Ефективна максимальна потужність, кВт
Nе = (Ре * Vh * n * і)/30τ = (0,77 * 0,309 * 5000 * 4)/30 * 4 = 39,655 кВт.
Витрати палива, кг/год
Gп = gе*Nе = 251,28* 39,655/1000 = 9,965 кг/год.
Середня швидкість поршня, м/с
Vп.ср. = (S * n)/30 * 103 = (78* 5000)/30000 = 13 м/с.
2.10 Побудова індикаторної діаграми двигуна
Vh = 0, 309 л;
Vс = Vh/(ε – 1) = 0, 309/(23 – 1) = 0,014 л
Vа = (Vh + Vс)/ Vс = (0, 309 + 0,014)/0,014 = 23,071 л
Для побудови діаграми вибираємо кут α = 15˚
Знаходимо кути β1 та β2
tg β1 = (1 + tgα)n1 – 1 = (1 + tg15˚)1,35 – 1 = 20˚
tg β2 = (1 + tgα)n2 –1 = (1 + tg15˚)1,18 – 1 = 18˚
Положення точки “с”:
Р́с́́́́́́́́́́́ = 1,25 * Рс = 1,2 * 6,352 = 7,62
3. Тепловий баланс
3.1 Загальна кількість теплоти, введеної в двигун із паливом, Дж/с
Q0 = (Ни * Gп)/3,6 = (42500 * 9,965)/3,6 = 117642,36
Qе = 1000 * Nе = 1000 * 40,5 = 40500
Qb = С * і * D(1+2m) * nm* (Ни-ΔНи)/α*Ни = 0,53 * 4 * 7,1(1+2*0,7) * 50000,7 * 1/1,3 = 60941,841
3.4 Теплота, віднесена до відпрацьованих газів, Дж/с
Qr= Gп/3,6 [М2 * (mС́ ́р)to * (Тz – 273) – М1 * (mС́́р)to * (Т0 – 273)] =
9,965/3,6 * [0,675 * (23,285 + 8,315) * (2086,741 – 273) – 0,643 * (20,775 + 8,315) * (288 – 273)] = 10007,6
3.5 Невраховані втрати теплоти, Дж/с
Qост = Q0 – (Qе + Qb + Qr) = 117642,36 – (40500 + 60941,841 + 10007,6) = 6192,92
Таблиця 2
| Складова теплового балансу | Q, Дж/с | q, % |
| Теплота:еквівалентна ефективній роботіпередана охолодженому середовищувіднесена з газами, що відпрацювалиневраховані витратиЗагальна кількість теплоти, введеної в двигун із паливом | 4050060941,84110007,66192,92117642,36 | 100 |
4. Розрахунок та побудова зовнішньої швидкістної характеристики двигуна
Швидкістна характеристика показує зміну міцності, крутного моменту, витрат палива та інших параметрів від частоти обертання колінчастого вала. В залежності від положення органа, який керує подачею палива, розрізняють зовнішню та часткові швидкісні характеристики.
Швидкісна характеристика, отримана при повному дроселі (бензиновий двигун) або при положенні рейки паливного насоса (дизель), відповідаючому номінальній міцності, називається зовнішньою. Зовнішня швидкісна характеристика дозволяє провести аналіз і дати оцінку міцністних, економічних, динамічних та експлуатаційних показників при роботі двигуна з повним навантаженням.
Будь-яка швидкістна характеристика двигуна, отримана при неповному відкритті дросельної заслонки (бензиновий двигун) або при положенні рейки паливного насоса (дизель), відповідаючий частковій міцності, називається частковою швидкістною характеристикою. Такі характеристики використовуються для виявлення цілого ряда факторів (кута опєрєжєнія запалювання, складу суміші, мінімально устойчивих частот обертання та ін.) на роботу двигуна при часткових навантаженнях та дають можливість поліпшити його міцністні таекономічні показники.
У курсовому проекті ЗШХ проектованого двигуна будуємо по максимальніій потужності Nemax, емпірічних формулах, що забезпечують достатній рівень точності.Криві швидкісної характеристики будуємо в інтервалі від 500до 5000 хв‾ ¹.
Розрахункові точки кривої ефективної потужності визначаються по такійемпірічній залежності, кВт:
Nex1 = Nemax * (nx/nN) * [0,7 + 1,3 * (nx/nN) – (nx/nN)²] = 40,5 * (500/5000) * [0,7 + 1,3 * (500/5000) – (500/5000)²] = 3,32 кВт
Для спрощення розрахунків значення Nex2, Nex3, Nex4, Nex5, Nex6, Nex7, Nex8, Nex9, Nex10 зведені у таблиці 3.
Розрахункові точки на кривій ефективного крутного моменту розраховуються по такій залежності, Н*м:
Mex1 = (3 * 10 * Nex1)/π * nx = (3 * 10⁴ * 3,32)/3,14 * 5000 =63,44.
Для спрощення розрахунків значення Mex2, Mex3, Mex4, Mex5, Mex6, Mex7, Mex8, Mex9, Mex10 зведені у таблиці 3.
Розрахункові точки на кривій питомої витрати палива визначаємо по такій емпірічній залежності, г/(кВт*ч):
gех1 = gеn* [1,35 + 1,35 * (nx/nN) + (nx/nN)²] = 251,28 * [1,35 – 1,35 * (500/5000) + (500/5000)²] = 307,818.
Для спрощення розрахунків значення gех2, gех3, gех4, gех5, gех6, gех7, gех8, gех9, gех10 зведені у таблиці 3.
Витрати палива для шуканих точок, кг/год:
GТх1 = gех1 * Nex1 = 307,818 * 3,32 = 1,022
Для спрощення розрахунків значення GТх2, GТх3, GТх4, GТх5, GТх6, GТх7, GТх8, GТх9, GТх10 зведені у таблиці 3.
Розрахункові точки, необхідні для побудови ЗШХ
Таблиця 3
| n, хв‾ ¹ | 500 | 1000 | 1500 | 2000 | 2500 | 3000 | 3500 | 4000 | 4500 | 5000 |
| Ne,кВт | 3,32 | 7,45 | 12,15 | 17,17 | 22,28 | 27,22 | 31,75 | 35,64 | 38,64 | 40,5 |
| Me,Н*м | 63,44 | 71,18 | 77,39 | 82 | 85,15 | 86,69 | 86,67 | 85,13 | 82,04 | 77,39 |
| gе,г/(кВт*год) | 307,82 | 281,43 | 265,08 | 243,74 | 232,44 | 226,15 | 224,89 | 228,67 | 237,46 | 251,28 |
| GТ,кг/год | 1,022 | 2,097 | 3,221 | 4,185 | 5,179 | 6,156 | 7,14 | 8,15 | 9,175 | 10,177 |
5. Порівняння основних показників проектованого двигуна і прототипу
За результатами теплового розрахунку і розрахунку зовнішньої швидкісної характеристики необхідно скласти порівняльну таблицю основних показників розраховуємого двигуна і прототипу.
Таблиця 4
| Показник | Позначення показника | одиниця | Розраховуємийдвигун | Прототип |
| 1.Діаметр циліндра | D | мм | 71 | 76 |
| 2. Хід поршня | S | мм | 78 | 84 |
| 3. Робочий об’єм | Vл | л | 1,235 | 1,52 |
| 4. Число циліндрів | і | – | 4 | 4 |
| 5. Ступінь стиску | ε | – | 23 | |
| 6.Максимальна потужність | Nemax | кВт | 40,5 | 55 |
| 7.Частота обертання колінчатого вала при максимальній потужності | nN | об/хв | 5000 | 4800 |
| 8.Максимальний крутний момент | Memax | Н*м | 9,4 | |
| 9.Частота обертання колінчатого вала при максимальному крутному моменті | nМ | об/хв | 3000 | |
| 10.Середній ефективний тиск | Ре | МПа | 0,786 | |
| 11.Літрова потужність | Nл | кВт/л | 2,68 | |
| 12.Мінімальна питома витрата палива | gеmin | г/(кВтч) | 251,28 | 190 |
6. Другий етап. Динамічний розрахунок двигуна
Сутність динамічного розрахунку зводиться до визначення сумарних сил і моментів, що виникають від тисків газів і від сил інерції у кривошипно-шатуному механізмі. По цих силах і моментах розраховують основні деталі на міцність та спрацювання, а також возначають нерівномірність крутного моменту і ступінь нерівномірності ходу поршня. Під час роботи двигуна на деталі кривошипно-шатуного механізму діють сили тиску газів в циліндрі, сили інерції возвратно-поступово рухачих газів мас, ценробіжні сили, тиск на поршень (приблизно рівне атмосферному тиску) та сили ваги (сили ваги в динамічному розрахунку не враховують. Всі діючі в двигуні сили сприймаються корисним опором на колінчатому валу, силами тертя та опорами двигуна.
Аналітичне та графічне визначення сумарних сил, які діють на КШМ
6.1 Сили тиску газів
Сили тиску газів, які діють на площу поршня, для спрощення динамічного розрахунку змінюють однією силою, яка направленя по осі циліндра та прикладеної по осі поршневого пальця. Її визначають для кожного моменту дії (кута φ) по індикаторній діпграмі, побудованій на основі теплового розрахунку.
Перебудова індикаторної діаграми у розгорнуту по куту обертання здійснюють по методу Брікса. Для цього під індикаторною діаграмою будують допоміжне напівколо радіуса R = S/2 = 58/2 = 29 мм. Від центра кола у бік НМТ відкладають поправку Брікса. На півколо поділяють променями із центру на частини (через 30˚), а з точки О̀ проводять лінії, паралельні цим променям. Отримані точки на півколі, перенесені по вертикалях на індикаторну діаграму, відповідають дійсним положенням поршня для визначених кутів повороту кривошипа φ. Масштаби розгорнутої індикаторної діаграми сил Мр = МРF = 0,083 * 0,008 = 0,00066 МН/мм = 0,66кН/мм; кут повороту кривошипа Мφ = 3,3 град/мм або Мφ = 0,058 рад/мм.
6.2 Приведення мас частин кривошипно-шатуного механізму
Значення маси поршневої групи mn і маси шатунної групи mш приймаю використовуючи табличні дані. Згідно цим таблицям у відповідності з D = 80 мм приймаю: m΄n = 150кг/м³; m΄ш = 220 кг/м²
По прийнятих даних встановлюємо:
Масу поршневої групи mn = m΄n * Fn = 150 * 0,008 = 1,2 кг;
Масу шатуна mш = m΄ш * Fn = 220 * 0,008 = 1,76 кг;
Неврівноважених частин одного колеса вала mк = m΄к * Fn = 200 * 0,008 = 1,6кг.
Маса шатуна, зосереджена на осі, кг:
поршеневого пальця mшп = 0,275 mш = 0,275 * 1,76 = 0,484;
кривошипа mшк = 0,725 * mш = 0,725 * 1,76 = 1,276;
Маси, що чинять рух, кг:
зворотньо-поступальний mj = mn + mшп = 1,2 + 0,484 = 0,5808;
обертальний mR = mk + mшк = 1,6 + 1,276 = 2,876.
6.3 Сили інерції
Графічним шляхом за методом дотичних напружень визначаємо сили інерції від зворотно-поступальних мас у залежності від переміщення поршня. Для цього з точки А у масштабі сил відкладаємо униз, Н:
Рjmax = – mj * R * ω²(1 + λ) = – 0,5808 * 0,04 * 455,3² * (1 + 0,25) = 6094,9;
а з точки В уверх, Н:
Рjmin = mj * R * ω²(1 – λ) = 0,5808 * 0,04 * 455,3² * (1 – 0,25) = 3611,9
Отримані точки з’єднуємо, з точки Е перетинання цієї прямої з відрізком АВ відкладаємо уверх розмір 3 mjRω²λ = 3 * 0,5808 * 0,04 * 455,3² * 0,25 = 3611,9 Н.
Таким чином після необхідних креслень ми отримаємо діаграму Рj = f(Sn).
Діаграму сил інерції розвертають по куту повороту кривошипа за методом Брікса, одержуючи Рj = f(φ).
6.4 Сумарні сили
Початковою силою, що обумовлює динамічне навантаження на кривошипний механізм, є сумарна сила Р, чинна по осі циліндра і рівна алгебраїчній сумі сил, Н: Р = РГ + Рі.
Побудова кривої зміни сумарної сили Р від кута повороту кривошипа проводиться графічним підсумовавунням ординат кривих Рr = f(φ) і Рj = f(φ). Аналітичне визначення сил, що діють у кривошипно-шатунному механізмі, проводяться по формулах, Н: