Расчет четырехтактного, четырехцилиндрового дизельного двигателя Д-14 Б (для трактора ЛТЗ-60)

Двигатель Д 14 (ЛТЗ-60) компрессор.doc

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
Мичуринский государственный аграрный университет
Департамент кадровой политики и образования
Кафедра: тракторов сельскохозяйственных машин и сервисного обслуживания техники
РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
по предмету: “Теория двигателей и шасси”
на тему: “Расчет четырехтактного четырехцилиндрового дизельного двигателя Д-14 Б (для трактора ЛТЗ-60)”
Руководитель: доцент
Исходные данные для расчета двигателя
Тепловой расчет двигателя
1 Параметры окружающей среды
2 Температура и давление остаточных газов
4 Коэффициент наполнения цилиндров двигателя свежим зарядом
5 Давление и температура газов в конце сжатия
6 Количество свежего заряда и продуктов сгорания топлива
7 Уравнение сгорания топливно-воздушной смеси
8 Температура и давление газов в конце процесса сгорания
Общие показатели рабочего цикла
1 Индикаторные показатели
2 Показатели механических потерь
3 Эффективные показатели работы двигателя
Основные размеры двигателя
Тепловой баланс двигателя
Индикаторная диаграмма двигателя
Динамический расчет двигателя
1 Расчет действующих сил в кривошипно-шатунном механизме
2 Построение развернутой диаграммы сил давления газов сил инерции и суммарных сил действующих на поршень
3 Построение полярной диаграммы сил действующих на шатунную шейку
4 Построение развернутой полярной диаграммы
5 Построение диаграммы тангенциальных сил
6 Проверка данных задания по расчетным показателям
Список использованной литературы
В области развития и совершенствования автомобильных двигателей основными задачами являются: расширение использования дизелей снижение топливной экономичности и удельной массы двигателей стоимости их производства и эксплуатации. На принципиально новый уровень ставится борьба с токсичными выбросами двигателей в атмосферу а также задачи по снижению шума и вибрации в процессе их эксплуатации. Значительно больше внимания уделяется использованию электронно-вычислительных машин при расчетах и испытаниях двигателей. В настоящее время вычислительная техника широко используется на моторостроительных заводах в научно-исследовательских центрах конструкторских и ремонтных организациях а также в высших учебных заведениях.
Выполнение сегодняшних задач требует от специалистов связанных с производством и эксплуатацией автомобильных двигателей глубоких знаний теории конструкции и расчета двигателей внутреннего сгорания.
Упоминания о попытке построить самоходные средства передвижения имеются уже в XV — XVI вв. Правда двигателями этих «самоходов» была мускульная сила человека. Одной из первых достаточно хорошо известной самоходной установкой с «мускульным двигателем» является коляска с ручным приводом безногого часовщика из Нюрнберга Стефана Фарфлера которую он построил в 1655 г.
Попытки создания поршневых двигателей внутреннего сгорания предпринимались еще в конце XVIII в. Так в 1799 г. англичанин Д. Барбер предложил двигатель работавший на смеси воздуха с газом полученным путем перегонки древесины.
Первый стационарный двигатель нового типа работающий по четырехтактному циклу с предварительным сжатием смеси был спроектирован и построен в 1862 г. кельнским механиком Н. Отто. Практически все современные бензиновые и газовые двигатели до настоящего времени работают по циклу Отто (цикл с подводом теплоты при постоянном объеме).
Первые двигатели внутреннего сгорания работающие на легких фракциях перегонки нефти были созданы в России. Так в 1879 г. русским моряком И. С. Костовичем был спроектирован и в 1885 г. успешно прошел испытания 8-цилиндровый бензиновый двигатель малой массы и большой мощности. Этот двигатель предназначался для воздухоплавательных аппаратов.
В 1899 г. в Петербурге создан первый в мире экономичный и работоспособный двигатель с воспламенением от сжатия. Протекание рабочего цикла в этом двигателе отличалось от двигателя предложенного немецким инженером Р. Дизелем который предполагал осуществить цикл Карно со сгоранием по изотерме. В России в течение короткого времени была усовершенствована конструкция нового двигателя – бескомпрессорного дизеля и уже в 1901 г. в России были построены бескомпрессорные дизели конструкции Г. В. Тринклера а конструкции Я. В. Мамина – в 1910 г.
Успешное проектирование разработка новых конструкций и создание опытных образцов двигателей внутреннего сгорания были в значительной мере обеспечены серьезными научно-исследовательскими работами в области теории рабочего процесса двигателей. В 1906 г. профессор Московского высшего технического училища В. И. Гриневецкий впервые разработал метод теплового расчета двигателя. Профессор а затем член-корреспондент АН СССР Н. Р. Бриллинг стал первым руководителем Научной автомобильной лаборатории (ныне всемирно известный Государственный научный центр автомобильной промышленности России — НАМИ).
В настоящее время главным требованием является экологическая частота двигателя при обеспечении хорошей экономичности и высокой мощности. С этой целью за последние 8-10 лет разработаны опытные образцы с регулируемым рабочим объемом а также с регулируемой степенью сжатия микпроцессорной системой управления топливоподачи и нитрализаторами.
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ
В соответствии с исходными данными для расчета двигателя выбираем способ наполнения двигателя свежим зарядом при наддуве посредством турбокомпрессора.
При этом давление воздуха:
Температура воздуха после компрессора:
показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре
где температура воздуха (оС)
Давление газов в конце выпуска (МПа) составляет:
Температуру газов в конце выпуска следует принимать в пределах:
Давление газов в конце впуска (МПа) вычисляют по формуле:
где потеря давления из-за сопротивления впускного тракта которое определяем по формуле Бернулли:
где коэффициент сопротивления потоку заряда на впуске;
средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускного тракта (впускном клапане);
плотность свежего заряда на впуске.
Плотность свежего заряда равна:
где удельная газовая постоянная воздуха.
диаметр тарелки впускного клапана;
при число впускных клапанов в одном цилиндре;
диаметр и ход поршня;
частота вращения коленчатого вала обмин;
Температура газов в конце впуска
где приращение температуры свежего заряда вследствие его подогрева от стенок впускного коллектора и других деталей;
коэффициент остаточных газов:
Величину коэффициента наполнения рассчитывают по формуле
Величина давления в конце сжатия:
где показатель политропы сжатия.
Температура газов в конце сжатия:
С достаточной точностью количество свежего заряда М1 равно количеству впускаемого в двигатель воздуха L .
где L0 - теоретически необходимое для сгорания топлива количество воздуха.
где содержание соответственно углерода водорода и кислорода в дизтопливе бензине и газовом топливе которое лежит в пределах:
Количество продуктов сгорания при избытке воздуха
Для дизеля уравнение сгорания смеси имеет следующий вид
где теплота от сгорания топлива в кДжкг;
где коэффициент использования теплоты (для дизелей) =070 090;
(дизтопливо) – низшая теплота сгорания топлива кДжкг;
количество газов в конце сжатия (начале сгорания);
количество остаточных газов;
коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси;
количество газов в конце сгорания;
молярная теплоемкость газов в конце сжатия;
молярная теплоемкость газов в конце их сгорания в дизеле.
молярная теплоемкость газов в конце сгорания.
После подстановки вышеуказанных величин в исходное уравнение сгорания последнее примет вид
Температуру газов определяют в результате решения полученного уравнения сгорания:
где степень повышения газов в процессе их сгорания
Давление в конце расширения
где показатель политропы расширения
Степень последующего расширения газов в дизелях
где степень предварительного расширения газов
Температура газов в конце расширения равна:
Проверка ранее принятой температуры остаточных газов:
Погрешность расчета:
ОБЩИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОЧЕГО ЦИКЛА
Среднее индикаторное давление теоретического цикла равно:
Среднее индикаторное давление pi действительного рабочего цикла определяют с учетом скругления индикаторной диаграммы коэффициентом .
Индикаторный КПД двигателя вычисляют по формуле
Среднее давление механических потерь рм в двигателе определяют по формуле
где ср – средняя скорость поршня
- эмпирические коэффициенты;
при = 0105 МПа = 0013 МПа см.
Механический КПД двигателя равен:
Среднее эффективное давление
Эффективный удельный расход топлива
ОСНОВНЫЕ РАЗМЕРЫ ДВИГАТЕЛЯ
Литраж одного цилиндра проектируемого двигателя:
где – тактность двигателя
число цилиндров двигателя.
Диаметр цилиндра двигателя (мм):
Уточненный литраж двигателя:
Эффективная мощность двигателя
Эффективный крутящий момент двигателя
Часовой расход топлива
Радиус кривошипа и длина шатуна двигателя:
где принимают строго по прототипу двигателя.
Объем камеры сгорания и полный рабочий объем двигателя:
Средняя скорость поршня:
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ
Тепловой баланс показывает распределение тепла вводимого в двигатель с топливом в общем виде его можно представить выражением:
Общее количество теплоты введенное в двигатель с топливом:
Количество теплоты превращенное в эффективную работу:
Количество теплоты унесенное с отработавшими газами:
Количество теплоты отведенное в охлаждающую среду:
где – коэффициент пропорциональности (с наддувом больше);
– показатель степени.
Неучтенные тепловые потери:
Тепловой баланс двигателя представляют в виде круговой диаграммы разделенной секторами в соответствии с распределением тепла в процентном отношении по различным каналам:
ИНДИКАТОРНАЯ ДИАГРАММА ДВИГАТЕЛЯ
Соотношение высоты индикаторной диаграммы к ее ширине должно быть примерно 3:2. Диаграмма строится в координатах р и V. Давление газов откладывается по линии ординат масштаб которой выбирается в пределах . В силу того что рабочий объем цилиндра пропорционален ходу поршня можно принять для удобства в качестве масштабной единицы вместо единицы объема ход поршня .
На осях координат следует отложить значения давлений значения объемов . Объемы на оси абсцисс откладывают следующим образом в начале определяют отрезок затем отрезок которые последовательно откладываются от центра координат. Кроме того объем .
Для построения линий давления сжатия и расширения необходимо по соответствующим углам поворота коленчатого вала найти определенные значения хода поршня а зная их определить величины давления по уравнениям политроп.
Остановимся на аналитическом способе. Определение хода поршня и величин давления производим через каждые 10° поворота коленвала. Полученные данные заносим в таблицу 1.
Для определения хода поршня от угла поворота кривошипа необходимо взять значение квадратной скобки в общеизвестном выражении из приложения №3 выбрав его для определенной величины будет соответствовать . Значения скобки из приложения № 3 при сжатии берутся от 180 до 360° а при расширении от 180 до 0°.
Для построения индикаторной диаграммы принимаем масштабы: давления газов хода поршня . Величина
Таблица 1 – Данные для построения индикаторной диаграммы
В соответствии с выбранными масштабами определяем отрезки:
Определение промежуточных значений давлений газов в процессе сжатия и расширения производим по следующим зависимостям
После заполнения таблицы 1 на основании полученных данных строится индикаторная диаграмма которая путем дальнейшего скругления приобретает более действительный вид.
При построении следует руководствоваться следующими соотношениями:
Максимальная высота диаграммы по оси ординат (точка z):
Величины остальных точек оси ординат:
ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ
Газовая нагрузка действующая на поршень определяется как избыточное давление газов в цилиндре двигателя соответствующее углам поворота коленчатого вала. Давление берется из таблицы 1 и индикаторной диаграммы с учетом ее скругления. Избыточное давление на участке всасывания и в начале процесса сжатия имеет отрицательное значение.
Силы инерции действующие на возвратно-движущие массы определяются по формуле:
Значения в зависимости от угла поворота коленвала находят в приложении 4.
Масса возвратно-поступательных движущихся частей включает массу поршневого комплекта и часть массы шатуна. Обычно ее определяют:
Величины масс или весов поршневого комплекта и шатуна выбирают по соответствующим значениям прототипов из приложений 1 и 2. При этом следует учитывать соотношение размерности поршневой группы прототипа и проектируемого двигателя. Силы инерции подобно силам давления газов определяют как нагрузку действующую на 1 м2 днища поршня:
Суммарная сила действующая на поршень определяется как алгебраическая сумма составляющих сил соответствующим углам поворота коленвала:
При этом учитывается следующее правило знаков: направление силы к центру коленвала считается положительным от центра – отрицательным.
Определение тангенциальных и радиальных сил действующих на кривошип коленвала производят по следующим зависимостям:
Значения и берутся для определенных l из приложений 5 и 6. Здесь же следует определить и центробежную силу инерции неуравновешенных вращающихся частей действующих на шатунную шейку коленвала.
Для облегчения последующих построений графиков и диаграмм все расчеты различных сил и давлений сводим в общую таблицу по следующей прилагаемой схеме:
Таблица 2 – Результаты динамического расчета
Развернутая индикаторная диаграмма действительного цикла строится от угла поворота коленвала на участке до 720° для 4-тактных двигателей и 360° - для двухтактных. За нулевую линию принимают линию атмосферного давления и через каждые 10° поворота коленвала откладывают и с учетом знака. Точки соответствующих кривых соединяют плавной линией.
При построении полярной диаграммы отрицательные значения величины Т и Z откладываются влево и вверх положительные – в противоположные стороны. Построение точек производим через каждые 10°.
При построении полярной диаграммы следует также учесть величину центробежной силы инерции неуравновешенных вращающихся частей действующих на шатунную шейку коленвала. Эта сила всегда направлена от центра вращения и является отрицательной величиной. Для более простого учета действия этой силы переносят центр координат по направлению к положительному значению Z.
Определение равнодействующих сил R действующих на шатунную шейку производится путем геометрического сложения сил Т и (Z + ) т. е. длине луча проведенного из нового центра координат до соответствующей точки. Направление этого вектора показывает направление этой силы.
4. Построение развернутой полярной диаграммы
Построение развернутой полярной диаграммы производится без учета знака в зависимости от угла поворота коленвала. Размеры R снимаются с полярной диаграммы раствором циркуля и без изменения масштаба переносятся на график развернутой полярной диаграммы. При построении этой диаграммы отмечают минимальное и максимальное значения Rmin и Rmаx а также определяют Rср равное среднему значению равнодействующих всего графика.
Для построения диаграммы тангенциальных сил берут значения Т из сводной таблицы и откладывают их в зависимости от угла поворота коленвала от 0 до 720° в определенном масштабе после чего отмеченные точки соединяют плавной кривой. Так будет выглядеть диаграмма тангенциальных сил для одноцилиндрового двигателя. В многоцилиндровых двигателях приходится иметь дело с суммарной диаграммой тангенциальных сил которая определяется тактностью двигателя числом цилиндров и расположением кривошипов коленвала относительно друг друга. В этом случае необходимо произвести сложение тангенциальных сил от всех процессов одновременно происходящих в различных цилиндрах.
Так для 4-тактного двигателя 4-цилиндрового за период поворота коленвала на 180° произойдут в различных цилиндрах все 4 такта и закономерность изменения суммарной силы через каждые пол-оборота коленвала будет повторяться. Для этого типа двигателей подсчитывают на участке соответствующем 180° поворота коленвала.
Определение значений на указанных участках производят с учетом знака силы в построенной для этой цели таблице.
Таблица 3 – Тангенциальные силы
V цилиндр Т 540-720о
Построение суммарной диаграммы тангенциальных сил производится на одном из участков . Затем для определения средней величины суммарных тангенциальных сил Тср значения колонки таблицы 3 алгебраически складываются и полученная сумма делится на число слагаемых. Точнее величину Тср можно определить путем планиметрирования площади между кривой и линией абсцисс. Найденная величина Тср откладывается на участке изменения .
6. Проверка данных задания по расчетным показателям
Проверку получения эффективной мощности двигателя производим по формулам:
Значение радиуса кривошипа r подставляется в метрах.
Полученное значение Ne не должно отклоняться от данных задания более чем на 5%.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Методическое указание по выполнению курсового проекта по Теории двигателей. МичГАУ 2003г.
Колчин А.И. Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая шк. 2002. – 496 с.: ил.
Николаенко А.В. Теория конструкция и расчет автотракторных двигателей. М.: Колос 1992.
Кутьков Г.М. Теория трактора и автомобиля М.: Колос 1996 г.