Avtomobilnye_dvigateli_Kursovoe_proektirovanie

Особенности расчета процесса расширения. Для дизелей с наддувом характерна большая длительность фазы догорания по сравнению с безнаддувными дизелями, что учитывается посредством выбора меньших значений показателя политропы расширения пъ значения которого следует выбирать в пределах 1,18... 1,22. Меньшие значения п2 соответствуют большим значениям степени повышения давления в компрессоре 7ск и большим значениям частоты вращения коленчатого вала п.

В остальном расчет процесса расширения в дизеле с наддувом аналогичен расчету безнаддувного дизеля.

Особенности расчета индикаторных показателей цикла.

Среднее индикаторное давление дизеля с наддувом рассчитывается по формуле, аналогичной для безнаддувных дизелей, МПа:

где Та, Тс, Tv Ть — расчетные температуры соответственно конца такта впуска, конца такта сжатия, конца процесса сгорания, конца такта расширения.

Также может быть использована формула для расчетарь приведенная в подразд. 1.7.

При определении действительного значения среднего индикаторного давления дизеля с наддувом принимаются меньшие значения коэффициента полноты диаграммы фп д в интервале значений 0,90... 0,92. Меньшие значения фп д соответствуют большим значениям TIK И большим значениям частоты вращения коленчатого вала.

Особенности расчета внутренних потерь. Для дизеля с наддувом среднее давление механических потерь рм п определяется как сумма двух составляющих, одна из которых включает в себя потери на трение и привод вспомогательных механизмов (pw +рв), а другая — учитывает потери на газообмен (рго) для номинального скоростного режима, МПа [1]:

Рк

Ро

где сП — средняя скорость поршня, м/с; а и b — коэффициенты, соответственно в МПа и МПа • с/м, учитывающие только первую составляющую механических потерь (их значения можно принять примерно такими же, как и для безнаддувного дизеля); кк — степень повышения давления при наддуве; с = 0,10...0,20 — коэффициент, учитывающий увеличение потерь на трение вследствие повышения давления в цилиндрах (большие значения с соответствуют большим значениям рк); рт - рк — составляющая потерь газообмена, учитывающая статический перепад давлений между турбиной и компрес-

сором; рт — давление перед турбиной, рт = р0пт; рк — давление после компрессора (или после охладителя воздуха); р'то—Ро — составляю-

щая потерь газообмена, учитывающая гидравлические потери при перетекании рабочего тела через впускные и выпускные клапаны; р\о — среднее давление потерь на газообмен аналогичного дизеля без наддува, р'го = 0,02...0,04 МПа; рк и р0 — соответственно плотности воздуха после компрессора (или охладителя наддувочного воздуха) и в окружающей среде, р0 = pQ/(RT^.

Далее расчет эффективных показателей дизеля с наддувом аналогичен расчету безнадцувного дизеля.

Особенности рабочего цикла дизеля с приводным нагнетателем обусловлены отсутствием в системе наддува турбины, вследствие чего при его расчете принимается кт = 1 и снимаются ограничения на предельно допустимую температуру остаточных газов Тт, значение которой выбирается так же, как для дизелей без наддува.

Основное отличие расчета такого двигателя заключается в оценке механических потерь, связанных с отбором мощности от коленчатого вала на привод нагнетателя (компрессора). В этом случае для определения среднего давления механических потерь используется формула, применяемая при расчете дизелей с газотурбинным наддувом с добавлением составляющей, включающей в себя потери на привод нагнетателя:

Pun = (а+Ьси У +(рт-рк) + рто Ро +/v„ •

Здесь среднее давление механических потерь, эквивалентное затратам на привод нагнетателя, МПа,

где сръ — изобарная теплоемкость воздуха, кДж/(кг • К); r\v — коэффициент наполнения двигателя; срр — коэффициент продувки; г\т н — адиабатический КПД нагнетателя, цадн = 0,60...0,70; г\ми — механический КПД нагнетателя, г\мн = 0,96...0,97.

Вместо давления рт в формулу для рм п в данном случае следует подставлять давление после выпускного клапана рр (в выпускном коллектора), т.е. /?р = РоКъып, где АГВЫП = 1,05... 1,15 коэффициент, учитывающий сопротивление системы выпуска.

Гл а в а 2

ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

2.1. Общие сведения

Задачей динамического расчета является определение суммарных сил и их моментов, нагружающих основные детали кривошипношатунного механизма (КШМ) в течение одного рабочего цикла двигателя.

Знание этих сил необходимо для выполнения расчетов на прочность и износостойкость деталей и узлов проектируемого двигателя.

Динамический расчет выполняется для номинального режима работы двигателя.

На данном этапе выполнения проекта необходимо получить следующее:

• индикаторную диаграмму двигателя в координатахp-Vx или р-х (где Vx их — соответственно текущие объем цилиндра и ход поршня) вместе с круговой диаграммой фаз газораспределения;

• развернутые по углу поворота коленчатого вала диаграммы сил от давления газов (Рг), сил инерции _масс, движущихся возвратнопоступательно (PJ), суммарной силы (Д = Рг + р.г), боковой силы (N), тангенциальной силы (Т) и нормальной силы (К);

•полярную диаграмму сил, которые действуют на шатунную шей- ку (Ди и диаграмму этих сил, развернутую по углу ПКВ, т. е. (Rm ш =

=Л Ф ) ) ;

•теоретическую диаграмму износа шатунной шейки коленчатого

вала;

•диаграмму суммарного индикаторного крутящего момента (М^) от всех цилиндров двигателя;

•схему кривошипно-шатунного механизма с указанием действующих в нем сил, моментов и их знаков;

•таблицу масштабов сил, давлений и крутящего момента;

•порядок работы цилиндров и таблицу чередования тактов двигателя;

•схему коленчатого вала двигателя с указанием номеров цилиндров, соответствующих каждому колену вала.

Студенты, обучающиеся по специальности «Двигатели внутреннего сгорания», должны дополнительно выполнить:

•полярную диаграмму сил, нагружающих коренную шейку KB

•диаграмму сил, нагружающих коренную шейку KB, развернутую по углу ПКВ, т.е. зависимость RKш =/(ф);

•диаграммы набегающих моментов на коренные и шатунные шейки КВ.

Расположение основных диаграмм на листе динамического расчета представлено на рис. 2.1.

Впояснительной записке по динамическому расчету должны быть представлены следующие материалы:

•исходные данные, необходимые для проведения динамического расчета, которые либо заданы в техническом задании, либо получены

врезультате теплового расчета двигателя;

•выбранные по статистическим данным или рассчитанные мас-

штабы давлений, сил и моментов (тр, тР,тм)\

• обоснование выбора конструктивных и физических масс поршневой группы (т'п и тп) и шатуна (т^и тш);

• обоснование выбора отношения /ш к//ш, которое используется при разнесении масс шатуна (где /ш к — расстояние центра масс шатуна до центра кривошипной головки; /ш — длина шатуна между осями поршневой и кривошипной головок);

• определение массы шатуна, отнесенной к поршню (тш п), и массы шатуна, отнесенной к кривошипу (тш к);

• определение суммарной массы деталей, совершающих возвратнопоступательное движение (ту);

• вычисление сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс (Pj);

• вычисление суммарной силы РТ и сил N, К, /'(результаты расчета этих сил должны быть представлены в виде таблицы);

• определение силы, действующей на шатунную шейку коленчатого вала (Яш ш);

• построение диаграммы износа шатунной шейки с выбором направления канала для подвода масла;

• построение диаграммы суммарного индикаторного крутящего момента от всех цилиндров с проверкой правильности определения его среднего значения, расчет коэффициента неравномерности крутящего момента (ц) и расчет маховика;

• анализ уравновешенности двигателя с определением схемы уравновешивания или с расчетом максимальных значений неуравновешенных сил и моментов, с указанием назначения противовесов и выполнением схемы их расположения на коленчатом валу.

4 Ф,° ПКВ

Ф,° ПКВ

9 = 720/4=180

0 2 4 6 8 10 12Т 14 16 18 20 22 24 Ф,° ПКВ

Рис. 2.1. Расположение на листе диаграмм,

2.2. Исходные материалы к динамическому расчету двигателя

Приведем исходные данные, необходимые для динамического расчета двигателя. Данные могут быть определены техническим заданием либо получены в результате выполнения теплового расчета.

4. Рабочий объем цилиндра двигателя, л:

5. Объем камеры сжатия (сгорания), л:

Vс = Ун

1

8 - 1

6.Диаметр цилиндра Z), мм.

7.Площадь поршня (площадь днища поршня), м2:

10. Радиус кривошипа, мм:

г = —.

2

11. Коэффициент короткоходности

D

12. Критерий кинематического подобия

где г — радиус кривошипа; /ш — длина шатуна, т. е. расстояние между центрами (осями) поршневой и кривошипной головок шатуна.

Значение X выбирается либо с использованием данных прототипа рассчитываемого двигателя, либо по имеющимся статистическим данным:

причем в динамическом расчете следует использовать то же значение X, которое использовалось при построении индикаторной диаграммы в тепловом расчете двигателя.

Все указанные исходные данные можно представить в виде таблицы.

13. При выполнении динамического расчета следует использовать те же масштабы тр и ms, которые были выбраны для построения индикаторной диаграммы по результатам теплового расчета.

При этом масштаб давлений т р одновременно является масштабом удельных (отнесенных к единице площади поршня) сил инерции и удельных суммарных сил. Следовательно, на оси ординат диаграмм этих сил достаточно нанести шкалу давлений (значения давления указывать через каждые 20 или 40 мм).

Примем масштаб угла поворота коленчатого вала /иф = 2 °ПКВ/мм. По диаграммам сил от давлений газов, удельных сил инерции и удельных суммарных сил можно определить абсолютные значения этих сил, если использовать масштаб сил тР, который определяется в зависимости от масштаба давлений и площади поршня, МН/мм:

тР = rripF,

где Fn — площадь поршня, м2; тр — масштаб давления, МПа/мм. По диаграмме тангенциальной (удельной или абсолютной) силы можно определить значение мгновенного индикаторного крутящего момента, создаваемого данным цилиндром, если использовать мас-

штаб момента, Н м/мм:

тм = тРг-106,

где тР — масштаб сил, МН/мм; г — радиус кривошипа в м; тр — масштаб давлений, МПа/мм; Fn — площадь поршня, м2.

14. Диаграмма сил от давления газов, развернутая по углу поворота коленчатого вала, представляет собой график избыточных давлений газов на поршень. При этом силы давления газов, действующие на поршень, заменяются одной силой Рг, направленной по оси цилиндра и приложенной к центру оси поршневого пальца.

Развернутая диаграмма сил давления газов, так же как и остальные диаграммы удельных сил, строится в том же масштабе, что и индикаторная диаграмма.

Для построения развернутой диаграммы /?г(ф) на индикаторной (свернутой) диаграмме необходимо найти ординаты, соответствующие различным положениям KB от 0 до 720° через каждые 30°. В интервале от 360 до 390° ординаты определяются через каждые 10°.

Для получения зависимости рТ(ср) используется уравнение кинематики КШМ:

х = х(ф) = г (1 - coscp)+-j(l - cos 2ф)

где ф — угол ПКВ, отсчитываемый от ВМТ.

При этом решение задачи сводится к построению функции Рд'(ф) =

Связь между углом ПКВ и перемещением поршня также можно получить графически по методу Брикса. Для этого под индикаторной

диаграммой (см. рис. 1.5 и 1.6) из точки О, соответствующей половине хода поршня, строят вспомогательную полуокружность радиусом S/(2ms). Затем от центра этой полуокружности в сторону НМТ откладывают отрезок 00\ равный rX/(2ms). Полуокружность, проведенную из центра Оразделяют лучами с интервалом 30°. Из точек пересечения этих лучей с полуокружностью опускают вертикальные линии до пересечения с линиями давлений на индикаторной диаграмме. Отрезки этих вертикальных линий от оси абсцисс до соответствующих линий на индикаторной диаграмме отображают абсолютные значения давления газов в цилиндре двигателя для конкретных рассматриваемых положений коленчатого вала.

Справа от индикаторной диаграммы (см. рис. 2.1) строится координатная сетка для изображения всех сил, которые необходимо развернуть в координатах р - ф.

Затем ось абсцисс (ось углов ПКВ) с учетом шага расчета (30°) делится на 24 части (для четырехтактного ДВС длительность рабочего цикла составляет 720 °ПКВ, в этом случае при масштабе гПц = 2 °ПКВ/мм приходится по 15 мм на деление), и через эти точки проводятся вертикальные линии. Первая точка развернутой индикаторной диаграммы по углу поворота KB нумеруется как 0, и она соответствует ВМТ в процессе впуска (0 °ПКВ).

При этом следует учитывать, что на свернутой индикаторной диаграмме давление рт отсчитывается от абсолютного нуля, в то время как на развернутой диаграмме должно быть показано избыточное давление газов:

&Рт=Рг-Ро,

где р0 — атмосферное давление.

Л МПа

h.

\

Рис. 2.2. Развернутая индикаторная диаграмма газовых сил, сил инерции масс, движущихся возвратно-поступательно, и суммарных сил

Следовательно, ось абсцисс на развернутой диаграмме необходимо проводить на уровне атмосферного давления, а значит, давления в цилиндре меньше атмосферного на развернутой диаграмме />г(ср) будут отрицательными.

Сила давления газов на поршень Рг = ApTFn имеет тот же характер действия, что и давление рг. При этом силы давления газов, направленные к оси KB, считаются положительными, а направленные от оси KB — отрицательными.

Максимальное значение избыточного давления откладывается на дополнительной вертикали между 12-й и 13-й точками (360 и 390 °ПКВ), и его положение определяется следующим образом:

•точка za индикаторной диаграммы проецируется по вертикальной линии на полуокружность;

•точка пересечения проекции этой точки с полуокружностью соединяется с центром О' и определяет угол сргд;

•правее 12-й вертикали откладывается отрезок, соответствующий

углу и проводится вертикаль 12'.

Соединив полученные точки плавными линиями, получим развернутую индикаторную диаграмму сил Рг, Pz и Pj (рис. 2.2).

2.3. Приведение масс элементов кривошипно-шатунного механизма

По характеру движения массы деталей КШМ различают следующим образом:

•движущиеся возвратно-поступательно (поршневая группа и верхняя, т.е. поршневая, головка шатуна);

•совершающие вращательное движение (коленчатый вал и нижняя, т.е. кривошипная, головка шатуна);

•совершающие сложное плоскопараллельное движение (стержень шатуна).

Для упрощения динамического расчета действительный КШМ заменяется динамически эквивалентной системой сосредоточенных

масс. При этом массу поршневой группы тп считают сосредоточенной на оси поршневого пальца, а массу шатунной группы тш заменяют системой двух сосредоточенных масс, одна из которых (тш п) считается расположенной на оси поршневого пальца, а другая (тш к) — на оси шатунной шейки.

Для получения динамически эквивалентной системы необходимо выполнение следующих условий:

•неизменность массы шатуна, т.е. тш = тш п + тш к;

•неизменность положения центра масс реального КШМ и заме-

щающей его модели, т.е. тш п/ш к - тш к/ш п = 0, где /ш п и /ш к — соответственно расстояния от центра масс шатуна до центров поршневой

и кривошипной головок.