Лабораторная работа: Расчет показателей двигателя ЯМЗ-240Б

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

РОССИЙСКО ФЕДЕРАЦИИ

ФГОУ ВПО Орел ГАУ

ФАКУЛЬТЕТ АГРОТЕХНИКИ И ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ

Кафедра «ЭМТП и тракторы»

Расчетно-графическая работа

по дисциплине "Тракторы и автомобили"

на тему: "Расчет показателей двигателя ЯМЗ-240Б"

Выполнил: Лосев С.Г

Группа Т-363-6

Проверил: Шуруев А.В.

Орел 2008

Содержание

Задание

1. Тепловой расчет двигателя

2. Расчет и построение регуляторной характеристики

3. Кинематика КШМ

4. Динамика КШМ

1 Тепловой расчет двигателя

1.2 Параметры рабочего тела

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:

где С, Н, О – массовая доля элементов в 1 кг топлива;

С=0,857; Н=0,133; О=0,01

 кг

или

кмоль

 Количество свежего заряда:

где  - коэффициент избытка воздуха, принимаем =1,6;

 кмоль

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания:

Общее количество продуктов сгорания:

 кмоль

1.3. Процесс впуска

Давление на впуске можно принять равным атмосферному:

Для двигателей без наддува температуру можно принять равной атмосферной:

Плотность заряда на впуске:

где - удельная газовая постоянная Дж/(кг град).

Давление в конце впуска:

где  - потери давления на впуске.

 МПа

 МПа

Коэффициент остаточных газов:

где 20…40^о – подогрев свежего заряда на впуске, принимаем 10⁰;

 - степень сжатия, =14;

Температура в конце впуска:

 К

Коэффициент наполнения цилиндра свежим зарядом:

1.4 Процесс сжатия

С учетом характерных значений показателя политропы сжатия для заданных параметров двигателя принимаем .

Давления в конце сжатия:

 МПа

Температура в конце сжатия:

 К

Средняя молярная теплоемкость заряда (воздуха) в конце сжатия:

 кДж/кмоль

Число молей остаточных газов:

 кмоль

Число молей газов в конце сжатия до сгорания:

 кмоль

1.5. Процесс сгорания

Средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания в дизеле:

 кДж/кмоль

Число молей газов после сгорания:

 кмоль

Расчетный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

Принимаем коэффициент использования теплоты . Тогда количество теплоты, передаваемой газом при сгорания 1 кг топлива:

где  - низшая теплота сгорания топлива, =42500 кДж/кг

 кДж/кг

В дизеле с наддувом для ограничения максимального давления сгорания принимаем меньшее значение степени повышения давления, чем в дизеле без наддува: .

Температуру в конце сгорания определяем из уравнения сгорания:

Решаем уравнение относительно Т_Z и находим Т_Z=7663,28 К.

Давление в конце сгорания:

 МПа

Степень предварительного расширения:

Степень последующего расширения:

1.6. Процесс расширения

 Показатель политропы расширения:

Давление в конце расширения:

 МПа

Температура в конце расширения:

 К

Проверим правильность ранее принятой температуры остаточных газов:

 К

 %

Допустимое значение 0,08%. Расчет выполнен верно, так как погрешность находится в допустимых значениях.

Таблица 1-результаты теплового расчета двигателя.

1.7. Расчет индикаторных показателей

Определение величины отрезка, соответствующего рабочему объему цилиндра:

 мм

Определение величины отрезка, соответствующего объему камеры сгорания:

 мм

Определение величины отрезка, соответствующую степень предварительного расширения:

 мм

Построение линии сжатия:

МПа

МПа

Построение линии расширения:

Среднее индикаторное давление цикла для не скругленной индикаторной диаграммы:

 МПа

Действительное индикаторное давление:

где =0,92…0,95 - коэффициент полноты индикаторной диаграммы, принимаем =0,93;

 МПа

Рабочий объем одного цилиндра:

 л

Индикаторная мощность:

  кВт

Индикаторный КПД:

где  - теоретически необходимое количество воздуха,  кг

 - низшая теплота сгорания, МДж/кг;

 - коэффициент избытка воздуха, ;

 - плотность заряда на впуске, кг/м³;

     - коэффициент наполнения.

 кг/м³

Индикаторный удельный расход топлива:

 г/кВт час

1.8. Расчет эффективных показателей

Средняя скорость поршня:

где S – ход поршня, мм;

n – частота вращения коленчатого вала, об/мин.

 м/с

Среднее давление механических потерь:

  МПа

Среднее эффективное давление:

МПа

Механический КПД:

Эффективный КПД:

Удельный эффективный расход топлива:

 г/кВт час

Эффективная мощность:

 кВт

Эффективный крутящий момент:

 Н м

Часовой расход топлива:

 кг/час

Определение литража двигателя:

  л

Рабочий объем одного цилиндра:

л

Таблица 2 - Результаты расчета индикаторных и эффективных показателей

1.9. Построение индикаторной диаграммы

Выбор масштаба и расположение характерных точек на диаграмме:

Диаграмма строится на миллиметровой бумаги в координатах Р – V с использованием результатов теплового расчета. Масштаб рекомендуется выбирать таким образом , чтобы величина высоты диаграммы составляла 1,25…1,75 ее основания.

Определяют величину отрезка АВ, соответствующего рабочему объему цилиндра – V_h, а по величине равному ходу поршня – S в масштабе М_S:

принимаем М_S=1,5 : 1

мм

Величину отрезка ОА, соответствующую объему камеры сгорания V_C определяем по формуле:

где  - степень сжатия,

 мм

Величина отрезка , характеризуется степенью предварительного расширения  и определяется по формуле:

где  - степень предварительного расширения,

 мм

На оси абсцисс откладываем в принятом масштабе полученные отрезки соответствующие им объемы.

По данным теплового расчета откладываем величины ,.

Через точки  и ,  и  проводим прямые параллельные оси абсцисс. Точки a и c соединяем политропой сжатия, а точки z и b политропой расширения. Построение линии сжатия и линии расширения

Промежуточные точки кривых сжатия и расширения определяем из условия, что каждому значению V_x на оси абсцисс соответствует следующие значения:

 - для политропы сжатия;

 - для политропы расширения.

где ,  - мгновенные значения давления и объема

n₁, n₂ – показатели политропы сжатия и расширения

С учетом реальных процессов, происходящих в двигателе, расчетную диаграмму округляем. Места скругления определяем по формуле:

где  - угол поворота коленчатого вала, в характерных точках;

      - отношение радиуса кривошипа к шатуну, принимаем =0,272.

Полученные данные заносим в таблицу 3.

Таблица 3- положение коленчатого вала в характерных точках

Положение точки определяется из выражения:

МПа

Нарастания давления от точки  до точки z составит

 8,83-4,43=4,456МПа или 4,456/10=0,456МПа/град.

1.10. Тепловой баланс двигателя

Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливам:

Дж/с

Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1 с:

 Дж/с

Теплота передаваемая окружающей среде:

где С – коэффициент пропорциональности (С=0,45…0,53), принимаем С=0,53;

 i – число цилиндров;

 D – диаметр цилиндра, см;

 n – частота вращения коленчатого вала, об/мин;

 m – показатель степени (m=0,6…0,7), принимаем m=0,65.

 Дж/с

Теплота, унесенная с отработавшими газами:

где  - теплоемкость отработавших газов, =27,786 кДж/кмоль;

    - теплоемкость свежего заряда, =21,612 кДж/кмоль;

 t_Г – температура отработавших газов, t_Г=577⁰С;

 t₀ – температура окружающей среды, t₀=20⁰ С

 М₁ – количество свежего заряда, кмоль; 0,52

 М₂ – количество продуктов сгорания, кмоль. 0,769

 Дж/с

Неучтенные потери теплоты:

 Дж/с

Составляющие теплового баланса представлены в таблице 4.

Таблица 4- Тепловой баланс двигателя

2. Расчет и построение регуляторной характеристики двигателя

На регуляторной характеристике наносится ряд кривых, показывающих, как меняются основные показатели двигателя: эффективная мощность N_е, крутящий момент М_е, число оборотов коленчатого вала n, удельный g_е и часовой G_Т расход топлива – в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы.

На оси абсцисс откладывают значения частоты вращения коленчатого вала:

n_н – номинальная частота вращения коленчатого вала, n_н=2200 об/мин;

n_хх – максимальная частота вращения холостого хода, она зависит от степени неравномерности работы регулятора  и определяется по формуле:

 где  - для дизельных двигателей, принимаем ;

об/мин

Текущее значение N_e на характеристики определяется по формуле:

где n_xi – текущее значение частоты вращения;

 N_exi – соответствующее ей эффективная мощность;

при 2000 оборотов кВт

Аналогично рассчитываем при других текущих значении частоты вращения коленчатого вала. Полученные значения заносим в таблицу 5.

Текущее значения М_е на характеристики определяется по формуле:

где N_exi и n_xi – текущее значения эффективной мощности и частоты вращения.

при 1900 оборотов , Н м

Аналогично рассчитываем при других текущих значении частоты вращения коленчатого вала. Полученные значения заносим в таблицу 5.

Текущее значение q_e на характеристики определяется по формуле:

где g_ен – удельный расход топлива при n_н;

 n_xi, g_exi – текущее значения частоты вращения и эффективного расхода топлива;

при 2000 об/мин г/кВт час

Аналогично рассчитываем при других текущих значении частоты вращения коленчатого вала. Полученные значения заносим в таблицу 5.

Текущее значение G_T на характеристики определяется по формуле:

при 2000 об/мин кг/час

Аналогично рассчитываем при других текущих значении частоты вращения коленчатого вала. Полученные значения заносим в таблицу 5.

Часовой расход топлива G_т на регуляторной характеристики растет по прямой от минимального значения G_т.х. соответствующего работе двигателя на режиме холостого хода (n_хх) до минимального G_т.н. при n_н. Часовой расход топлива определяется по формуле:

 кг/час

Таблица 5 - Значения параметров регуляторной характеристики

По полученным данным строим регуляторную характеристику.

3. Кинематика КШМ

3.1 Перемещение поршня

где R – радиус кривошипа, R=70 мм;

      - отношение радиуса кривошипа к шатуну, =0,272;

      угол поворота кривошипа от 0 до 360^0.

При =30^о мм

3.2 Скорость поршня

где R – радиус кривошипа в метрах;

      - угловая скорость.

при =30^о м/с

3.3 Ускорение поршня

где R – радиус кривошипа в метрах;

при =30^о

Аналогично определяем остальные значения и заносим в таблицу 6.

Таблица 6- Результаты расчета кинематических параметров КШМ

4. Динамика КШМ

Во время работы двигателя детали кривошипно-шатунного механизма подвергаются действию сил, которые представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 Схема действующих сил в КШМ

Избыточное давление газов на поршень:

где  - текущее давление газов, определяется с индикаторной диаграммы.

     - атмосферное давление, МПа.

при =0^о МПа

Аналогично определяем остальные значения и заносим в таблицу 7.

Сила давления газов:

где D – диаметр цилиндра, м.

при =0^о кН

Аналогично определяем остальные значения и заносим в таблицу 7.

Центробежная сила инерции от вращающихся масс:

где R – радиус кривошипа, м;

 m_S – масса, совершающая вращательное движение, сосредоточена в точке А, (рис.2);

 m_К – масса коленчатого вала, m_К=2,85 кг;

 m_Ш – масса шатуна, m_Ш=2,37 кг.

кг

кН

Сила инерции от возвратно-поступательных масс:

где j – ускорение поршня(таблица 6);

 m_j – масса, совершающая возвратно-поступательное движение, сосредоточена в точке С (Рис 2)

 m_П – масса поршня, m_П=1,9 кг.

кг

при =0^окН

Аналогично определяем остальные значения и заносим в таблицу 7.

Суммарная сила, действующая на поршень:

при =0^окН

Аналогично определяем остальные значения и заносим в таблицу 7.

Определяем нормальную силу:

где  - угол отклонение шатуна, ;

при =0^о кН

Аналогично определяем остальные значения и заносим в таблицу 7.

Определяем силу, направленную по оси шатуна:

при =0^о кН

Аналогично определяем остальные значения и заносим в таблицу 7.

Определяем радиальную силу, действующую в шатунной шейки:

кН

Аналогично определяем остальные значения и заносим в таблицу 7.

Определяем радиальную силу, действующую в коренной шейки:

кН

Аналогично определяем остальные значения и заносим в таблицу 7.

Определяем тангенциальную силу, направленную по касательной к окружности радиуса кривошипа:

кН

Аналогично определяем остальные значения и заносим в таблицу 7.

Определяем результирующую силу, действующую в шатунной шейке коленчатого вала:

кН

Аналогично определяем остальные значения и заносим в таблицу 7.

Таблица 7- Результаты динамического расчета параметров

По данному графику строим диаграммы сил, действующих в КШМ.

 Список литературы

1.  Ефимов М. А., Забелин В. Н. Методическое указание к выполнению курсовой работы по дисциплине « Тракторы и автомобили» для студентов специальности « Механизация сельскохозяйственного производства». Орел, 1988 г.

2.  Ефимов М. А., Акимочкин А. В. «Курсовое проектирование по тракторам и автомобилям» Орел 2008.

3.  Николаенко А. В. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей. М., Колос, 1992 г.