81)

где - необходимая мощность двигателя, кВт;

- тактность двигателя;

1.11.2 Рабочий объём цилиндра

Рабочий объём одного цилиндра, л:

(1.82)

Диаметр цилиндра

Для определения диаметра цилиндра задаться параметром

.

0,7 ... 1,2 - для карбюраторных двигателей;

0,9 . . . 1,3 - для дизельных двигателей.

Тогда диаметр цилиндра:

(1.83)

Ход поршня

Полученные значения S и D округляют до целых чисел с цифрой ноль или пять на конце. Результаты расчётов индикаторных и эффективных показателей заносим в таблицу… 2 РАСЧЁТ И ПОСТРОЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ

Определение максимальной частоты вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу

Максимальные обороты, соответствующие холостому ходу двигателя зависят от степени неравномерности работы регулятора или ограничителя частоты вращения и определяются по формуле:

(2.1)

где - максимальная частота вращения холостого хода,

мин;

- степень неравномерности работы регулятора,

=0,05 ... 0,08 - для дизельных двигателей [4],

=0,05 .. .0,2 - для карбюраторных двигателей [2]

Определение текущих значений эффективной мощности.

Текущие значения эффективной мощности , кВт, определяются по следующим зависимостям [2]:

- для карбюраторных двигателей:

(2.2)

- для дизельных двигателей с неразделённой камерой сгорания:

(2.3)

- для дизельных двигателей с предкамерой:

(2.4)

- для дизельных двигателей с вихревой камерой сгорания:

(2.5)

Где - текущее значение эффективной мощности, кВт;

- текущие значения частоты вращения коленчатого вала двигателя, мин.

Определение текущих значений эффективного

Крутящего момента

Текущие значения эффективного крутящею момента , Нм, определяются по формуле:

(2.6)

Получая значения , сравнивают их между собой до тех пор, пока какое-то значение станет максимальным, например:

следовательно .После определения рассчитываем еще два значения .

Определение текущих значений эффективного удельного расхода топлива

Текущие значения эффективного удельного расхода топлива , г/кВтч, определяются по формуле:

-для карбюраторных двигателей:

(2.7)

- для дизельных двигателей:

(2.8)

Определение текущих значений часового расхода топлива

(2.9) Определение часового расхода топлива на режиме холостого хода: (2.10)

Построение характеристик в функции от эффективной мощности и крутящего момента двигателя

Данные для построения указанных кривых берутся из характеристики в функции от частоты вращения коленчатого нала двигателя (см. таблицу 3). Рис. 5 - регуляторная характеристика двигателя в функции от эффективной мощности.

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ

Уравнение теплового баланса имеет вид: (3.1) где - общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом;

КИНЕМАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА

При рассмотрении кинематики кривошипного механизма в расчёте делается допущение, что вращение коленчатого вала происходит с постоянной угловой… Расчёты ведутся с интервалом <р = 30° от 0 до 360° 4.1 Расчёт перемещения поршня

ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

Динамический расчет KШM заключается в определении суммарных сил и моментов, возникающих от давления газов и сил инерции движущихся масс.

Определение сил, действующих вдоль оси цилиндра на поршневой палец

Сила давления газов , кН определяется по формуле: (5.1) где - текущее значение давления газов в цилиндре