Тепловой, кинематический и динамический расчет тракторного двигателя

НОВОСИБИРСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 

ИНЖЕНЕРНЫЙ  ИНСТИТУТ 

Кафедра Тракторы и автомобили 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА 

По предмету: Тракторы и автомобили 
 

тема: «Тепловой, кинематический и динамический расчет тракторного двигателя» 
 
 

Пояснительная записка 
 
 
 

Студент: Радаев В.А

Группа: 3409

Номер зачетной книжки: 26-07-ТО

Руководитель: Вальков В.А. 
 
 
 
 
 

Новосибирск 2011

Содержание:

1. Исходные данные ……………….…………………………………….……..… 2
2. Тепловой расчет двигателя.…………………………………………….…….…3

1. Исходные данные для теплового расчета…………………………………..3

2. Параметры рабочего тела……………………………………………………3
3. Параметры окружающей среды и остаточные газы……………………….4
4. Процесс впуска………………………………………………………………4
5. Процесс сжатия………………………………………………………………5
6. Процесс сгорания…………………………………………………………….6
7. Процесс расширения…………………………………………………………7
8. Индикаторные параметры рабочего цикла двигателя……………………..7
9. Эффективные показатели двигателя………………………………………..8
10. Основные размеры цилиндра и удельные параметры двигателя…………9

3. Построение индикаторной диаграммы проектируемого двигателя………...11
4. Кинематический и динамический анализ кривошипно-шатунного механизма……………………………………………………………………....15

1. Построение графиков перемещения, скорости и ускорения поршня…...15

2. Определение масс и сил инерции движущихся частей кривошипно-шатунного механизма и построение графика…………………………….16
3. Построение развернутой диаграммы суммарной силы…………………..17
4. Построение диаграммы тангенциальных сил……………………………..17
5. Построение суммарной диаграммы тангенциальных сил и проверка правильности динамического анализа…………………………………….17

5. Расчет и построение регуляторной характеристики дизельного двигателя..18

5.1.    Расчет передаточных чисел трансмиссии…………………………………18

5.2.   Регуляторная скоростная характеристика двигателя в функции от частоты вращения коленчатого вала……………………………………………..19

6.  Расчет и построение теоретической  тяговой характеристики трактора……24

    Список литературы……………………………………………………………..34

    Вариант 18

    Таблица 1 Исходные данные.

2. Тепловой расчет  двигателя. 

2.1 Исходные  данные для теплового расчета. 

    В качестве исходных данных для теплового расчета принимаем следующие:

    Тип двигателя – четырехтактный, четырехцилиндровый, рядный, однокамерный тракторный дизель.

    Степень сжатия ε = 16; коэффициент тактности τ_дв = 4; коэффициент избытка воздуха α = 1,52. Дизельное топливо «Л» (ГОСТ 305 – 82); низшая удельная теплота сгорания топлива Q_н = 42500 кДж/кг; средний элементный состав топлива: С = 85,7 %; Н = 13,3 %; О = 1 %. Расчет ведем для условий сгорания 1 кг. топлива. 

    2.2 Параметры рабочего тела. 

    Теоретически  необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг. топлива:

     кг. (1)

    или     кмоля. (2)

    Количество  свежего заряда:

     кмоля. (3)

    Общее количество продуктов сгорания:

     кмоля. (4)

    Атмосферные условия: р₀ = 0,106 МПа; Т₀ = 303 К. р_к = 0,106 МПа.

    Принимаем показатель политропы n_к = 1

    Температура надувочного воздуха:

     К. (5)

    Давление  и температура остаточных газов:

     МПа. (6)

    Принимаем Т_r = 930 К. 

    2.4 Процесс впуска. 

    Принимаем температуру подогрева свежего  заряда ∆t = 10° C.

    Плотность заряда на впуске:

     кг/м³. (7)

где:    R_в – удельная газовая постоянная воздуха.

    Принимаем и м/с.

где:   - коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому ее сечению.

      - коэффициент затухания скорости движения заряда в сечении цилиндра.

     - средняя  скорость движения заряда в  наименьшем сечении впускной 

    системы.

    Потери  давления на впуске в двигатель:

      МПа (8)

      МПа (9)

    Коэффициент остаточных газов:

      (10)

    Температура в конце впуска:

     К. (11)

    Коэффициент наполнения:

      (12) 

    2.5 Процесс сжатия. 

    С учетом характерных значений показателя политропы сжатия для заданных параметров двигателя принимаем n₁ = 1,4.

    Давление  в конце сжатия:

     МПа. (13)

    Температура в конце сжатия:

      К. (14)

    Средняя молярная теплоемкость заряда (воздуха) в конце сжатия:

     21,8  кДж/(кмоль · град). (15)

    Число молей остаточных газов:

      кмоля. (16)

    Число молей газов в конце сжатия до сгорания:

      кмоля.  (17)

    Средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания в дизеле:

      (18)

    Число молей газов после сгорания:

     кмоля.                                               (19)

    Расчетный коэффициент молекулярного изменения:

       (20)

    Принимаем коэффициент использования теплоты  ξ = 0,85. Тогда количество теплоты, передаваемое газом на участке c z׳ z при сгорании 1 кг. топлива:

     кДж/кг. (21)

    Принимаем значение степени повышения давления: λ = 1,8.

    Температуру в конце сгорания определяем из уравнения  сгорания:

      (22)

      К.

    Давление  в конце сгорания:

      МПа.                                                                   (23)

      (24) 

    2.7 Процесс расширения. 

    Степень последующего расширения:

      (25)

    С учетом характерных значений показателя политропы расширения для заданных параметров двигателя принимаем n₂ = 1,25. Тогда

     МПа. (26)

     К. (27)

    Проверим  правильность ранее принятой температуры  остаточных газов.

    (T_r принято 800 К.)

     К. (28)

     %                 (допустимое значение ∆ = 5%) (29) 

    2.8 Индикаторные параметры рабочего  цикла двигателя. 

    Среднее индикаторное  давление цикла для  нескругленной индикаторной диаграммы:

      (30)

    Принимаем коэффициент полноты индикаторной диаграммы ν = 0,95.

    Среднее индикаторное давление:

      МПа. (31)

    Индикаторный  КПД:

      (32)

    Индикаторный  удельный расход топлива:

     . (33) 

    2.9 Эффективные показатели двигателя. 

    Средняя скорость поршня W_п.ср. = 8,3 м/с.

    Среднее давление механических потерь:

     МПа. (34)

    Среднее эффективное давление:

      МПа. (35)

    Механический  КПД:

      (36)

    Эффективный КПД:

      (37)

    Эффективный удельный расход топлива:

     .                                               (38)

    Литраж  двигателя:

     л. (39)

    Рабочий объем цилиндра:

     л. (40)

    Задаемся  . Тогда диаметр цилиндра:

     мм. (41)

    Ход поршня:

     мм. (42)

    Площадь поршня:

      см². = 0,0090 м². (43)

    Средняя скорость поршня:

     м/с.

    Проверим  правильность ранее принятой скорости поршня.

     %                 (допустимое значение ∆ = 5%) (44)

    Эффективный крутящий момент:

      Н·м. (45)

    Часовой расход топлива:

      кг/ч. (46)

    Литровая  мощность:

      кВт/л.                                                                   (47)

     кВт/дм². (48)

    Если  принять массу сухого (незаправленного) двигателя с вспомогательным оборудованием по прототипу А-41 G_сух =410   кг, то:

    литровая  масса:

        кг/л. (49)

    и удельная масса:

          кг/кВт. (50) 

    Расчет  проводим аналитическим методом, используя  технические данные дизеля: N_е = 80/(59) л.с./(кВт); степень сжатия ε = 16,5; число оборотов n_н =1750 об/мин.; и полученные в результате теплового расчета значения: давлений в характерных точках диаграммы: p_a = 0,086 мПа; p_r = 0,084 мПа; p_c = 4,9 мПа; p_z = 8,82 мПа; p_b = 0,4 мПа; значения показателей политроп сжатия и расширения: n₁ = 1,4 и n₂ = 1,25; степени предварительного расширения ρ = 1,37; степени последующего расширения δ = 12,04; среднего индикаторного давления цикла для нескругленной индикаторной диаграммы мПа.

    Выберем масштабные коэффициенты:

    масштаб объема μV = 0,0103 л/мм;

    масштаб давления μР = 0,065 мПа/мм;

    Определим условный размер камеры сгорания:

     мм. (51)

    Определим точку конца сгорания топлива  z:

     мм. (52)

    Ординаты  характерных точек:

     мм; (53)

     мм; (54)

     мм; (55)

     мм; (56)

     мм; (57)

     мм;  (58)

      (59)

    Рассчитываем  путь поршня при следующих углах  поворота коленчатого вала: α = 30; 60; 90; 120; 150° по формуле:

      (60)

     10,3 мм;

     35,8 мм;

     68 мм;

     96,8 мм;

     115,2 мм.

    Определяем  текущее значение политропы сжатия P_xc в зависимости от угла поворота коленчатого вала α:

      (61)

     мПа;

      мПа;

      мПа;

      мПа.

    Определяем  текущее значение политропы расширения P_xb в зависимости от угла поворота коленчатого вала α:

      (62)

      мПа;

      мПа;

      мПа;

      мПа;

      мПа. 

Рисунок 1 Индикаторная диаграмма.

    4.1 Построение графиков перемещения, скорости и ускорения поршня. 

    Значение  постоянной кривошипно-шатунного механизма  .

    Определим поправку Брикса, равную мм. (64) где: R – радиус кривошипа, мм  R = ,5мм.

    Определим длину шатуна:

     мм. (65)

    Построение  функции  ведется графическим способом.

    Масштаб графика перемещения поршня: μS = 1,5 град/мм.

    Скорость  поршня определяется по выражению:

     м/с. (66) где: ω – угловая скорость кривошипа,

     с^-1. (67)

    Таблица 2 Значения скорости поршня W_п рассчитанные для различных углов.

    По  полученным значениям W_п строится график скорости поршня.

    Масштаб графика скорости поршня: μW_п = 0,2 м/с/мм.

    Построение  кривой ускорения  методом касательных.

    Определим максимальное значение ускорения поршня при φ = 0°:

     м/с². (68)

     м/с².  (69)

      м/с²  (70)

    Масштаб графика ускорения поршня: μj = 50 м/с²/мм. 

    4.2 Определение масс и сил инерции  движущихся частей кривошипно-шатунного  механизма и построение графика. 

    Масса, m совершающая возвратно-поступательное движение состоит из  массы поршневого комплекта плюс 0,275 массы шатуна.

    Масса поршневого комплекта m_п = 4,15 кг ( принято с прототипа).

    Масса шатунной группы m_ш = 4,62 кг ( принято с прототипа).

     кг. (71)

    Определим  массу, совершающую возвратно-поступательное движение приведенную к площади поршня:

     кг/см². = 600 кг/м².

    Определим максимальное значение силы инерции  поршня при φ = 0°:

     МПа. (72)

    Определим минимальное значение силы инерции  поршня при φ = 180°:

     МПа. (73)

    Построение  кривой сил инерции  методом касательных.

      (74)

    Масштаб графика сил инерции поршня: μPj = 0,065 МПа/мм.

    Суммарная сила Р, действует вдоль оси цилиндров  и приложена к центру поршневого пальца. Графически она определяется отрезком между линиями давления газов и сил инерции для  данного угла φ поворота кривошипа. Измерив отрезки, равные Р для соответствующих углов φ, откладываем их на ординате диаграммы с учетом знака, и проводим диаграмму суммарной силы. 

    4.4 Построение диаграммы тангенциальных  сил. 

    Тангенциальная  сила Т получается из разложения силы Р и действует перпендикулярно  кривошипу, создавая крутящий момент на коленчатом валу.

    Графически  сила t (приведенное к площади значение силы Т) определяется с использованием схемы КШМ.

    Измерив отрезки равные t, откладываем их на ординате диаграммы с учетом знака.

    4.5. Построение суммарной диаграммы  тангенциальных сил и проверка  правильности динамического анализа. 

    Суммарная диаграмма 4-х цилиндрового двигателя  строится из суммы ординат четырёх  отрезков линии t = ( φ )  на протяжении 180°.

                                                                      (75)

     кВт.

значения  N_е мощности двигателя на безрегуляторной ветви характеристики по эмпирической формуле: 

    Задаваясь различными значениями частот вращения вала двигателя в процентах  ( 100, 80, 60, 40, 20 )  от  номинальной  величины  определяем  текущие

Задаваясь различными значениями частот вращения вала двигателя  в процентах     ( 100, 80, 60, 40, 20 )  от  номинальной величины  определяем  текущие значения  N_е мощности двигателя на безрегуляторной ветви характеристики по эмпирической формуле:

      (76)

    где – n_e и n_н – текущее и номинальное значение частот вращения коленчатого вала двигателя;

    С1 = 0,5; С2 = 1,5.

      кВт.

      кВт.

      кВт.

      кВт.

      кВт.

    На  регуляторной ветви характеристики принимают изменения мощности Nе по закону прямой линии от N_е = 0 до N_{е max}.

    Для определения Nе = 0 определяют частоту вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу по формуле:

      (77)

    где – δ_р – коэффициент неравномерности регулятора, δ_р = 0,07…0,08.

     мин^-1.

    Зная  мощность и частоту вращения коленчатого  вала двигателя, определяют крутящий момент по формуле:

       (78)

      с^-1.

      с^-1.

      с^-1.

      Нм.    Нм.

      Нм.   Нм.

    По  удельному расходу топлива при  номинальной мощности двигателя  определяют максимальный часовой расход топлива:

      кг/ч. (79)

    Для холостого хода двигателя принимают:

     кг/ч.

    Промежуточные точки часового расхода топлива  на регуляторной ветви принимают  по закону прямой линии.

    Удельный  расход топлива на регуляторной ветви  при максимальном крутящем моменте  двигателя принимают на 10-20% больше  чем при номинальной мощности. g_e3 = 160 г/кВт·ч.

      кг/ч. 

    Таблица 3 Показатели работы двигателя.

            Рисунок 2. Регуляторная скоростная характеристика дизельного двигателя.

            Рисунок 3. Регуляторная характеристика дизельного двигателя.

      Определив основные конструктивные и экономические  параметры тракторного двигателя  и трактора в целом, приступают к  построению теоретической тяговой  характеристики, которая позволяет  получить наглядное представление  о тяговых и топливо - экономических показателях на различных режимах его работы.

    Теоретическая тяговая характеристика трактора (рис. 3) состоит из двух частей - нижней и  верхней. Нижняя часть графика имеет  вспомогательное значение и служит для нанесения основных исходных параметров тракторного двигателя. В верхней части графика наносится ряд кривых, показывающих, как в заданных почвенных условиях, при установившемся движении на горизонтальном участке, в зависимости от нагрузки на крюке трактора изменяются его основные эксплуатационные показатели - буксование ведущих органов, скорости движения, тяговая мощность, удельный расход топлива и тяговый К.П.Д. трактора.

      Аналитический расчёт и графическое построение теоретической тяговой характеристики трактора производится в следующей  последовательности: на листе наносят ось координат с повёрнутой ординатой вниз. Затем по оси абсцисс от начала координат О' в принятом масштабе откладывается для каждой передачи максимальная касательная сила тяги, подсчитанная по формуле:

        (80)

      и номинальная: (81)

где:   М_крmax – максимальный крутящий момент двигателя;

       М_крн – крутящий момент двигателя при номинальной частоте вращения коленчатого вала;

       i_трi – передаточное число трансмиссии;

    η_трi – К.П.Д. учитывающий потери мощности в трансмиссии.

      Н;

     Н;

    Для II передачи:

      Н;

     Н;

    Для III передачи:

      Н;

     Н;

    Для IV передачи:

      Н;

     Н;

      Учитывая, что касательная сила тяги трактора прямо пропорциональна крутящему  моменту двигателя, поэтому по оси  абсцисс от точки О' для каждой заданной передачи в принятом масштабе наносятся крутящие моменты двигателя М_крmax и М_{кр н} соответственно касательным силам тяги Р_{к max} и Р_{к н}.

    Затем по оси ординат вниз наносятся  масштабные шкалы эффективной мощности,  часового   расхода   топлива   и  частоты  вращения  коленчатого  вала

двигателя с таким расчётом, чтобы графики  в регуляторной зоне не пересекались.

      Далее с учётом количества передач и  соответствующих крутящих моментов строится график показателей работы двигателя N_e, G_T, n=( М_кр).

      Кривые, расположенные в нерегуляторной зоне в пределах от М_крmax до М_{кр н}  для каждой передачи, строятся по расчетным точкам регуляторной характеристики (см. таблицу 3.). Нанесенные кривые на график регуляторной характеристики для каждой передачи заканчиваются при максимальных значениях крутящих моментов, М_крmax.

      Нижняя  часть теоретической тяговой  характеристики трактора по сути дела является примером построения нагрузочной  характеристики двигателя в функции  от крутящего момента. При этом, следует  учесть, что в зоне перегрузок от М_{кр н} до М_крmax кривые N_е, G_T, n строятся по точкам регуляторной характеристики, а в зоне действия регуляторов эти показатели изображаются прямыми линиями.

      После построения нагрузочной характеристики определяют силу сопротивления качению  по формуле:

      P_f=f ·G  = 0,12 · 6800 · 9,81= 8005 Н (82)

      где f — коэффициент сопротивления качению;

      G - сила тяжести трактора.

    Величина  силы сопротивления качению P_f откладывается по оси абсцисс вправо от точки О' до точки О. Полученная точа О будет являться началом координат непосредственно тяговой характеристики трактора. По оси абсцисс в масштабе касательной силы точки О отсчитывается сила тяги на крюке трактора, определяемая по формуле Р_КР = Р_К - Р_f ,а по оси ординат вверх изображаются в своих масштабах тяговые показатели трактора - буксование движителей, скорости

      Величина  коэффициента буксования может быть посчитана по эмпирической формуле:

        (83)

где:    р – относительная сила тяги трактора, определяемая по формуле:

        (84)

      Безразмерные коэффициенты для                    трактора принимают: a = 0,04; b = 4; с = 8.

I        

II       

III      

IV     

I        

II       

III     

IV     

      Далее для каждой заданной передачи определяют теоретическую скорость на холостом ходу (р_кр = 0) по формуле:

        (85)

        км/ч.

I         км/ч.

        км/ч.

        км/ч.

II      км/ч.

        км/ч.

        км/ч.

III      км/ч.

        км/ч.

IV      км/ч.

        км/ч.

      Зная  величину буксования и теоретическую  скорость движения, подсчитываем для  каждой передачи рабочие скорости по формуле:

        (86)

        км/ч.

I         км/ч.

        км/ч.

        км/ч.

II       км/ч.

        км/ч.

        км/ч.

III      км/ч.

        км/ч. 

        км/ч.

IV      км/ч.

      Для каждой передачи определяем мощность на крюке трактора по формуле:

        (87)

        кВт.

    I        кВт.

          кВт. 

        кВт.

II       кВт.

        кВт.

III      кВт.

        кВт.

        кВт.

IV      кВт.

        кВт. 

   Для оценки топливной экономичности  трактора определяется удельный расход  топлива по формуле:

      (88)

        г/(кВтч).

I         г/(кВтч).

        г/(кВтч).

        г/(кВтч).

II       г/(кВтч).

        г/(кВтч).

        г/(кВтч).

III      г/(кВтч).

        г/(кВтч).

IV     г/(кВтч).

        г/(кВтч). 

    Условный  тяговый К.П.Д. определяется по формуле:

      (89)

I        

II      

III     

IV     

    Таблица 4. Расчетные тяговые показатели.

1. Николаенко А.В. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей.  – Москва: Колос, 1984. – 335 с.
2. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей.  – Москва: Высшая школа, 1980. – 400 с.
3. Болтинский В.Н. Теория, конструкция и  расчет  тракторных  и автомобильных двигателей.  – Москва: Издательство сельскохозяйственной литературы, журналов и плакатов, 1962. – 391 с.
4. Гуревич А.М. Тракторы и автомобили. – Москва: Колос, 1983. – 336 с.
5. Скотников В.А., Мащенский А.А., Солонский А.С. Основы теории и расчета трактора и автомобиля. – Москва: Агропромиздат, 1986 – 384 с.
6. Тракторы и автомобили. Методические указания по выполнению курсовой работы. – Новосибирск: НГАУ, 1993 – 39 с.
7. Пример расчета характеристик трактора и автомобиля. Учебное пособие. – Новосибирск: НГАУ ИИ, 2005 – 40 с.

    Основы  теории и расчета тракторов и автомобилей (задачи, программы). Учебное пособие. – Новосибирск: НГАУ, 1992 – 44с.