Четырехтактный поршневой дизельный двигатель Д21

Чертеж общий.dwg

Диаграмма.dwg

Тангециальная диаграмма(ОК).dwg

Лист 6.dwg

Регуляторная и скоростная характеристика.dwg

Регуляторная и скоростная
Регуляторная характеристика двигателя
Скоростная характеристика двигателя

Лист 5.dwg

Динамическая характеристика автомобиля ГАЗ-53
Скоростная характеристика
20 30 40 50 60 70 80

Лист 4(А3).dwg

Развёрнутая диаграмма(ОК).dwg

Часть 1.doc

1. Тепловой расчет четырехтактного поршневого двигателя
1 тепловой расчет дизельного двигателя Д21
1.1 Исходные данные:
Максимальная мощность двигателя – ;
Частота вращения коленчатого вала на режиме максимальной эффективной мощности – ;
Принимаем во внимание назначение и тип двигателя особенности условий его работы и степень форсировки для проведения теплового расчета обоснованно выбирают следующие исходные данные:
Коэффициент избытка воздуха – ;
Коэффициент наполнения – ;---
Давление окружающей среды – ;
Температура окружающей среды – ;
Повышение температуры заряда при всасывании – ;
Давление остаточных газов в конце выпуска – ;
Температура остаточных газов в конце выпуска – ;
Показатели политропы сжатия – ;
Показатели политропы расширения – ;
Коэффициент выделения тепла при сгорании – ;
Механический КПД – ;
Коэффициент округления индикаторной диаграммы – ;
Теплотворная способность топлива – ;
Элементарный состав топлива – .
1.2 Расчет параметров рабочего процесса
Давление (МПа) в конце впуска
где ; - температура подогрева свежего заряда (для дизельных двигателей 10-40º).
Температура (К) в конце впуска
Давление (МПа) и температура (К) в конце сжатия
Теоретическое необходимое количество воздуха (кг) для сгорания 1 кг топлива
где 023 - массовое содержание кислорода в 1 кг воздуха.
Это же количество в молях
где - мольная масса воздуха (289 моль).
Действительное количество свежего заряда в молях поступившие в двигатель для сгорания 1 кг топлива (кмоль):
Коэффициент остаточных газов
Число молей остаточных газов (кмоль)
Число молей газа находящегося в цилиндре двигателя в конце сжатия (кмоль)
Число молей продуктов сгорания (кмоль):
Число молей продуктов сгорания и остаточных газов в точке
Действительный коэффициент молекулярного изменения
Теплоемкость свежепоступившего заряда (рабочей смеси или воздуха) (кДжкмоль·град)
Теплоемкость продуктов сгорания
Полученные значение подставляем в нижеследующие уравнение с последующим определением температуры (К) в конце процесса сгорания - .
для дизельных двигателей
где - потери тепла (кДж) в связи с неполнотой сгорания. Для дизельного топлива с составом: С = 086; Н = 013; О = 001 низшая теплота сгорания Нu = 42486 кДжкг; С = 087; Н = 0126; О = 0004 низшая теплота сгорания Нu = 42437 кДжкг.
Давление в конце сгорания (МПа):
Степень предварительного расширения для дизельных двигателей:
Давление (МПа) в конце расширения
Температура (К) в конце расширения
Где - степень последующего расширения
Точность выбора параметров процесса выпуска – давления () и температуры () остаточных газов проверяем по формуле
1.3 Определение индикаторных и эффективных показателей
Среднее индикаторное давление по не скругленной диаграмме для дизельных двигателей
Среднее индикаторное давление действительного цикла
где - коэффициент округления индикаторной диаграммы. Для дизельных двигателей .
Среднее эффективное давление
Индикаторная мощность
где - число цилиндров. ;
- частота вращения коленчатого вала мин-1;
- рабочий объем одного цилиндра л.
где - литраж двигателя л;
Индикаторный коэффициент полезного действия
где - плотность заряда для двигателей со свободным впуском кгм3. .
Эффективный коэффициент полезного действия
Эффективный удельный и часовой расходы топлива
1.4 Тепловой баланс двигателя
Распределение тепла (кДжс) выделяемого при сгорании происходит на следующие составляющие:
где - тепло выделенное при сгорании топлива;
- тепло превращенное в эффективную работу;
- тепло теряемое с отработавшими газами в котором средние молекулярные теплоемкости продуктов сгорания и свежего заряда при постоянном давлении определяются следящим образом:
где - температура газов в выхлопной трубе К.
Средняя молекулярная теплоемкость свежего заряда при постоянном давлении:
- тепло неучтенных тепловых потерь;
- тепло отведенное в систему охлаждения двигателя.
Составляющие теплового баланса выражаются в процентах
2 Определение основных размеров поршневого двигателя
Литраж одного цилиндра четырехтактного двигателя:
где z – число цилиндров двигателя;
n – частота вращения коленчатого вала двигателя мин-1.
где К – отношение хода поршня (S) к диаметру цилиндра (D) равный К=1
С целью унификации двигателей диаметр цилиндра округляется с учетом диаметра прототипа или существующего нормативного значения подобного рода двигателя.
Уточненный литраж цилиндра:
Радиус кривошипа (r) и длина шатуна (l):
где - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна принимается по прототипу двигателя =028.
Расчет показателей для построения диаграмм (индикаторной тангенциальной и суммарной сил перемещения скорости и ускорения поршня)
1 Построение индикаторной диаграммы
Индикаторная диаграмма проектируемого двигателя строится следующим образом.
Проводят координатные оси P - V и отмечают их пересечение буквой О. Давление газов откладывается по линии ординат масштаб которого выбирается в пределах 02 03 МПа в 1 см. Условно принимают для дизельных двигателей объем камеры сгорания Vc=1 см. Тогда полный объем цилиндра будет равен
Откладывают по оси абсцисс отрезки: .
Проводят атмосферную линию с ординатой
Через точки d и m проводят вертикали на которых откладывают оси абсцисс в принятом масштабе значения давлений в характерных точках цикла: Pr=dg Pc=dc Pz=dz Pa=ma Pв=сb
Соединяют прямыми линиями точки: с и z с и z' а и b. Из точек g и а проводим прямые аh и ge параллельные оси абсцисс.
Для построения линии давления сжатия ас и расширения zb воспользуемся уравнениями политропы сжатия и политропы расширения где - параметры (текущие координаты) произвольных точек определяют:
для линии расширения используют следующие соотношения:
Придавая отношению последовательно числовые значения 2 3 4 получают соответствующие значения давлений для объемов . Откладывают по оси абсцисс (O – V) объемы кратные и восстанавливают перпендикуляры в полученных точках на которых в принятом масштабе откладывают давления принадлежащих искомым кривым сжатия и расширения соединяются плавными линиями.
При построении следует руководствоваться следящими соотношениями:
Начало скругления диаграммы вблизи верхней мертвой точки производить с учетом начала подачи топлива вблизи нижней мертвой точки – с учетом опережения открытия выпускного клапана двигателя – прототипа.
2 Кинематика поршневого двигателя
Ход (перемещение) поршня (S) в зависимости от угла поворота коленчатого вала (φ) может быть определен по формуле:
r – радиус кривошипа м.
Значения «А» в зависимости от «λ» и «φ» берутся из таблицы 8.1 . Построение выполняется внизу под индикаторной диаграммой. При этом за ход поршня (S) в определенном масштабе принимается длина индикаторной диаграммы соответствующая рабочему объему цилиндра .
Для центрального КШМ перемещение поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала (п.к.в.) можно построить графически. Для этого на отрезке равном длине индикаторной диаграммы из центра проводят полуокружность. Вправо от токи О откладывают величину (м) равную отрезку . Из точки произвольным радиусом вписываем полуокружность в ранее выполненную.
Полуокружность с центром разбивают на 12 равных частей через которые проводят лучи из центра до пересечения с первой полуокружностью получая соответственно точки которые будут соответствовать перемещению поршня при повороте кривошипа коленчатого вала на каждые 15.
На вертикальной оси через каждые 15 откладывают градусы п.к.в от 0 до 360 через которые проводят тонкими линиями горизонтали до пересечения их с вертикальными линиями проведенными соответственно из точек получают график перемещения поршня в зависимости от угла п.к.в. .
Скорость поршня (п) определяется по приближенной формуле:
где – средняя угловая скорость вращения коленчатого вала с-1 равная ; n – частота вращения коленчатого вала мин-1.
Значения берется из таблицы 8.3.
На вертикальной оси откладывают в определенном масштабе скорость поршня через каждые 15 в зависимости от перемещения поршня для данных градусов угла п.к.в. Соединяя полученные точки получают график
Ускорение поршня (j) cтроится на том же графике что и скорость – перемещения поршня.
Для этого определяют максимальное jmax и минимальное jmin значения ускорений которые затем откладывают в определенном масштабе от оси B-Z.
Соединяя прямой точки «Е» и «F» находят точку пересечения ее с осью абсцисс – точку «G». Из точки «G» вниз откладывают по перпендикуляру к оси абсцисс отрезок «GH» равный величине:
Соединяют прямыми точки «Е» и «F» с точкой «H». Полученные отрезки «EH» и «FH»делят равными отрезками на одинаковое число частей обозначая отрезки цифрами 1 2 3 4 5. Соединяют точки имеющие одинаковые цифры прямыми «1-1» «2-2» «3-3» «4-4» «5-5» «6-6» и вписывают к прямым касательную «EF» которая и будет графиком изменения ускорения в зависимости от перемещения поршня
3 Динамика поршневого двигателя
3.1 Расчет сил действующих на кривошипно-шатунный механизм
Массу возвратно-поступательно движущихся частей () включающей массу поршневого комплекта и часть массы шатуна определяют по формуле:
Величину масс поршневого комплекта и шатуна выбирают по соответствующим значениям прототипов.
Суммарную силу Pj проще всего построить графическим способом. Для этого определяют и отнесенные к площади днища поршня (FП) – удельные максимальные и минимальные силы инерции:
В том же масштабе что и давление газов на индикаторной диаграмме от атмосферной линии с учетом знаков по вертикали dM откладывают и по вертикали К - . Соединяют прямой точки М и К. Из точки пересечения МК с атмосферной линией N опускаем перпендикуляр на котором откладывают отрезок NR равный величине:
Соединяя точку R с М и К и продолжая построение аналогично построению кривой ускорения получают кривую силы инерции
3.2 Построение развернутой диаграммы суммарных сил действующих на поршень
Развернутая диаграмма суммарных сил строится от угла поворота коленчатого вала на участке до 720 для четырехтактного двигателя.
На оси абсцисс «0 - φ» наносят шкалу с интервалом в 15 поворота коленчатого вала и масштабом 15 1 см.
Принимая за ось абсцисс кривую изменения сил инерции и делая замеры циркулем между кривой сил инерции и линией впуска на индикаторной диаграмме в точке перемещения поршня соответствующих последовательному п.к.в. на каждые 15 строят суммарную силу P в процессе впуска. Осуществляя затем замеры между линией сил инерции и линиями сжатия расширения и впуска получим соответственно суммарные силы Р для процессов сжатия рабочего хода и выпуска. При этом учитывается следующее правило знаков: направление силы к центру коленчатого вала считается положительным от центра – отрицательным.сил Р остается без изменения относительно масштаба сил давления газов на индикаторной диаграмме.
3.3 Построение диаграммы тангенциальных сил
Для построения диаграммы тангенциальных сил (касательных усилий) четырехтактного одноцилиндрового ДВС в масштабе радиусом кривошипа коленчатого вала описывают окружность которую разбивают на 24 равных участка. В этом же масштабе наносят положение шатуна при последовательном повороте кривошипа на каждые 15.
Касательные усилия определяют для каждого из 24 положений следующим образом. Из центра шатунной шейки по направлению продолжения радиуса кривошипа в принятом масштабе сил от точки деления на окружности откладывается величина силы Р соответствующая данному положению механизма.
Из конца вектора Р – точки А на ось цилиндров опускается перпендикуляр до пересечения с положением шатуна в точке В. Отрезок ВА и будет представлять в принятом масштабе касательную силу – Т. Силы Р для различных положений механизма в процессах впуска сжатия рабочего хода и выпуска берутся из диаграммы .
Спрямив путь описываемый центром шатунной шейки за цикл и разделив его на установленное ранее число частей проводят через точки деления ординаты на которых откладывают найденные касательные усилия с учетом их направления.
Если направление силы Т совпадает с направлением вращения то эту силу считают положительной и при построении диаграммы откладывают вверх от оси абсцисс. Если сила направлена противоположно направлению вращения коленчатого вала то эту силу считают отрицательной и откладывают вниз от оси абсцисс.
Для многоцилиндровых двигателей строится суммарная диаграмма тангенциальных сил которая определяется тактностью двигателя числом цилиндров и расположением кривошипов коленчатого вала относительно друг друга. В этом случае необходимо произвести сложение тангенциальных сил от всех процессов одновременно происходящих в различных цилиндрах.
Для четырехцилиндрового четырехтактного двигателя за период поворота коленчатого вала на 180 в различных цилиндрах произойдут все четыре такта и закономерность изменения суммарной силы ΣТ через каждые четверть оборота коленчатого вала будет повторяться. Для таких типов двигателя суммарную силу подсчитывают на участке соответствующем 180 п.к.в.. При этом кривые Т во всех тактах графически суммируются.
Затем определяется суммарная величина сопротивления «ρ» равная сопротивлению трения сопротивлению машины которая принимается постоянной. Для этого определяют на суммарной диаграмме ΣТ отрицательную площадь –F и положительную площадь +F в м2. Делят на длину l диаграммы и умножают на масштаб давления :
Откладывают значение «ρ» вверх от оси абсцисс и проводят горизонтальную прямую. Площадь лежащая выше «ρ» представляет избыточную площадь или работу которую поглощает маховик поэтому из нижеприведенного уравнения определяют приведенный момент инерции () а затем и размеры маховика:
- масштаб длины диаграммы тангенциальных сил; ;
r – радиус кривошипа м;
– степень неравномерности вращения коленчатого вала для дизелей
– средняя угловая скорость вращения коленчатого вала
- приведенный момент инерции всех движущихся масс двигателя (). Находим из приведенной выше формулы:
Момент инерции маховика для дизельных двигателей:
Задаваясь из конструктивных соображений диаметром маховика определяют его вес:
где Dm – диаметр окружности проведенный через центр тяжести сечения маховика м;
g – ускорение свободного падения мс2.
При выборе величины «DM» можно ориентироваться на размеры маховиков известных двигателей.

Часть 2.doc

2. Тяговый расчёт двигателя
Имеем трактор Т-40номинальнальная мощность 50кВт частота вращения 1800обмин удельный расход топлива 185 гкВт ч.
Определение максимального эксплуатационного и конструктивного веса трактора
где – номинальное крюковое усилие
φкдоп= 064-коэффициент сцепления при буксовании
λ=07 - коэффициент показывающий какая доля приходится на ведущий аппарат.
Определение номинальной мощности тракторного двигателя
Где – рабочая скорость трактора на первой передаче
- допустимый коэффициент буксования
- механический КПД силовой передачи
где n1ц= и n2к – КПД цилиндрических и конических шестерен трансмиссии работающих на 1 передаче.
– коэффициент учитывающий какая часть номинального крутящего момента двигателя затрачивается на холостое прокручивание двигателя.
Расчет регуляторной характеристики двигателя
Где NH– номинальная мощность двигателя
ne nн – текущее и номинальное значение коленчатого вала
С1=08;С2=12 – коэффициенты характеризующие тип двигателя по способу смесеобразования
Частота вращения коленчатого вала и часовой расход топлива на холостом ходу определяется из выражений:
Максимальное значение расхода топлива определяется:
Где geкр – удельный расход топлива по прототипу
На безрегуляторной ветви часовой расход топлива определяют
Где Gтн=925 кгч -номинальный часовой расход топлива
Крутящий момент и удельный расход топлива рассчитывают по формулам:
Выбор размера шин и расчет радиуса колеса и звездочки
Расчет передаточных чисел трансмиссии
Знаменатель геометрической прогрессии определяют по формуле:
где - оптимальная касательная сила тяги на 1 основной передаче z- число передач -минимальна касательная сила тяги на высшей основной передачи.
Т=2- диапазон рабочих тяговых усилий проектируемого класса для универсально пропашных тракторов (Т=2 25).
Передаточное число для второй передачи:
Передаточное число для третьей передачи:
Передаточное число для четвертой передачи:
Передаточное число для пятой передачи:
Расчет для построения тяговой характеристики.
Частота вращения холостого хода:
где р=(006 008)- степень неравномерности регулятора числа оборотов.
Частота вращения при максимальном крутящем моменте:
где К0=(13 16)-коэффициент приспособляемости двигателя по оборотам.
Максимальный крутящий момент:
где КM=112- коэффициент запаса крутящего момента -номинальный крутящий момент.
Эффективная мощность при максимальном крутящем моменте:
Часовой расход на номинальном режиме загрузки:
Часовой расход топлива при холостой работе:
Часовой расход топлива при максимальном крутящем моменте:
где -удельный расход топлива.
Результаты расчета по двигателю заносим в таблицу.
Таблица 2.1 – регуляторная характеристика двигателя.
По данным таблицы строим регуляторную характеристику двигателя
Расчет и построение теоретической тяговой характеристики трактора.
Определяем касательную силу тяги:
Определяем усилие на крюку:
Определяем теоретическую скорость движения трактора:
Коэффициент буксования определим по формуле:
Где аb и с – вспомогательные коэффициенты
Принимаем а = 013 b = 0013 с = 8
Действительная скорость движения трактора:
Тяговая мощность трактора:
Удельный расход топлива:
Таблица 2.2 – тяговая характеристика трактора.
Основные тягово-динамические показатели и
экономические показатели трактора.
III. Тяговый и динамический расчеты автомобиля.
Раздел включает определение отдельных параметров автомобиля (вес размер колес мощность двигателя и передаточные числа силовой передачи) и расчет некоторых динамических и экономических показателей (динамическая и экономическая характеристика средние скорости движения время движения интегральный расход топлива и приемистость автомобиля).
Определение собственного веса автомобиля и распределение его по осям.
Собственный вес автомобиля определяется по формуле:
где – коэффициент грузоподъемности.
Полный вес автомобиля определяется по формуле:
Распределение веса по осям тяжести зависит от колесной формулы и типа автомобиля
Максимальная мощности и внешняя скоростная характеристика двигателя.
Мощности двигателя должна обеспечивать движение груженого автомобиля (без прицепа) с максимальной скоростью в заданных дорожных условиях.
Где - коэффициент дорожного сопротивления при котором автомобиль должен развивать заданную максимальную скорость;
- сопротивление воздуха при движении с максимальной скоростью;
- заданная максимальная скорость;
- механический КПД трансмиссии.
Расчетная формула для определения сопротивления воздуха является:
Где: k – коэффициент обтекаемости
F – площадь лобового сопротивления автомобиля м2
Для легкового автомобиля
Площадь лобового сопротивления
Внешнюю скоростную характеристику двигателя вычисляют по такой же формуле что и для трактора:
Таблица 3.1 – внешняя скоростная характеристика двигателя.
Выбор размера шин и радиус колеса.
Размер шин и давление воздуха в шине подбирают по нагрузке приходящейся на одно колеса автомобиля. Предварительно следует определить нагрузку на мосты (передний средний задний). В зависимости от принятого распределения нагрузки по мостам определяют установку сдвоенных или одинарных колес. Шины определяют по наиболее нагруженному колесу в зависимости от нагрузки устанавливают давление воздуха во всех шинах.
Радиус качения колеса определяют по формуле:
Расчет передаточных чисел трансмиссии.
Сначала определяем передаточное число главной передачи исходя из максимальной скорости движения (заданной) автомобиля и частоты вращения коленчатого вала по прямой передаче.
Передаточное число коробки перемены передач на первой передаче определяют из двух условий:
а) обеспечение преодоления максимального заданного подъема
б) отсутствие полного буксования автомобиля при передаче максимального крутящего момента двигателя.
Отсюда передаточное число первой передачи:
Для автомобилей коэффициент нагрузки ведущих колес=06
Коэффициент сцепления φ = 07 задан в задании.
Передаточные числа коробки остальных передач рассчитываются используя знаменатель геометрической прогрессии:
Окончательная корректировка передаточных чисел должна быть проведена при подборе чисел зубьев шестерен трансмиссии.
Построение динамических и экономических показателей автомобиля
Основными показателями динамики автомобиля являются: скорость динамический фактор и ускорение.
Эти показатели определяются для всех передач при работе автомобиля на внешней характеристики для груженого автомобиля. Для построения универсальной динамической характеристики автомобиля используют данные внешней характеристики двигателя и составляют таблицу:
Таблица 3.2 – Универсальная динамическая характеристика двигателя.
Уханов А.П. Автомобильные и тракторные двигатели. Курсовое проекти-рование: Учебное пособие А.П. Уханов и др. Под ред. А.П. Уханова. – Пенза: РИО ПГСХА 2005. – 192 с.
Колчин А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: Учеб.пособие для вузов. А.И. Колчин В.П. Демидов – 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Высш. шк. 2002. – 496 с.: ил.