Выполнения расчётно-графической

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ

ВЫПОЛНЕНИЯ РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ

РАБОТЫ ПО ОСНОВАМ ТЕОРИИ И РАСЧЁТА

АВТОТРАКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

 

ВВЕДЕНИЕ

         

Расчётно-графическая работа для студентов инженерного факультета является важнейшим связующим междисциплинарным элементом, закладывающим основы динамических и топливно-экономических расчетов двигателей, предваряющих их прочностные расчеты. Студенты осваивают методику проектирования автотракторных двигателей внутреннего сгорания, выполняют их тепловые и динамические расчеты, а так же расчеты их систем. В методическом пособии заложена многовариантность тематики прооектирования, что позволяет каждому студенту работать с индивидуальным заданием. В приложении приводятся технические характеристики современных тракторов и автомобилей и их двигателей. Полученные навыки при выполнении расчётно-графической работы в дальнейшем используются в смежных курсах, а так же в дипломном проектировании при обосновании конструктивной разработки. Особенностью настоящего учебного пособия является то, что вся работа выполняется на персональных компьютерах и студенты получают возможность многовариантного решения поставленных задач с поиском их оптимальных решений, что способствует творческому становлению будущего инженера. Настоящее пособие может быть полезно студентам заочного отделения, так же в дипломном проектировании.

 

 

ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ

При расчете трактора

 

Максимальный эксплуатационный вес трактора (G_э, кН)

 и мощность двигателя (N_e. кВт) определяются по формулам

                                                                                                                (1)

                                         ,

где:  Р_н - номинальный тяговый класс трактора, кН;

V_н1 - скорость движения на 1-й рабочей передаче, м/с;

f и j - коэффициент сопротивления качению и коэффициент сцепления – выбираются в зависимости от почвенного фона (см. приложение Б);    

h_тр - коэффициент полезного действия трансмиссии трактора (принять h_тр = 0,9);

k_эз и k_н - коэффициент эксплуатационной загрузки тракторного двигателя и коэффициент нагрузки ведущих колес трактора (принять k_эз = 0,85; k_н = 0,85 при колесной формуле 4х2 и k_н = 1 при колесной формуле 4х4 или гусеничном движителе).

При расчете легкового автомобиля

 

Грузоподъемность (Q_г, кН), собственный и полный вес

автомобиля (G_o и G_a, кН), полная масса автомобиля (m_a, кг)

находятся из выражений

Q_г = Q_б+0,75·П,    G_o = Q_г/Г,   G_a = G_o+Q_г,,    m_a = G·1000/q,                (4)

где: дополнительно Q_б - вес багажа, кН.

Расчетная мощность двигателя определяется по формуле 3.

 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ

 

Исходные данные для теплового расчёта двигателя

 

 

     По данным из задания, по литературным источникам и приложению А формируется блок исходных данных для теплового расчета двигателя [3, 4, 8].

 

Таблица 1 - Исходные данные для теплового расчета двигателя

e	ро, кПа	То, оК	DТ, оК	Тr, оК	l
x	a	i	C, кг	Н2, кг	О2, кг
Qн, кДж/кг	Qнсо, кДж/кг	Ne, кВт	n, мин-1

 

 

     Обозначения, принятые в таблице 1:

e - степень сжатия; a - коэффици­ент избытка воздуха; l - степень повышения давления; x - коэффициент использования теплоты; Q_н и Q_нсо – низшая теплотворная способность топлива и окиси углерода (см.приложение А);

N_e - расчетная мощность двигателя; n – частота вращения двигателя по прототипу; i - число цилиндров двигателя; р_о и Т_о - атмосферное давление (см.приложение А) и температура окружающей среды; D Т – температура подогрева свежего заряда (для дизелей см.приложение А); Т_r – температура остаточных газов; С, Н₂ и О₂ – элементарный состав одного кг жидкого топлива (углерода, водорода и кислорода).

 

 3.2 Процесс впуска

 

Давление (p_a, кПа) и Температура (Т_а, ^оК) в конце впуска:

 

(для двигателя без наддува)

 

                 

 

 

где: р_о и Т_о - давление, кПа, и температура, ^оК окружающей среды - при работе двигателя без наддува;

р_r - давление в конце выпуска, кПа;    

р_r=100+55*10^-4* n (карбюраторного двигателя),

р_r= (1,05…1,25)*р_о (для дизеля без наддува);

h_v - коэффициент наполнения (см.приложение А);

 

(для дизеля с наддувом)

 

 

 

 

                                                                    

                                                                                                                (8)

 

где: р_к и Т_к - давление, кПа, и температура, ^оК воздуха на выходе из компрессора при работе двигателя с наддувом; p_к= p_o*(1,5….2,5),                                                                                 

                                                                                                           (9)

        

 р_r - давление в конце выпуска, кПа;

            p_r= p_к*(0,75….1)

                  

Процесс сжатия

 

 

Давление (p_c, кПа) и температура (Т_с, ^оК) в конце  

      ,                                                            (10)

 

где     n₁ - показатель политропы сжатия,

                n₁=k₁...(k₁- 0,04) – для карбюраторного,

                n₁=(k₁ + 0,02)...(k₁- 0,02) – для дизеля;

       где: k₁– показатель адиабаты сжатия, при соответствующих e и Т_а, опредедляется по номограмме (приложение А рисунок 13).

 

 

3.4 Процесс сгорания         

 

Свежий заряд

                                                      (11)

 

где     L_o^' и L_o - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг жидкого топлива, кг и кмоль, соответственно;

L - действительное количество воздуха, кмоль;

Остаточные газы (М_r, кмоль)

     M_r= a*g *L₀,          

                                                                                                                           (12)

 

где    g - коэффициент остаточных газов.

Продукты сгорания (М, кмоль)

	При a>1
					(13)

	При a<1

Количество газов в конце сжатия (M_c, кмоль) и в

 конце сгорания (M_z, кмоль)

                                              , M_z= M+ M_r  ,                                              (15)

  где: m - расчетный коэффициент молекулярного изменения.

         

 

Уравнение сгорания

 

     

 

где: с_v=20,1+1,75×10^-3×Т_с – средняя удельная молекулярная теплоемкость воздуха при постоянном объеме, кДж/(кмоль×К);

с^’_v=(18,4+2,59×a)+(15,45+13,87×a)×10^-4×Т_z - средняя удельная молекулярная теплоемкость продуктов сгорания жидкого топлива при постоянном объеме, кДж/(кмоль×К);

x - коэффициент использования теплоты;

T_z - температура в конце сгорания, ^оК;

К = Q_н - Q_нсо×0,404× L_o^'×(1-a), кДж/кг при a<1;

К = Q_н, кДж/кг при a>1;

Q_н и Q_нсо – низшая удельная теплота сгорания топлива и окиси углерода, кДж/кг.

     При постоянном давлении средние удельные молекулярные теплоемкости воздуха и продуктов сгорания (с_р и с^’_p, кДж/(кмоль×К)), соответственно, равны с_р = с_v+ 8.314, и с^’_p = c^’_v+8.314.

После подстановки известных величин уравнение (13) преобразуется в квадратное                                                                                                       (17)

где     А = 18,4 + 2,59a;                                                                             (18)

     B = (15,45 + 13,87a)·10^-4;                                                              (19)

                S - левая часть уравнения  сгорания (13).

                                                                                       

                                                                                                                (19)

 

Из последнего уравнения (14) определяется температура Т_z.

Давление в конце сгорания (P_z, кПа) и степень повышения давления (l) находятся из выражений (для карбюраторного двигателя)

                                                                                                                       (20)

 

Уравнение сгорания

                                                                                                                         (21)

         

где:                                                                                                              (22)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      

 

 

Определение значения с _v см. выше.

 

 

После подстановки известных величин уравнение сгорания преобразуется в квадратное:

                                                                                                                          (23)

          

где  А = 8,314 + 20 + 0,92/a;                                                                     (24)

  B = (13,8/a + 15,45)·10^-4;                                                                  (25)

  S - левая часть уравнения (16).

                                                                                                                   (26)

 

Решив уравнение (16), найдем температуру Т_z.

Давление в конце сгорания (p_z, кПа) и степень предварительного

 расширения (r)(для дизельного двигателя)

находятся по следующим зависимостям

                           р_z=р_c*l                                                                                  (27)

 

Процесс расширения

Давление (р_в, кПа) и температура (Т_в, ^оК) в конце расширения

  (для карбюраторного и дизельного ДВС, соответственно)

(28)

 

                                        для карбюраторногобвигателя

(29)

     р_z=р_c*l                                 для дизельного двигателя

 

где   n₂ - средний показатель политропы расширения;

         n₂=k₂ для карбюраторного по номограмме (приложение А рисунок 14) показателя адиабаты расширения при соответствующих e, Т_z и a  ;

     n₂=k₂ для дизеля по номограмме (приложение А рисунок 15) показателя адиабаты расширения при соответствующих d, Т_z и a  ;

    d = e/r - степень последующего расширения газов.

 

Работы двигателя

Теоретическое среднее индикаторное давление (p_i, кПа)для

дизельного и карбюраторного двигателей определяются по формулам

 

Действительное среднее индикаторное давление (p_i, кПа)

 

               p_i = p_i^’·n -Dp,                                                                               (32)

 

где n - коэффициент неполноты индикаторной диаграммы (см. приложение А);

     Dр = р_r - р_a , кПа - потери индикаторного давления на всасывание и выталкивание газов.

 

РАСЧЕТ СИСТЕМ ДВИГАТЕЛЯ

Система охлаждения

Количество теплоты, отводимой от двигателя системой охлаждения, кДж/с определяется по формуле

 

                      Q_охл = q·N_e.                                                                            (76)

 

Массовый расход жидкости (кг/с) и площадь поверхности радиатора (м²)

                 ,                (77)

 

Объемный расход воздуха (м³/с), проходящий через радиатор

                                                                                (78)

     

Мощность на привод насоса и вентилятора, кВт

 

     ,                                   (79)

 

где:  в приведенных формулах (см. приложение А)

q - количество отводимой теплоты, кДж/(кВт·с);

К – коэффициент теплоотдачи через стенки радиатора, Вт/(м²×К);

         r_ж и r_возд - плотность жидкости и воздуха, кг/м³;

     р_ж – напор, создаваемый насосом, МПа;

     р_возд – давление, создаваемое вентилятором, Па;

         с_ж и с_возд - удельная теплоемкость жидкости и воздуха, кДж/(кг·К);

         (t_ж.вых - t_ж.вх) = Dt_ж - перепад температур на выходе и входе в радитор, ^оС;

     Dt_воз - температура, на которую нагревается воздуха в радиаторе, ^оС;

h_h, h_м, h_н и h_в - гидравлический и механический к.п.д. насоса, коэффициент подачи насоса и к.п.д. вентилятора.

Диаметр лопастей вентилятора, м

                                                                                                      (80)

 

где       V^’_возд – скорость воздуха, проходящего через вентилятор, м/с.

 

 

Систкма смазывания

 

Марка

Трактора

Тяговый

класс Р_н, кН

Эксплуатационная масса m_э, кг

Нагрузка

на крюке Р_кр.мах, кН

U_пост

КФ

Или

L, м

стерня пахота

                                             Колесные тракторы

КМЗ-012 2 715    

32

4х2 КМЗ-020 4 1500 7 5

42,75

4х2 ДТ-20 6 1685 7,4 5,5

19,3

4х2 Т-25 (А) 6 1725 8,5 6,6

38

4х2 Т-16М 6 1595 10,4 7,86

23,6

4х2 Т-40 9 2750 14,95 13,34

21,41

4х2 Т-40А 9 2900 17 15

21,41

4х4 МТЗ-50 14 3150 15,6 14

18,16

4х2 МТЗ-52 14 3400 18,7 16,4

18,16

4х4 МТЗ-80 14 3300 15,6 14

18,16

4х2 МТЗ-82 14 3780 18,7 16,4

18,16

4х4 ЮМЗ-6М 14 3590 16,6 15

21

4х2 МТЗ-100 20 5000 24,5 20

18,16

4х2 Т-150К 30 8000 47,2 40,3

20,38

4х4 К-700 50 12000 72,87 62,4

17,52

4х4 К-701 50 13690 90 82

17,52

4х4

                                           Гусеничные тракторы                                      

Т-38М 20 4200 33,8 27,46

22,96

1,13 Т-54В 20 3820 36,88 27,46

12,07

1,21 Т-74 30 6275 46,9 40

15,88

1,62 ДТ-75М 30 6460 53,54 45,7

24,84

1,61 ДТ-75Б 30 7700 59 50,5

24,84

1,61 ДТ-75С 30 7980 64 54

17,5

1,78        Т-150 30 7660 58,84 50,4

20,38

1,80 Т-4 40 8410 70,9 57,86

22,48

2,40 Т-4А 40 9000 74 60

22,48

2,40 Т-100М 60 11700 98,9 81,8

30,3

2,37 Т-130 60 12540 106 86,7

30,3

2,86 Т-180 90 16100 145 -

31,6

2,31 ДЭТ-250 150 26770 260 -

25,4

3,2                

Примечание: U_пост - постоянное передаточное число трансмиссии трактора (передаточное число заднего моста); КФ - колесная формула; L - длина опорной поверхности гусениц.

 

Таблица 8 - Параметры автомобилей(выписка из технических

характеристик)

Марка  автомобиля	Полная  масса ma, кг	km, %	КФ	kF, Н×с2/м2	Ф, об/ 100 м	Uпост	Qs, л/100 км
Легковые автомобили
ЗАЗ-968	1110	60	4х2	0,549	247	4,125	5,9
ЗАЗ-1102	1060	53	4х2	0,55	197,58	3,588	4,6/6,6 *
ВАЗ-2101	1355	52,6	4х2	0,559	257,5	4,3	8
ВАЗ-2103	1430	52,4	4х2	0,579	225,1	4,3	8
ВАЗ-21093	1340	52,9	4х2	0,48	221,3	4,13	5,9/8 *
Москвич-412	1385	53,6	4х2	0,579	228,1	4,22	8,8
Москвич-2141	1470	56	4х2	0,48	195,4	3,9	6,2/8,4 *
ИЖ-2125	1440	54,7	4х2	0,579	228,1	4,22	9
ГАЗ-24-10	1815	52,6	4х2	0,65	181,65	3,9	8
ГАЗ-24	1825	52,3	4х2	0,677	194	4,1	8
УАЗ-469Б	2065	58,1	4х2	1,141	219,5	5,125	12
УАЗ-469Б	2290	58,1	4х4	1,141	219,5	5,125	14
ГАЗ-69	2175	57	4х4	1,141	225,4	5,125	14
ГАЗ-13	2625	52	4х2	0,824	146,4	3,38	14
ЗИЛ-111Г	3130	50,3	4х2	0,834	147,3	3,54	19
ЗИЛ-114	3610	52,7	4х2	0,785	147,3	3,54	19
Грузовые автомобили
УАЗ-451ДМ	2450	57,9	4х2	0,857	219,5	5,125	12
УАЗ-452Д	2620	0,55	4х4	0,857	219,5	5,125	13
ГАЗ-52	5465	72,2	4х2	2,158	250,5	6,67	21
ГАЗ-66	5800	53	4х4	3,015	223	6,83	24
ГАЗ-53А	7400	75,5	4х2	2,462	251,7	6,83	24
ЗИЛ-130	9525	73	4х2	2,904	211,9	6,32	28
ЗИЛ-131	10185	69	6х6	2,904	234,7	7,339	40
МАЗ-500	14225	70,3	4х2	3,534	239,9	7,43	32
УРАЛ-377	15000	73,3	6х4	4,368	254,8	8,9	48
КамАЗ-5320	15025	72,5	6х4	3,629	199,1	9,94	35
КрАЗ-257	23355	80	6х4	4,509	254,8	8,21	36
БелАЗ-540	48000	67,5	4х2	4,96	345,1	16,15	100

 

     Примечание: k_m - доля полной массы, приходящейся на ведущие колеса заднего моста; КФ - колесная формула; kF - фактор обтекаемости; Ф - фактор оборотности; U_пост - постоянное передаточное число трансмиссии; Q_s - контрольный расход топлива (* - при скорости движения 90/120 км/ч).

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ

 

 

Карбюраторного двигателя

 

(для карбюраторного двигателя - 0,4·n_н £ n_i £ n_н)

 

Зависимость эффективной мощности (кВт) от текущих оборотов

                                                                                                                          (83)

 

где N_ен – эффективная (номинальная) мощность двигателя, кВт;

n_i и n_н - текущая и номинальная частоты вращения двигателя, мин^-1.

Отношением n_i/n_н следует задаться от 0,4 до 1 с шагом 0,05.

Зависимость эффективного удельного расхода топлива (г/кВт·ч)

От текущих оборотов

                                                                                                                         (84)

 

 

где g_ен - номинальный (расчетный) эффективный удельный расход топлива, г/кВт·ч (см. таблицу 16).

Зависимость часового расхода топлива (кг/ч) от текущих оборотов

                                G_тi = g_ei·N_ei·10^-3.                                                          (85)

Зависимость крутящего момента двигателя (Н·м) от текущих оборотов

                                 M_i = 30000·N_ei/(p·n_i).                                                 (86)

     Расчет параметров скоростной характеристики дизельного двигателя приведен в разделе 6. Пример скоростной внешней характеристики карбюраторного двигателя показан на рисунке 11.

 

Рисунок 11  – Внешняя скоростная характеристика

карбюраторного двигателя

 

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Процесс сжатия

Таблица А.2 - Пределы изменения параметров процесса сжатия

Тип двигателей	Показатели процесса сжатия
	n1	Рс, кПа	Тс, оК
Карбюраторные	1,34...1,37	900...2000	600...750
Дизели с разделенными камерами	1,34...1,38	2000...4500	700...900
Дизели с неразделенными камерами	1,34...1,38	4000...6000	850...1050

 

Условно принимается, что процесс сжатия в действительном цикле происходит по политропе с переменным показателем n ₁. Учитывая, что процесс сжатия протекает достаточно быстро (0,015 — 0,005 с на номинальном режиме), суммарный теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра за процесс сжатия получается незначительным и величину n ₁ можно оценить по среднему показателю адиабаты k ₁. По номограмме, изображенной на рисунке 13 для соответствующих значений e и Т_а определяется величина k ₁.

Значения показателей политропы сжатия n ₁ в зависимости от k ₁ устанавливаются в следующих пределах:

для карбюратооных двигателей……… n ₁ = (k ₁ -0,00)…(k ₁ -0,04)

для дизелей …………………………….. n ₁ =(k ₁ +0,02)…(k ₁ -0,02)

 

Рисунок 13 - Номограмма для определения показателя адиабаты

                  сжатия k ₁

Процесс сгорания       

Таблица А.3 - Элементарный состав жидких топлив

Топливо	Состав топлива, %				Qн МДж/кг	Мо
	С	Н2	О2	прочие
Керосин	84,9	14,41	0,7	-	43,3	184
Лигроин	85,1	14,3	0,6	-	43,3	-
Бензин	85,4	14,2	0,3	0,1	43,3	100
Бензол	91,7	7,8	-	0,5	39,3	78
Спирт безводный	51,85	12,72	35,43	-	26,85	74
Дизельное топливо	85,7	13,3	1,0	-	43,5	186
Окись углерода СО	42,86	-	57,14	-	10,2	28

 

Здесь Q_н и М_о - низшая удельная теплота сгорания и относительная молекулярная масса топлива.

Таблица А.4 - Пределы изменения коэффициентов в процессе сгорания

Тип двигателя	a	g	m
Карбюраторный двигатель	0.85...0.9	0,06...0,12	1,04...1,1
Однокамерный дизель	1,4...1,65	0,03...0,06	1,03...1,04
Дизель с разделенной камерой	1,25...1,35
Дизель с турбонаддувом	1,8...2,2

Таблица А.5 - Параметры процесса сгорания в автотракторных

Двигателях

Тип двигателя	x	l	r	Tz, оК	Pz, кПа
Карбюраторный двигатель	0,85...0,95	3...4	-	2300...2900	3500...7500
Дизель с неразделенной камерой сжатия	0,70...0,90	1,6...2,5	1,2...1,7	1800...2300	5000...12000
Дизель с разделенной камерой сжатия	0,65...0,80	1,2...1,8	1,2...1,7	1800...2300	5000...12000

Процесс расширения

Величина среднего показателя политропы расширения n ₂ устанавливается по опытным данным в зависимости от ряда факторов. Значение n ₂ возрастает с увеличением коэффициента использования теплоты, отношения хода поршня S к диаметру D цилиндра и интенсивности охлаждения.

Учитывая, что по опытным данным величина среднего показателя политропы расширения n₂ незначительно отличается от показателя адиабаты k₂ и, как правило, в меньшую сторону, при предварительных расчетах новых двигателей величину n₂ можно оценить по величине k₂ для соответствующих значений e, Т_z и a  карбюраторный двигатель рисунок 14 и для соответствующих d, Т_z и a по рисунку 15 для дизельного.

Рисунок 14 - Номограмма определения показателя адиабаты

                 расширения k ₂ для карбюраторного двигателя

 

Рисунок 15 - Номограмма определения показателя адиабаты

                 расширения k ₂ для дизелей

 

 

Таблица А.6 - Пределы изменения параметров процесса расширения

Тип двигателя	Показатели процесса расширения
	n2	Рв, кПа	Тв, оК
Карбюраторный	1,25...1,33	350...600	1200...1700
Дизельный	1,18...1,28	200...500	1000...1400

 

 

РАБОТЫ ДИГАТЕЛЕЙ

 

Таблица А.7 - Пределы изменения индикаторных показателей

Тип двигателя	n	Pi, кПа	h i	gi, г/(кВт·ч)
Карбюраторный	0,94...0,97	700...1400	0,25...0,35	235...320
Дизельный без наддува	0,92...0,95	700...1100	0,38...0,5	170...230
Дизельный с наддувом	0,92...0,95	до 2200	0,38...0,5	170...230

 

 

Таблица А.8 - Пределы изменения эффективных показателей

Тип двигателя	hм	Pе, кПа	hе	gе, г/кВт·ч
Карбюраторный	0,7...0,9	600...1100	0,22...0,27	250...340
Дизельный без наддува	0,7...0,82	550...850	0,28...0,42	210...280
Дизельный с наддувом	0,8...0,9	до 2000	0,28...0,42	210...280

ОСНОВНЫЕ РАЗМЕРЫ ДВИГАТЕЛЯ

 

ω = p·n_н/30, где n_н - номинальная частота вращения двигателя, мин^-1;

y = S/D, где S и D по прототипу двигателя;

l₁ = R/L_ш = 0,24...031 - у быстроходных двигателей принимать большие значения.

Полученные расчетные значения D и S округлить с точностью до 1 мм. Принятые значения D и S сравнить с данными прототипа.

 

 

CИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ

 

 

Таблица А.13 - Пределы изменения параметров системы охлаждения

 

Для карбюраторных двигателей	q = 0,8…1,3, кДж/(кВт·с)
Для дизельных двигателей	q = 1,1…1,15, кДж/(кВт·с)

 

Для легковых автомобилей	К = 140…180, Вт/м2·К
Для грузовых автомобилей	К = 80…100, Вт/м2·К
Для тракторов	К = 35…55, Вт/м2·К

 

rж, кг/м3	rвоз, кг/м3	свод, кДж/(кг·К)	сэ.глик, кДж/(кг·К)
1000	1,07	4,187	3,84

Dtж, °С	tж.ср, °С	tвоз.ср, °С	Dtвоз, °С
5…10	85…92	50…55	20…30

 

Продолжение таблицы А.13

hh	hм	hн	hвк	hвл
0,6…0,7	0,7…0,9	0,8…0,9	0,3…0,4	0,6…0,7

Своз, кДж/(кг×К)	Рж, МПа	Рвоз, Па	V’воз, м/c
1,005	0,06…0,1	600…1000	13…30

CИСТЕМА СМАЗЫВАНИЯ