Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный

Университет путей сообщения»

Кафедра «Тепловозы и тепловые двигатели»

А.Ю. Коньков, В.Г. Кочерга, З.Б. Погребинский

ТЕПЛОВОЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ

Методические указания

на выполнение курсовой работы по дисциплине

«Локомотивные энергетические установки»

Хабаровск Издательство ДВГУПС

2009

2

УДК 629.424.1:621.43(075.8) ББК О235.2–041–028.я73 К 654

Рецензент: Доцент кафедры «Тепловозы и тепловые двигатели»

Дальневосточного государственного университета путей сообщения кандидат технических наук

В.В. Литвинчук

Коньков, А. Ю.

К654 Тепловой и динамический расчет тепловозного дизеля : методи-ческие указания на выполнение курсовой работы / А.Ю. Коньков, В.Г. Кочерга, З.Б. Погребинский. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2009. – 36 с.

Методические указания соответствуют ГОС ВПО направления подго-

товки специалистов 190300 «Подвижной состав железных дорог» специ-альности 190301 «Локомотивы». Изложены упрощенные методики теплового и динамического расчета,

адаптированные к использованию персонального компьютера. Наиболее сложные для самостоятельного выполнения этапы расчета иллюстрируют-ся примерами решения с использованием популярного приложения MS Excel. Предназначены для студентов специальности «Локомотивы» 4-го курса

дневной и 5-го курса заочной форм обучения, изучающих дисциплину «Ло-комотивные энергетические установки»

УДК 629.424.1:621.43(075.8) ББК О235.2–041–028.я73

© ГОУ ВПО Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС), 2009

3

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день дизель остается самым эффективным тепловым двигателем. Присущие дизелю недостатки - высокая удельная масса (мас-са, приходящаяся на единицу вырабатываемой мощности), шумность, ти-хоходность оказываются мало значимыми в случае применения дизеля как силовой установки локомотива. Периодические попытки замены дизеля га-зотурбинной установкой вызваны колебанием цен на углеводородное топ-ливо и, по мнению авторов, не приведут к вытеснению дизеля с автоном-ного локомотива. Поэтому, современный специалист в области эксплуата-ции тепловозов должен знать рабочий процесс дизеля, причины, влияю-щие на показатели работы двигателя, иметь представления о силах, дей-ствующих в кривошипно-шатунном механизме, динамике формирования крутящего момента на коленчатом валу. Решению этих задач и посвящена настоящая курсовая работа. Для успешного выполнения курсовой работы, студент должен хорошо

знать термодинамические основы работы тепловых машин, изучить тео-рию машин и механизмов, детали машин и другие общеинженерные дис-циплины. Изложенная в настоящих указаниях методика расчета ориентирована

на применение персонального компьютера и, поэтому, наряду с вышепе-речисленным, требует от студента еще и элементарных навыков работы на компьютере. Структурно работа состоит из двух частей. В первой части студент

должен выполнить тепловой расчет двигателя, в ходе которого определя-ются основные индикаторные и эффективные показатели двигателя, ха-рактеризующие эффективность организации рабочего процесса. Расчет выполняется на основании заданной размерности двигателя, тактности, степени сжатия и параметров рабочего тела (воздуха) на впуске. Энерге-тические показатели двигателя (мощность, крутящий момент), зависящие еще и от частоты повторения рабочего цикла (вращения коленчатого ва-ла), определяются во второй части, посвященной динамическому расчету двигателя. Целью этого расчета является нахождение такой частоты вра-щения коленчатого вала, при которой средняя тангенциальная сила на ва-лу двигателя, подсчитанная с учетом сил инерции движущихся масс и цен-тробежных сил обеспечивает крутящий момент, совпадающий с результа-тами теплового расчета. Помимо расчетной части курсовая работа содержит научно-

исследовательскую и конструкторскую часть, которая задается руководи-телем проекта индивидуально и выполняется студентом с использованием дополнительной литературы.

4

Исходные данные для выполнения расчета:

- число цилиндров, тактность и размерность двигателя заданы обо-значением двигателя по ГОСТ 4393-74:

Примеры обозначения двигателя по ГОСТ 4393-74: 20ЧН23/30 – двигатель имеет 20 цилиндров, четырехтактный, с

наддувом, диаметр цилиндра 23 см, ход поршня 30 см. 4Д15/18 – двигатель имеет 4 цилиндра, двухтактный, без наддува,

диаметр цилиндра 15 см, ход поршня 18 см. - εv – действительная степень сжатия двигателя; - pв – давление надувочного воздуха, МПа; - Tв – температура надувочного воздуха, К. Тип двигателя и численные значения представленных выше величин

задаются студенту индивидуально на специальном бланке и утверждают-ся руководителем проекта. Этот документ должен быть представлен сту-дентом в пояснительной записке (второй лист, сразу после титульного листа).

X X X XX / XXХод поршня, см

Диаметр цилиндра, смНаличие наддува (Н – с наддувом; не указывается, если без наддува)

Тактность (Ч – четырехтактный; Д – двухтактный)

Число цилиндров

5

1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ 1.1. Расчетный цикл Целью теплового расчета является определение основных индикатор-

ных и эффективных показателей работы дизеля. Расчет сводится к опре-делению параметров состояния рабочего тела (давление, температура) в расчетных точках цикла. За расчетный цикл принят круговой процесс, представленный на рис. 1.1. По результатам расчета термодинамических параметров рабочего тела определяются показатели эффективности ра-бочего процесса.

Рис.1.1. Расчетный цикл дизеля: 1-2 – политропное сжатие с показа-телем политропы n1; 2-3 – участок быстрого горения (подвод теплоты по изохоре); 3-4 – участок основно-го горения (подвод теплоты по изо-баре); 4-5 – горение и расширение (политропное расширение с показа-телем политропы n2); 5-1 – отвод теплоты по изохоре (выпуск отра-ботанных газов и впуск свежего воздуха)

1.2. Количество рабочего тела в цикле 1.2.1. Теоретически необходимое количество воздуха для полного

сгорания 1 кг топлива L0, кмоль/кг, определяется содержанием химических элементов в топливе

−++=

323241221,01

0OSHCL , (1.1)

где C, H, S, O – соответственно массовые доли углерода, водорода, серы и кислорода топлива. Принимаем следующий элементарный состав дизель-ного топлива: C = 0,87; H = 0,126; O = 0,004. Сера отсутствует, т.е. S равня-ется 0.

1.2.2. Действительное количество воздуха М1, кмоль/кг

011 LМ ⋅= α , (1.2) где α1 – воздушно-топливное отношение при сгорании или коэффициент избытка воздуха, принимается в пределах 1,8 ÷ 2,1.

6

1.2.3. Суммарное количество продуктов сгорания М2, кмоль/кг

324012OHLМ ++⋅= α . (1.3)

1.2.4. Изменение количества рабочего тела при сгорании ΔМ, кмоль/кг

32412OHМММ +=−=∆ . (1.4)

1.2.5. Коэффициент молекулярного изменения μ0

011

20

3241L

OH

ММ

⋅

++==

αµ . (1.5)

1.3. Расчет процесса наполнения 1.3.1. Принимаем давление окружающей среды p0 = 0,1 МПа,

температуру окружающей среды T0 = 290 К. 1.3.2 Коэффициент остаточных газов γг выбираем с учетом табл. 1.1.

Таблица 1.1 Величины коэффициента остаточных газов

Для 4-тактных ДВС γr Для 2-тактных ДВС γr

С наддувом 0,01 ÷ 0,03 Прямоточно-щелевая продувка 0,03 ÷ 0,07

Без наддува 0,03 ÷ 0,06 Прямоточно-клапанно-щелевая продувка

0,06 ÷ 0,12

1.3.3. Давление в конце наполнения определяется с учетом

гидравлических сопротивлений во впускном тракте с учетом следующих рекомендаций:

- для 4-тактных двигателей p1 = (0,9 ÷ 0,96)pв; - для 2-тактных двигателей p1 = (0,95 ÷ 1,05)pв. 1.3.4 Температура T1, К в конце наполнения определяется по

уравнению

r

r TTTTγ

γ+

⋅+∆+=

1гв

1 , (1.6)

где ΔT – подогрев свежего заряда от стенок цилиндра и поршня, принима-ется в пределах 5 ÷ 25 К; Tr – температура остаточных газов; для 4-тактных двигателей принимается в пределах 700 ÷ 900 К, для 2-тактных двигателей 700 ÷ 800 К; Tв – температура надувочного воздуха, К.

7

1.3.5. Рассчитываем коэффициент наполнения Фс

rv

v

TT

pp

γεε

+⋅⋅⋅

−=Φ

11

1 1

в

в

1с , (1.7)

где εv – действительная степень сжатия. Полученное значение коэффициента наполнения должно удовлетво-

рять следующим значениям: для 4-тактных двигателей при частоте вра-щения коленчатого вала 750 ÷ 1000 мин-1 Фс находится в пределах 0,87 ÷ 0,97; для 4-тактных двигателей с частотой вращения вала 1000 ÷ 1500 мин-1 Фс должна находиться в пределах 0,82 ÷ 0,92; для 2-тактных двига-телей с прямоточной продувкой – в пределах 0,85 ÷ 0,95. Если результаты расчета выходят за указанные диапазоны следует скорректировать значе-ние коэффициента остаточных газов и повторить расчет заново.

1.4. Расчет процесса сжатия 1.4.1. Принимаем показатель политропы сжатия n1 в пределах 1,32 ÷

1,38. 1.4.2. Определяем давление в конце сжатия р2, МПа

112

nvpp ε⋅= . (1.8)

1.4.3. Определяем температуру в конце сжатия Т2, К

112

1 −⋅= nvTT ε . (1.9)

1.5. Расчет процесса сгорания 1.5.1. Выбираем коэффициент эффективного выделения теплоты в

точке 4, ξ4 в пределах 0,7 ÷ 0,85. 1.5.2. Рассчитываем действительный коэффициент молекулярного

изменения μ

r

r

γγµ

µ++

=1

0 . (1.10)

1.5.3. Определяем максимальное давление сгорания рmax, МПа 243max pppp ⋅=== λ , (1.11)

где λ – степень повышения давления, принимается в диапазоне 1,4 ÷ 2,0. Для получения лучших энергетических и экономических показателей

двигателя следует стремиться к большим значениям рmax. С другой сторо-ны, высокие давления в цикле увеличивают механическую и термическую напряженность деталей двигателя. Максимально допустимое по пределу прочности значение рmax составляет 13,0 МПа.

8

1.5.4. Решаем уравнение сгорания

( ) ( )( ) ( ),2270314,8

314,81

22

max41

4

λµλµ

µµγα

ξ

−⋅+⋅⋅+−

−⋅+⋅=+⋅⋅

⋅

tc

tcL

H

pm

pmro

u

(1.12)

где Hu = 42700 кДж/кг – низшая теплота сгорания; μсpm4 – средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении в интервале температур от 0 до tmax; tmax = Tmax – 273 oC; μсpm2 – средняя мольная тепло-емкость воздуха при постоянном давлении в интервале температур от 0 до t2; t2 = T2 – 273oC. Теплоемкость μсpm4 – является функцией температуры tmax, поэтому

уравнение сгорания является нелинейным относительно величины tmax. Решение уравнения сгорания (1.12) сводится к определению величины

tmax. Задаваясь значением температуры tmax в пределах 1400 ÷ 1800oС, оп-ределяют соответствующее значение μсpm и подставляют его в уравнение (1.12). Если значение правой части уравнения оказалось больше левой, то величину tmax уменьшают и рассчитывают соответствующее значение μсpm для новой величины tmax. Требуется найти такое значение tmax, при котором левая и правая части уравнения (1.12) отличаются на более чем на 2% Средняя мольная теплоемкость воздуха и продуктов сгорания опреде-

ляется по графикам или по уравнениям, приведенным в приложении А. В приложении Б приведен пример решения уравнения сгорания с ис-

пользованием персонального компьютера и программы MS Excel. Найденная в результате решения уравнения сгорания температура tmax

соответствует положению точки 4 в теоретических циклах двигателей внутреннего сгорания, то есть, в конце процесса подвода теплоты (рис.1.1).

1.5.5. Вычисляем степень предварительного расширения ρ

2

maxT

T⋅

⋅=

λµ

ρ . (1.13)

Значение ρ обычно находится в пределах 1,2 ÷ 1,7. 1.6. Расчет процесса расширения 1.6.1. Предварительно выбираем показатель политропы расширения n2,

который находится в пределах 1,20 ÷ 1,28. 1.6.2. Определяем степень последующего расширения δ

ρε

δ v= . (1.14)

9

1.6.3. Предварительно рассчитываем температуру газов в конце

процесса расширения Т5, К

1max

5 2 −= n

TTδ

. (1.15)

1.6.4. Решаем уравнение процесса расширения

( )( ) ( )

1314,8

1 25maxmax455

г1

45−

⋅−+⋅−⋅=+⋅⋅⋅

⋅−n

tttctcL

Hpmpm

o

u µµγµα

ξξ, (1.16)

где ξ5 – доля теплоты, которая затрачена на изменение внутренней энер-гии и совершение работы расширения от окончания подвода теплоты до конца процесса расширения, ξ5 находится в пределах 0,82 ÷ 0,92; μсpm5 – средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном дав-лении в интервале температур от 0 до t5. Из уравнения процесса расширения методом последовательных при-

ближений определяем значения t5 и n2 на основе ранее принятых величин n2 и по формуле (1.15). Порядок решения уравнения расширения аналоги-чен решению уравнения сгорания. При этом необходимо учесть, что изме-нение величины показателя политропы n2 приведет к изменению темпера-туры T5 (уравнение 1.15), а значит и изменению теплоемкости μсpm5. Температура газов в конце процесса расширения должна находиться в

пределах от 900 до 1100 К; t5 = T5 – 273 oC. 1.6.5. Определяем давление в конце процесса расширения р5, МПа

2

1max5 npp

δ⋅= . (1.17)

1.7. Индикаторные показатели двигателя 1.7.1. Рассчитываем среднее индикаторное давление теоретического

цикла рmiT, МПа

( )

−⋅

−−

−⋅

−⋅

+−⋅⋅−

= −− 11

12

2т 12

111

1111

11 n

vn

vmi nn

Ppεδ

ρλρλε

. (1.18)

1.7.2. Вычисляем среднее индикаторное давление действительного

цикла рmi, МПа: - для 4-тактных двигателей

тп mimi pp ⋅= ϕ , (1.19) где φп – коэффициент полноты диаграммы, принимается в пределах 0,97 ÷ 0,99;

10

- для 2-тактных двигателей ( )ψ−⋅= 1тmimi pp , (1.20)

где ψ – доля потерянного хода, принимается в пределах 0,13 ÷ 0,2. 1.7.3. Рабочий объем цилиндра Vs, м3, определяется по следующей

формуле

SDV ⋅⋅

=4

2

sπ

, (1.21)

где D – диаметр цилиндра, м; S – ход поршня, м. 1.7.4 Объем камеры сгорания Vс, м3, определяется по формуле

( )132 −===

v

sс

VVVV

ε . (1.22)

1.7.5 Полный объем цилиндра Va, м3, находится по формуле

sa VVV += с . (1.23) 1.7.6 Определяем объем в конце процесса сгорания V4, м3

24 VV ⋅= ρ . (1.24) 1.7.7. Определяем индикаторный КПД двигателя ηi

вс

в01Ф

314,8pH

TpL

u

mii ⋅⋅

⋅⋅⋅=

αη . (1.25)

Современные отечественные тепловозные двигатели внутреннего сго-рания на номинальном режиме работы имеют индикаторный КПД в преде-лах 0,44 ÷ 0,49.

1.7.8. Определяем удельный индикаторный расход топлива bi, кг/(кВт⋅ч)

iui H

bη⋅

=3600

. (1.26)

1.8. Эффективные показатели двигателя 1.8.1. Среднее эффективное давление рme, МПа

мη⋅= mime pp , (1.27) где ηм – механический КПД, принимается в пределах 0,75 ÷ 0,90.

1.8.2. Эффективный КПД двигателя ηe

мηηη ⋅= ie . (1.28)

11

1.8.3. Удельный эффективный расход топлива be, кг/кВт ч

м

3600ηη

i

eue

bH

b =⋅

= . (1.29)

1.9. Построение индикаторной диаграммы Тепловой расчет двигателя завершается построением индикаторной

диаграммы рабочего процесса в координатных осях p-V. Индикаторная диаграмма, изображенная в этих осях, представляет собой зависимость давления газов в цилиндре от его объема. При построении индикаторной диаграммы следует помнить, что рабочий процесс в 4-татных двигателях происходит за два оборота коленчатого вала, т.е. за четыре хода поршня двигателя, а в 2-тактных за один оборот коленчатого вала, т.е. за два хода поршня. Расчетная индикаторная диаграмма строится по значениям давлений и

объемов в характерных точках расчетного цикла (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) и зна-чениям показателей политроп сжатия и расширения (n1, n2). В качестве примера на рис.1.2 представлены индикаторные диаграммы 4- и 2-тактных двигателей.

а

б

p 1p 5

p 2p max

=p3=

p 4

Рис.1.2. Примерный вид расчетных индикаторных диаграмм 4-тактного (а) и 2-тактного (б) двигателей 1.9.1. Порядок построения индикаторной диаграммы 4-тактного

двигателя Построение индикаторной диаграммы начинается с процесса наполне-

ния, который представляет собой изобару 8 – 1 и строится по значениям давления и объема двух ранее найденных точек р8, р1, V8, V1.

12

Процесс политропного сжатия 1 – 2 описывается уравнением 11

2211nn VpVp ⋅=⋅ . (1.30)

Поэтому давление в любой точке политропного сжатия будет находить-

ся как 1

11

n

ii V

Vpp

= , (1.31)

где рi, Vi – давление и объем на i-ом промежуточном участке политропного сжатия. Процессы изохорного (2 – 3) и изобарного (3 – 4) горения также описы-

ваются двумя точками и соответствующими в них значениями давления и объема р2, р3, р4, V2, V3, V4. Процесс политропного расширения 4 – 5 описывается уравнением

225544nn VpVp ⋅=⋅ . (1.32)

Давление в любой точке процесса расширения на участке 4 – 5

24

4

n

ii V

Vpp

= , (1.33)

где рi, Vi – давление и объем на i-ом промежуточном участке политропного расширения. Процесс выпуска отработавших газов (участок 5 – 6 – 7) описывается

точками, рассчитанными ранее: р5, р7, V5, V6, V7. А значение величины дав-ления р6, оно же давление на выходе из турбины рг, определяется сле-дующим образом

( )2,22,1/вг ÷= pp . (1.34) После чего необходимо замкнуть полученную индикаторную диаграм-

му, вернувшись в точку начала построения 8. 1.9.2. Порядок построения индикаторной диаграммы 2-тактного

двигателя Построение индикаторной диаграммы 2-тактного двигателя в основном

аналогично построению индикаторной диаграммы 4-тактного двигателя, за исключением того, что процесс продувки 5 – 6 упрощенно описывается уравнением прямой, проходящей через две точки р5, р6, V5, V6

56

5

56

5pppp

VVVV ii

−−

=−−

, (1.35)

где рi, Vi – давление и объем на i-м промежуточном участке процесса про-дувки.

13

Давление в любой точке процесса продувки можно определить сле-дующим образом

( )( )( ) 5

56

565 pVV

ppVVp ii +

−

−−= . (1.36)

Определение объема V1=V5 необходимо производить с учетом доли по-

терянного объема ( )sa VVVV ⋅−== ψ51 . (1.37)

Задача построения индикаторной диаграммы как для 4-тактного, так и для 2-тактного двигателей достаточно просто и с большой точностью ре-шается посредством использования приложения Microsoft Excel. В приложении В подробно изложен порядок построения индикаторной

диаграммы в координатных осях p-V на примере 4-тактного двигателя. 2. ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ 2.1. Расчет и построение графиков удельных сил, действующих в

кривошипно-шатунном механизме (КШМ) Схема сил, действующих в КШМ рядного и V-образного двигателя, по-

казана на рис. 2.1. В расчетах значения сил принято относить к 1м2 пло-щади поршня. Рекомендуемая размерность удельных сил – МН/м2=МПа. Изменение сил за цикл определяется и показывается на графиках в зави-симости от угла поворота коленчатого вала ϕ. Для 4-тактных двигателей в пределах ϕ =0…720о, для 2-тактных ϕ =-180…180о (ϕ=0 – поршень в ВМТ).

2.1.1. Удельная сила давления газов Pг Сила, действующая со стороны газов на 1м2 поверхности цилиндра, по

определению есть давление. Изменение давления газов за цикл опреде-лено в разделе 1. Построение развернутой индикаторной диаграммы (диа-граммы в координатах p-ϕ) выполняется аналогично свернутой индикатор-ной диаграммы (в осях p-V) с учетом указанных в пп. 1.9 рекомендаций для 2- и 4-тактных двигателей. Задаваясь значением ϕ от -180 до 180 или от 0 до 720 градусов (в зависимости от тактности) с интервалом не более 5 градусов определяют объем цилиндра, а затем на основании теплового расчета с учетом текущего участка цикла находят давление газов. Для расчета объема цилиндра в зависимости от угла поворота коленчатого вала можно использовать следующие тригонометрические зависимости.

cs VfVV +⋅= )(

2ϕ , (2.1)

где f(ϕ) – вспомогательная функция угла поворота вала вида

14

)cos(1)cos(11)( βλ

ϕλ

ϕ −−+=f , (2.2)

где λ=r/l – постоянная КШМ (отношение радиуса кривошипа к длине шату-на) выбирается по прототипу [1, табл. 5.1 или 2, табл. 8];

β – угол наклона шатуна (рис. 2.1). ( )[ ]ϕλβ sinarcsin ⋅= . (2.3)

а

б

Рис.2.1. Силы действующие в КШМ рядного (а) и V-образного (б) двигателей Примерный вид развернутой индикаторной диаграммы Pг(ϕ) для

2-тактного двигателя показан на рис. 2.2, а для 4-тактного – на рис. 2.3. 2.1.2. Удельная сила инерции поступательно движущихся масс Pj, МПа

находится по уравнению 6

2пд 10

4 −⋅⋅⋅

−= jDM

Pjπ

, (2.4)

где Mпд – сумма поступательно движущихся масс, кг; j – ускорение поршня, м/с2. Масса поступательно движущихся масс Mпд складывается из массы

комплекта поршня Mп и части массы шатуна Mш. Для тихоходных двигате-лей и двигателей средней быстроходности, к которым относятся тепловоз-ные дизели, при ориентировочных расчетах считают, что 0,4 Mш участвуют в поступательном движении, а 0,6 Mш – во вращательном. С учетом этого

15

шппд 4,0 MMM += . (2.5) Массы указанных элементов выбираются самостоятельно с учетом су-

ществующего опыта двигателестроения и размерности проектируемого двигателя [1, табл. 5.1 или 2, табл. 8]. Ускорение поршня j, м/с2 определяется в зависимости от угла поворота

коленчатого вала и частоты вращения коленчатого вала ( ) ( )[ ]ϕλϕω 2coscos2 ⋅+= rj , (2.6)

где r=S/2 – радиус кривошипа, м; ω – угловая скорость, с-1. 30/nπω = , (2.7)

где n – частота вращения коленчатого вала. Так как частота вращения коленчатого вала неизвестна, на данном

этапе расчетов n следует принять ориентировочно по прототипу [1, табл.2.2 или 2, табл.24, табл.26] с последующим уточнением. Характер изменения силы Pj показан на рис. 2.2 и 2.3. 2.1.3 Суммарная удельная сила, приложенная в центре поршневого

пальца PΣ, МПа jPPP +=Σ г . (2.8)

Ориентировочный вид графика PΣ(ϕ) для двигателей различной тактно-сти представлен на рис. 2.2 и 2.3.

-3

-1

1

3

5

7

9

11

13

-180 -120 -60 0 60 120 180

P , МПа

φ 0

P г

P Σ

P j

Рис. 2.2. Зависимость удельных сил, приложенных к центру поршневого пальца для 2-тактного двигателя

16

-5

-3

-1

1

3

5

7

9

11

13

15

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720

P ,МПа

φ 0

P г

P Σ

P j

Рис. 2.3. Зависимость удельных сил, приложенных к центру поршневого пальца для 4-тактного двигателя

2.1.4. Из геометрических соображений (рис. 2.1) удельная сила,

действующая вдоль шатуна K, МПа определяется по уравнению

( )βcos1

Σ= PK , (2.9)

а удельная сила, направленная перпендикулярно (нормально) к оси ци-линдра N, МПа по уравнению

( )βtg⋅= ΣPN . (2.10) Графики этих удельных сил построены на рис. 2.4 2.1.5. Сила K, направленная вдоль шатуна создает в точке сочленения

шатуна и кривошипа сжимающее (плюс) или растягивающее (минус) уси-лие на кривошип (радиальная сила Z) и тангенциальную силу T, дейст-вующую перпендикулярно кривошипу. Положительным направлением си-лы T принято направление в сторону вращения коленчатого вала. Из гео-метрических соображений эти удельные силы могут быть найдены как

( ) ( )ββϕ cos/cos +⋅= ΣPZ , (2.11) ( ) ( )ββϕ cos/sin +⋅= ΣPT . (2.12)

Возможный характер изменения этих сил за цикл изображен на рис. 2.5.

17

-4

-2

0

2

4

6

8

10

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720

K,N,МПа

K

N

φ 0

Рис. 2.4. Примерная зависимость удельных сил N и K от угла поворота коленчатого вала для 4-тактного двигателя

-4

-2

0

2

4

6

8

10

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720

Z,Т,МПа

T

Z

φ 0

Рис. 2.5. Примерная зависимость удельных сил Z и T от угла поворота коленчатого вала для 4-тактного двигателя

18

2.2. Расчет и построение векторной диаграммы сил, действующей на шатунную шейку коленчатого вала

2.2.1. Помимо удельных сил Z и T, на шатунную шейку действует цен-тробежная сила С от неуравновешенных вращательно движущихся частей. Упрощенно полагая, что массы колен вала (кривошипов) полностью урав-новешены противовесом коленчатого вала и учитывая, что центробежная сила растягивает кривошип (отрицательно направлена) ориентировочную величину удельной силы С, МПа можно найти по уравнению

622ш 106,04 −⋅⋅⋅−= ω

πr

DMС . (2.13)

Так как значение удельной силы С не зависит от угла поворота криво-шипа, построение графика для этой силы не требуется.

2.2.2. Суммарная радиальная сила ZΣ, МПа определяется сложением

ранее рассчитанной радиальной силы Z и центробежной силы С

СZZ +=Σ . (2.14)

2.2.3. В V-образном двигателе на шатунную шейку действуют силы, приложенные одновременно от двух шатунов. Условно полагая, что шату-ны соединены в одной точке (т.е. так как показано на рис. 2.1б) и считая постоянную КШМ одинаковой для главного и прицепного шатунов, резуль-тирующие радиальную Z’Σ и тангенциальную T’ силы находят для каждого угла ϕ поворота коленчатого вала сложением соответствующих сил от ка-ждого шатуна с учетом угла сдвига фаз ∆ϕ

ϕξ ∆−= 360 , (2.15)

Угол ∆ϕ равен углу между вспышками и определяется в зависимости от тактности двигателя.

,/360/720ii

=∆ϕ (2.16)

где i – число цилиндров.

ξϕ+ΣΣΣ +=′ ,ZZZ , (2.17)

где ZΣ , ZΣ,ϕ+ξ - значения радиальной силы при угле поворота коленчатого вала равном ϕ и ϕ+ξ соответственно.

ξϕ++=′ TTT , (2.18)

где T , Tϕ+ξ - значения тангенциальной силы при угле поворота коленчатого вала равном ϕ и ϕ+ξ соответственно.

19

При вычислении значений сил Z’Σ и T’ нужно учитывать то обстоятель-ство, что если для двухтактных двигателей угол (ϕ+ξ ) получается больше 360о, то его следует приравнять к (ϕ+ξ −360о) и для получившегося значе-ния и определять силу от прицепного шатуна. Для четырехтактных двига-телей угол (ϕ+ξ ), больший чем 720о, равен (ϕ+ξ −720о).

2.2.4. По результатам расчета радиальной и тангенциальной сил, дей-

ствующих на шатунную шейку строят диаграмму в координатах Z-T. При-чем положительным направлением оси ординат Z принято направление вниз, оси абсцисс T – вправо. Для рядного двигателя по оси ординат от-кладывают силу ZΣ, МПа, а для V-образного – силу Z’Σ. Соответственно для оси абсцисс используются результаты расчета силы T или T’. Расчетные точки соединяются плавной кривой линией и подписывают-

ся с указанием угла поворота коленчатого вала с интервалом 30о так, как это показано на рис. 2.6. и 2.7.

2.3. Расчет и построение графика суммарной тангенциальной

силы на валу двигателя В многоцилиндровом двигателе силы Т, приложенные к шатунной шей-

ке совместно участвуют в создании крутящего момента на валу двигателя. Суммарная тангенциальная сила TΣ представляет собой алгебраическую сумму всех одновременно действующих на кривошипы тангенциальных сил Т (или T’). Т.к. для равномерного вращения вала вспышки в цилиндрах двигателя должны происходить с равными интервалами угла поворота ко-ленчатого вала, расчет силы выполняют только в пределах участка ∆ϕ, равного углу между вспышками, который в зависимости от тактности дви-гателя находится по уравнению (2.16). Для каждого угла поворота к.в. (0о, 5о, 10о, …, ∆ϕ) рассчитывается сила

TΣ, МПа

( ) ϕϕϕϕϕϕϕϕϕ ∆−+∆+∆+−

=∆+Σ ++++== ∑ 12

1

0m

i

kk TTTTTT K . (2.19)

Например, значение силы при ϕ=0о для 6-и цилиндрового двухтактного двигателя (∆ϕ=60о) будет найдено как

3002401801206000 =======Σ +++++= ϕϕϕϕϕϕϕ TTTTTTT ,

а для 16-и цилиндрового четырехтактного двигателя (∆ϕ=45о)

675270135904500 =======Σ ++++++= ϕϕϕϕϕϕϕ TTTTTTT K .

При ϕ=5о эта сила в рассмотренных выше примерах будет вычисляться соответственно

20

3052451851256555 =======Σ +++++= ϕϕϕϕϕϕϕ TTTTTTT и

680275140955055 =======Σ ++++++= ϕϕϕϕϕϕϕ TTTTTTT K . По результатам аналогичных вычислений в диапазоне 0…∆ϕ строится график силы TΣ (ϕ ) (рис. 2.8)

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-2 -1 0 1 2 3 4

030

60

120

150

180

210

240

270

300

330

T ,МПа

Z Σ,МПа

Рис.2.6. Векторная диаграмма двухтактного двигателя

21

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-3 -2 -1 0 1 2 3 4

0

30

60

90

120

150

180210

240

270

300

330

360

390

420

450480

510

540570

600

630

660

690

720

T 'Σ,МПа

Z 'Σ,МПа

Рис.2.7. Векторная диаграмма четырехтактного двигателя

2.4. Определение энергетических показателей двигателя 2.4.1. Определяем среднее арифметическое значение суммарной

тангенциальной силы на валу двигателя TΣср, МПа

mTTTT

T ϕϕϕϕϕ ∆=Σ=Σ=Σ=ΣΣ

++++=

K1050ср , (2.20)

где m – число расчетных точек, используемых для построения графика TΣ(ϕ ).

22

Графически величина TΣср показана на рис.2.8 прямой линией, площадь под которой равна площади под линией TΣ(ϕ ).

2.4.2. Средняя суммарная тангенциальная сила T’Σср, МПа по данным

теплового расчета

ip

T mi ⋅=′Σ τπ2

ср , (2.21)

где pmi – среднее индикаторное давление, МПа; τ – тактность двигателя (τ=2 – для двухтактных, τ =4 – для четырехтактных ДВС). При расхождении значений средней тангенциальной силы TΣср и T’Σср

более чем на 5% следует изменить частоту вращения коленчатого вала и повторить расчеты, начиная с пп. 2.1.2. При необходимости, лучшее сов-падение в расчетах можно получить и за счет коррекции масс подвижных частей КШМ.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

T Σ ,МПа

T Σ

T срΣ

φ 0

Рис.2.8. Пример построения графика суммарной тангенциальной силы на валу двухтактного 6-и ци- линдрового двигателя (∆ϕ=60о)

2.4.3. Индикаторная мощность двигателя Pi, кВт

τ 30

inVpP smii = . (2.22)

2.4.4. Эффективная мощность двигателя Pe, кВт

τ

η 30

мinVpPP sme

ie == . (2.23)

2.4.5. Крутящий момент на валу двигателя (эффективный крутящий момент), Me, кН⋅м

nPM e

e π30

= . (2.24)

23

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В заключении студент должен перечислить основные результаты рас-

чета – найденные индикаторные и эффективные показатели двигателя и сравнить их с достигнутым на сегодняшний день уровнем в мировом дви-гателестроении. Дать анализ возможных расхождений с указанием причин этого.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Володин, А.И. Локомотивные энергетические установки [Текст]: учеб. для вузов ж.-д. транспорта / А.И. Володин, В.З. Зюбанов, В.Д. Кузьмич и др.; под ред. А.И. Володина. – М.: ИПК «Желдориздат», 2002. – 718 с.

2. Симсон, А.Э. Двигатели внутреннего сгорания (тепловозные дизели и газотурбинные установки) [Текст]: учеб. для вузов / А.Э. Симсон, А.З. Хомич, А.А. Куриц и др. – М.: Транспорт, 1987. – 536 с.

24

ПРИЛОЖЕНИЕ А К ОПРЕДЕЛЕНИЮ СРЕДНЕЙ МОЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ ВОЗДУХА

И ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

20

21

22

23

24

25

26

27

0 400 800 1200 1600 2000 2400t , 0C

μc pm 2

кДж/кмольК

.65,20001352,010586,210611,110816,2 2639413

2 +⋅+⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅= −−− ttttcpmµ Рис. А1. График и уравнение изменения средней мольной теплоемкости воздуха в зависимости от температуры

22

23

24

25

26

27

28

29

30

0 400 800 1200 1600 2000 2400t , 0C

μc pm 4

кДж/кмольК

16,22003556,010609,11031,110399,2 2639413

4 +⋅+⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅= −−− ttttcpmµ

Рис. А2. График и уравнение изменения средней мольной теплоемкости продуктов сгорания в зависимости от температуры

25

ПРИЛОЖЕНИЕ Б ПРИМЕР ПРИБЛИЖЕННОГО РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЯ СГОРАНИЯ С

ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММЫ MICROSOFT EXCEL Известно: - коэффициент эффективного использования теплоты в точке 4 ξ4=0,85

(принят); - коэффициент избытка воздуха α1=2,0 (рассчитан ранее); - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топ-

лива L0=0,495 кмоль/кг (рассчитано ранее); - коэффициент остаточных газов γr=0,01 (принят); - низшая рабочая теплота сгорания топлива Hu=42700 кДж/кг (задана); - действительный коэффициент молекулярного изменения µ=1,032

(рассчитано ранее); - степень повышения давления λ=1,7 (принята); - температура в конце сжатия t2=620 оС (рассчитана ранее); - средняя мольная теплоемкость воздуха µcpm2=22,14 кДж/(кмоль⋅К)

(рассчитана по уравнению, приведенному в приложении А для температу-ры t2).

Найти решение уравнения сгорания

( ) ( ) ( ) ( ),2270314,8314,81 22max4

г1

4 λµλµµµγα

ξ−⋅+⋅⋅+−⋅+⋅=

+⋅⋅⋅ tctc

LH

pmpmo

u

с учетом, что зависимость средней мольной теплоемкости продуктов сго-рания µcpm4, кДж/(кмоль К) от температуры описывается полиномом

.16,22003556,010609,11031,110399,2 2639413 +⋅+⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅= −−− ttttcpmµ

Задача сводится к нахождению такого значения tmax, при котором левая и правая часть уравнения будут отличаться не более чем на 2%.

Порядок решения уравнения в Microsoft Excel Создайте новый документ (книгу или лист) Microsoft Excel. В ячейках с

координатами А1 – А8 введите любые понятные для вас обозначения ис-ходных данных, а в ячейках B1 – B8 их численные значения. При вводе чи-сел отделяйте дробную часть от целой с помощью запятой. Результат этих действий показан на рис.Б1. Название переменных в колонке A листа Ex-cel может быть произвольным, важно только то, чтобы вы не запутались в последующем в соответствии между численными значениями (колонка B) и условными обозначениями величин (колонка А).

26

Продолжение прил. Б

Рис.Б1. Ввод исходных данных

Неизвестную величину tmax зададим аналогичным образом в ячейке B10.

Предположим для начала, что tmax =1500оС (рис.Б2).

Рис.Б2. Предварительное задание величины tmax

27

Продолжение прил. Б

Для расчетов понадобится значение теплоемкости газов, соответст-вующее температуре tmax. Расчет выполним, например, в ячейке B11 (рис. Б3). Для этого введите в ячейку следующее выражение, начиная со знака равенства:

=2,399e-13*B10^4-1,31e-9*B10^3+1,609e-6*B10^2+0,00.556*B10+22,16

Рис.Б3. Расчет теплоемкости газов в ячейке B11

Не трудно увидеть, что это то же самое уравнение, что и уравнение на

рис.А2 (приложения А), только записанное в соответствиями с правилами Excel. Например, запись 2,399e-13 (вводится без пробелов и в английской раскладке клавиатуры) соответствует числу 2,399⋅10-13. Если при вводе вы наберете символ «е» в русской раскладке или вставите пробел, будет вы-дано сообщение об ошибке. Выделенная на рис.Б3 синим цветом запись «B10» означает ссылку на содержимое ячейки B10, т.е. на текущее значе-ние температуры tmax. Ссылки на ячейки нужно вводить также в английской раскладке клавиатуры. При этом выделение цветом происходит автомати-чески. Для возведения в степень используется знак “^”. Завершите ввод нажатием клавиши Enter и вместо введенного выражения в ячейке отобра-зится результат вычислений (рис.Б4).

Рис.Б4. Результат вычисления теплоем- кости для температуры tmax =1500оС

28

Продолжение прил. Б

При необходимости исправления (редактирования) введенного уравне-ния дважды щелкните по ячейке. Не забудьте после внесения исправле-ний нажать Enter. Легко проверить, что расчет будет выполняться автоматически после

изменения содержимого ячейки B10 на новое значение. Например, при вводе в ячейку B10 числа 1400 вы мгновенно получите новое значение те-плоемкости (рис.Б5)

Рис.Б5. Результат вычисления теплоемкости для температуры tmax =1400оС

На следующем этапе определяемся, в каких ячейках будем вводить ре-

зультаты расчета левой части (ЛЧ) и правой части (ПЧ) уравнения сгора-ния. Пусть это будут соответственно ячейки D10 и Е10. Введите в этих ячейках следующий текст, начиная со знака равенства:

- для ячейки D10: =B1*42700/(B2*B3*(1+B4))

- для ячейки Е10: =B5*(B11+8,314)*B10-(B8+8,314*B6)*B7+2270*(B5-B6)

Результат вычислений для температуры tmax =1500оС показан на рис.Б6

Рис.Б6. Результат вычислений левой и правой частей уравнений

29

Окончание прил. Б

Добавим автоматическое вычисление ошибки приближения (рис.Б7). Вычислим в ячейке Е12 процент отклонения левой и правой частей урав-нения сгорания. Для этого введите в ячейку Е12 следующую запись:

=ABS(D10-E10)/D10*100 Встроенная функция ABS позволяет игнорировать знак разности пра-

вой и левой частей уравнения, ее результат – всегда положительное чис-ло.

Рис.Б7. Результат вычислений текущей погрешности вычислений (11,664%)

Теперь осталось только одно – подобрать такое значение tmax, при кото-

ром ошибка не превышает 2%. Для рассматриваемого примера этому ус-ловию удовлетворяет значение 1600оС. Ошибка меньше 1%.

30

ПРИЛОЖЕНИЕ В ПРИМЕР ПОСТРОЕНИЯ РАСЧЕТНОЙ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ

В КООРДИНАТНЫХ ОСЯХ «ДАВЛЕНИЕ – ОБЪЕМ» С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММЫ MICROSOFT EXCEL

Известно: - двигатель 4-тактный (задано); - давление наддувочного воздуха pв= 0,31 МПа (задано); - давление начала процесса наполнения примем равным давлению в

конце процесса наполнения p8= p1=0,279 МПа (рассчитано ранее); - давление в конце процесса наполнения p1=0,279 МПа (рассчитано ра-

нее); - давление в конце процесса сжатия p2=9,09 МПа (рассчитано ранее); - давление в конце процесса сгорания p3= p4= pmax=12,72 МПа (рассчита-

но ранее); - давление в конце процесса расширения p5=0,787 МПа (рассчитано ра-

нее); - величина давления газов перед турбиной pг= p6= p7=0,155 МПа (рас-

считано ранее); - объем камеры сгорания Vc=V2= V3= V7= V8=0,0009 м3 (рассчитан ранее); - рабочий объем цилиндра Vs= 0,0118 м3 (рассчитан ранее); - объем в конце процесса сгорания V4=0,0014 м3 (рассчитан ранее); -полный объем цилиндра Vа= V1= V5= V6=0,0127 м3 (рассчитан ранее); - коэффициент политропы сжатия n1=1,32 (рассчитан ранее); -коэффициент политропы расширения n2=1,25 (рассчитан ранее). Перед тем как преступить к выполнению построения необходимо всю

полученную ранее информацию о рассчитанных точках представить в ви-де табл.В1.

Порядок построения индикаторной диаграммы в Microsoft Excel Создайте новый документ (книгу или лист) Microsoft Excel. В ячейках А1

и В1 введите обозначения для координатных осей, в которых будет произ-водиться построение: V, м3 и р, МПа соответственно. По данным табл.В1 начнем заполнять столбец объемов. Построение индикаторной диаграммы начинаем с процесса наполне-

ния. Процесс начинается из точки 8 и заканчивается в точке 1. Следова-тельно, необходимо в ячейки А2 и А3 внести значения объемов в этих точ-ках, а в ячейки В2 и В3 – значения давлений из таблицы В1 соответствую-щие началу и окончанию процесса наполнения. Для удобства, в столбце С, подписывайте начало и окончание соответствующих процессов и соответ-ствующие точки.

31

Продолжение прил. В Следующим этапом необходимо рассчитать процесс политропного

сжатия. Процесс начинается из точки 1 и заканчивается в точке 2. Необхо-димо в ячейки столбца А начиная с ячейки А4 ввести значения объемов от V1 до V2. При этом, для точности расчета предлагается вносить значения с шагом в 0,00005 м3. Разница между объемами V1 и первым значением по-сле него может быть и другой, для того чтобы привести это значение к числу кратному 5. В конечном итоге последнее значение должно соответ-ствовать величине V2. Эти данные можно вносить вручную, но для больше-го удобства, что и позволяет сделать Microsoft Excel, этот процесс можно упростить. Для этого необходимо вручную внести несколько (порядка 3 или 4) значений, а затем, предварительно их выделив, растянуть. Т.е. по-сле выделения нескольких столбцов подвести курсор к нижнему правому углу выделения, и когда курсор примет вид «+», нажмите и удерживайте левую кнопку манипулятора одновременно растягивая таблицу вниз. При этом, в нижнем правом углу появится подсказка желтого цвета, на которой будет отображаться следующее значение заполняемой ячейки. Пример такого действия показан на рис.В1.

Таблица В1

Процессы рабо-чего цикла

Термодинамическая характеристика

Начальная и конечная точка про-цесса

Параметры рабочего тела в характерных точках процесса

p, МПа V, м3

Процесс напол-нения Изобара 8-1 p8=0,279

p1=0,279 V8=0,0009 V1=0,0127

Процесс сжатия Политропа с показа-телем n1

1-2 p1=0,279 p2=9,09

V1=0,0127 V2=0,0009

Процесс изохори-ческого сгорания Изохора 2-3 p2=9,09

p3=12,72 V2=0,0009 V3=0,0009

Процесс изоба-рического сгора-ния

Изобара 3-4 p3=12,72 p4=12,72

V3=0,0009 V4=0,0014

Процесс расши-рения

Политропа с показа-телем n2

4-5 р4=12,72 р5=0,787

V4=0,0014 V5=0,0127

Процесс выпуска Изохора 5-6 р5=0,787

р6=0,155 V5=0,0127 V6=0,0127

Изобара 6-7 р6=0,155 р7=0,155

V6=0,0127 V7=0,0009

После заполнения ячеек объема необходимо заполнить ячейки значе-

ния давления. Функция, описывающая процесс политропического сжатия представле-

на уравнением (1.30). Исходя из этого, давление в любой точке объема на линии политропы сжатия будет определяться по уравнению (1.31).

32

Продолжение прил. В

Рис.В1. Пример заполнения ячеек

Начнем заполнение с ячейки В4, что соответствует первой точке на

кривой политропического сжатия. Для этого необходимо ввести в нее сле-дующее уравнение, начиная со знака равенства

=0,279*((0,0127/А4)^1,32)

Рис.В2. Расчет первого значения величины давления на кривой политропы сжатия

Завершите ввод нажатием клавиши Enter и вместо введенного выра-

жения в ячейке отобразится результат вычислений (рис.В3).

33

Продолжение прил. В

Рис.В3. Результат расчета значения величины давления на кривой политропы сжатия

После этого необходимо выделить полученное значение и подведя

курсор манипулятора к нижнему правому углу выделения растянуть его до нужного номера ячейки, соответствующего объему окончания процесса сжатия. Процесс изохорического сгорания характеризуется изменением значе-

ния величины давления от р2 до р3 при постоянном объеме. Процесс изобарического горения, в свою очередь, характеризуется из-

менением объема от V3 до V4 при постоянном давлении (рис. В4).

Рис.В4. Пример заполнения ячеек для процесса горения

Процесс политропического расширения характеризуется изменением

объема от V4 до V5, при этом заполнение ячеек объема необходимо произ-водить аналогичным образом как и для процесса политропического сжа-тия, с разницей в 0,00005 м3, начиная с ячейки А242. Давление в любой точке объема на линии политропы расширения бу-

дет определяться по уравнению (1.33). Начнем заполнение с ячейки В242, что соответствует первой точке на

кривой политропического расширения. Для этого необходимо ввести в нее следующее уравнение, начиная со знака равенства

=12,72*((0,0014/А242)^1,25)

Рис.В5. Расчет первого значения величины давления на кривой расширения

34

Продолжение прил. В Далее необходимо растянуть ячейку с полученным результатом до

ячейки, которой будет соответствовать объем V5. Процесс выпуска отработавших газов для 4-тактного двигателя состоит

из изохорного и изобарного процессов. Изохорному выпуску будет соответствовать участок 5-6, при этом ме-

няться будут только значения давления от р5 до р6, при постоянном объеме V5=V6. Изобарному выпуску соответствует участок 6-7, для которого происхо-

дит изменение объема от V6 до V7 при постоянном давлении р6= р7. В заключении необходимо закрыть контур индикаторной диаграммы

вернувшись в точку 8. В общем случае, для представленного примера, таблица значений

объема и давлений, для построения индикаторной диаграммы выглядит следующим образом (рис.В6).

………………………………………………………………………………………………..

………………………………………………………………………………………………..

Рис.В6. Пример заполненной таблицы для построения индикаторной диаграммы

35

Окончание прил. В После этого необходимо произвести построение индикаторной диа-

граммы по полученным данным используя стандартные приемы построе-ния графиков в Microsoft Excel. После построения необходимо нанести на график необходимые обозначения. В конечном итоге полученный график должен выглядеть подобно представленному на рис.В7.

p г=р

7=p6

=0,1

55

р8=p

1=0,

279

р2=9

,09

p max

=р3=

р4=1

2,72

р5=0

,787

Vс=0,0009

Vs=0,0118

Va=0,0127

43

2

87 6

15

V4=0,0014

0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

-1

р,МПа

V, м3

Рис.В7. Индикаторная диаграмма 4-тактного двигателя

36

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1. Расчетный цикл . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2. Количество рабочего тела в цикле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3. Расчет процесса наполнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4. Расчет процесса сжатия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.5. Расчет процесса сгорания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.6. Расчет процесса расширения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.7. Индикаторные показатели двигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.8. Эффективные показатели двигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.9. Построение индикаторной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2. ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1. Расчет и построение графиков удельных сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме (КШМ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2. Расчет и построение векторной диаграммы сил, действующей на шатунную шейку коленчатого вала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.3. Расчет и построение графика суммарной тангенциальной силы на валу двигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.4. Определение энергетических показателей двигателя . . . . . . 21 ЗАКЛЮЧЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 ПРИЛОЖЕНИЕ А . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 ПРИЛОЖЕНИЕ Б . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 ПРИЛОЖЕНИЕ В . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Учебное издание Коньков Алексей Юрьевич

Кочерга Владимир Геннадьевич Погребинский Зиновий Борисович

ТЕПЛОВОЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ

Методические указания

Отпечатано методом прямого репродуцирования Технический редактор А.А. Курилко

_________________________________________________

Подписано в печать 27.03.2009 Формат 60х841/16. Гарнитура Arial. Усл.печ.л.2.0. Поз. 1.11. Зак. 66. Тираж 130 экз. Цена 36 р.

_________________________________________________

Издательство ДВГУПС 680021, г.Хабаровск, ул. Серышева, 4