Расчет показателей работы двигателя марки А-01М (Т-4А)

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Департамент научно-технологической политики и образования ФГБОУ ВПО Мичуринский государственный аграрный университет

Курсовая работа

по дисциплине: Теория ДВС и шасси

на тему: Расчет показателей работы двигателя марки А-01М (Т-4А)

Мичуринск-наукоград, 2012

Введение

Быстроходный дизельный двигатель с непосредственным впрыском топлива, водяного охлаждения, шестицилиндровый А-01является одной из базовых моделей семейства двигателей Алтайского тракторного завода (АМЗ)

Двигатели А-01М представляют собой модификации базовой модели А-01, отличающиеся от последней повышенной (до 130 л.с.) мощностью и некотырыми конструктивными особенностями.

Двигатели предназначены для гусеничных и колесных тракторов Т-4 и Т-4А, ДТ-75М, а также трелевочных тракторов, валочно-трелевочных машин. Кроме того, эти двигатели используют в качестве силовых агрегатов передвижных электростанций, насосных станций и других машин, применяемых в сельском хозяйстве.

Заданная мощность двигателя (до 130 л.с.) достигается без применения наддува, т. е. при свободном впуске.

1. Тепловой расчет двигателя

1.1 Параметры окружающей среды

В соответствии с исходными данными для расчета двигателя, выбираем способ наполнения двигателя свежим зарядом при свободном впуске.

При этом давление воздуха, температура

[1] (1)

К где температура воздуха (^оС)

1.2 Температура и давление остаточных газов

Давление газов в конце выпуска составляет:

[1] (2)

Температуру газов в конце выпуска следует принимать в пределах:

[1] (3)

Принимаем

1.3 Процесс впуска

Давление газов в конце впуска (МПа) вычисляют по формуле:

[1] (4)

где потеря давления из-за сопротивления впускного тракта, которое определяем по формуле Бернулли:

[1] (5)

где коэффициент сопротивления потоку заряда на впуске, принимаем [1]

средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускного тракта;

плотность свежего заряда на впуске.

Плотность свежего заряда (воздуха) равна:

[1] (6)

где удельная газовая постоянная воздуха. [1]

Среднюю скорость заряда определяют:

= 1 (7)

;

где площадь проходного сечения впускного клапана; (8)

где диаметр тарелки впускного клапана при число впускных клапанов в одном цилиндре; [1]

радиус кривошипа; [1]

газ давление двигатель заряд диаметр и ход поршня;

частота вращения коленчатого вала, об/мин;

л — отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Температура газов в конце впуска

[1] (9)

где приращение температуры свежего заряда вследствие его подогрева от стенок впускного коллектора и других деталей, принимаем [1]

коэффициент остаточных газов:

[1] (10)

Для ориентации. На режиме максимальной мощности и при стандартных условиях (МПа, °С) дизели со свободным впуском;

1.4 Коэффициент наполнения цилиндров двигателя свежим зарядом

Величину коэффициента наполнения рассчитывают по формуле

[1] (11)

1.5 Давление и температура газов в конце сжатия

Величина давления в конце сжатия:

[1] (12)

где — показатель политропы сжатия;

n — частота вращения коленчатого вала, об/мин.

Температура газов в конце сжатия:

[1] (13)

дизели.

1.6 Количество свежего заряда и продуктов сгорания топлива

С достаточной точностью количество свежего заряда М₁, равно количеству впускаемого в двигатель воздуха L .

[1] (14)

где L₀ — теоретически необходимое для сгорания топлива количество воздуха.

[1] (15)

где содержание соответственно углерода, водорода и кислорода в дизтопливе, бензине и газовом топливе, которое лежит в пределах:

; ;,

причем .

Принимаем

Количество продуктов сгорания при избытке воздуха

[1] (16)

1.7 Уравнение сгорания топливно-воздушной смеси

Для ДВС с искровым зажиганием уравнение сгорания смеси имеет следующий вид

[1] (17)

где теплота от сгорания топлива в кДж/кг;

[1] (18)

где коэффициент использования теплоты (для дизелей), принимаем. 2]

(дизтопливо) — низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;

количество газов в конце сжатия (начало сгорания); [1]

количество остаточных газов;

коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси; [1]

количество газов в конце сгорания; [1]

молярная теплоемкость газов в конце сжатия;[1]

где ^оС

[1]

[1]

молярная теплоемкость газов в конце их сгорания в дизеле. [1]

молярная теплоемкость газов в конце сгорания. [1]

где универсальная газовая постоянная

;

при б 1;

где степень повышения газов в процессе их сгорания [1]

(19)

После подстановки вышеуказанных величин в исходное уравнение сгорания последнее примет вид

ч0,003

1.8 Температура и давление газов в конце процесса сгорания

Температуру газов определяют в результате решения полученного уравнения сгорания:

[1] (20)

^оС Давление равно:

Величина находится в пределах 5…12 МПа для дизелей.

1.9 Давление и температура газов в конце процесса расширения

Давление в конце расширения

[1] (21)

где показатель политропы расширения, определяемый по номограмме¦2¦(рис. 4,9, стр. 83 по Колчину)

степень последующего расширения газов в дизелях,

(22)

степень предварительного расширения газов[1], принимаем =1,7

Температура газов в конце расширения равна:

[1] (23)

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов:

[1] (24)

Погрешность расчета:

2. Общие показатели рабочего цикла

2.1 Индикаторные показатели

Среднее индикаторное давление теоретического цикла равно:

[1] (25)

Среднее индикаторное давление p_i действительного рабочего цикла определяют с учетом скругления индикаторной диаграммы коэффициентом =0,92…0,97. [2]

[1] (26)

Индикаторный КПД двигателя вычисляют по формуле

[1] (27)

2.2 Показатели механических потерь

Среднее давление механических потерь р_м в двигателе определяют по формул

[1] (28)

где средняя скорость поршня

[2] (29)

— эмпирические коэффициенты для дизелей

= 0,105 МПа, = 0,013 МПа с/м. [1]

Механический КПД двигателя равен:

[1] (30)

2.3 Эффективные показатели работы двигателя

Среднее эффективное давление

[1] (31)

Эффективный КПД

[1] (32)

Эффективный удельный расход топлива

[1] (33)

3. Основные размеры двигателя

Рабочий объём одного цилиндра проектируемого двигателя:

[1] (34)

где тактность двигателя, число цилиндров двигателя Диаметр цилиндра двигателя:

[1] (35)

где (S/d)=0,8…1,4,принимаем 1,1 тогда S=1,1*d=143, округляем до 142 (мм) Площадь поршня:

[1] (37)

Уточненный литраж двигателя:

(38)

Эффективная мощность двигателя

[1] (39)

Эффективный крутящий момент двигателя

[1] (40)

Часовой расход топлива

[1] (41)

Радиус кривошипа и длина шатуна двигателя:

[1] (42)

(43)

где согласно заданию;

Объем камеры сгорания и полный рабочий объем двигателя:

[1] (44)

[1] (45)

Средняя скорость поршня:

[1] (46)

4. Тепловой баланс двигателя

Тепловой баланс показывает распределение тепла вводимого в двигатель с топливом, в общем виде его можно представить выражением:

[1] (47)

Общее количество теплоты, введенное в двигатель с топливом:

[1] (48)

Количество теплоты, превращенное в эффективную работу:

[1] (49)

Количество теплоты, унесенное с отработавшими газами:

[1] (50)

Количество теплоты, отведенное в охлаждающую среду:

[1] (51)

где коэффициент пропорциональности, принимаем [1]

показатель степени, принимаем [1]

Неучтенные тепловые потери:

[1] (52)

Тепловой баланс двигателя представляют в виде круговой диаграммы,

разделенной секторами, в соответствии с распределением тепла в процентном отношении по различным каналам:

[1] (53)

5. 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.

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.

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

В соответствии с выбранными масштабами определяем отрезки

мм;

мм;

мм Таблица 1 — данные для построения индикаторной диаграммы

Определение промежуточных значений давлений газов в процессе сжатия и расширения производим по следующим зависимостям

[1] (54)

[1] (55)

[1] (56)

[1] (57)

После заполнения таблицы 1, на основании полученных данных строится индикаторная диаграмма, которая путем дальнейшего скругления приобретает более действительный вид.

6. Динамический расчет двигателя

6.1 Расчет действующих сил в кривошипно-шатунном механизме

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:

[1] (58)

где с^-1

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:

кг (59)

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:

[1] (60)

Суммарная сила, действующая на поршень, определяется как алгебраическая сумма составляющих сил, соответствующим углам поворота коленвала:

[1] (61)

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:

[1] (62)

[1] (63)

Значения и берутся для определенных из приложений 5 и 6. Здесь же следует определить и центробежную силу инерции неуравновешенных вращающихся частей, действующих на шатунную шейку коленвала. [1]

Н (64)

где кг

Для облегчения последующих построений графиков и диаграмм все расчеты различных сил и давлений сводим в общую таблицу по следующей прилагаемой схеме:

6.2 Построение развернутой диаграммы сил давления газов, сил инерции и суммарных сил, действующих на поршень

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.

6.3 Построение полярной диаграммы сил, действующих на шатунную шейку

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.

[1] (65)

6.4 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 R_min и R_mаx, а также определяют R_ср, равное среднему значению равнодействующих всего графика.

6.5 Построение диаграммы тангенциальных сил

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, 6-цилиндрового за период поворота коленвала на 120° произойдут в различных цилиндрах все 4 такта и закономерность изменения суммарной силы через каждые треть-оборота коленвала будет повторяться. Для этого типа двигателей подсчитывают на участке, соответствующем 120° поворота коленвала.

Определение значений на указанных участках производят с учетом знака силы в построенной для этой цели таблице.

Таблица 3 — тангенциальные силы

Построение суммарной диаграммы тангенциальных сил производится на одном из участков. Затем для определения средней величины суммарных тангенциальных сил Т_ср значения колонки таблицы 3 алгебраически складываются, и полученная сумма делится на число слагаемых. Точнее величину Т_ср можно определить путем планиметрирования площади между кривой и линией абцисс. Найденная величина Т_ср откладывается на участке изменения .

6.6 Проверка данных задания по расчетным показателям

Проверку получения эффективной мощности двигателя производим по формулам:

Н?м (66)

кВт (67)

Значение радиуса кривошипа r подставляется в метрах.

Полученное значение N_e, не должно отклоняться от данных задания более чем на 5%.

Список использованной литературы

1. Методическое указание по выполнению курсового проекта по Теории двигателей. МичГАУ 2003 г.

2. Колчин А. И., Демидов В. П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая шк., 2002. — 496 с.: ил.

3. Лев Е. М., Клецков Е. И., Наговицын В. А. и др. Дизельные двигатели А-01, А-01М, А-41(Устройство, эксплуатация, ремонт) «Колос», 1972 г.