Динамічний розрахунок

В С Т У П

  Курсова робота з навчальної дисципліни "Трактори і автомобілі" складається з  двох частин – "Тепловий та динамічний розрахунок двигуна внутрішнього згоряння" та "Тяговий розрахунок трактора і автомобіля”. Мета виконання першої частини - систематизувати і закріпити знання студентів з основних питань теорії двигунів внутрішнього згоряння, а також сприяти набуттю ними навиків самостійного розв’язування практичних задач з визначення та аналізу основних показників роботи автотракторних двигунів.

Перша частина  курсової роботи  (далі – курсова  робота) складається з двох розділів. У першому розділі виконується  тепловий розрахунок двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ); у другому - його  динамічний розрахунок.

  Задачею теплового розрахунку ДВЗ є визначення основних параметрів дійсного робочого циклу на номінальному режимі та основних конструктивних розмірів двигуна.

  Тепловий  розрахунок ДВЗ дозволяє аналітично, з достатньою ступінню точності, визначити основні параметри двигуна, який проектується або модернізується, а також оцінити індикаторні та ефективні показники його роботи і передбачає:

  – розрахунок основних параметрів дійсного робочого циклу;

  – розрахунок основних конструктивних розмірів двигуна;

  – побудову індикаторної діаграми у функції переміщення поршня.

  Задачею динамічного розрахунку ДВЗ є  визначення середнього значення крутного моменту двигуна на номінальному режимі, максимального крутного моменту  двигуна, а також основних розмірів маховика.

  При динамічному  розрахунку ДВЗ виконується:

  – побудова діаграми Брікса;

  – побудова діаграми (кривої) сил інерції мас, що здійснюють зворотно-поступальний рух;

  – побудова розгорнутих діаграм сил, що діють на поршень;

  – побудова полярної діаграми сил, що діють на шатунну шийку;

  – побудова розгорнутих діаграм сил, що діють у кривошипно-шатунному механізмі;

  – побудова діаграми сумарних дотичних сил;

  – визначення середнього значення крутного моменту двигуна на номінальному режимі ;

  – визначення максимального крутного моменту двигуна;

  – визначення коефіцієнта нерівномірності крутного моменту;

  – розрахунок основних розмірів маховика

   

                                              

  

 Розділ 1

 Тепловий  розрахунок двигуна  внутрішнього згорання.

 1.1 Обґрунтування та  вибір вихідних  параметрів

  За умовою курсового проекту маємо дизельний двигун номінальною ефективною потужністю N_e=81кВт і номінальною частотою обертання колінчастого вала n=2100 об/хв.

  Вихідні параметри для теплового розрахунку значною мірою визначаються типом  камери згоряння (КЗ), який, зокрема, безпосередньо  впливає на паливну економічність  та токсичність відпрацьованих газів (ВГ) двигуна.

  Необхідно ретельно вивчити існуючі КЗ , звернувши  при цьому особливу увагу на їх вплив на швидкість та жорсткість процесу згоряння, детонацію, теплопередачу, шумність, коефіцієнт залишкових газів, токсичність тощо.

Для дизелів  ступінь стискання e залежить від способу сумішоутворення, типу камери згоряння та наявності турбонаддуву повітря. Останній значною мірою визначає надійність запуску двигуна та його економічність.

1. Вибираємо для проектованого двигуна нероздільну камеру згорання з об’ємним сумішоутворенням. Перевагою даної камери згорання є те що двигуни з такою камерою менш токсичні і менш шумні. Такі двигуни застосовують в стаціонарних установках в приміщеннях.

1.1.1.2.Вибираємо ступінь стиску який для двигуна з нероздільною  камерою згорання може дорівнювати =14

1.1.1.3.Число тактів 4.

1.1.1.4.Тиск і температуру навколишнього середовища беремо відповідно

1.1.1.5.Вибираємо коефіцієнт надлишку повітря  який для дизельного двигуна з роздільною вихровою камерою згорання може дорівнювати 1, 45.

1.1.1.6.Підвищення температури заряду в процесі впуску для дизеля           

1.1.1.7. Тиск продуктів згоряння у кінці процесу випуску визначають із співвідношень: для автотракторних двигунів без турбонаддуву повітря при випуску у атмосферу

 Р_r = (1,05 … 1,25)·p_o;  

Р_r = 0,115 МПа

1.1.1.8.Показники політропу стиску і розширення вибирають враховуючи вплив на них цілої низки факторів. Середні значення стискання (п₁) прймаємо 1,37 і розшрення (п₂ ) приймаємо  1,22

1.1.1.9.Відношення ходу поршня до діаметра циліндра значною мірою визначається частотою обертання колінчастого вала двигуна 1,2

1.1.1.10.Фази газорозподілу вибираємо за даними існуючих двигунів, близьких за швидкістю до того, що проектується.  
 

  

1.1.1.11.Коефіцієнт використання теплоти в основній фазі згорання 0.75; 1.1.1.12.Ступінь підвищення тиску при згоранні 1,8  1.1.1.13.Коефіцієнт округлення індикаторної діаграми 0.94 

 1.1.2 Параметри процесу впуску

 

1.1.2.1.Тиск в кінці впуску, МПа.   

     де Dp_а – втрати тиску на впуску за рахунок опору впускної системи і гасіння швидкості руху заряду для дизелів без наддуву

       = 2,5 – 4,0 – сумарний коефіцієнт, який враховує гасіння швидкості (b) та опір впускної системи, віднесеній до площі перерізу у клапані (j_ВП) (більш високі значення належать до швидкохідних двигунів);

Приймаємо 2,5

      = 50 – 130 м/с – середня швидкість свіжого заряду у прохідному перерізі клапана (більші значення – для швидкохідних двигунів);

Прймаємо =50

       – густина заряду при  даних атмосферних умовах, кг/м³:

     

,

де  Дж/(кг×К) – питома газова стала повітря;

     R = 8314 Дж/(кМоль×К) – універсальна (молярна) газова стала;

       кг/кМоль – молекулярна маса повітря 

     

1,205 кг/

     

МПа

1.1.2.2.Коефіцієнт залишкових газів

 

 

 1.1.2.3.Температура кінця впуску, К

     

     

К 

 1.1.2.4.Коефіцієнт наповнення

     

,

     де  = 1,02 – 1,15 – коефіцієнт дозарядження (більші значення характерні для високообертових двигунів). 
 

1.1.3.Параметри робочого тіла в кінці процесу стиску

 1.1.3.1.Тиск, МПа

     

МПа

 1.1.3.2.Температура, К

     

     

 1.1.4.Параметри процесу згорання і розширення

 1.1.4.1. 

Характеристика  дизельного палива для ДВЗ

 

1.1.4.2.Розраховуємо кількість повітря, теоретично необхідного для згорання 1 кг палива:

 

 

1. в

 

 

 2)  

 

 Перевірка 

  -  молекулярна маса повітря.

 1.1.4.3. Кількість свіжого заряду повітря і палива,

     

 

     

1,45 0,495=0,717 кг/кмоль

 1.1.4.4. Кількість продуктів згорання палива,

 при повному  згорянні

     

,

     

кмоль/кг 

 1.1.4.5. Коефіцієнт молекулярної зміни (характеризує відносну зміну об’єму робочого тіла після згорання):

     теоретичний

     

,  

     

дійсний (враховує наявність залишкових газів, і для дизелів – 1,01…1,05) 

lign="center">      .  

     

 

 1.1.4.6. Для визначення температури кінця процесу згорання обчислюємо енергію продуктів згорання

     

,

     де  R = 8,314 кДж/(кмоль×К) – універсальна газова стала;

     

 – внутрішня енергія у кінці процесу стиску, кДж/кмоль, яка визначається за допомогою графічної залежності   або аналітично за допомогою емпіричної формули

     

, кДж/кмоль, 

 

 

 

     Температура в кінці процесу згоряння, К 

     

, К; 
 

     

 К 

 1.1.4.7.Тиск в кінці згорання, МПа.

,

     

1,8 3,642 =6,55 МПа

     Для подальших розрахунків і побудови індикаторної діаграми приймаємо до уваги дійсне значення максимального  тиску p_{z д.}.

     

 1.1.4.8. Показники, які характеризують процес згорання: 

    ступінь попереднього розширення

     

   

     

 

     ступінь подальшого розширення

     

     

 1.1.4.9. Параметри робочого тіла в кінці процесу розширення

     Тиск, МПа          

 МПа

     Температура, К:    , 

     де  n₂  – показник політропи розширення.

     

К

 Перевірка правильності розрахунків :

 

 

  ;

∆==12,4%

 1.1.5. Індикаторні показники роботи циклу.

 1.1.5.1.Середній індикаторний тиск робочого циклу, МПа:

     розрахункового 

       

     

     Дійсного    ,

     де j_округл  – коефіцієнт округлення індикаторної діаграми.

      

_{1.1.5.2. Індикаторний коефіцієнт  корисної дії (ККД):}

     

, 

     де  – густина заряду, кг/м³.

1.1.5.3. Питома індикаторна витрата палива, г/(кВт×год):

     

. 

 г/(кВт×год)

 1.1.6. Ефективний показник роботи циклу. 
 

1.1.6.1.Середній ефективний тиск, МПа 

     

,

     де  – середній умовний тиск механічних витрат, наближене значення якого визначається за емпіричною формулою:

     

,

     де  а, b і с – емпіричні коефіцієнти для визначення середнього умовного тиску механічних втрат .

       – середня швидкість поршня.

Коефіцієнти емпіричної формули для визначення середнього умовного тиску механічних втрат:

      Приймаємо для дизеля з нерозділеною камерою згоряння:

        a=0,105 МПа   b=0,0138МПа

Середня швидкість поршня для різних типів  двигунів залежно від номінальної  частоти обертання колінчастого вала

Приймаємо середню швидкість поршня 9 м/с.

 МПа

 МПа

1.1.6.2.Механічний ККД розраховується за формулою:

     

. 

1.1.6.3.Ефективний   

        

 1.1.6.4.Питома витрата палива на одиницю ефективної потужності в одиницю часу, г/кВт год.

     

. 

     

 г/(кВт×год)

 1.1.7.Годинна витрата палива, кг/год

 

      .

     

 кг/год

1.1.8.Номінальна циклова подача палива, мм³/цикл: 

     

,

     де r_пал. – густина палива, г/см³.  

     

 мм/цикл.

1.1.9.Крутний момент двигуна, Н×м:

     на  номінальному режимі 

     

     

 Н∙м

     Максимальний 

     

      де  К – коефіцієнт пристосування двигуна; для дизелів з коректором К = 1,05...1,30; К=1,20

     М_КРмакс=1,20∙368,357=442,029 Н∙м

     1.1.10.Літрова потужність двигуна, кВт/л:

     

     

 кВт/л

1.1.11.Розрахунок основних розмірів проектованого двигуна

1.1.11.1.Робочий об’єм (літраж) двигуна, л:

     

     

л.

1.1.11.2.Робочий об’єм одного циліндра, л:

     

,

     де  і – кількість циліндрів, яка вибирається з урахуванням конструкції

     сучасних  двигунів такої ж, або близької до двигуна, що проектується потужності, зрівноваженості сил інерції, рівномірності  крутного моменту, компонувальної схеми  двигуна.

     

1.1.11.3.Об’єм камери згоряння, л:

     

 

     

 л.

1.1.11.4. Повний об’єм циліндра, л:

     

. )

     

 л.

1.1.11.5Діаметр циліндра, мм:

     

, 

     

     де  – коефіцієнт короткоходості двигуна (відношення ходу

     поршня  S до діаметра циліндра D).

=106 мм 

1.1.11.6.Площа поршня, мм²:

 

  мм²

1.1.11.7.Хід поршня, мм:

     

 

S=106∙1,2≈128 мм.

     Перевірка середньої швидкості поршня

     

.

     

;

     

     Номінальна  кутова швидкість обертання колінчастого вала двигуна, рад/с:

     

 

     

 рад/с

     1.1.11.8. Довжина шатуна. Відношення радіуса кривошипа до довжини шатуна (стала КШМ)  знаходиться у межах 0,25 – 0,29. Тоді при (центральний КШМ) довжина шатуна визначається за формулою:

     

     

 мм.

     

 мм. 

1.1.12.Індикаторна потужність двигуна, кВт:

       

     

 кВт

1.1.13.Потужність механічних втрат, кВт:

     

  _кВт