Тепловой расчет двигателя позволяет аналитически с достаточной степенью точности определить основные параметры вновь проектируемого или модернизированного двигателя, а также оценить индикаторные и эффективные показатели работы созданного двигателя. Рабочий цикл рассчитывают для определения индикаторных, эффективных показателей работы двигателя и температурных условий работы двигателей, основных размеров, а также выявления усилий, действующих на его детали, построение характеристик и решения ряда вопросов динамики двигателя. Результаты теплового расчета зависят от совершенства оценки ряда коэффициентов, используемых в расчете и учитывающих особенности проектируемого двигателя. Они будут тем ближе к действительным, чем больше используются фактические данные испытаний таких двигателей, которые по ряду основных параметров близки к проектируемому.

В качестве исходных данных для теплового расчета задаемся следующим:

тип двигателя - четырехтактный, четырехцилиндровый, однорядный, однокамерный дизель. Номинальная мощность дизеля N=60кВт, номинальная частота вращения nн=2000об/мин; степень сжатия е=16, коэффициент тактности ф=4; коэффициент избытка воздуха б=1,6.Дизельное топливо ,,Л,, (ГОСТ305-82); низшая удельная теплота сгорания топлива Qн=42500кДж/кг; средний элементный состав: С=85,7%, Н=13,3%, Q=1%. Расчет ведем для сгорания 1кг топлива. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива:

или

где мв- масса 1-го кмоля воздуха(мв=28,96кг/кмоль).

Количество свежего заряда:

Общее количество продуктов сгорания:

При этом химический коэффициент молекулярного изменения горючей смеси:

Параметры окружающей среды и остаточные газы. Атмосферные условия принимаем следующие: P0=0,1МПа, T0=288K. Давление окружающей среды

P0= Pк=0,1МПа, температура окружающей среды T0= Tк=288 K. Давление и температура остаточных газов: , принимаем Tr=930К.

Процесс впуска. Принимаем температуру подогрева свежего заряда

Плотность заряда на впуске:

где Rв=287Дж/кг•град- удельная газовая постоянная для воздуха.

Принимаем и

Тогда потери давления на впуске в двигатель:

Давление в конце впуска:

Коэффициент остаточных газов:

Температура в конце впуска:

Коэффициент наполнения:

Процесс сжатия. Показатель политропы сжатия можно определить по эмпирической формуле:

Давление в конце сжатия:

Температура в конце сжатия:

Средняя молярная теплоемкость заряда(воздуха) в конце сжатия (без учета влияния остаточных газов):

Число молей остаточных газов:

Число молей газов в конце сжатия до сгорания:

Процесс сгорания. Средняя молярная теплоемкость при постоянном давлении для продуктов сгорания жидкого топлива в дизеле:

Число молей газов после сгорания:

Расчетный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

Принимаем коэффициент использования теплоты . Тогда количество теплоты передаваемой газом на участке cz.z при сгорании 1кг топлива:

Принимаем степень повышения давления л=2,2. Температуру в конце сгорания определяют из уравнения сгорания для дизеля:

Решаем уравнение относительно Tz и находим Tz= 2380

Степень предварительного расширения:

Процесс расширения. Степень последующего расширения:

С учетом характерных значений показателя политропы расширения для заданных параметров дизеля принимаем n2= 1,17. Тогда

Проверим правильность ранее принятой температуры остаточных газов:

Индикаторные параметры рабочего цикла двигателя:

Принимаем коэффициент полноты индикаторной диаграммы н=0,95.

Среднее индикаторное давление цикла для скругленной индикаторной диаграммы:

Индикаторный КПД.

Индикаторный удельный расход топлива:

Эффективные показатели двигателя. Принимаем предварительную среднюю скорость поршня Wп.ср=8,3м/с.

Среднее давление механических потерь:

Среднее эффективное давление:

Механический КПД:

Эффективный КПД:

Эффективный удельный расход топлива:

Основные параметры цилиндра и удельные параметры двигателя:

Мощность двигателя:

Площадь поршня:

Средняя скорость поршня:

Эффективный крутящий момент двигателя:

Часовой расход топлива:

Удельная поршневая мощность:

Если принять массу сухого двигателя без вспомогательного оборудования Gсух=430кг, то литровая масса:

и удельная масса:

2.Кинематический расчет.

Основная задача кинематического расчета состоит в определении закона движения поршня и шатуна. При этом в кинематическом расчете делаются допущения, что вращение коленчатого вала происходит с постоянной угловой скоростью Это позволяет рассчитывать все кинематические параметры механизма в зависимости от угла поворота кривошипа коленчатого вала ц , который при пропорционален времени, т.е. или , так как и .

Исходные данные: двигатель- с центральным кривошипно - шатунным механизмом; номинальная частота вращения коленчатого вала ;

ход поршня - ; радиус кривошипа - ; постоянная

Угловая скорость кривошипа:

При работе двигателя поршень совершает возвратно-поступательные движения, для характеристики которого определяют перемещение Sx, скорость Wп и ускорение jп. Рассчитываем перемещения поршня Sx, скорости поршня Wп , ускорения поршня jп. Через каждые 10° поворота коленчатого вала и полученные значения заносим в таблицу. Формула для расчета перемещения поршня имеет вид:

Скорость поршня определяется по формуле:

Ускорения поршня определяется по формуле:

Средняя скорость поршня:

Кинематические параметры двигателя.

цп.к.в.	Sп	Wп	jп.	ц°п.к.в.
	0-180°	180-360°	0-180°	180-360°	0-180°	180-360°
0	0	0	0	0	3367,3	3367,3	360
10	0,0011	0,0011	2,780	-2,780	3380,4	-3380,4	350
20	0,0045	0,0045	5,428	-5,428	3036,0	-3036,0	340
30	0,012	0,012	7,805	-7,805	2646,5	2646,5	330
40	0,0174	0,0174	9,79	-9,79	2144,2	2144,2	320
50	0,0263	0,0263	11,358	-11,358	1562,6	1562,6	310
60	0,0362	0,0362	12,404	-12,404	947,0	947,0	300
70	0,0468	0,0468	12,939	-12,939	336,6	336,6	290
80	0,0576	0,0576	12,976	-12,976	-234,2	-234,2	280
90	0,0683	0,0683	12,565	-12,565	-736,5	-736,5	270
100	0,0785	0,0785	11,772	-11,772	-1149,6	-1149,6	260
110	0,0878	0,0878	10,677	-10,677	-1465,3	-1465,3	250
120	0,0963	0,0963	9,358	-9,358	-1683,6	-1683,6	240
130	0,097	0,1034	7,892	-7,892	-1817,8	-1817,8	230
140	0,1093	0,1093	6,344	-6,344	-1886,3	-1886,3	220
150	0,1140	0,1140	4,750	-4,750	-1910	-1910	210
160	0,1173	0,1173	3,167	-3,167	-1907,3	-1907,3	200
170	0,1192	0,1192	1,578	-1,578	-1899,4	-1899,4	190
180	0,1200	0,1200	0	0	-1894,2	-1894,2	180

3. Построение индикаторной диаграммы.

В соответствии с текущими данными данными дизеля принимаем: , , ,.

В результате теплового расчета получены давления в характерных точках диаграммы:

Значения показателей политропы сжатия и расширения:

Степень предварительного расширения: .

Степень последующего расширения: .

Среднее индикаторное давление:

1) Для построения расчетной индикаторной диаграммы определяем относительную высоту камеры сгорания :

2) Рассчитываем степень сжатия Еx, давление на участке сжатия рcx, степень последующего расширения дx, текущее давление на участке расширения рвx:

;

Полученные данные заносим в таблицу.

ц° п.к.в.	Sx	Sx+hс	Политропа расширения	Политропа сжатия	ц° п.к. в.
			дx		рвx	Еx		рcx
0	0	0,133	-	-	-	3	4,455	0,396	360
10	0,018	0,151	-	-	-	2,880	4,216	0,375	350
20	0,072	0,205	-	-	6,870	2,648	3,761	0,334	340
30	0,192	0,325	1,900	2,119	4,007	2,409	3,306	0,294	330
40	0,278	0,411	2,403	2,789	3,045	2,323	3,147	0,280	320
50	0,421	0,554	3,239	3,955	2,147	2,240	2,994	0,266	310
60	0,579	0,712	4,164	5,307	1,600	2,186	2,898	0,257	300
70	0,749	0,882	5,158	6,817	1,246	2,150	2,833	0,252	290
80	0,922	1,055	6,169	8,405	1,010	2,126	2,789	0,248	280
90	1,093	1,226	7,169	10,02	0,847	2,108	2,758	0,245	270
100	1,256	1,389	8,123	11,598	0,732	2,095	2,735	0,243	260
110	1,405	1,538	8,994	13,065	0,649	2,086	2,718	0,241	250
120	1,541	1,674	9,789	14,426	0,587	2,079	2,706	0,240	240
130	1,552	1,685	9,853	14,537	0,584	2,078	2,705	0,240	230
140	1,749	1,882	11,006	16,546	0,513	2,070	2,690	0,239	220
150	1,824	1,957	11,444	17,319	0,490	2,067	2,686	0,239	210
160	1,877	2,01	11,754	17,869	0,475	2,066	2,683	0,238	200
170	1,907	2,04	11,929	18,181	0,467	2,065	2,681	0,238	190
180	1,92	2,053	12,006	18,319	0,463	2,064	2,680	0,238	180

По полученным точкам строим индикаторную диаграмму.

Проектируем расчетную индикаторную диаграмму с целью ее приближения к действительной с учетом данных по фазам распределения и углу опережения впрыскивание топлива для дизеля Д-248, которые приведены в таблице.

Обозначение точек на

диаграмме.

Положение точек на

диаграмме.

Расчетное положение

точек в масштабе диаграммы.

16° до в.м.т.

16° после в.м.т.

40° после н.м.т.

15° до в.м.т.

40° до н.м.т.

4.Динамический расчет двигателя

Исходные данные: угловое ускорение кривошипа: , угловая скорость кривошипа , постоянная кривошипно-шатунного механизма ; приведенные массы деталей кривошипно-шатунного механизма: площадь поршня Fп=0,009498мІ

1) Определение значения избыточного давления газов на поршень по формуле , полученные значения вносим в таблицу.

2) Центробежная сила инерции:

3) Расчетные значения сил инерции поступательно движущихся масс Pj также приведены в таблице.

4) Расчетные значения сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме одного цилиндра за один рабочий цикл дизеля, приведены в таблице. При этом соответствующие значения тригонометрических функций для постоянной также приведены в таблице.

5) Для контроля правильности сил рекомендуются сделать проверку сравнения среднего значения потенциальной силы T, определенным по данным таблицы, со средним значением тангенциальной силы, полученного по данным теплового расчета. Разница в полученных расчетов не должна превышать 5%.

Для рассматриваемого дизеля: расчет сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме одного цилиндра двигателя Д-248.

ц	Pги
0	0	0	-7,83234	-7,83234	0	0	1	-7,83234	0	0	1	-7,83234	5,80766	7,83234
30	0	0	-6,15576	-6,15576	0,137	-0,84334	0,797	-4,90614	0,619	-3,81041	1,009	-6,21166	8,73386	6,212039
60	0	0	-2,20272	-2,20272	0,242	-0,53306	0,29	-0,63879	0,987	-2,17409	1,029	-2,26617	13,00121	2,265992
90	0	0	1,713099	1,713099	0,283	0,484807	-0,283	-0,48481	1	1,713099	1,039	1,780768	13,15519	1,780379
120	0	0	3,916054	3,916054	0,242	0,947685	-0,71	-2,7804	0,745	2,91746	1,029	4,028862	10,8596	4,030161
150	0	0	4,44266	4,44266	0,137	0,608644	-0,934	-4,14944	0,381	1,692653	1,009	4,483007	9,49056	4,481398
180	0	0	4,405909	4,405909	0	0	-1	-4,40591	0	0	1	4,405909	9,23409	4,40591
210	0	0	4,44266	4,44266	-0,137	-0,60864	-0,934	-4,14944	-0,381	-1,69265	1,009	4,403033	9,49056	4,481397
240	0,05	0,474	3,916054	4,391429	-0,242	-1,06273	-0,71	-3,11791	-0,745	-3,27161	1,029	4,267666	10,52209	4,51938
270	0,12	1,139	1,713099	2,853999	-0,283	-0,80768	-0,283	-0,80768	-1	-2,854	1,039	2,746871	12,83232	2,966085
300	0,31	2,944	-2,20272	0,744602	-0,242	-0,18019	0,29	0,215935	0,987	0,734923	1,029	0,723617	13,85594	0,765989
330	1,05	9,972	-6,15576	3,827114	-0,137	-0,52431	0,797	3,05021	-0,619	-2,36898	1,009	3,792977	16,69021	3,862104
360	4,25	40,366	-7,83234	32,57453	0	0	1	32,57453	0	0	1	32,57453	46,21453	32,57453
390	7,01	66,580	-6,15576	60,4918	0,137	8,287377	0,797	48,21197	0,619	37,44443	1,009	59,95223	61,85197	61,0449
420	2,75	26,119	-2,20272	23,9429	0,242	5,794181	0,29	6,94344	0,987	23,63164	1,029	23,26812	20,58344	24,63059
450	1,43	13,582	1,713099	15,30882	0,283	4,332396	-0,283	-4,3324	1	15,30882	1,039	14,73419	9,3076	15,91005
480	0,93	8,833	3,916054	12,75803	0,242	3,087442	-0,71	-9,0582	0,745	9,50473	1,029	12,39847	4,5818	13,12977
510	0,77	7,313	4,44266	11,76343	0,137	1,61159	-0,934	-10,987	0,381	4,481868	1,009	11,65851	2,653	11,86597
540	0,71	6,743	4,405909	11,15623	0	0	-1	-11,1562	0	0	1	11,15623	2,4838	11,1562
570	0	0	4,44266	4,44266	-0,137	-0,60864	-0,934	-4,14944	-0,381	-1,69265	1,009	4,403033	9,49056	4,481397
600	0	0	3,916054	3,916054	-0,242	-0,94768	-0,71	-2,7804	-0,745	-2,91746	1,029	3,805689	10,8596	4,030161
630	0	0	1,713099	1,713099	-0,283	-0,48481	-0,283	-0,48481	-1	-1,7131	1,039	1,648796	13,15519	1,78038
660	0	0	-2,20272	-2,20272	-0,242	0,533059	0,29	-0,63879	-0,987	2,174087	1,029	-2,14064	13,00121	2,265989
690	0		-6,15576	-6,156	-0,137	0,843372	0,797	-4,90633	-0,619	3,810564	1,009	-6,10109	8,73367	6,212284

5 Тяговый расчет двигателя

Имеем трактор ЛТЗ-60,номинальнальная мощность 74,8кВт, частота врашения 2000об/мин, удельный расход топлива 166г/кВт ч.

Расчетная сила тяжести трактора:

где Ркр.оп = 9000Н - оптимальная сила тяги, цкр.оп = 0,25 оптимальное значение коэффициента использования сцепления, л=0,85.

Находим расчетную эксплутационную массу.

где g=9,8м/с - ускорение свободного падения.

Механический КПД трансмиссии определяется из формулы:

где зц= и зк - КПД цилиндрических и конических шестерен трансмиссии, работающих на 1 передаче.

о - коэффициент, учитывающий, какая часть номинального крутящего момента двигателя затрачивается на холостое прокручивание двигателя.

Теоретическая скорость трактора на основной передаче;

Конструктивная масса трактора:

Где my= 60кг/кВт удельная масса трактора, Nе=74,8кВт- мощность двигателя. Минимальная эксплутационная масса:

Основные параметры ходовой системы. Радиус качении колес рассчитывают по формуле:

Где d и b наружный диаметр обода и ширина профиля покрышки, 0,8…0,85- коэффициент, учитывающий радиальную деформацию шин.

Передаточные числа трансмиссии. Знаменатель геометрической прогрессии определяют по формуле:

;

где - оптимальная касательная сила тяги на 1 основной передаче, z- число передач, -минимальна касательная сила тяги на высшей основной передачи.

уТ=2,25- диапазон рабочих тяговых усилий проектируемого класса, для универсально пропашных тракторов (уТ=2…2,5).

Передаточное число соответствующая первой передаче:

Передаточное число для второй передачи:

Передаточное число для третьей передачи:

Расчет для построения тяговой характеристики.

Частота вращения холостого хода:

где др=(0,06…0,08)- степень неравномерности регулятора числа оборотов.

Частота вращения при максимальном крутящем моменте:

где К0=(1,3…1,6)-коэффициент приспособляемости двигателя по оборотам.

Максимальный крутящий момент:

где КМ=1,12- коэффициент запаса крутящего момента, -номинальный крутящий момент.

Эффективная мощность при максимальном крутящем моменте:

Часовой расход на номинальном режиме загрузки:

Часовой расход топлива при холостой работе:

Часовой расход топлива при максимальном крутящем моменте:

где -удельный расход топлива.

Результаты расчета по двигателю заносим в таблицу.

Режимы работы	Основные показатели
	n1 об/мин	M2,Нм	Ne,кВт	GТ,кг/ч	g, г/кВт
Холостой ход	2140	0	0	3,35	0
Номинальная мошность	2000	357,23	74,8	18,2	166
Максимальная перегрузка	1428	400	58,8	17,5	199,2

По данным таблицы строим регуляторную характеристику двигателя (рис. 8)

Построение кривой буксования ведущих колес.

Определяем сцепную силу тяжести:

Задаемся значениями цкр от 0,1 до ,

Результаты заносим в таблицу:

Pкр	3599,99	7199,98	10799,97	14399,96	17999,95
Gсц	35999,9	35999,9	35999,9	35999,9	35999,9
цкр	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5
д	1	3	8	14	25

По полученным данным строим график буксования (рис 9).

Определение тягово-динамических и топливно-экономических показателей трактора.

Касательная сила тяги на режиме максимальной перегрузки определяется по формуле:

Касательная сила тяги при нормальном режиме для первой передачи:

Определяем усилие на крюку:

;

В режиме максимальной перегрузки;

Для номинального режима:

Определяем теоретическую скорость движения трактора:

При холостой работе трактора;

Для номинального режима:

Для режима максимальной перегрузки:

Действительная скорость движения трактора: :

Действительная скорость трактора на холостом ходу равна теоретической т.к. (д=0). Номинальный режим:

Максимальная нагрузка:

Тяговая мощность трактора:

Для максимального режима;

;

Номинальный режим;

;

Тяговый КПД. Номинальный режим;

; ; .

Максимальная перегрузка;

; ;.

Удельный расход топлива;

Номинальный режим:

Максимальная перегрузка:

Режим работы.

Передача

Основные тягово-динамические показатели и

экономические показатели трактора.

Pкр

Vд

Nкр

Gт

gкр

Холостой ход.

15,1

17,9

21,34

3,35

Номинальная тяговая мощность.

9046,22

6384,72

4148,22

13,49

16,41

19,74

33,89

29,1

22,74

18,2

5370,3

6254,2

8003,5

0,05

0,03

0,018

Максимальная сила тяги.

11042,08

8061,91

5557,57

9,4

11,59

13,94

28,83

25,95

21,52

17,5

17,3

17,5

6312,9

7013,49

8457,25

0,078

0,04

0,02