8 Индикаторные параметры рабочего цикла дизеля

Определяем среднее индикаторное давление цикла для нескруглённой индикаторной диаграммы

;

МПа.

Принимаем коэффициент полноты индикаторной диаграммы .

Определяем среднее индикаторное давление цикла для скруглённой индикаторной диаграммы

;

МПа.

Определяем индикаторный КПД

;

.

Определяем индикаторный удельный расход топлива

;

.

9 Эффективные показатели работы дизеля

Принимаем предварительно среднюю скорость поршня для автомобильного дизеля .

Определяем среднее давление механических потерь, МПа

,

учитывая, что для дизелей с неразделёнными камерами сгорания а=0,105, в=0,012.

.

Определяем среднее эффективное давление

;

.

Определяем механический КПД

;

.

Определяем эффективный КПД

;

.

Определяем эффективный удельный расход топлива

;

.

Исходя из величин эффективной мощности, частоты вращения коленчатого вала, среднего эффективного давления и числа цилиндров, определяем рабочий объём одного цилиндра

;

.

Отношение хода поршня к диаметру цилиндра принимаем равным единице, т.е.

.

Определяем диаметр цилиндра , по формуле

, а затем округляем полученное значение до чётного числа, нуля или пяти.

;

.

Определяем ход поршня

;

.

Определяем площадь поршня

;

.

Определяем рабочий объём цилиндра

;

.

Определяем среднюю скорость поршня

;

.

Определяем значение расчётной эффективной мощности

,

где -количество цилиндров двигателя;

.

Сравниваем полученное значение мощности с заданным

< .

При рассмотрении теплового расчета двигателя важную роль играют такие параметры как эффективная мощность двигателя, механический, индикаторный и эффективный КПД. Так как они являются оценочными показателями хорошей работы двигателя. В нашем случае эти показатели вписываются в допустимые пределы.

Таким образом, делаем вывод, что тепловой расчёт выполнен правильно.

Построение индикаторных диаграмм

Построение свёрнутой индикаторной диаграммы ДВС производится по данным теплового расчёта. Диаграмму строим в прямоугольных координатах , где - давление в цилиндре, а – ход поршня.

Для построения были взяты следующие масштабы:

;

,

где - масштаб давления;

- масштаб перемещения.

От начала координат в масштабе по оси абсцисс откладывают значения приведённой высоты камеры сжатия и хода поршня . При этом

;

.

Абсцисса точки на индикаторной диаграмме дизеля определится по уравнению

,

где - степень предварительного расширения.

.

По оси ординат в масштабе откладываем величины давлений в характерных точках диаграммы, а также значение атмосферного давления .

;

;

;

;

;

;

.

Построение политроп сжатия и расширения осуществляется по промежуточным точкам. Значения давлений в промежуточных точках политропы сжатия подсчитываются по выражению

,

а для политропы расширения – по выражению

.

Тадлица 1: « Величина давлений в промежуточных точках политропы сжатия и политропы расширения».

№	Рх сжатия	Sx	Px расш	Рх/0,055	Px/0,055
1	1,800673	24,5	4,203801	32,73951	76,43274
2	0,943682	39,4	2,296063	17,15786	41,74661
3	0,61006	54,3	1,526337	11,09201	27,75158
4	0,438689	69,2	1,120974	7,976157	20,38134
5	0,336495	84,1	0,874551	6,118084	15,90093
6	0,269548	99	0,71057	4,900881	12,91946
7	0,222755	113,9	0,594423	4,0501	10,8077
8	0,188458	128,8	0,508309	3,426513	9,241979
9	0,16239	143,7	0,442189	2,952547	8,039803
10	0,142	158,6	0,39	2,581818	7,090909

Для скругления индикаторной диаграммы необходимо воспользоваться диаграммой фаз газораспределения. Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна . Это значение взято из технической документации двигателя.

Для перестроения полученной индикаторной диаграммы в её развёрнутый вид графоаналитическим методом под ней строят полуокружность радиусом , имея ввиду что . Затем полуокружность делят на дуги, охватывающие угол и точки соединяют радиусами с центром. Далее центр смещают вправо на величину , называемую также поправкой Брикса. Из нового центра строя лучи, параллельные ранее проведённым радиусам. Из новых точек на окружности проводят вертикальные линии до их пересечения с линиями индикаторной диаграммы. Точки пересечения дают значения давлений газов при этих углах поворота кривошипа. Линию свёрнутой индикаторной диаграммы продолжают вправо, обозначая на ней значения углов поворота кривошипа в масштабе . Значения берут от линии и откладывают на развёртке. Полученные точки соединяются плавной кривой.

Динамический расчёт двигателя

Для расчёта деталей кривошипно-шатунного механизма на прочность и выявление нагрузок на трансмиссию машин необходимо определить величины и характер изменения сил и моментов, действующих в двигателе. С этой целью проводят динамический расчёт кривошипно-шатунного механизма в следующем порядке.

1. Индикаторная диаграмма строится на листе бумаги формата А1 в верхнем левом углу.

2. В правом верхнем углу строится диаграмма фаз газораспределения, а под нею схема кривошипно-шатунного механизма с указанием точек приложения и знаков действия сил.

3. Построенная скругленная индикаторная диаграмма, пользуясь методом Брикса, развёртывается в диаграмму избыточных сил давления газов по углу поворота коленчатого вала двигателя в масштабе .

4. Ниже полуокружности наносятся координаты и строятся графики перемещения, скорости и ускорения поршня в выбранном ранее масштабе. 5. Руководствуясь найденными размерами двигателя, определяется масса частей, совершающих возвратно-поступательное движение, и масса частей, совершающих вращательное движение. Для этой цели необходимо задаться конструктивными массами поршневой и шатунной группы.

После этого производится расчёт полного значения масс, пользуясь

таблицей 2.

Таблица 2: «Конструктивные массы, отнесённые к площади поршня, »

Элементы КШМ	Конструктивная масса
	Дизельный ДВС (D=80…120мм)
Поршень из алюминиевого сплава	150…300
Шатун	250…400
Колено вала без противовесов: - стальной кованный вал со сплошными шейками	200…400
-чугунный литой вал с полыми шейкам	150…300

Масса частей, движущихся возвратно-поступательно, рассчитывается следующим образом.

;

;

;

.

Масса вращающихся деталей

;

;

;

;

.

6.Производится расчёт сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме:

- силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс

;

- центробежной силы инерции вращающихся масс

;

- силы инерции вращающихся масс шатуна

;

- суммарной силы, действующей на поршень,

;

- боковой силы, перпендикулярной оси цилиндра,

;

- силы, действующей вдоль шатуна,

;

- нормальной силы, действующей вдоль радиуса кривошипа,

;

- тангенциальной силы, касательной к окружности кривошипа

.

Значения тригонометрических функций для выбранного значения берутся из справочных таблиц. Расчёт значений всех действующих сил производится через каждые поворота коленчатого вала. Данные для расчётов сил для различных углов сводятся в таблицу.

Таблица 3: «Расчётные данные давлений и сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме».

φ	Pj,МПа	PΣ,МПа	Pj,Н	PΣ,Н	N,кН	S,КН	K,КН	T,КН.	М,Н*м
0	-0,6	-0,6	-7276,4	-7276,4	0,0	-7,3	-7,3	0,0	0
20	-0,5	-0,5	-6568,8	-6568,8	-0,6	-6,6	-6,0	-2,8	-211,35
40	-0,4	-0,4	-4657,1	-4657,1	-0,8	-4,7	-3,0	-3,6	-271,4
60	-0,2	-0,2	-2090,4	-2090,4	-0,5	-2,1	-0,6	-2,1	-154,43
80	0,0	0,0	459,7	459,7	0,1	0,5	0,0	0,5	35,58
100	0,2	0,2	2449,4	2449,4	0,7	2,5	-1,1	2,3	172,13
120	0,3	0,3	3638,7	3638,7	0,9	3,7	-2,6	2,7	203,86
140	0,3	0,3	4120,5	4120,5	0,7	4,2	-3,6	2,1	156,99
160	0,3	0,3	4198,9	4198,9	0,4	4,2	-4,1	1,1	80,30
180	0,3	0,3	4182,5	4182,5	0,0	4,2	-4,2	0,0	0
200	0,3	0,3	4198,9	4198,9	-0,4	4,2	-4,1	-1,8	-135,1
220	0,3	0,3	4120,1	4120,1	-0,7	4,2	-3,6	-3,2	-240,1
240	0,3	0,3	3637,2	3637,2	-0,9	3,7	-2,6	-3,6	-268,7
260	0,2	0,3	2446,5	3106,5	-0,8	3,2	-1,4	-3,2	-240,44
280	0,0	0,2	455,4	2435,4	-0,7	2,5	-0,2	-2,3	-171,15
300	-0,2	0,1	-2095,3	1204,7	-0,3	1,2	0,4	-0,9	-67,49
320	-0,4	0,4	-4661,4	5238,6	-0,9	5,3	3,4	-2,7	-199,59
340	-0,5	1,9	-6571,3	23128,7	-2,2	23,2	21,0	-5,9	-442,34
360	-0,6	4,0	-7276,4	47503,6	0,0	47,5	47,5	0,0	0
370	-0,6	9,6	-7094,7	115665,3	5,4	115,8	113,0	25,4	1908,48
380	-0,5	6,3	-6566,3	75029,5	7,0	75,3	68,1	32,2	2414,08
400	-0,4	2,7	-4652,9	32544,7	5,7	33,0	21,3	25,3	1896,544255
420	-0,2	1,2	-2085,6	14150,4	3,4	14,5	4,1	13,9	1045,36
440	0,0	0,9	463,9	11261,5	3,1	11,7	-1,1	11,6	871,64
460	0,2	0,9	2452,3	10246,9	2,8	10,6	-4,5	9,6	720,1
480	0,3	0,8	3640,1	9639,5	2,3	9,9	-6,8	7,2	540,05
500	0,3	0,8	4120,9	9268,9	1,6	9,4	-8,1	4,7	353,15
520	0,3	0,7	4198,8	8950,8	0,8	9,0	-8,7	2,3	171,18
540	0,3	0,7	4182,5	8861,9	0,0	8,9	-8,9	0,0	0
560	0,3	0,7	4198,9	8515,3	-0,8	8,5	-8,3	-3,7	-273,98
580	0,3	0,7	4119,7	8079,7	-1,4	8,2	-7,1	-6,3	-470,85
600	0,3	0,6	3635,8	7232,8	-1,7	7,4	-5,1	-7,1	-534,32
620	0,2	0,5	2443,5	5677,5	-1,5	5,9	-2,5	-5,9	-439,44
640	0,0	0,3	451,2	3091,2	-0,8	3,2	-0,3	-2,9	-217,23
660	-0,2	0,0	-2100,1	176,9	0,0	0,2	0,1	-0,1	-9,91
680	-0,4	-0,2	-4665,7	-2751,7	0,5	-2,8	-1,8	1,4	104,84
700	-0,5	-0,4	-6573,8	-5075,6	0,5	-5,1	-4,6	1,3	97,07
720	-0,6	-0,6	-7276,3	-7276,3	0,0	-7,3	-7,3	0,0	0

7.По рассчитанным данным строятся графики изменения сил в зависимости от угла поворота коленчатого вала.

На верхнем графике строятся изменения сил давления газов , удельной силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс и суммарной силы .

Ниже строят значение сил в масштабе

- боковой силы , действующей на стенку цилиндра и силы , действующую вдоль шатуна.

- нормальной силы , действующей по оси кривошипа и тангенциальную силу .

8. Для построения полярной диаграммы наносятся прямоугольные координаты силы Т по горизонтали и силы К по вертикали. Для принятых в расчетах величин углов  поворота коленчатого вала строится полярная диаграмма силы S, то есть откладываются ее составляющие (Т – по горизонтали, К – по вертикали), получая последовательно концы вектора S. Полученные точки ₁, ₂ и т. д. последовательно в порядке углов соединяют плавной кривой.

9. Для нахождения результирующей силы R_Ш.Ш на шатунную шейку необходимо полюс О переместить по вертикали вниз на величину вектора К_R.Ш (К_R.Ш постоянна по величине и направлению) и обозначить эту точку О_Ш. Затем вокруг точки О_Ш проводится окружность любого радиуса, удобнее - радиусом шатунной шейки R_Ш.Ш.min. Точка О_Ш соединяется с точками ₁, ₂ и всеми остальными через 20^о тонкими прямыми линиями, конец которых должен выходить за пределы окружности. Вектор О_Ш- для каждого угла дает и направление и значение результирующей силы (нагрузки) R_Ш.Ш.=S+K_R.Ш на шатунную шейку.

10. Для построения развертки диаграммы нагрузки R_Ш.Ш в прямоугольные координаты через точку О_Ш проводится горизонтальная линия, служащая осью углов . Углы  обозначаются через выбранные 30^о в пределах 0-720^о и через эти точки проводятся вертикали. Для каждого угла ₀, ₁, ₂ и т.д. берется значение результирующей силы R_Ш.Ш с полярной диаграммы нагрузки и откладывается по вертикали, причем все значения R_Ш.Ш считаются положительными. Точки соединяются плавной кривой результирующей силы R_Ш.Ш.=S+K_R.Ш. На графике развертки обозначают точки (R_Ш.Ш)_max, (R_Ш.Ш)_min, (R_Ш.Ш)_ср.

Средняя удельная нагрузка на подшипник, отнесенная к единице площади его диаметральной проекции, определится, как:

, МПа/м,

где: – диаметр шатунной шейки;

– рабочая ширина вкладыша (принимаем).

Если переместить центр О_Ш вниз на значение силы К_R, получим результирующую силу, действующую на колено вала.

11. Пользуясь полярной диаграммой, строим диаграмму износа шейки, дающую условное представление о характере износа в предположении, что износ пропорционален усилиям, действующим на шейку, и происходит в секторе 60^о от мгновенного направления силы S.

Для этого ниже полярной диаграммы строится еще одна окружность, радиусом R_Ш.Ш.min. К внешней стороне окружности прикладываются векторы усилий, параллельные соответствующим векторам О_ш- полярной диаграммы (параллельно силам S) так, чтобы линия действия их проходила через центр. Значение усилий R_Ш.Ш. для каждого угла  берется с развернутой диаграммы нагрузки, и под углом 60^о к направлению каждого усилия в обе стороны проводятся кольцевые полоски, высота которых пропорционально этому усилию. Суммарная площадь этих полосок в итоге представляет собой условную диаграмму износа. На диаграмме износа шейки видна зона наибольших и наименьших давлений на нее. В месте наименьших давлений проводится осевая линия, где должно выводиться отверстие подвода масла к подшипнику.

12. Под графиком развернутой диаграммы нагрузки строят кривую суммарного индикаторного крутящего момента. Для этого по оси абсцисс откладывают значение угла поворота кривошипа  в пределах  от 0^о до 720/8=90º.

По оси ординат откладывается значение крутящего момента, равное

М_i=ТR, в масштабе _м=20 Нм/мм,

значение силы Т берется с построенного на листе 1 графика.

Предполагается, что крутящий момент в отдельных цилиндрах изменяется одинаково, лишь со сдвигом на угол =720/i. Поэтому берется участок силы Т в пределах от 0^о до (720/i)^о, значение ее умножается на радиус кривошипа и полученные значения крутящего момента откладываются на строящемся графике. Затем берется следующий равный участок силы Т и т.д. Таким образом, получается число кривых крутящего момента, равное i.

Кривая суммарного индикаторного крутящего момента многоцилиндрового двигателя на участке  получается путем графического суммирования полученного числа i кривых крутящих моментов для отдельных цилиндров. Среднее значение индикаторного момента определится, как

(М_i)_ср= (F₂-F₁)/,

где F₁ и F₂ – положительная и отрицательная площади диаграммы,

(М_i)_ср=(78000-3600)/90=827

Ввиду того, что при построении диаграммы индикаторного крутящего момента двигателя не учитывались затраты на трение, привод вспомогательных механизмов и т.д., для получения значения действительного эффективного крутящего момента необходимо учесть величину механического КПД:

(М_е)_ср = (М_i)_ср_М,

(М_е)_ср =8270,797=659 Нм.

Полученное значение среднего эффективного крутящего момента следует сопоставить с расчетным значением

(М_е)_расч. = 9554N_е/n_ном, Нм,

(М_е)_расч. = 9554122/1800=647 Нм.

ε=(659-647)*100/659=1,8 %.

Отклонение графически полученного значения момента от его расчётного значения не превышает ±5%.

На первом листе строятся также графики перемещения, скорости и ускорения поршня.

Sп=R[(1-cosφ)+λ/4(1-cos2φ)],

Wп=Rω(sinφ)+λ/2sin2φ),

jп=Rω²(cosφ+λcos2φ).

Результаты расчётов сводим в таблицу.

Таблица 3 – Данные для построения графиков перемещения, скорости и ускорения поршня

,п.к.в.	SI, мм	SII, мм	Sx, мм	WI,м/с	WII,м/с	W,м/с	jI,м/с	jII,м/с	j,м/с
0	0	0	0	0	0	0	2132	576	2708
20	3,62	0,95	4,57	3,87	0,98	4,85	2003	441	2444
40	14,04	3,35	17,4	7,27	1,50	8,8	1633	100	1733
60	30	6,1	36,1	9,79	1,32	11,1	1066	-288	778
80	49,6	7,86	57,5	11,14	0,52	11,7	370	-541	-171
100	70,4	7,86	78,3	11,14	-0,52	10,6	-370	-541	-911
120	90	6,1	96,1	9,79	-1,32	8,5	-1066	-288	-1354
140	106	3,3	109,3	7,27	-1,50	5,8	-1633	100	-1533
160	116	0,95	117	3,87	-0,98	2,9	-2003	441	-1562
180	120	0	120	0	0	0	-2132	576	-1556
200	116	0,95	117	-3,87	0,98	-2,9	-2003	441	-1562
220	106	3,3	109,3	-7,27	1,50	-5,8	-1633	100	-1533
240	90	6,1	96,1	-9,79	1,32	-8,5	-1066	-288	-1354
260	70,4	7,9	78,3	-11,14	0,52	-10,6	-370	-541	-911
280	49,6	7,9	57,5	-11,14	-0,52	-11,7	370	-541	-171
300	30	6,1	36,1	-9,79	-1,32	-11,1	1066	-288	778
320	14	3,35	17,4	-7,27	-1,50	-8,8	1633	100	1733
340	3,6	0,95	4,57	-3,84	-0,98	-4,8	2003	441	2444
360	0	0	0	0	0	0	2132	576	2708