3 Расчет и построение внешней скоростной характеристики

Внешней скоростной характеристикой двигателя называется зависимость основных параметров двигателя (эффективная мощность N_е, эффективный крутящий момент М_е, часовой расход топлива G_T, удельный эффективный расход топлива g_e, коэффициент наполнения η_v) от частоты вращения коленчатого вала двигателя при полностью выдвинутой рейке топливного насоса на максимальную подачу топлива. График крутящего момента и выходной мощности двигателя прототипа представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – График крутящего момента и выходной мощности двигателя автомобиля Dodge Ram II 5.9 TD MT

По внешней скоростной характеристике определяются максимальные мощностные параметры двигателя и минимальные удельные параметры. Также по внешней скоростной характеристике определяется коэффициент приспособляемости двигателя, равный отношению максимального эффективного момента М_еmax к моменту при максимальной мощности М_enom:

; (3.1)

;

Основные параметры двигателя в зависимости от угловой скорости вращения коленчатого вала определяются по эмпирическим формулам.

Текущее значение эффективной мощности N_еx, кВт, равно:

. (3.2)

Текущее значение эффективного крутящего момента М_еx, кНм, равно:

= . (3.3)

Текущее значение часового расхода топлива G_Tx, кг/ч, равно:

= . (3.4)

Текущее значение удельного эффективного расхода топлива g_ex, г/(кВтч), для дизельного двигателя с неразделенными камерами равно:

= . (3.5)

В качестве примера представим расчет по формулам (3.2) – (3.5) для значения угловой скорости вращения ω_x вращения коленчатого вала:

;

;

= ;

;

.

Для остальных значений ω_x расчеты выполнялись аналогично, результаты расчетов сведены в таблицу 3.1. Кроме того, по полученным данным построена внешняя скоростная характеристика проектируемого 6 цилиндрового дизельного двигателя (рисунок 3.1).

Таблица 3.1 – Результаты расчета основных параметров двигателя

4 Динамический расчет кшм с применением эвм

Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма проектируемого двигателя заключается в определении суммарных сил и моментов, возникающих от давления газов и сил инерции, что требуется для выполнения расчетов деталей двигателя на прочность и износостойкость, расчета подшипников коленчатого вала, анализа уравновешенности двигателя.

Динамический расчет проводится для номинального режима работы двигателя. В течение каждого рабочего цикла силы, действующие в КШМ, непрерывно изменяются по величине и направлению. Поэтому расчет необходимо производить для ряда положений коленчатого вала. Для четырехтактного двигателя силы определяются через каждые 30° угла поворота коленчатого вала в диапазоне от 0° до 720°, а в области резкого изменения величин нагрузок (от 360° до 390°) – через 15°. В качестве нулевого выбирается такое положение кривошипа, при котором поршень находится в верхней мертвой точке (в.м.т.) во время такта впуска.

Силы давления газов, действующие на площадь поршня, для упрощения заменяются одной силой Р_Г, направленной вдоль оси цилиндра и приложенной к оси поршневого пальца (рисунок 4.1). Сила Р_Г определяется для ряда значений угла  поворота коленчатого вала по действительной развернутой (в координатах Р – ) индикаторной диаграмме.

Построение развернутой диаграммы производится в следующей последовательности. На листе в координатах Р – V (Р – S) изображается полученная в тепловом расчете индикаторная диаграмма; затем правее ее наносится координатная сетка Р – , при этом ось абсцисс  по горизонтали должна располагаться на уровне линии Р₀ свернутой диаграммы (на развернутой диаграмме показывается не абсолютное давление Р_Г, а избыточное давление Р_Г над поршнем).

Дальнейшее перестроение индикаторной диаграммы осуществляется по методу Брикса: под свернутой диаграммой строится вспомогательная полуокружность и определяется центр Брикса [1]. Из центра О', от левой половины основания полуокружности (что соответствует выбранному нулевому положению кривошипа) под требуемыми углами  откладываются вспомогательные лучи, а из центра Брикса О₁ проводятся линии, параллельные этим лучам, до пересечения с полуокружностью. Из найденных точек проводятся вертикали, которые, пересекая диаграмму на участке, соответствующем требуемому такту двигателя, определяют положения поршня, соответствующие заданным углам . Значения давлений в этих точках переносятся на вертикали соответствующих углов  развернутой диаграммы.

Удельная сила давления газов P_Г, МПа, равна:

P_Г = р_Г / F_П = (Р_Г – Р₀)  F_П / F_П = Р_Г, (4.1)

где Р_Г – давление газов в любой момент времени, МПа;

F_П – площадь поршня, м². Причем:

F_П = ; (4.2)

F_П =

Величины Р_Г снимаются с развернутой индикаторной диаграммы для требуемых значений . Соответствующие им силы Р_Г рассчитываются по формуле (4.1). Силы давления газов, направленные к оси коленчатого вала, считаются положительными, а от него – отрицательными (на рисунке 4.1 стрелками указаны положительные и отрицательные направления).

4.1 Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма

Для упрощения динамического расчета действительный КШМ заменяется эквивалентной системой сосредоточенных масс (рисунок 4.2), которая состоит из массы m_J, совершающей возвратно-поступательное движение и сосредоточенной в точке А, и массы m_R, совершающей вращательное движение и сосредоточенной в точке В.

Сосредоточенные массы m_J, кг, и m_R, кг, определяются по формулам:

m_J = m_П + m_ШП; m_R = m_К + m_ШК, (4.3)

где m_П – масса поршневой группы, кг;

m_ШП – часть массы шатунной группы, сосредоточенная в точке А (на оси поршневого пальца), кг; m_ШП = 0,275  m_Ш;

m_ШК – часть массы шатунной группы, сосредоточенная в точке В (на оси кривошипа), кг; m_ШК = 0,725  m_Ш;

m_К – часть массы кривошипа, сосредоточенная в точке В.

Рисунок 4.2 – Схемы системы сосредоточенных масс, динамически эквивалентной кривошипно-шатунному механизму

Полная масса шатунной группы m_Ш, кг, равна:

m_Ш = m_ШП + m_ШК. (4.4)

Часть массы кривошипа m_К, кг, определяется по формуле

m_К = m_ШШ + 2 m_Щ  /r, (4.5)

где m_ШШ – масса шатунной шейки с прилегающими частями щек, кг;

m_Щ – масса средней части щеки, заключенная в контуре abсd, центр тяжести которой расположен на расстоянии  от оси вращения вала.

Для приближенного определения значений m_П и m_Ш следует использовать конструктивные массы m_i' (массы, отнесенные к площади поршня), значения которых представлены в [1, таблица 4.1], то есть по формулам:

m_П = m_П'  F_П; (4.6)

m_П = 200  0,00785 = 1,57 кг;

m_Ш = m_Ш'  F_П; (4.7)

m_Ш = 250  0,00785 = 2,355 кг.

По формуле (4.3) получаем:

m_J = 1,57 + 0,285  2,355 _≈ 2,241 кг.

4.2 Расчет сил инерции

Силы инерции, действующие в КШМ, в соответствии с характером движения приведенных масс (см. рисунок 4.1) подразделяются на силы инерции поступательно движущихся масс Р_J и центробежные силы инерции вращающихся масс K_R.

Значение силы Р_J , Н, определяется по формуле

Р_J = – m_J  j, (4.7)

где j – ускорение поршня, м/с². Причем:

j = r   (cos  + λcos 2). (4.8)