Тепловой расчет двигателя ЯМЗ 650-10

Записка ЯМЗ 650.doc

Тепловой расчет . ..3
2.Расчет характеристик рабочего тела 4
3.Расчет процессов газообмена 5
5.Процесс сгорания 7
6.Процессы расширения и выпуска 9
7.Индикаторные параметры рабочего цикла . ..10
8.Эффективные показатели двигателя 11
9.Основные параметры цилиндра и двигателя 11
10.Построение индикаторной диаграммы . .13
11.Тепловой баланс двигателя .17
Кинематический расчет двигателя 19
Динамический расчет .21
1.Приведение масс деталей КШМ .21
2.Силы и моменты действующие в КШМ . ..21
3.Расчет сил действующих в шатунной шейке .. .29
Расчет внешней скоростной характеристики ДВС .32
Список используемой литературы .. .. 34
1. Произвести тепловой расчет четырёхтактного дизельного двигателя для грузового автомобиля с наддувом.
Произвести расчёт четырёхтактного дизельного двигателя ЯМЗ-650.10.
Эффективная мощность дизельного двигателя Ne=303 кВт
Двигатель 6 цилиндровый (Р=6)
Дизель с турбонаддувом ТКР 90 – 2
Давление наддума Рк=028МПа
Диаметр цилиндра 123мм
Рабочий объем двигателя Vа=1112л
Температура остаточных газов ТГг=800К
Температура подогрева свежего заряда Т=2оС
Политропа сжатия n1=1.352
Коэффициент использования теплоты z=088
Степень повышения давления λ=14
Политропа расширения n2=1.271
Коэффициент полноты диаграммы φu=0.97
Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна
Длинна шатуна Lш=300мм
Угол опережения впрыска 32º
Продолжительность периода задержки воспламенения 19º
Расчет производим на режиме максимальной мощности.
2. Расчет характеристик рабочего тела.
В соответствии с ГОСТ 305-82 для рассчитываемого двигателя принимаем дизельное топливо(для работы в летних условиях- марки Л и для работы в зимних условиях- марки З). Цетановое число топлива- не менее 45.
Средний элементарный состав дизельного топлива:
С=0870; Н=0126; О=0004 [1стр.48]
Низшая теплота сгорания топлива:
Hu=3391С+12560Н-1089(O-S)-251(9Н+W)=
=3391·087+1256·0126-1089·0004-251· 9·0126=4244 МДжкг=42 440 кДжкг.
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива
Количество свежего заряда:
Примем α=15 [1стр.49]
Количество отдельных компонентов продуктов сгорания:
Общее количество продуктов сгорания:
Коэффициент молекулярного изменения свежей и рабочей смеси
3. Расчет процессов газообмена.
Давление окружающей среды
Для проектируемого двигателя примем рк=028Мпа.
Температура окружающей среды
где nк – показатель политропы сжатия nк=165.
Температура остаточных газов
Примем ТГ=800К [1стр.66]
Давление остаточных газов
рг=08*рк=08*028=0224Мпа
Температура подогрева свежего заряда
Примем Т=2оС [1стр.67]
Плотность заряда на впуске
Определение гидравлических потерь во впускном трубопроводе
=( 2+ ) 2ρk10-62 = 25602221710-62=001 Мпа
Давление в конце впуска
рa =рк –Δра=028–001=027 МПа
Коэффициент остаточных газов.
Температура в конце впуска:
Коэффициент наполнения:
Средние показатели адиабаты и политропы сжатия. При работе дизеля на номинальном режиме можно с достаточной степенью точности принять показатель политропы сжатия приблизительно равным показателю адиабаты который определяется по номограмме при =164 и Та=452 n1=1.352 [1стр.73]
Давление и температура в конце сжатия:
=027 1641352=11853 МПа
=452 1641352-1=1210 К.
Средняя мольная теплоёмкость в конце сжатия:
а) свежей смеси (воздуха).
=206+2638 10-3 937=23072
где =1210-273С=937С.
б) остаточных газов.
-определяется методом интерполяции по таблице [1стр.60] при tc=9370С и α=15
где24973 и 25321 – значения теплоемкости продуктов сгорания при α=15 и соответственно 9000С и 10000С.
=1(1+0029) (23072+0029 25102)= =23129 кДж(кмоль град).
5. Процесс сгорания.
Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси
Теплота сгорания рабочей смеси:
Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания:
Коэффициент использования теплоты: для современных дизелей с раздельными камерами сгорания и хорошо организованным объемным смесеобразованием можно принять для двигателя с наддувом в связи с повышением теплонапряженности двигателя и созданием более благоприятных условий для протекания процесса сгорания – z=088 [1стр.76]
Степень повышения давления в дизеле в основном зависит от величины подачи топлива. В связи с этим целесообразно принять для дизеля с наддувом λ=14 [1стр.77]
Температура в конце видимого процесса сгорания:
8 · 54992+(23129+8315·14) ·937+2270(14-1041)=
=1041 · (32357+000188tz)tz
01956tz2+33684tz-81787=0
tz=[-33684+(336842+4·0001956·81787)](2·0001956)=2158оС;
Tz=tz+273=2158+273=2431 K.
Максимальное давление сгорания:
Степень предварительного расширения:
6.Процессы расширения и выпуска.
Степень последующего расширения для дизелей с наддувом
Средние показатели адиабаты и политропы расширения определяем по номограмме при =1101;Tz=2431 и α=15 k2=1.273 и n2=1.271 [1стр.83]
Давление и температура в конце процесса расширения
pb=1659411011271=0787 МПа
Тb=243111011271-1=1269 K.
Проверка ранее принятой температуры остаточных газов:
Δ Тr=100(835-800)800=42%.
7. Индикаторные параметры рабочего цикла
а) теоретическое индикаторное среднее давление:
б) среднее индикаторное давление:
где φu=0.97 - коэффициент полноты диаграммы [1стр.88]
в) индикаторный К.П.Д. и индикаторный удельный расход топлива:
i=193 · 14452 · 1.5(4244 · 2217 · 0971)=0458
gi=3600(42.44 · 0458)=185 г(кВт ч).
8. Эффективные показатели двигателя
а) среднее давление механических потерь:
где средняя скорость поршня при S=156мм равна п.ср.=99 мс
pм=0089+00118 · 99=0206 МПа.
б) среднее эффективное давление и механический К.П.Д
ре=рi-pм=193-0206=1724 МПа
м=ρеρi = 1724 193=0893
в) эффективный К.П.Д. и эффективный удельный расход топлива:
9. Основные параметры цилиндра и двигателя
Vл=30 · ·Ne(pe · n)=30 · 4 · 303(1724 · 1900)=111 л.
Рабочий объем одного цилиндра:
где – число цилиндров =6.
Так как ход поршня предварительно был принят S=156 мм то
Окончательно принимаю: D=123 мм и S=156 мм.
Основные параметры и показатели двигателей определяются по окончательно принятым значениям D и S:
=314 ·012324=0011876м2.
Vл= ·D2 ·S ·i(4 ·106)=314 ·1232 ·156 ·6(4 ·106)=1112 л.
мощность двигателя:
=1724 ·1112 ·1900(30 ·4)=30354 кВт.
=3 · 104 · 30354(314 · 1900)=152635 Н·м.
часовой расход топлива:
=30354 · 207 · 10-3=62833 кгч = 0017454 кгс.
Nл=NeVл=303541112=273 кВтл.
10. Построение индикаторной диаграммы.
Индикаторную диаграмму строим для номинального режима работы двигателя т. е. при Nе = 303 кВт и и n=1900 обмин аналитическим методом. Масштабы диаграммы: масштаб хода поршня Ms=15 мм в мм; масштаб давлений Мр=01 МПа в мм [1стр.96].
Определим в масштабе соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:
АВ=SМS=15615 = 104 мм;
ОА = АВ(-1)= 104(164-1)=68 мм
Откуда ОВ=ОА+АВ=104+68=1108 мм;
Максимальная высота диаграммы(точка z):
рzМр= 1659401 = 16594 мм.
zz=OA(ρ-1)=68(149-1)=33 мм
Определим радиус кривошипа по формуле
Определим рабочий объем одного цилиндра
Определим объем камеры сгорания
Определим полный объем цилиндра
Vа = Vc + Vh = 00001203+00018527=0001973
Принимаем отношение радиуса кривошипа к длине шатуна [1стр.153].
Задаваясь различными углами φ поворота коленчатого вала определяем положение поршня по формуле для примера рассмотрим тогда
Задаваясь различными углами φ поворота коленчатого вала определяем положение поршня по формуле .
Находим текущий объем над поршневого пространства
Построение политроп сжатия и расширения аналитическим методом:
а) политропа сжатия
б) политропа расширения
Результаты расчета точек политроп каждых 100 поворота К.В.
Положение точки определяется из выражения:
p=(1.15 1.25)pc=1.15·11853=1363 МПа
Определяем поправку Брикса:
где MS- масштаб хода поршня на индикаторной диаграмме мм в мм.
Теоретическое среднее индикаторное давление
где F1=2063мм2 - площадь диаграммы aczzba. Величина р1=198МПа
полученная планиметрированием индикаторной диаграммы очень близка к вечичине р1=199МПа полученной в тепловом расчете
Точки открытия и скругление индикаторной диаграммы.
Впуск: начало (точка r)-25º до ВМТ; окончание (точка а)- 60ºпосле НМТ.
Выпуск: начало (точка b)-60º до НМТ; окончание (точка а)- 25ºпосле ВМТ.
Угол опережения впрыска принимаем 32º (точка с) продолжительность периода задержки воспламенения – Δφ = 13º отсюда 32– 13 = 19º( точка f) [1стр.74].
По данным SiMs и PiMp из таблицы 1 строим индикаторную диаграмму.
11.Тепловой баланс двигателя
Количество введенной теплоты
Q = GтQн = 0017454 4244 ×103 =74075 кВт.
Теплота превращенная в полезную работу
Теплота передаваемая охлаждающей среде определится
где с - коэффициент пропорциональности с = 045 053 для четырехтактных двигателей; примем с = 05 [1стр.141]
m - показатель степени m = 05 07 для четырехтактных двигателей примем m = 06 [1стр.141]
Теплота теряемая с отработавшими газами
Qг =GтМ2×[(mcv )пс + R]×tг – М1×[(mcv )в + R]×tв =
= 001745407815 ×[23668+8314]×562 – 075 ×[20937 + 8314]×167 =
tг = (Тг – 273) =835 - 273 = 562 оС и t0 = (Т0 – 273) = 440 – 273 = 167 оС — температуры отработавших газов и поступающего воздуха R = 8314 кДж(кмольград) – универсальная газовая постоянная.
(mcv )пс = 23668 кДж(кмольград) - средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания определяется методом интерполяции при температуре tг и α=15.
(mcv )в = 20937 - средняя мольная теплоемкость свежего заряда при постоянном объеме. Определяется методом интерполяции исходя из следующих значений: - при температуре t0 = 100°С (mcv )в = 20839кДж(кмольград); - при температуре t0 = 200°С = 20985 кДж(кмольград) [1стр.58]
Теплота потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива при α=15 отсутствует в балансе
Остаточный член теплового баланса
Qост = Q – (Qe + Qохл + Qг.).
=74075-(303+4635+18122)=21018 кВт.
Таблица 2. Основные величины теплового баланса двигателя
Составляющие теплового баланса
Количество располагаемой (введенной) теплоты
Теплота потерянная с охлаждающим агентом
Теплота потерянная с отработавшими газами
Остаточный член теплового баланса
Кинематический расчет двигателя
Определяем по формулам перемещение скорость и ускорение поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала.
Угловая скорость вращения коленчатого вала:
Определим значения S v J принимаем интервал изменения j от 0 до 360о п.к.в. и шаг расчета Dj =10о п.к.в. Результаты расчетов сводим в таблицу №2.
1 Приведение масс деталей КШМ
масса поршневой группы (для поршня из алюминиевого сплава
масса шатуна (для стального кованого шатуна принято 370 кгм2 [1стр.166])
масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов (для стального кованного вала со сполшными шейками 380 кгм2 [1стр.166])
масса шатуна сосредоточенная на оси поршневого пальца
масса шатуна сосредоточенная на оси кривошипа
массы совершающие возвратно-поступательное движение
массы совершающие вращательное движение
2 Силы и моменты действующие в КШМ
Удельная сила избыточного давления над поршнем:
где – давление газов в цилиндре двигателя определяемое для соответствующего положения поршня по индикаторной диаграмме произведем расчет для j =10о р0 – давление в картере принимаемое равное атмосферному;
При движении поршня возникают удельные силы инерции создаваемые поступательно движущимися массами КШМ
Суммарнные удельные силы – это алгебраическая сумма сил действующих в направлении оси цилиндра:
Угол наклона шатуна относительно оси цилиндра
Сила р которая действует на поршень и приложена в центре поршневого пальца разделяеться на состовляющие:
Удельная сила которая действует нормально к оси цилиндра
Удельную сила которая действует вдоль шатуна
Сила рS в свою очередь разделяеться на две состовляющие:
удельная сила действующая по радиусу кривошипа
удельная тангенцальная сила
Полная сила действующая по радиусу кривошипа
Полная тангенцальная сила
Крутящий момет создаваемый силами давления газов в цилиндре
Вычисляем силы и моменты действующие в КШМ через каждые10° поворота кривошипа. Результаты вычислений заносим в таблицу 4 строим графики сил и моментов.
Силы и моменты на любом кривошипе собранные в таблице 4 действуют во всех кривошипах двигателя одинаково но смещены по углу поворота вала двигателя от первого кривошипа относительно порядку работы цилиндров. Заданный двигатель рядный шести цилиндровый поэтому зададим ему порядок работы 1-5-3-6-2-4.
Интервал работы цилиндров будет равен . Соответственно к положению кривошипов каждого цилиндра заполняем таблицу 5 данные крутящего момента берем из таблицы 3 но смещаем на угол с учетом порядка работы цилиндров.
Мкр.общ.=Мкр1+Мкр5+Мкр3+Мкр6+ Мкр2+ Мкр4
При равных интервалах чередования вспышек в цилиндрах среднее значение суммарного крутящего момента можно определить по формуле
Определим крутящий момент по формуле
Определим расхождения в крутящих моментах по формуле
Коэффициент неравномерности крутящего момента ДВС:
Избыточная работа крутящего момента
где Fabc=400мм2 - площадь над прямой среднего крутящего момента полученная планиметрированием; Мм – масштаб момента; - масштаб угла поворота коленчатого вала.
Момент инерции движущихся масс двигателя приведенных к оси коленчатого вала:
Момент инерции маховика
Окружная скорость на внешнем ободе маховика
Отсюда масса маховика равна
3 Расчет сил действующих в шатунной шейке.
На шатунную шейку действует равнозначная центробежная сила инерции KR.Ш.. от массы mш.к. части шатуна
На шатунную шейку действует равнозначная центробежная сила инерции KR.К.. от массы mк. кривошипа
Силы К и КR.Ш. направленные по кривошипу и могут быть заменены суммарной силой РК
Результирующая сила Rшш которая дейстует на шатунную шейку может быть полученна геометрическим сложением силы PK которая действует по кривошипу и тангенциальной силы T
Суммарная силадействующая на колено вала по радиусу кривошива
Результирующая сила RК которая дейстует на колено вала может быть полученна геометрическим сложением силы КРК и T
Заполним таблицу №6 с результатами расчетов сил для всех положений коленвала. Построим полярную диаграмму сил действующих на шатунную шейку коленчатого вала значения для которой PK и T берем из таблицы №4.
По полярной диаграмме строят диаграмму износа шатунной шейки. Сумму сил действующий по каждому лучу диаграммы износа опрееляют с помощью таблицы6.
Значение Rшш для лучей
Расчет внешней скоростной характеристики ДВС
Принимаем: nmin = 500 обмин nx1-1000 обмин nx2-1500 обмин
nN = 1900 обмин nx3-2000 обмин.
Значение эффективной мощности для дизелей с вихревой камерой
Значение эффективного крутящего момента
Значение среднего эффективного давления
Средняя скорость поршня
Среднее давление механических потерь
Среднее индикаторное давление
Индикаторный крутящий момент
Удельный эффективный расход топлива
Часовой расход топлива
Коэффициент наполнения
Произведя расчёты параметров для различных расчётных режимов работы (n обмин) результаты сводим в таблицу8.
По расчетным данным приведенным в табл. 8 строим внешнюю скоростную характеристику проектируемого двигателя.
Коэффициент приспособляемости
где Memax определен по скоростной характеристике.
Список используемой литературы
А.И.Колчин В.П.Демидов “Расчет автомобильных и тракторных двигателей”.
В.М.Архангельский и др. “Автомобильные двигатели”.
М.Г.Шатрова “Автомобильные двигатели”.

1.dwg