Тепловой расчет двигателя. 4

Введение

     Эффективность использования и правильная эксплуатация тракторов и автомобилей во многом зависит от знания конструкции этих машин, принципов их действия и влияния  эксплуатационных факторов на технико-экономические  показатели их работы (производительность, экономичность и др.)

     Тепловой  расчет позволяет аналитически с  достаточной степенью точности определить основные параметры вновь проектируемого или модернизируемого двигателя, а  также оценить индикаторные и  эффективные показатели работы созданного двигателя.

      Необходимые тяговые показатели трактора могут  быть достигнуты и эффективно использованы только в том случае, если будут  правильно выбраны основные его  параметры: масса, скорости движения, мощность двигателя. эти параметры определяют при тяговом расчете трактора. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЧастьI.ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

     При тепловом расчете определяются основные параметры, характеризующие эффективные и экономические показатели рабочего процесса, устанавливаются основные размеры двигателя.

     Для большей точности, теплового расчета  необходимые параметры выбираются на основании данных испытаний аналогичных двигателей с учетом, зависимости этих параметров от конструктивных особенностей и эксплуатационного режима работы двигателя.

     Тепловой  расчет проводится для номинального режима работы двигателя, при оптимальных условиях протекания процесса,

В этой учебно-методической работе расчет процессов выпуска, впуска, сжатия и расширения выполняется по формулам и зависимостям общим как для карбюраторного, так и дизельного двигателей.

     Параметры рабочего тела. Теоритически необходимое  количество воздуха для сгорания 1кг топлива

l₀=1/0,23(8/3C+8H-O)=1/0,23(8,3*0,857+8*0,133-0,01)=14,5кг

или L₀= l₀/μ_в=14,5/28,96=0,5кмоля

     Количество  свежего заряда

М₁=α L₀=1,7*0,5=0,85кмоля

     При этом химический коэффициент молекулярного  изменения горючей смеси:

β₀=М₂/М₁=0,88/0,85=1,035

     Параметры окружающей среды и остаточные газы. Атмосферные условия принимаем  следующие: р₀=0,1МПа;Т₀=303К. Давление окружающей среды р_к= р₀=0,1МПа, температура окружающей среды Т_к= Т₀=303К. Давление и температура остаточных газов:р_r=1,15*0,1=0,115МПа; принимаем Т_r=765К.

     Процесс впуска. Принимаем температуру подогрева  свежего заряда ∆t=15⁰С. Плотность заряда на впуске:

ρ_к= р_к10⁶/(R_вТ_к)=0,1*10⁶/(287*303)=1,14кг/м³

где R_в=287 Дж/(кг*град)-удельная газовая постоянная для воздуха.

Принимаем (β²+ξ_вп)=3,25 и ω_вп=75м/с

     Тогда потери давления на впуске в двигатель:

∆р_а=(β²+ξ_вп)( ω ²вп ρ_к10^-6)/2=0,01МПа

Давление в  конце впуска:

р_а= р_к-∆р_а=0,1-0,01=0,09МПа

     Коэффициент остаточных газов:

 

     _{Температура в конце впуска}

_{Та=( Тк+∆t+γr Тr)/(1+ γr)=(303+15+0,028*765)/(1+0,028)=330К}

     _{Коэффициент наполнения:}

_{ηy= Тк(ε ра- рr)/[( Тк+∆t)( ε-1) рк]=303(19*0,09-0,115)/[(303+15)(19-1)*0,1]=0,84}

     _{Процесс сжатия. Показатель политропы сжатия можно определить по эмпирической формуле}

    

_{n1=1,41-100/1750=1,35}

     _{Давление  в конце сжатия}

_{рс= ра ε ⁿ1=0,09*19^1,35=4,78МПа}

     _{Температура в конце сжатия}

_{Тс= Та εⁿ1^-1=924К}

     _{Средняя моекулярная теплоемкость заряда (воздуха) в конце сжатия (без учета влияния отсточных газов)}

_{μсvc=20,16+1,74*10^-3* Тс=21,76 кДж/(кмоль*град)}

     _{Число молей остаточных газов}

_{Мr=α γr L0=1,7*0,028*0,5=0,023}

     _{Число молей газов в  конце сжатия до сгорания}

_{Мс=М1+ Мr=0,85+0,023=0,873кмоля}

     _{Процесс сгорания. Средняя  молярная теплоемкость при постоянном давлении для продуктов  сгорания жидкого  топлива в дизеле}

_{μсpz=(20,2+0,92/1,7)+(15,5+13,8/1,7)*10^-4Тz+8,314=29,014+0,0023 Тz кДж/(кмоль*град)}

     _{Число молей газов после  сгорания}

_{Мz=М2+ Мr=0,88+0,023=0,903кмоля}

     _{Расчетный коэффициент молекулярного  изменения рабочей  смеси}

_{β= Мz/ Мс=0,903/0,873=1,034}

     _{Принимаем коэффициент использования  теплотыξ=0,85}

_{Q=Qн ξ=0,85*42500=36000кДж/кг}

     _{Температура в конце сгорания}

_{βμсpzТz= Q/[α L(1+ γr)]+ Тс(μсvc+8,314λ)=1,034(29,014+0,0023Тz) Тz=3600/(1,7*0,5+1,028)+924(21,76+15,3)}

_Тz=2150К

_{рz=рсλ=4,78*1,85=8,84МПа}

     _{Степень предварительного рсширения}

_{ρ=(βТz)/(λ Тс)=(10,34*2150)/1,85*924=1,3}

     _{Процесс расширения}

_{δ=ε/ρ=19/1,3=14,61}

     _{С учетом характерных  значений показателя политропы расширения для заданных параметров дизеля принимаем n2=1,26}

_{рb= рz/ δ ⁿ2=8,84/14,61^1,26=0,3 МПа}

_{Тb=Тz/ δ ⁿ2-1=1075К}

     _{Проверим  правильность ранее  принятой температуры  остаточных газов}

_{Тr=1075/³√0,3/0,115=785К}

_{∆=100*785-765/785=2,5}

     _{Индикторные параметры рабочего цикла двигателя}

_{рi^|=4,78/(19-1)[1,85(1,3-1)+1,85*1,3/1,26-1(1-1/14,61^0,26)-1/1,35-1(1-1/19^0,35)=0,86 МПа}

     _{Принимаем коэффициент полноты индикаторной диаграммы ν=0,94}

_{рi=0,86*0,94=0,81МПа}

_{индикаторный  кпд}

     _{Индикаторный  удельный  расход топлива:} 

_{qi=3,6*10³/(42,5*0,49)=173 г/(квт*ч)}

     _{Эффективные показатели двигателя. Принимаем предварительно среднюю скорость поршня Wп.ср=8м/с}

     _{Среднее давление механических потерь}

_{рм=а+b Wп.ср=0,105+0,012*8=0,201 МПа}

     _{Среднее эффективное давление:}

_{ре= рi- рм=0,81-0,201=0,61 МПа}

     _{Механический к.п.д.}

_{ηм= ре/ рi=0,61/0,81=0,75}

     _{Эффективный к.п.д.}

_{ηе=ηi* ηм=0,49*0,75=0,36}

     _{Эффективный удельный расход  топлива:}

_{gе=3,6*10³/42,5*0,36=235 г/(кВт*ч)}

     _{Основные  размеры цилиндра и удельные параметры  двигателя}

     _{Литраж  двигателя:}

_{Vл=30*4*69/0,61*1750=7,75 л}

     _{Рабочий объем цилиндра}

_{Vh=7,75/4=1,9 л}

_{З адаемся ρ=S/D=1,07 тогда диаметр цилиндра:}

_{D=100³√4 Vh/πρ  =100³√4*1,9/3,14*1,07=131мм}

     _{Ход поршня:}

_{S=Dρ=131*1,07=140мм}

     _{Площадь поршня:}

_{Fп=3,14*17161/4=134см²}

     _{Средняя скорость поршня:}

_{Wп.ср=Sn/(3*10⁴)=140*1750/3*10⁴=8м/с}

     _{Эффективный крутящий момент двигателя:}

_{Ме=9550Nе/nн=9550*69/1750=376Н*м}

     _{Часовой расход топлива:}

_{Gт=Nе*gе=69*235=16,2кг/ч}

     _{Литровая  мощность:}

_{Nл=69/7,75=8,9кВт/л}

     _{Удельная  поршневая мощность}

_{Nп=69*4/4*3,14*1,71=12,89 кВт/дм²}

     _{Литровая  масса}

_{gл=Gсух/(Vhi)=375/1,9*4=49,3 кг/л}

     Тепловой  баланс двигателя.

      Тепловой  баланс, показывающий распределение  подведенной в двигатель теплоты  по отдельным составляющим, позволяет  судить о степени совершенства работы двигателя и наметить пути для  снижения тепловых потерь, понижающих экономичность двигателя.

      Управление  теплового баланса:

,      

      где    - общее количество тепла топлива, поступившего в двигатель за час,

                  кДж/ч:

,  Q_общ=16,2*42500=688500кДж/ч                                

-  количество тепла, превращенного в полезную индикаторную работу, кДж/ч:

,         

Q_i=16,2*42500*0,49=337365кДж/кг                                                   

-  количество тепла, унесенного с газами, представляющего собой разность тепла выпускных газов и тепла свежего заряда кДж/ч:

,               

Q_ог=16,2*0,88*29,8*765-16,2*1,7*0,5*28,9*303=204415кДж/кг           

- средняя мольная теплоемкость  при Р=const свежего заряда при температуре окружающей среды (Т_о) , кДж/кмоль К:

,  

=28,475+1,74*10^-3*303=28,9 кДж/кмоль К   

-  тепло, теряемое вследствие неполноты сгорания топлива,  (при α≥1 для дизелей =0):

Q_co – теплота, отведенная системой охлаждения , кДж/ч:

, 

=688000-(337365+204415)=146720    

     Тепловой  баланс представляется в виде таблицы  отдельных составляющих,

процент которых определяется из соотношения каждого:

,          

     Управление  теплового баланса в относительных  единицах:

, 0,49+0,3+0,21=100%    

Таблица 1

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Часть II.РАСЧЕТ ТРАКТОРА

1 Кинематическая  схема трансмиссии трактора

     Кинематическая  схема трансмиссии рассчитываемого  трактора  составляется на основании  анализа существующих трансмиссий тракторов с аналогичным типом движителя, двигателя и близкой по эксплуатационной массе кКоробка передач должна обеспечивать заданное число рабочих и транспортных передач, а также движение задним ходом.

     Составив  кинематическую схему трансмиссии  трактора, определяется ее коэффициент  полезного действия.   КПД  механической  трансмиссии       можно определить, учитывая потери при холостом ходе и потери, возникающие при передаче нагрузки:

       

где:  h -  КПД цилиндрической пары шестерён или пары шестерён     планетарной передачи;

    h - КПД конической пары шестерён;

    - число пар цилиндрических шестерён;

    - число пар конических шестерён;

    - коэффициент, определяющий какую часть номинального крутящего

         момента составляет момент холостого  хода;

   M_н - номинальный момент двигателя, Н×м;

   M_к- передаваемый крутящий момент двигателя, Н×м;

,                            

h =0,99

h =0,98

=0,04

=0,99³*0,98¹(1-0,04)=0,91 

2 Минимальная  сила тяги на крюке трактора

     Трактор должен быть рассчитан на выполнение всех работ, соответствующих его  тяговому классу, и некоторой части  работ относящихся к тяговой  зоне предыдущего класса. Перекрытие тяговых зон соседних классов  расширяет сферу применения тракторов  и зависит от минимальной силы тяги на крюке на высшей рабочей передаче . Эффективное и экономически оправданное значение минимальной силы тяги на высшей передаче определяется тяговым диапазоном трактора , который рассчитывается по формуле:

 

где:  Р_н - номинальная сила тяги рассчитываемого трактора, Н;  

       Р^/ _н - номинальная сила тяги предыдущего класса , Н;

     – коэффициент расширения тяговой зоны трактора. 

     Для тракторов до P_н=30 кН коэффициент расширения тяговой зоны принимается равным =1,3

=1,3*30000/20000=1,95

     С учетом изложенных требований минимальная  сила тяги на крюке трактора определяется по уравнению:

           

=30000/1,95=15384Н

Допустимые пределы  изменения тягового усилия на крюке  трактора ( ) позволяют подобрать к нему соответствующий набор сельскохозяйственных машин применительно к тем или иным зональным условиям. 
 

3 Масса трактора

     Номинальная сила тяги трактора характеризует верхний  предел рабочего тягового диапазона. При  расчетах ее можно принять в качестве максимальной тяги, обусловливающей  сцепную массу трактора, Тогда  максимальная эксплуатационная масса  трактора, выбранная из условия реализации номинальной силы тяги при допустимом буксовании движителей, может быть определена из выражения:

                                   

где:    - коэффициент использования сцепного веса трактора, при допустимом буксовании движителей;

   - коэффициент нагрузки движителя;

     f₁ - коэффициент сопротивления качению, учитывающий потери на                              деформацию почвы.

=30000/(0,6*1-0,1)=6000кг

     Массу трактора, рассчитанную выше, необходимо проверить по конструктивной (сухой) массе трактора-прототипа

,                               

где: m_min- минимальная эксплутационная масса трактора, кг;

       m_б   -   масса балласта, применяемого на ведущих колесах для

                        улучшения сцепных свойств трактора, кг.

     Минимальная эксплуатационная масса трактора равна  сумме конструктивной массы, массы  тракториста и заправочных емкостей:  

                             ,                              

где:  m– конструктивная масса трактора-прототипа, кг.

=6550*1,08=7074кг 

4 Скорости движения  трактора.

     Для наиболее выгодного использования  мощности двигателя на всех рабочих  передачах, скорости движении трактора, со ступенчатой коробкой передач, должны образовывать геометрическую прогрессию. Пренебрегая потерями на буксование, знаменатель геометрического ряда можно  определить по соотношению: ,                                               

где:    z   -  число основных передач;

      - диапазон номинальных основных скоростей трактора.

=³√1,65=1,18

     Величина  скоростного диапазона зависит  от тягового диапазона трактора и  приблизительно может быть определена по формуле:

  ,

  =1,95*0,85=1,65

где  = 0,85 - допускаемый минимальный коэффициент загрузки двигателя.

     По  знаменателю геометрической прогрессии и номинальной скорости трактора на первой передаче рассчитывают номинальные  скорости движения на других передачах:

,

  V_H1=6,5км/ч

V_H2=6,5*1,18=7,67км/ч

V_H3=6,5*1,18²=9,05км/ч

V_H4=6,5*1,18³=10,67км/ч 
 

5 Предварительный  кинематический расчет трансмиссии

     Предварительный кинематический расчет трансмиссии  заключается в определении передаточных чисел механизмов трансмиссии, обеспечивающих движение трактора с номинальными теоретическими скоростям на всех  передачах.                                      Общее передаточное число трактора на первой передаче определяется по формуле: ,                                      

=0,377*1950*0,35/6,5=39,5

   где: n_н - расчетная (номинальная) частота вращения коленчатого вала                     двигателя, об/мин;

   r_к - динамический радиус качения ведущих колес, м;

  V_Н1 - теоретическая скорость движения трактора на расчетном режиме, км/ч. 

     Для гусеничных тракторов, у которых  шаг (длина) звена гусеницы равен  шагу звездочки, радиус качения определяют по формуле: 

                               ,                                      

rде:  z_k - число активно действующих зубьев ведущего колеса; 

      z_3b - общее число зубьев ведущего колеса;

      l_3b - шаг гусеничного звена, м.

=13*0,17/2*3,14=0,35м

     Передаточные  числа трансмиссии на других рабочих  передачах рассчитывают по формулам:

,                                             

i_тр2=39,5/1,18=33,4

i_тр3=33,4/1,18=28,3

i_тр4=28,3/1,18=23,9

Передаточные  числа коробки передач  i_ki определяют по соотношениям:

    ,                    

 где:  - передаточное число механизмов с постоянным зацеплением шестерён;                             

        - передаточное число главной передачи;

        - передаточное число планетарного механизма поворота;

        - передаточное число конечной передачи.

i_к1=39,5/44,36=0,89

i_к2=33,4/39,74=0,84

i_к3=28,3/35,69=0,79

i_к4=23,9/32,14=0,74 
 

6 Расчет и  построение регуляторной характеристики  двигателя

     Для вновь проектируемого трактора регуляторная характеристика двигателя неизвестна. Ее построение по тепловому расчету  двигателя трудоемко и не всегда дает удовлетворительные результаты. Поэтому для вновь проектируемого двигателя регуляторную характеристику рассчитывают по эмпирическим зависимостям, полученным в результате обработки  статистических данных существующих двигателей.Исходными данными для расчета характеристики двигателя являются: номинальная мощность, номинальная частота вращения коленчатого вала и удельный расход топлива при номинальном режиме.Двигатель трактора должен обладать номинальной мощностью N_н, достаточной для создания заданной номинальной силы тяги, для прео- доления сил сопротивления качению и трения в его механизмах. Кроме того, должен быть некоторый запас мощности для компенсации снижения крутящего момента при длительной эксплуатации:

,                                

 где:   P_f - сила сопротивления качению трактора, Н; 

          x_э- коэффициент эксплуатационной нагрузки двигателя.

      Коэффициент эксплуатационной нагрузки  принимают  x_э=0,85.

=(30000+6000)*6,5/(3600*0,91*0,85)=234000/2784=84кВт

     Сила  сопротивления качению определяется по известному уравнению:

,                                     

где:  f - коэффициент сопротивления качению;

        g - ускорение свободного падения, м/с.²

=0.1*10*6000=6000Н

     Коэффициент сопротивления качению выбирают в соответствии с заданным фоном  поля.

     Номинальный крутящий момент двигателя определяем по формуле:   ,    

=9550*84/1950=411Н*м                         

     Максимальный  крутящий момент двигателя:

,                                       

где   k_м  -  коэффициент приспособляемости двигателя по крутящему

                 моменту.

=1,1*411=452Н*м

Для дизелей  с корректором можно принять  k_м = 1,1 ... 1,2.

Для расчета  регуляторной характеристики двигателя  необходимо принять

7 ... 8 значений  крутого момента. Три из этих  точек должны соответствовать  характерным точкам характеристики: максимальной частоте вращения  коленчатого вала n_x  (М_к = 0), номинальному крутящему моменту M_н и максимальному крутящему моменту М_kmax. Остальные точки следует взять в диапазоне M_н…M_kmax. В регуляторной зоне работы двигателя можно приближенно принять линейный характер изменения всех параметров, кроме удельного расхода топлива.М_к:416;422;428;434;440;445;451

Максимальная  частота вращения коленчатого вала на холостом ходу:

,                                    

где   - коэффициент неравномерности работы регулятора.

=(1+0,07)*1950=2086об/мин