Эффективные показатели двигателя

1) Предварительно приняв ход поршня S = 92 мм, получим значение средней скорости поршня при n_N =4500 мин^-1

 

м/с                               (3.41)

 

2) Среднее давление механических потерь:

 

МПа         (3.42)

 

 

3) Среднее эффективное давление:

 

 МПа                  (3.43)

 

4) Механический КПД

 

                                        (3.44)

 

Показателями экономичности работы двигателя в целом (а не только его действительного цикла) служат удельный эффективный расход топлива g_e и эффективный КПД h _е.

5) Эффективный КПД:

 

                              (3.45)

 

6) Эффективный удельный расход топлива:

 

 г/(кВт·ч)                    (3.46)

Основные параметры цилиндра и двигателя

 

1) Литраж двигателя

 

л                               (3.47)

 

где t = 4 – количество тактов двигателя.

 

 

2) Рабочий объем одного цилиндра:

 

 л                                        (3.48)

 

где i = 4 – количество цилиндров двигателя.

3) Диаметр цилиндра. Так как ход поршня предварительно был принят S = 81 мм, то:

 

мм                   (3.49)

 

Окончательно принимаем D =93 мм, S = 92 мм.

Основные параметры и показатели двигателя определяем по окончательно принятым значениям  и :

Площадь поршня:

 

 см²                       (3.50)

 

Литраж двигателя:

 

 л                     (3.51)

 

Мощность двигателя:

 кВт                      (3.52)

Литровая мощность двигателя:

 

 кВт/л                                  (3.53)

Крутящий момент:

 

 Нм                     (3.54)

 

Часовой расход топлива:

 

 кг/ч                  (3.55)

 

Расчет и построение индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма строится с целью проверки полученного аналитическим путем значения среднего индикаторного представления протекания рабочего цикла в цилиндре рассчитываемого двигателя.

Индикаторная диаграмма двигателя построена для номинального режима работы двигателя, т.е. при N_e =85 кВт и n =4500 мин^-1, аналитическим методом.

Масштаб диаграммы: масштаб хода поршня M_s =1 мм в мм; масштаб давления M_p =0.05 МПа в мм.

Величины в приведенном масштабе, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:

 

 мм                                         (3.56)

 мм                                 (3.57)

Максимальная высота диаграммы (точка )

 

мм                                  (3.58)

 

По данным теплового расчета на диаграмме откладываем в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках.

Ординаты характерных точек:

 

мм                     мм (3.59)

мм                 мм

 мм

Построение политропы сжатия и расширения аналитическим методом:

а) политропа сжатия . Отсюда:

 

 мм,          (3.60)

 

где:  мм;

 

б) политропа расширения . Отсюда:

мм;         (3.61)

 

Результаты расчета точек приведены в табл. 3.1

Теоретическое среднее индикаторное давление:

 

МПа                               (3.62)

 

где 2160 мм² – площадь диаграммы .

Таблица 3.1

№ точек	ОХ,мм	ОВ/ОХ	Политропа сжатия			Политропа расширения
				, мм	, МПа		, мм	, МПа
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18	10.8235 11.4235 13.0235 14.8235 18.8235 20.8235 22.8235 24.8235 32.6235 40.4235 48.2235 56.0235 63.8235 71.6235 79.4235 87.2235 95.0235 102.823	9.5000 9.0010 7.8952 6.9365 5.4625 4.9379 4.5052 4.1422 3.1518 2.5437 2.1322 1.8354 1.6111 1.4356 1.2946 1.1789 1.0821 1.0000	22.1487 20.5639 17.1701 14.3684 10.3431 9.0014 7.9342 7.0682 4.8531 3.6134 2.8345 2.3061 1.9275 1.6447 1.4266 1.2541 1.1147 1.0000	37.6415 34.9482 29.1804 24.4191 17.5780 15.2978 13.4842 12.0123 8.2478 6.1409 4.8172 3.9192 3.2757 2.7951 2.4245 2.1313 1.8944 1.6995	1.8821 1.7474 1.4590 1.2210 0.8789 0.7649 0.6742 0.6006 0.4124 0.3070 0.2409 0.1960 0.1638 0.1398 0.1212 0.1066 0.0947 0.0850	16.7537 15.6594 13.2892 11.3008 8.3794 7.3843 6.5833 5.9261 4.2092 3.2184 2.5805 2.1388 1.8168 1.5726 1.3817 1.2288 1.1038 1.0000	149.553 139.785 118.627 100.877 74.8000 65.9170 58.7668 52.9003 37.5739 28.7290 23.0349 19.0927 16.2178 14.0378 12.3336 10.9687 9.8533 8.9266	7.4777 6.9893 5.9314 5.0439 3.7400 3.2958 2.9383 2.6450 1.8787 1.4365 1.1517 0.9546 0.8109 0.7019 0.6167 0.5484 0.4927 0.4463

 

Величина 1,1739 МПа, полученная планиметрированием индикаторной диаграммы, очень близка к величине 1,1752 МПа, полученной в тепловом расчете.

Скругление диаграммы осуществляется на основании следующих соображений и расчетов. Так как рассчитываемый двигатель достаточно быстроходный (n =4500 мин^-1), то фазы газораспределения необходимо устанавливать с учетом получения хорошей очистки цилиндра от отработавших газов и обеспечения дозарядки в пределах, принятых в расчете. В связи с этим начало открытия впускного клапана  устанавливается за 18є до прихода поршня в ВМТ, а закрытия  – через 60є после прохода поршня НМТ. Начало открытия выпускного клапана  принимается за 55є до прихода поршня в НМТ, а закрытие точка  – через 25є после прохода поршнем ВМТ. Учитывая быстроходность двигателя, угол опережения зажигания  принимается равным 35є, а продолжительность периода задержки воспламенения – .

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения зажигания определяем положение точек  и  по формуле для перемещения поршня.

 

                   (3.63)

 

где  - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Выбор величины  производится при проведении динамического расче-та, а при построении индикаторной диаграммы предварительно принимается l =0,285.

Расчеты ординат точек  и сведены в табл. 3.2.

Положение точки  определяется из выражения:

 

МПа             (3.64)

 

мм                                 (3.65)

                                                            

Таблица 3.2

Расчет ординат точек  и

Обозначение точек	Положение точек	j °		Расстояния точек от ВМТ (АХ), мм
	18є до в.м.т.	18	0.0626	2.8773
	25є после в.м.т.	25	0.1191	5.4806
	60є после н.м.т.	120	1.6069	73.9163
	35є до в.м.т	35	0.2277	10.4755
	30є до в.м.т	30	0.1696	7.8016
	55є до н.м.т.	125	1.6692	76.7830

 

Действительное давление сгорания:

 

МПа                (3.66)

 

мм                       (3.67)

 

Нарастание давления от точки до z _Д составляет 6.356-2.3526=4,003 МПа или 4.003/10=0.4 МПа/град п.к.в., где 10 – положение точки z _Д по оси абсцисс, град.

Соединяя плавными кривыми точки r с ,  с  и далее с z _Д и кривой расширения  с  (точка  располагается между точками b и a) и линией выпуска , получаем скругленную индикаторную диаграмму .

 

КИНЕМАТИКА

 

1) Выбор λ и длины L_ш шатуна.

 В целях уменьшения высоты двигателя без значительного увеличения инерционных и нормальных сил отношение радиуса кривошипа к длине шатуна предварительно было принято в тепловом расчете λ=0.285. В соответствии с этим

 

 мм                                      (4.1)

 

Построив кинематическую схему кривошипно-шатунного механизма (рис. 4.1), устанавливаем, что ранее принятые значения L_ш и λ обеспечивают движение шатуна без задевания за нижнюю кромку цилиндра.

2) Перемещение поршня.

 

мм.                                (4.2)

 

Расчет S_x производится аналитически через каждые 10є угла поворота коленчатого вала Значения для  при различных φ взяты из табл. 7.1 [1] и занесены в гр. 2 расчетной табл. 4.1.

3) Угловая скорость вращения коленчатого вала

 

 рад/с                                 (4.3)

 

Скорость поршня

 

 м/с.                                (4.4)

Значения для  взяты из табл. 7.2 [1] и занесены в гр. 4, а рассчитанные значения V _п – в гр. 5 табл. 4.1.

5) Ускорение поршня

 

 м/с²                                   (4.5)

 

Значения для  взяты из табл. 7.3 [1] и занесены в гр. 6, а рассчитанные значения j – в гр. 7 табл. 4.1.

 

Таблица 4.1

Кинематический расчет

φє					Sx , мм				V п, м/с				j, м/с2
1			2		3	4			5		6		7
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190			0 0.0195 0.0770 0.1696 0.2928 0.4408 0.6069 0.7838 0.9646 1.1425 1.3119 1.4679 1.6069 1.7264 1.8249 1.9017 1.9564 1.9891 2.0000 1.9891		0 0.8965 3.5409 7.8016 13.4703 20.2784 27.9163 36.0553 44.3695 52.5550 60.3452 67.5211 73.9163 79.4149 83.9464 87.4759 89.9926 91.4988 92.0000 91.4988	0 0.2224 0.4336 0.6234 0.7831 0.9064 0.9894 1.0313 1.0335 1.0000 0.9361 0.8481 0.7426 0.6257 0.5025 0.3766 0.2504 0.1249 -0.0000 -0.1249			0 4.8207 9.3995 13.5136 16.9757 19.6476 21.4480 22.3553 22.4042 21.6770 20.2912 18.3842 16.0977 13.5635 10.8917 8.1634 5.4284 2.7077 -0.0000 -2.7077		1.2850 1.2526 1.1580 1.0085 0.8155 0.5933 0.3575 0.1237 -0.0942 -0.2850 -0.4415 -0.5603 -0.6425 -0.6923 -0.7166 -0.7235 -0.7214 -0.7170 -0.7150 -0.7170		13126 12796 11829 10302 8331 6061 3652 1264 -962 -2911 -4510 -5724 -6563 -7072 -7320 -7391 -7369 -7324 -7304 -7324
	200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360	1.9564 1.9017 1.8249 1.7264 1.6069 1.4679 1.3119 1.1425 0.9646 0.7838 0.6069 0.4408 0.2928 0.1696 0.0770 0.195 0		89.9926 87.4759 83.9464 79.4149 73.9162 67.5211 60.3452 52.5550 44.3695 36.0553 27.9162 20.2784 13.4703 7.8016 3.5409 0.8965 0			-0.2504 -0.3766 -0.5025 -0.6257 -0.7426 -0.8481 -0.9361 -1.0000 -1.0335 -1.0313 -0.9894 -0.9064 -0.7831 -0.6234 -0.4336 -0.2224 0.0000	-5.4284 -8.1634 -10.8917 -13.5635 -16.0977 -18.3842 -20.2912 -21.6770 -22.4042 -22.3553 -21.4480 -19.6476 -16.9757 -13.5136 -9.3995 -4.8207 0.0000		-0.7214 -0.7235 -0.7166 -0.6923 -0.6425 -0.5603 -0.4415 -0.2850 -0.0942 0.1237 0.3575 0.5933 0.8155 1.0085 1.1580 1.2526 1.2850		-7369 -7391 -7320 -7072 -6563 -5724 -4510 -2911 -962 1264 3652 6061 8331 10302 11829 12796 13126

 

ДИНАМИКА

 

Силы давления газов

 

Индикаторную диаграмму, полученную в тепловом расчете, развертывают по углу поворота кривошипа по методу Брикса.

Для этого под индикаторной диаграммой строят вспомогательную полуокружность радиусом R=S/2. От центра полуокружности (точка О) в сторону НМТ откладываем поправку Брикса равную

 

мм                                   (5.1)

 

где М_s=1мм в мм – масштаб хода поршня на индикаторной диаграмме.

Полуокружность делят лучами от центра О на несколько частей, а из центра Брикса (точка О¢) проводят линии, параллельные этим лучам. Точки, полученные на полуокружности, соответствуют определенным углам j (на лист 2 интервал между точками равен 30°). Из этих точек проводят вертикальные линии до пересечения с линиями индикаторной диаграммы и полученные величины давлений откладывают на вертикали соответствующий углов j. Развертку индикаторной диаграммы начинаем от ВМТ в процессе хода выпуска. При этом следует учитывать, что на свернутой индикаторной диаграмме давление отсчитывают от абсолютного нуля, а на развернутой показывают избыточное давление над поршнем ∆P_r = P_r  - P_o. Следовательно, давления в цилиндре двигателя, меньшие атмосферного, на развернутой диаграмме будут отрицательными. Силы давления газов, направленные к оси коленчатого вала, считаются положительными, а от коленчатого вала – отрицательными.

Масштабы развернутой диаграммы: давлений и удельных сил М_р=0.05 МПа в мм; полных сил М_р = М_р F_n=0.05·0.00679291=0.00034 МН в мм; угла поворота кривошипа М _j = 3° в мм, или

 

рад в мм                         (5.2)

где ОВ=240 мм – длина развернутой индикаторной диаграммы.

По развернутой диаграмме через каждые 10° угла поворота кривошипа определяют значения ∆р_г и заносят в гр.2 сводной таблицы 5.1 динамического расчета (в таблице 5.1 значения даны через 10°).