Показники проектованого двигуна

3.4.2. Номінальний ефективний крутний момент:

M_е = 9550·N_ер/n, Нм. (3.22)

3.4.3. Годинна витрата палива:

G_т = N_ep·g_e/1000, кг/год. (3.23)

3.4.4. Літрова потужність двигуна:

N_л = N_ep/(V_h·i), кВт/л. (3.24)

3.4.5. Питома поршнева потужність:

N_п = N_ер·100/(F_п·i), кВт/дм². (3.25)

Показники (3.24) та (3.25) служать для оцінки ефективності проектованого двигуна та порівняння його з відомими моделями двигунів.

Сучасні двигуни внутрішнього згоряння мають наступні питомі показники:

N_л = 18…60 кВт/л та N_п = 14...48 кВт/дм² – карбюраторні двигуни,

N_л = 7…22 кВт/л та N_п = 10...30 кВт/дм² – дизелі.

У висновках до розділу слід провести порівняння одержаних розрахунком показників проектованого двигуна та сучасних двигунів, зокрема прототипу.

Для перевірки третього розділу на ЕОМ дані повинні бути підготовлені у порядку, наведеному у таблиці 3.1. На екрані ЕОМ таблиця має вигляд, який показано на рис. 3.1.

При задовільних результатах перевірки (коли допущені неточності не перевищують 3%) в разі необхідності проводимо коригування розмірів циліндра з метою одержання заданої потужності. Результати будуть видані у вигляді таблиці, яку слід включити до чистовика курсової роботи, а дані використовувати у подальших розрахунках.

Таблиця 3.1.

Список параметрів і показників двигуна для вводу в ЕОМ

Рис. 3.1. Вигляд таблиці 3.1 на екрані ЕОМ

3.5. Тестові завдання (задачі) до розділу 3

1. За счет улучшения (ухудшения) протекания рабочего процесса среднее индикаторное давление повысится на _ ХХ _%. Определите новое значение индикаторного КПД Вашего двигателя. (150 секунд)

2. Применение новой смазки позволило увеличить (вызвало снижение) механический КПД на _ ХХ _%. Определите новое значение эффективного удельного расхода топлива, если индикаторный удельный расход топлива не изменился? (150 секунд)

3. При эксплуатации двигателя по неизвестным причинам произошло увеличение (снижение) среднего эффективного давления Ре на _ ХХ _"%. Вычислить новое значение расчетной эффективной мощности Nер Вашего двигателя в кВт. (150 секунд)

4. Для форсирования проектируемого двигателя увеличим (уменьшим) номинальную частоту вращения КВ на _ ХХ _%. На сколько кВт (в первом приближении) может увеличиться расчетная мощность Nер двигателя при сохранении всех выбранных параметров и размеров ЦПГ? (180 секунд)

5. Как изменится величина потерь на трение после корректировки размеров цилиндрово-поршневой группы при увеличении (уменьшении) хода поршня? (40 секунд)

6. Как изменится величина потерь на трение после корректировки размеров цилиндрово-поршневой группы при уменьшении (увеличении) диаметра цилиндра? (40 секунд)

7. Как изменится номинальный эффективный крутящий момент Ме при увеличении (уменьшении) среднего эффективного давления Ре? (40 секунд)

8. Как изменится номинальная литровая мощность двигателя Nл при форсировании (дефорсировании) двигателя по частоте вращения n? (60 секунд)

9. Как изменится часовой расход топлива Gт при увеличении момента нагрузки Ме и при постоянной частоте вращения n (при увеличении частоты вращения n и при постоянном моменте нагрузки Ме)? (60 секунд)

3.6. Завдання до розділу 4

Перевірка правильності розрахунку показників двигуна на ЕОМ закінчується видачею даних для побудови зовнішньої швидкісної характеристики проектованого двигуна. Для їх запису повинна бути підготовлена таблиця за наступним зразком:

Таблиця 3.2

Результати розрахунку зовнішньої швидкісної характеристики

У відповідні колонки цієї таблиці з екрану ЕОМ переписуються дані, розраховані програмою за однією з методик, описаних у наступному розділі:

Рис. 3.2. Завдання на 4-й розділ не екрані комп’ютера – зразок

Останнім на екран ЕОМ виводиться зразок швидкісної характеристики, яка повинна бути побудована у розділі 4.

Розділ 4.

Розрахунок і побудова швидкісної характеристики двигуна

Швидкісна характеристика двигуна необхідна для подальшого проектування трактора чи автомобіля. На основі швидкісної характеристики виконують розрахунок тягової характеристики трактора, визначають тягово-динамічні показники автомобіля, проводять аналіз економічності проектованої машини [12].

На стадії проектування швидкісну характеристику одержують за допомогою методу подібності, враховуючи, що характер протікання процесів (наповнення циліндрів, термічного і механічного ККД, згоряння палива та ін.), які впливають на формування швидкісної характеристики, для однотипних двигунів однаковий, незалежно від номінальної потужності, номінальної частоти обертання KB і т.д. Можна вказати декілька різновидів використання методу подібності при розрахунку зовнішньої швидкісної характеристики (метод розрахунку вибирається ЕОМ після перевірки розділу 3):

а). Табличний метод – характеристика задається у вигляді таблиці, наприклад, дані по прототипу, іноді у вигляді узагальнень у безрозмірних координатах (частота обертання KB, потужність або крутний момент і годинна або питома витрата палива виражаються у відсотках від номінального значення).

б). Аналітичний метод – залежності потужності або крутного моменту та годинної або питомої витрати палива від частоти обертання KB виражаються емпіричними рівняннями, одержаними на основі обробки статистичних даних по двигунах певного класу (дизелі, карбюраторні, газові двигуни різного призначення).

в). Метод теплового розрахунку двигуна – полягає у виконанні теплового розрахунку для різних значень частоти обертання KB.

Достовірність результатів, одержаних різними методами, відрізняються мало, похибка розрахованої характеристики може становити 5...10% від одержаної експериментально при випробуваннях двигуна. При проектуванні, в залежності від наявних вихідних даних, віддають перевагу тим чи іншим методам розрахунку, що повинно бути обґрунтованим пояснювальній записці до курсової роботи.

4.1. При наявності даних швидкісної характеристики прототипу (таблиця 2 Довідок) можна скористатися методом подібності, обчислюючи коефіцієнти К_N та К_G перерахунку параметрів:

К_N = N_e/N_епр, (4.1)

та

К_G = G_т/G_тпр, (4.2)

де N_е та N_епр – номінальні потужності проектованого двигуна та прототипу, відповідно;

G_т та G_тпр – годинна витрата палива на номінальному режимі для проектованого двигуна та для прототипу, відповідно.

Після обчислення коефіцієнтів перерахунку для кожної частоти обертання двигуна n_x, значення яких повинні відповідати даним прототипу, знаходять відповідні значення потужності та годинної витрати палива:

N_ex = N_епрх·К_N, (4.3)

та

G_тх = G_тпрх·К_G. (4.4)

Значення крутного моменту М_ех та питомої витрати палива g_ех обчислюють за формулами:

M_eх = 9550·N_eх/n_х, Нм (4.5)

та

g_eх = 1000·G_тх/N_eх, г/(кВт*год) (4.6)

підставляючи поточні значення N_ех (кВт), G_тх (кг/год) та n_х (хв^-1).

Результати розрахунків заносять до розрахункової таблиці (див. зразок – табл. 4.3)

4.2. При відсутності даних характеристики прототипу можна скористатись табличним методом, розраховуючи параметри характеристики за відомими співвідношеннями між параметрами відносної швидкісної характеристики, які приведені у таблиці 4.1. Значення М_ех та G_тх обчислюють, скориставшись формулами (4.5) та (4.6).

При збільшенні частоти обертання більше 100% у дизелів спрацьовує регулятор-обмежувач частоти обертання і характеристика практично лінійно падає. У бензинових двигунів вантажних автомобілів обмежувач налаштовують на частоту обертання 115…120% від номінальної. При холостому ході (М_е = 0, N_е = 0) частота обертання збільшується ще на 3...7%, годинна витрата палива G_т при цьому становить 25...30% від номінальної, а питома витрата палива g_е дорівнює безкінечності, тобто, втрачається її фізична суть.

Таблиця 4.1

Параметри відносної швидкісної характеристики автотракторних двигунів

4.3. При використанні аналітичного методу потужність N_х розраховують, задаючись частотою обертання n_х, за емпіричною формулою:

(4.7)

де N_е – номінальна потужність двигуна, розрахована у розділі 3;

n_n та n_x – номінальна та поточна частоти обертання KB;

А, Б та В – коефіцієнти, які залежать від типу двигуна, вибираються згідно з даними таблиці 4.2.

Питому витрату палива g_х розраховують за аналогічною емпіричною залежністю [4]:

(4.8)

де g_е – ефективна питома витрата палива з теплового розрахунку;

Г, Д та Ж – коефіцієнти з таблиці 4.2.

Таблиця 4.2

Коефіцієнти апроксимуючого рівняння характеристики

Результати розрахунків N_е = f(n) та g_e = f(n) заносять до розрахункової таблиці 4.3 і використовуючи формули (4.5) та (4.6) обчислюють значення крутного моменту М_е та годинної витрати палива G_т.

Таблиця 4.3

Результати розрахунку зовнішньої швидкісної характеристики

двигуна (зразок)

4.4. Для використання методу теплового розрахунку при побудові зовнішньої швидкісної характеристики необхідно знати залежність багатьох коефіцієнтів, що використовуються у тепловому розрахунку (наповнення циліндрів, показники політроп, коефіцієнт залишкових газів і т.д.), від частоти обертання двигуна. Ці коефіцієнти можуть бути наближено обчислені через емпіричні залежності, що одержують на основі результатів випробувань багатьох однотипних двигунів і які приводяться в довідковий літературі, наприклад [8].

Метод більш трудомісткий і може бути рекомендований лише при виконанні обчислень за допомогою ЕОМ, тим паче, що одержані результати не є достовірнішими. Переваги методу – можливість аналізу факторів, що впливають на протікання характеристики, і, в разі необхідності, їх коригування для покращення властивостей проектованого трактора чи автомобіля, можливість вжити відповідних конструктивних заходів ще на стадії проектування машини. Це дозволяє скоротити терміни впровадження нових машин та зменшити затрати коштів при їх впровадженні.

4.5. Холостий хід двигуна

Таблиця розрахунку зовнішньої швидкісної характеристики закінчується точкою максимальної частоти обертання на холостому ходу двигуна, яку розраховують, керуючись наступними міркуваннями.

4.5.1. Для дизелів з дворежимним або всережимним регулятором точка максимальної частоти обертання холостого ходу:

частота обертання n_ххmaх = (1,06...1,07)· n_ном,

потужність N_ехх = 0,

годинна витрата палива G_тхх = (0,25...0,3)· G_тном.

4.5.2. Для двигунів з зовнішнім сумішоутворенням вантажних автомобілів (бензинові, газові, карбюраторні, з впорскуванням легкого палива – інжекторні) застосовують обмежувач частоти обертання – однорежимний регулятор – налаштований на максимальну частоту обертання, що перевищує номінальну на 15…20%. Параметри характеристики в цій точці:

частота обертання n_max = (1,15...1,25)· n_ном,

потужність N_em = (1,05...0,76)· N_eном,

годинна витрата палива G_тm = (1,05... 0,9)· G_тном.

Параметри максимальної частоти обертання холостого ходу n_ххmaх будуть зміщені відносно максимальної частоти обертання n_max на 3…5% по частоті обертання:

частота обертання n_ххmaх = (1,03...1,05)· n_max,

потужність N_ехх = 0,

годинна витрата палива G_тхх = (0,25...0,3)· G_тном.

4.6. Остання колонка таблиці 4.3 – розрахункова циклова подача палива q_ц, визначається за формулою:

q_ц = (g_е·N_e·1000)/ (30·n·i·γ_п), мм³/цикл (4.9)

де n – частота обертання KB, об/хв;

і – число циліндрів;

γ_п – густина палива, кг/дм³.

Для дизельного пального можна приймати γ_п = 0,82...0.85, для бензину – 0,72...0,78.

При розрахунку циклової подачі палива на режимі холостого ходу слід зважити, що g_е·N_e/1000 = G_т, отже: g_е·N_e= G_т·1000.

Розрахункова циклова подача палива необхідна для проектування систем дозування паливної апаратури: карбюратора, систем впорскування палива інжекторного двигуна чи паливного насосу високого тиску (ПНВТ) майбутнього дизеля. Зазвичай, ці дані уточнюють при випробуваннях двигуна.

Загальний вигляд розрахованої і побудованої кривої циклової подачі слід порівняти з експериментальною швидкісною характеристикою ПНВТ, одержаною на лабораторних заняттях лабораторного практикуму по ДВЗ.

4.7. Швидкісна характеристика повинна бути побудована на окремому аркуші міліметрового паперу формату А4 з дотриманням масштабів (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Зовнішня швидкісна характеристика двигуна (зразок)

Допускається шкалу питомої витрати палива починати не з 0, а зі значення 100…200 г/кВтгод, що дозволяє одержати більш детальну криву, зручну для аналізу.

Масштаби потужності μ_N у кВт/мм, крутного моменту μ_M у Нм/мм, годинної витрати палива μ_G у (кг/год)/мм, питомої витрати палива μ_g, у (г/кВтгод)/мм та величини циклової подачі q_q у (мм³/цикл)/мм необхідно приймати з ряду чисел:

(0.01, 0.02, 0.025, 0.04, 0.05, 0.075)·10ⁿ

де n – ціле число або нуль.

Для контролю правильності розрахунків по запиту ЕОМ слід ввести дані таблиці 4.3, значення масштабів та ординат побудованої характеристики у мм.

Результати розрахунків характеристики у вигляді таблиці 4.3

будуть використані як вихідні дані при розрахунках другої частини курсової роботи.

При відсутності суттєвих похибок перевірка четвертого розділу закінчується за вибором студента – продовжити розрахунки двигуна, чи обмежитися четвертим розділом (оцінка «задовільно» – закінчити):

Рис. 4.2. Вибір подальшого ходу розрахунку

При виборі «Закінчити» виставляється оцінка «Задовільно» і робота програми з цим завданням припиняється.

При виборі «Продовжити» буде видано завдання на п’ятий розділ: провести розрахунок сил у кривошипно-шатунному механізмі для його положення, заданого кутом повороту КВ:

Рис. 4.3. Завдання до 5-го розділу

Розділ 5

Кінематика та динамічний розрахунок кривошипно-шатунного

механізму (КШМ)

Динамічний розрахунок КШМ виконують з метою визначення навантажень на деталі двигуна від газових сил та сил інерції неврівноважених мас. На рис. 5.1. показана схема сил, що діють у КШМ [1, 6, 8].

Рис. 5.1. Схема сил, які діють у кривошипно-шатунному механізмі поршневого двигуна

Газові сили від тиску газів Рг у циліндрі двигуна сприймаються поршнем і передаються шатуну через поршневий палець. До цих сил додаються сили інерції Pj, що виникають від прискореного руху мас, пов'язаних з поршнем. Сумарна сила Рс прикладена до поршневого пальця по осі циліндра. Через нахил осі шатуна до осі циліндра β виникає бокова складова сила N = Pс·tgβ, що притискає поршень до дзеркала циліндра. Через стрижень шатуна передається сила Pc/cosβ, яка є складовою навантаження на шатунну шийку колінчастого валу. Друга складова навантаження на шатунну шийку – сила інерції від мас mr, що обертаються разом з шатунною шийкою. Цими масами є частина маси шатуна та маса шатунного підшипника. Для визначення сумарного навантаження від дії цих сил потрібно знайти їх векторну суму. Напрямок дії сили інерції мас, що обертаються разом з шатунною шийкою, – по осі кривошипа (під кутом α до осі циліндра). Навантаження на щоки колінчастого валу (KB) складається з означеної векторної суми сил плюс сили інерції від маси самої шатунної шийки. На корінні підшипники навантаження збільшується за рахунок сил інерції від обертання мас щік KB.

Розрахунок сил ведуть послідовно для всіх положень КШМ у діапазоні 0…720° повороту колінчастого валу (ПКВ) з кроком t°, не більшим 30° ПКВ, і будують графіки цих сил в залежності від кута повороту KB. Результати розрахунків зводять у таблицю (зразок – таблиця 5.1). Кількість рядків у таблиці повинна бути рівною 720/t + 3.

З метою прискорення роботи у курсовому проекті розрахунок сил виконуємо лише для однієї точки – для положення КВ, заданого в кінці четвертого розділу (рис. 4.3). Якщо розрахунок сил в цій точці буде виконано з достатньою точністю, то програмою буде розрахована і виведена окремим текстовим файлом таблиця 5.1. Якщо похибка розрахунку перевищить 2,5 %, то необхідно буде виконати повторний розрахунок для іншого положення КВ. Розрахунок сил проводимо за методикою, викладеною нижче.

Таблиця 5.1.

Результати динамічного розрахунку двигуна (зразок)