Теоретические основы и расчет дизельного двигателя ЯМЗ-236

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЯ

1.1 Выбор отношения радиуса кривошипа к длине шатуна

1.2 Выбор размеров и числа цилиндров

1.3 Выбор коэффициента избытка воздуха и степени сжатия

1.4 Обоснование необходимости наддува дизельного двигателя и определение его давления

2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

2.1 Параметры рабочего тела

2.2 Параметры окружающей среды и остаточных газов

2.3 Определение параметров рабочего цикла

2.3.1 Процесс впуска

2.3.2 Процесс сжатия

2.3.3 Процесс сгорания

2.3.4 Процесс расширения

2.4 Определение основных размеров двигателя, показателей топливной экономичности и КПД

2.5 Построение и анализ индикаторной диаграммы

3. ПОСТРОЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ

Теоретическая регуляторная характеристика дизеля

3.1 Построение теоретической регуляторной характеристики в функции от частоты вращения

3.2 Построение регуляторной характеристики в функции от эффективной мощности

3.3 Построение регуляторной характеристики в функции от крутящего момента

4. ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

4.1 Определение сил, действующих на поршень и поршневой палец

4.2 Определение сил, действующих на шатунную шейку коленчатого вала

4.3 Расчет момента инерции и параметров маховика

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Тракторы, автомобили и самоходные сельскохозяйственные машины используются для выполнения различных операций в течение года. Эти различия определяют особые требования к типам силовых установок, их ресурсу, экономичности и экологической безопасности. Поэтому важное значение имеют вопросы правильной организации эксплуатация автотракторных двигателей, при которой будут достигнуты вышеуказанные требования. Будущий специалист сельскохозяйственного производства должен не только хорошо знать устройство тракторов, автомобилей и других сложных машин, но и глубоко понимать процессы, происходящие в них. Одним из сложнейших агрегатов любой самоходной машины является двигатель, на который приходится более 30% всех отказов во время эксплуатации. дизельный двигатель цилиндр

Целью данной курсовой работы является систематизация и закрепление знаний по основным разделам курса «Основы теории и расчета автотракторных двигателей», формирование исследовательских навыков и умений по решению инженерных задач и представление полученных результатов как в письменном, так и в графическом виде.

Основными задачами являются:

- закрепление знаний, полученных ранее;

- приобщение к работе со специальной и нормативной литературой;

- формирование практических навыков применения норм проектирования, методик расчетов, оценки, сравнения и выбора, умения принимать обоснованные решения для поставленных задач;

- формирование умения применять современные расчетно-графические экономико-математических методы технического и экономического анализа;

- формирование практических навыков оформления проектных материалов (четкое, ясное и грамотное изложение материала работы);

- воспитание ответственности за качество принятых решений.

При расчетах тепловых и динамических показателях двигателя мы определим основные размеры проектируемого двигателя, индикаторные параметры рабочего цикла, КПД и экономичность, силы и моменты, нагружающие детали кривошипно-шатунного механизма и определим требуемый момент инерции маховика, а также определим параметры внешней характеристики двигателя.

Для расчетов принимаем дизельный тип двигателя. Двигатель ЯМЗ-236 является четырехтактным. Цилиндры расположены V-образно, номинальная мощность Nе=132,4 кВт при n_н=2100 мин^-1, система охлаждения - жидкостная.

Двигатели дизельные, с турбонаддувом и без него, V-образные, шестицилиндровые (ЯМЗ-236) четырёхтактный, назначение -- оснащение большегрузные автомобили («КАМАЗ», «Урал» и т. д.), тракторы (К-700), бронетранспортёры, строительная техника и т. д.



1. Определение основных параметров двигателя

1.1 Выбор отношения радиуса кривошипа к длине шатуна

Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна л = R/L для современных автотракторных двигателей составляет 0,21...0,30, причем для быстроходных двигателей обычно применяются длинные шатуны (значения л малы), для тракторных - относительно короткие.

Следует учитывать, что с увеличением л повышается вероятность задевания шатуна за нижнюю кромку цилиндра, в связи с чем приходится выполнять вырезы в нижней части цилиндров; увеличивается давление на стенку цилиндра, повышаются потери мощности на трение и ускоряется изнашивание цилиндров и поршней; возрастают силы инерции второго порядка, что также способствует ускорению изнашивания деталей двигателя; уменьшается габаритная высота, масса шатуна и двигателя. Последнее является единственным преимуществом коротких шатунов.

1.2 Выбор размеров и числа цилиндров

Выбор размеров и числа цилиндров производится на основе следующих соображений.

Диапазон возможного изменения диаметра цилиндра можно определить, используя зависимость D = f(n_н) для существующих моделей двигателей[10]. Точки на графиках соответствуют реальным двигателям, степень концентрации точек указывает предпочтительность выбора размеров цилиндра при заданной частоте вращения. Верхние границы заштрихованной области относятся к короткоходным (S/D = 0,8...0,9), а нижние - к длинноходным (S/D = 1,1...1,2) двигателям. При известных типах двигателя и частоте вращения можно определить диапазон предпочтительных диаметров цилиндра. Назначив стандартный D (в мм, округленный на 0 или 5 - для дизелей или до ближайшего четного числа - для карбюраторных двигателей), по соответствующему соотношению S/D определяют ход поршня S и ориентировочно среднюю скорость поршня.

Из исходных данных . Принимаем D=140 мм. По соотношению 1,08 определяем ход поршня S (расстояние по оси цилиндра между мёртвыми точками) и ориентировочно среднюю скорость поршня.

Среднюю скорость поршня определяем по формуле:

(1.1)

Следует помнить, что С_n является показателем тепловой напряжённости и динамической нагруженности деталей двигателя и существенное её повышение.

По заданным номинальной мощности , частоте вращения коленчатого вала , оценённым размером цилиндра определяем их число .

Число цилиндров в свою очередь определяется уровнем форсирования двигателя по мощности, т. е. литровой мощностью.

Для определения литровой мощности целесообразно использовать графики N_ел=f(D) (рисунок 1.2) [4, стр.14]. Согласно графику пределы литровой мощности находятся в интервале .

Устанавливаем цилиндровую мощность:

Рабочий объём цилиндра, это объём цилиндра, освобождаемый поршнем при перемещении от в.м.т. к н.м.т.

Значение D и S - принимаем в дм.

Требуемое число цилиндров определяем по формуле:

(1.3)

Полученное значение округляем до ближайшего целого числа, однако желательно исключить значения . Принимаем .

Необходимо уточнить значение литровой мощности по формуле:

(1.4)



1.3 Выбор камеры сгорания, коэффициента избытка воздуха и степени сжатия

Выберем неразделённую камеру сгорания с наддувом и объёмно - плёночным смесеобразованием.

Коэффициент избытка воздуха определяет состав горючей смеси. Его значение зависит от типа смесеобразования, условий воспламенения и сгорания топлива, а также от режима работы двигателя.

Для номинального режима работы дизелей с турбонаддувом Степень сжатия для дизелей рекомендуется выбирать в следующих пределах .Выбираем из этих интервалов: , [4, стр. 45].

1.4 Обоснование необходимости наддува дизельного двигателя и определение его давления

Принятые в п. 1.2 значения литровой мощности двигателя предопределяют уровень среднего эффективного давления

,

где: ф - тактность двигателя (для четырехтактных двигателей ф = 4).

Предварительно приняв _e = 0,30...0,42 - для дизелей, а также _v = 0,8...0,9 можно определить плотность воздуха с_k, требуемую для реализации N_ел:



.

, (1.8)

где: P₀ - давление окружающей среды (P₀ = 0,1 МПа);

₀ - плотность атмосферного воздуха (₀ = 1,21 кг/м³);

n_k - показатель политропы сжатия в компрессоре, зависящий от его типа и степени совершенства протекающего в нем процесса (для центробежных компрессоров n_k = 1,6...2,0).

,

Учитывая, что при 293К плотность воздуха , определяем, что наддув для данного двигателя не требуется, т.к. входит в интервал 0,1…0,14.



2. тепловой расчет двигателя

В результате теплового расчета определяются индикаторные показатели цикла, параметры рабочего цикла двигателя, основные размеры двигателя и показатели его топливной экономичности на номинальном режиме работы. При выполнении теплового расчета следует ориентироваться на представленные в приложении Б параметры и показатели работы двигателя.

2.1 Параметры рабочего тела

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива

(2.1)

где - весовая доля соответствующих компонентов.

- для дизельного топлива

или

, (2.2)

,

где - масса 1 кмоля воздуха .

Количество свежего заряда



, (2.3)

где - коэффициент избытка воздуха.

Общее количество продуктов сгорания

(2.4)

.

Химический коэффициент молекулярного изменения горючей смеси

(2.5)

.

2.2 Параметры окружающей среды и остаточных газов

Атмосферные условия для расчетов, принимаются следующие: Для дизелей с наддувом МПа,

Температура остаточных газов, принимаем из интервала

При работе дизеля с турбонаддувом воздух поступает в цилиндры не из атмосферы, а из компрессора. Значения Р_о и Т_о в последующих расчетах принимаются равными давлению и температуре на выходе из компрессора и при этом:

где - показатель политропы сжатия в компрессоре. Для центробежных нагнетателей без охлаждения этот показатель составляет

2.3 Определение параметров рабочего цикла

Давление и температура в конце процесса впуска.

, (2.6)

где - величина потери давления на впуске, МПа

, (2.7)

где - коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра;

- коэффициент сопротивления впускной системы;

- средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы,

- плотность заряда на впуске, Для дизелей без наддува

Для дизелей принимают . Чем выше скорость поршня , тем выше . Примем , а .

Коэффициент остаточных газов

(2.8)

,

где - подогрев свежего заряда .

Температура в конце впуска:

(2.9)

Коэффициент наполнения:

(2.10)

Давление и температура в конце процесса сжатия

; (2.11)

, (2.12)

где - показатель политропы сжатия, который находится в пределах .

Максимальное давление и температура в конце сгорания.

, (2.13)

где

Температуру определяем из уравнения сгорания, которое для четырехтактного дизеля имеет вид:

, (2.14)

где - средняя мольная теплоемкость воздуха при постоянном объеме, ;

- средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении, ;

- коэффициент использования теплоты:

- низшая теплота сгорания топлива (для дизельного топлива ).

Подставляя полученные значения в уравнение сгорания топлива (2.14) получим:

Решая это квадратное уравнение, находим

Степень предварительного расширения подсчитывается по формуле:

(2.15)

Степень последующего расширения



(2.16)

Давление газов в конце процесса расширения определяем по формуле:

(2.17)

- показатель политропы расширения. У дизелей

Температура газов в конце расширения:

(2.18)

Оценим правильность выбора значения температуры отработавших газов, сделанной в начале теплового расчёта по формуле:

(2.19)

Относительная ошибка составляет:



Достоверность расчёта рабочего цикла обеспечена, т. к. полученное значение принятого в начале расчёта , отличаются менее чем на .

2.4 Определение основных размеров двигателя и показателей топливной экономичности и КПД

Среднее теоретическое индикаторное давление для нескругленной индикаторной диаграммы подсчитывается по формуле:

, (2.21)

Действительное среднее индикаторное давление:

,

где - коэффициент скругления индикаторной диаграммы для дизелей

Р = Р_r - Р_а =0,12-0,14=-0,02 - потери индикаторного давления на проведение вспомогательных ходов (всасывание и выталкивание).

Среднее давление механических потерь приближенно можно определить по формуле для дизельных двигателей:

Р_м = 0,105 + 0,012х_П=0,105+0,01210,75=0,2 МПа.

где х_П - скорость поршня (м/с).

Среднее эффективное давление ,

(2.22)

Механический КПД двигателя:

(2.23)

Индикаторный КПД двигателя:

(2.24)

Эффективный КПД

(2.25)

Индикаторный и эффективный - удельные расходы топлива при работе двигателя на номинальном режиме - определяются по формулам:



(2.26)

(2.27)

Часовой расход топлива на номинальном режиме

, кг/ч

где N_eн - номинальная эффективная мощность двигателя в кВт.

Определим рабочий объем цилиндров проектируемого двигателя в литрах

, (2.28)

- эффективная мощность двигателя на номинальном режиме

- коэффициент тактности .

Объем камеры сжатия:

. (дм³)

Радиус кривошипа:

Длина шатуна:

мм.

2.5 Построение и анализ индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма строится в координатах

На оси абсцисс откладываем отрезок и принимаем его за единицу. В принятом масштабе откладываем объёмы

Выбрав на оси ординат масштаб давлений , откладываем точки: , , , , , , давление . Соединяем точки , , , , , прямыми, параллельными оси абсцисс. Точки и соединяем политропой сжатия, а и - политропой расширения. Промежуточные значения этих кривых рассчитываем, используя следующие формулы:

- для политропы сжатия;

- для политропы расширения.

Входящие в эти уравнения отношения объёмов определяются по соотношению соответствующих отрезков на оси абсцисс.

Данные для построения индикаторной диаграммы сводим в таблицу.

Пример расчёта: при .

Через точки а, с и полученные промежуточные значения X₁, X₂, X₃… проводим плавную кривую - политропу сжатия. Через точки z, b и промежуточные точки X₁, X₂, X₃… проводим другую плавную кривую - политропу расширения.

Скругление построенных индикаторных диаграмм выполняем следующим образом. Касание политропы сжатия линии ВМТ (точка с") должно быть выше точки с примерно на 1/3 отрезка cz'. Начало видимого повышения давления на линии сжатия (точка с) должно находиться до ВМТ за 0,04 V_h (V_h=).

Точка z_Д располагается примерно посредине между точками z' и z.

Точка b' соответствует моменту открытия выпускного клапана. Точка b", характеризующая конец расширения в действительном рабочем цикле, обычно находится на половине расстояния между точками а и b.



3. Построение теоретических характеристик двигателя

3.1 Построение регуляторной характеристики в функции от частоты вращения

Регуляторная характеристика в функции от частоты вращения- скоростная характеристика дизеля на регуляторе ()=f(n) строим в такой последовательности:

1) Выбираем масштаб для построения графика. По оси абсцисс графика выбираем, ориентируясь на значения . Значение номинальной частоты вращения нам известно (= 2100). Максимальная частота вращения холостого хода определяем по формуле

где -степень неравномерности регулятора. Принимаем равным =0,05

Отсюда

Частоту вращения при максимальном крутящем моменте определяем

Где - коэффициент приспособляемости двигателя по оборотам. Принимаем равным 1,25

Отсюда 2100/ 1,25 = 1680

Значение крутящего момента на номинальном режиме определяем



, Hм

Отсюда = 585.7Hм

На оси абсцисс отмечаем три характерные точки которые соответствуют , ,, через которые проводим вертикальные вспомогательные линии.

2) Перед построением графика составляем таблицу, в которую заносим известные численные значения величин .

, , выбираем произвольно- равномерно в диапазоне частот от до . Для значений частот в этом диапазоне по эмпирической зависимости рассчитываем соответствующие значения крутящих моментов

Hм

==662,78Нм

==649,77Нм

==632,58Нм

==664,89Нм

Определяем коэффициент приспособляемости дизеля по моменту

=664,89/=1,135

Эффективную мощность рассчитываем по формуле

кВт



=662,78/9550=117,98кВт

=649,77/9550=122,47кВт

=632,581900/9550=125,85кВт

=664,89/9550=116,96кВт

3) Для построения зависимости определяются значения на характерных режимах. На номинальном режиме ()

=209,60132,4/1000=27кг/ч

На максимальном скоростном режиме ()

=0,2527=6,75кг/ч

В режиме

=1,11.135/1,25=26.97кг/ч

Значения удельного расхода топлива на всех скоростных режимах определяем по формуле

=271000/132,4=209.6 г/кВтч

3.2 Построение регуляторной характеристики в функции от эффективной мощности

На графике в принятом масштабе последовательно наносим зависимости (n, )=f(). Характерными точками являются : холостой ход , номинальный режим , мощность при .

Регуляторную ветвь строим в диапазоне (0,4…1,0)

Значение определяем по формуле



По регуляторной характеристике в функции от эффективной мощности для оценки топливной экономичности двигателя определяем эксплуатационный оценочный удельный расход топлива

г/(кВтч)

Где - значения удельного расхода топлива на регуляторной ветви характеристики в диапазоне от 50 до 100% номинальной мощности через равные промежутки;

3.3 Построение регуляторной характеристики в функции от крутящего момента

Регуляторная характеристика в функции от крутящего момента строится только при тяговом расчете трактора. На графике (рис.4.3) в принятом масштабе строятся зависимости ( n, ). Характерными точками характеристики являются: холостой ход



4. Динамический расчет двигателя

4.1 Определение сил, действующих на поршень и поршневой палец

Цель динамического расчета двигателя - определение сил и моментов, нагружающих детали кривошипно-шатунного механизма (КШМ) и определение требуемого момента инерции и массы маховика.

На поршень и поршневой палец действуют силы давления газов и силы инерции движущихся возвратно-поступательно масс КШМ.

Силу давления газов определяем по формуле

, Н

Где - текущее значение давления газов по индикаторной диаграмме, МПа;

D- диаметр цилиндра;

Для дальнейших расчетов нужно выразить силу Рг в функции от угла ? поворота коленчатого вала. При центральном КШМ связь между различными точками индикаторной диаграммы и указанными углами может быть установлена графическим способом₍ Под осью абсцисс диаграммы строится полуокружность радиусом R, равным половине отрезка Vh. Вправо по горизонтали от центра полуокружности откладывается в том же. масштабе отрезок, равный Rл/2=140*0,25/2=15мм, где л- постоянная двигателя: отношение радиуса кривошипа к длине шатуна. Из конца этого отрезка проводится ряд лучей под углами б₁, а₂, ??... к горизонтали до пересечения с полуокружностью. Проекции концов этих лучей на отдельные ветви индикаторной диаграммы указывают, какие значения давления P_х соответствуют тем или иным углам поворота коленчатого вала.

Силу инерции возвратно- поступательно движущихся масс кривошипно-шатунного механизма определяем по формуле

Где -сила инерции первого порядка, период изменения которой равен одному обороту коленчатого вала ();

-сила инерции второго порядка, период изменения которой равен Ѕ оборота коленчатого вала ()

Отсюда

где m- масса движущихся возвратно-поступательно деталей КШМ определяем по формуле

m =4+0,2756=5,65кг

где 4кг- масса поршневого комплекта

=6 кг масса шатуна

Значения и принимаем по табл. 4.1 (приложение) в зависимости от D

Угловую частоту вращения коленчатого вала определяем при номинальном скоростном режиме двигателя

=3,142100/30=219,8с^-1



4.2 Определение сил, действующих на шатунную шейку коленчатого вала

На шатунную шейку действуют две силы (рис.4.2, приложение): направленная по шатуну сила , как составляющая силы , приложенная к поршневому пальцу и центробежная сила инерции , создаваемая редуцированной к кривошипу частью массы шатуна. Геометрическая сумма и дает результирующую силу , действующую на шатунную шейку от одного цилиндра.

Направленную по шатуну силу определяем по формуле

, Н

Где - угол отклонения оси шатуна от оси цилиндра при повороте коленчатого вала на угол ;

Центробежную силу инерции определяем по формуле:

60.0575219,8²=-12084Н

Сила раскладывается на две составляющие: силу , направленную по радиусу кривошипа, и тангенциальную силу , перпендикулярную радиусу кривошипа.

Силу определяем по формуле

, Н

, Н

Значения тригонометрических величин, входящих в формулы, приведены в таблице (приложение)

Силу определяем по формуле

, Н

По результатам расчетов строим график суммарной силы , нагружающей шатунную шейку. Полученные значения искомых сил при разных углах поворота коленчатого вала заносим в таблицу 4.2 «Результаты динамического расчета».

4.3 Расчет момента инерции и параметров маховика

Строим график тангенциальной силы , действующей на шатунную шейку коленчатого вала от одного цилиндра за рабочий цикл.

Определяем среднюю ординату

=4459/80= 55,73 мм

Где - суммарная площадь всех участков диаграммы, расположенных над осью абсцисс, ;

- под осью абсцисс, ;

-длина диаграммы, мм.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При подготовке к выполнению курсовой работы мною была изучена предложенная литература и определены основные этапы расчета двигателя.

При анализе теплового расчета двигателя ЯМЗ-236 основные параметры соответствуют справочным данным. Незначительное расхождение со справочными данными возникли в таких параметрах как давление и температура в конце процесса сжатия.

Эти незначительные расхождения в показаниях не повлияли на дальнейшие расчеты показателей и характеристик двигателя. Последующие расчеты соответствуют справочным.

Учитывая, что к современным автотракторным двигателя предъявляются повышенные требования к устройству, эксплуатации и главное экономическим показателям, для точности расчетов возможно необходимо изменить некоторые предварительные данные. Возможно температура остаточных газов, которая принимается из интервала 750…900 мною была взята неверно, что сказалось на последующих расчетах.

Основные расчеты двигателя мною изложены в пояснительной записке на 25 листах. Графическая часть представлена двумя форматами А1.



ЛИТЕРАТУРА

1. Архангельский, В.М. Автомобильные двигатели / В.М. Архангельский, Вихерт М.М. и др. - М.: Машиностроение, 1977. -352с

2. Белов, П.М. Двигатели армейских машин / П.М. Белов, В.Р.Бурячко, М.К.Константинов, В.А. Коровин / М: Воениздат, Часть II. 1972. - 562 с.

3. Желязко Б.Е. Основы теории и динамика автомобильных и тракторных двигателей. Мн.: Вышэйш. шк., 1980. - 302 с.

4. Железко Б.Е., Адамов В.М. и др. Расчет и конструирование `автомобильных и тракторных двигателей. - М.: Вышэйшая школа, 1987.

5. Колчин А.И., Демидов В. П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 2002. - 496 с.

6. Николаенко А.В. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей. М.: Колос, 1992. - 414 с.

7. Расчет и конструирование автомобильных и тракторных двигателей/ Б.Е. Желязко, В.М. Адамов, И.К. Русецкий, Г.Я.Якубенко. М. Машиностроение, 1981. - 535 с.

8. Тракторные дизели: Справочник. Под общей редакцией Б.А. Взорова. - М.: Машиностроение, 1981.

9. Тепловой и динамический расчет двигателя. Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Основы теории и динамики автомобильных и тракторных двигателей», Мн.: БГПА, 1994.

10. Тракторы и автомобили. Основы теории и расчета автотракторных двигателей. Методические указания к выполнению курсовой работы (проекта)/сост.Л.Н. Полищук.- Мозырь: УО МГПУ им И.П.Шамякина,2009-59с

11. Чистяков В.К. Динамика поршневых и комбинированных двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1989. - 248 с.

Размещено на Allbest.ru