Тепловой и динамический расчет двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ТЕПЛОВОЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

1.1 Определение номинальной эксплуатационной массы трактора

Эксплуатационная масса включает в себя конструктивную массу трактора, массу заправочных материалов, инструмента, водителя и балласта, который может применять для увеличения сцепной массы колесных тракторов схемы 4х2.

Номинальную эксплуатационную массу трактора определяем из тягового баланса при условии, что трактор движется по горизонтальному участку, с постоянной скоростью, по стерне средней плотности и влажности.

m=РH/((ц*лK-f)* g),

где РH - номинальное тяговое усилие трактора, заданное классом тяги, Н; PН=40000 Н

g - ускорение свободного падения, м/с 2; g=9,8м/с 2.

лK-коэффициент нагрузки ведущих колес, принимается равным 0,7-0,8 для тракторов 4x2 и 1 - для гусеничных и колесных тракторов 4x4; Принимаем лK=1.

f - коэффициент сопротивления качению, выбираем; f=0,1.

ц-допустимая величина коэффициента использования сцепной массы при допустимом буксовании и номинальной нагрузке на крюке (для колесных тракторов 0,5…0,65, для гусеничных-0,55…0,65 ); ц=0,5.

m=40000/((0,5•1-0,1) •9,8)=10204кг .



1.2 Определение номинальной мощности двигателя

Номинальная мощность двигателя (кВт) определяется из условия реализации номинального тягового усилия на крюке Рн (Н), заданного тяговым классом трактора, при равномерном движении на горизонтальном участке стерневого поля с заданной скоростью движения VT на первой передаче основного ряда. Подсчет номинальной мощности двигателя произведем по формуле:

Nн = ((Рн + f *m*g)*VT)/(3600* Ю*Z)

где Vт - скорость трактора, соответствующая номинальному тяговому усилию, VT=6 км/ч; Z- коэффициент эксплуатационной нагрузки двигателя, принимаем Z=0,9;

Ю- КПД трансмиссии.

Для колесных тракторов КПД трансмиссии определим по формуле:

Ю=Юn** (1-о),

где Ю,-КПД цилиндрических и конических пар шестерен; Ю=0,99, =0,98; ,-число пар цилиндрических и конических шестерен трансмиссии, передающих крутящий момент; 6, =2;

о - коэффициент, учитывающий потери на холостое прокручивание трансмиссии; о=0,05



Ю = 0,99 6• 0,98 2•(1-0,05) = 0,86.

Nн=((40000 + 0,1 • 10204• 9,8) •6)/(3600 • 0,86 • 0,9)=107,7 кВт

1.3 Тепловой расчет двигателя и определение его основных параметров

1.3.1 Давление Pa и температура Ta в конце процесса впуска

Задаем давление в конце впуска двигателей с наддувом

Pa = (0,9…0,96)Pк ,

где Pк - давление наддува на выходе из компрессора, МПа.

Давление в конце впуска можно определить по формуле:

Pa = 0,96*0,15 = 0,144 МПа

Температура в конце впуска определяется по формуле:

,

где Т0 - температура окружающей среды, 288 К,

Тк - температура воздуха перед впускной системой, К,

ДТ - температура подогрева заряда, К, ДТ = 20 К;

- коэффициент остаточных газов, = 0,05;

Тr - температура в конце выпуска, К, Тr = 800 К.



Тк = ;

,

1.3.2 Коэффициент наполнения зv двигателей без наддува определяется по формуле

,

где е - степень сжатия, принимаем е = 15;

- давление, = 0,15 МПа.

.

1.3.3 Процесс сжатия

Для расчетов уравнений политропического процесса определяем политропу сжатия по эмпирической формуле В.А Петрова:

,

где n - частота вращения коленчатого вала, мин-1 (по заданию n = 2150 мин-1)

,



Давление Рс и температура Тс в конце сжатия определяем по уравнениям политропического процесса:

,

,

Подставив все известные величины, получим:

;

.

1.3.4 Расчет количества газов, находящихся в цилиндре в конце процесса сжатия

Теоретическое количество воздуха, , необходимое для сгорания 1 кг топлива с составом С, Н, О:

,

где С, Н, О - весовая доля соответствующих компонентов в 1 кг топлива.

Для дизельного топлива С = 0,857; Н = 0,133, О = 0,01.

Выразим данное соотношение в кмоль/кг.



кмоль/кг.

Действительное количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива:

,

где Ь - коэффициент избытка воздуха, принимаем Ь = 1,65

кмоль/ кг.

Кроме поступившего воздуха в цилиндре находятся остаточные газы, количество которых:

кмоль/ кг

Общее количество газов, находящихся в цилиндре в конце сжатия

кмоль/ кг

Средняя молярная теплоемкость для свежей смеси (воздуха) без учета влияния остаточных газов приближенно определяем как:

кДж/кмоль?град.



1.3.5 Процесс сгорания

Число молей продуктов сгорания 1 кг топлива при Ь >1 определяется по формуле:

кмоль/ кг.

С учетом остаточных газов, количество газов, находящихся в цилиндре в конце сгорания определяем как:

кмоль/ кг.

Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси:

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

Средняя молярная теплоемкость при постоянном объеме для продуктов сгорания жидкого топлива дизелей:



Температуру в конце сгорания в дизельном двигателе определяем по уравнению:

,

где Qн - низшая удельная теплота сгорания дизельного топлива, принимается 42500 кДж/ кг;

о - коэффициент использования теплоты, о = 0,8;

л = Pz/Pc - степень повышения давления, принимаем л = 1,5.

При подстановке уравнения (1.19) в уравнение (1.20) получаем квадратное уравнение вида:

Решая данное квадратное уравнение, найдем корни, один из которых (положительный) будет являться температурой сгорания Tz.

Дискриминант данного уравнения:

корни данного квадратного уравнения

(корень не подходит к данным расчетам, т. к. температура сгорания не может быть отрицательной величиной), следовательно, не вычисляем.

Максимальное давление, МПа, в конце сгорания (теоретическое) в дизельных двигателях:

Степень предварительного расширения

После подстановки получим:

1.3.6 Процесс расширения

Давление Pв и температуру Tв газов в конце процесса расширения определяем по формулам:

Подставляя у = 9,74, получим:



где n2 - показатель политропы расширения, принимаем n2 = 1,25.

К.

1.4 Определение индикаторных и эффективных показателей двигателя

1.4.1 Определение величины среднего индикаторного и эффективного давления

Величина среднего теоретического индикаторного давления подсчитывается аналитическим путем: для дизельных двигателей по следующей формуле:

,

где л - степень повышения давления, л = 1,5;

Величина среднего действительного индикаторного давления меньше теоретического за счет неполноты индикаторной диаграммы и насосных потерь.

,

где ?Р = Pr - Pa, - потери давления на вспомогательные ходы (всасывание и выпуск) ?P = 0,15 - 0,144= 0,006 МПа;



н - коэффициент неполноты индикаторной диаграммы, равный н = 0,95.

МПа.

Среднее эффективное давление определяем по формуле:

,

где Рм - среднее давление механических потерь. Приняв для нашего двигателя Рм = 0,2 МПа, получим:

МПа.

1.4.2 Определение основных размеров двигателя

Литраж двигателя, л:

,

где ф - тактность двигателя, (исходя из того, что наш двигатель четырехтактный, ф = 4).

Рабочий объем цилиндра, л:

,

где i - количество цилиндров.

Диаметр цилиндра, мм:

где с= S/D - отношение хода поршня к диаметру цилиндра, с= 0,7…1,1, (примем с = 0,9).

Принимаем D=120мм

Ход поршня, мм:

мм.

Полученное значение диаметра поршня и хода поршня округляем до ближайшего размера реального двигателя, с учетом вышеизложенного имеем D = 120 мм; S = 108 мм.

Радиус кривошипа, мм:

,

мм.



Длина шатуна, мм:

Для современных двигателей л = (1/3,5…1/4,2), примем л = 0,25.

мм.

Площадь поршня, мм 2:

.

Средняя скорость поршня, м/с:

.

1.4.3 Определение индикаторных и эффективных показателей двигателя

Индикаторный КПД определяется по формуле:

,

где ск- плотность воздуха на впуске при температуре окружающей среды То=393,1К, ск =1,23 кг/м3



Индикаторный удельный расход топлива (г/кВтч) определяем по формуле: трактор сжатие двигатель молекулярный

.

Механический КПД двигателя

.

Эффективный КПД:

.

Эффективный удельный расход топлива (г/кВтч)

,

.

Номинальный эффективный крутящий момент двигателя, (Н?м) определим по формуле:

;

.

Номинальный часовой расход топлива (кг/ч) определим по формуле:

,

.

Литровая мощность двигателя кВт/л:

;

.

Результаты теплового расчета двигателя и его основные размеры заносятся в таблицу 1.1

Таблица 1.1 - Параметры двигателя.

Давление газов, МПа	Температура газов, К	Среднее индикаторное давление, МПа	КПД	Размеры двигателя, мм	Уд. расх. г/кВтч
Ра	Рс	Pz	Pz'	Рв	Та	Тс	Tz	Тв		Pi	зi	зм	зе	S, мм	D, мм	Vh, л	qe
0,144	5,73	8,6	8,6	0,5	376,8	998,9	2257,11	1277,7	1,22	1,29	0,33	0,78	0,26	108	120	1,503	325,8



1.5 Построение индикаторной диаграммы

По данным теплового расчета построим диаграмму в P-V координатах. Для построения индикаторной диаграммы масштаб давления выбираем такой:

Масштаб давления Мр = 0,05 МПа/мм,

Масштаб объема Мv = 0,007 м3/кг/мм.

По оси абсцисс откладываем объем:

,

,

,

Через точки Pz, Pa, Pb проводим прямые, параллельные оси абсцисс. Точки а и с соединяем политропой сжатия, а, z и b - политропой расширения. Путем вычисления промежуточных давлений различных значений Vx:

для политропы сжатия

для политропы расширения

Px = Pb(Vb/Vx)n2

Действительно индикаторная диаграмма отличается от построенной скругленностью в точке a, b, с, z и r. По построенной диаграмме определяется среднее теоретическое индикаторное давление:



Pi = м(F/) ,

где F - площадь индикаторной диаграммы, после подсчета получим

F = 1800 мм 2;

- длина диаграммы, = 93мм;

м - масштаб давлений, МПа /мм.

Pi = 0,05 (1800/93)=1.

Точность построения оцениваем коэффициентом погрешности:

= (Pi'-Pi)100/Pi ,

= (1,03-1)*100/1 = 3%

1.6 Динамический расчет двигателя

На детали кривошипно-шатунного механизма действуют силы давления газов в цилиндре и силы инерции движущихся масс деталей.

При выполнении динамического расчета двигателя целесообразно пользоваться не полными, а удельными силами, отнесенными к единице площади поршня. Удельную суммарную силу (МПа), действующую на поршень, определяем алгебраическим сложением избыточного давления над поршнем и удельных сил инерции

P=?Pr+Pj,

где ?Pr = Pr - P0 - избыточное давление над поршнем, МПа;

Pr - текущее значение давление газов по индикаторной диаграмме, МПа;

P0 - атмосферное давление, МПа;

Pj - удельная сила инерции, МПа;

1.6.1 Определение удельной силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс

В кривошипно - шатунном механизме расчёт удельной силы инерции определяем по формуле

Pj= -(т·r·щ2/Fп)· (cosб+л·cos2б),

где m - масса возвратно - поступательно движущихся частей, кг

Масса m определяем по формуле:

т=тп+0,275·тш,

где тп - масса поршневого комплекта, кг;

тш - масса шатуна, кг

Приближенно масса поршней из алюминиевого сплава определяется по площади поршня в м2:

для дизельных двигателей

тп=300·Fп, кг;

тп = 300· 0,011304 = 3,39 кг

Массу шатуна (кг) определяем:

для дизельных двигателей

тш=300·Fп, кг;

тш = 300· 0,011304 = 3,39 кг



m = 3,39 + 0,275· 3,39 = 4,32 кг

Частоту вращения коленчатого вала принимаем при номинальном скоростном режиме двигателя:

щ=р·nн/30,

щ=3,14·2150/30 = 225,03 с -1

Инерционное усилие подсчитываем по формуле (1.55) для двенадцати положений кривошипа через 30° поворота. Результаты расчетов сводим в табл. 1.2.

Таблица 1.2. - расчет инерционных усилий

б	cosб	cos2б	Лcos2б	cosб+лcos2б	Pj, МПа	б
1	2	3	4	5	6	7
0	1,00	1,00	1,50	2,5	-2,63	360
30	0,866	0,50	0,75	1,616	-1,70	330
60	0,50	-0,50	-0,75	-0,25	0,26	300
90	0,00	-1,00	-1,50	-1,5	1,58	270
120	-0,50	-0,50	-0,75	-1,25	1,31	240
150	-0,866	0,50	0,75	-0,116	0,12	210
180	-1,00	1,00	1,50	0,5	-0,53	180

По данным таблицы 1.2 строится диаграмма инерционных усилий.



Приложения

Рис. 1.1 Индикаторная диаграмма



Размещено на Allbest.ru

...