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
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)
.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;
.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;
-
частота вращения коленчатого вала, об/мин.
Температура
газов в конце сжатия:
[1]
(13)
дизели.
.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
.1
Индикаторные показатели
Среднее
индикаторное давление теоретического цикла равно:
[1] (25)
Среднее
индикаторное давление pi 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 Показатели механических потерь
Среднее
давление механических потерь рм 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
повор.
кол. вала[ ]
повор. кол. вала
|
|
|
|
|
|
|
|
|
180
|
2
|
227,2
|
1
|
1
|
0,085
|
540
|
1
|
0,316
|
190
|
1,989
|
226,0285
|
1,00518297
|
1,00700856
|
0,08559573
|
530
|
1,00669626
|
0,31811602
|
200
|
1,955
|
222,4075
|
1,02154828
|
1,02922132
|
0,08748381
|
520
|
1,02790561
|
0,32481817
|
210
|
1,899
|
216,4435
|
1,04969657
|
1,06771948
|
0,09075616
|
510
|
1,06461686
|
0,33641893
|
220
|
1,821
|
208,1365
|
1,09159134
|
1,12569093
|
0,09568373
|
500
|
1,11978737
|
0,35385281
|
230
|
1,721
|
197,4865
|
1,15045839
|
1,20847203
|
0,10272012
|
490
|
1,19835185
|
0,37867918
|
240
|
1,6
|
184,6
|
1,23076923
|
1,32381905
|
0,11252462
|
480
|
1,30742875
|
0,41314748
|
250
|
1,46
|
169,69
|
1,33891213
|
1,48334461
|
0,12608429
|
470
|
1,45759521
|
0,46060009
|
260
|
1,304
|
153,076
|
1,48423006
|
1,70489702
|
0,14491625
|
460
|
1,66497638
|
0,52613254
|
270
|
1,134
|
134,971
|
1,68332457
|
2,02093703
|
0,17177965
|
1,95876669
|
0,61897027
|
280
|
0,956
|
116,014
|
1,95838433
|
2,47944283
|
0,21075264
|
440
|
2,38144317
|
0,75253604
|
290
|
0,776
|
96,844
|
2,34604106
|
3,16463339
|
0,26899384
|
430
|
3,0067912
|
0,95014602
|
300
|
0,6
|
78,1
|
2,90909091
|
4,23190688
|
0,35971209
|
420
|
3,96927022
|
1,25428939
|
310
|
0,435
|
60,5275
|
3,75366569
|
5,97158341
|
0,50758459
|
410
|
5,51597346
|
1,74304761
|
320
|
0,289
|
44,9785
|
5,05130229
|
8,91862571
|
0,75808319
|
400
|
8,0927055
|
2,55729494
|
330
|
0,167
|
31,9855
|
7,10321865
|
14,1356555
|
1,20153072
|
390
|
12,5669139
|
3,97114481
|
340
|
0,076
|
22,294
|
10,1910828
|
23,0200184
|
1,95670156
|
380
|
18,0429713
|
5,70157894
|
350
|
0,019
|
16,2235
|
14,0043764
|
35,3673368
|
3,00622363
|
370
|
18,0429713
|
5,70157894
|
360
|
0
|
14,2
|
16
|
42,3414861
|
3,59902632
|
360
|
18,0429713
|
5,70157894
|
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
.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 l 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:
.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 Rmin и Rmаx, а также определяют Rср, 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
поворота коленвалаЙ цилиндр
Т 0-120оЙЙ цилиндр Т 120-240оЙЙЙ цилиндр Т 240-360оЙV цилиндр Т
360-480оV цилиндр Т 480-600оVЙ цилиндр Т
600-720о
|
|
|
|
|
|
|
|
0
|
0
|
0,359062
|
-0,37968
|
0
|
0,604809
|
-0,38153
|
0,202661
|
10
|
-0,21014
|
0,330218
|
-0,38746
|
1,015519
|
0,516424
|
-0,37801
|
0,886552
|
20
|
-0,38426
|
0,278146
|
-0,35765
|
2,009758
|
0,415553
|
-0,32959
|
1,631962
|
30
|
-0,49128
|
0,214079
|
-0,30547
|
1,898702
|
0,310868
|
-0,24693
|
1,379965
|
40
|
-0,50688
|
0,14391
|
-0,04661
|
1,406676
|
0,196878
|
0,049145
|
1,243118
|
50
|
-0,43565
|
0,072336
|
-0,0643
|
1,05323
|
0,093079
|
0,093855
|
0,812548
|
60
|
-0,29772
|
0
|
0,027681
|
0,851699
|
0
|
0,268233
|
0,84989
|
70
|
-0,12466
|
-0,07241
|
0,056173
|
0,763793
|
-0,08356
|
0,408714
|
0,948044
|
80
|
-0,07915
|
-0,14455
|
-0,01408
|
0,588355
|
-0,15894
|
0,483664
|
0,675298
|
90
|
0,216003
|
-0,2163
|
-0,19539
|
0,766557
|
-0,22563
|
0,472827
|
0,818074
|
100
|
0,301447
|
-0,2836
|
-0,41069
|
0,715199
|
-0,29348
|
0,37572
|
0,404598
|
110
|
0,352454
|
-0,34145
|
-0,42523
|
0,672465
|
-0,34924
|
0,207946
|
0,116944
|
Tср
|
0,830805
|
Построение
суммарной диаграммы тангенциальных сил производится на одном из участков . Затем для определения средней величины суммарных
тангенциальных сил Тср значения колонки таблицы 3 алгебраически складываются, и полученная
сумма делится на число слагаемых. Точнее величину Тср можно
определить путем планиметрирования площади между кривой и линией абцисс. Найденная величина Тср
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 Ne, не должно отклоняться от данных задания более чем на
5%.
Список использованной литературы
1. Методическое указание по выполнению курсового проекта по
Теории двигателей. МичГАУ 2003г.
. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных
двигателей. М.: Высшая шк., 2002. - 496 с.: ил.
. Лев Е. М., Клецков Е. И., Наговицын В. А. и др. Дизельные
двигатели А-01, А-01М, А-41(Устройство, эксплуатация, ремонт) «Колос» , 1972г.