Общее количество теплоты, введенной в двигатель за 1 с

, Дж/с, (1.96)

где Hu – низшая теплота сгорания, кДж/кг;

G_T – часовой расход топлива, кг/ч.

Необходимо принять общее количество теплоты за 100%.

 

Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1 с

, Дж/с. (1.97)

 

Теплота, передаваемая охлаждающей среде за 1 с

, Дж/с (1.98)

 

где с = 0,45…0,53 – коэффициент пропорциональности;

m = 0,6…0,7 – показатель степени;

i – число цилиндров;

D – диаметр цилиндра, мм;

n – скорость вращения коленчатого вала, мин^-1.

Теплота, унесенная с отработавшими газами за 1 с

, Дж/с, (1.99)

 

где М₁ и М₂ – количество продуктов сгорания и свежей смеси соответственно (см. п. 1.1.5 и 1.1.7);

, кДж/кг∙град – средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении (табл.2, 3 прил. 2);

, кДж/кг∙град – средняя мольная теплоемкость свежей смеси при постоянном давлении (табл.1 прил. 2).

 

Теплота, потерянная вследствие химической неполноты сгорания топлива за 1 с

, Дж/с (1.100)

где - количество потерянного тепла, кДж/кг (см. п. 1.4.3).

 

Величины необходимо выразить в процентах от значения .

 

Неучтенные потери тепла

, Дж/с. (%) (1.101)

Величина неучтенных потерь тепла не должна превышать 5% от общего количества тепла Q₀. В противном случае тепловой баланс необходимо пересчитать, изменив значения коэффициентов с и m, принятых в пункте 1.10.3.

 

 

КИНЕМАТИКА

 

Кинематические исследования кривошипно-шатунного механизма необходимы для дальнейшего выяснения сил, действующих на детали и элементы деталей двигателя, основные параметры которых можно определить расчетом. Детальные исследования кинематики кривошипно-шатунного механизма двигателя из-за переменного режима работы двигателя очень сложны. При определении нагрузок на детали двигателя пользуются упрощенными формулами, полученными для условия равномерного вращения кривошипа, которые дают при расчете достаточную точность и существенно облегчают расчет.

Принципиальные схемы кривошипно-шатунного механизма двигателей автотракторного типа показаны:

на рис. 3, а – центральный кривошипно-шатунный механизм, у которого ось цилиндра пересекает ось коленчатого вала (кривошипа);

на рис. 3, б – дезаксиальный, у которого ось цилиндра не пересекает ось коленчатого вала.

Ось цилиндра смещена относительно оси коленчатого вала на величину α. Такое смещение одной из осей относительно другой позволяет несколько изменить давление на стенку цилиндра и уменьшить скорость поршня у в.м.т. (верхней мертвой точки), что благоприятно сказывается на процессе сгорания и уменьшает износ деталей, а также снижает шум при переносе нагрузки от одной стенки цилиндра на другую при изменении направления движения поршня.

Рис. 3. Схемы кривошипно-шатунных механизмов:

а – центрального; б – смещенного (дезаксиального)

На рис. 3 приведены основные обозначения механизмов:

S_x – текущее перемещение поршня (точка А – ось поршневого пальца);

- угол поворота кривошипа ОВ, отсчитываемой от оси цилиндра (АˈО) в направлении вращения коленчатого вала по часовой стрелке (точка О обозначает ось коленчатого вала; точка В – ось шатунной шейки; точка Аˈ - в.м.т.);

- угол отклонения шатуна (АВ) от оси цилиндра;

- угловая скорость вращения коленчатого вала;

- радиус кривошипа;

- ход поршня (точка обозначает н.м.т. (нижнюю мертвую точку));

- длина шатуна;

- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

- расстояние от оси коленчатого вала до в.м.т.

 

В смещенном кривошипно-шатунном механизме (рис. 3, б) в отличие от принятых обозначений для центрального механизма угол поворота кривошипа отсчитывается от прямой СО, параллельной оси и проходящей через ось коленчатого вала, а .

Дезаксиальный механизм характеризуется величиной относительного смещения ,

где - величина смещения оси цилиндра относительно оси коленчатого вала.

Величины инерционных усилий, действующих в двигателе, зависят от указанных выше размеров и их соотношений.

Установлено, что с уменьшением (за счет увеличения ) происходит снижение инерционных и нормальных сил, но при этом увеличивается высота и масса двигателя. В связи с этим в автомобильных и тракторных двигателях принимают . Конкретные значения для некоторых автомобильных и тракторных двигателей приведены в табл. 2.1.

 

Таблица 2.1

Марка двигателя		Марка двигателя
МеМЗ-968	0,28	ЗМЗ-13	0,262
ВАЗ-2101	0,242	ЗМЗ-53	0,257
ВАЗ-2103	0,278	ЗИЛ-130	0,257
ВАЗ-2106	0,295	КамАЗ-740	0,263
АЗЛК-412	0,261	ЯМЗ-236	0,264
ЗМЗ-24	0,287	А-01м	0,264

 

Расчет кинематики кривошипно-шатунного механизма сводится к определению пути, скорости и ускорения поршня. При этом принимается, что коленчатый вал вращается с постоянной угловой скоростью (если частота вращения коленчатого вала n об/мин, то , 1/с). Это допущение позволяет рассматривать все кинематические величины в виде функциональной зависимости от угла поворота коленчатого вала , который при пропорционален времени.

 

Перемещение поршня

Перемещение поршня в зависимости от угла поворота кривошипа для двигателя с центральным кривошипно-шатунным механизмом:

 

, м. (2.1)

 

Из уравнения (2.1) следует, что при м, а при , м. Значение множителя, заключенного в квадратные скобки, в зависимости от и представлены в табл. 2.2.

Пользуясь выражением (2.1) и данными табл. 2.2, аналитическим путем определяют значение перемещения поршня от в.м.т. до н.м.т. для ряда промежуточных значений (дальнейший динамический расчет требует точности кинематического расчета не более чем через каждые 30^о) и строят кривую (рис. 4).

Перемещение поршня в смещенном кривошипно-шатунном механизме имеет вид

 

, м. (2.2)

 

Рис. 4. Построение кривых перемещения поршня аналитическим методом

 

 

Таблица 2.2

	Значения при
0,24	0,25	0,26	0,27	0,28	0,29	0,30	0,31
	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000
	0,1640	0,1653	0,1665	0,1678	0,1690	0,1703	0,1715	0,1728
	0,5900	0,5938	0,5975	0,6013	0,6050	0,6088	0,6125	0,6163
	1,1200	1,1250	1,1300	1,1355	1,1400	1,1450	1,1500	1,1550
	1,5900	1,5938	1,5975	1,6013	1,6050	1,6088	1,6125	1,6163
	1,8960	1,8973	1,8985	1,8998	1,9010	1,9023	1,9035	1,9048
	2,0000	2,0000	2,0000	2,0000	2,0000	2,0000	2,0000	2,0000

 

Скорость поршня

При перемещении поршня скорость его движения является величиной переменной и при постоянной частоте вращения коленчатого вала зависит только от изменения угла поворота кривошипа и отношения :

 

, м/с. (2.3)

 

Значения множителя в уравнении (2.3), заключенного в скобки, в зависимости от и приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3

	знак	Значения при	знак
0,24	0,25	0,26	0,27	0,28	0,29	0,30	0,31
	+	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	-
	+	0,604	0,608	0,613	0,617	0,621	0,626	0,630	0,634	-
	+	0,970	0,974	0,979	0,983	0,987	0,992	0,996	1,000	-
	+	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000	-
	+	0,762	0,758	0,753	0,749	0,745	0,740	0,736	0,732	-
	+	0,396	0,392	0,387	0,383	0,379	0,374	0,370	0,366	-
	+	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	-

 

Из уравнения (2.3) следует, что скорость поршня в мертвых точках ( и 180) равна нулю.

При , а при , т.е. в этих точках абсолютные значения скорости поршня равны окружной скорости оси шатунной шейки коленчатого вала.

Максимальная скорость поршня зависит (при прочих равных условиях) от величины , учитывающей конечную длину шатуна, и достигается при и .

С увеличением максимальные значения скорости поршня растут и сдвигаются в сторону мертвых точек:

 

, м/с. (2.4)

 

Рис. 5. Построение кривых скорости поршня аналитическим методом

 

На рис. 5 представлена кривая изменения скорости поршня в зависимости от , рассчитанная аналитическим методом по формуле (2.3).

Для сравнения быстроходности двигателей в расчетах часто используют среднюю скорость поршня:

 

, м/с (2.5)

 

где S и R выражены в м, n – в об/мин и - в рад/с.

 

Скорость поршня в смещенном кривошипно-шатунном механизме

 

, м/с. (2.6)

 

Ускорение поршня

Ускорение поршня

 

, м/с². (2.7)

 

Значение множителя в формуле (2.7), заключенного в скобки, в зависимости от и приведены в таблице 2.4.

 

 

Таблица 2.4

		Значение при
0,24	0,25	0,26	0,27	0,28	0,29	0,30	0,31
	+	1,240	1,250	1,260	1,270	1,280	1,290	1,300	1,310	+
	+	0,986	0,991	0,996	1,001	1,006	1,011	1,016	1,021	+
	+	0,380	0,375	0,370	0,365	0,360	0,355	0,350	0,345	+
	-	0,240	0,250	0,260	0,270	0,280	0,290	0,300	0,310	-
	-	0,620	0,625	0,630	0,635	0,640	0,645	0,650	0,655	-
	-	0,746	0,741	0,736	0,731	0,726	0,721	0,716	0,711	-
	-	0,760	0,750	0,740	0,730	0,720	0,710	0,700	0,690	-

 

Максимальное значение ускорения поршня при :

 

, м/с². (2.8)

 

Минимальное значение ускорения поршня (м/с²) при:

 

в точке ; .

(2.9)

в точке ; .

 

Пользуясь уравнением (2.7) и данными таблицы 2.4, аналитическим путем определяем значения ускорения поршня для ряда значений угла в интервале и строят кривую (рис. 6).

Рис. 6. Построение кривых ускорения поршня аналитическим методом

 

Значения S_x, V_n и j в зависимости от , полученные на основании построения графиков, заносят в итоговую таблицу.

Ускорение поршня в смещенном кривошипно-шатунном механизме:

 

, м/с². (2.10)

 

ДИНАМИКА

Целью динамического расчета является определение сил, действующих на кривошипно-шатунный механизм (КШМ) для дальнейшего расчета на прочность деталей двигателя. Результаты расчета выносятся на лист графической части, который должен содержать:

· Индикаторную диаграмму в координатах P – V;

· Развернутую диаграмму по углу поворота коленчатого вала в координатах ;

· Диаграммы: силы инерции P_j, суммарной силы Р, силы К, силы, действующей вдоль оси шатуна S, тангенциальной силы Т, нормальной силы N;

· Полярную диаграмму сил, действующих на шатунную шейку R_шш;

· Диаграмму суммарного крутящего момента ;

· Диаграмму износа шатунной шейки;

· Диаграмму фаз газораспределения.

 

Динамический расчет КШМ

3.1.1. Построение диаграммы силы давления газов P_r в координатах (давление – угол поворота коленчатого вала)

Диаграмма силы давления газов строится на основе индикаторной диаграммы (см. раздел 1. теплового расчета двигателя) и представляет собой график силы давления газов на поршень для различных положений коленчатого вала двигателя. Диаграмму получают путем перестроения индикаторной диаграммы из координат P – V «давление - объем» в координаты «давление – угол поворота коленчатого вала» .

Для этого необходимо:

· Построить под индикаторной диаграммой окружность радиусом , мм с центром в точке 0, где – масштаб перемещения поршня, ;

· Отложить от точки 0 в сторону нижней мертвой точки отрезок - поправку Брикса;

· Из полученного центра 0ˈ разбить полуокружность лучами через каждые 30⁰ (рис. 7);

· Из точек, полученных на полуокружности провести вертикальные линии до пересечения с индикаторной диаграммой: перенести ординаты соответствующих точек на координатную сетку для углов п.к.в. и соединить их плавной кривой;

· Определить максимальное значение силы P_r, находящиеся в диапазоне углов п.к.в.

 

Рис. 7. Перестроение (развертка) индикаторной диаграммы в координатах

 

Рис. 8. Диаграмма удельных сил давления газов карбюраторного двигателя

 

 

Рис. 9. Схема действия сил в КШМ:

а – инерционных и газовых; б – суммарных

 

Рис. 10. Силы, действующие на шатунную шейку