Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Федеральное агентство по образованию
Тверской государственный технический университет
Кафедра «Механизация природообустройства и ремонт машин»
Тепловой расчет двигателя
Тверь 2008
Методические указания являются руководством к выполнению курсового и дипломного проектов студентов высших учебных заведений специальностей 190207 Машины и оборудования природообустройства и защиты окружающей среды и 190603 Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (автотранспорт).
Методические указания составлены в соответствии с программами дисциплин «Тракторы и автомобили» и «Рабочие процессы, конструкция и основы расчета тепловых двигателей и энергетических установок».
Методические указания рассмотрены и рекомендованы к печати на заседании кафедры «Механизация природообустройства и ремонт машин» (протокол № 1 от 12 сентября 2007 года).
Составители: В.Е. Харламов, И.К. Морозихина, К.С. Крылов, А.А. Чугунов
© Тверской государственный
технический университет, 2008
Перед выполнением курсового проекта следует изучить конструкцию заданного прототипа трактора (автомобиля) и его двигателя, технико-экономические показатели и особенности применения трактора (автомобиля) при выполнении работ по природообустройству.
Указания по оформлению пояснительной записки
Пояснительную записку пишут чернилами на одной стороне листов формата А4. Записка должна иметь объем 25…30 страниц.
Не допускаются длинные рассуждения, повторение известных доказательств, обширные выписки из учебников и других трудов. В тексте обязательны ссылки на литературные источники. Ссылки на литературу в тексте сопровождаются порядковым номером, под которым этот источник включен в указатель. Номер источника в тексте заключается в квадратные скобки.
В пояснительной записке приводят графики, которые выполняют карандашом на миллиметровой бумаге (индикаторная диаграмма, внешняя скоростная характеристика, тяговая характеристика). На всех графиках по осям координат обязательно проставляют условные обозначения и размерность величин.
Чертежи выполняют карандашом на чертежной бумаге формата А1 в соответствии с требованиями ЕСКД. Расчеты выполняются только в Международной системе единиц (СИ).
При выполнении расчетов двигателя необходимо соблюдать точность вычислений:
|
мощности |
0,1 кВт |
|
частоты вращения |
1 об/мин |
|
крутящего момента |
1 Нּм |
|
часового расхода топлива |
0,1 кг/ч |
|
удельного расхода топлива |
1 г/(кВтּч) |
|
давления |
0,001 МПа |
|
температура |
1 К |
|
средней молярной теплоемкости |
0,001 кДж/(мольּК) |
|
относительной потери тепла |
0,01 |
|
диаметра цилиндра |
1 мм |
|
хода поршня |
1 мм |
|
средней скорости поршня |
0,1 м/с |
|
литровой мощности |
0,1 кВт/л |
|
КПД двигателя |
0,01 |
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ
В процессе теплового расчета должны быть определены параметры состояния рабочего тела, соответствующие ха рактерным точкам цикла, индикаторные и эффективные по казатели двигателя, диаметр цилиндра и ход поршня; по ре зультатам теплового расчета – построена инди каторная диаграмма. Данные теплового расчета используются при построении скоростной характеристики двигателя. Тепловой расчет производится для режима номинальной мощности дизеля, а карбюраторного двигателя, работающе го с ограничителем – для режима максимальной мощности. Последовательность выполнения теплового расчета:
Технические характеристики карбюраторных и дизельных двигателей представлены в приложениях 2 и 3.
1. Выбор и обоснование исходных данных к тепловому расчету
В расчетно-пояснительной записке рекомендуется внача ле поместить таблицу значений исходных данных, а затем, вторым пунктом, дать обоснование выбранных величин. Часть исходных данных может быть определена заданием на курсовое проектирование.
Должны быть выбраны и обоснованы: давление и темпе ратура окружающей среды р0 и Т0; давление и температура остаточных газов рr и Tr; подогрев свежего заряда ΔT; ко эффициент наполнения ηv; степень сжатия ε; коэффициент избытка воздуха α ; сорт и марка топлива; его элементарный состав и теплотворность; средние показатели политроп сжа тия и расширения n1 и n2; степень повышения давления λ (только для дизелей); коэффициент использования тепла ξ; коэффициент скругления индикаторной диаграммы φ.
Исходные данные рекомендуется выбирать в следующих пределах.
1. 1. Давление и температура окружающей среды
При работе двигателя без наддува в цилиндр поступает воздух из атмосферы. В этом случае при расчете рабочего цикла двигателя давление окружающей среды принимается равным p0 = 0,1 МПа, а температура T0 = = 293 К.
При работе двигателей с наддувом воздух в цилиндр поступает из компрессора (нагнетателя), где он предварительно сжимается. Давление и температура окружающей среды при расчете рабочего цикла двигателя с наддувом принимаются равными давлению pк и температуре Tк воздуха на выходе из компрессора.
В зависимости от степени наддува принимаются значения давления pк наддувочного воздуха:
|
при низком наддуве …………… |
1,5 · p0 ; |
|
среднем наддуве ………….. |
(1,5…2,2) · p0 ; |
|
высоком наддуве …………. |
(2,2…2,5) · p0 . |
Температура воздуха за компрессором
,
где nк – показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре:
|
для поршневых нагнетателей ………..…….. |
1,4…1,6; |
|
объемных нагнетателей ……….………. |
1,55…1,75; |
|
осевых и центробежных нагнетателей .. |
1,4…2,0. |
1. 2. Давление остаточных газов
Давление остаточных газов зависит от числа и расположения клапанов и их размеров, сопротивления выпускного тракта, быстроходности двигателя, системы охлаждения и других факторов. Давление автомобильных и тракторных двигателей:
|
для быстроходных дизелей (υп ≥ 6,5 м/с) … тихоходных дизелей (υп < 6,5 м/с) …... дизелей с наддувом …………………… карбюраторных двигателей ………….. |
pr = (1,05…1,15) · p0 ; pr = (1,05…1,1) · p0 ; pr = (0,75…0,98) · pk ; pr = (1,05…1,15) · p0. |
Большие значения принимаются для высокооборотистых двигателей с высокой средней скоростью поршня.
1. 3. Температура остаточных газов
Температура остаточных газов Tr зависит от типа двигателя, степени сжатия, частоты вращения, коэффициента избытка воздуха, степени догорания топлива в процессе расширения и нагрузки. Температура может иметь значения:
|
для дизелей …………………………. карбюраторных двигателей ….. |
Tr = 700…900 K; Tr = 900…1100 K. |
С увеличением степени сжатия температура снижается, а при увеличении частоты вращения она возрастает. На температуру остаточных газов влияет состав смеси. С увеличением коэффициента избытка воздуха температура Tr снижается.
1. 4. Температура подогрева свежего заряда
Величина подогрева свежего заряда ΔТ зависит от расположения и конструкции выпускного трубопровода, системы охлаждения двигателя и охлаждения выпускного трубопровода, быстроходности двигателя, наддува и других факторов. Повышение температуры улучшает процесс испарения топлива, но снижает плотность заряда и ухудшает наполнение двигателя:
|
для карбюраторных двигателей ….. |
0…20 ° ; |
|
дизелей без наддува ………….. |
10…40 ° ; |
|
двигателей с наддувом ………. |
0…30 °. |
Как правило, V–образные двигатели по сравнению с рядными имеют меньший подогрев заряда.
1. 5. Коэффициент избытка воздуха
Применяемое для расчета значение коэффициента избытка воздуха α в основном определяется типом двигателя и способом смесеобразования и находится в пределах:
|
для дизелей с нераздельными камерами сгорания и объемным смесеобразованием |
1,5…1,8 ; |
|
дизелей с камерой в поршне и объемно-пленочным смесеобразованием |
1,4…1,6 ; |
|
дизелей с предкамерами |
1,35…1,5 ; |
|
дизелей с вихревыми камерами |
1,25…1,4 ; |
|
карбюраторных двигателей |
0,85…0,9 ; |
|
дизелей с наддувом |
1,35…2,0. |
1. 6. Показатели политроп сжатия и расширения
Средний показатель политропы сжатия n1 зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя, степени сжатия, формы камеры сгорания, размеров цилиндра, материала поршня и головки цилиндров, теплообмена и других факторов.
Для современных двигателей средний показатель политропы сжатия находится в пределах:
|
для дизелей с нераздельными камерами сгорания |
1,38…1,4 ; |
|
дизелей с раздельными камерами сгорания |
1,35…1,38 ; |
|
карбюраторных двигателей |
1,34…1,39. |
При выборе n1, следует иметь в виду, что с увеличением частоты вращения двигателя показатель политропы увеличивается. Дизели с камерой в поршне имеют n1 близкий к 1,4.
Средний показатель политропы расширения n2 зависит от степени догорания топлива, интенсивности отвода тепла в процессе расширения, утечек через неплотности. Находится в пределах:
|
для дизельных двигателей ………………. |
1,2…1,27 ; |
|
карбюраторных двигателей ………… |
1,24…1,3. |
При этом меньшие значения относятся к высокооборотистым дизелям с невысокими степенями повышения давления. Показатель повышается с увеличением интенсивности охлаждения деталей двигателя и возрастанием утечек заряда через неплотности.
Для дизельных двигателей серии ЯМЗ средний показатель политропы n2 = 1,2…1,22.
1. 7. Коэффициент использования тепла
Коэффициент использования тепла ξ выражает долю используемого тепла на участке видимого сгорания (сz/z) на увеличение внутренней энергии и совершение работы. Величина его зависит от конструктивных особенностей двигателя, режима работы и регулировки двигателя, способа смесеобразования, формы камеры сгорания и других параметров. Чем совершеннее процесс смесеобразования и выше скорость сгорания, тем больше ξ. При поздних углах опережения зажигания и впрыска топлива возрастает догорание топлива в процессе догорания и ξ уменьшается. С увеличением частоты вращения относительная теплоотдача в стенки цилиндра уменьшается, но более значительное влияние оказывает догорание топлива, поэтому ξ снижается. Повышение степени сжатия и применение компактных камер сгорания приводит к увеличению ξ.
Коэффициент использования тепла ξ находится в пределах:
|
для дизелей с нераздельными камерами сгорания ……………. |
0,75…0,85 ; |
|
дизелей с раздельными камерами сгорания ………………. |
0,7…0,8 ; |
|
карбюраторных двигателей ………………………………… |
0,8…0,95. |
1. 8. Степень повышения давления
Степень повышения давления λ выбирается только для дизельных двигателей.
|
для дизелей с нераздельными камерами сгорания и объемным смесеобразованием ………………………………….. |
1,6…2,0 ; |
|
дизелей с камерой в поршне и объемно-пленочным и пленочным смесеобразованием ………………………………… |
1,5…1,8 ; |
|
дизелей с раздельными камерами сгорания ……………... |
1,4…1,7 . |
1 . 9. Коэффициент наполнения
По опытным данным коэффициент наполнения ηV при полной нагрузке двигателя составляет:
|
для карбюраторных двигателей ………………………… |
0,75…0,9 ; |
|
дизелей с неразделенными камерами сгорания …… |
0,78…0,94 ; |
|
дизелей с разделенными камерами сгорания ……… |
0,75…0,85 ; |
|
дизелей с наддувом ………………………………….. |
0,8…0,97. |
Нижние значения относятся к двигателям с высокой средней скоростью поршня.
2. Определение параметров состояния рабочего тела в характерных точках индикаторной диаграммы
После выбора и обоснования исходных данных для про цессов впуска, сжатия, расширения и выпуска должны быть определены давление и температура в характерных точках индикаторной диаграммы.
2. 1. Процесс впуска
Давление в конце впуска, МПа
|
для двигателей без наддува ; |
|
|
двигателей с наддувом. |
где Δр – потери давления вследствие сопротивления впускной системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре.
Потери давления приблизительно можно определить по уравнению Бернулли:
, МПа,
где β – коэффициент затухания скорости движения заряда,
ξВП – коэффициент сопротивления впускной системы,
WВП – средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы (в клапанах),
ρ – плотность заряда на впуске.
По опытным данным в современных автотракторных двигателях на номинальном режиме работы
(β2 + ξВП) = 2,5…4, WВП = 50…130 м/с.
Чем больше быстроходность двигателя и выше средняя скорость движения поршня, тем эти значения выше.
Плотность заряда (кг/м3) на впуске определяется по уравнению состояния идеального газа
или ,
где р0 и рК в МПа, Т0 и ТК в К,
R = 287 Дж/кгּК – удельная газовая постоянная воздуха.
Определив плотность заряда и задавшись значениями (β2 + ξВП) и WВП, находят потери давления Δра и давление в конце впуска ра.
Коэффициент остаточных газов
.
Температура в конце впуска,
, К.
2. 2. Процесс сжатия
Давления в конце сжатия
, МПа.
Температура в конце сжатия
, К.
2. 3. Процесс сгорания
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива L0,или l0, ,
;
,
где С, Н, О – массовые доли соответственно углерода, во дорода и кислорода в элементарном составе топлива (данные представлены в таблице 1);
0,21 – объемное содержание кислорода в 1 кг воз духа,
0,23 – массовое содержание кислорода в 1 кг воздуха.
Для автомобильных и тракторных двигателей применяются автомобильные бензины (ГОСТ 2084 – 77) и дизельное топливо (ГОСТ 305 – 82).
Таблица 1.
Элементарный состав и теплота сгорания топлива
|
Топливо |
Содержание в массовых долях |
Низшая теплота сгорания QH, кДж/кг |
Молярная масса топлива μт, кг/Кмоль |
||
|
С |
Н |
О |
|||
|
Автомобильный бензин |
0,855 |
0,145 |
- |
44000 |
110…120 |
|
Дизельное топливо |
0,87 |
0,125 |
0,005 |
42500 |
180…200 |
Действительное количество молей свежего заряда, ,
|
для дизелей …………………………… |
М1 = М; |
|
карбюраторных двигателей …….. |
М1 = М + 1/μт, |
где M = α · L0 - действительное количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива;
μт = 110…120 - молекулярная масса паров автомобильных бензинов.
Количество молей продуктов сгорания, ,
|
при α > 1 (сгорание в дизелях) ………… |
; |
|
α < 1 (сгорание в карбюраторных двигателях) ……………………………….. |
. |
Действительный коэффициент молекулярного измене ния рабочей смеси
,
где - коэффициент молекулярного изменения горючей смеси.
Температура в конце видимого сгорания, К
Температура конца видимого сгорания Тz определяется из уравнения сгорания, которое различно для дизелей и кар бюраторных двигателей.
В общем виде уравнение сгорания имеет вид
для дизелей (α > 1)
;
для карбюраторных двигателей (α < 1)
,
где ξ – коэффициент использования тепла;
QH – теплотворность топлива (кДж/кг);
Δ QH = 119,95·(1 – α)·L0·103 – неполнота сгорания (кДж/кг);
μCVC и μCVZ – средние мольные теплоемкости при пос тоянном объеме соответственно рабочей смеси и продуктов сгорания (кДж/кмоль·град).
Значения средних мольных теплоемкостей приближенно могут быть определены по выражениям:
для рабочей смеси, кДж/(кмоль·К),
;
для продуктов сгорания в дизеле, кДж/(кмоль·К),
;
для продуктов сгорания в карбюраторном двигателе, кДж/(кмоль·К),
.
Подставив значения теплоемкости, уравнение сгорания приводим к виду:
и определим температуру в конце видимого сгорания:
, К.
Давление в конце видимого сгорания, МПа
По температуре ТZ определяется давление газов в конце видимого сгорания:
для карбюраторных двигателей
pZ = β·pC·(TZ/TC);
для дизелей
pZ = λ·pC,
где λ – степень повышения давления, принятая при выборе исходных данных.
Степень предварительного расширения в дизеле находится по выражению
.
Для выполненных конструкций дизелей ρ = 1,2…1,7.
Степень повышения давления для карбюраторного двигателя λ = pZ/pC.
2. 4. Процесс расширения
В процесса расширения происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу.
Давление рв, МПа, и температура ТВ, К, в конце расширения определяются по уравнениям политропного процесса:
|
- в дизелях |
, |
; |
|
- в карбюраторных двигателях |
, |
, |
где δ = ε/ρ – степень последующего расширения.
3. Индикаторные и эффективные показатели двигателя
В ходе расчета должны быть определены индикаторные показатели цикла (среднее индикаторное давление pi, инди каторный КПД ηi, индикаторный удельный расход топлива gi) и эффективные показатели двигателей (среднее эффектив ное давление ре, механический КПД ηМ, эффективный КПД ηе и эффективный удельный расход топлива ge). Расчетом последовательно определяются:
Теоретическое среднее индикаторное давление, МПа,
дизеля
;
карбюраторного двигателя
.
Действительное среднее индикаторное давление, МПа,
pi = φ · pi',
где φ – коэффициент скругления (полноты) индикаторной диаграммы, принимаемой для карбюраторных двигателей φ = 0,94…0,97, для дизелей φ = = 0,92…0,95.
Индикаторный КПД цикла
,
где QH в МДж/кг.
Индикаторный удельный расход топлива, г/кВт·ч,
,
Здесь QH в МДж/кг. Значения индикаторных показателей автомобильных и тракторных двигателей при работе на полной нагрузке даны в таблице 1.
Среднее давление механических потерь, МПа
Среднее давление механических потерь рм определяется приближенно по эмпирическим формулам:
для дизелей с неразделенными камерами сгорания
рм = 0,088 + 0,0118 υп;
для дизелей с вихревыми камерами сгорания
рм = 0,088 + 0,0135 υп;
для дизелей с предкамерами
рм = 0,103 + 0,0153 υп;
для карбюраторных двигателей
при S/D > l, рм = 0,049 + 0,0152 υп;
при S/D < 1, рм = 0,039 + 0,0132 υп.
Средняя скорость поршня υп принимается по прототипу и определяется по выражению , м/сек, где S – ход поршня в м.
Среднее эффективное давление, МПа,
рe = pi - рМ.
Механический КПД двигателя
.
Эффективный КПД и эффективный удельный расход топлива, г/кВт·ч,
|
, |
. |
4. Определение диаметра цилиндра и ход поршня
Предварительно задаются отношением S'/D'. Чаще всего его берут таким же, как для конструктивного прототипа. Для определения рабочего объема цилиндра (л) используют известную формулу мощности, из которой следует, что:
,
где τ - тактность двигателя;
i - число цилиндров.
При расчете дизеля в формулу подставляется номиналь ная мощность NН и номинальное число оборотов nH; при рас чете карбюраторного двигателя - максимальная мощность NMAX и соответствующее ей максимальное число оборотов nmax.
После этого должны быть определены диаметр цилиндра D, мм, а затем ход поршня S, мм.
, .
Полученные значения S и D обычно округляют до четных чисел, нуля или пяти. По окончательно принятым значениям D и S определяют номинальную (максимальную) мощность двигателя. Полученное значение мощности не должно расхо диться с заданным или определенным при тяговом расчете машины более чем на 3%. В этом случае расчеты ведутся на заданную или принятую в тяговом расчете мощность и принятые значения D и S.
, кВт.
При расчете мощности двигателя диаметр и ход поршня подставляют в дм.
Если расхождение очень велико (более 3%), то следует проверить, нет ли ошибок в вычислениях, а затем уже про вести уточнение значений D и S, изменив одно из них или оба. Следует также проверить величину средней скорости поршня, и если найденное значение υп имеет отклонения больше чем на ± 1 м/сек от принятого при определении рм, то необходимо произвести повторный расчет всех эффективных показателей, диаметра и хода поршня. Затем определя ется литровая мощность двигателя. Данные теплового расчета NH, nH, ε, D, S, Vh, i, υп, pe, ge, ηе, Nл должны быть сведе ны в таблицу, в которой также будут помещены зна чения этих же показателей для прототипа и сделан анализ результатов рас чета.
Данные теплового расчета
|
Двигатель |
NH, кВт |
nH, мин-1 |
ε |
D, мм |
S, мм |
Vh, л |
υп, м/с |
ge, г/кВт·ч |
|
Проектируемый |
||||||||
|
Прототип |
5. Построение индикаторной диаграммы
Индикаторная диаграмма (рис. 1) должна быть построе на в координатах р - V. Существует несколько рекомендаций построения индикаторной диаграммы.
5. 1. Аналитический метод построений
Метод позволяет в дальнейшем, используя схему кривошипно-шатунного механизма, графи ческим путем контролировать правильность расчетов по оп ределению сил, действующих в кривошипно-шатунном меха низме. В этом случае рабочий объем цилиндра Vh по оси абсцисс откладывается в мм, численно равным ходу поршня (для больших значений S – в два раза меньше). Объем ка меры сгорания в миллиметрах будет:
.
Рис. 1. Индикаторная диаграмма дизельного двигателя
Рекомендуется принимать масштаб давления в 1 мм - 0,02 или 0,03 МПа. По оси давлений откладывается значе ние ра и проводится прямая, параллельная оси объемов. За тем наносятся характерные точки диаграммы, которые реко мендуется обозначать r, а, с, z΄, z, b.
Промежуточные точки политроп сжатия и расширения (8 – 10 точек) определяются по уравнениям, заменив в них отношение объемов отношениями отрезков:
|
для политроп сжатия |
; |
|
для политроп расширения |
. |
Расчетные значения промежуточных точек политроп сжатия и расширения заносят в таблицу 2.
После нанесения точек на диаграмму их соединяют плавными кривыми, характеризующими политропы сжатия и расширения. Линии, характеризующие процессы впуска и выпуска, проводятся условно по возможности ближе к линии давления р0. Расчетная диаграмма выполняется тонкими ли ниями. Для получения действительной индикаторной диа граммы выполняются округления, как это рекомендуется в литературе.
В карбюраторных двигателях положение точки с΄ (начало скругления в конце сжатия) определяется углом опережения зажигания (по прототипу), а положение точки с΄΄ (конец скругления) может быть определено из выражения . Действительное давление газов в конце видимого сгорания принимается . Скругле ние на индикаторной диаграмме дизеля должно быть таким, чтобы явно был выражен подвод тепла при постоянном дав лении (zД, z). От точки с΄΄ процесс сгорания изображается прямой, наклоненной под углом 1…2 ° по углу поворота коленчатого вала. Начало скругления на выпуске (точка b΄) выполняется с момента открытия выпускного клапана (по прототипу). Точка b΄΄ располагается примерно на половине расстояния между точками b и a.
В четырехтактном цикле дизеля точка с΄ является началом видимого сгорания и положение ее определяется по углу опережения впрыска топлива (по прототипу). Конец скругления (точка с") можно найти из выражения . Наклон линии скругления выполняется так, чтобы не было слияния в вертикальной линией сzД. Скругле ние на индикаторной диаграмме дизеля должно быть таким, чтобы явно был выражен подвод тепла при постоянном дав лении. Скругления на выпуске (точка b΄) выполняется так же, как для карбюраторного двигателя.
Угол опережения зажигания и угол опережения впрыска принимается по характеристике двигателя прототипа.
Таблица 2
Расчетные данные для построения индикаторной диаграммы
|
Объем |
VX1 = VA |
VX2 |
VX3 |
… |
VX = ρּVC |
VXN = VC |
|
Процесс сжетия |
||||||
|
1 |
||||||
|
1 |
||||||
|
Процесс расширения |
||||||
|
1 |
||||||
На индикаторной диаграмме двигателя следует нанести точки газораспределения и построить круговую диаграмму фаз газораспределения.
5. 2. Графический метод построения
При графическом методе, по наиболее распространенному способу Брауэра, политропы сжатия расширения строят следующим образом (рис. 2).
Из начала координат проводят луч ОС под произвольным углом, а к оси абсцисс (для получения достаточного количества точек на политропах) рекомендуется брать α = 15°. Далее из начала координат проводят лучи OD и ОЕ под определенными углами β1 и β2 к оси ординат. Эти углы определяют из соотношений
;
.
Политропу сжатия строят с помощью лучей ОС и ОВ. Из точки с проводят горизонталь до пересечения с осью ординат; из точки пересечения — линию под углом 45° к вертикали до пересечения с лучом ОО, а из этой точки — вторую горизонтальную линию, параллельную оси абсцисс. Затем из точки с проводят вертикальную линию до пересечения с лучом ОС; из точки пересечения — под углом 45° к вертикали линию до пересечения с осью абсцисс, а из этой точки — вторую вертикальную линию, параллельную оси ординат, до пересечения со второй горизонтальной линией. Точка пересечения этих линий будет промежуточной точкой 1 политропы сжатия. Точка 2 находится аналогичным путем при выборе точки 1 за начало построения.
Политропу расширения строят с помощью лучей ОС и ОЕ, начиная от точки z, аналогично построению политропы сжатия.
Рис. 2. Построение индикаторной диаграммы дизеля графическим методом
Для проверки правильности расчетов и построения планиметрируется индикаторная диаграмма (без учета насосных ходов) и определяется среднее индикаторное давление
,
где F – площадь индикаторной диаграммы, мм2;
l – длина индикаторной диаграммы, мм;
μр – масштаб давления, МПа/мм.
Отклонение среднего индикаторного давления, определен ного по диаграмме, от расчетного не должно превышать 0,025 МПа, то есть порядка 3%.
6. Построение скоростной характеристики
Скоростная характеристика двигателя строится в левом нижнем углу первого листа. Она должна вписываться в размер формата А3.
Для расчета и построения кривых эффективной мощности и эффективного удельного расхода топлива используются эмпирические формулы:
для дизелей
,
;
для карбюраторных двигателей
,
,
где NH и nH – номинальная мощность и номинальная частота вращения дизеля;
geн – эффективный удельный расход топлива при NH;
NMAX и nH – максимальная мощность и максимальная частота вращения карбюраторного двигателя;
geN – эффективный удельный расход топлива при NMAX;
nX – расчетные (текущие) частоты двигателя;
а, b, с, a1, b1, c1 – опытные коэффициенты (таблица 3).
Таблица 3
|
Тип двигателя |
а |
b |
c |
a1 |
b1 |
c1 |
|
Дизели: |
||||||
|
с неразделенной камерой сгорания |
0,87 |
1,13 |
1,0 |
1,55 |
l,55 |
1,0 |
|
с вихревой камерой |
0,7 |
1.3 |
1.0 |
1,35 |
1,35 |
1,0 |
|
с предкамерой |
0,6 |
1,4 |
1,0 |
1,2 |
1,2 |
1,0 |
|
Карбюраторные двигате ли |
1,0 |
1,0 |
l,0 |
1,2 |
1,0 |
0,8 |
Рис. 3. Скоростная характеристика карбюраторного двигателя
Рис. 4. Скоростная характеристика дизельного двигателя:
Крутящийся момент (Н·м) и часовой расход топлива (кг/ч) находятся по формулам:
Здесь NEX в кВт, nX в мин-1, gEX в г/кВт·ч.
Расчеты выполняются для 8 – 12 скоростных режимов двигателя от nmin (600 … 800 мин-1) до nН (nN) через 200 … 300 мин-1.
Для построения регуляторных ветвей характеристики дизеля следует задаться степенью неравномерности вращения двигателя (δ = 0,05 … 0,1) или принять ее по прототипу и определить максимальную частоту вращения:
.
Расход топлива на максимальной частоте вращения принимается:
GTXX = (0,17…0,2)·GTH.
В записке дается пример расчета для какого-либо одного скоростного режима. Результаты расчетов помещают в таблицу.
|
Частота вращения, мин-1 |
||||||
|
nX1 = nMIN |
nX2 |
nX3 |
… |
nH (nN) |
nМАХ |
|
|
Nex, кВт |
||||||
|
МХХ, Н·м |
||||||
|
gех, г/кВт·ч |
||||||
|
GTX, кг/ч |
По данным расчетов строятся кривые скоростной характеристики. Скоростная характеристика карбюраторного двигателя представлена на рис. 3, дизельного двигательного двигателя – на рис. 4. Отмечаются точки Ммах, gemin и соответствующие им числа оборотов. Для дизеля должны быть построены регуляторные ветви скоростной характеристики.
Необходимо отметить, что приведенные выше эмпирические формулы и относительные внешние скоростные характеристики в ряде случаев дают результаты, существенно отличающиеся от действительных значений Ne и ge, полученные путем испытания двигателей на тормозных установках. Поэтому формулами и соотношениями допустимо пользоваться только в учебных целях.
При построении скоростных характеристик используют масштаб, при котором 10 мм соответствует величинам:
|
частота вращения при nmax, об/мин, |
|
|
< 1600 ……………………………………… |
100 |
|
1600 … 3200 ………………………………. |
200 |
|
> 3200 ……………………………………… |
250 |
|
часовой расход топлива при Gт max, кг/ч, |
|
|
< 10 ………………………………………... |
0,5 |
|
10 … 20 ……………………………………. |
1 |
|
> 20 ………………………………………… |
2 |
|
эффективная мощность при Ne max, кВт, |
|
|
< 100 ……………………………………….. |
5 |
|
> 100 ……………………………………….. |
10 |
|
крутящий момент Me, Нּм, …………………….. |
50 |
|
удальный расход топлива ge, г/кВтּч, …………. |
50 |
Приложение 1
Фазы газораспределения автотракторных двигателей
(в градусах поворота коленчатого вала)
|
Двигатель |
Впускной клапан |
Выпускной клапан |
Продолжительность открытия клапанов |
Угол пере-крытия |
|||
|
открытие до В.М.Т. |
закрытие после Н.М.Т. |
открытие до Н.М.Т |
закрытие после В.М.Т. |
впускного |
выпускного |
||
|
Карбюраторные двигатели |
|||||||
|
ВАЗ-2101 |
20 |
69 |
67 |
22 |
269 |
269 |
42 |
|
ВАЗ-2102 |
20 |
69 |
67 |
22 |
269 |
269 |
42 |
|
ВАЗ-21021 |
20 |
69 |
67 |
22 |
269 |
269 |
42 |
|
ВАЗ-21023 |
20 |
69 |
67 |
22 |
269 |
269 |
42 |
|
ВАЗ-2107 |
20 |
69 |
67 |
22 |
269 |
269 |
42 |
|
ГАЗ-3102 |
12 |
60 |
54 |
18 |
252 |
252 |
30 |
|
ГАЗ-53-12 |
36 |
52 |
70 |
18 |
268 |
268 |
54 |
|
ГАЗ-51 |
9 |
51 |
47 |
13 |
240 |
240 |
22 |
|
ГАЗ-53 |
24 |
64 |
50 |
22 |
268 |
252 |
46 |
|
ЗИЛ-120 |
20 |
69 |
67 |
22 |
269 |
269 |
42 |
|
ЗИЛ-130 ЗИЛ-131 |
31 |
83 |
67 |
47 |
294 |
294 |
78 |
|
ЗИЛ-164 |
12,5 |
59,5 |
44,5 |
27,5 |
252 |
252 |
40 |
|
ЗИЛ-375 |
16 |
71 |
52 |
35 |
267 |
267 |
51 |
|
МеМЗ-968А |
10 |
46 |
46 |
10 |
236 |
236 |
20 |
|
АЗЛК-408 |
21 |
55 |
57 |
19 |
256 |
256 |
40 |
|
АЗЛК-412 |
27 |
65 |
75 |
18 |
272 |
273 |
45 |
|
Дизельные двигатели |
|||||||
|
А-01 А-41 А-41Т |
20 |
50 |
50 |
20 |
250 |
250 |
40 |
|
Д-108 Д-120 Д-144 Д-145Т |
16 |
40 |
40 |
16 |
236 |
236 |
32 |
|
Д-160 |
8 |
37 |
47 |
10 |
225 |
237 |
18 |
|
Д-240 Д-240Т Д-241Л Д-245.12 |
16 |
46 |
56 |
18 |
242 |
254 |
34 |
|
СМД-14 СМД-16 СМД-18 |
10 |
46 |
56 |
10 |
236 |
246 |
20 |
|
СМД-60 СМД-62 СМД-63М СМД-66 |
3 |
45 |
65 |
8 |
228 |
253 |
11 |
|
ЯМЗ-236 ЯМЗ-238 |
20 |
46 |
66 |
20 |
246 |
266 |
40 |
|
ЯМЗ-240 |
20 |
56 |
56 |
20 |
256 |
256 |
40 |
|
КамАЗ-740 |
10 |
46 |
66 |
10 |
236 |
256 |
20 |
Приложение 2
Технические характеристики карбюраторных двигателей
|
Модель двигателя |
Номинальная мощность Ne, кВт |
Частота вращения колен. вала n, мин-1 |
Число и располо-жение цилиндров |
Степень сжатия ε |
Диаметр цилиндра D, мм |
Ход поршня S, мм |
Рабочий объём двигателя VЛ, л |
Минимальный удельный расход топлива ge, г/кВт·ч |
|
ВАЗ-2101 |
47,1 |
5600 |
4-Р |
8,5 |
76 |
66 |
1,197 |
313 |
|
ВАЗ-2102 |
58,7 |
5600 |
4-Р |
8,5 |
76 |
66 |
1,197 |
313 |
|
ВАЗ-21021 |
63,7 |
5600 |
4-Р |
8,5 |
76 |
66 |
1,197 |
313 |
|
ВАЗ-21023 |
71,1 |
5600 |
4-Р |
8,5 |
76 |
66 |
1,197 |
313 |
|
ВАЗ-2107 |
55,6 |
5600 |
4-Р |
8,5 |
76 |
66 |
1,197 |
313 |
|
УМЗ-451 |
52,8 |
4000 |
4-Р |
6,7 |
92 |
92 |
2,45 |
341 |
|
ГАЗ-52-04 |
55,1 |
2600 |
6-Р |
6,7 |
82 |
110 |
3,484 |
341 |
|
Иж-21251 |
58,7 |
5800 |
4-Р |
8,8 |
82 |
70 |
1,478 |
307 |
|
ГАЗ-24-01 |
62,3 |
4500 |
4-Р |
6,7 |
92 |
92 |
2,445 |
307 |
|
ЗМЗ-53(66) |
84,4 |
3200 |
8-V |
6,7 |
92 |
80 |
4,252 |
313 |
|
ЗИЛ-375 |
132,0 |
3200 |
8-V |
6,5 |
108 |
95 |
6,959 |
320 |
|
ЗИЛ-130 |
170 |
3600 |
8-V |
6,5 |
100 |
95 |
6,0 |
240 |
|
ЗМЗ-4022 |
77,2 |
4750 |
4-Р |
8,0 |
92 |
92 |
2,445 |
306 |
|
МеМЗ-968А |
33,1 |
4200 |
4-V |
8,8 |
76 |
66 |
1,2 |
333 |
|
МЗМА-412 |
55,2 |
5800 |
4-Р |
8,8 |
82 |
70 |
1,48 |
306 |
Приложение 3
Технические характеристики дизельных двигателей
|
Модель двигателя |
Турбо-наддув |
Номинальная мощность Ne, кВт |
Частота вращения колен. вала n, мин-1 |
Число и располо-жение цилиндров |
Степень сжатия, ε |
Диаметр цилиндра D, мм |
Ход поршня S, мм |
Рабочий объём двигателя VЛ, л |
Минимальный удельный расход топлива ge, г/кВт·ч |
|
А-01 |
80,9 |
1600 |
6-Р |
16,5 |
130 |
140 |
11,15 |
251 |
|
|
А-01М |
95,6 |
2000 |
6-Р |
16,5 |
130 |
140 |
11,15 |
251 |
|
|
А-41Т |
93,4 |
1750 |
4-Р |
16,5 |
130 |
140 |
7,45 |
251 |
|
|
А-41 |
66,2 |
1750 |
4-Р |
16,5 |
130 |
140 |
7,45 |
251 |
|
|
Д-108 |
79,4 |
1070 |
4-Р |
14 |
145 |
205 |
13,53 |
250 |
|
|
Д-120 |
23,5 |
2000 |
2-P |
16,5 |
105 |
120 |
2,08 |
238 |
|
|
Д-130 |
102,9 |
1070 |
4-Р |
14 |
145 |
205 |
13,53 |
238 |
|
|
Д-144 |
46 |
2200 |
4-Р |
16,5 |
105 |
120 |
4,15 |
231 |
|
|
Д-145Т |
62,5 |
2200 |
4-P |
16,5 |
105 |
120 |
4,15 |
231 |
|
|
Д-160 |
117,6 |
1250 |
4-Р |
14 |
145 |
205 |
13,53 |
256 |
|
|
Д-240 |
+ |
56 |
2200 |
4-Р |
16,0 |
110 |
125 |
4,75 |
240 |
|
Д-240Т |
+ |
73,6 |
2600 |
4-Р |
16,0 |
110 |
125 |
4,75 |
240 |
|
Д-241Л |
+ |
51,5 |
2100 |
4-Р |
16,0 |
110 |
125 |
4,75 |
240 |
|
Д-245.12 |
+ |
80 |
2400 |
4-Р |
15,1 |
125 |
100 |
4,75 |
245 |
|
КамАЗ-740 |
+ |
154,4 |
2600 |
8-V |
17 |
120 |
120 |
10,85 |
224 |
|
СМД-14 |
55,1 |
1700 |
4-Р |
17 |
120 |
140 |
6,33 |
266 |
|
|
СМД-60 |
+ |
116,2 |
2000 |
6-V |
15 |
130 |
115 |
9,15 |
238 |
|
СМД-62 |
+ |
121,3 |
2100 |
6-V |
15 |
130 |
115 |
9,15 |
238 |
|
СМД-63М |
+ |
159 |
2100 |
6-V |
15 |
130 |
115 |
9,15 |
238 |
|
СМД-66 |
+ |
129 |
1900 |
6-V |
15 |
130 |
115 |
9,15 |
238 |
|
СМД-80 |
+ |
195 |
2100 |
6-V |
15 |
130 |
115 |
9,15 |
231 |
|
ЯМЗ-236 |
- |
132,4 |
2100 |
6-V |
16,5 |
130 |
140 |
11,14 |
238 |
|
ЯМЗ-236Н |
- |
143 |
2100 |
6-V |
16,5 |
130 |
140 |
11,15 |
214 |
|
ЯМЗ-236Г |
- |
110 |
1700 |
6-V |
16,5 |
130 |
140 |
11,15 |
220 |
|
ЯМЗ-236Д |
- |
129 |
2100 |
6-V |
16,5 |
130 |
140 |
11,15 |
220 |
|
ЯМЗ-236НЕ |
+ |
169 |
2100 |
6-V |
16,5 |
130 |
140 |
11,15 |
206 |
|
ЯМЗ-236Б2 |
+ |
184 |
2000 |
6-V |
16,5 |
130 |
140 |
11,15 |
208 |
|
ЯМЗ-238 |
- |
176,5 |
2100 |
8-V |
16,5 |
130 |
140 |
14,86 |
238 |
|
ЯМЗ-238Н |
- |
235 |
2100 |
8-V |
16,5 |
130 |
140 |
14,86 |
245 |
|
ЯМЗ-238 НБ |
- |
161,8 |
1700 |
8-V |
16,5 |
130 |
140 |
14,86 |
238 |
|
ЯМЗ-238М2 |
- |
176 |
2100 |
8-V |
16,5 |
130 |
140 |
14,86 |
214 |
|
ЯМЗ-238Б1 |
+ |
220 |
2000 |
8-V |
16,5 |
130 |
140 |
14,86 |
204 |
|
ЯМЗ-238БЛ |
+ |
228 |
2000 |
8-V |
16,5 |
130 |
140 |
14,86 |
208 |
|
ЯМЗ-238НД |
+ |
173 |
1700 |
8-V |
16,5 |
130 |
140 |
14,86 |
220 |
|
ЯМЗ-240 |
+ |
264,8 |
2100 |
12-V |
16,5 |
130 |
140 |
22,29 |
238 |
|
ЯМЗ-240М2 |
+ |
265 |
2100 |
12-V |
16,5 |
130 |
140 |
22,29 |
214 |
|
ЯМЗ-240ПМ |
+ |
309 |
2100 |
12-V |
16,5 |
130 |
140 |
22,29 |
211 |
|
ЯМЗ-240НМ |
+ |
368 |
2100 |
12-V |
16,5 |
130 |
140 |
22,29 |
208 |
СОДЕРЖАНИЕ
|
Указания к оформлению пояснительной записки |
|
|
1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ |
|
|
1. 1. Выбор и обоснование исходных данных к тепловому расчету |
|
|
1. 1. 1. Давление и температура окружающей среды |
|
|
1. 1. 2. Давление остаточных газов |
|
|
1. 1. 3. Температура остаточных газов |
|
|
1. 1. 4. Температура подогрева свежего заряда |
|
|
1. 1. 5. Коэффициент избытка воздуха |
|
|
1. 1. 6. Показатели политроп сжатия и расширения |
|
|
1. 1. 7. Коэффициент использования тепла |
|
|
1. 1. 8. Степень повышения давления |
|
|
1. 1 . 9. Коэффициент наполнения |
|
|
1. 2. Определение параметров состояния рабочего тела в характерных точках индикаторной диаграммы |
|
|
1. 2. 1. Процесс впуска |
|
|
1. 2. 2. Процесс сжатия |
|
|
1. 2. 3. Процесс сгорания |
|
|
1. 2. 4. Процесс расширения |
|
|
1. 3. Индикаторные и эффективные показатели двигателя |
|
|
1. 4. Определение диаметра цилиндра и ход поршня |
|
|
1. 5. Построение индикаторной диаграммы |
|
|
1. 6. Построение скоростной характеристики |
|
|
Библиографический список |
|
|
Приложения |
|
Библиографический список:
Тепловой расчет двигателя
Составители: В.Е. Харламов, И.К. Морозихина, К.С. Крылов, А.А. Чугунов
Редактор: Т.С. Синицына
Технический редактор:
|
Подписано в печать Формат 64х84/16 Физ. печ. л. 1,75 Тираж 100 экз. |
Усл. печ. л. 1,63 Заказ № 8 |
Бумага писчая Уч.-изд. л. 1,52 С - 8 |
Издательство ТГТУ