Тепловой и динамический расчет двигателя Д-461

List_1.cdw

Основные технические характеристики
Индикаторная диаграмма
КР.23.05.02.20.001.Д1.
Сводная таблица результатов

List_2.cdw

Сводный график сил P
Диаграмма сил инерции и
КР.23.05.02.20.002.ДР.
Диаграмма сил инерции
действующей на шатунную шейку

Poyasnitelnaya_zapiska Фатеев.docx

Руководитель курсового
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
по энергетическим установкам транспортных средств специального назначения
на тему «Тепловой и динамический расчет двигателя Д-461»
Студент: Фатеев А.Д.
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ6
1 Определение исходных данных для индикаторной диаграммы6
в) Процесс сгорания.12
г) Процесс расширения.14
2. Построение и анализ индикаторной диаграммы16
ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ22
1 Определение сил действующих вдоль оси цилиндра на поршневой палец23
2 Определение сил действующих на шатунную шейку26
3 Построение полярной диаграммы и диаграммы износа шатунной шейки29
4 Анализ результатов расчета динамики КШМ и определение момента инерции маховика30
Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания (ДВС) транспортных средств специального назначения выполняется с целью предварительного определения индикаторных показателей рабочего цикла и эффективных показателей проектируемого двигателя. По заданной номинальной мощности и результатам теплового расчета определяется рабочий объем цилиндров. Выполняются динамический расчет расчет на прочность расчет систем двигателя и др. Выполнение теплового расчета при разных исходных данных позволяет оценить влияние на работу двигателя различных конструктивных и эксплуатационных факторов что в совокупности с результатами экспериментальной доводки опытных образцов позволяет разработать рациональную конструкцию двигателя. Тепловой расчет как правило выполняется для режима номинальной мощности в связи с чем указанный режим называется расчетным. Традиционно внешняя скоростная характеристика двигателя рассчитывалась на базе теплового расчета номинального режима с помощью эмпирических зависимостей с удовлетворительной точностью описывающих закономерности изменения мощностных и экономических показателей двигателя в зависимости от частоты вращения коленчатого вала. Однако в настоящее время в связи с ужесточением требований к тягово-динамическим и экономическим показателям автомобилей и тракторов все большее распространение получают перспективные турбопоршневые двигателя с пологим протеканием кривой удельного эффективного расхода топлива а также двигатели с постоянной мощностью (ДПМ) имеющие высокий коэффициент приспособляемости. В связи с этим для формирования внешней скоростной характеристики необходимо выполнение многовариантных тепловых расчетов на частичных скоростных режимах что позволит получить предварительную информацию о требуемом характере изменения параметров наддува и в частности о целесообразности применения охладителя наддувочного воздуха.
Технические характеристики двигателя Д-461
Четырехтактный с воспламенением от сжатия
Расположение цилиндров
Рабочий объем двигателя л
Номинальная мощность кВт (л.с.) не менее
Частота вращения коленчатого вала при номинальной мощности мин-1
Частота вращения коленчатого вала соответствующая максимальному крутящему моменту мин-1
Максимальный крутящий момент Н*м
Способ смесеобразования
Число клапанов на один цилиндр
Один впускной и один выпускной
Дополнительные условия.
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ
1 Определение исходных данных для индикаторной диаграммы
В первую очередь находятся параметры состояния газов в цилиндре. Абсолютное давление Pi и абсолютная температура Ti в характерных для диаграммы точках: ”а" - конец всасывания "с" - конец сжатия "z -конец сгорания и ”b” - конец расширения.
Для этого последовательно рассматриваются все элементы рабочего цикла.
) Давление газов в конце впуска
Где: Р0 Т0 - соответственно давление и температура окружающей среды.
Значение и – выбираются по заданию.
- соответственно коэффициент наполнения и степень сжатия.
Для карбюраторных двигателей 0 75 0 85 для дизелей со свободным впуском 0 82 0 95 для дизелей с наддувом 0 90 0 97.
выбирается по заданию.
T’0 - температура всасываемого заряда с учетом его подогрева при поступлении в цилиндр:
T - подогрев свежего заряда; чем быстроходнее двигатель тем ниже T. Для безнаддувных дизелей T=(10 30) К для дизелей с наддувом T=(5 10) К для карбюраторных двигателей T=(25 40) К.
- давление остаточных газов.
Где: частота вращения коленвала двигателя
Где – скорость поршня мс;
перемещение поршня м;
Можно использовать для определения Ра и формулу Петрова:
но только в пределах допустимых оборотов (
При работе дизеля с наддувом в при расчете вместо Р0 и Т0 следует подставлять значения Pк и Тк - давление и температуру воздуха на выходе из компрессора;
где - показатель политропы сжатия в компрессоре. На основании опытных данных НАТИ принимают:
- для турбокомпрессоров с охлаждаемым корпусом;
- для турбокомпрессоров с неохлаждаемым корпусом.
) Температура газов в конце впуска
Где: – температура остаточных газов
- коэффициент остаточных газов
Таблица 1.1.1. Результаты расчета процесса впуска
Давление газов в конце впуска
Температура газов в конце впуска
Давление компрессора
Температура на выходе из компрессора
Давление остаточных газов
Коэффициент остаточных газов
) Давление конца сжатия:
Где: - показатель политропы сжатия
Зависимость справедлива для
Дизели без наддува:
Показатель политропы сжатия можно находить по формуле Петрова в пределах её применимости:
) Температура в конце такта сжатия:
У дизелей со свободным впуском: ;
У дизелей с наддувом ;
У карбюраторных двигателей: .
) Количество газов находящихся в цилиндре в конце процесса сжатия. Теоретическое количество газов необходимое для сгорания 1кг топлива с составом (С Н и О) кгкг
Где: С Н О – Доли соответственно углерода водорода и кислорода в топливе.
3 – Массовое содержание кислорода в 1кг воздуха;
96 –1кмоля воздуха кгкмоль;
Дизельное топливо: С=087 Н=0126 О=0004;
Автомобильный бензин: С=0855 Н=0145 О=00.
Действительное количество воздуха поступившее в двигатель:
Где: – коэффициент избытка воздуха
У вихрекамерных дизелей у дизелей с пленочным смесеобразованием у дизелей с объемным смесеобразованием у дизелей с наддувом
Остаточные газы в цилиндре к концу такта сжатия:
Общее количество газов находящихся в цилиндре в конце сжатия:
Таблица 1.1.2. Результаты расчета процесса сжатия.
Давление в конце такта сжатия
Температура в конце такта сжатия
Действительное количество воздуха
поступившего в двигатель
Остаточные газы в цилиндре к концу такта сжатия
Общее количество газов находящихся в цилиндре в конце сжатия
в) Процесс сгорания.
) Число молей продуктов сгорания 1кг топлива.
С учетом остаточных газов количество газов находящихся в цилиндре в конце сгорания:
) Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси
) Температура в конце сгорания определяется из уравнения сгорания
Где – средняя теплоемкость свежего заряда при постоянном объеме.
- степень повышения давления при сгорании:
у дизелей с наддувом;
у дизелей без наддува.
- коэффициент использования теплоты топлива:
- с неразделенными камерами;
- низшая удельная теплота сгорания:
– для дизельных топлив;
- средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении:
После подстановки в уравнение исходное всех найденных параметров оно приводится к виду:
и решается относительно
) Давление в конце сгорания
степень повышения давления:
) Степень предварительного расширения
Таблица 1.1.3. Результаты расчета процесса сгорания.
Число молей продуктов сгорания 1кг топлива
Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси
Температура в конце такта сгорания
Давление в конце процесса сгорания
г) Процесс расширения.
) Давление в конце расширения
Где – степень последующего расширения:
– показатель политропы расширения может определяться:
) Температура в конце расширения:
Таблица 1.1.4. Результаты расчета процесса расширения.
Температура в конце такта расширения
Давление в конце процесса расширения
2. Построение и анализ индикаторной диаграммы
Строится теоретическая индикаторная диаграмма а координатах P-V.
Для этого на оси абсцисс откладывается отрезок отражающий в масштабе длины диаграммы объем камеры сгорания Vc. Этот отрезок принимаем за единицу объема. Далее откладывается на оси абсцисс отрезки отражающие в принятом масштабе соответствующие объемы:
На оси ординат выбрав масштаб давлений через точки проводятся прямые параллельные оси абсцисс. Точки z` и z соединяются прямой параллельной оси абсцисс. Точки с и z` соединяются прямой параллельной оси ординат (построение выполняется тонкими линиями). Точки «а» и «с» соединяются политропой сжатия а точки «z» и «b» политропой расширения. Промежуточные точки на политропах сжатия и расширения определяются из условия что каждому значению на оси абсцисс соответствуют следующие значения давлений:
Для политропы сжатия:
Для политропы расширения:
Где: - показатели политроп сжатия и расширения.
Количество расчетных точек для политроп рекомендуется принимать не менее 5 максимальное количество не ограничивается. Однако при выборе точек необходимо интервалы между точками сокращать по мере приближения к ВМТ.
Все расчеты по политропам сжатия и расширения удобно приводить табличным способом.
Таблица 1.2.1. Расчет политроп сжатия и расширения.
По заполненной расчетной таблице строятся политропы сжатия и расширения Наносятся скругления.
Определяется площадь диаграммы (диаграмма построена в компасе поэтому площадь легко подсчитать) по которой подсчитывается среднее индикаторное давление «» из выражения:
Где - принятый масштаб давлений.
При ориентировочных расчетах нижняя граница индикаторной диаграммы берется по линии внешнего атмосферного давления те. часть площади индикаторной диаграммы не учитывается.
Для проверки величина среднего индикаторного давления определяется расчетом по формуле:
Точность построения индикаторной диаграммы оценивается коэффициентом погрешности:
Действительное среднее индикаторное давление равно:
Где потеря индикаторного давления на проведение вспомогательных ходов;
Y – коэффициент полноты индикаторной диаграммы;
Для дизеля: Y=092 095;
У карбюраторных двигателей: Y=094 097;
Индикаторные и эффективные показатели двигателя необходимые для теплового расчета:
в современных двигателях
) Индикаторный удельный расход топлива:
) Среднее давление механических потерь:
) Среднее эффективное давление:
) Эффективный удельный расход топлива:
) Эффективная мощность:
) Литровая мощность двигателя:
) Удельная поршневая мощность:
Где: – площадь поршня в дм2.
Результаты теплового расчета двигателя заносятся в таблицу которая показана ниже.
Таблица 1.2.2. Результаты теплового расчета двигателя Д461
Рисунок 1.1 Индикаторная диаграмма.
ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ Д-461
Анализ сил действующих в кривошипно-шатунном механизме (КШМ) необходим для расчета деталей двигателя не прочность и определения нагрузок на подшипники. Детали КШМ подвергаются действию следующих сил: давление газов в цилиндре (Рr)сил инерции возвратно движущихся деталей КШМ () центробежных сил инерции вращающихся масс (Pc). Силами трения пренебрегают. Силы давления газов зависят от протекания рабочего процесса в цилиндре двигателя и определяются по индикаторным диаграммам. Силы инерции зависят от массы деталей движущихся с переменными скоростями.
Рисунок 2.1 – схема сил действующих в КШМ.
1 Определение сил действующих вдоль оси цилиндра на поршневой палец
На поршневой палец вдоль оси цилиндра действуют силы давления газов Рr и силы инерции возвратно движущихся масс кривошипно шатунного механизма.
) Силы давления газов определяется по формуле:
Ро - давление окружающей среды МПа.
текущее давление газа по индикаторной диаграмме МПа.
Определение текущего значения давления газов в функции от угла поворота коленчатого вала производится графоаналитическим методом. Для этого под построенной индикаторной диаграммой строится полуокружность радиусом равным половине длины диаграммы (). Вправо по горизонтали от центра полуокружности откладывается в том же масштабе отрезок равный:
Где: радиус кривошипа;
отношение радиуса кривошипа к длине шатуна:
Из конца этого отрезка (точка ) проводится ряд лучей под углами к горизонтали до пересечения с полуокружностью (рекомендуемый интервал 30° ПКВ однако в начале такта расширения следует взять одну промежуточную точку через ПКВ). Проекции концов этих лучей на соответствующие ветви индикаторной диаграммы указывают какие точки рабочего-процесса соответствует тем или иным углам поворота коленчатого вала (ПКВ) а по масштабной шкале оси ординат можно видеть давление в этих точках. Величины давлений «» и подсчитанные по формуле выше значения газовых сил «» при различных углах поворота коленчатого вала за период рабочего цикла заносятся в таблицу 7.
) Действующая на поршневой палец сила инерции движущихся возвратно поступательно масс кривошипно-шатунного механизма определяется по уравнению:
Где масса совершающая возвратно-поступательное движение;
- угловая скорость коленчатого вала;
масса движущихся возвратно-поступательно частей кривошипно-шатунного механизма:
где масса поршневого комплекта кг;
Значение масс выбирают ориентируясь на данные двигателей прототипов.
Суммарную силу инерции движущихся возвратно-поступательно масс рассматривают как алгебраическую сумму:
сила инерции первого порядка с периодом изменения - 1 оборот коленчатого вала;
сила инерции второго порядка спериодом изменения – 05 оборота коленчатого вала;
Значения угловых частот вращения коленчатого вала берутся при номинальном скоростном режиме двигателя т.е:
Силы инерции удобно определять графическим путем.
Для этого в принятом масштабе проводим из общего центра "О” две полуокружности:
Так же проводим ряд лучей под углами к вертикали.
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. Через Центр "О" проводим горизонтальную линию и откладываем на ней как на оси абсцисс значения углов поворота коленчатого вала за рабочий цикл (от О до 720°) по точкам пересечения указанных выше проекций с ординатами проходящими через соответствующие значения углов на оси абсцисс строим кривые и . Путем суммирования ординат кривых и получаем кривую результирующей силы инерции .
) Определив силы и находим алгебраическим сложением их результирующую силу действующую на поршневой палец:
Все расчеты по названным выше силам заносятся в таблицу 7 и строится сводный график сил действующих на поршневой палец. Для этого на оси абсцисс прямоугольных координат откладывается значения углов поворота коленчатого вала за рабочий цикл (от 0 до 720°) в принятом масштабе и строятся кривые сил и и в принятом масштабе по оси ординат.
Сила считается положительной если она направлена к центру кривошипа и отрицательной если она направлена от центра кривошипа.
2 Определение сил действующих на шатунную шейку
На шатунную шейку действуют две силы:
) Направленная по шатуну сила возникающая под действием результирующей силы приложенной к поршневому пальцу:
угловое перемещение шатуна относительно оси цилиндра:
) Центробежная сила инерции от вращающихся неуравновешенных масс:
Где масса вращающихся неуравновешенных частей:
- масса неуравновешенных частей коленчатого вала без противовесов:
площадь поршня в мм2;
- удельная масса неуравновешенном части коленчатого вела без противовесов.
При наличии противовесов на коленчатом валу .
У V-образных двигателей с центральными шатунами значение массы необходимо удвоить так как на одной шейке коленчатого вала подвешены два шатуна.
) Для подсчета равнодействующей силы действующей на шатунную шейку сила раскладывается на две составляющие
Тангенциальную силу Т перпендикулярную радиусу кривошипа:
Силу K направленную по радиусу кривошипа:
Где - угол отклонения оси шатуна от оси цилиндра при повороте коленчатого вала на угол .
Сила Т считается положительной если она совпадает с направлением вращения коленчатого зала и отрицательной если она направлена в противоположную сторону.
Сила K складывается с центробежной силой если они направлены в одну сторону и вычитается если она направлена к центру кривошипа.
Значения сложных тригонометрических величин входящих в формулы выше для разных значений углов поворота коленчатого вала и отношений приведеныв приложении 1.
Результирующая сила R подсчитывается по формуле;
Полученные значения сил при различных углах поворота коленчатого вала заносятся в расчетную таблицу динамики КШМ. Анализ сил динамики КШМ проводится через 30° ПКВ начиная с 0° до 720° и плюс одна дополнительная точка - 375° ПКВ. При 360° ПКВ анализируются два значения (точки "с" и "z" индикаторной диаграммы).
На основе данных расчетной таблицы динамики КШМ (таблица 7) строятся графики .
3 Анализ результатов расчета динамики КШМ и определение момента инерции маховика
При построении графика тангенциальных сил полежителъные значения силы Т откладываются вверх а отрицательные значения вниз Затем определяется средняя ордината тангенциальной силы Т и проводится на графике.
Где суммарная площадь всех участков диаграммы расположенных над осью абсцисс мм2;
суммарная площадь участков расположенных под осью абсцисс мм2.
Для многоцилиндровых двигателей строится суммарная диаграмма тангенциальных усилий на которой воспроизводится в тонких линиях диаграмма усилий тангенциальных сил развиваемых в каждом из цилиндров затем они графически складываются и полученная кривая суммарной силы обводится жирно.
На суммарной диаграмме 4-тактного двухцилиндрового двигателя наносится две диаграммы сдвинутые одна относительно другой на 180 если порядок работы цилиндров 1-2-O-O или на 540° если порядок работы 1-0-0-2. У четырехцилиндровых 4-тактных двигателей отдельные диаграммы должны быть последовательно сдвинуты по фазе одна относительно другой на 180° у шестицилиндровых - на 120°.
У четырехцилиндровых 4-тактных двигателей на одном участке (такте) суммарной диаграммы строятся четыре отдельных графика; на остальных участках строятся лишь их результирующие.
Для V -образных двигателей суммарная диаграмма тангенциальных сил находится из сложения соответствующих диаграмм цилиндров правого и левого рядов. Возможны два подхода к построению суммарной диаграммы для таких двигателей: первый (см.рис.9) основан на построении суммарной силы правого и левого цилиндров 4 «завязанных» на одну шейку а затем полученная на одной шейке равнодействующая складывается графически с такими же графиками сил ТП+Л других шеек. При втором - после построения графика одного цилиндра строится суммарная диаграмма всех цилиндров одного ряда. График второго ряда цилиндров точно такой же только смещен на 90° ПКВ. Суммарная диаграмма правого и левого рядов складывается графически и получается суммарная диаграмма сил Т двигателя.
По величине проверяется правильность построения суммарной диаграммы тангенциальных сил и выполнение всего динамического расчета двигателя. Построение правильно если:
Где масштаб сил Т в Нмм принятый по оси ординат;
r - радиус кривошипа м;
механический КПД двигателя (из теплового расчетa);
На диаграмме суммарной тангенциальной силы откладывается ордината и выявляется участок на котором избыточная площадка имеет максимальное значение .
Соответствующая ей избыточная работа равна:
Где - масштаб площадки:
- масштаб диаграммы по оси абсцисс.
По избыточной работе определяется момент инерции маховика способный обеспечить требуемую степень неравномерности вращения коленчатого вала.
У автотракторных двигателей чем больше число цилиндров тем меньше .
4 Построение полярной и развернутой диаграмм сил действующих на шатунную шейку.
Равнодействующая сила Rш складывается из сил Pc Z T и подсчитывается по формуле:
или может быть найдена графически. Для этого строится полярная диаграмма.
В координатах Z-T для каждого угла поворота коленчатого вала находятся точки по величинам сил Z и T. Они номеруются порядковым номером или величиной угла. Полученные точки последовательно соединяют плавной кривой. От начала координат откладывается вниз сила P cи получают полюс диаграммы 01. Вектор проведенный от полюса до любой точки на диаграмме показывает величину и направление
Рис. 2.1 Полярная диаграмма
равнодействующей Rш. Для всех положений коленчатого вала находят величину силы Rш и выносят в таблицу. По этим результатам строится развернутая диаграмма силы Rш=F(α)на которой находят максимальное минимальное и среднее по времени значение силы Rш.
Рис. 2.2. График силы R действующей на шатунную шейку
Построение диаграммы износа шатунной шейки.
Вычерчиваются отдельно 2 окружности произвольного радиуса и делятся на 15 или 20 град
Рис. 2.3 Диаграмма износа шатунной шейки
На первой окружности проводится вспомогательное построение. Для этого из полярной диаграммы переносится вектор R1 и в соответствии с направлением его действия находится точка приложения этой силы. Принимая распределения силы равномерным в секторе 1200 (т.е. 600 от точки приложения) и пропорциональность износа величине действующей силы проводим из центра 0 окружность радиусом r1=r0+r1 где r1=R1R.
R- масштаб силы R выбранный для построения диаграммы износа.
Между окружностями штрихуется участок в секторе 1200 который и символизирует износ шатунной шейки от силы R1.
Подобное построение проводится для силы R2 и всех последующих: r2=r1+ r2=R2R.
После того как будет найден износ от действия всех сил в течении рабочего цикла осуществляется по каждому радиусу общая толщина заштрихованных участков и уменьшенная в 2 откладывается от второй окружности по соответствующему радиусу в сторону центра. Отмеченный соединяются плавной кривой наносится штриховка и получается диаграмма износа шатунной шейки по которой анализируется характер износа на различных участках.
В ходе выполнения курсовой работы мною были рассчитаны показатели и параметры рабочего цикла ДВС Д-461 а также на основании результатов теплового расчёта было построено индикаторная диаграмма. Так же подробно рассмотрел процессы проходящие в цилиндре ДВС рассчитал температуры и давления которое равно комплексу последовательных процессов проходящих за один цикл т.е. впуск сжатие сгорание расширение выпуск отработавших газов.
При выполнении динамического расчета я научился строить диаграммы графо-аналитическим методом большинство диаграммы было построено графо-аналитическим методом. При построении диаграмм мы с помощью формул находили одни силы и строили диаграммы а затем с помощью построенных диаграмм находили сумму и получали результирующую силу.
Силу давления газов:
Результирующую силу действующую на поршневой палец:
Центробежная сила инерции:
Тангенциальную силу перпендикулярную радиусу кривошипа:
Силу направленную по радиусу кривошипа:
Завершающим этапом курсовой работы было построение диаграммы нагрузки на шейки коленчатого вала. После построения диаграммы нагрузки мы видим как нагружена шейка коленчатого вала при работе двигателя и какие части шейки коленчатого вала остаются без нагрузки. В ненагруженной части можно определить место под сверление масляного канала.
Курсовая работа была очень интересной ее выполнение заняло у меня много времени но это время не прошло впустую. Выполнив курсовую работу я очень много интересного узнал для себя.

List_3.cdw

Сводный график сил T
-ти цилиндрового двигателя
Сводный график сил P
Полярная диаграмма силы R
Диаграммы износа шатунной шейки
Предлагаемое место сверления масляного канала
график износа шатунной шейки
сводный график суммарной силы Т
КР.23.05.02.20.003.ПД.