Основы теории и динамики энергетических установок самоходных машин

лист3.dwg

Силы действующие на поршень
Силы действующие на шатун и кривошип
Диаграмма суммирования индикаторных моментов
многоцилиндрового двигателя
Силы действующие в кривошипо-шатунном механизме
Характеристика динамики КШМ

Титул.doc

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
КРЕМЕНЧУГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ М. ОСТРОГРАДСКОГО
Факультет: Автомобильный
Кафедра: ’’Автомобили и тракторы ’’
РАСЧЁТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ
по дисциплине: «Основы теории и динамики энергетических установок самоходных машин»
г. Кременчуг 2009 г.

Записка.doc

Двигатель – прототип – КамАЗ-740
Номинальная эффективная мощность двигателя – прототипа
Номинальная частота вращения вала двигателя
Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна
Коэффициент избытка воздуха
Степень предварительного расширения
Степень повышения давления
Коэффициент эффективного использования теплоты при сгорании
Отношение массы шатуна приведенного к поршню к массе шатуна
ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ КамАЗ-740
На автомобилях КамАЗ установлен четырехтактный восьми цилиндровый V-образный дизельный двигатель отличающийся высокой надежностью и повышенным ресурсом благодаря применению:
поршней отлитых из высококремнистого алюминиевого сплава с чугунной упрочняющей вставкой под верхнее компрессионное кольцо и коллоидно-графитным приработочным покрытием юбки;
гильз цилиндров объемно закаленных и обработанных плосковершинным хонингованием;
поршневых колец с хромовым и молибденовым покрытием боковых поверхностей;
азотированного или упрочненного индукционной закалкой коленчатого вала;
трехслойных тонкостенных сталебронзовых вкладышей коренных и шатунных подшипников;
закрытой системы охлаждения заполняемой низкозамерзающей охлаждающей жидкостью с автоматическим регулированием температурного режима гидромуфтой привода вентилятора и термостата;
высокоэффективной фильтрации масла топлива и воздуха бумажными фильтрующими элементами;
электрофакельного устройства подогрева воздуха обеспечивающего надежный пуск двигателя при отрицательных температурах окружающего воздуха до -25°С.
РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Схема V – образного кривошипно-шатунного механизма
Расчет параметров рабочего процесса двигателя является определяющим этапом работы над проектом от качества выполнения которого зависят получаемые результаты на всех этапах проектирования. Расчет рабочего процесса двигателя проводится при номинальном режиме работы двигателя.
На этом этапе проводятся следующие расчеты:
1 Определение характерных объемов цилиндров.
2 Определение характеристик горючей смеси и продуктов сгорания.
3 Определение параметров состояния газа перед впускными и за выпускными клапанами.
4 Определение показателей процесса наполнения.
5 Определение показателей процесса сжатия и сгорания.
6 Определение показателей процесса расширения.
7 Определение индикаторных и эффективных показателей двигателя.
1. ХАРАКТЕРНЫЕ ОБЪЕМЫ ЦИЛИНДРОВ
Рабочий объем цилиндра Vh м3
где D – диаметр цилиндра м;
Объем камеры сжатия Vc м3
где – степень сжатия.
Полный объем цилиндра Va м3
гдеφ – угол поворота кривошипа град;
λкр – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.
Результаты расчета произведенные от 0 до 720 град. с интервалом 10град. сводим в таблицу 1 и строим график зависимостей изменения объема цилиндра от угла поворота кривошипа.
Таблица 1. Зависимость объема цилиндра от угла поворота кривошипа
Угол поворота кривошипа φ град
Объем цилиндра V дм3
Литраж двигателя Vл м3
где z – число цилиндров.
2. ХАРАКТЕРИСТИКА ГОРЮЧЕЙ СМЕСИ И ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива кмолькг
Данные по эмпирическому составу топлива выбирают из таблицы 2[2].
Таблица 2. Элементарный состав жидкого топлива в массовых долях
гдеС – массовая доля в топливе углерода (0870);
Н – массовая доля в топливе водорода (0126);
О – массовая доля в топливе кислорода (0004);
О2в – объемная доля кислорода в воздухе (021).
Количество горючей смеси на 1 кг топлива кмолькг
гдеα – коэффициент избытка воздуха.
Количество продуктов сгорания на 1 кг топлива кмолькг при α > 1
Химический коэффициент молекулярного изменения горючей смеси при сгорании
3. ПАРАМЕТРЫ СГОРАНИЯ ГАЗА ПЕРЕД ВПУСКНЫМИ И ЗА ВЫПУСКНЫМИ КЛАПАНАМИ
Давление свежего заряда перед впускными клапанами для двигателей без наддува МПа.
гдер0 – давление окружающей среды МПа (0101 МПа) [2]
ΔрS – потеря давления во впускном трубопроводе МПа (0005) [2].
Температура свежего заряда перед впускными клапанами для двигателей без наддува К
гдеТ0 – температура окружающей среды К (293 К).
ΔТS – температура подогрева свежего заряда К (10 К) [1].
Давление газа за выпускными клапанами двигателя без наддува рТ МПа
гдеΔрТ – перепад давления в выпускном трубопроводе МПа (0005) [1];
4. ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА НАПОЛНЕНИЯ
Показатели процесса наполнения зависят не только от организации данного процесса но и от процесса выпуска отработавших газов предыдущего цикла поскольку в цилиндре остается некоторое их остаточное количество Мr и они имеют относительно высокую температуру Тr и избыточное давление рr.
Количество остаточных газов Мr кмоль
гдеR – универсальная газовая постоянная (R =8134 Джкмоль К) [1].
Температура остаточных газов в начале процесса впуска Тr = 800 К[2].
Давление остаточных газов рr МПа
гдеkr – коэффициент учитывающий перепад давления остаточных газов в цилиндре по отношению к давлению за выпускными клапанами в конце процесса выпуска (111) [2].
гдеkа –коэффициент учитывающий перепад давления рабочей смеси перед впускными клапанами по отношению к давлению в цилиндре в конце процесса наполнения (095) [2].
Давление в процессе наполнения для получения расчетной индикаторной диаграммы принимают величиной постоянной равной ра.
Важным показателем процесса наполнения является коэффициент наполнения v представляющий собой отношение действительного количества свежей смеси Мсм заполнившей цилиндр к количеству смеси Мсм.0 которое может заполнить рабочий объем цилиндра при давлении и температуре окружающей среды.
Коэффициент наполнения можно определить по формуле
где ΔТ – повышение температуры заряда от стенок цилиндра К (15 К) [1].
Коэффициент остаточных газов γ
Температура в конце процесса наполнения Та К
Количество свежей смеси заполнившей цилиндр Мсм Кмоль для двигателя без наддува
Количество рабочей смеси Ма Кмоль
5. ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССОВ СЖАТИЯ И СГОРАНИЯ
Изменение давления в цилиндре в процессе сжатия р МПа
гдеnc – показатель политропы сжатия (140).
Давление в конце процесса сжатия рс МПа
Температура в конце процесса сжатия Тс К
Коэффициент молекулярного изменения при рабочей смеси
Температура в условном конце сгорания Тz К определяют решая уравнение
Для дизеля входящие в уравнение зависимости определяют по формулам
гдеАс=198; Вс=00042.
Qн – низшая теплотворная способность топлива кДжкг (42500) [1].
– коэффициент эффективности использования теплоты при сгорании (075).
Степень предварительного расширения
Давление в конце сгорания МПа
Объем цилиндра в конце сгорания Vz м3
6. ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА РАСШИРЕНИЯ
Давление в цилиндре на участке предварительного расширения принимают величиной постоянной равной рz.
Степень последующего расширения
При последующем расширении давление в цилиндре уменьшается в результате увеличения объема и рассчитывается по формуле
гдеnp – показатель политропного расширения (122) [5].
Температура в конце процесса расширения Тв К
Таблица 3. Индикаторная диаграмма
7. ИНДИКАТОРНЫЕ И ЭФФЕКТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДВИГАТЕЛЯ
Среднее индикаторное давление рi МПа
где – коэффициент полноты индикаторной диаграммы учитывающий отличие действительной диаграммы по сравнению с расчетной (097) [2].
Индикаторная мощность двигателя NiкВт
где – тактность двигателя (2 или 4)
Средний индикаторный момент Мi Нм
Экономичность работы цикла двигателя внутреннего сгорания характеризуется индикаторным к.п.д. который представляет собой отношение тепла преобразованного в индикаторную работу цикла Li к теплу затраченного за цикл топлива Qm
Индикаторный к.п.д. двигателя можно определить по формуле полученной после преобразования
Удельный индикаторный расход топлива гкВт.ч
Среднее давление механических потерь МПа
где Vn – средняя скорость поршня мс
aм и bм – эмпирические коэффициенты зависящие от соотношения хода поршня к диаметру цилиндра и типа двигателя[6].
n – частота вращения двигателя обмин
Механический к.п.д. двигателя
Среднее эффективное давление МПа
Эффективный к.п.д. двигателя
Эффективная мощность двигателя Ne кВт
Эффективный момент Ме Нм
Удельный эффективный расход топлива гкВт ч
Часовой расход топлива кгчас
Таблица 3. ИНДИКАТОРНЫЕ И ЭФФЕКТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДВИГАТЕЛЯ
Индикаторные параметры
Эффективные показатели
Частота вращения обмин
Удельный расход топлива гкВт ч
Часовой расход топлива кгч
Силы действующие в кривошипно – шатунном механизме
ДИНАМИКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.
К выполнению данного проекта приступают после определения показателей рабочего процесса. Расчеты проводят в следующей последовательности:
определение движущихся масс кривошипно-шатунного механизма.
определение сил действующих в кривошипно-шатунном механизме и крутящего момента.
Для проведения расчетов необходимо составить схему сил действующих в кривошипно-шатунном механизме.
1.ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАСС ДВИЖУЩИХСЯ ЧАСТЕЙ КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА.
Масса возвратно-поступательно движущихся частей кг
где mп – масса поршня кг;
mшп – масса шатуна приведенная к поршню кг.
Масса вращающихся частей mв кг
где mк – масса кривошипа;
mшк – масса шатуна приведенная к кривошипу кг.
Так как при V-образном расположении цилиндров обычно с кривошипом шарнирно соединяется два шатуна разных цилиндров то в этом случае масса шатуна приведенная к кривошипу должна быть удвоена.
2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛ ДЕЙСТВУЮЩИХ В КРИВОШИПНО-ШАТУННОМ МЕХАНИЗМЕ И КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА.
Сила от давления газов на поршень Pг Н
Где рг – давление газов в цилиндре МПа.
Сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс Н
Суммарная сила действующая на поршень Н
Нормальная сила действующая перпендикулярно оси цилиндра Н
Где – угол отклонения шатуна от оси цилиндра
Сила действующая вдоль шатуна Н
Радиальная сила действующая на кривошип Н
Центробежная сила действующая на кривошип Pц Н
Полная радиальная сила на кривошипе Н
Тангенциальная сила на одном кривошипе Н
Крутящий момент на кривошипе от одного цилиндра Нм
Результаты расчета сил и момента на кривошипе сводят в таблицах
Таблица 5. Силы действующие на поршень
Таблица 6. Силы действующие на шатун и кривошип
По результатам динамического расчета строятся диаграммы сил по углу поворота кривошипа φ в пределах от 0 до 720 град. действующих на поршень шатун и кривошип а также момента кривошипа.
По данным изменения индикаторного момента одного цилиндра определяют суммарный индикаторный момент многоцилиндрового двигателя. Для двигателя с равномерным чередованием процессов период изменения суммарного момента град
Для двигателя с неравномерным чередованием процессов
Для определения суммарного индикаторного момента проводится наложение индикаторных моментов одного цилиндра со смещением по углу поворота коленчатого вала и с учетом порядка работы цилиндров. Просуммировав индикаторные моменты от всех цилиндров получают суммарный индикаторный момент двигателя в зависимости от угла поворота φ коленчатого вала в пределах одного периода .
Порядок работы цилиндров: 1-5-4-2-6-3-7-8.
Таблица 7. Индикаторные моменты многоцилиндрового двигателя.
По данным таблицы строят зависимости моментов формируемых на каждом кривошипе и суммарного момента по углу поворота коленчатого вала в пределах одного периода.
Средняя величина индикаторного момента многоцилиндрового двигателя определяется индикаторной работой периода отнесенной к углу поворота
Эффективный момент двигателя Нм
Эффективная мощность кВт
Где – угловая скорость вала двигателя радс (=n30)
Полученные результаты расчета индикаторного момента и индикаторной мощности не должны значительно отличаться от соответствующих параметров полученных при расчете рабочего процесса двигателя.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ
Автомобильные двигатели работают при различных скоростных и нагрузочных режимах. Режимы работы двигателя определяются условиями эксплуатации и сопротивлениями движению которые изменяются в значительных пределах.
Для оценки мощностных и экономических показателей двигателя при работе его на различных режимах пользуются характеристиками двигателя. Характеристикой называют зависимость основных показателей работы двигателя (мощности момента расхода топлива и др.) от параметров режима его работы (частоты вращения нагрузки и др.).
Для автомобильного двигателя основными характеристиками являются скоростные нагрузочные и многопараметровые (комбинированные).
Скоростными характеристиками двигателя называют зависимости основных параметров от частоты (скорости) вращения вала двигателя. Частным случаем скоростной характеристики является внешняя скоростная характеристика используемая при рассмотрении динамических свойств автомобиля.
Нагрузочными характеристиками называют зависимости удельного и часового расхода топлива от эффективного момента (среднего эффективного давления) или эффективной мощности при постоянных значениях частоты вращения (угловой скорости) вала двигателя.
Многопараметровой (комбинированной) характеристикой называют зависимости двух изменяемых параметров с нанесением других на эту же характеристику.
1 .ВНЕШНЯЯ СКОРОСТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДВИГАТЕЛЯ
Внешняя скоростная характеристика представляет собой зависимость эффективного крутящего момента Ме эффективной мощности Ne удельного
эффективного расхода топлива ge и часового расхода топлива GТ - при полном открытии дроссельной заслонки в карбюраторном двигателе или при положении органа управления подачей топлива в дизеле обеспечивающем получение номинальной мощности в зависимости от скорости вращения коленчатого вала двигателя .
Для расчета зависимости эффективной мощности Ne от скорости вращения вала двигателя используют эмпирическое уравнение
где a=0510; b=1110; c=0620 - эмпирические коэффициенты[12]
NeN - эффективная мощность двигателя на номинальном режиме полученная при выполнении расчета рабочего процесса двигателя.
N - угловая скорость вращения вала двигателя при номинальной (максимальной) мощности.
Построение внешней скоростной характеристики необходимо производить в диапазоне от = 60 80 радс до = макс
Если на автомобиле установлен карбюраторный двигатель без ограничителя скорости вращения вала то принять макс = 1.1* N.
Эффективный момент двигателя определяют по формуле
Удельный эффективный расход топлива рассчитывают по формуле
где ge - удельный эффективный расход топлива при максимальной мощности гкВт.ч;
k - коэффициент учитывающий изменение удельного расхода топлива при изменении угловой скорости вращения вала двигателя.
Удельный эффективный расход топлива при номинальном режиме (максимальной мощности) принимают полученный по результатам расчета рабочем» процесса двигателя.
Коэффициент k приближенно можно определить по эмпирическому выражению [11]
где ааbа са - коэффициенты зависящие от типа и конструкции двигателя.
При проведении расчетов можно принимать для карбюраторных двигателей и дизелей а=126; b= 085; с = 059[1].
Часовой расход топлива GT кгчас
Степень использования мощности двигателя представляет собой отношение используемой эффективной мощности двигателя Ne к эффективной мощности двигателя Ne.вн по внешней скоростной характеристике при соответствующей скорости вращения вала двигателя:
Результаты расчетов внешней скоростной характеристики заносят в таблицу.
Таблица 8. ВНЕШНЯЯ СКОРОСТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДВИГАТЕЛЯ
Скорость вращения вала двигателя радс
Эффективная мощность NекВт
Удельный эффективный расход топлива ge гкВт час
2. НАГРУЗОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Нагрузочную характеристику необходимо построить для 6 8 значений скорости вращения вала двигателя начиная от минимальной до максимальной включая номинальный режим.
При определении удельного расхода топлива пользуются зависимостью
где ки - коэффициент учитывающий степень использования мощности двигателя.
Коэффициент ки можно определить по формуле [11]:
где И- степень использования мощности двигателя.
где-au=1.65; bu=2.3; cu=1.65[1].
Для постоянной скорости вращения вала двигателя коэффициент к является величиной постоянной.
Результаты расчетов для каждой скорости вращения вала двигателя сводят в табл. по данным которой строят нагрузочные характеристики.
Таблица 9. НАГРУЗОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДВИГАТЕЛЯ
Эффективная мощность
Удельный эффективный расход
Часовой расход топлива
3. МНОГОПАРАМЕТРОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Многопараметровую характеристику строят в координатах: эффективный момент - угловая скорость вращения вала двигателя на которую наносят кривые равных удельных расходов топлива и кривые равных эффективных мощностей.
Для построения многопараметровой характеристики используются результаты расчета внешней скоростной характеристики и нагрузочных характеристик которые сведены в таблицах .
Для построения многопараметровой характеристики результаты расчетов для различных постоянных угловых скоростей вращения вала двигателя в пределах от ) - 60 80 радс до мах сводят в табл0. Минимальные значения эффективного момента принимают равными 02 03 от максимального момента по внешней скоростной характеристике так как при Ме =0 ge= .
Внешняя скоростная характеристика ограничивает поле многопараметровой характеристики сверху.
По полученным данным наносят кривые равных удельных эффективных расходов топлива и кривые постоянных мощностей (рис. 10).
Шапко В.Ф. методические указания к практическим занятиям и курсовому проектированию по дисциплине «Основы теории и динамики энергетических установок самоходных машин». – Кременчуг: КДПУ1998.
Разлейцев Н.Ф. и др. Типовая программа методические указания и контрольные задания по курсу «Основы теории и расчета автомобильных и тракторных двигателей». – Харьков: ХПИ1988-60с.
Богданов С.Н. Берунков М.М. Иванов И.Е. Автомобильные двигатели. М.: Машиностроение 1987.-372с.
Артамонов М.Д. Морин М.М. Основы теории и конструирования автотракторных двигателей. – М.: Высшая школа 1973.-205с.
Двигатель внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. (Под ред. А.С.Орлина и И.М.Ленина). – М.: Машиностроение1983.-372с.
Железко Б.Е. и др. Расчет и конструирование автомобильных и тракторных двигателей. – Минск. Вышэйшая школа 1987.-247с.
Автомобильные и тракторные двигатели. Часть 1. Теория двигателей и системы их топливоподачи. (Под ред. И.М.Ленина). – М.: Высшая школа 1985.
Автомобильные и тракторные двигатели. Часть 2. Конструкция и расчет двигателей. (Под ред. И.М.Ленина). – М.: Высшая Школа 1976.-280.
Двигатель внутреннего сгорания. (Под ред. В.Н.Луканина). – М.: Высшая школа 1985.
Колчин А.И. Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. – М.: Высшая школа 1980.
Шапко В. Ф. Нарбут Т.А. К вопросу о расчете топливной экономичности автомобиля. – М.: Известия высших учебных заведений № 5 1977.
Солтус А.П. Шапко В.Ф. Методичні розробки до курсової роботи по Теорії автомобіля і самохідних машин” і розділу дипломного проекту Тяговий рохрахунок автомобіля”. – Кремечук: КДП 1998.
Гришкевич А.И. Автомобили. Теория. – Минск: Вышэйшая школа 1986.

лист2.dwg

Зависимость обьема цилиндра от угла поворота кривошипа
Индикаторная диаграмма двигателя
Развернутая индикаторная диаграмма двигателя
Индикаторные показатели
Эффективные показатели
Удельний расход топлива
Часовой расход топлива
Индикаторные и эффективные показатели двигателя
кривошипо-шатуного механизма
Характеристики рабочего процеса

Копия Двигатель.dwg

лист4.dwg

Внешняя скоростная характеристика двигателя
Многопараметровая характеристика двигателя
Нагрузочная характеристика двигателя