Расчет режимов совместной работы турбокомпрессора и дизеля для грузового автомобиля полной массой 12 тонн

Размещено на http://www.allbest.ru/

31

1. Тепловой расчет двигателя

Задание

Разработка методики и программы расчета режимов совместной работы турбокомпрессора и дизеля для грузового автомобиля полной массой 12 тонн.

1.1 Выбор основных параметров двигателя

Исходные данные:

Мощность

Степень сжатия

Частота вращения коленвала

Количество цилиндров

Расположение цилиндров V-образное;

Тактность

1.2 Топливо

В соответствии с ГОСТ 305-82 для рассчитываемого двигателя принимаем дизельное топливо (для работы в летних условиях - марки Л и для работы в зимних условиях - марки З). Цетановое число топлива - не менее 45.

Средний элементарный состав дизельного топлива:

Углерод

Кислород

Водород

Сера

Низшая теплота сгорания топлива:



1.3 Параметры рабочего тела

Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива:

Коэффициент избытка воздуха:

Уменьшение коэффициента избытка воздуха б до возможных пределов уменьшает размеры цилиндра и, следовательно, повышает литровую мощность дизеля, но одновременно с этим значительно возрастает теплонапряженность двигателя, особенно деталей поршневой группы, увеличивается дымность выхлопных газов. Лучшие образцы современных дизелей с наддувом устойчиво работают на номинальном режиме без существенного перегрева при б=1.6-1.8.

В связи с этим принимаем:

Количество свежего заряда:

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания на 1 кг топлива:

Содержание углекислого газа:

Содержание водяного пара:

Содержание кислорода:

Содержание азота:

Общее количество продуктов сгорания:

Объемные доли компонентов в продуктах сгорания:

углекислого газа:

водяного пара:

кислорода:

азота:

Проверка:

Параметры окружающей среды и остаточные газы:

Показатель политропы сжатия:

Атмосферные условия:

Давление окружающей среды для дизелей с наддувом:

Температура окружающей среды для дизелей с наддувом:

Температура и давление остаточных газов

При наддуве температурный режим двигателя повышается и увеличивает значения Tr и Pr.

Для дизелей с наддувом температуру принимаем равной:

Давление остаточных газов для дизелей с наддувом:

2. Определение параметров рабочего цикла двигателя

2.1 Процесс впуска

Температура подогрева свежего заряда

При наддуве за счет уменьшения температурного перепада между деталями двигателя и температурой надувочного воздуха величина подогрева сокращается. С целью получения хорошего наполнения двигателя на номинальных скоростных режимах принимаем для дизеля с наддувом:

Плотность заряда на впуске для дизелей с наддувом

Удельная газовая постоянная:

Потери давления на впуске в дизеле

Принимаем данные значения в соответствии со скоростным режимом дизеля и с учетом небольших гидравлических сопротивлений во впускной системе дизеля с наддувом.

Потери давления на впуске для дизелей с наддувом:

Давление в конце впуска для дизелей с наддувом:



Коэффициент остаточных газов равен:

Температура в конце впуска

Коэффициент наполнения равен:

2.2. Процесс сжатия

На номинальном режиме работы дизеля принимаем показатель политропы сжатия приблизительно равным показателю адиабаты. Значения показателей определяем по номограмме (рис. 4) [1].

Для дизеля с наддувом принимаем:

средний показатель адиабаты сжатия:

средний показатель политропы сжатия:

Давление в конце сжатия равно:

Температура в конце сжатия равна:



Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия для дизеля с наддувом

а) воздуха:

Мольную теплоемкость воздуха при постоянном объеме в конце сжатия определяется методом интерполяции по табл. 3.7 [1].

б) Остаточных газов:

Мольная теплоемкость остаточных газов при определяется методом интерполяции по температуре и коэффициенту избытка воздуха табл. 3.9 [1].

при б=1.6 и T=800 :

при б=1.6 и T=900 :

при б=1.8 и T=800 :

при б=1.8 и T=900 :

Аналогично интерполированием определяется теплоемкость при б=1.7:

в) Рабочей смеси:

2.3 Процесс сгорания

Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси в дизелях:

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси в дизелях:

Теплота сгорания рабочей смеси в дизеле с наддувом:

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном объеме в дизелях:



Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении в дизелях:

Значения средних мольных теплоемкостей отдельных газов принимаем по табл. 3.7[1].

Коэффициент использования теплоты для современных дизелей с неразделенными камерами сгорания и хорошо образованным струйным смесеобразованием можно принять для дизеля с наддувом:

Степень повышения давления в дизеле в основном зависит от величины цикловой подачи топлива. С целью снижения газовых нагрузок на детали КШМ целесообразно иметь максимальное давление сгорания не выше 11-12 МПа. В связи с этим целесообразно принять для дизеля с наддувом:

Температура в конце видимого процесса сгорания:

Получаем

откуда



откуда

Максимальное давление сгорания для дизелей с наддувом:

Степень предварительного расширения для дизелей с наддувом:

2.4 Процесс расширения

Степень последующего расширения дизеля с наддувом:

Показатели адиабаты расширения определяем по номограмме:

Средний показатель политропы расширения n2 расширения принимаем по значению показателя адиабаты k2 с учётом поправки:

Давление и температура в конце процесса расширения:

Проводим проверку ранее принятой температуры остаточных газов:

Параметры Рг и Тг приняты правильно.

Индикаторные параметры рабочего цикла.

Теоретическое среднее индикаторное давление:

Среднее индикаторное давление равно:

-Коэффициент полноты диаграммы

Индикаторный КПД для дизеля с наддувом:

Индикаторный удельный расход топлива дизеля с наддувом:

Эффективные показатели двигателя

Принимаем ход поршня равный:

Диаметр цилиндра равен:

Средняя скорость поршня равна:

Условное среднее давление механических потерь:

Среднее эффективное давление:

Механический К.П.Д:

Эффективный КПД:

Эффективный удельный расход топлива:



Основные параметры цилиндра и двигателя.

Мощность дизеля равна:

Тактность равна:

Литраж двигателя:

Рабочий объем цилиндра:

Расчетный диаметр цилиндра:

Уменьшение S/D снижает скорость поршня и повышает зм. В связи с этим принимаем S/D=1. Окончательно принимаем:

литраж двигателя:

площадь поршня:



мощность двигателя:

литровая мощность двигателя:

крутящий момент:

часовой расход топлива:

2.5 Тепловой баланс

Тепло, выделяющееся при сгорании топлива в цилиндрах двигателя, не может быть полностью преобразовано в полезную механическую работу.

В термодинамическом цикле эффективность превращения тепла в работу оценивается термическим КПД, который всегда остается меньше 1 вследствие передачи части тепла холодному источнику. В реальном двигателе потеря тепла возрастают из-за трения, теплообмена, неполноты сгорания и других причин.

Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом:



Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1 с:

Теплота, передаваемая охлаждающей среде:

Коэффициент пропорциональности для 4-тактных двигателей:

Показатель степени для 4-тактных двигателей:

Теплота, унесенная с отработавшими газами:

Средняя мольная теплоемкость отработавших газов C:

при б=1.6 и t=0 :

при б=1.6 и t=100 :

при б=1.8 и t=0 :

при б=1.8 и t=100 :

Аналогично интерполированием определяется теплоемкость при б=1.7:

При б=1.6 и t=500 :

При б=1.8 и t=600 :

При б=1.8 и t=500 :

При б=1.8 и t=600 :



Неучтенные потери теплоты:

3. Кинематика кривошипно-шатунного механизма

3.1 Выбор л и длины шатуна

В целях уменьшения высоты двигателя с учетом опыта отечественного дизелестроения принимаем значение л=0.270. В соответствии с этим

Длина шатуна:

3.2 Перемещение поршня

Перемещение поршня в зависимости от угла поворота кривошипа для двигателя с центральным кривошипно-шатунным механизмом.

Угол поворота коленчатого вала

;

Радиус кривошипа.

Угловая скорость вращения коленчатого вала:

Перемещение поршня

Результаты расчета приведены в таблице 1.

Рисунок 1. Перемещение поршня

3.3 Скорость поршня

При перемещении поршня, скорость его движения является величиной переменной и при постоянной частоте вращения коленчатого вала зависит от изменения угла поворота кривошипа.

Результаты расчета приведены в таблице 1.

Рисунок 2. Скорость поршня

3.4 Ускорение поршня

Результаты расчета приведены в таблице 1.



Рисунок 3. Ускорение поршня

Таблица 1. Перемещение, скорость и ускорение поршня

	мм	м/с	, м/с2
0	0	0	3910
30	9.728	8.243	3082
60	34.827	13.134	1124
90	65.83	13.362	-831.179
120	92.872	10.01	-1955
150	110.187	5.119	-2250
180	116		-2247
210	110.187	-5.119	-2250
240	92.873	-10.01	-1955
270	65.83	-13.362	-831.179
300	34.827	-13.134	1124
330	9.728	-8.243	3082
360	0		3910

4. Динамика кривошипно-шатунного механизма

4.1 Силы давления газов

Сила давления газов, действующие на площадь поршня, для упрощения динамического расчета заменяют одной силой, направленной по оси поршневого пальца. Ее определяют для каждого момента времени по действительной индикаторной диаграмме, снятой с двигателя, или по индикаторной диаграмме, построенной на основе теплового расчета.

Рисунок 4. Развернутая индикаторная диаграмма

4.2 Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма

По характеру движения массы деталей двигателя кривошипно-шатунного механизма можно разделить на движущиеся возвратно-поступательно (поршневая группа и верхняя головка шатуна); совершающие вращательное движение (коленчатый вал и нижняя головка шатуна) и совершающие сложное плоскопараллельное движение (стержень шатуна).

Для упрощения динамического расчета действительный кривошипно-шатунный механизм заменяют динамически эквивалентной системой сосредоточенных масс.

Удельная масса поршневой группы

Удельная масса шатуна

Удельная масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов:

Площадь поршня:

Масса поршневой группы (для поршня из алюминиевого сплава)

Масса шатуна:

Масса неуравновешенных частей коленчатого вала:

Масса шатуна сосредоточенная на оси поршневого пальца

Масса шатуна сосредоточенная на оси кривошипа

Массы, совершающие возвратно-поступательное движение



Массы, совершающие вращательное движение

4.3 Полные и удельные силы инерции

Суммарные силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме, определяют алгебраическим сложением сил давления газов и сил возвратно- поступательных движущихся масс.

При проведении динамического расчета целесообразно пользоваться не полными, а удельными силами, отнесенными к единице площади поршня.

Силы инерции возвратно-поступательных движущихся масс:

Результаты расчета приведены в таблице 2.

Центробежная сила инерции вращающихся масс кривошипа и масс шатуна:

Центробежная сила инерции вращающихся масс шатуна:

Центробежная сила инерции вращающейся массы кривошипа:

4.4 Удельные суммарные силы

Удельная сила, сосредоточенная на оси поршневого пальца:

Результаты расчета приведены в таблице 2.

Рисунок 5. Диаграмма сил .

Удельная нормальная сила:

Удельная сила, действующая вдоль шатуна:

Результаты расчета приведены в таблице 2.



Рисунок 6. Диаграмма сил

Удельная сила, действующая по радиусу кривошипа:

Полная тангенциальная сила:

Результаты расчета приведены в таблице 3.

Рисунок 7. Диаграмма сил К и Т

Среднее значение полной тангенциальной силы, по данным теплового расчета:

Крутящий момент от одного цилиндра:

Суммарный крутящий момент:

Результаты расчета приведены в таблице 3.

Рисунок 8. Суммарный момент

Таблица 2. Силы

	, кН	, кН	, кН	, кН	, кН
0	0.059	-1.3	-1.241	0	-1.241
30	0.059	-1,025	-0.965	-0,132	-0.974
60	0.059	-0,374	-0,314	-0,076	-0,323
90	0.059	0,276	0,336	0,094	0,348
120	0.059	0.65	0.709	0,171	0.729
150	0.059	0.748	0.807	0,11	0.815
180	0.059	0.747	0.806	0	0.806
210	0.07	0.748	0.818	-0,111	0.826
240	0.111	0.65	0.761	-0,183	0.783
270	0.225	0.276	0,502	-0,141	0.521
300	0.592	-0.374	0.219	0.053	0.225
330	2.335	-1.025	1.31	-0,179	1.322
360	8.033	-1.3	6.733	0	6.733
390	3.825	-1.025	2.801	0,382	2.826
420	1.103	-0.374	0.73	0,175	0.75
450	0.491	0.276	0.768	0,215	0.797
480	0,294	0.65	0.944	0,227	0.971
510	0,221	0.748	0.97	0,132	0.979
540	0,202	0.747	0.949	0	0.949
570	0,074	0.748	0.822	-0,112	0.83
600	0,074	0.65	0.724	-0,174	0.745
630	0,074	0.276	0.35	-0,098	0,364
660	0,074	-0.374	-0.3	0,072	-0,308
690	0,074	-1,025	-0.951	0,13	-0.959
720	0,074	-1.3	-1.226	0	-1.226

Таблица 3. Силы и момент

	, кН	, кН	, Нм	, Нм
0	-13.113	0	0	0
30	-8.141	-6.306	-365.731	-2926
60	-0.969	-3.278	-190.105	-1521
90	-0,994	3.546	205.659	1645
120	-5.308	5.589	324.165	2593
150	-7.971	3.26	189.06	1512
180	-8.522
210	-8.078	-3.303	-191.602	-
240	-5.699	-6.001	-348.053	-
270	-1.486	-5.301	-307.44	-
300	0.675	-2.281	-132.282	-
330	11.049	-8.557	-496.333	-
360	71.153			-
390	23.615	18.291	1061	-
420	2.25	7.606	441.126	-
450	-2.275	8.112	470.506	-
480	-7.069	7.443	431.689	-
510	-9.572	3.914	227.026	-
540	-10.031			-
570	-8.118	-3.32	-192.538	-
600	-5.419	-5.706	-330.953	-
630	-1.038	-3.703	-214.762	-
660	-0.924	3.123	181.127	-
690	-8.016	6.209	360.105	-
720	-12.956			-

4.5 Силы, действующие на шатунную шейку коленчатого вала

Полярную диаграмму силы действующей на шатунную шейку, строят графическим сложением векторов сил К и Т.

Суммарная сила, действующая на шатунную шейку по радиусу кривошипа:

Результирующая сила, действующая на шатунную шейку:

Результаты расчета приведены в таблице 4.

Рисунок 9. Диаграмма нагрузки на шатунную шейку коленчатого вала дизеля в прямоугольных координатах



Рисунок 10. Полярная диаграмма нагрузки на шатунную шейку дизеля

4.6 Силы, действующие на коренные шейки коленчатого вала

Результирующая сила, действующая на коренную шейку, определяется геометрическим сложением сил, равных, но противоположных по направлениям силам, передающимся от двух смежных колен:

Сила, действующая на колено вала по кривошипу:

Результирующая сила, действующая на колено вала:

Суммарная сила, действующая на коренную шейку:

Результаты расчета приведены в таблице 4.



Рисунок 11. Диаграмма нагрузки на коренную шейку коленчатого вала дизеля в прямоугольных координатах

Рисунок 12. Полярная диаграмма нагрузки на коренную шейку дизеля

Таблица 4. Силы, действующие на коренные и шатунную шейку коленчатого вала

	, кН	, кН	, кН	, кН	, кН
0	-20.189	20.189	-37.026	37.026	-27.265
30	-15.218	16.472	-32.054	32.668	-22.294
60	-8.046	8.688	-24.882	25.097	-15.122
90	-8.07	8.815	-24.907	25.158	-15.147
120	-12.384	13.587	-29.22	29.75	-29.46
150	-15.047	15.396	-31.884	32.05	-22.123
180	-15.598	15.598	-32.434	32.434	-22.674
210	-15.154	15.51	-31.991	32.161	-22.231
240	-12.775	14.114	-29.612	30.213	-19.851
270	-8.563	10.07	-25.399	25.946	-15.639
300	-6.402	6.796	-23.238	23.349	-13.478
330	-3.973	9.435	-12.864	15.45	-3.104
360	64.077	64.077	47.241	47.241	57.001
390	16.539	24.659	-0.297	18.293	-9.463
420	-4.826	9.008	-21.663	22.959	-11.903
450	-9.351	12.379	-26.187	27.415	-16.427
480	-14.145	15.983	-30.981	31.863	-21.221
510	-16.648	17.102	-33.484	33.712	-23.724
540	-17.107	17.107	-33.944	33.944	-24.183
570	-15.194	15.552	-32.03	32.202	-22.27
600	-12.495	13.736	-29.332	29.881	-19.571
630	-8.114	8.919	-24.951	25.224	-15.191
660	-8	8.588	-24.836	26.032	-15.076
690	-15.092	16.319	-31.929	32.527	-22.168
720	-20.032	20.032	-36.869	36.869	-27.108

5. Расчет поршневой группы

Наиболее напряженным элементом поршневой группы является поршень, воспринимающий высокие газовые, инерционные и тепловые нагрузки. Его основными функциями является уплотнение внутрицилиндрового пространства и передача газовых сил давления с наименьшими потерями кривошипно-шатунному механизму. Поршень представляет собой достаточно сложную деталь, как в отношении самой конструкции, так и в отношении технологии и подбора материала при его изготовлении.

Его рассчитывают на прочность без учета переменных нагрузок, которые возникают в цилиндре от давления в период работы двигателя. Учитывают только нагрузки от максимального давления газов в цилиндре. Расчетными элементами являются: днище, стенки головки, верхняя кольцевая перемычка, опорная поверхность, юбка.

Высота верхней части поршня над поршневым пальцем определяется количеством, геометрическими размерами, расположением компрессионных и маслосъемных колец и прочностью перемычек между ними.

5.1 Расчет поршня

Основные данные для расчетов:

диаметр поршня:

ход поршня:

максимальное давление сгорания:

площадь поршня:

масса поршневой группы:

наибольшая удельная нормальная сила:

Максимальная частота вращения на холостом ходу

В соответствии с существующими аналогичными двигателями и с учетом соотношений принимаем:

высоту кольца:

высоту поршня:

высоту юбки поршня:

радиальную толщину кольца:

радиальный зазор в канавке по диаметру:

толщину стенки головки поршня:

величину верхней кольцевой перемычки:

число масляных каналов:

диаметр масляных каналов:

материал поршня - алюминиевый сплав:

материал гильзы цилиндра - серый чугун:

Напряжение сжатия в сечении х - х.

Внешний диаметр опасного сечения:

Внутренний диаметр опасного сечения:

Площадь маслоотводных отверстий:

;

Площадь опасного сечения х - х:



Максимальная сжимающая сила:

Напряжение сжатия:

допустимое значение

Напряжение разрыва в сечении х - х:

Максимальная угловая скорость холостого хода:

Масса головки поршня с кольцами расположенными выше сечения х-х:

Максимальная разрывающая сила:

Напряжение разрыва:

допустимое значение



Напряжения в верхней кольцевой перемычке:

Среза:

Изгиба:

Сложное:

допустимое значение

Удельное давление поршня на стенку цилиндра:

допустимое значение

допустимое значение

Гарантированная подвижность поршня в цилиндре достигается за счет установки оптимальных диаметральных зазоров между цилиндром и поршнем при различных тепловых нагрузках, возникающих в процессе работы дизеля.

Диаметр головки поршня с учетом монтажных зазоров:

Диаметр юбки поршня с учетом монтажных зазоров:

Диаметральные зазоры в горячем состоянии:

;

;

.

Температуры приняты с учетом жидкостного охлаждения двигателя.

5.2 Поршневые кольца

Поршневые кольца работают в условиях высоких температур и значительных переменных нагрузок, выполняя три основные функции:

1) герметизации надпоршневого пространства в целях максимально возможного использования тепловой энергии топлива;

2) отвода избыточной доли теплоты от поршня в стенки цилиндра;

3) «управления маслом», т.е. рациональное распределение масляного слоя по зеркалу цилиндра и ограничения попадания масла в камеру сгорания.

В соответствии с существующими аналогичными двигателями и с учетом соотношений принимаем:

материал кольца - серый легированный чугун

модуль упругости материала:

коэффициент линейного расширения:

разность между величинами зазоров кольца в свободном и рабочем состоянии:

Среднее давление кольца на стенку гильзы цилиндра:

допустимое значение для компрессионного кольца

допустимое значение для маслосъемного кольца

Давление кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности при каплевидной форме эпюры давления:

Таблица 6. Эпюра давления компрессионного кольца на стенку цилиндра

		, МПа
0	1,05	0.166
30	1,05	0.166
60	1,14	0.18
90	0.9	0.142
120	0.45	0.071
150	0.67	0.106
180	2.85	0.451

Рисунок 13. Каплевидная эпюра давления компрессионного кольца дизеля на стенку цилиндра

Напряжение изгиба кольца:

в рабочем состоянии:

допустимое значение

где - коэффициент, зависящий от способа надевания кольца

условие соблюдается

Монтажный зазор в прямом замке поршневого кольца в холодном состоянии:

Минимально допустимый зазор в замке кольца

Температура кольца

5.3 Поршневой палец

Во время работы двигателя поршневой палец подвергается воздействию переменных нагрузок, приводящих к возникновению напряжений изгиба, сдвига, смятия и овализации. В соответствии с указанными условиями работы к материалам, применяемым для изготовления пальцев, предъявляют требования высокой прочности и вязкости. Этим требованиям удовлетворяют цементированные малоуглеродистые и легированные никелем и хромом стали с твердой поверхностью и вязкой основой.

Основные данные для расчета:

ширина верхней головки шатуна

наружный диаметр пальца:

расстояние между бобышками

внутренний диаметр пальца:

длина пальца:

материал поршневого пальца - сталь 12ХНЗА,

модуль упругости материала:

Расчетная сила, действующая на поршневой палец:

газовая

инерционная

расчетная

где - коэффициент, учитывающий массу поршневого пальца

Удельное давление пальца на втулку поршневой головки шатуна:

допустимое значение

Удельное давление пальца на бобышки:

допустимое значение

отношение диаметров:



Напряжение изгиба в среднем сечении пальца:

допустимое значение

Касательные напряжения среза в сечениях между бобышками и головкой шатуна:

допустимое значение

Наибольшее увеличение горизонтального диаметра пальца при овализации:

допустимое значение

Напряжение овализации на внешней поверхности пальца:

в горизонтальной плоскости (точки 1, ш =0):



в вертикальной плоскости (точки 3, ш =90)::

Напряжение овализации на внутренней поверхности пальца:

в горизонтальной плоскости (точки 2, ш =0):

допустимое значение

в вертикальной плоскости (точки 4, ш =90)::

6. Расчет шатунной группы

Конструкция шатунов, применяемых в автомобильных и тракторных двигателях, разнообразна и зависит в основном от типа двигателя и расположения цилиндров. Расчетными элементами шатунной группы являются поршневая и кривошипная головка, стержень шатуна и шатунные болты.

При работе шатун подвергается воздействию знакопеременных газовых и инерционных сил, а в отдельных случаях эти силы создают ударные нагрузки. Поэтому шатуны изготавливают из марганцовистых хромоникелевых сталей с содержанием углерода от 0,3 до 0,45%.

Рисунок 14. Шатунная группа

6.1 Расчет поршневой головки шатуна

Основные данные для расчетов:

внутренний диаметр головки шатуна:

наружный диаметр головки шатуна:

Материал шатуна - сталь 40Х; ;

Предел прочности:

Пределы усталости:

при изгибе:

при растяжении - сжатии:

Предел текучести:

Коэффициенты приведения цикла:

при изгибе:

при растяжении - сжатии:

Материал втулки - бронза ;

При изгибе:

При растяжении - сжатии:

Расчет сечения I - I:

Радиальная толщина стенки головки:

Масса части головки выше сечения I - I:

Максимальное напряжение пульсирующего цикла:

Среднее напряжение:

Эффективный коэффициент концентрации напряжений

Масштабный коэффициент:

Коэффициент поверхностной чувствительности

Амплитуда напряжений:

Т.к.

Запас прочности в сечении I - I определяется по пределу усталости:

Напряжение от запрессованной втулки:

суммарный натяг:

где - натяг посадки бронзовой втулки;

- средняя температура подогрева головки и втулки;

Удельное давление на поверхности соприкосновения втулки с головкой:

где - коэффициент Пуансона;

Напряжение от суммарного натяга на внешней поверхности головки:

допустимое значение

Напряжение от суммарного натяга на внутренней поверхности головки:

допустимое значение



Расчет сечения А-А на изгиб:

Максимальная сила, растягивающая головку:

Нормальная сила в сечении О - О:

где - угол заделки

Изгибающий момент в сечении О - О:

Нормальная сила и изгибающий момент в расчетном сечении от растягивающей силы:

Напряжение на внешнем волокне от растягивающей силы:

Суммарная сила, сжимающая головку:

Нормальная сила и изгибающий момент в расчетном сечении от сжимающей силы:

Напряжение на внешнем волокне от сжимающей силы:

Максимальное и минимальное напряжения ассиметричного цикла:

Среднее напряжение и амплитуда напряжений:

Т.к.

Запас прочности в сечении A - A определяется по пределу текучести:

6.2 Расчет кривошипной головки шатуна

Основные данные для расчета:

масса шатунной группы:

диаметр шатунной шейки:

толщина стенки вкладыша:

расстояние между шатунными болтами:

длина кривошипной головки шатуна:

масса крышки:

Максимальная сила инерции, направленная на изгиб крышки нижней головки шатуна:

Внутренний радиус нижней головки:

Момент сопротивления расчетного сечения крышки без учета ребер жесткости:

Моменты инерции вкладыша и крышки:

Суммарная площадь крышки и вкладыша в расчетном сечении:



Напряжение изгиба крышки нижней головки и вкладыша подшипника:

допустимое значение

6.3 Расчет стержня шатуна

Основные данные для расчета:

размер сечения

размер сечения

размер сечения

размер сечения ;

размер сечения

внутренний диаметр шатунной шейки

Площадь и моменты инерции расчетного сечения В - В:

Напряжение в сечении В - В от действия на сжатие суммарных сил:

в плоскости качания шатуна:

в плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна:

Минимальное напряжение от растягивающей силы:

Средние напряжения и амплитуды цикла:

Т.к.

Запасы прочности в сечении B - B определяется по пределу усталости:

6.4 Расчет шатунных болтов

Основные данные для расчета:

коэффициент приведения при растяжении - сжатии:

количество болтов:

диаметр болта:

шаг резьбы:

масштабный коэффициент:

коэффициент поверхностной чувствительности:

Материал - сталь 40ХН:

предел прочности:

предел текучести:

предел усталости при растяжении - сжатии:

Сила предварительной затяжки болтов:

Суммарная сила, растягивающая болт:

коэффициент основной нагрузки резьбового соединения:

Максимальное и минимальное значение напряжения в болтах:

Среднее значение напряжения и амплитуды цикла:

где

;

Т.к.

то запас прочности болта определяется по пределу усталости:

7. Расчет корпуса двигателя

двигатель дизель поршневой турбокомпрессор

У большей части современных автомобильных и тракторных двигателей блок цилиндров выполнен заодно с верхней частью картера и называется блок-картером. К блок-картеру крепят и в нем размещают различные механизмы и отдельные детали двигателя. При работе двигателя блок-картер воспринимает значительные динамические и тепловые нагрузки. Схема передачи сил давления газов через элементы блока определяет силовую схему блок-картера. В современных автомобильных и тракторных двигателях наибольшее распространение получили следующие силовые схемы: с несущим блоком цилиндров; с несущим блоком рубашек и с несущими силовыми шпильками.

7.1 Блок цилиндров

Конструкция блока цилиндров и его габаритные размеры определяются назначением, условиями работы и мощностью двигателя. Для расчета принимаем материал корпуса - чугун. Толщина перегородок чугунного блока и стеной жидкостной рубашки обычно не превышает 4 - 7 мм, а толщина перегородок и стенок верхней половины картера 5 - 8 мм. Для однорядного дизельного двигателя с однопролетным коленчатым валом и с подшипниками качения отношение .

7.2 Гильза цилиндра

Основные данные для расчета:

толщина стенки гильзы цилиндра:

температурный перепад между внутренней и наружной поверхностями гильзы:

Материал гильзы цилиндра - чугун:

допустимое напряжение на растяжение для чугуна:

Расчетная толщина стенки гильзы:

толщину стенки выбирают с некоторым запасом прочности:

Напряжение растяжения в гильзе от действия максимального давления газов:

допустимое значение

Температурные напряжения в гильзе:

где

Суммарные напряжения в гильзе от давления газов и перепада температур:

допустимое значение

на наружной поверхности:

на внутренней поверхности:



7.3 Головка блока цилиндров

Толщина нижней опорной стенки головки:

Толщина стенок жидкостной рубашки:

7.4 Расчет шпильки головки блока дизеля

Основные данные для расчета:

Материал шпильки - сталь 18ХНВА:

предел текучести:

предел усталости при растяжении - сжатии:

коэффициент приведения цикла при

растяжении - сжатии:

количество шпилек на один цилиндр:

коэффициент затяжки шпильки для соединения

с прокладками:

коэффициент основной нагрузки резьбового

соединения:

номинальный диаметр шпильки:

шаг резьбы:

внутренний диаметр резьбы шпильки:

масштабный коэффициент

коэффициент поверхностной чувствительности

Проекция поверхности камеры сгорания на площадь, перпендикулярную оси цилиндра при верхнем расположении клапанов:

Сила давления газов на одну шпильку:

Сила предварительной затяжки:

Суммарная сила, растягивающая шпильку, без учета силы :

Минимальная сила, растягивающая шпильки:

Площадь сечения шпильки по внутреннему диаметру:

Максимальные и минимальные напряжения, возникающие в шпильке:

Среднее значение напряжения и амплитуды цикла:

где

т.к.

Запас прочности болта определяется по пределу текучести:

7.5 Расчет турбокомпрессора

В настоящее время наиболее распространенным типом центробежного компрессора, применяемого для турбокомпрессора, является радиально-осевой компрессор полуоткрытого типа с радиальным расположением лопаток на выходе из рабочего колеса.

Расчет компрессора

Массовый расход воздуха через двигатель

коэффициент продувки

Плотность воздуха на входе в компрессор

Объемный расход воздуха через компрессор:

Расчет водного устройства и рабочего колеса:

Температура воздуха в сечении а_вх-а_вх:

Давление воздуха в сечении а_вх-а_вх:

потери давления на всасывании в компрессор:

Степень повышения давления воздуха в компрессоре:

По полученным значениям выбираем типоразмер турбокомпрессора - ТКР-11.

Принимаем номинальный базовый диаметр колеса компрессора

Адиабатическая работа сжатия в компрессоре:

Показатель адиабаты

Окружная скорость на наружном диаметре колеса компрессора:

коэффициент напора

Частота вращения колеса компрессора:

Температура воздуха на входе в колесо компрессора (сечение I-I):

скорость воздуха во входном сечении:

абсолютная скорость потока перед колесом:

теплоемкость воздуха при постоянном давлении:

Потери в воздухоподводящем патрубке компрессора:

коэффициент потерь для патрубков с осевым входом



Показатель политропы на участке входа воздуха в компрессор:

откуда

Давление перед колесом компрессора:

Плотность воздуха в сечении I-I:

Площадь поперечного сечения I-I:

Диаметр рабочего колеса на входе в компрессор:

отношение диаметра втулки колеса к его диаметру на входе

Диаметр втулки рабочего колеса компрессора:

Относительный диаметр втулки рабочего колеса:

Относительный диаметр колеса на входе:

Относительный средний диаметр на входе в колесо:

Коэффициент мощности для осерадиальных колес:

число лопаток рабочего колеса:

Окружная составляющая абсолютной скорости на выходе из колеса:

Радиальная составляющая абсолютной скорости:

Абсолютная скорость воздуха на выходе из колеса:

лежит в интервале 0.9-0.97.

Температура воздуха на выходе из колеса:

Коэффициент дисковых потерь

Давление воздуха на выходе из колеса:

показатель политропы сжатия в рабочем колесе:

Плотность воздуха за рабочим колесом:

Высота лопаток рабочего колеса на диаметре D₂:

Относительная высота лопаток в выходном сечении колеса:



Относительная ширина колеса компрессора:

ширина колеса компрессора:

Расчет диффузоров и воздухозаборника:

Ширина безлопаточной части диффузора:

Наружный диаметр безлопаточного диффузора:

где, относительный наружный диаметр безлопаточного диффузора:

Абсолютная скорость на выходе из безлопаточного диффузора:

-входит в интервал 1.08-1.25.

Давление за лопаточным диффузором:

Температура воздуха за лопаточным диффузором:

Показатель политропы сжатия в диффузорах:

Скорость воздуха на выходе из лопаточного диффузора:

Ширина лопаточного диффузора на выходе:

угол раскрытия стенок лопаточного диффузора:

Наружный диаметр лопаточного диффузора:

Скорость воздуха на выходе из воздухосборника:

Потери в воздухосборнике (улитке):

коэффициент потерь в воздухосборнике:

Давление на выходе из улитки:

принимаем:

Расчет основных параметров компрессора:

Действительная степень повышения давления в компрессоре:

Адиабатический КПД компрессора:

Адиабатическая работа, определенная по действительной степени повышения давления:

Расчетный коэффициент напора:

Расчетное значение отличается от принятого ранее на 3.6%, что допустимо.

Мощность, затрачиваемая на привод компрессора:

Расчет турбины

Количество выпускаемых газов поступающих на турбину от двигателя:

Давление газа в выпускном патрубке:

Температура газа перед турбиной:

показатель политропы расширения в процессе выпуска:

Температура газа в выпускном патрубке:

Противодавление за турбиной:

Показатель изоэнтропы выпускных газов для 4-х тактных двигателей:

Молекулярная масса газа перед турбиной:

Молекулярная масса воздуха:

Газовая постоянная выпускных газов:

универсальная газовая постоянная:

Давление газа перед турбиной:

КПД изобарной радиальной турбины:

Расчет направляющего аппарата (сопла):

Полная адиабатическая работа расширения газа в турбине:

Адиабатическая работа расширения в направляющем аппарате:

степень реактивности:



Абсолютная скорость газа перед рабочим колесом:

коэффициент скорости:

Температура газа за направляющим аппаратом:

Число Маха:

Радиальная составляющая абсолютной скорости газа перед рабочим колесом:

угол выхода потока из направляющего аппарата:

Окружная составляющая абсолютной скорости газа перед рабочим колесом:

Угол входа потока на лопатки рабочего колеса:

окружная скорость на наружном диаметре колеса:

Условная адиабатическая скорость истечения газа:

Параметры быстроходности турбины:

значение лежит в диапазоне 0.65-0.7.

Относительная скорость потока перед колесом:

Наружный диаметр рабочего колеса:

Потери энергии в направляющем аппарате:

Входной диаметр направляющего аппарата:

Отношение диаметров принимаем равным:

Показатель политропы расширения в направляющем аппарате:

Откуда

Давление газа на выходе из направляющего аппарата:

Плотность газового потока:

Ширина лопаток направляющего аппарата:

Расчет рабочего колеса

Адиабатическая работа расширения газа в колесе турбины:

Относительная скорость газа на выходе из рабочего колеса:

коэффициент скорости

втулочный диаметр

среднеквадратичный диаметр колеса на выходе

Относительный среднеквадратичный диаметр колеса на выходе:

Окружная скорость на диаметре D_2ср:

Абсолютная скорость на выходе из колеса:

Температура газа на выходе из колеса:

коэффициент дисковых потерь:

Адиабатический КПД турбины без учета потерь с выходной скоростью:

Адиабатический КПД турбины с учетом потерь с выходной скоростью:

Общий КПД турбины:

механический КПД компрессора:

КПД компрессора:

Мощность, развиваемая турбиной:

Размещено на Allbest.ru