Динамический расчет двигателя

                        0,725∙14,45∙1,5 / 42,5∙1,189∙0,793=0,4

                                   g_i=3600 / 42,5∙0,4=211,8.

1.7. Эффективные показатели рабочего цикла

Среднее эффективное давление, МПа,

                                      Р_е = Р_i – P_м ,                                                (1.24)

где Р_м – среднее давление механических потерь, которое подсчитывают с учетом средней скорости поршня v_n , м/с:

Р_м=0,105+0,012∙v_n – для дизелей.

Для современных  двигателей величину v_n принимают в пределах:

v_n=6,5–12 – для дизелей.

                          Р_е = 0,725 – (0,105+0,012∙9) = 0,512;

Механический  КПД

                         η_м = Р_е / Р_i = N_e / N_i =0,512/0,725=0,7;                       (1.25)

Эффективный КПД

                        η_е = η_i ∙ η_м=0,4 ∙ 0,7=0,28;                                         (1.26)

Эффективный удельный расход топлива, г/кВт∙ч,

                        g_e=3600 / H_u ∙ η_e = 3600/42,5∙0,28=302,5;                (1.27)

1.8. Основные размеры  двигателя

Литраж  двигателя, л, дм³,

                         V_л = 30 ∙ τ ∙ N_е / Р_е ∙ n=                                             (1.28)

                              =30∙4∙150/0,5∙3000=12.

Здесь τ=4 –  тактность современных транспортных двигателей.

Рабочий объем одного цилиндра, дм³,

                         V_h = V_л / i =12 / 8 = 1,5                                            (1.29)

где i – число цилиндров.

Диаметр цилиндра и ход поршня, мм:

D = 100 ∙ = 100 ∙ = 120 ,                                                (1.30)

S = D ∙ = 120 ∙ 1,1 = 132 ;                                                                    (1.31)

где - отношение хода поршня к диаметру цилиндра, которое по опытным данным имеет следующие значения:

      = 1–1,2 – для дизелей.

Полученные  значения D и S округляют до целого числа и по полученным величинам подсчитывают показатели двигателя:

литраж, дм³,

         V_i = π ∙ D² ∙ S ∙ i / 4∙10⁶ = 3,14∙120²∙132∙8 / 4000000 = 12 ;          (1.32)

эффективная мощность, кВт,

        N_e = P_e ∙ V_л ∙ n / 30 ∙ τ = 0,512∙12∙3000/30∙4=153,6 ;                (1.33)

крутящий  момент, Н∙м,

         М_е = 9554 ∙ N_e / n=9554∙153,6/3000=489 ;                              (1.34)          

часовой расход топлива, кг/ч,

          G_T = N_e ∙ g_e / 10³ = 153,6 ∙ 302,5 / 1000 = 46,46 ;                     (1.35)

средняя скорость поршня, м/с,

          v_n = S ∙ n / 30∙10³ = 132∙3000/30∙1000=13,2 ;                          (1.36)

Полученное  значение N_e сравнивают с заданной мощностью. Если расхождение составляет более 5 %, следует принять другие значения скорости поршня.

Используя параметры основных процессов рабочего цикла построить индикаторную диаграмму  на миллиметровой бумаге формата  А4.

1.9. Построение индикаторной  диаграммы

Построение  индикаторной диаграммы двигателя  внутреннего сгорания производится с использованием данных расчета  рабочего процесса.

При построении диаграммы ее масштабы рекомендуется  выбирать с таким расчетом, чтобы  получить высоту, равную 1,2-1,7 ее основания.

В начале построения на оси абсцисс откладывают  отрезок АВ, соответствующий рабочему объему цилиндра, т.е. по величине равной ходу поршня в масштабе M_s, в зависимости от него масштаб может быть принят 1:1, 1,5:1 или 2:1.

Отрезок ОА, мм, соответствующий объему камеры сгорания, определяется из соотношения

                      ОА = АВ / ε-1 = 132/18,5-1=7,5 ;                               (1.37)

Отрезок z’z, мм, для дизелей, работающих по циклу со смешанным подводом теплоты, определяется по уравнению

                        z'z = OA∙(ρ-1)=8∙(1,2-1)=1,6 ;                                    (1.38)

При построении диаграммы рекомендуется выбирать следующий ряд масштабов давлений: М_р=0,02; 0,025; 0,04; 0,05; 0,07-0,10 МН/м² на 1 мм чертежа.

Затем по данным теплового расчета на диаграмме  откладывают в выбранном масштабе величины давлений в характерных  точках: a, c, z’,z, b, r.

Построение  политроп сжатия и расширения можно  производить графическим или  аналитическим методами.

По наиболее распространенному графическому методу Брауэра политропы сжатия и расширения строят следующим образом.

Из начала координат проводят луч ОС под произвольным углом α к оси абсцисс (для получения достаточного количества точек на политропах рекомендуется α = 15 ^О). Далее из начала координат проводят луч ОD и OE под определенными углами β₁ и β₂ к оси координат. Эти углы определяют из соотношений

                   tg β₁ = (1 + tg α)ⁿ – 1,

                  tg β₂ = (1 + tg α)ⁿ – 1,

где n₁ и n₂ – соответственно показатели политроп.

2. Динамический расчет  двигателя

Динамический  расчет кривошипно-шатунного механизма (КШМ) заключается в определении  суммарных сил и моментов, возникающих  от давления газов и от сил инерции.

Во время  работы двигателя на детали КШМ действуют:

- силы  давления газов в цилиндре;

- силы  инерции возвратно-поступательно  движущихся масс;

- центробежные  силы;

В течение  каждого рабочего цикла силы, действующие в КШМ, непрерывно изменяются по величине и направлению. Поэтому для определения характера изменения этих сил по углу поворота коленчатого вала их величины определяют для различных положений кривошипа через 30⁰. Результаты динамического расчета сводятся в таблицы.

За время  полного рабочего цикла сила от давления газов, силы инерции и эффективный  крутящий момент изменяются по величине и направлению. Центробежная сила от вращающихся масс изменяется только по направлению. В многоцилиндровых двигателях возникают продольные моменты  от сил инерции возвратно-поступательно  и вращательно движущихся масс.

Схема сил и моментов, действующих  в КШМ

Р – суммарная  сила; N – нормальная сила; S – сила, действующая по шатуну; К – сила, направленная по радиусу кривошипа; Т – тангенциальная сила; w – угловая скорость; α – угол поворота кривошипа; β – угол наклона шатуна от оси цилиндра;

Основные  исходные данные для динамического  расчета – ход поршня, диаметр цилиндра и индикаторная диаграмма – получают в тепловом расчете. Дополнительно необходимо выбрать и обосновать длину шатуна, массы поршневой и шатунной групп.

Для определения  длины шатуна пользуются величиной  λ= R/L_{ш ,} равной отношению радиуса кривошипа R (половина хода поршня) к длине шатуна. Для предварительных расчетов принимают λ=0,25-0,30.

Массы поршневой  группы m_n, шатунной группы m_ш и неуравновешенных частей кривошипа m_k (кг) принимают по заданным удельным конструктивным массам, приходящимся на единицы площади поршня F_n.

    F_n=πD²/4=0,011;     m’_n=300;     m’_n=350;    m’_n=400;

m_n=m’_n ∙F_n=300 ∙ 0,011=3,3

                                   m_ш=m’_ш ∙F_n=350 ∙ 0,011=3,85                            (2.1)

m_к=m’_к ∙F_n=400 ∙ 0,011=4,4

2.1. Силы давления газов 

Силы  давления газов, действующих на поршень, условно заменяет одной силой, приложенной  к оси поршневого пальца и направленной по оси цилиндра. Определяется эта  сила для каждого значения угла поворота для кривошипа α по индикаторной диаграмме, рассчитанной для номинального режима работы двигателя. Для этого  полученную при тепловом расчете  диаграмму в координатах P-V перестраивают методом проф. Ф.А. Брикса в развернутую, с координатами Р-α. Для этого, под индикаторной диаграммой строят полуокружность радиусом  R=S/2. Далее от центра полуокружности (точка 0) в сторону нижней мертвой точки откладывается поправка Брикса, равная Rλ/2. Полуокружность из центра 0 делят лучами на шесть частей, а из центра 0’ проводят линии, параллельные этим лучам. Точки, полученные на полуокружности, соответствуют определенным углам положения кривошипа. Из этих точек проводят вертикальные линии до пересечения с контуром индикаторной диаграммы.