Расчёт двигателя внутреннего сгорания. Расчет внешней скоростной характеристики дизеля. Кинематика кривошипно-шатунного механизма

работе дизеля на номинальном режиме можно с достаточной степенью точности принять показатель политропы сжатия приблизительно равным показателю адиабаты, который определяется по номограмме (рисунок 25)[1]:

при ε = 16,5 и Т= 378 К

k₁ =1,363, а n₁ =1,363.

Давление и температура в конце сжатия

, МПа                                            (1.10)

, МПа 

, К                                              (1.11)

, К

, ºС                                             (1.12)

, ºС

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия, кДж/(кмоль· К):

Воздуха:

                                     (1.13)

, кДж/(кмоль· К)

Остаточных газов:

Определяется по таблице 8 методом интерполяции для дизеля с наддувом при =1,7 и t_c = 773 °С

, кДж/(кмоль· К)

Рабочей смеси:

                                  (1.14)

, кДж/(кмоль· К)

Процесс сгорания

Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси в дизелях:

                                                  (1.15)

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси в дизелях:

                                                (1.16)

Теплота сгорания рабочей смеси в дизелях:

                                          (1.17)

, кДж/кмоль раб. смеси

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания в дизелях:

   (1.18)

                                           (1.19)

Температура в конце видимого процесса сгорания

                (1.20)

где ξ – коэффициент использования теплоты, ξ = 0,86

λ – степень повышения давления, λ = 1,5

 или

,°С

, К

Максимальное давление сгорания для дизелей, МПа.

                                                 (1.21)

, МПа.

Степень предварительного расширения для дизелей:

                                                 (1.22)

Процесс расширения.

Степень последующего расширения

                                                   (1.23)

Средние показатели адиабаты и политропы расширения для дизелей выбираются следующим образом. На номинальном режиме можно принять показатель политропы расширения с учетом достаточно больших размеров цилиндра, несколько меньше показателя адиабаты расширения, который определяется по номограмме (рис. 30)[1] для дизелей:

при δ=11,3; Т_z,= 2216,3 К и α = 1,7

k₂= 1,2788, а n₂ = 1,268.

давление и температура в конце расширения для дизелей:

                                                   (1.24)

, МПа

                                                   (1.25)

, К

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов для дизелей:

                                                       (1.26)

 что допустимо.

Индикаторные параметры рабочего цикла.

Теоретическое среднее индикаторное давление, МПа

                 (1.27)

, МПа

Среднее индикаторное давление для дизелей, МПа

                                                 (1.28)

где φ_и – коэффициент полноты диаграммы, φ_и = 0,95

, МПа.

Индикаторный к.п.д. для дизелей

                                                (1.29)

Индикаторный удельный расход топлива для дизелей, г/(кВт·ч):

                                                  (1.30)

, г/(кВт·ч)

Эффективные показатели двигателя.

Среднее давление механических потерь, МПа:

                                      (1.31)

где v_п.ср – средняя скорость поршня предварительно принимается для тракторных двигателей в пределах 5,5 – 10,5, v_п.ср = 6,9 м/с

, МПа

Среднее эффективное давление и механический к.п.д. для дизелей:

, МПа                                           (1.32)

, МПа

                                                   (1.33)

Эффективный к.п.д. и эффективный удельный расход топлива для дизелей:

                                                    (1.34)

, г/(кВт ч)                                         (1.35)

, г/(кВт·ч)

Основные параметры цилиндра и двигателя.

Литраж двигателя, л:

                                                  (1.36)

, л.

Рабочий объем цилиндра, л:

                                                    (1.37)

, л.

Принимаем S/D = 1

Определяем диаметр цилиндра, мм:

                                               (1.38)

, мм.

Принимаем D = S = 115 мм

По окончательно принятым значениям D и S определяются основные параметры и показатели двигателя:

,л                                               (1.39)

, л

,мм²                                             (1.40)

мм² = 113,81см²

, м/с                                           (1.41)

, м/с что достаточно близко (ошибка <2%) к ранее принятому значению           v_n.ср = 6,9 м/с;

, кВт                                             (1.42)

, кВт

, Н·м                                         (1.43)

, Н·м

, кг/ч                                               (1.44)

, кг/ч

, кВт/дм³                                                                     (1.45)

, кВт/дм³

Построение индикаторной диаграммы дизеля с наддувом.

Масштабы диаграммы (рисунок 1):

масштаб хода поршня М_S  =  1,0 мм в мм;

масштаб давлений М_P = 0,08 МПа в мм.

Приведенные величины рабочего объема цилиндра и объема камеры сгорания соответственно:

АВ= S/М_S= 115/1,0 = 115 мм;                                (1.46)

ОА = АВ/( ε – 1) = 115/(16,5 – 1) =7,5 мм.                     (1.47)

Максимальная высота диаграммы (точки z’ и z) и положение точки z по оси абсцисс

, мм                                      (1.48)

, мм                              (1.49)

Ординаты характерных точек:

,мм                                            (1.50)

,мм                                          (1.51)

,мм                                         (1.52)

,мм                                           (1.53)

,мм                                         (1.54)

,мм                                         (1.55)

Построение политроп сжатия и расширения проводится графическим методом а) для луча ОС принимаем угол α = 15°;

б);

в) используя лучи 0D и ОС, строим политропу сжатия, начиная с точки с.

г) ,

д) используя лучи ОЕ и ОС, строим политропу расширения, начиная с точки z .

Теоретическое среднее индикаторное давление

, МПа                                       (1.56)

где F^/ - площадь диаграммы асz’zbа.

что очень близко к величине Р =1,339 МПа, полученной в тепловом расчете.

Скругление индикаторной диаграммы.

Ориентировочно устанавливаются следующие фазы газораспределения:

впуск - начало (точка r‘) за 25° до в.м.т. и окончание (точка а”) - 60° после н.м.т.;

выпуск - начало (точка b’) за 60° до н.м.т. и окончание (точка а’) - 25° после в.м.т.

угол опережения впрыска 20° (точка с’) и продолжительность периода задержки воспламенения ∆φ₁ = 8° (точка f).

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения впрыска определяется положение точек b’, r’, a’, а”, с’ и f по формуле для перемещения поршня:

АХ=(АВ/2)[(1 - соsφ) + (λ/4)(1 – соs2φ)], мм                     (1.57)

где λ - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, ориентировочно  устанавливаем λ = 0,270.

Результаты расчета ординат точек b’, r’, a’, а”, с’ и f приведены в таблице 1.

Таблица 1

Обозначение точки	Положение точки	φ		Расстояние АХ точек от В.М.Т., мм
в/	60 до НМТ	120	1,601	92
r/	25 до ВМТ	25	0,122	7
a/	25 после ВМТ	25	0,122	7
a//	60 после НМТ	120	1,601	92
c/	20 до ВМТ	20	0,076	4,4
f	8 до ВМТ	12	0,038	2,2

Положение точки с” определяют из выражения

р_С″ =(1,15…1,25) р_С , МПа                                  (1.58)

р_С″ =1,15 · 7,715 =8,879 МПа

 мм                                           (1.59)

2 Тепловой баланс

Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом, Дж/с:

                                                (2.1)

, Дж/с

Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1с, для дизелей, Дж/с:

                                               (2.2)

, Дж/с

Теплота, передаваемая охлаждающей среде, для дизелей, Дж/с:

                                        (2.3)

где С - коэффициент пропорциональности (для четырехтактных двигателей С= 0,45 + 0,53), С=0,5;

m - показатель степени (для четырехтактных двигателей m = 0,б-О,7), m=0,66

 Дж/с

                              (2.4)

где =кДж/(кмоль·К)

=23,322 кДж/(кмоль·К) – определено по таблице 8[1], при α=1,7 и t_r =T_r – 273=518,2ºC

= кДж/(кмоль·К)

=23,322 кДж/(кмоль·К) – определено по таблице 5[1], графа “воздух” при t_к =T_к – 273=518,2ºC

Дж/с

Неучтенные потери теплоты

                                    (2.5)

, Дж/с.

Составляющие теплового баланса представлены в таблице 2.

Таблица 2

3 Расчет внешней скоростной характеристики дизеля.

На. основании теплового расчета, проведенного для режима номинальной мощности, получены следующие параметры, необходимые для расчета и построения внешней скоростной характеристики дизеля: Все расчетные данные заносятся в таблицу 3

Таблица 3

Частота вращения коленчатого вала nx, об/мин	Параметры внешней скоростной характеристики
	Nex	Mex	Pex	ν п.ср.x	Pмx	Pix	Mix	g ex	GTx	α x	η vx
600	31,8	506	1,331	2,3	0,116	1,447	550	229,3	7,3	1,258	0,875
1000	55,2	528	1,388	3,8	0,134	1,523	579	199,9	11,0	1,400	0,885
1400	73,8	503	1,324	5,4	0,152	1,476	561	191,7	14,1	1,560	0,902
1750	81,3	444	1,168	6,7	0,168	1,336	507	201,8	16,4	1,700	0,913

Мощность в расчетных точках, кВт:

                           (3.1)

Эффективный крутящий момент, Н м

                                          (3.2)

Среднее эффективное давление, МПа

                                              (3.3)

Средняя скорость поршня, м/с

                                               (3.4)

Среднее давление механических потерь, МПа

                                       (3.5)

Среднее индикаторное давление, МПа

                                               (3.6)

Индикаторный крутящий момент, Н м

                                             (3.7)

Удельный эффективный расход топлива для дизелей, г/(кВт ч)

                                (3.8)

Часовой расход топлива, кг/ч

                                               (3.9)

Коэффициент избытка воздуха. Принимаем для дизелей:

                                             (3.10)

Соединяя точки α_{n min} и α_N прямой линией, получим значения α_x для всех