- •М. И. Куликов, и. Г. Скобцов, с. Н. Перский тяговые расчеты лесных колесных и гусеничных машин (Часть I)
- •Ббк 43.904/906
- •Содержание
- •Введение
- •Общие положения
- •I. Выбор прототипа машины
- •2. Выбор и расчет двигателя
- •2.1. Определение мощности двигателя
- •2.2. Выбор двигателя
- •2.3. Тепловой расчет двигателя
- •Пример теплового расчета
- •2.4. Построение индикаторной диаграммы
- •2.5. Скоростные характеристики двигателя
- •3. Определение передаточных чисел трансмиссии
- •3.1. Общие положения
- •3.2. Методика и порядок определения передаточных чисел трансмиссии колесных машин
- •3.3. Методика и порядок определения передаточных чисел трансмиссии гусеничных машин с механической коробкой передач
2.3. Тепловой расчет двигателя
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются основными энергетическими установками, используемыми при заготовке, транспортировке и, в определенной мере, переработке древесины. На практике приходится иметь дело как с эксплуатацией ДВС, так и с созданием новых машин для лесозаготовительного комплекса. При этом, исходя из назначения машины и условий работы (трелевочный трактор, лесовозная машина, тепловоз и т. д.), а также производительности (грузоподъемность, скорость движения), необходимо подобрать определенный тип двигателя (дизельный или карбюраторный) с соответствующей внешней скоростной характеристикой, определяющей его мощностные, скоростные, тяговые и экономические свойства.
Для теплового расчета можно выбрать один из приведенных в табл. 1 и 2 Приложений прототипов тракторных и автомобильных двигателей или спроектировать новый двигатель, исходя из намерений по его использованию.
Рассмотрение отдельных процессов в двигателях и их расчет позволяют определить предполагаемые показатели цикла, мощность и экономичность двигателя, а также давление газов, действующих в надпоршневом пространстве цилиндра, в зависимости от угла поворота коленчатого вала. По данным расчета можно установить основные размеры двигателя (диаметр цилиндра и ход поршня) и произвести прочностной расчет его основных деталей.
При проведении теплового расчета необходимо правильно выбрать исходные данные и опытные коэффициенты, входящие в некоторые формулы. При этом нужно учитывать скоростной режим и другие показатели, характеризующие условия работы двигателя.
Пример теплового расчета
Принятые обозначения:
Коэффициент наполнения………………………….
>> избытка воздуха…………………….
>> использования тепла……………….
>> неполноты диаграммы……………..
Степень повышения давления……………………..
Температура окружающей среды, К………………
>> подогрева воздуха от стенок……….
>> остаточных газов …………………...
Давление окружающей среды, МПа……………….
>> остаточных газов в начале впуска……..
>> в конце впуска…………………………..
Показатель политропы сжатия……………………..
>> >> расширения……………….
Задание: провести тепловой расчет двигателя (дизельного или карбюраторного). По данным расчета определить основные параметры двигателя, предполагаемую экономичность, построить индикаторную диаграмму и скоростную характеристику.
Сравнить полученные результаты с характеристиками прототипа.
Выбрав прототип для теплового расчета, необходимо указать его исходные данные: номинальную мощность двигателя – Nе(кВт), частоту вращении вала –n(об/с), число цилиндров –i, степень сжатия –ε, коэффициент избытка воздуха –α, химический состав 1 кг топлива (содержание углерода –С, водорода –Н, кислорода –OТ), низшую теплоту сгорания топлива –Нu. Значение низшей теплоты сгорания топлива можно проверить по формуле Д. И. Менделеева:
. (2.8)
Принимаем содержание серы S=0 и содержание влаги в топливеW=0;С,Н,OТ– соответственно количество углерода, водорода, кислорода в 1 кг топлива (по исходным данным).
Химический состав топлива и коэффициент избытка воздуха могут быть определены по табл. 3.
Далее переходят непосредственно к расчету, который начинают с процесса газообмена. Параметры данного процесса приведены в табл. 4.
Коэффициент остаточных газов
. (2.9)
Температура в конце впуска, К
. (2.10)
Коэффициент наполнения
. (2.11)
Таблица 3. Химический состав топлива, коэффициент избытка воздуха
Двигатель |
Марка топлива |
Химический состав топлива |
Ни, кДж/кг |
Коэффициент избытка воздуха, α |
Молекулярный вес, mT | ||
С |
Н |
0Т | |||||
Дизельный |
ДЗ, ДЛ, ДТ, ГОСТ 305-82 |
0,87 |
0,126 |
0,004 |
42000 |
1,2–1,7 |
180–200 |
Карбюраторный |
А-80, А92, А-95 |
0,855 |
0,145 |
0 |
44000 |
0,85–0,95 |
110–120 |
Таблица 4. Параметры процесса газообмена
Параметры |
Тип двигателя | |
дизельный |
карбюраторный | |
Подогрев воздуха от стенок цилиндра , К |
10–25 |
10–40 |
Температура остаточных газов , К |
700–900 |
900–1100 |
Давление остаточных газов , МПа |
0,105–0,120 |
0,105–0,125 |
Давление в конце впуска , МПа |
0,75–0,95 |
0,7–0,9 |
Процесс сжатия.
Давление в конце сжатия, МПа
. (2.12)
Температура конца сжатия, К
. (2.13)
Процесс сгорания.
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кмоль/кг топл.
. (2.14)
Для дизельного двигателя действительное количество воздуха и свежего заряда, кмоль/кг топл.
. (2.15)
Количество отдельных компонентов продуктов сгорания для дизельного двигателя, кмоль/кг топл.:
углекислого газа
;(2.16)
водяного пара
; (2.17)
кислорода
; (2.18)
азота
. (2.19)
Общее количество продуктов сгорания
. (2.20)
Количество горючей смеси для карбюраторного двигателя, кмоль/кг топл.:
. (2.21)
Количество отдельных компонентов продуктов сгорания:
доля углерода топлива, сгорающая в СО
;(2.22)
количество СО2
;(2.23)
количество СО
; (2.24)
количество
; (2.25)
количество
. (2.26)
Общее количество продуктов сгорания
. (2.27)
Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси для дизельного двигателя
. (2.28)
Изменение количества моль при сгорании для карбюраторных двигателей, кмоль/кг топл.
. (2.29)
Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси
. (2.30)
Средняя мольная теплоемкость горючей смеси в конце сжатия в интервале температур 273 … 1800 К, кДж/кмоль·град:
. (2.31)
Средняя мольная теплоемкость продуктов в конце сгорания в интервале температур 1800 … 3000 К, кДж/кмоль·град:
– для дизельного двигателяпри постоянном давлении
+ 8,314.
Подставляем полученные цифровые значения в уравнение сгорания для смешанного цикла
, (2.32)
где ζ= 0,8 (для дизельного двигателя).
В результате подстановки получаем квадратное уравнение, решая которое, определяем величину
– для карбюраторного двигателя
.
. (2.33)
Подставляем цифровые значения в уравнение сгорания и получаем квадратное уравнение, решая которое определяем величину
, (2.34)
где ζ= 0,9 (для карбюраторного двигателя).
Давление газов в цилиндре в конце сгорания:
дизельногодвигателя, МПа
. (2.35)
Степень предварительного расширения
; (2.36)
карбюраторногодвигателя, МПа
.(2.37)
Степень повышения давления
. (2.38)
Процесс расширения.
Для дизельногодвигателя степень последующего расширения
. (2.37)
Давление в конце расширения, МПа
. (2.38)
Температура в конце расширения, К
. (2.39)
Для карбюраторногодвигателя, МПа.
Температура газов, К
. (2.40)
Параметры, характеризующие цикл и работу двигателя
Среднее индикаторное расчетное давление:
дизельногодвигателя
;(2.41)
карбюраторного
. (2.42)
Действительное среднее индикаторное давление
. (2.43)
Значение коэффициента полноты индикаторной диаграммы для четырехтактных двигателей следует принять 0,9 … 0,97. Для карбюраторных двигателейимеет более высокие значения, чем для дизелей.
Индикаторный КПД
. (2.44)
Индикаторный удельный расход топлива, г/(кВт·ч)
. (2.45)
Среднее давление, затрачиваемое на трение и привод вспомогательных агрегатов:
дизель
;(2.47)
карбюраторныйдвигатель
.(2.48)
Среднее эффективное давление
.(2.49)
Механический КПД
.(2.50)
Эффективный КПД
.(2.51)
Эффективный удельный расход топлива, г/(кВт·ч)
.(2.52)
Основные размеры двигателя.Литраж двигателя, л
. (2.53)
Задаваясь числом цилиндров двигателя i, определим рабочий объем одного цилиндра
. (2.54)
Диаметр цилиндра, мм
, (2.55)
где ,– ход поршня и диаметр цилиндра соответственно (по техническойхарактеристике двигателя-прототипа– табл. 1, 2 Приложений).
Ход поршня, мм.
. (2.56)