Институт агроинженерии фгбоу во

ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ АГРОИНЖЕНЕРИИ ФГБОУ ВО

«ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГАУ»

Кафедра «Тракторы, сельскохозяйственные машины и земледелие»

УТВЕРЖДАЮ

ПРОРЕКТОР по УР

К. Сазонов

Методические указания

к курсовой работе

(самостоятельной работе)

по дисциплине «Тракторы и автомобили»

Часть 1

«Автотракторные двигатели»

Челябинск 2017

Методические указания для студентов очной и заочной форм обучения по направлениям: 23.03.02 – Наземные транспортно-технологические комплексы, профиль: Сельскохозяйственные машины и оборудование; 23.03.03 – Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов, профиль: Сервис транспортных и технологических машин и оборудования; 35.03.06 Агроинженерия.

Методические указания содержат общие положения, методическую и основную части, включающие три раздела, а также пять приложений с необходимыми справочными данными по двигателям.

Авторы-составители:

Кожанов В.Н., канд. техн. наук, доцент

Русанов М.А., канд. техн. наук, доцент

Петелин А.А., ассистент

Рецензенты:

Старцев А.В., докт. техн. наук, профессор (ЮУрГАУ)

Краснокутский В.В., канд. техн. наук, зав. кафедрой

«Автомобилестроение» ЮУрГУ

Ответственный за выпуск:

Хлызов Н.Т., канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой

«Тракторы, сельскохозяйственные машины и

земледелие»

Печатается по решению редакционно-издательского совета ЮУрГАУ

Редактор Технический редактор

С.А. МедведеваМ.В. Шингареева

ИПЦ ЮУрГАУ, 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 75

Формат 60 ´ 84/16. Объём 3,5 п.л.

Тираж 50 экз. Заказ № ........

© В.Н. Кожанов, М.А. Русанов, А.А. Петелин, 2017.

© ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный аграрный

университет»,

Институт агроинженерии, 2017.

ВВЕДЕНИЕ

Курсовое проектирование (самостоятельная работа) имеет своей целью углубление и закрепление знаний по конструкции и основам теории тракторов и автомобилей. Оно способствует развитию навыков расчета и анализа их эксплуатационных качеств, что имеет первостепенное значение для обеспечения в практической эксплуатации наиболее эффективной, экономичной, надежной, безопасной и наименее токсичной работы машинно-тракторных агрегатов.

Курсовая (самостоятельная) работа должна быть выполнена и сдана на проверку за две недели до начала сессии.

Курсовая (самостоятельная) работа выполняется студентом по индивидуальному заданию в соответствии с шифром зачетной книжки и требованиями стандарта предприятия СТП ЧГАА. 2-2011 на курсовые работы.

Общие требования к курсовой работе

Отчетным документом курсовой (самостоятельная) работы является пояснитель­ная записка.

Пояснительная записка должна быть аккуратно выполнена на бумаге размером 210x297 мм (формат А4) черными чернилами, акку­ратным почерком, или машинописным текстом и должны иметь сквоз­ную нумерацию страниц. Номер страницы проставляется в правом верхнем углу (см. стандарт СТП ЧГАА по оформлению курсовых и выпускных квалификационных работ).

Содержание пояснительной записки делится на разделы, под­разделы и пункты. Каждый раздел начинают с новой страницы. Пунк­ты текста записывают с абзаца. Разделы имеют порядковые номера, обозначаемые арабскими цифрами с точкой. Номер подраздела со­стоит из номера раздела и номера подраздела.

Расчетно-пояснительная записка имеет следующую структуру:

1) титульный лист;

2) исходные данные к расчету;

3) содержание (оглавление);

4) введение;

5) основная часть;

6) список литературы;

7) приложения.

Форма титульного листа дана в приложении 1.

Исходные данныек заданию на курсовую работу должны быть приведены на отдельном листе по форме, указанной в приложении 2. Здесь же желательно привести основные показатели технической характеристики двигателя-прототипа.

Прототип трактора и двигателя, и числовые значения задаваемых параметров указаны в приложениях 3 и 4.

Вариант задания определяется по двум последним цифрам номера зачетной книжки. В каждом варианте задания: первая строка оптимальная сила тяги в килоньютонах (Р_кр); вторая строка – скорость трактора (V_д), (м/с), при оптимальной силе тяги; третья строка – величина отбора мощности двигателя на ВОМ в процентах от номинальной мощности двигателя (α).

Таблица 1.1 - Тяговый к.п.д. тракторов на разных почвенных фонах

Почвенный фон	Тип движителя
	колесный 4х2	колесный 4х4	гусеничный
Стерня	0,60 - 0,65	0,66 - 0,70	0,70 - 0,78
Вспаханное поле	0,50 - 0,55	0,56 - 0,60	0,65 - 0,70

Номинальная мощность двигателя с учетом отбора мощности на ВОМ рассчитывается по формуле:

, кВт (1.2)

где a - величина отбора мощности на ВОМ, % (указана в задании).

Номинальная мощность двигателя и его оценочные параметры зависят от качества проектирования, изготовления и от согласованности в работе механизмов и систем. Определяющее влияние на выходные показатели двигателя оказывают режимы его работы и степень совершенства рабочего процесса.

Крутящий момент двигателя определяется по зависимости

, Н×м (1.3)

где n - частота вращения коленчатого вала, об/мин.

Качество рабочего процесса в ДВС оценивается индикаторными показателями, позволяющими учесть потери, которые имеют место при преобразовании тепловой энергии сгоревшего топлива в механическую энергию.

Полученная в ДВС механическая энергия расходуется на выполнение полезной работы и на преодоление механических потерь, связанных с преодолением сил трения и с затратами энергии на привод вспомогательных механизмов и газообмен.

Среднее за цикл индикаторное давление газов на поршень определяется по зависимости вида:

(1.4)

где - среднее эффективное давление, МПа;

- условное среднее давление механических потерь, МПа.

Среднее эффективное давление, находят по формуле:

, МПа (1.5)

где N_е – номинальная мощность двигателя, кВт (формула 1.2);

t - тактность двигателя;

i - число цилиндров;

n - частота вращения коленчатого вала, об/мин;

V_h - рабочий объем одного цилиндра, л.

Среднее давление механических потерь при номинальном тепловом состоянии двигателя определяют по эмпирическим формулам вида:

МПа (1.6)

где С_п - средняя скорость поршня, м/с, определяется по формуле:

, (1.7)

где S - ход поршня, м;

a, b - эмпирические коэффициенты (для различных типов двигателей приведены в табл.1.2).

Механический кпд равен

. (1.8)

Таблица 1.2 - Значение коэффициентов для определения механических потерь

Тип двигателя	Коэффициент
а	b
Карбюраторный
S/D>1	0,049	0,0152
S/D<1	0,039	0,0113
Дизель 4-тактный с неразделенными камерами сгорания	0,103	0,0118
Дизель 4-тактный с разделенными камерами сгорания	0,103	0,0135

2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ЦИКЛА И

ПОСТРОЕНИЕ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ

Индикаторной диаграммой называется графическое изображение зависимости давлений газа в цилиндре двигателя от объема (координаты Р-V), хода поршня (координаты «Р-S») или от угла поворота коленчатого вала (координаты «Р-j »).

Для построения индикаторной диаграммы выполняется тепловой расчет двигателя и определяются показатели, характеризующие процессы впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска.

Процесс впуска

В приближенных расчетах абсолютное давление газов в процессе впуска принимают неизменным, зависящим от гидравлического сопротивления впускного тракта, степени подогрева заряда и количества газов, оставшихся в цилиндре после выпуска.

Давление газов в конце впуска зависит от гидравлического сопротивления впускного такта, степени подогрева на впуске, количества газов, оставшихся в цилиндре в конце впуска, и других факторов.

Давление в конце впуска для двигателей без наддува определяют:

, МПа (2.1)

где - потери давления во впускной магистрали, МПа. р_о = 0,1 МПа.

С целью лучшего наполнения цилиндров двигателя свежим зарядом необходимо эти потери свести к минимуму.

Для 4-тактных двигателей указанные потери можно ориентировочно подсчитать по эмпирической формуле:

Dр_а = (0,03...0,18) р_о или Dр_а = 0,055∙ 10^-4 n, МПа, (2.2)

где n - частота вращения коленчатого вала, об/мин.

Давление в конце впуска для двигателей с наддувом определяют по зависимости:

р_а = р_к - Dр_ак, МПа, (2.3)

где р_к - давление наддува, МПа (принимается по заданию) или определяется по формуле:

р_к = (1,4...2,0) р_о, МПа. (2.4)

Потери давления на впуске после компрессора равны:

Dр_ак = (0,04...0,1)р_к, МПа. (2.5)

Конечную температуру впуска Т_а для 4-тактного двигателя можно определить для двигателей без наддува по выражению:

, К, (2.6) где Т_о – температура окружающей среды (293 К);

γ – коэффициент остаточных газов (определяется при расчете процесса выпуска);

а для двигателей с наддувом:

, К (2.7)

где Dt - подогрев свежего заряда во впускном трубопроводе (может быть принят по табл. 2.1) .

Т_к - температура газов после компрессора:

, К (2.8)

где n_к - показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре (для центробежных компрессоров n_к = 1.4...2,0).

Степень заполнения цилиндра свежим зарядом характеризуется коэффициентом наполнения h_v, который представляет собой отношение количества свежего заряда, поступившего в цилиндр при работе двигателя, к тому количеству заряда, которое мог бы заполнить этот цилиндр при температуре и давлении окружающей среды.

Для двигателей без наддува:

; (2.9)

для двигателей с наддувом:

. (2.10)

Значения основных параметров процесса впуска современных ДВС представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Основные параметры процесса впуска

Тип ДВС	ра, МПа	рк, МПа	Та, К	hv	Δt, оС
Дизель без наддува	0.085…0,09	-	310…350	0,8…0,94	20…40
Дизель с турбонаддувом	(0,9...0,96) рк	0,15…0,25	310…400	0,8…0,97	0…10
Бензиновый карбюраторный	0,07... 0,08	-	320…380	0,75…0,85	-5…+25
Бензиновый с впрыском	0,07…0,08	-	320…380	0,8…0,96	-5…+25

Процесс сжатия

Определение давления и температуры в конце такта сжатия проводят с рядом допущений, а именно: в период сжатия отсутствуют утечки газа через неплотности в клапанах и поршневых кольцах, в газе не протекает никаких химических реакций и испарений топлива, теплоемкость газа не меняется, сжатие начинается с НМТ и заканчивается в ВМТ, показатель политропы сжатия применяется постоянным. Тогда, используя уравнение политропического процесса, нетрудно определить давление р_с и температуру Т_с газа в конце такта сжатия

, МПа; (2.11)

, К (2.12)

где ε – степень сжатия;

n₁ - показатель политропы сжатия.

Ориентировочно показатель политропы сжатия можно определить по эмпирическим зависимостям:

для карбюраторных двигателей

n₁ = 1,41-110/n,

для дизелей

n₁ = 1,41-110/n - 0,02.

Значения основных параметров процесса сжатия представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Основные параметры процесса сжатия

Тип ДВС	рс, МПа	Тс, К	n1	ε
Дизель без наддува	3...5.5	750... 900	1,38. ..1,42	15. ..22
Дизель с турбонаддувом	6. ..8	950... 1200	1,35. ..1,38	12. ..15
Бензиновый карбюраторный	0,5. ..2,0	400. ..700	1,34. ..1,39	6. ..9
Бензиновый с впрыском	1,0. ..2,5	400... 800	1,34. ..1,39	8. ..11

Процесс сгорания

При анализе и расчете процесса сгорания необходимо различать сгорание в бензиновом и дизельном двигателях.

Уравнение сгорания (баланс тепла) для карбюраторного двигателя:

, кДж (2.13)

где Q_с - количество тепла в газе в конце сжатия (до начала сгорания), кДж;

Q_сг - количество тепла, выделившегося при сгорании топлива и переданного сжатому газу, кДж;

Q_z - количество тепла в газе после сгорания топлива, кДж.

Для дизельного двигателя

Q_с + Q_сг = Q_z +Q_z'-z , кДж (2.14)

где - количество тепла, затраченного на работу расширения газов при движении поршня от ВМТ до расчетного конца сгорания, кДж.

Температура газов в конце сгорания Т_zопределяется по уравнениям сгорания, выраженным через параметры состояния газов [2]:

для бензинового двигателя при a <1

; (2.15)

для дизельного двигателя

(2.16)

Значение Т_z также можно выбрать из таблицы 2.4, учитывая, что дизелям с наддувом соответствуют большие значения температуры.

Давление газов в конце сгорания Р_гориентировочно определяется по эмпирическим выражениям:

для дизельных двигателей

, МПа (2.17)

для бензиновых двигателей

, МПа (2.18)

где m, - коэффициент молекулярного изменения (m = 1,01... 1,05);

l_р = Р_r/Р_с - степень повышения давления, показывающая увеличение давления газов в цилиндре ДВС в процессе сгорания.

Величину l_р подсчитать теоретически довольно сложно, поэтому ее значение принимают ориентировочно в зависимости от способа смесеобразования:

Таблица 2.3 - Зависимость l_р от способа смесеобразования

Тип ДВС	lр
Дизель с пленочным/объемно-пленочным смесеобразованием	1,4…1,8
Дизель с объемным смесеобразованием	1,6…2,5
Бензиновые двигатели	3,0…4,0
Газовые двигатели	3,0…5,0

Подобрав значения Т_z и l_р рассчитывают значения р_z по выражениям (2.16) или (2.17) в зависимости от типа заданного двигателя.

Параметры процесса сгорания представлены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 - Основные параметры процесса сгорания современных ДВС

Тип ДВС	рz, МПа	Тz, К	lр
Дизель без наддува	5…10	1800…2200	1,4… 2,5
Дизель с турбонаддувом	6…12	2000…2300	1,4…2,5
Бензиновый карбюраторный	3,5…6,5	2000…2500	3...4
Бензиновый с впрыском	3,5…7,5	2400…3100	3...4

Процесс расширения

При теоретических расчетах этот процесс описывается политропой расширения с постоянным показателем n₂. Тогда давление и температура газов в конце расширения определяются по выражениям:

для бензинового двигателя

, МПа (2.19)

, К ; (2.20)

для дизеля

МПа (2.21)

К, (2.22)

где n₂ - показатель политроны расширения, который имеет тот же физический смысл, что и показатель политропы сжатия, и ориентировочно определяется по выражениям

для карбюраторных двигателей n₂ = 1,21 + 130/n;

для дизелей n₂ = 1,21 + 130/n - 0,02;

d - степень последующего расширения (изменение объема газов в цилиндре от начала до конца расширения или от конца расчетного сгорания до НМТ) подсчитывается по формуле:

(2.23)

где r - степень предварительного расширения (изменение объема газов от начала до конца расчетного периода сгорания или от ВМТ до конца расчетного сгорания) рассчитывается по формуле

. (2.24)

Параметры процесса расширения приведены в таблице 2.5.

Таблица 2.5 - Основные параметры процесса расширения современных ДВС

Тип ДВС	рв, МПа	Тв, К	n2	r
Дизель без наддува	0,2…0,5	1000…1200	1,18…1,28	1,2…1,4
Дизель с турбонаддувом	0,2…0,5	1000…1200	1,18…1,28	1,2…1,4
Бензиновый карбюраторный	0,35…0,6	1200…1700	1,23…1,3	-
Бензиновый с впрыском	0,35…0,6	1200…1700	1,23…1,3	-

Процесс выпуска

Давление остаточных газов в цилиндре в конце выпуска зависит от конструктивных, эксплуатационных и других факторов и может быть ориентировочно определено по формуле:

, МПа (2.25)

где р_о - давление окружающей среды, МПа;

Dр_г - избыточное давление в цилиндре за счет гидравлического сопротивления выпускных трубопроводов, глушителя, газовой турбины (при наличии турбонаддува), МПа.

В целях лучшей очистки цилиндров от остаточных газов необходимо стремиться, чтобы это давление было как можно меньше.

При расчете давления остаточных газов принимают:

для двигателей без наддува р_г = (1,05...1,25) р_о, МПа;

для двигателей с турбонаддувом р_г = (0,75…0,95) р_к, МПа

где р_к - давление наддува после компрессора.

Для автотракторных двигателей р_к = ( 1,4...2,0) р_о, МПа.

Температура газов Т_г в конце выпуска также принимают ориентировочно: для дизелей 700...900 К, для карбюраторных двигателей 900…1100 К.

Качество очистки цилиндров от остаточных газов в конце выпуска характеризуется коэффициентом остаточных газов g, который представляет собой отношение количества оставшихся в цилиндре газов к свежепоступившему заряду.

Для двигателей без наддува

; (2.26)

Для двигателей с наддувом

, (2.27)

где Т_о - температура окружающей среды, К; Т_о = 293 К;

Т_к - температура воздуха после компрессора (см. такт впуска), К;

e - степень сжатия;

DТ - температура подогрева во впускном трубопроводе (может быть принята по табл. 2.6).

При расчетах значение параметров процесса выпуска принимают в соответствии с таблицей 2.6.

Таблица 2.6- Параметры процесса выпуска

Тип ДВС	рr, МПа	Тr, К	DТ	gr
Дизели без наддува	0,105. ..0,125	600... 900	20... 40	0,03... 0,06
Дизели с турбонаддувом	(0,75... 0,95) Рк	700... 950	0...10	0,02... 0,05
Бензиновые карбюраторные	0,102. ..0,120	900... 1000	-5. ..+25	0,04... 0,08
Бензиновые с впрыском	0,102. ..0,120	900... 1000	-5... +25	0,02... 0,05

Полученные в результате расчетов, значения параметров рабочего цикла двигателя заносятся в таблицу 2.7 для построения индикаторной диаграммы.

Таблица 2.7 Результаты расчета параметров рабочего цикла

ра, МПа

Та, К

рс, МПа

Тс, К

рz, МПа

Тz, К

рв, МПа

Тв., К

рr, МПа

Тr, К

Sс, м

Sа, м

Sz, м

По индикаторной диаграмме

Среднее теоретическое индикаторное давление р'_i представляет собой высоту прямоугольника, равного площади индикаторной диаграммы в масштабе давления:

МПа (2.31)

где F_i- площадь теоретической индикаторной диаграммы, мм², ограниченная линиями ВМТ, НМТ, сжатия и расширения, может быть определена с помощью планиметра, методом интегрирования, либо другим способом;

S - длина индикаторной диаграммы (ход поршня), мм (расстояние между линиями ВМТ, НМТ);

m_p - масштаб давления, выбранный при построении индикаторной диаграммы, МПа / мм.

Действительное индикаторное давление:

р_i = р_i΄ ∙ φ_п , МПа (2.32)

где j_п - коэффициент неполноты площади индикаторной диаграммы; учитывает отклонение действительного процесса от теоретического (скругление при резком изменении давлений, для карбюраторных двигателей j_п =0,94.. .0,97; для дизелей j_п = 0,92.. .0,95);

Dр = р_r - р_а - среднее давление насосных потерь в процессе впуска и выпуска для двигателей без наддува.

После определения р_i по индикаторной диаграмме сравнивают его с ранее подсчитанным (формула 1.4) и определяют расхождение в процентах.

Среднее эффективное давление р_е равно

р_е = р_i – р_мп, МПа

где р_мп определено по формуле 1.6.

Тогда подсчитайте мощность по зависимости и сравните с заданной. Расхождение должно быть не более 10…15%, если больше следует пересчитать процессы.

ЛИТЕРАТУРА

Основная:

1. Суркин В.И. Основы теории и расчета автотракторных двигателей. Курс лекций, изд. 2-е, пер. Челябинск, ЧГАА, 2012. – 326 с.: ил.

2. Баширов Р.М., Основы теории и расчета автотракторных двигателей: учебник/ Р.М. Баширов; Уфа; БашГАУ, 2010. –304 с.: ил.

3. Шароглазов Б.А. и др. Поршневые двигатели внутреннего сгорания. Челябинск. - ЮУрГУ, 2011.- 382 с.

4. Болотов А.К. и др. Конструкции тракторов и автомобилей: Учебное пособие - М.: Колосс, 2006.

5. Автомобили:Учебное пособие для вузов / А.В.Богатырев и др.-М.:Колос, 2004.

6. Звонарёва Л.М. ,Олейник Н.И., Оленевич О.Ю. Стандарт предприятия СТП ЧГАА 2-2011.

Дополнительная:

1. Программа курса «Тракторы и автомобили» для сельскохозяйственных высших учебных заведений. - М., 2000.

2. Николаенко А.В. Теория, конструкция и расчет тракторных двига-телей. - М.: Колос, 1992.

3. Родичев В.А. Тракторы: Учебник. – М.: Академия, 2002.

4. Райков И.Я., Рытвинский Г.Н. Конструкция автомобильных и трак-торных двигателей. - М.: Высшая школа. 1986.

5. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: Учебное пособие для вузов.- М.: Высшая школа, 2003.

Приложение 1

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

СОДЕРЖАНИЕ

с

Введение ………………………………………………………………. 1. Определение номинальной мощности двигателя и среднего индикаторного давления газов……………………………………………... 2. Определение параметров рабочего цикла и построение индикаторной диаграммы ………………………………………………………... 2.1. Процесс впуска ………………………………………………… ... 2.2. Процесс сжатия ………………………………………………… 2.3. Процесс сгорания ………………………………………………. 2.4. Процесс расширения …………………………………………… 2.5. Процесс выпуска ………………………………………………… 2.6. Построение индикаторной диаграммы …………………………. 2.7. Определение среднего индикаторного давления по индикаторной диаграмме …………………………………………………… 3. Основы динамического расчета двигателя ………………………….. 3.1 Силы, действующие в КШМ при заданном угле поворота кривошипа φ ………………………………………………………….. 3.2 Построение графиков сил, действующих в КШМ ……………… Литература ……………………………………………………………. Приложения: 1. Титульный лист пояснительной записки ……………………. 2. Исходные данные к заданию по курсовой работе …………… 3. Варианты заданий на курсовую работу ………………………. 4. Числовые значения параметров трактора и двигателя ……… 5. Параметры КШМ автотракторных двигателей ……………… 6. Содержание ……………………………………………………..

Кожанов Владимир Николаевич

Русанов Михаил Алексеевич

Автотракторные двигатели

Методические указания к курсовой (самостоятельной) работе

для студентов очной и заочной форм обучения по направлениям: 23.03.02 – Наземные транспортно-технологические комплексы, профиль: Сельскохозяйственные машины и оборудование; 23.03.03 – Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов, профиль: Сервис транспортных и технологических машин и оборудования; 35.03.06 Агроинженерия.

Редактор Медведева С.А.

Подписано в печать .............

Формат 60 ´ 84/16

Объём 3,0 п.л. Тираж 50 экз. Заказ № ........

ИПЦ ЮУрГАУ, 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 75

ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ АГРОИНЖЕНЕРИИ ФГБОУ ВО

«ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГАУ»