|
Жидкое топливо
|
Содержание, кг
|
Низшая теплота
сгорания  , кДж/кг
|
|
  
|
|
|
|
|
Дизельное
топливо
|
0,870
|
0,126
|
0,004
|
42500
|
.6
Термохимический расчет процесса сгорания
Количество заряда 
, находящегося в цилиндре в конце сжатия, определяется количеством
свежего заряда 
и остаточных газов 
:
Количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания
1 кг жидкого топлива определяется из стехиометрических соотношений.
В массовых единицах, 
:
в объемных единицах 
:
Количество свежего заряда , находящегося в цилиндре дизеля, кмоль/кг:
Для дизельных двигателей, кмоль/кг:
где 
- молекулярная масса паров дизельного
топлива, принимаем 
190 кг/кмоль.
Количество остаточных газов в цилиндре определяется кмоль/кг,
Количество заряда, находящегося в цилиндре к концу процесса
сгорания 
на 1 кг топлива, определяется количеством
продуктов сгорания и остаточных газов :
Количество продуктов сгорания 
, образующихся при сгорании 1 кг жидкого топлива, может быть
определено по формулам, кмоль/к г:
для бедных смесей 
:
2.7
Термодинамический расчет процесса сгорания
Величина теплоемкости зависит от температуры и давления тела, его
физических свойств и характера процесса. Для расчетов работ их процессов обычно
пользуются средними молярными теплоемкостями при постоянном объеме 
и при постоянном давлении 
, между которыми существует зависимость:
Теплоемкость заряда 
определяется в зависимости от температуры конца сжатия 
по эмпирической формуле, кДж/(кмоль К):
Теплоемкость продуктов сгорания 
определяется в зависимости от температуры 
и состава рабочей смеси:
при 
Температуру в конце процесса сгорания определяют по следующему
выражению. для дизельных двигателей:
где 
- коэффициент использования теплоты, 
0,8; 
- степенью повышения давления, 
2,0
После подстановки перечисленных величин в выражение получается
квадратное уравнение типа: 
К
Давление газов в конце сгорания, 
МПа
Степенью предварительного расширения в дизеле.
.8
Расчет процесса расширения
Предполагают, что расширение происходит по политропному процессу
со средним показателем политропы 
, принимаем равному 1,23 Степень последующего расширения для
дизелей определяем по выражению:
Значения давления 
(МПа) и температуры 
(К) в конце процесса расширения определяются по формулам
политропного процесса
дизельный двигатель:
МПа
К
Проверка ранее принятой температуры остаточных газов осуществляем
по формуле:
К
Погрешность составляет:
,
где 
и 
- соответственно расчетная и принятая температура остаточных
газов.
%
Значение расчетной температуры остаточных газов может отличаться
от выбранной ранее не более чем на 5%.
.9
Расчет индикаторных показателей двигателя
Оценку рабочего цикла проводят по индикаторным показателям, среди
которых важны, прежде всего, среднее индикаторное давление 
индикаторный КПД 
, удельный индикаторный расход топлива 
.
Среднее индикаторное давление цикла МПа:
для дизельных двигателей
,
где 
- коэффициент полноты индикаторной
диаграммы, 
0,95
МПа
Индикаторный КПД характеризует степень использования теплоты
топлива в действительном цикле для получения индикаторной работы и определяется
по выражению:
Совершенство цикла, его топливная экономичность оценивается
величиной удельного индикаторного расхода топлива, г/(кВт ч):
.10
Расчет эффективных показателей двигателя
Работу двигателя в целом оценивают по эффективным показателям -
среднему эффективному давлению 
, эффективной мощности 
, эффективному КПД 
, удельному расходу топлива 
и др.
Расчет эффективных показателей двигателя требует оценку
внутренних (механических) потерь в двигателе. Механические потери можно
определить приближенно по эмпирическим формулам в зависимости от средней
скорости поршня, м/с:
,
где 
- ход поршня, 
125 мм.
м/с
Эмпирическое выражение для определения величины 
(МПа) имеет следующий вид:
Среднее эффективное давление, МПа
Относительный уровень механических потерь характеризует
механический КПД:
В целом топливная экономичность двигателя характеризуется
величиной эффективного КПД или удельного эффективного расход; топлива , г/(кВт ч):
г/кВтч
2.11
Расчет основных размеров двигателя
Рабочий объем цилиндра, л (дм
):
,
где 
- тактность, для четырехтактных
двигателей 
, 
- число цилиндров; 
, 
, 
- соответственно эффективная мощность (кВт), среднее эффективное
давление (МПа), частота вращения коленчатого вала (мин
) на номинальном режиме работы двигателя.
л
Диаметр цилиндра, мм
,
где 
- отношение хода поршня к диаметру
цилиндра, 
0,96
мм примем 110 мм
Тогда ход поршня, мм:
мм
Полученные значения 
и округляют до целых чисел ближайшего
размера существующего двигателя.
Основные параметры и показатели двигателя определяются по
окончательно принятым значениям = 110 и =106.
Рабочий объем цилиндра, л:
л
Эффективная мощность двигателя, кВт:
кВт
Эффективный крутящий момент, кН м:
Часовой расход топлива, кг/ч:
3.
Построение графиков по тепловому и динамическому расчету двигателя
Индикаторная
диаграмма в рV координатах
Индикаторная диаграмма строится на основании данных, полученных в
тепловом расчете в координатах рV, а затем
перестраивается в координаты 
.
Для построения диаграммы масштаб подбирается так, чтобы высота
была в 1,2… 1,5 раза больше ширины. На оси абсцисс в принятом масштабе
откладывают объемы 
; 
; 
; 
(дизельный двигатель).
По оси ординат откладывают давления 
,
,
,
,
,,
для соответствующих объемов.
Действительная индикаторная диаграмма отличается от теоретической
скругленностью в точках, 
.
Построение политропы сжатия и расширения можно производить
аналитическим или графическим методом. При аналитическом методе построения
политроп сжатия и расширения вычисляется ряд точек для промежуточных объемов,
расположенных между 
и 
, и между 
и 
по уравнению политропы 
где 
и 
- давление, и объем в искомой точке процесса сжатия. Отношение 
изменяется в пределах от 1 до 
|
Va/Vx
|
1
|
1,5
|
2
|
2,5
|
4
|
5,5
|
|
|
Vx
|
1,074
|
0,716
|
0,537
|
0,430
|
0,268
|
0,195
|
|
|
Px
|
0,130
|
0,225
|
0,333
|
0,451
|
0,854
|
1,317
|
|
|
Va/Vx
|
7
|
8,5
|
10
|
11,5
|
13
|
15
|
16
|
|
Vx
|
0,153
|
0,126
|
0,107
|
0,093
|
0,083
|
0,072
|
0,067
|
|
Px
|
1,829
|
2,381
|
2,970
|
3,592
|
4,244
|
5,156
|
5,629
|
Аналогично для политропы расширения
Для дизельных двигателей отношение изменяется в пределах 1…
.
|
Vb/Vx
|
1
|
1,5
|
2
|
2,5
|
4
|
5,5
|
|
Vx
|
1,074
|
0,716
|
0,537
|
0,430
|
0,268
|
0,195
|
|
Px
|
0,454
|
0,747
|
1,064
|
1,400
|
2,495
|
|
Vb/Vx
|
7
|
8,5
|
10
|
13,616
|
|
|
|
Vx
|
0,153
|
0,126
|
0,107
|
0,079
|
|
|
|
Px
|
4,967
|
6,306
|
7,702
|
11,258
|
|
|
Соединяя точки а и с плавной кривой проходящей через
вычисленные и нанесенные на поле диаграмм точки политропы сжатия, а точки z и b - кривой, проходящей
через точки политропы расширения, а также остальные точки между собой получим
индикаторную диаграмму.
При графическом методе диаграммы сжатия и расширения строятся
по способу Брауэра.
Индикаторная
диаграмма в координатах рц
Индикаторная диаграмма в координатах рV может быть перестроена в методом Брикса. Для этого на отрезке 
стройся полуокружность с центром 
, из которого через 30° (лучше через 15°)
проводят лучи до пересечения с полуокружностью. Затем из центра 
отстоящем от центра на расстоянии 
, проводят лучи 
; 
; и т.д. до пересечения с той же полуокружностью. Из точек 1
; 2; 3 и т.д. восстанавливают перпендикуляр до
линии впуска, сжатия, расширения и выпуска на индикаторной диаграмме. Отрезки
от оси абсцисс до кривых индикаторной диаграммы последовательно для всех
процессов цикла и есть давление в цилиндре для соответствующих углов поворота
коленчатого вала двигателя.
Полученные значения давлений переносятся на график 
, где по оси абсцисс отложен угол поворота
коленчатого вала в определенном масштабе. Масштаб давлений оставляют тот же,
что и на графике .
Величине - носят название поправки Брикса и
учитывает конечную величину шатуна. Здесь 
мм - радиус кривошипа и 
- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна. Для современных
двигателей 
. Тогда поправка Брикса будет равна 
мм
Диаграммы
перемещения, скорости и ускорения поршня
Все эти графики взаимосвязаны и строятся на одном рисунке.
Перемещение поршня определяется выражением и может быть
построено
графически по методу проф. Ф.А. Брикса проектированием на
вертикаль радиус-вектора, имеющего полюсом точку сдвинутую относительно центра окружности кривошипа на в сторону Н.М.Т. Чаше всего перемещение поршня определят путем
вычисления по вышеприведенной формуле для различных углов 
, причем значения в квадратных скобках для
каждого угла для 
приводятся в литературе (4). Скорость
движения поршня определяется выражением
Значения множителя, заключенного в скобки в зависимости от 
и с целью облегчения расчетов также приводятся в литературе (4).
Для построения диаграммы скоростей на диаграмме перемещений из данного угла
проводится линия, параллельная оси до пересечения с кривой перемещений и из полученной точки
восстанавливается перпендикуляр на ось , от которой затем откладываются значения скорости. Максимальное
значение скорости составляет приблизительно 1,625Vср. и соответствует 74…77° поворота коленчатого вала от ВМТ
|
153045607590
|
|
|
|
|
|
|
|
 3,9247,42310,15411,89012,55112,204
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
105,0120,0135,0150,0165,0180,0
|
|
|
|
|
|
|
|
11,0259,2487,1034,7812,3980,000
|
|
|
|
|
|
|
Кривая ускорения поршня 
строится там же где и скорость. Для построения находят
максимальное ускорение 
м/с2 минимальное ускорение 
м/с2.
с-1
На отрезке 
в определенном масштабе, в точках 
и 
откладывается (в масштабе ускорений) отрезки 
, и 
; точки и соединяются пряной. В точке пересечения 
перпендикулярно 
вниз откладывается отрезок 
; точка 
соединяется с точками и . Отрезки 
и 
делятся на произвольное, но равное число
отрезков. Точке 1, 2, 3 и т.д. соединяются с одноименными точками 1, 2, 3
прямыми. Кривая касательная к прямым 1-1; 2-2 и т.д. и есть кривая
Диаграмма
сил инерции
Сил инерции прямолинейно возвратно-движущихся частей
шатунно-поршневой группы определяются по формуле
Для графического построения сил инерции 
необходимо найти
массы возвратно-движущихся частей
где 
- масса поршневого комплекта;
- часть массы шатуна, условно отнесенная к массе совершающей
возвратно-поступательное движение, 
Для приближенного определения значений 
,, можно использовать
конструктивные массы 
, (кг/м
или г/см), приведенные в таблице 3.
Конструктивные массы деталей шатунно-поршневой группы в кг/м
|
Двигатели
|
Материал поршня
|
 
|
|
|
Дизели
|
легкий сплав
|
200…300
|
250…340
|
Силы давления газов, изображенные на индикаторной диаграмме 
отнесены к единице площади поршня,
поэтому и силы инерции также должны быть той же размерности (МПа), 
- можно определить аналитически по
формуле 
МПа для различных углов поворота
коленчатого вала двигателя (напр. через 15° п.к.в.) или графически. Силы
инерции первого порядка 
и второго порядка 
(отнесенные к площади поршня) строятся
проектированием конца радиус-вектора на вертикаль. Радиусом для построения сил
инерции первого порядка является
, а второго порядка 
где 
кг/м2
МПа
МПа
Масштаб для сил инерции принимается тот же, что и при построении
индикаторной диаграммы.
Диаграмма сил инерции строится под индикаторной диаграммой,
развернутой по углу поворота коленчатого вала. Для этого проводим из общего
центра две полуокружности радиусами 
и 
лучи через 15°. Вертикальные проекции отрезков лучей,
пересекающих первую окружность (), дают в принятом масштабе значения сил при соответствующих углах поворота
коленчатого вала, а проекции отрезков тех же лучей, пересекающих вторую
окружность (), значения сил при углах поворота
коленчатого вала соответственно вдвое меньших. Далее проводим через центр горизонтальную линию и откладываем на ней
как на оси абсцисс, значения ц углов поворота коленчатого вала за рабочий цикл
от 0° до 720° п.к.в. четырехтактный двигатель.
По точкам пересечения указанных выше проекций с ординатами,
проходящих через соответствующие значения углов на оси абсцисс, строим кривые и .
Суммарная кривая относительных сил инерции находится сложением
двух гармоник 
. Следует помнить, что изменение силы
инерции второго порядка происходит вдвое быстрее, а абсолютное значение в 
раз меньше, чем силы инерции первого
порядка.
Суммарные
силы, действующие на поршень
Для построения суммарной силы 
.
Суммарные силы инерции 
переносятся на развернутую по углу поворота индикаторную
диаграмму и складываются с силами давления газов . При этом следует учитывать, что силы инерции в конце такта
сжатия (ВМТ) направлены в противоположную сторону силам давления газов.
Диаграмма
тангенциальных сил и суммарного крутящего момента
Сила 
действующая вдоль оси цилиндра может быть
разложена на две составляющие:
нормальную силу 
, перпендикулярную оси цилиндра, и силу 
, действующую вдоль оси шатуна.
Силу S можно перенести по линии ее действия в
центр шатунной шейки кривошипа и разложить на две составляющие:
силу 
, направленную по радиусу кривошипа, и
силу 
, направленную по касательной к окружности
радиуса кривошипа. Сила Т, называемая тангенциальной, на плече r дает крутящий момент
Радиус кривошипа величина постоянная, поэтому крутящий момент для
одного цилиндра изменяется по закону изменения тангенциальной силы 
.
Для определения тангенциальной силы строится схема кривошипного
механизма в произвольном масштабе, но с учетом выбранного отношения 
. От центра кривошипа по направлению
радиуса кривошипа откладывают отрезок 
, равный суммарной силе для данного угла поворота коленчатого вала в принятом масштабе сил.
Через точку конца отрезка проводят линю, параллельную
оси шатуна, которая отсекает на диаметре, перпендикулярном оси цилиндров
отрезок 
, равный силе .
При положительном значении силы она откладывается на положительном направлении радиуса от центра
кривошипа к шатуну. При отрицательном значении силы она откладывается от центра кривошипа в
противоположную сторону на продолжении радиуса, независимо от положения
кривошипа. Значение силы определяют через каждые 15° поворота
коленчатого вала. Все значения силы выше горизонтального диаметра положительные, а ниже -
отрицательные.
где 
- масштаб моментов, ; 
- масштаб давления, 
; 
- радиус кривошипа, 
; 
- площадь поршня, 
.
Кривую суммарного крутящего момента многоцилиндрового двигателя
строят путем графического суммирования кривых крутящих моментов отдельных
цилиндров, сдвигая одну кривую относительно другой на угол поворота кривошипа
между вспышками в отдельных цилиндрах. Для четырехтактных двигателей с равными
интервалами между рабочими ходами 
, где - число цилиндров двигателя
Для проверки правильности графических построений необходимо найти
среднее значение суммарного крутящего момента, для чего находятся средняя
ордината 
путем деления избыточной площадки под;
кривой моментов на длину абсциссы под ней
где 
- суммарная площадка всех участков
диаграммы, расположенных над осью абсцисс; 
- суммарная отрицательная площадка; 
- длина диаграммы под суммарной кривой 
в мм.
Тогда крутящий момент 
; здесь 
- механический к.п.д. двигателя.
Крутящий момент двигателя на номинальном режиме определяется по
выражение:
трактор двигатель газообмен
кНм
%
Расхождения в значениях крутящего момента не должки превышать 5%.