Розрахунок автотракторного двигуна

Розрахункову температуру  ВГ обчислюють за формулою:

 

, ˚К                                           (2.27)

 

К

 

 

Після обчислення розрахункової  температури відпрацьованих газів  проводять її порівняння з прийнятою на початку розрахунку температурою Т_r (див. пункт 2.1.2.):

∆ = |( – Т_r)/ | < 0,05                                       (2.28)

 

∆ = |(777,118-777)/777,118| = 0,0002

У разі отримання ∆ > 0,05 (тобто, більше 5%) необхідно провести уточнений розрахунок, починаючи  з пункту 2.1.2. У курсовій роботі процес уточненого теплового розрахунку виконується  з допомогою ЕОМ після перевірки другого розділу.

 

2.6. Для оперативної перевірки правильності теплового розрахунку на ЕОМ студентом повинен бути підготовлений список прийнятих і розрахованих даних у порядку, наведеному у табл. 2.1. До таблиці слід заносити визначену у розділі 1 та прийняту для подальших розрахунків потужність N_е.

 

2.7. Побудова індикаторної  діаграми в координатах Р-V (рис. 2.1) виконується після перевірки правильності розрахунків робочого процесу. Індикаторну діаграму слід будувати на міліметровому папері формату А4.

По осі абсцис відкладають об'єм циліндра над поршнем, який може змінюватися у межах від V_с до V_а . Конкретні значення цих об'ємів поки що невідомі, тому за одиницю виміру вибирають значення V_с. Наприклад, якщо прийняти V_с = 10 мм по осі абсцис, то при ступіні стиску ε = 15об'єм V_а буде відповідати 15·10 = 150 мм. Отже вся діаграма повинна розміститися між поділками 10 мм (ВМТ) і 150 мм (НМТ). Після обчислення конкретних розмірів циліндрово-поршневої групи буде неважко визначити конкретні значення об'ємів: для цього досить буде нанести ще одну шкалу по осі абсцис згідно з перерахованим масштабом.

По осі ординат відкладають тиск газів у циліндрі. Масштаб слід вибирати таким, щоб повністю використати площу формату. Але при цьому необхідно виконувати вимоги стандартів: масштаби повинні належати до ряду чисел: 0,01, 0,02, 0,025, 0,04, 0,05, 0,075, 0,1 (МПа/мм). Згідно з вибраним масштабом по осі ординат наносимо шкалу тиску у МПа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблиця 2.1.

Список параметрів теплового розрахунку для вводу  в ЕОМ

 

№№ пп	Параметри: назва та позначення (приведені  російською мовою як на екрані  ЕОМ)	Одиниця виміру	Значення
1	Частота вращения n	об/мин	1700
2	Номинальная мощность Nе	кВт	51,878
3	Число цилиндров і	-	4
4	Степень сжатия ε	-	14,6
5	Коэффициент избытка воздуха α	-	1,6
6	Низшая теплота сгорания топлива Qн	МДж/кг	42,500
7	ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО ТЕЛА: количество углерода С	-	0,857
8	водорода Н	-	0,133
9	кислорода О	-	0,01
10	Молекулярная масса паров топлива Мт	кг/кмоль	190
11	Параметры окружающей среды: давление Р0	МПа	0,1
12	температура Т0	˚K	288
13	Степень повышения давления ТК λк	-	1
14	Показатель политропы сжатия ТК nк	-	1
15	Парам . остат . газов Рг	МПа	0,110
16	Принятая темп. ОГ Тг	˚К	777
17	ВПУСК: потери давления во впускной системе ΔPа	МПа	0,005
18	коэффициент остаточных газов γr	-	0,0354
19	подогрев заряда на впуске ΔТ	˚К	31
20	коэффициент наполнения ηv	-	0,8477
21	температура в конце впуска Tа	˚К	334,644
22	СЖАТИЕ: показатель политропы сжатия n1	-	1,35118
23	давление в конце сжатия Рc	МПа	3,5561
24	температура в конце сжатия Tc	˚К	857,978
25	мольная теплоемкость газов в конце сжатия μСvc	кДж/(кмольּгр)	21,6529
26	СГОРАНИЕ: коэффициент использования тепла ζ	-	0,9
27	степень повышения давления λ	-	1,66
28	мольная теплоемкость μСvz или μСpz    (А+ВּTz)        А	див. пояснення	29,089
29	В	див. пояснення	0,0024
30	температура в конце сгорания Tz	˚K	2166,5
31	давление в конце сгорания Рz	МПа	5,9031
32	РАСШИРЕНИЕ: степень последующего расширения δ	-	9,2810
33	показатель политропы расширения n2	-	1,2965
34	давление в конце расширения Pb	МПа	0,3286
35	температура в конце расширения Тb	˚К	1119,17
36	ВЫПУСК: расчетная температура в конце выпуска Т’г	˚K	777,118
37	расхождение с принятой температурой Δ	%	0,00

 

 

 

 

Приймаємо об’єм камери згорання V_c =10 мм.

Тоді повний об’єм циліндра складає:

 

                                              V_a = ε · V_c    мм                                           (2.29)

 

V_a= 14,6·10 = 146 мм

Приймаємо масштаб тиску  газів µ_р =0,03 МПа/мм.

Після побудови координатних осей та шкал наносимо обчислені в  тепловому розрахунку характерні точки  індикаторної діаграми.

Для дизеля:

 

r(V_с,Р_г), а(V_а,Р_а), с(V_с,Р_с), z'(V_c,Р_z), z(V_ρ,Р_z)  і b(V_а,Р_b).

 

r(10, 3,7), а(146, 3,2), с(10,118,5), z'(10,196,8), z(15,7, 196,8)  і b(146, 11,0)

Побудовані характерні точки  з'єднуємо тонкими лініями в  такому порядку.

 

Процеси впуску і  випуску зображуємо у вигляді прямих, паралельних осі абсцис, проведених через точки а(V_а,P_а) та r(V_с,Р_г), відповідно, від ВМТ (V_c) до НМТ (V_a).

Процес згоряння зображуємо також прямими, що сполучають точки:

с(V_c,Р_c), z'(V_c,Р_z)  та z(V_ρ,P_z) – у дизеля.

Політропи стиску та розширення сполучають відповідно точки:

a(V_а,P_а) та с(V_с,P_с) – стиск у дизеля і карбюраторного двигуна,

z(V_ρ,P_z) та b(V_b,P_b) – розширення у дизеля.

Для побудови політроп необхідно  обчислити координати проміжних  точок. Для їх обчислення слід скористатися формулами 2.9 (стиск), 2.32 (розширення у  карбюраторному двигуні) та 2.34 (розширення у дизелі). Для розрахунку тиску  можна задаватися значенням об'єму  V_х прямо у міліметрах шкали абсцис, підставляючи значення V_с чи V_ρ також у міліметрах. Розрахунки повторюються декілька разів (чим більше точок – тим точніше буде побудовано політропи). Прискоренню розрахунків допоможе програмований калькулятор. Обчислені координати проміжних точок політроп слід занести до таблиці:

 

 

 

 

 

Таблиця 2.2

Розрахунок проміжних точок політроп стиску і розширення

№ пп	Координата точки по осі обсцис (Vх),мм	Величина тиску, МПа
		Стиск	Розширення
1	10	3,556	5,903
2.	20	1,394	4,324
3.	30	0,806	2,556
4.	40	0,546	1,760
5.	50	0,404	1,318
6.	60	0,316	1,041
7.	70	0,257	0,852
8. „	80	0,214	0,717
9.	90	0,183	0,615
10.	100	0,158	0,537
11.	110	0,139	0,474
12.	120	0,124	0,424
13.	130	0,111	0,382
14.	140	0,101	0,347
15.	146	0,095	0,329

Проміжні точки політропи  списку обчислюємо по залежності:

 ⁿ¹ , МПа                                  (2.30)

Де n1 =1,351   при V_x =20 мм

Р_х = 0,095 ·(146/20)^1,351 = 1,394 Мпа

Проміжні точки політропи розширення обчислюємо по залежності:

 

Р_х =Р_z/(V_x/V_p)ⁿ²,  МПа                                          (2.31)

Де n2=1,296  при V_x =20 мм

Р_х =5.903/(20/15,731)^1,296=4,324 МПа

 

Розділ 3

Розрахунок  показників робочого циклу,

розмірів  та параметрів двигуна

 

Побудована індикаторна  діаграма дає підстави для визначення роботи, виконаної робочим тілом (газами по переміщенню поршня в  циліндрі), та витрат палива на здійснення цієї роботи – індикаторних показників робочого циклу. Частина роботи газів буде передана колінчастому валу і далі споживачу енергії у вигляді ефективної (корисної) роботи, а частина – витрачена на приведення в дію механізмів двигуна. Доцільно розглядати індикаторні та, окремо, ефективні показники робочого циклу.

 

Індикаторні показники

 

3.1. Середній індикаторний  тиск

Середній індикаторний тиск Р_i визначається як робота, виконана газами за один цикл і віднесена до одиниці робочого об'єму циліндра. Значення середнього індикаторного тиску визначає інші показники двигуна. Визначення Р_i може бути здійснено шляхом обчислення площі F індикаторної діаграми в координатах P-V (рис. 2.1), обмеженої лініями стиску, згоряння та розширення, з урахуванням масштабів по осям абсцис і ординат:

 

Р_i = (F/L)∙μ_p, МПа                                                (3.1)

 

де  F – вказана площа в мм²;

      L – довжина індикаторної діаграми в мм (від V_с до V_а);

      μ_p – масштаб тиску по осі ординат індикаторної діаграми в МПа/мм.

Такий спосіб визначення середнього індикаторного тиску є наближеним і досить трудомістким, може бути рекомендований для перевірки вірності побудови індикаторної діаграми. На практиці користуються аналітичним способом визначення Р_і, основаним на обчисленні площі F методом інтегрування політроп. Одержаний по цьому способу результат не враховує скруглення діаграми і через те дає значення , завищене на 3...8% у порівнянні з фактичним Р_і. Розрахункова формула має вигляд:

 

, МПа         (3.2)

  МПа

 

де  – розрахункове значення середнього індикаторного тиску, МПа;

      Р_с – тиск у кінці процесу стискування, МПа;

      λ – ступінь  підвищення тиску у процесі  згоряння;

      ρ – ступінь попереднього розширення (у карбюраторних двигунів ρ = 1);

      n₁ та n₂ – показники політроп стиску та розширення, відповідно;

      ε – ступінь стиску;

      δ – ступінь остаточного розширення (для карбюраторних двигунів δ = ε).

Скруглення враховують коефіцієнтом повноти індикаторної діаграми ν, який знаходиться у межах:

 

ν = 0,92...0,96 – для дизелів.

 

Тоді величина дійсного середнього індикаторного тиску знаходиться  як:

 

P_i = ∙ν, (МПа),                                              (3.3)

 

P_i =0,95·0,908 = 0,863 МПа

 

а його значення можуть мати величину:

 

Р_і = 0,7...1,0 – для дизелів без наддуву,

 

3.2. Індикаторний  ККД

Індикаторний  ККД  являє  собою відношення корисної роботи, виконаної робочим тілом, до кількості  тепла, яке повинне виділитися при  умові повного згоряння палива, поданого в циліндр за один цикл. Індикаторний ККД  η_і  визначають за формулою:

,                                          (3.4)

 

 

де  ρ_к – густина заряду на впуску, кг/м³;

     Q_н– нижча теплота згоряння палива у МДж/кг.

Підрахований ККД повинен  знаходитися у межах:

η_i = 0,37...0,50 – для дизелів.

 

3.3. Індикаторна  питома витрата палива

Витрату палива на виконання  одиниці індикаторної роботи називають  індикаторною питомою витратою палива і обчислюють за формулою:

 

, г/(кВт∙год)                                   (3.5)

 

 г/(кВт∙год)                                  

 

Обчислені індикаторні показники  характеризують досконалість робочого циклу двигуна, але не враховують витрат енергії на подолання тертя  у механізмах двигуна, на виконання  допоміжних (насосних) ходів впуску і випуску. Усі ці витрати враховуються при визначенні ефективних показників.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ефективні показники

 

3.4. Величина втрат  на тертя

У двигуні величина втрат на тертя залежить від багатьох факторів: типу та призначення двигуна, числа та розташування циліндрів, типу систем мащення та охолодження та ін. З них найбільш впливовим фактором є швидкість руху деталей і механізмів, яка однозначно залежить від частоти обертання колінчастого валу двигуна. Для двигунів різних типів одержано досить багато емпіричних залежностей втрат енергії на тертя від частоти обертання колінчастого валу або від середньої швидкості поршня, які між собою однозначно зв'язані. Для курсового проектування будемо користуватися двома з відомих залежностей:

для дизелів:

 

P_м = 0,105 + 0,0120·W_пср, МПа,                                   (3.6)

 

P_м = 0,105 + 0,0120·7,933 = 0,200 МПа,

                             

де  Р_м – величина механічних втрат, віднесена до площі поршня;

      W_пср – середня швидкість поршня у м/с, визначається через частоту обертання колінчастого валу n (в об/хв) і хід поршня S_п (у м) (W_пср=7.933м/с)

3.5. Середній ефективний  тиск

Ефективну роботу, яку можна  одержати і зняти з колінчастого валу двигуна за один цикл, віднесену  до робочого об'єму циліндра, називають  середнім ефективним тиском Р_е. Його визначають як:

 

Р_е = Р_і – Р_м, МПа.                                              (3.7)

 

Р_е = 0,863 – 0,2 = 0,662 МПа

 

3.6. Механічний  ККД

Відношення втрат роботи на тертя до індикаторної роботи становить  механічний ККД двигуна η_м:

 

η_м = Р_е/Р_і                                                   (3.8)

 

η_м = 0,662/0,863 = 0,768

 

Відомо, що механічний ККД  сучасних автотракторних двигунів знаходиться  у межах:

η_м = 0,7...0,8 – для дизелів без наддуву,

3.7. Ефективний  ККД

Ефективним ККД називають відношення ефективної роботи, виконаної двигуном, до кількості теплової енергії, яка повинна виділитися при умові повного згоряння палива, поданого в циліндр за один цикл. Ефективний ККД може бути знайдений як:

η_е = η_і · η_м                                                (3.9)

 

η_е = 0,46 · 0,768 = 0,353

 

Дизельні двигуни мають  η_е = 0,31...0,42.

 

3.8. Ефективна питома  витрата палива

Витрату палива на виконання  одиниці ефективної роботи називають  ефективною питомою витратою палива. ЇЇ обчислюють за формулою:

 

, г/(кВт·год)                                (3.10)

 г/(кВт·год)                               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

визначення  Розмірів двигуна

 

3.9. На основі  проведених розрахунків визначають розміри проектованого двигуна, необхідні для забезпечення заданої ефективної потужності N_е. Обчислення проводять у такому порядку.

3.9.1. Необхідний літраж двигуна :

 

, л  (дм³)                                           (3.11)

 

, л  (дм³)