Тепловой расчет двигателя. Определение основных размеров и удельных параметров двигателя
Практическая
работа №1
Тепловой расчет двигателя. Определение основных
размеров и удельных параметров двигателя
Цель работы
научиться определять основные параметры
проектируемого двигателя, а также индикаторные и эффективные показатели работы
двигателя.
Теоретическая часть
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.
Рабочий цикл рассчитывают для определения
индикаторных, эффективных показателей работы двигателя и температурных условий
работы деталей, основных размеров, а также выявления усилий, действующих на его
детали, построения характеристик и решения ряда вопросов динамики двигателя.
Результаты теплового расчета зависят от
совершенства оценки ряда коэффициентов, используемых в расчете и учитывающих
особенности проектируемого двигателя. Они будут тем ближе к действительным, чем
больше используются фактические данные испытаний таких двигателей, которые по
ряду основных параметров близки к проектируемому.
Результаты теплового расчета дизеля
в дальнейшем используются при выполнении кинематического и динамического
расчетов. В примерах расчетов не учитывается дозарядка и продувка цилиндров 
При выполнении расчета задаемся
рядом параметров с учетом пределов их изменения, а также их значений для
двигателей, принятых в качестве прототипов.
Если задана или определена методом
тягового расчета эффективная мощность двигателя, выбраны номинальная частота
вращения 
, число
цилиндров i и отношение
S/D, то при
известном значении ре на основе формулы, определяющей эффективную мощность
двигателя:
где 
- эффективное давление, МПа;
- рабочий объем цилиндра, л;
- частота вращения коленчатого вала
двигателя, об/мин;
- коэффициент тактности двигателя
(число ходов поршня за один цикл),
можно определить основные
конструктивные параметры двигателя: диаметр цилиндра и ход поршня.
При этом литраж двигателя (рабочий
объем всех цилиндров) определяется по формуле:
где 
- индикаторное давление двигателя,
МПа;
- механический КПД.
Рабочий объем одного цилиндра:
где 
- ход поршня, м.
Обозначим отношение 
и
представим 
Тогда
диаметр цилиндра:
и ход поршня:
Полученные значения D и S округляют
до целых чисел и по принятым их значениям определяют уточненные основные
параметры и показатели двигателя.
Литраж двигателя (л):
Эффективная мощность (кВт):
Эффективный крутящий момент (Н·м):
Часовой расход топлива (кг/ч) :
где 
- эффективный удельный расход
топлива, г/кВт·ч.
Средняя скорость поршня (м/с):
Литровая мощность двигателя
(номинальная мощность, отнесенная к единице рабочего объема):
Значение литровой мощности 
для
современных автотракторных двигателей находится в следующих пределах:
для автомобильных карбюраторных
двигателей - 20 ...45 кВт/л;
для автотракторных дизелей - 10...20
кВт/л.
В качестве оценочного показателя
применяют также удельную поршневую мощность (номинальную мощность, отнесенную к
единице площади поршня):
Значение удельной поршневой мощности
для
современных автотракторных двигателей находится в следующих пределах: для
автомобильных карбюраторных двигателей - 15...35 кВт/дм2, для автотракторных
дизелей - 15...25 кВт/дм2.
Важные удельные показатели двигателя
- литровая масса (масса сухого незаправленного двигателя, приходящаяся на
единицу рабочего объема цилиндров) и удельная масса (масса сухого двигателя,
приходящаяся на единицу номинальной мощности).
Так как 
то
Значение литровой массы
характеризует совершенство конструкции и технологии изготовления двигателя, а
также качество применяемых материалов. При уменьшении литровой массы с учетом
создании заданной надежности и долговечности двигателя может быть достигнут
существенный экономический эффект. Удельная масса двигателя зависит от литровой
массы и степени форсирования, которая характеризуется литровой мощностью.
Относительный прирост литровой мощности называют степенью форсирования.
Литровая и удельная массы дизелей
больше, чем карбюраторных двигателей (при условии одинаковых их рабочих
объемов), в связи с высокими нагрузками от давления газов на детали и
соответственно большей поверхностью сопряжений и размеров несущих конструкций.
Значения литровой и удельной масс
для современных автотракторных двигателей находятся в следующих пределах:
для автомобильных карбюраторных
двигателей 
=75...150
кг/л, 
=1,5...6 кг/кВт;
для автотракторных дизелей = 100... 200
кг/л, = 4...10
кг/кВт.
Конструктивная компактность
двигателей характеризуется габаритной мощностью (кВт/м3):
После деления и умножения правой
части этого выражения для 
на литраж
двигателя 
, габаритную
мощность можно представить как произведение коэффициента компактности 
на литровую
мощность 
, т. е. 
.
Коэффициент компактности двигателей
без воздухоочистителя составляет:
для V-образных
дизелей жидкостного охлаждения грузовых автомобилей 13...15;
для V-образных
дизелей воздушного охлаждения грузовых автомобилей - 12...14.
Габаритная мощность V-образных
дизелей с жидкостным охлаждением составляет 270...325 кВт/м3, а таких же
дизелей с воздушным охлаждением значительно ниже - 155...185 кВт/м3. С
увеличением числа цилиндров габаритная мощность возрастает. За счет выбора отношения
S/D
можно изменять габаритные размеры и массу двигателя.
Практическая часть
Исходные данные:
Удельная теплота сгорания топлива 
кДж/кг;
Номинальная мощность 
кВт;
Номинальная частота вращения 
об/мин;
Коэффициент тактности 
;
Количество цилиндров 
;
Коэффициент избытка воздуха 
;
Отношение хода поршня к диаметру 
;
Элементный состав топлива 
,кг/кмоль.
Расчет ведем для условий сгорания 1
кг топлива. При выполнении расчета задаемся рядом параметров с учетом пределов
их изменения, характерных для прототипа.
Индикаторные параметры рабочего
цикла двигателя:
МПа
Принимаем коэффициент полноты
индикаторной диаграммы 
Среднее индикаторное давление цикла
для скругленной индикаторной диаграммы:
МПа.
Индикаторный КПД:
.
Индикаторный удельный расход
топлива:
г/(кВт-ч).
Эффективные показатели двигателя.
Принимаем предварительно среднюю
скорость поршня 
=13 м/с.
Среднее давление механических
потерь:
МПа.
Среднее эффективное давление:
МПа.
Механический КПД:
.
Эффективный КПД:
.
Эффективный удельный расход топлива:
г/(кВт-ч).
Основные размеры цилиндра и удельные
параметры двигателя.
Литраж двигателя:
л.
Рабочий объем цилиндра:
л.
Обозначим отношение 
. Тогда
диаметр цилиндра:
мм.
Ход поршня:
мм.
Площадь поршня:
мм
или 127,47 см.
Средняя скорость поршня:
м/с.
соответствует принятой при
определении среднего давления механических потерь и входит в предел 5%:
.
Эффективный крутящий момент:
Нм.
Часовой расход топлива:
кг/ч.
Литровая мощность:
кВт/л.
Удельная поршневая мощность:
кВт/дм.
Если принять массу сухого (не
заправленного) двигателя без вспомогательного оборудования по прототипу
карбюраторного ЗИЛ-130 
кг, то
литровая масса:
параметр двигатель цикл
давление
кг/л.
Удельная масса:
кг/кВт.
Вывод
научились определять основные
параметры проектируемого двигателя, а также индикаторные и эффективные
показатели работы двигателя.