Тепловой расчет змз 24



1. Определение параметров рабочего  процесса двигателя.

 

    1. Процессы впуска и выпуска.

 

Плотность свежего заряда r0 (кг/м3) на впуске приблизительно равна плотности воздух:

где    p0 –  давление окружающего  воздуха, p0 = 0,1 МПа;

Rв –  газовая постоянная, для воздуха Rв = 287 Дж /(кг×К);

Т0 –  температура окружающего  воздуха, Т0 = 293 К.


Давление в конце  впуска, МПа:

где        D pа – потери давления при впуске, МПа;

(b 2+xа) – суммарный коэффициент, учитывающий гашение                   скорости b 2 и сопротивление впускной системы, отнесенной к сечению в клапане xа, b 2+xа = 2,8;

           ω  а – средняя скорость заряда  в проходном сечении клапана,

           ωа = 95 м/с.

Коэффициент остаточных газов, характеризующий  полноту очистки цилиндров от продуктов сгорания:

 

 

где pr–давление остаточных газов  в конце впуска, pr=1.18·p0 =1.18·0.1=0.118 МПа;

        Тr – температура  остаточных газов , Тr =1060 К;

       DТ – температура заряда в процессе впуска, DТ = 8 К.

 

 

Температура газов в  конце впуска, К.

К.

Коэффициент наполнения, характеризующий степень наполнения цилиндра свежим зарядом.

 

1.2  Процесс сжатия.

 

Давление pс (МПа) и температура Тс (К) в конце сжатия:

где n1 – средний показатель политропы сжатия, n1 =1,383.

 

 

1.3 Процесс сгорания.

 

Теоретически необходимое  количество воздуха L0 (кмоль) для сгорания  1 кг жидкого топлива:

где  С,Н,О – элементарный состав топлива, С = 0,855; Н = 0,145;       O = 0.

 

 

 

Количество горючей смеси, участвующее  при сгорании 1 кг топлива, (кмоль)

 

где m i – средняя малярная масса бензина, m i =115 кг/ кмоль;

      a - коэффициент избытка воздуха, a = 0,96.

 

Суммарное  количество продуктов сгорания, полученное при  сгорании 1 кг топлива (кмоль):

Коэффициенты молекулярного  изменения горючей m0 и рабочей m смеси:

 

 

Теплота не выделившаяся вследствие неполного сгорания бензина,

 

Средняя молярная изохорная  теплоемкость рабочей смеси в  интервале температур от 0 до Тс, кДж/(кмоль×К):

 

 

 Средняя молярная изохорная теплоемкость продуктов сгорания дизельного топлива, кДж/(кмоль×К).

                     = (18,4+2,6·0,96) + (15,5+13,8·0,96)*10-4Tz=

=20,16+28,748·10-4Tz

Средняя молярная изобарная  теплоемкость продуктов сгорания С²mp или свежего заряда С¢mp , кДж/(кмоль×К):

 

где    8,314 – универсальная газовая постоянная, кДж/(кмоль×К).

 

 

 

 

 

Температура газов в  конце сгорания Тz определяется из уравнения сгорания:

ε – коэффициент использования теплоты, 0,9 [1]

Hи – низшая теплота сгорания Hи =44,0 МДж/кг

 

получаем

                                          0,0032T2z+24.45Tz –73557.76=0

 

Отсюда температура  газов в конце сгорания, К,

Tz = 2337.87

Следовательно,

кДж/(кмоль×К)

=
=27.62 кДж/(кмоль×К)

 

Давление в конце  сгорания, расчетное pz и действительное p¢z , МПа:

P' z = 0.85Pz

 

Степень повышения давления для карбюраторных ДВС

 

1.4 Процесс расширения.

 

Давление в конце  расширения, МПа:

 

где n2 – средний показатель политропы расширения, n2 = 1,25.

 

Температура газа в конце  расширения, К :          

 

Расчетная температура остаточных газов, К :

          2. Индикаторные и эффективные показатели.

 

    1. Индикаторные показатели.

 

Среднее теоретическое  индикаторное давление, МПа:

Действительное среднее  индикаторное давление, МПа,

где j - коэффициент полноты индикаторной диаграммы, j = 0,92.

 

Удельный индикаторный расход топлива qi (г/(кВт×ч)) и индикаторный КПД hi:

где 3600 – тепловой эквивалент мощности, кДж/(кВт×ч) ;

            r -  плотность воздуха,  r = 1,189 кг/м3;

          НИ – теплота сгорания топлива, НИ = 44,0 МДж/кг.

 

 

2.2 Эффективные  показатели ДВС.

 

Для определения pе необходимо знать среднее механических

потерь pМ , МПа:

 

где а, в – эмпирические коэффициенты, а = 0,039, в = 0,0132;

        ωn – средняя скорость поршня, ωn =13,8 м/с.

 

Среднее эффективное давление pе (МПа) и механический КПД hМ :

Эффективный КПД ηе и удельный эффективный расход топлива qе , г/(кВтּч):

                  3. Основные размеры и параметры.

 

Рабочий объем цилиндров (iVh) и одного цилиндра (Vh), л,

Ход поршня S и диаметр цилиндра d, мм,

ψ – коэффициент характеризующий  отношение S/d ψ=1

 

Полученные размеры S и d округляют S – до числа кратного 5 или 2мм; d- до числа кратного 2мм.

Примем S=88 мм d=88 мм

 

 

По окончательно принятым значениям S и d уточняем основные параметры ДВС:

 

 

 

где      Vа -  полный объем цилиндра ДВС, л;

Vc  - объем камеры сгорания, л;

Ме – крутящий момент на коленчатом валу, Нּм

GT – расход топлива, кг/ч;

 

Литровая мощность  Nл (кВт):

4. Построение индикаторной диаграммы

При  аналитическом  способе давления рх в любой точке политропы сжатия а с для промежуточных объемов, расположенных между Va  и Vc , определяем

 

по уравнению:

Отсюда 

,           

 

 

 

Остальные значения px политропы сжатия ac приведены в таблице 1.

Таблица 1 Данные для построения индикаторной диаграммы.

 

1,39

1,26

1,02

0,79

0,58

0,39

0,22

0,15

0,085

20

22

25

30

38

51

76

101

152

7,5

7

6

5

4

3

2

1,5

1


 

 

Политропу расширения zb стоим по уравнению:

Остальные значения px политропы расширения zb приведены в таблице 2.

 

 

Таблица 2 Данные для построения индикаторной диаграммы.

5,28

4,8

4

3,2

2,42

1,66

1,02

0,72

0,425

20

22

25

30

38

51

76

101

152

7,5

7

6

5

4

3

2

1,5

1


 

Среднее действительное индикаторное давление (по диаграмме)

Pi = S1 mp/AB=5170*0,025/132=0,979 МПа

где S 1 – площадь фигуры adczbb’’a

-получена в тепловом расчете.

Индикаторная диаграмма  представлена на рис.1.

          5. Внешняя скоростная характеристика.

 

Кривые Ne = f1(n)  и qe = f2(n) строят  с использованием эмпирических формул:

где Ne max – максимальная мощность ДВС, кВт, при частоте   вращения nN ;

Ne – мощность, кВт, при расчетной частоте n;

                  qe – удельный эффективный расход топлива, г/(кВтּч), при частоте n;

 

             qeN – удельный расход топлива, г/(кВтּч), при Ne max;

 

             A,B,C,D,E – постоянные коэффициенты, А = 1,00; В = 1,00;

                                                             С = 1,20; D = 1,00; Е = 0,80.

Эффективный крутящий момент, Нּм,

 

 

Часовой расход топлива, кг/ч,

Результаты расчета  заносим в таблицу 2, и на их основании строим график (рисунок 2).

 

Таблица 2 Расчетные данные для построения внешней скоростной характеристики двигателя.

 

n, мин –1

 

Ne, кВт

 

Ме, Нּм

 

qe, г/(кВтּч)

 

GТ, кг/г

600

8.1

129.147

365.835

2.963

1300

18.977

139.408

332.312

6.306

2000

30.306

144.710

310.236

9.402

2700

41.013

145.063

299.606

12.288

3400

50

140.465

300.424

15.021

4100

56.205

130.916

312.688

17.575

4800

58.512

116.415

336.400

19.683


 

           6. Тепловой баланс.

 

Уравнение ТБ, кДж/ч (%)

 

Общее количество теплоты, полученное от сгорания топлива в цилиндрах (кДж/ч),

Теплота (кДж/ч, %), эквивалентная эффективной мощности Ne (кВт),

Теплота, отданная охлаждающей воде (кДж/кг, %),

 

где Gв – масса воды проходящей через ДВС за 1ч, кг=4875,

      Св – массовая теплоемкость воды, Св = 4,19 кДж/(кгּ°С);

tвых ,tвх – температура воды на выходе из ДВС и входе соответственно,                      tвых – tвх = 8 °С.

 

Теплота, теряемая с отработавшими  газами (кДж/ч, %),

где GTM2C´´трt´r – количество теплоты, удаленное из цилиндров с    отработавшими газами, кДж/ч;

           GTM1C´трt1 – количество теплоты, введенное в цилиндры ДВС со свежим зарядом, кДж/ч;

                          t´r – средняя     температура    отработавших    газов, измеренная за выпускным патрубком, ºС, = 1095,22-75-273=747,22       

                         Тr – температура газов в конце выпуска, К;

                          t1 – температура свежего заряда при впуске в цилиндр ДВС, ºС,

                          t1 = 293+8-273=28

     To+∆T –   температура свежего заряда при впуске с учетом    его     подогрева, К.

    

 Теплота, теряемая вследствие неполноты сгорания топлива, кДж/ч, % :

 

 

Остаточный член топливного баланса, кДж/кг, % :

 

 

 

 

 

 

 

 

Сравнение основных показателей ДВС.

 

Таблица № 3 Основные показатели рассчитываемого двигателя и  прототипа.

 

Показатель

Обозначение

показателя

Рассчи-

тываемый

ДВС

ДВС-

прототип

Номинальная мощность, кВт

Ne

65

62,3

Частота вращения при Ne, мин-1

nN

4800

4500

Крутящий момент, Н∙м

Ме

116.41

171,7

Степень сжатия

ε

8

8.2

Среднее эффективное  давление

при Ме тах, МПа

ре

0,69

0,88

Минимальный удельный расход

топлива, г/(кВт·ч)

qe min

336.4

308

Диаметр цилиндра, мм

d

88

92

Ход поршня, мм

S

88

92

Отношение S/d

Ψ

1

1

Средняя скорость поршня, м/с

ωn

14.08

13,80

Число цилиндров

i

4

4

Рабочий объем цилиндров, л

Vhi

2,13

2,445

Удельная мощность, кВт/л

27.47

25,5


           7 .Кинематический расчет двигателя.

 

Перемещение поршня, мм,

где R- радиус  кривошипа , м,

 

 

 

Скорость поршня, м,

где ω – угловая скорость коленчатого вала , рад/с,

 

 

 

Ускорение поршня , м/с2,

 

Результаты расчетов заносим в таблицу 4.

 

Таблица 4 Результаты кинематического расчета двигателя.

 

 

φ, град

 

Sn, мм

 

Vn, м/с

 

J, м/с2

0

0

0

12923.175

30

7,43

11.266

10157.064

60

26,62

18.622

3634.643

90

50,16

20.096

-2826.945

120

70,62

16,185

-6461.587

150

83,64

8,83

-7330.12

180

88

0

-7369.286

210

83,64

-8,83

-7330.12

240

70,62

-16,185

-6461.587

270

50,16

-20.096

-2826.945

300

26,62

-18.622

3634.643

330

7,43

-11.266

10157.064

360

0

0

12923.175


 

По этим данным строим графики рис. 3. 

             8. Динамический расчет двигателя.

 

Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма заключается в определении суммарных сил и моментов, возникающих от давления газов и сил инерции, для различных положений коленвала. Динамический расчет следует выполнять в следующей последовательности:

  1. Развернуть индикаторную диаграмму по углу поворота коленвала, взяв за начало отсчета начало хода впуска (точку r ).

Pг = Р – Р0

где Р – давление на индикаторной диаграмме, МПа

 

Pг = 0,118 -  0,1 = 0,018

 

  1. Рассчитать удельную силу инерции возвратно-поступательно движущихся масс шатунно-поршневой группы, МПа:

где Fn    – площадь поршня, мм2,

mj – масса   тел, совершающих возвратно-поступательное движение, кг,    mj = mn + mшn ;

        mn   – масса поршневой группы, кг;

        mшn – масса       шатуна,  сосредоточенная    на  оси поршневого пальца,    кг, mшn = 0,275mш ;

       mn – конструктивные массы на 1м2 площади поршня, кг. Примем 150, кг.

mш – масса шатуна, кг.

 

 

Суммарная удельная сила приведенная  к центру поршневого кольца, МПа

МПа

 

    1. Удельные силы, МПа, действующие:

по шатуну

на стенку цилиндра

по кривошипу

по касательной к  окружности, описываемой центром  шатунной шейки

где β – угол отклонения шатуна от оси цилиндра, β = arcsin (λ sin φ).

Крутящий момент одного цилиндра

Результаты динамического  расчета следует свести в таблицу 5.

 

Таблица 5 Результаты динамического  расчета двигателя.

 

 

φ

град

 

 

МПа

 

P

МПа

 

tgβ

 

МПа

 

1


cosβ

 

МПа

 

cos(φ+β)


cosβ

 

МПа

 

sin(φ+β)


cosβ

 

МПа

 

Мкр,ц

Н·м

0

0,018

-1.822

-1,792

0

0

1

-1,792

1

-1,792

0

0

0

30

-0,023

-1.433

-1,463

0,141

-0,206

1,010

-1,477

0,795

-1,163

0,622

-0,909

-243

60

-0,023

-0,5

-0,53

0,248

-0,131

1,030

-0,546

0,285

-0,151

0,990

-0,525

-140

90

-0,023

0,398

0,368

0,289

0,106

1,041

0,383

-0,289

-0,106

1

0,368

98

120

-0,023

0.911

0,881

0,248

0,254

1,030

0.907

-0,715

-0,629

0,724

0,654

174

150

-0,023

1,033

1,003

0,141

0,141

1,010

1,013

-0,937

-0.939

0,378

0,379

101

180

-0,023

1,025

0.995

0

0

1

0.995

-1

-0.995

0

0

0

210

-0,023

1,033

1,018

-0,141

-0,143

1,010

1,028

-0,937

-0.954

-0,378

-0,385

-102

240

-0,023

0.911

0,911

-0,248

-0,225

1,030

0.938

-0,715

-0,649

-0,742

-0,676

-180

270

0,013

0,397

0,412

-0,289

-0,119

1,041

0,429

-0,289

-0,119

-1

-0,412

-110

300

0,25

-0,5

-0,312

-0,248

0,077

1,030

-0,321

0,285

-0,089

-0,990

0,309

82

330

0,75

-1,433

-0,833

-0,141

0,117

1,010

-0,841

0,795

-0,662

-0,622

0,518

138

360

2.1

-1.822

0.278

0

0

1

-0,278

1

-0,278

0

0

0

370

4,620

-1,814

2,545

0,049

0,125

1,001

2,547

0,976

2,484

0,221

0,562

150

390

3,10

-1,433

1,067

0,141

0,15

1,010

1,077

0,795

0.848

0,622

0,664

177

420

1,350

-0,512

0,481

0,248

0,119

1,030

0,495

0,285

0,137

0,990

0,476

127

450

0,750

0,399

0.864

0,289

0,249

1,041

0.899

-0,289

-0,249

1

0.864

231

480

0,450

0.911

1,181

0,248

0,292

1,030

1,216

-0,715

-0.844

0,742

0.876

234

510

0,275

1,033

1,153

0,141

0,162

1,010

1,164

-0,937

-1,08

0,378

0,436

116

540

0,15

1,025

1,07

0

0

1

1,07

-1

-1,07

0

0

0

570

0,1

1,033

1,063

-0,141

-0,149

1,010

1,074

-0,937

-0.996

-0,378

-0,402

-107

600

0,018

0.911

0.941

-0,248

-0,233

1,030

0.969

-0,715

-0,673

-0,742

-0,698

-186

630

0,018

0,397

0,427

-0,289

-0,123

1,041

0,444

-0,289

-0,123

-1

-0,427

-114

660

0,018

-0,5

-0,47

-0,248

0,116

1,030

-0,484

0,285

-0,113

-0,990

0,465

124

690

0,018

-1,433

-1,403

-0,141

0,197

1,010

-1,417

0,795

-1,115

-0,622

0,873

233

720

0,018

-1.822

-1,792

0

0

1

-1,792

1

-1,792

0

0

0


На основании этих данных строим графики  рисунок 4.

9. Построение графика суммарного момента Мкр. в зависимости от угла  поворота коленчатого вала и определение среднего значения крутящего момента Мкр.ср.

 

Т.к. во всех цилиндрах  двигателя величина и характер изменения крутящих моментов по углу поворота коленвала и одинаковые и отличаются лишь угловым интервалом, то для расчета ∑Мкр достаточно построить кривую крутящего момента для одного цилиндра.

 

∑Мкр1 = 0 Нм

∑Мкр2 = -275 Нм

∑Мкр3 = -385 Нм

∑Мкр4 = 105 Нм

∑Мкр5 = 614 Нм

∑Мкр6 = 588 Нм

∑Мкр7. =0 Нм

 

 

где F1 и F2 соответственно положительная и отрицательная площади, мм2, заключенные между кривой Мкр и линией АО и эквивалентные работе, совершаемой суммарным крутящим моментом;

ОА – длина интервала между вспышками на диаграмме, мм;

mм – масштаб моментов, mм = 4;

 Нм

 Нм

график показан на рис. 5.

10. Построение результирующей силы Rшш, действующей на шатунную шейку кривошипа и диаграммы износа шатунной шейки.

 

График изменения силы Rшш в зависимости от угла поворота коленвала (кривошипа) строится в прямоугольной системе координат.

,

;

 

График изменения Rшши и диаграмма износа приведен на рис. 6.

 

 

 

Т,кН

К,кН

,кН

,кН

0

0

-10.893

-17.92

18.1

30

-5.526

-7.06

-11.63

15.35

60

-3,191

-0.918

-1.51

8.72

90

2,237

-0,644

-1.06

8.2

120

3.976

-3.824

-6.29

11.75

150

2,304

-5.708

-9.39

13.2

180

0

-6,049

-9.95

13.3

210

-2,34

-5.799

-9.54

13.28

240

-4,109

-3.345

-6.49

11.4

270

-2,504

-0,725

-1.19

8.4

300

1,878

-0,541

-0.89

8

330

3,148

-4,024

-6.62

11.7

360

0

-1,698

-2.78

9.7

370

3,416

15,1

21.04

8.5

390

4.036

5.155

8.48

4.6

420

2.894

0.832

1.37

7.15

450

5.252

-1.514

-2.49

10.25

480

5.325

-5.131

-8.44

13.4

510

2.65

-6.565

-10.8

14.1

540

0

-6.504

-10.7

13.8

570

-2,444

-6.095

-9.96

13.6

600

-4,243

-4,091

-6.73

12.1

630

-2,596

-0,748

-1.23

8.35

660

2.827

-0,687

-1.13

8.3

690

5,307

-6.778

-11.15

15

720

0

-10.894

-17.92

18.1




Таблица 6.

 

 

 

 

 

11. Описание конструктивного узла.

Шатун служит для передачи усилий от поршня  к коленчатому  валу, и наоборот (в зависимости  от соотношения действующих сил).

При работе двигателя шатун совершает  сложное движение, во время которого он подвергается действию переменных давлений газов и инерционных сил. В некоторых случаях действие этих сил носит характер, близкий к ударному. Таким условиям работы отвечает конструкция шатуна, имеющая максимальную жёсткость при минимальной массе.

Основными элементами шатуна являются поршневая (верхняя) головка, стержень и кривошипная (нижняя) головка.

Поршневая головка имеет  обычно цилиндрическую или близкую  к ней форму, её штампуют вместе  со стержнем шатуна и, как правило, выполняют цельной.

В поршневые головки  запрессовывают с некоторым натягом  втулки из антифрикционного материала. Радиальная толщина стенки втулки составляет (0,055…0,085)dн. Между пальцем и поверхностью втулки предусматривается зазор ∆ = (0,0004…0,0015) dн.

Для подвода смазочного материала в поршневой головке  шатуна выполняются специальные  отверстия. В современных двигателях плавающие пальцы нередко смазываются  принудительно, для чего масло подаётся под давлением по каналу в стержне шатуна. Это же масло может отводить  теплоту от днища поршня, для чего в верхней части головки устанавливается форсунка.

Между торцами поршневой  головки шатуна и бобышек поршня должен быть осевой зазор, необходимость  которого обуславливается наличием допусков расстояний между осями цилиндров и размеров коленчатого вала, поршня и шатуна, а также удлинением коленчатого вала при нагревании. Длину поршневой головки шатуна делают на 3…5 мм меньше расстояния между бобышками: Lб.п=Lп.r + (3…5) мм.

Стержень шатуна симметричен относительно продольной оси кривошипной головки и имеет двутавровое сечение. Отношение высоты двутаврового сечения к его ширине обычно колеблется от 1,4 до 1,8.

Кривошипная головка  шатуна должна обладать высокой жёсткостью, обеспечивающей надёжную работу тонкостенных вкладышей; иметь минимальные габариты, определяющие контуры картера, а также минимальную массу; плавные формы во избежание концентрации напряжений в местах изменения сечений и переходов. Должна обеспечиваться возможность извлечения головки через цилиндр при демонтаже (обязательное условие для двигателей с блок-картерами).

Кривошипные головки  многоцилиндровых двигателей выполняются  разъёмными. Крепление крышки осуществляется с помощью болтов или (реже) шпилек. Для уменьшения габаритных размеров и массы кривошипной головки шатунные болты стремятся приблизить к оси шейки.

В случае развитых шатунных шеек с относительным размером dш.ш/D = 0,66…0,68 и более для обеспечения демонтажа поршня с шатуном через цилиндр кривошипные головки изготовляют с косым разъёмом под углом, равным 30, 45 и 600  , к продольной оси стержня шатуна (ЯМЗ – 236, СМД – 60).

Крышки кривошипных  головок для предупреждения смещения в поперечном направлении фиксируют  призонными болтами, выступами в  крышке или теле шатуна, треугольными шлицами.

В кривошипную головку  шатуна устанавливается подшипник  в виде двух тонкостенных вкладышей. Толщина стенок вкладышей существующих конструкций изменяется в пределах (0,33…0,05) dш.ш, толщина антифрикционного слоя — 0,2…0,7 мм.

Осевой зазор (возможное  перемещение кривошипной головки  вдоль шатунной шейки) не превышает 0,1…0,15 мм. При наличии больших  осевых зазоров возможны «центробежная  откачка» масла из подшипника и падение  давления в его слое.

Для предупреждения проворачивания и осевых перемещений тонкостенные вкладыши фиксируются     усиками, выдавленными   у  стыков  и  располагающимися  в  соответствующих

канавках, выфрезерованных  в шатуне и крышке. С той же целью иногда применяется штифтовая  фиксация.

Различные элементы шатуна работают в условиях знакопеременных и переменных напряжений, изменяющихся в широких пределах.

Шатуны отечественных  автомобильных и тракторных двигателей изготавливают из сталей 40, 45, 45Г2, 40Х; шатуны дизелей, работающих в условиях наддува при высоких давлениях сгорания,— из легированных сталей типа 18Х2Н4МА, 40Х2Н2МА, 40Х2АФЕ с высокими пределами прочности и текучести. В качестве термообработки шатунов применяются нормализация, закалка и отпуск.

Для изготовления болтов используют стали типа 35Х, 40Х, 40НХ. При больших напряжениях затяжки применяют легированные стали 18Х2Н4ВА, 20ХНЗА, 40ХНМА.

Втулки поршневых болтов головок шатунов форсированных  двигателей изготовляются из алюминиево-железистой бронзы Бр АЖ 9-4, оловянно-цинковых бронз  Бр ОЦ 10-2, Бр ОЦС 4-4-2,5 или Бр ОЦС 3-11-5, а также оловянно-фосфористых бронз Бр ОФ 10-1. Эти бронзы обладают высокими износостойкостью и сопротивлением усталости.

 

12. Расчет шатунной  группы.

       12.1.Поршневая головка.

 

Из теплового и динамического  расчетов имеем давление сгорания на режиме при ,массу поршневой группы ; массу шатунной группы ;максимальную частоту вращения при холостом ходе ;ход поршня S=88 мм; площадь поршня ; . Из расчета поршневой группы имеем диаметр поршневого пальца ;длину поршневой головки шатуна . По таблице13.1 принимаем: наружный диаметр головки ; внутренний диаметр головки ; радиальную толщину стенки головки ; радиальную толщину стенки втулки .

Тепловой расчет змз 24