Розрахунок ЗІЛ-130

 

Зміст

  

Завдання……………………………………………………………………..

Вступ…………………………………………………………………………

1. Хімічні  реакції при горінні палива………………………………………

2. Розрахунок  процесів дійсного циклу……………………………………

3. Розрахунок  індикаторних та ефективних показників  дійсного циклу двигуна………………………………………………………………………..

4. Розрахунок  параметрів циліндра та тепловий баланс двигуна…………

5. Побудова зовнішньої швидкісної характеристики двигуна……………

6. Кінематичний розрахунок кривошипно-шатуного механізму………….

7. Побудова індикаторної діаграми циклу двигуна………………………..

8. Динамічний розрахунок кривошипно-шатунного механізму…………..

9. Розрахунок шатуна, кришки шатуна і поршневого пальця .…………...

Висновки………………………………………………………………………

Література………………………………………………………………….....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

 

Вступ

 

За останні  сто років будова автомобіля принципово не змінилася.

Він як і  раніше має колеса, кузов, чотиритактний  двигун внутрішнього згоряння, трансмісію, механізми керування. Проте всі  вузли, агрегати, механізми й системи автомобіля дістали колосальний розвиток і істотно ускладнилися. Завдяки цьому різко зросли швидкості, підвищилася потужність, економічність, комфортабельність автомобілів, поліпшився їхній дизайн. Крім того, розширилася номенклатура застосовуваних деталей і збільшилася їхня кількість. Сучасні автомобілі мають елементи автоматизації, а більшість іноземних – обладнуються комп’ютерами.

На даний  час основними задачами вдосконалення  автомобільних двигунів є: зниження паливної економічності та питомої  маси двигунів, вартості їх виробництва  і експлуатації та підвищення їх надійності. На принципово новий рівень ставиться  боротьба з токсичними викидами в  атмосферу, а також задачі щодо зниження їх шуму. Більше уваги приділяється використанню ПЕОМ при розрахунках  і випробовуваннях.

Виконання цих задач вимагає від спеціалістів, зв’язаних з виробництвом і експлуатацією  двигунів, глибоких знань теорії, конструкції  та розрахунку двигунів внутрішнього згоряння. Двигуни розраховані такими спеціалістами повинні мати такі показники: висока продуктивність, економічність, міцність, надійність, малі маса і металомісткість, габарити, енергоємність, обсяг і  вартість ремонтних робіт, витрати  на оплату праці обслуговуючому персоналу, високий технічний ресурс і ступінь  автоматизації, простота і безпека  обслуговування.  

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


1. Хімічні реакції при горінні палива

1.1.Теоретично необхідна кількість повітря для згоряння 1 кг палива

, кг.повітря/кг.палива.

                l0=

кг.повітря/кг.палива.

Склад палива: бензинів – С = 0,870; Н = 0,145; О = 0; дизельного палива –

С = 0,870; Н = 0,126; О = 0,004. Вид палива повинен відповідати  прототипу двигуна, що заданий у  таблиці вихідних параметрів.

1.2. Теоретично необхідна кількість повітря для згоряння палива

, кмоль.повітря/кг.палива.

                 L0=

кмоль.повітря/кг.палива.

1.3. Коефіцієнт надлишку повітря a у режимі номінальної потужності приймають у відповідності з варіантом. a=0,82

1.4. Кількість свіжого заряду

 

, кмоль свіжого заряду/кг.палива.

                M1=

кмоль свіжого заряду/кг.палива.

1.5. Кількість двоокису вуглецю (СО2) у продуктах згоряння

за умови:

a<1,    , кмоль/кг.палива,

              M CO2= кмоль/кг.палива,

де  ; для нафтових рідких палив  к = 0,45...0,53.

1.6. Кількість окису вуглецю (СО) у продуктах згоряння

за умови:

a<1,              , кмоль/кг.палива.

MCO=

кмоль/кг.палива.

1.7. Кількість водяної пари (Н2О) у продуктах згоряння

за умови:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

        a<1,  , кмоль/кг палива.

MH2O= кмоль/кг палива.

1.8. Кількість водню (Н2) у продуктах згоряння

за умови:

a<1,  , кмоль/кг палива.

      кмоль/кг палива.

1.9. Кількість кисню (О2) у продуктах згоряння

за умови:

a<1,  , кмоль/кг.палива.

1.10. Кількість азоту (N2) у продуктах згоряння

, кмоль/кг.палива.

                   

кмоль/кг.палива.

1.11. Загальна кількість продуктів згоряння рідкого палива

, кмоль/кг.палива.

               

кмоль/кг.палива.

1.12. Зміна кількості робочого тіла при згорянні палива

, кмоль/кг.палива.

                          

кмоль/кг.палива.

1.13. Коефіцієнт молекулярної зміни паливної суміші

. 

1.14. Нижча теплота згоряння рідкого палива за формулою Менделєєва

    , кДж/кг.палива.

  кДж/кг.пал.

Вміст сірки S та вологи W у паливі приймають рівними 0.

1.15. Хімічна неповнота згоряння

за умови: a<1,

      , кДж/кг палива.

  = кДж/кг палива.

1.16. Теплота згоряння паливної суміші

               , кДж/кмоль пал.суміші.


   Hпал.сум= кДж/кмоль пал.суміші.

 


2.  Розрахунок процесів дійсного  циклу

 

2.1. Тиск навколишнього середовища  для розрахунків Р0 = 0,100 МПа.

2.2. Температура навколишнього  середовища для розрахунків Т0 = 293 К.

2.3. Тиск середовища, звідки  повітря надходить у циліндр приймають за таблицею вихідних параметрів. У випадку відсутності наддуву Рк = Р0.

2.4. Температура середовища, звідки повітря надходить у  циліндр 

, К,

             

де  nк - показник політропи стиску повітря у турбокомпресорі (nк = 1,4...2,0).

При відсутності  наддуву  Рк = Р0, а Тк = Т0.

2.5. Тиск залишкових газів  у циліндрі двигуна перед початком  процесу наповнення:

      Pr= 0,11 Мпа

2.6. Температура залишкових газів Tr =1050Co

2.7. Густина заряду при  наповненні:


 

 

  кг/м3

де  В = 287Дж/кг×град - питома газова стала.

При відсутності  наддуву приймають .

2.8. Втрати тиску при  наповненні

, МПа,

    

МПа

де  b - коефіцієнт затухання швидкості руху заряду у перерізі циліндра;

xВП – коефіцієнт опору впускної системи, віднесений до найбільш вузького його перерізу, ;  

wВП = 50...150 м/с - середня швидкість руху заряду у найменшому перерізі впускної системи в м/с. Значення wВП приймають за таблицею вихідних парам.

 

 

 

 

 


2.9. Тиск  кінця впуску 

, МПа

                

МПа

2.10. Температура підігріву  свіжого заряду DТ. Приймається DТ=12ºС.

2.11. Коефіцієнт залишкових  газів

 

,

                       

де  e - ступінь стиску, приймається за таблицею вихідних параметрів.

2.12. Температура в кінці  наповнення 

, К.

                    

, К

2.13. Коефіцієнт наповнення

.

                                    

 

2.14. Середній показник  адіабати стиску k1=1.3795

2.15. Значення показника  політропи стиску n1 в залежності від k встановлюють у межах:

для бензинових двигунів  (k1-0,01)…(k1-0,04); Приймаємо n1=1.3485

2.16. Тиск у кінці теоретичного  стиску

 

, МПа.

                       Pc=

Мпа

2.17. Температура у кінці  теоретичного стиску

                                                 , К

                    Tc=

К 

2.18. Середня мольна теплоємність  свіжого заряду у кінці стиску

                       , кДж/кмоль×град.,

                  

кДж/кмоль×град

де  tс - температура у кінці стиску в °С (tс = Tс-273°=681,21-273=408,21).

2.19. Середня мольна теплоємність  залишкових газів 

 =24,3577 кДж/кмоль×град

2.20. Середня мольна теплоємність  робочої суміші 

                , кДж/кмоль×град.

    кДж/кмоль×град

2.21. Коефіцієнт молекулярної  зміни робочої суміші

,

                  

де  gr - коефіцієнт залишкових газів.

2.22. Теплота згоряння  робочої суміші

, кДж/кмоль.

                           Hроб.сум=

кДж/кмоль

2.23. Середня мольна теплоємність  продуктів згоряння

.

Окремі  компоненти беруть з таблиці С-1 Додатку С [1]. Після підстановки і перетворень одержують результат у вигляді

,

де  а, b – числові значення отриманні сумуванням подібних компонентів.

2.24. Рівняння згоряння (тепловий  баланс) для бензинових двигунів

;

де xz=0.9 - коефіцієнт використання тепла. Коефіцієнт використання теплоти у період згоряння залежить від типу двигуна

 - ступінь підвищення тиску.

 - середня мольна теплоємність продуктів згоряння при сталому тиску


.

Після перетворень  отримують рівняння .

2.25. Температуру, що відповідає  максимальному тиску згоряння  Рz визначають шляхом розв’язування квадратного рівняння попереднього пункту

 

                         , °С,

                    °С

, К

                            К

2.26 Максимальний тиск згоряння:

для бензинового  двигуна

                                        , МПа;

     

Мпа

2.27. Дійсний максимальний  тиск згоряння:

для бензинового  двигуна . Мпа

                                        Мпа

2.28. Ступінь підвищення  тиску l. Для бензинових двигунів .

2.29. Ступінь попереднього  розширення. Для бензинових двигунів ;

2.30. Ступінь подальшого  розширення. Для бензинових двигунів =6,5

2.31. Середній показник  адіабати розширення k2 =1,2625

2.32. Середній показник  політропи розширення n2

 

  k2=1,2625  

2.33. Тиск кінця процесу  розширення 

 

, МПа.

                     

МПа

2.34. Температура кінця  процесу розширення

, К.

                 

К

2.35. Перевірка точності  вибору значень тиску та температури  залишкових     газів


,     К          

 


3.  Розрахунок індикаторних  та ефективних показників дійсного  циклу

Двигуна

3.1. Теоретичний середній  індикаторний тиск

  , МПа.

 МПа

3.2. Дійсний середній  індикаторний тиск 

, МПа,

                Pi=

МПа

де  j=2 - коефіцієнт повноти індикаторної діаграми, приймається за таблицею   вихідних параметрів.

3.3. Індикаторна потужність двигуна

 

, кВт,

                   

кВт

де  Vл – робочий об’єм циліндрів двигуна у літрах (літраж);

n – частота  обертання колінчастого вала, об/хв;

t – коефіцієнт тактності (t = 4).     

Значення  Vл та n приймають за таблицею вихідних параметрів.

3.4. Індикаторний коефіцієнт  корисної дії

                          

3.5. Індикаторні питомі  витрати палива

, г/кВт×год.

                     

г/кВт×год

3.6. Тиск механічних втрат  Рм визначають за емпіричною залежністю по заданому у таблиці вихідних параметрів значенню середньої швидкості поршня (Vп.ср, м/с).

 Vп.ср = 10,1м/с

 

 

 

 

 

 

Для бензинових двигунів з числом циліндрів до 6 та відношенням S/D < 1

 

PM=

Vп.ср, МПа.

         PM=

МПа

3.7. Середній ефективний  тиск , МПа.

                            

МПа


3.8. Механічний коефіцієнт  корисної дії .

                                       

3.9. Ефективний коефіцієнт  корисної дії .

                                                  

3.10. Ефективна потужність  двигуна .

                                                 

кВт

3.11. Ефективні питомі  витрати рідкого палива 

, г/кВт×год.

                   

e=
 г/кВт×год

3.12. Годинні витрати палива , кг/год.

                          

кг/год

 

 

        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


4. Розрахунок параметрів циліндра  та тепловий баланс двигуна

4.1. Робочий об’єм циліндра 

, л,

       л

де і – кількість циліндрів (таблиця вихідних параметрів).

4.2. Діаметр циліндра 

, мм,

               D=

мм=100мм

де  S/D – відношення ходу поршня до діаметра циліндра, приймають за таблицею

 А-1.

Значення D приймають  для подальшого розрахунку округленим до цілих значень у мм.

4.3. Хід поршня , мм.

                              S= мм

 Значення  ходу поршня приймають для  подальших розрахунків округленим  до цілих міліметрів.

4.4. Уточнене значення  літражу двигуна 

, л.,

 

 

                    

л

де D та S у  мм.

4.5. Уточнене значення  ефективної потужності

, кВт.

                          

кВт

 

 

 

 

 

 

 

4.6. Номінальний ефективний  крутний момент 

  , Н×м.


                  Н×м

4.7. Уточнене значення  годинних витрат палива

, кг/год.

                        

кг/год

 

4.8. Уточнене значення  середньої швидкості поршня

, м/с.

                   

м/с

4.9. Загальна кількість  тепла, що вводиться у двигун  при згорянні палива

, Дж/с.

                       

Дж/с

4.10. Тепло еквівалентне  ефективній роботі 

, Дж/с.

               

Дж/с

4.11. Тепло, що передається  охолоджуючому середовищу

                                , Дж/с,

                           

=
 Дж/с

де  С- коефіцієнт пропорційності (для чотирьохтактних двигунів С = 0,45…0,52);

і – число  циліндрів; D – діаметр циліндра у см; m – показник степеня (для  чотирьохтактних двигунів m = 0,6…0,7); n- число обертів колінчастого валу двигуна, об/хв.

4.12. Теплота, що винесена  з відпрацьованими газами 

, Дж/с,

=31,563

=28,967

  Дж/с

де   - середня мольна теплоємність відпрацьованих газів при сталому тискові у кінці випуску;

, кДж/кмоль×град. Значення визначається згідно пункту 1.2.19 за таблицею В-2 або В-3 додатку В [1] для tr; – табл. 7 [1].

- середня мольна теплоємність  повітря при сталому тискові  і температурі середовища, звідки  надходить повітря;


, кДж/кмоль×град. Значення визначається за формулою лівого рядку таблиці С-1 додатку С для tк; – табл. 5 для повітря [1].

 

4.13. Теплота, що втрачена  із-за хімічної неповноти згоряння:

для бензинового  двигуна  , Дж/с.

           

Дж/с

4.14. Невраховані втрати  тепла

            , Дж/с.

  

Дж/с

4.15. Складові частини  теплового балансу у процентах:

=

=

=

=

=

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


5.  Побудова зовнішньої швидкісної характеристики двигуна

5.1. Мінімальна частота обертання двигуна nmin= n / 5, об/хв.

                                                            nmin=3400/5=680 об/хв

5.2. Максимальна частота обертання двигуна:

для бензинового  двигуна   nmax = 1,1× n, об/хв.

                nmax=

об/хв

5.3. Крок зміни частоти обертання  Dn = nmin, об/хв.

                  Dn =680 об/хв.

Послідовність розрахункових частот: 

n1 = nmin;      n2 = n1 + Dn;      n3 = n2 + Dn;      n4 = n3 + Dn;      n5 = n.

n1 =680 об/хв. n2 =680+680=1360 об/хв. n3 =1360+680=2040 об/хв

n4 =2040+680=2720 об/хв. n5 =3400 об/хв. n6 =3740 об/хв.

Для бензинового  двигуна  n6 = nmax

5.4. Для розрахункових частот обертання колінчастого валу визначають розрахункові точки кривої ефективної потужності:

для бензинових двигунів , кВт;  

 кВт

 кВт

 кВт

 кВт

 кВт

 кВт

де  Ne – номінальна ефективна потужність; n – швидкість обертання колінчастого валу (об/хв); Nex – біжуче значення ефективної потужності (кВт) для конкретних обертів швидкісної характеристики (nx); nx - біжуче значення швидкості обертання колінчастого валу (об/хв).

   

      

 

 

 


5.5. Біжучі значення ефективного крутного моменту

                                          , Н×м.

 Н×м

 

Н×м

 

Н×м

 Н×м

 Н×м

 Н×м

5.6. Біжучі значення середнього ефективного тиску для розрахункових частот обертання колінчастого валу

                                        , МПа.

 МПа

 Мпа

 МПа

 МПа

 МПа

 Мпа

5.7. Біжучі значення середньої швидкості поршня

                                        , м/с. м/с

 м/с

 м/с

 м/с

 м/с

 

 м/с


5.8. Біжучі значення середнього тиску механічних втрат для прийнятих частот обертання визначають за формулами пункту 1.3.6 для відповідної швидкості поршня Vп.срх.

                                     МПа

 

МПа

 

МПа

 

МПа

 МПа

 

Мпа

 

Мпа

5.9. Біжучі значення питомих ефективних витрат палива визначають за формулами:

для бензинового двигуна   , г/кВт×год;

 г/кВт×год

 г/кВт×год

 г/кВт×год

 г/кВт×год

 г/кВт×год

 г/кВт×год

де  – питомі витрати палива при номінальній потужності;

– біжуче значення питомих ефективних витрат палива.

5.10. Біжучі значення годинних витрат палива

                                  , кг/год.

 кг/год

 кг/год

 кг/год

 кг/год

 

 кг/год

 кг/год


5.11. Залежність коефіцієнта надлишку повітря від частоти обертання визначають через ax, що відповідають розрахунковим частотам обертання.

Для бензинових двигунів значення коефіцієнту при  мінімальній частоті обертання  nmin дорівнює a1 = (0,8…0,85)×a.

a1 =0,8×0,82=0,656             

  Подальші значення коефіцієнтів a2, a3, a4, a5 та a6 дорівнюють a=0,82

5.12. Біжучі значення коефіцієнта наповнення визначають за формулою

                                                 ,

 

Див. рис 9

де  Рех – у МПа; gex – у г/кВт×год.

5.13. Результати розрахунків зводяться в таблицю у наступній формі (див рис. 1)

 Таблиця2.1

 

№ п/п

Швидкість обертання

nx, об/хв

Параметри зовнішньої швидкісної характеристики

Nex,

кВт

Мех ,

Н×м

Pex ,

МПа

Vп.срх ,

м/с

Рмх ,

МПа

gex ,

г/кВт×год

Gтх ,

кг/год

ax

hvx

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

1

680

26,48

372,05

0,783

2,15

0,0674

410,9

10,881

0,656

0,7462

2

1360

56,61

397,71

0,837

4,31

0,0958

369,49

20,918

0,82

0,8966

3

2040

84,92

397,71

0,837

6,46

0,1243

353,56

30,025

0,82

0,8579

4

2720

105,92

372,05

0,783

8,61

0,1527

363,12

38,462

0,82

0,8243

5

3400

114,14

320,74

0,675

10,77

0,1811

398,16

45,445

0,82

0,7792

6

3740

111,74

285,45

0,601

11,84

0,1953

425,23

47,516

0,82

0,7466


 

 


 

 

 

 

 


6.  Кінематичний розрахунок кривошипно-шатунного механізму

 

6.1. Відношення радіуса кривошипа до довжини шатуна =0,25 визначають за таблицею вихідних параметрів.

6.2. Радіус кривошипу , мм,

                                      мм

де  S – хід поршня у відповідності за пунктом 4.3

 

6.3. Переміщення поршня в залежності від кута повороту кривошипа

, мм,

де  j - кут повороту кривошипа, що відраховується від точки ВМТ осі циліндра в напрямі обертання колінчастого валу за годинниковою стрілкою.

Розрахунок  проводиться для значень j від 0° до 360° з кроком 10° використовуючи таблицю D-1 додатку D, в якій для заданих l¢ та j наведені значення виразу .

Результати  розрахунків зводять у таблицю  в наступній формі:

Таблиця 3.1

 

0

0

0

10

0,9025

0,019

20

3,55775

0,0749

30

7,85175

0,1653

40

13,57075

0,2857

50

20,4535

0,4306

60

28,2055

0,5938

70

36,499

0,7684

80

45,011

0,9476

90

53,4375

1,125

100

61,503

1,2948

110

68,989

1,4524

120

75,7055

1,5938

130

81,5195

1,7162


 

 

 

 

 

 

 

140

86,34075

1,8177

150

90,12175

1,8973

160

92,82925

1,9543

170

94,4585

1,9886

180

95

2

190

94,4585

1,9886

200

92,82925

1,9543

210

90,12175

1,8973

220

86,34075

1,8177

230

81,5195

1,7162

240

75,7055

1,5938

250

68,989

1,4524

260

61,503

1,2948

270

53,4375

1,125

280

45,011

0,9476

290

36,499

0,7684

300

28,2055

0,5938

310

20,4535

0,4306

320

13,57075

0,2857

330

7,85175

0,1653

340

3,55775

0,0749

350

0,9025

0,019

360

0

0