Данная работа состоит из пяти частей

метки: Расчет, Динамик, Кинематика, Дизель, Точка, Масло, Теплота, Сжатие

двигатель тепловой дизель сгорание Современные наземные виды транспорта обязаны своим развитием главным образом применению в качестве силовых установок поршневых двигателей внутреннего сгорания. Именно поршневые ДВС до настоящего времени являются основным видом силовых установок, преимущественно используемых на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных, дорожно-транспортных и строительных машинах.

1. Характеристика двигателя.

2. Тепловой расчет и тепловой баланс двигателя.

3. Расчет кинематики и динамики двигателя.

4. Расчет основных деталей и систем двигателя.

5. Требования по обеспечению эксплуатационной безопасности и экологичности ДВС.

Расчет тепловой и динамический чаще всего выполняются для режима номинальной мощности.

1. Характеристика двигателя

Таблица 1.1. Технические данные дизеля А-01М

Наименование	Значения
Тактность	Четырехтактный
Способ смесеобразования	Непосредственный впрыск
Число цилиндров
Порядок работы цилиндров	1−5-3−6-2−4
Диаметр цилиндра, мм
Степень сжатия	16+0.5
Направление вращения коленчатого вала (со стороны вентилятора)	Правое (по часовой стрелке)
Номинальная мощность, кВт (л.с.)	99 (135)
Эксплуатационная мощность, кВт (л.с.)	95.5 (130)
Номинальная частота вращения коленчатого вала, об/мин
Максимальная частота вращения коленчатого вала на холостом ходу, не более, об/мин
Минимальная устойчивая частота вращения коленчатого вала на холостом ходу, не более, об/мин
Максимальный крутящий момент при 1100−1300 об/мин, не менее, Н. м (кгс. м)	683 (69.6)
Частота вращения коленчатого вала при максимальном крутящем моменте, об/мин	1100−1300
Установленный угол опережения впрыскивания топлива, град, до ВМТ	30−2
Удельный расход топлива при номинальной мощности, не более, г/кВт.ч (г/л.с.ч)	221.45 (162.74)
Удельный расход топлива при эксплуатационной мощности, не более, г/кВт.ч (г/л.с.ч)	235 (173)
Номинальный коэффициент запаса крутящего момента, %, не менее
Масса конструктивная дизеля состояния поставки, кг	1200+40
Длина, мм
Ширина, мм
Высота (без выпускной трубы и моноциклона), мм

2. Тепловой расчет и тепловой баланс двигателя

2.1 Тепловой расчет

Топливо.

Средний элементный состав дизельного топлива:

• С=0.870;
• Н=0.126;
• О=0.004;

• С, Н, О — массовые доли углерода, водорода и кислорода в 1 кг топлива.

Низшая теплота сгорания топлива:

Н _u =33.91*С+125.60*Н-10.89*(О-S) — 2.51*(9*Н+W);

Н _u =33.91*0.87+125.60*0.126−10.89*0.004−2.51*9*0.126=42.44 МДж/кг.

Параметры рабочего тела.

Коэффициент избытка воздуха:

• ?==;
• Для дизеля с неразделенными камерами и объемным смесеобразованием при номинальной мощности принимаем ?=1.50−1.70.

Количество свежего заряда:

При ?=1.5 М ₁ = ?? L_o =1.5*0.5=0.75 кмоль св. зар/кг топл.;

М ₁ -количество свежего заряда (количество горючей смеси).

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания:

Мco ₂ =C/12=0.87/12=0.0725 кмоль CO₂ /кг топл.;

Мн ₂ о=Н/2=0.126/2=0.063 кмоль H₂ O/кг топл.;

• При ?=1.5

Мо ₂ =0.208*(?-1)*L_o ;

Мо ₂ =0.208*(1.5−1)*0.5=0.052 кмоль O₂ /кг топл.;

МN ₂ =0.792*?*L_o ;

МN ₂ =0.792*1.5*0.5=0.594 кмоль N₂ /кг топл.;

Общее количество продуктов сгорания:

М ₂ =Мco₂ + Мн₂ о+ Мо₂ + МN₂ ;

М ₂ =0.0725+0.063+0.052+0.594=0.7815 кмоль пр. сг/кг топл.;

• Параметры окружающей среды и остаточные газы.

Атмосферные условия:

р ₀ =0.1 МПа; Т₀ =293К.

Давление окружающей среды для дизелей с неразделенными камерами и объемным смесеобразованием:

р _к =0.25 МПа;

Температура окружающей среды для дизелей:

Т _к =Т₀ =293 К;

• Температура и давление остаточных газов.

Достаточно высокое значение ?=16 дизеля снижает температуру и давление остаточных газов, а повышенная частота вращения коленчатого вала несколько увеличивает значения Т _r и р_r .

Т _r =700 К;

р _r =0.25*1.05=0.2625 МПа.

Процесс впуска.

?Т=20 ⁰ С — величина подогрева.

Плотность заряда на впуске:

? _к =р_к *10⁶ /(R_в *Т_к );

? _к =0.25*10⁶ /(287*293)=2.973 кг/м³ ;

R _в =287 Дж/(кг?град) — удельная газовая постоянная воздуха.

Потери давления на впуске в двигателе:

?р _а =(?² +?_вп )*?² _вп *?_к *10^-6 /2=2.7*70² *2.973*10^-6 /2=0.019 МПа, где (?² +?_вп )=27 и ?_вп =70 м/с приняты в соответствии со скоростным режимом двигателя и с учетом небольших гидравлических сопротивлений во впускной системе дизеля.

Давление в конце впуска:

р _а =р_к -?р_а ;

р _а =0.25−0.019=0.231 МПа;

Коэффициент остаточных газов:

? _r =*;

? _r =*=0.034;

Температура в конце впуска:

Т _а =(Т_к +?Т+?_r *Т_r )/(1+?_r );

Т _а =(293+20+0.034*700)/(1+0.034)=326 К.

Коэффициент наполнения:

? _v = Т_к *(?*р_а -р_r )/[(Т_к +?Т)*(?-1)*р_к ];

? _v =293*(16*0.231−0.2625)/[(293+20)*(16−1)*0.25]=0.879;

• Процесс сжатия.

При работе дизеля на номинальном режиме можно с достаточной степенью точности принять показатель политропы сжатия приблизительно равным показателю адиабаты:

?=16, Т _а =326 К, n₁ ?k₁ =1.368.

Давление и температура в конце сжатия:

р _с = р_а *?^{n 1} и Т_с = Т_а *?^{n 1−1} ;

р _с =0.231*16^1.368 =10.253 МПа;

Т _с =326*16^1.368−1 =904 К.

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:

а) воздуха (mc _v )_to ^tc =20.6+2.638*10^-3 *t_c ;

t _c =Т_с -273=904−273=631⁰ С;

(mc _v )_to ^tc =20.6+2.638*10^-3 *631=22.265 кДж/(кмоль?град);

б) остаточных газов:

При ?=1.5 и t _c =631⁰ С;

(mc _v ⁿ )_to ^tc =23.942 кДж/(кмоль?град);

в) рабочей смеси:

(mc _v ¹ )_to ^tc =[1/(1+?_r )]*[(mc_v )_to ^tc +(mc_v ⁿ )_to ^tc ];

(mc _v ¹ )_to ^tc =[1/(1+0.034)]*[22.265+0.034*23.942]=22.317 кДж/(кмоль?град);

• Процесс сгорания.

Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси в дизелях:

? ₀ =М₂ /М₁ =0.7815/0.75=1.042;

коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси в дизелях:

?=(? ₀ +?_r )/(1+?_r )=(1.042+0.034)/(1+0034)=1.041;

Теплота сгорания рабочей смеси в дизелях:

Н _раб.см. =Н_u /[М₁ *(1+?_r )];

Н _раб.см. =42 440/[0.75*(1+0.034)] 54 726 кДж/кмоль раб. см.;

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания в дизелях:

(mc _v ⁿ )_to ^tz =(1/М₂ )*[Мco₂ *(mc_v ⁿ co₂ )_to ^tz +Мн₂ о?(mc_v ⁿ н₂ о)_to ^tz +Мo₂ ?(mc_v ⁿ o₂ )_to ^tz + +МN₂ *(mc_v ⁿ N₂ )_to ^tz ]=(mc_v ⁿ )_to ^tz +8.315;

(mc _v ⁿ )_to ^tz =(1/0.7815)*[0.0725*(39.123+0.3349t_z )+0.063*(26.67+0.4438t_z )+ +0.052*(23.723+0.1550t_z )+0.594*(21.951+0.1457t_z )]=24.043+0.00187t_z ;

(mc _p ⁿ )_to ^tz =24.043+0.00187t_z +8.135=32.358+0.00187t_z ;

Коэффициент использования теплоты для дизелей с неразделенными камерами сгорания и объемным смесеобразованием можно принять ? _z =0.70.

Степень повышения давления в дизеле в основном зависит от величины цикловой подачи топлива. С целью снижения газовых нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма целесообразно иметь максимальное давление сгорания не выше 11−12 МПа. В связи с этим целесообразно принять для дизеля ?=2.0.

Температура в конце видимого процесса сгорания:

? _z *Н_раб.см. +[(mc_v ¹ )_to ^tc +8/315*?]*t_c +2270*(?-?)=?*(mc_p ⁿ )_to ^tz *t_z ;

0.7*54 726+[22.317+8.315*2]*631+2270*(2−1.041)=1.041*(32.358+0.00187t _z )*t_z ;

t _z =1910 К;

Т _z =t_z +273=1910+273=2183 К.

Максимальное давление сгорания для дизелей:

р _z =?*р_с ;

р _z =2*10.253=20.506 МПа;

Степень предварительного расширения для дизелей:

?=?*Т _z /(?*Т_с );

• ?=1.041*2183/(2*904)=1.26;
• Процесс расширения.

Степень последующего расширения для дизелей:

• ?=?/?;
• ?=16/1.26=12.69;

Средние показатели адиабаты и политропы расширения для дизелей:

• При ?=12.69;
• Т _z = 2183 К и ?=1.5;

K ₂ =1.2695, а n₂ принимаем равным 1.260;

Давление и температура в конце расширения для дизелей:

р _b = р_z /?^{n 2} ;

р _b = 20.506/12.69² =0.835 МПа;

Т _b =Т_z /?^{n 2−1} =2183/12.69^1.26−1 =1128 К;

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов для дизелей:

Т _r =Т_b /;

Т _r =1128/ =1871 К.

Индикаторные параметры рабочего цикла.

Среднее индикаторное давление для дизелей:

р _i =? и р_i ¹ =0.92*2.6=2.39 МПа, где коэффициент полноты диаграммы принят ?_u =0.92.

Индикаторный КПД для дизелей:

? _i =р_i *l_o *?/(Н_u *?_к *?_v );

? _i =2.39*14.452*1.5/(42.44*2.973*0.879)=0.484;

Индикаторный удельный расход топлива для дизелей:

g _i =3600/(Н_u *?_i );

g _i =3600/(42/44*0/484)=175 г./(кВт*ч) Эффективные показатели двигателя:

Среднее давление механических потерь:

р _м =0.089+0.0118*?_п.ср. ;

? _п.ср. =10 м/с — средняя скорость поршня.

р _м =0.089+0.0118*10=0.207 МПа.

Среднее эффективное давление и механический КПД для дизелей:

р _е =р_i -р_м ;

р _е =2.39−0.207=2.183 МПа;

? _м =р_е /р_i ;

? _м =2.183/2.39=0.913;

Эффективный КПД и эффективный удельный расход топлива для дизелей:

? _е =?_{i *} ?_м ;

? _е =0.484*0.913=0.442;

g _е =3600/(Н_u *?_е );

g _е =3600/(42.44*0.442)=191 г./(кВт*ч);

• Основные параметры цилиндра и двигателя.

Литраж двигателя:

V _л =30*?*N_е /(р_е *n); ?=4 — тактность двигателя;

V _л =30*4*99/(2.183*1700)=3.24 л.

N _е =99кВт-мощность двигателя, n=1700 об/мин.

Рабочий объем цилиндра:

V _h =V_л /i=3.24/6=0.54 л,

i=6-количество цилиндров.

Диаметр и ход поршня дизеля, как правило, выполняются с отношением хода поршня к диаметру цилиндра S/D?1. Однако уменьшение S/D для дизеля снижает скорость поршня и повышает ? _м . В связи с этим целесообразно принять S/D=1.

D=100*;

• D=100*=88.28 мм.

Окончательно принимаем S=D=90 мм.

По окончательно принятым значениям S и D определяются основные параметры и показатели двигателя.

V _л =?*D² *S*i/(4*10⁶ );

V _л =3.14*90² *90*6/(4*10⁶ )=3.43 л.

F _п =?*D² /4;

F _п =3.14*90² /4=63.585 см² ;

? _{п . ср} =S*n/(3*10⁴ );

? _{п . ср} =90*1700/(3*10⁴ )=5.1 м/с;

N _e =p_e *V_л *n/(30*?);

N _e =2.183*3.43*1700/(30*4)=106.4 кВт;

М _е =3*10⁴ *N_e /(?*n);

М _е =3*10⁴ *106.4/(3.14*1700)=597 Н*м;

G _т =N_e *g_е ;

G _т =106.4*0.191=20.32 кг/ч;

N _л =N_e /V_л ;

N _л =106.4/3.43=31.02 кВт/дм³ .

Построение индикаторной диаграммы дизеля А-01М:

Масштаб хода поршня — М _s =1.5 мм в мм;

Масштаб давлений — М _р =0.08 МПа в мм.

Приведенные величины рабочего объема цилиндра и объема камеры сгорания соответственно:

АВ=S/М _s =90/1.5=60 мм.

ОА=АВ/(?-1)=60/(16−1)=4 мм.

Максимальная высота диаграммы (точки z ¹ и z) и положение точки z по оси абсцисс:

р _z /М_р =20.506/0.08=256.3 мм;

z ¹ z=ОА*(?-1)=4*(1.26−1)=1 мм.

Ординаты характерных точек:

р _о /М_р =0.1/0.08=1.25 мм;

р _к /М_р =0.25/0.08=3.1 мм;

р _r /М_р =0.2625/0.08=3.281 мм;

р _а /М_р =0.231/0.08=2.887 мм;

р _с /М_р =10.253/0.08=128.16 мм;

р _b /М_р =0.835/0.08=10.44 мм.

Построение политроп сжатия и расширения проводится аналитическим методом:

а) для луча ОС принимаем угол ?=15 ⁰ ;

б) tg ? ₁ =(1+tg?)^{n 1} -1=(1+tg15⁰ )^1.368 -1=0.3836; ?₁ =20⁰ 98¹ ;

• в) используя лучи ОД и ОС, строим политропу сжатия, начиная с точки с;

г) tg ? ₂ =(1+tg?)^{n 2} -1=(1+tg15⁰ )^1.26 -1=0.3486; ?₂ =19⁰ 21¹ ;

• д) используя лучи ОЕ и ОС, строим политропу расширения, начиная с точки z.

Теоретическое среднее индикаторное давление:

р _i ¹ =F¹ *М_р /АВ=1254*0.08/60=1.63 Мпа.

F ¹ — площадь диаграммы асz¹ zba.

Скругление индикаторной диаграммы.

Учитывая достаточную быстроходность рассчитываемого дизеля, ориентировочно устанавливаются фазы газораспределения:

впуск — начало (точка r ¹ ) за 20⁰ до в.м.т.

и окончание (точка а ¹¹ )-50⁰ после н.м.т.;

впуск — начало (точка b ¹ ) за 50⁰ до н.м.т.

и окончание (точка а ¹ )-20⁰ после в.м.т.

С учетом быстроходности дизеля принимается угол опережения впрыска 30 ⁰ (точка с¹ ) и продолжительность периода задержки воспламенения ??₁ =18⁰ (точка f).

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения впрыска определяется положение точек b ¹ , r¹ , a¹ , a¹¹ , c¹ и f по формуле для перемещения поршня:

• АХ=(АВ/2)*[(1-cos?)+(?/4)*(1-cos2?)];
• где? — отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, равна 0.24.

Результаты расчета ординат точек b ¹ , r¹ , a¹ , a¹¹ , c¹ и f занесены в таблицу 2.1.

Таблица 2.1.

Обозначение точек	Положение точек		(1cos?)+(?/4)* *(1-cos2?)	Расстояние АХ точек от в.м.т., мм
b 1	50 0 до н.м.т.		1.289	38.67
r 1	20 0 до в.м.т.		0.075	2.25
a 1	20 0 после в.м.т.		0.075	2.25
a 11	50 0 после н.м.т.		1.289	38.67
c 1	30 0 до в.м.т.		0.164	4.92
f	(30 0 -180 ) до в.м.т.		0.027	0.81

Положение точки с ¹¹ определяют из выражения:

р _с ¹¹ =(1.15?1.25)*р_с =1.15*10.253=15.379 МПа;

р _с ¹¹ /М_р =15.379/0.08=192.24 мм.

Точка z _д лежит на линии ориентировочно вблизи точки z.

Нарастание давления от точки с ¹¹ до z_д составляет 20.506−15.379=5.127 МПа или 5.127/10=0.513 МПа/град п.к.в., где 10-положение точки z_д по оси абсцисс, град.

Соединяя плавными кривыми точки rca ¹ , c¹ cf и c¹¹ и далее с z_д и кривой расширения b¹ cb¹¹ (точка b¹¹ располагается между точками b и а) и далее cr¹ и r, получаем скругленную индикаторную диаграмму ra¹ ac¹ fc¹¹ z_д b¹ b¹¹ r.

Рисунок 2.1 — Индикаторная диаграмма дизеля А-01М

2.2 Тепловой баланс

Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом для дизелей:

Q _o =H_u *G_т /3.6 $

Q _o =42 440*20.32/3.6=237 664 Дж/с.

Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1с, для дизелей:

Q _е =1000*N_е =1000*106.4=106 400 Дж/с.

Теплота, передаваемая охлаждающей среде, для дизелей:

Q _в =С*i*D^{1+2 m} *n^m *(1/?);

• с=0.45-коэффициент пропорциональности для четырехтактных двигателей.

m=0.5-показатель степени для четырехтактных двигателей.

Q _в =0.45*6*9^1+2*0.5 *1700^0.5 *(1/1.5)=6041 Дж/с.

Теплота, унесенная с отработавшими газами:

Q _r =(G_т /3.6)*[M₂ *(mc_p ¹¹ )_{t 0} ^tr *t_r -M₁ *(mc_p )_to ^tk *t_k ];

где (mc _p ¹¹ )_t0 ^tr =(mc_v ¹ )_to ^tr +8.315;

(mc _p ¹¹ )_{t 0} ^tr =23.129, при ?=1.5 и t_r =700−273=427⁰ С.

(mc _p ¹¹ )_{t 0} ^tr =23.129+8.315=31.444 кДж/(кмоль*град);

(mc _p )_to ^tk =(mc_v )_to ^{t к} +8.315;

(mc _p )_to ^tk =20.775, при t_k =Т_к -273=293−273=20⁰ С.

(mc _p )_to ^tk =20.775+8.315=29.09 кДж/(кмоль*град);

Q _r =(20.32/3.6)*[0.7815*23.129*427−0.75*20.775*20]=41 477 Дж/с.

Неучтенные потери теплоты:

Q _ост =Q_o — (Q_e +Q_в +Q_r );

Q _ост =237 664 — (106 400+6041+41 477)=83 746 Дж/с.

Составляющие теплового баланса представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2.

Составляющие теплового баланса	Дизель А-01М
	Q, Дж/с	q, %
Теплота, эквивалентная эффективной работе
Теплота, передаваемая охлаждающей среде		2.5
Теплота, унесенная с отработавшими газами		17.5
Неучтенные потери теплоты
Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом

3. Расчет

3.1 Расчет кинематики двигателя

Длина шатуна L _Ш :

L _Ш =R/?= 65/0,24=270 мм Перемещение поршня.

Изменение хода поршня по углу поворота коленчатого вала строят графическим методом в масштабе M _S =2 мм в мм и M_? =2⁰ в мм через каждые 30⁰ .

Поправка Брикса:

R?/(2M _S )=65*0,24/(2*2)=3,9 мм Угловая скорость вращения коленчатого вала:

?=?n/30=3,14*1700/30=178 рад/с.

Скорость поршня.

Изменение скорости поршня по углу поворота коленчатого вала строят графическим методом в масштабе M _V =0,4 м/с в мм:

?R/M _V =178*0,065/0,4=28,9 мм;

?R?/(M _V 2)=178*0,065*0,240/(0,4*2)=3,5 мм;

±V _{П max} ??Rv1+?² =178*0,065*v1+0,24² =11,9 м/с.

Ускорение поршня.

Изменение ускорения поршня по углу поворота коленчатого вала строят графическим методом в масштабе M _j =100 м/с² в мм:

? ² R/M_j =178² *0,065/100=20,6 мм;

? ² R?/M_j =178² *0,065*0,240/100=4,9 мм;

j _max = ?² R (1+?)=178² *0,065 (1+0,24)=2553 м/с² ;

j _min = -?² R (?+1/8?)=178² *0,065 (0,24+1/8*0,24)=1566 м/с² .

Значения S _X , V_п и j в зависимости от ?, полученные на основании построенных графиков, заносят в таблицу 3.1.

Таблица 3.1

? 0
S x , мм		10,66	38,35	72,8	103,35	123,24
V п , м/с		+6,7	+11,22	+11,57	+8,8	+4,58
j, м/с 2	+2553	+2030	+782	— 494	— 1276	— 1536	— 1566
? 0
S x , мм	123,24	103,35	72,8	38,35	10,66
V п , м/с	— 4,58	— 8,8	— 11,57	— 11,22	— 6,7
j, м/с 2	— 1536	— 1276	— 494	+782	+2030	+2553

При j=0, V _п =±11,9 м/с, а точки перегиба S соответствуют повороту кривошипа на 76⁰ и 284⁰ .

Рисунок 3.1 — Зависимости пути, скорости и ускорения поршня дизеля от угла поворота кривошипа

3.2 Расчет динамики двигателя

Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма.

По таблице (1, таблица 8.1, стр. 166) с учетом диаметра цилиндра, отношения S/D, V-образного расположения цилиндров и достаточно высокого значения p _z устанавливаются:

масса поршневой группы (для поршня из алюминевого сплава m ¹ _п =300 кг/м² )

m _п =m¹ _п F_п =300*0,0132=3,96 кг масса шатуна (m¹ _ш =400 кг/м² )

m _ш =m¹ _ш F_п =400*0,0132=5,28 кг масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов (для стального кованного вала m¹ _k =400 кг/м² )

m _k =m¹ _k F_П =400*0,0132=5,28 кг масса шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца:

m _{ш. п.} =0,275m_ш =0,275*5,28=1,45 кг масса шатуна, сосредоточенная на оси кривошипа:

m _{ш. к.} =0,725m_ш =0,725*5,28=3,83 кг массы, совершающие возвратно-поступательное движение:

m _j =m_п +m_{ш. п.} =3,96+1,45=5,41 кг массы, совершающие вращательное движение:

m _{R ?} =m_k +2m_{ш. к.} =5,28+2*3,83=12,94 кг Полные и удельные силы инерции [5, «https:// «].

Силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс определяют по кривой ускорений (см. рис. 3.1 и табл. 3.1):

полные силы

P _j = — jm_j *10^-3 = — j*5,41*10^-3 кH;

удельные силы

p _j =P_j /F_п = P_j *10^-3 /0,0132 МПа.

Значения p _j заносят в таблицу 3.2.

Центробежная сила инерции вращающихся масс шатуна одного цилиндра К _{R ш} = — m_{ш. к.} R?² *10^-3 = -3,83*0,065*178² *10^-3 = -7,88 кH.

Центробежная сила инерции вращающихся масс кривошипа

К _{R к} = — m_к R?² *10^-3 = -5,28*0,065*178² *10^-3 = -10,87 кH.

Центробежная сила инерции вращающихся масс, действующая на кривошип К _{R ?} = К_{R к} +2 К_{R ш} = -10,87+2*(-7,88)= -26,63кH.

Таблица 3.2.

? 0
?Рг, МПа	0,062	0,059	0,059	0,059	0,059	0,059	0,059	0,08
j, м/с 2				— 494	— 1276	— 1536	— 1566	— 1536
Pj, МПа	— 1,046	— 0,831	— 0,32	0,2024	0,5229	0,6295	0,6418	0,6295
Р, МПа	— 0,984	— 0,772	— 0,261	0,26 146	0,58 196	0,68 852	0,7008	0,7095

? 0
?Рг, МПа	0,13	0,24	0,69	2,31	8,569	6,06	2,03	0,93
j, м/с 2	— 1276	— 494						— 494
Pj, МПа	0,52 296	0,20 246	— 0,320	— 0,8319	— 1,046	— 0,831	— 0,320	0,20 246
Р, МПа	0,65 296	0,44 246	0,36 949	1,47 800	7,5226	5,2280	1,7094	1,1324

? 0
?Рг, МПа	0,56	0,39	0,22	0,14	0,062	0,062	0,062	0,062	0,062
j, м/с 2	— 1276	— 1536	— 1566	— 1536	— 1276	— 494
Pj, МПа	0,5229	0,6295	0,6418	0,6295	0,5229	0,2024	— 0,32	— 0,831	— 1,046
Р, МПа	1,0829	1,0195	0,8618	0,7695	0,5849	0,2644	— 0,258	— 0,769	— 0,984

Рисунок 3.2 — Зависимость р и? р _г от угла поворота кривошипа

Удельные суммарные силы.

Удельная суммарная сила (МПа), сосредоточенная на оси поршневого пальца (рис. 3.2 и табл. 3.2):

р=?р _г +р_j .

Удельные силы р _N , p_{S ,} p_K и p_T определяют аналитическим методом. Расчет этих сил для различных? сводят в таблицу 3.3.

Графики изменения удельных сил р _N , p_{S ,} p_K и p_T в зависимости от? представлены на рис. 3.3, где М_Р =0,08МПа в мм и М_? =3⁰ в мм.

Среднее значение удельной тангенциальной силы за цикл:

По данным теплового расчета

P _{T ср} =2р_i /(??)=2*1,3478/(3,14*4)=0,215МПа.

Крутящие моменты.

Крутящий момент одного цилиндра

Mкр.ц.=TR=T*0,065 kH*м.

Изменение крутящего момента цилиндра в зависимости от? выражает кривая р _Т (рис. 3.3 и табл. 3.3), но в масштабе М_М =М_р F_п R=0,08*0,0132*0,065*10³ =0,6 864 kH*м в мм, Период изменения крутящего момента четырехтактного дизеля с равными интервалами между вспышками

?=720/i=720/6=120 ⁰ .

Таблица 3.3.

? 0
Р, МПа	— 0,984	— 0,772	— 0,261	0,26 146	0,58 196	0,68 852	0,7008	0,7095
tg?		0,121	0,211	0,245	0,211	0,121		— 0,121
PN, MПа		— 0,9 341	— 0,5 507	0,64 058	0,122 794	0,83 311		— 0,8 585
1/cos?		1,007	1,022	1,03	1,022	1,007		1,007
PS, МПа	— 0,984	— 0,7774	— 0,26 674	0,269 304	0,594 763	0,69 334	0,7008	0,714 467
cos (?+?)/cos?		0,806	0,317	— 0,245	— 0,683	— 0,926	— 1	— 0,926
Pk, МПа	— 0,984	— 0,62 223	— 0,8 274	— 0,6 406	— 0,39 748	— 0,63 757	— 0,7008	— 0,657
K, kH	— 12,9888	— 8,21 346	— 1,9 213	— 0,84 556	— 5,24 672	— 8,41 592	— 9,25 056	— 8,67 236
sin (?+?)/cos?		0,605	0,972		0,76	0,395		— 0,395
PT, МПа		— 0,46 706	— 0,25 369	0,26 146	0,44 229	0,271 965		— 0,28 025
T, kH		— 6,16 519	— 3,34 873	3,451 272	5,838 223	3,589 943		— 3,69 933
Mкр.ц., H*M		— 400,737	— 217,668	224,3327	379,4845	233,3463		— 240,457
?0
Р, МПа	0,65 296	0,44 246	0,36 949	1,478	7,5226	5,228	1,7094	1,1324
tg?	— 0,211	— 0,245	— 0,211	— 0,121		0,121	0,211	0,245
PN, MПа	— 0,13 777	— 0,1084	— 0,7 796	— 0,178 838		0,632 588	0,360 683	0,277 438
1/cos?	1,022	1,03	1,022	1,007		1,007	1,022	1,03
PS, МПа	0,667 325	0,455 734	0,377 619	1,488 346	7,5226	5,264 596	1,747 007	1,166 372
cos (?+?)/cos?	— 0,683	— 0,245	0,317	0,806		0,806	0,317	— 0,245
Pk, МПа	— 0,44 597	— 0,1084	0,117 128	1,191 268	7,5226	4,213 768	0,54 188	— 0,27 744
K, kH	— 5,88 683	— 1,43 092	1,546 094	15,72 474	99,29 832	55,62 174	7,152 813	— 3,66 218
sin (?+?)/cos?	— 0,76	— 1	— 0,972	— 0,605		0,605	0,972
PT, МПа	— 0,49 625	— 0,44 246	— 0,35 914	— 0,89 419		3,16 294	1,661 537	1,1324
T, kH	— 6,55 049	— 5,84 047	— 4,74 070	— 11,80 331		41,75 081	21,93 229	14,94 768
Mкр.ц., H*M	— 425,782	— 379,631	— 308,145	— 767,215		2713,803	1425,599	971,5992

?0
Р, МПа	1,0829	1,0195	0,8618	0,7695	0,5849	0,2644	— 0,258	— 0,769	— 0,984
tg?	0,211	0,121		— 0,121	— 0,211	— 0,245	— 0,211	— 0,121
PN, MПа	0,228 492	0,12 336		— 0,9 311	— 0,123 414	— 0,64 778	0,54 438	0,93 049
1/cos?	1,022	1,007		1,007	1,022	1,03	1,022	1,007
PS, МПа	1,106 724	1,26 637	0,8618	0,774 887	0,597 768	0,272 332	— 0,263 676	— 0,774 383	— 0,984
cos (?+?)/cos?	— 0,683	— 0,926	— 1	— 0,926	— 0,683	— 0,245	0,317	0,806
Pk, МПа	— 0,73 962	— 0,94 406	— 0,8618	— 0,712 557	— 0,399 487	— 0,64 778	— 0,81 786	— 0,619 814	— 0,984
K, kH	— 9,76 299	— 12,4616	— 11,3758	— 9,405 752	— 5,273 224	— 0,85 507	— 1,79 575	— 8,181 545	— 12,9888
sin (?+?)/cos?	0,76	0,395		— 0,395	— 0,76	— 1	— 0,972	— 0,605
PT, МПа	0,823 004	0,402 703		— 0,303 953	— 0,444 524	— 0,2644	0,250 776	0,465 245
T, kH	10,86 365	5,315 673		— 4,12 173	— 5,867 717	— 3,49 008	3,310 243	6,141 234
Mкр.ц., H*M	706,1374	345,5187		— 260,7912	— 381,4016	— 226,8552	215,1658	399,1802

Рисунок 3.3 — Графики изменения удельных сил р _N , p_{S ,} p_K и p_T

Таблица 3.4.

?0 коленчатого вала	Цилиндры
	1-й	2-й	3=й	4-=й
	?0 кривошипа	Mкр.ц., H*M	?0 кривошипа	Mкр.ц., H*M	?0 кривошипа	Mкр.ц., H*M	?0 кривошипа	Mкр.ц., H*M
						— 425
		— 130				— 410
		— 160				— 395
		— 400				— 379
		— 340				— 360
		— 280				— 340
		— 217				— 308
		— 70		— 70		— 450
				— 140		— 600
				— 240		— 767
				— 280		— 500
				— 370		— 250
				— 425

?0 коленчатого вала	Цилиндры
	5-й	6-й	Mкр., H*M
	?0 кривошипа	Mкр.ц., H*M	?0 кривошипа	Mкр.ц., H*M
				— 381
				— 330
				— 280
				— 226
				— 75
		— 90
		— 180
		— 260
		— 300
		— 340
		— 381

Суммирование значений крутящих моментов всех восьми цилиндров двигателя производится табличным методом (табл. 3.4) через каждый 10 ⁰ угла поворота коленчатого вала. По полученным данным строят кривую М_кр (рис. 3.4) в масштабе М_м =25Н*м в мм и М_? =1⁰ в мм.

Рисунок 3.4 — Суммарный крутящий момент дизеля Уравновешивание.

Центробежные силы инерции рассчитываемого двигателя полностью уравновешены: ?К _R =0.

Суммарный момент центробежных сил действует во вращающейся плоскости, составляющей с плоскостью первого кривошипа угол 18 ⁰ 26′, величина его

?М _R =v10 (m_k +2m_{ш . к .} ) R?² a.

Силы инерции первого порядка взаимно уравновешены: ?R _{j 1} =0.

Суммарный момент сил инерции первого порядка действует в той же плоскости, где и равнодействующий момент центробежных сил, величина его

?М _{j 1} =v10m_j R?² a.

Силы инерции второго порядка и их моменты полностью уравновешены: ?R _{j 2} =0; ?М_{j 2} =0.

Уравновешивание моментов? М _{j 1} и? М_R осуществляется установкой двух противовесов на концах коленчатого вала в плоскости действия моментов, т. е. под углом 18⁰ 26′.

Суммарные моменты? М _{j 1} и? М_R действуют в одной плоскости поэтому

?М _{j 1} и? М_R =аR?² v10 (m_j +m_k +2m_{ш. к.} ).

Масса каждого противовеса определяется из условия равенства моментов

m _пр? ??² b=?М_{j 1} и? М_R .

Расстояние центра тяжести общего противовеса от оси коленчатого вала принимаем ?=125 мм.

Расстояние между центрами тяжести общих противовесов — b=720 мм.

Расстояние между центрами шатунных шеек — а=160 мм.

Масса общего противовеса

m _пр =аRv10 (m_j +m_k +2m_{ш. к.} )/(?b)=

=160*65*v10 (5,41+5,28+2*3,83)/(125*720)=6,7 кг

4. Расчет основных деталей и систем двигателя

двигатель тепловой дизель сгорание

4.1 Расчет кривошипной головки шатуна дизеля

Из динамического расчета и расчета поршневой головки шатуна имеет:

• Радиус кривошипа R=0.065 м;

Масса поршневой группы m _п =3.96 кг;

Масса шатунной группы m _ш =5.28 кг;

? _{x . x . max} =178 рад/с; ?=0.24;

Диаметр шатунной шейки

d _{ш. ш.} =0.6*130=78 мм;

Толщина стенки вкладыша t _В =3.12 мм;

Расстояние между шатунными болтами С _? =1.3*78=101.4 мм;

Длина кривошипной головки

l _к =0.45*78=35 мм; m_кр =0.2*5.28=1.056 кг;

Максимальная сила энергии:

P _jp =-?_{x . x . max} *R*[(m_n +m_{ш. п.} )*(1+?)+(m_ш.к -m_кр )]*10^-6 ;

P _jp =-178² *0.065*[(3.96+1.45_. )*(1+0.24)+(3.83−1.056)]*10^-6 =-0.0195 МН;

Момент сопротивления моментного сечения:

W _из =l_к (0.5С_? -r₁ )² /6;

r ₁ =0.5 (d_{ш. ш.} +2t_B )=0.5 (78+2*3.12)=42.12 мм — внутренний радиус кривошипной головки шатуна.

W _из =35 (0.5*101.4−42.12)² *10^-6 /6=4.3*10^-7 м³ ;

Момент инерции вкладыша и крышки:

l _В =l_к t_B

l _В =35*(3/12)³ *10^-12 =35*30.4*10^-12 =1064*10^-12 м⁴ ;

J=l _к* (0.5С_? -r₁ )³ ;

• J=35*(0.5*101.4−42.12) ³ *10^-12 =22 120*10^-12 м⁴ .

Напряжение изгиба крышки и вкладыша:

? _из = P_jp + ];

F _r =l_к *0.5 (С_? -d_{ш. ш.} )=0.5*35*(101.4−78)*10^-6 =409.5*10^-6 =0.409 м² ;

? _из = 0.0195* + ]=100 МПа.

4.2 Расчет стержня шатуна дизеля

Из динамического расчета имеем:

Р _сж =Р_г +Р_j ;

Р _j =-j*5.41*10^-3 кН=2553*5.41*10^-3 =13.8 кН, при ?=360⁰ .

Р _r =91.5 кН, Р_сж =13.8+91.5=105.3кН=0.1053 МН.

Р _р =Р_г +Р_j =-21.14 кН=-0.2 114 МН при ?=0.

Длина шатуна L _ш =270 мм;

h _ш =22 мм;

b _ш =24 мм;

a _ш =7 мм;

t _ш =7 мм.

Из расчета кривошипной головки:

• d=26 мм;

d ₁ =61 мм.

Характеристика материала шатуна — сталь 40Х.

Площадь и моменты инерции расчетного сечения В-В:

F _ср =h_ш *b_ш — (b_ш — a_ш )*(h_ш -2*t_ш );

F _ср =22*24 — (24−7)*(22−2*7)=392 мм² =39.2*10^-5 м² ;

J _x =[b_ш- *h_ш ³ — (b_ш — a_ш )*(h_ш -2*t_ш )³ ]/12;

J _x =[24*22³ — (24−7)*(22−2*7)³ ]/12=20 570 мм⁴ =20.5*10^-9 м⁴ ;

J _y =[h_ш *b_ш ³ — (h_ш -2*t_ш )*(b_ш — a_ш )³ ]/12;

J _y =[22*24³ — (22−2*7)*(24−7)³ ]/12=22 068 мм⁴ =22.07*10^-9 м⁴ .

Максимальные напряжения от сжимающей силы:

а) в плоскости качания шатуна:

? _{max x} =K_x *P_сж /F_ср ;

где K _x =1+?_е /(?² *?_ш )*L_ш ² /J_x *F_ср ; ?_е =?_в ;

? _е =?_в =750 МПа — для стали Х40; предел упругости материала шатуна.

? _ш =2.2*10⁵ МПа — модель упругости стального шатуна.

K _x =1+750/(3.14² *2.2*10⁵ )*270² /20 570*392=1.4;

? _{max x} =1.4*0.1053/(39.2*10^-5 )=376 МПа.

б) в плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна:

? _{max y} =K_y *P_сж /F_ср ;

где K _y =1+?_е /(?² *?_ш )*L₁ ² /(4*J_y )*F_ср ;

L ₁ =L_ш — (d+d₁ )/2=270 — (26+61)/2=226.5 мм.

K _y =1+750/(3.14² *2.2*10⁵ )*226.5² /(4*22 068)*392=1.08;

? _{max y} =1.08*0.1053/(39.2*10^-5 )=290 МПа.

Минимальное напряжение от растягивающей силы:

? _min =P_p /F_ср =0.2 114/(39.2*10^-5 )=-54 МПа.

Средние напряжения и амплитуды цикла:

? _{m x} =(?_{max x} + ?_min )/2=(376−54)/2=161 МПа.

? _{m y} =(?_{max у} + ?_min )/2=(290−54)/2=118 МПа.

? _{а x} =(?_{max x} — ?_{m in} )/2=(376+54)/2=215 МПа.

? _{а y} =(?_{max у} — ?_{m in} )/2=(290+54)/2=172 МПа.

? _{ак x} =?_ax *k_? /(?_м *?_п );

где k _? =1.2+1.8*10-⁴ *(?_в -400)=1.2+1.8*10-⁴ *(750−400)=1.26.

? _м =0.89 (максимальный размер сечения стержня шатуна 22 мм).

? _п =1.26.

? _{ак x} =215*1.26/(0.89*1.26) 242 МПа.

? _{ак у} =?_{a у} *k_? /(?_м *?_п )=172*1.26/(0.89*1.26)=193 МПа.

Так как =242/161>=0.328 и =193/118=1.6, то запасы прочности в сечении В-В определяются по пределу усталости:

n _{? x} =?_{-1 p} /(?_{ак x} +?_? *?_{m x} );

n _{? x} =300/(242+0.17*161)=1.11;

n _{? y} =?_{-1 p} /(?_{ак y} +?_? *?_{m y} );

n _{? y} =300/(193+0.17*118)=1.4.

4.3 Расчет центрифуги

Произвести расчет двухсопловой неполнопоточной центрифуги с гидрореактивным приводом для дизеля.

Циркуляционный расход масла в системе определяется по формуле:

V _ц =Q_м /(?_м *с_м *?Т_м ), в м³ /с;

Q _м =(0.015−0.030)*Q_о ;

Q _м =(0.015−0.030)*237 664=3565 кДж/с;

? _м -плотность масла=900 кг/м³ ;

с _м =2.094-средняя теплоемкость масла, кДж/(кг*К);

?Т _м =10−15 — температура нагрева масла в двигателе, К.

V _ц =3565/(900*2.094*10)=0.189 м³ /с.

Неполнопоточной центрифуги принимается равной 20%.

Производительность центрифуги:

V _р.ц. =0.2*V_ц =0.2*0.189=0.0378 м³ /с.

Плотность масла ? _м =900 кг/м³ ;

• Коэффициент сжатия струи масла ?=1.0;

Диаметр сопла центрифуги d _с =2 мм=0.002 м.

Площадь отверстия сопла:

F _с =?* d_с ² /4;

F _с =3.14*0.002² /43.14*10^-6 м² .

Расстояние от оси сопла до оси ротора R=40 мм=0.04 м.

Момент сопротивления в начале вращения ротора а=1*10 ^-3 Н*м.

Скорость нарастания момента сопротивления b=6*10 ^-6 (Н*м)/мин^-1 .

Частота вращения ротора центрифуги в минуту:

n=;

n==1300 мин ^-1 ;

Радиус оси ротора r _о =8 мм=0.008 м.

Коэффициент расхода масла через сопло ?=0.82.

Коэффициент гидравлических потерь ?=0.15.

Давление масла перед центрифугой:

? ₁ =?_м *[];

? ₁ =900*[]=

=0.32 МПа.

5. Требования по обеспечению эксплуатационной безопасности и экологичности ДВС

Правила техники безопасности при эксплуатации дизеля:

1. К работе на машине с дизелем допускаются лица, знающие устройство, правила эксплуатации дизеля, прошедшие инструктаж по технике безопасности и имеющие документ на право эксплуатации этой машины.

2. Перед началом работы осмотреть дизель, убедиться в его исправности и только после этого приступать к его пуску.

3. Не разрешается:

• допускать посторонних лиц к работающему дизелю;
• оставлять работающий дизель без присмотра;
• смазывать, ремонтировать и регулировать механизмы на работающем дизеле;
• открывать пробку горловины радиатора неостывшего дизеля.

В случае такой необходимости открывайте пробку в рукавицах, приняв меры предосторожности против ожога;

• подогревать дизель открытым пламенем;
• запускать дизель и выполнять работы при наличии течи масла, топлива и охлаждающей жидкости;
• наматывать шнур на руку при ручном пуске пускового двигателя.

Правила техники безопасности при техническом обслуживании и ремонте.

1. Не допускается:

• пользоваться открытым огнем, курить при проверке уровня топлива, масла и при заправке ими дизеля;
• засасывать ртом бензин, дизельное топливо или антифриз при заправке или переливании их с помощью шланга;
• гасить водой воспламенившееся горюче-смазочные материалы.

Гасить пламя необходимо с помощью огнетушителя, песком, землей и войлоком;

• мыть бензином руки и чистить одежду.