Выбор типа и расчет основных параметров дизеля

Введение

Настоящие методические указания составлены на основе многолетних научных и методических разработок сотрудников кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство»: Н.И. Панова, Б.Л. Резникова, В.Н. Васильева, В.Е. Пескова, Е.Е. Коссова, В.З. Зюбанова и Л.С. Турова.

Первые разработки методической литературы в этом направлении относятся к 50-м годам XX-го века, когда серийное производство тепловозов только начиналось, а в настоящее время на кафедре ведутся исследования, связанные с новейшими достижениями транспортной техники.

Целью данных методических указаний является глубокое изучение студентами принципов и методов расчета двигателей внутреннего сгорания, а также конструкции тепловозных двигателей внутреннего сгорания.

Методические указания по проектированию тепловозного двигателя состоят из двух частей.

В первой части в соответствии с заданием студент должен произвести выбор типа двигателя, определить его основные параметры, выбрать схему воздухоснабжения и агрегаты наддува, рассчитать рабочий процесс двигателя и его основные технико-экономические показатели на номинальном режиме работы.

Во второй части - определить силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме, построить векторные диаграммы сил, действующих на шейки коленчатого вала и подшипники, определить главные размеры поршня, шатуна, коленчатого вала, рассчитать основные элементы узла, подлежащего подробной конструктивной разработке.

К моменту защиты курсовой проект должен быть оформлен в виде расчетной записки и графической части. Расчетная записка должна включать следующие разделы:

1. Выбор типа и кинематической схемы двигателя.

2. Расчет основных параметров дизеля.

3. Выбор агрегатов наддува и охлаждения наддувочного воздуха, схемы воздухоснабжения и её обоснование.

4. Расчет рабочего процесса, построение индикаторной диаграммы, определение технико-экономических показателей дви­гателя.

5. Расчет сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме дизеля и построение графиков изменения этих сил от угла поворота коленчатого вала, векторные диаграммы сил, действующих на шейки коленчатого вала и подшипника.

6. Выбор конструкции основных узлов дизеля, применяемых материалов и обоснование принятых решений.

7. Конструирование и расчет узла или детали с чертежом и расчетными схемами

Расчет индикаторной диаграммы и сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме двигателя, выполняется на ЭВМ. Остальные расчеты могут выполняться на ЭВМ по согласованию с консультантом.

Графическая часть проекта (кроме эскизов и графиков, входящих в состав расчетной записки) состоит из листа, содержащего поперечный разрез дизеля или сборочный чертеж узла. По согласованию с преподавателем графическая часть может также отражать результаты самостоятельного исследования студента.

ВЫБОР ТИПА И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДИЗЕЛЯ

1.1. МощностьN_е,угловая скорость вращения коленчатого вала w, тактность t и, условия работы дизеля задаются консультантом проекта.

В процессе проектирования, по согласованию с консультантом при наличии соответствующих обоснований заданные величины могут корректироваться.

Эффективная мощность дизеля кроме угловой скорости и тактности зависит от величин среднего эффективно-

ого давления Р_а, реализуемого при рассматриваемом режиме работы, рабочего объема цилиндра V_h и числа цилиндров z. При проектировании дизелей величины, определяющие их эффективную мощность, выбираются с учетом опыта эксплуатации ухе построенных двигателей, а также весовых и габаритных ограничений, выдвигаемых специфическими условиями работы проектируемого двигателя.

Мощность двигателя определяется соотношением:

, кВт (1)

где Р_е - среднее эффективное давление, Па;

w - угловая скорость вращения коленчатого вала, рад/с;

z- число цилиндров;

V_h - рабочий объем цилиндров, м³;

t - тактность, т.е. число тактов в цикле.

Рабочий объем цилиндра определяется:

, м³ (2)

где D – диаметр поршня, м;

S – ход поршня, м.

Тогда выражение (1) примет вид:

, кВт . (3)

Коэффициент тактности принимается равным двум для 2-х-тактных и четырем – для 4-тактных двигателей.

Среднее эффективное давление и средняя скорость поршня выбираются на основании опыта конструирования, доводки и эксплуатации существующих двигателей.

По заданной мощности предварительно по рис.1. выбирается величина среднего эффективного давления.

Зона допустимых значений Ретепловозных дизелей в зависимости от эффективной мощности Nе

Рис. 1.

Средняя скорость поршня с_mявляется параметром, определяющим степень быстроходности и долговечности дизеля. Для выполненных тепловозных двигателей средние скорости поршня имеют значения:

- для 4-х-тактных дизелей с_m=7,4 - 10,5 м/с;

- для 2-х-тактных дизелей с_m=7,2 - 8,3 м/с.

Двигатели с высокими значениями с_mхарактеризуются меньшими габаритами и массой.

Для их изготовления применяются материалы повышенного качества и износостойкости, повышается класс точности изготовления деталей, в процессе эксплуатации для смазки используются высококачественные сорта масел с присадками с целью сохранить моторесурс на требуемом уровне. Поэтому по возможности выбирают меньшую скорость поршня.

Скорость поршня определяется из соотношения:

, м/с (4)

С учетом (4) эффективная мощность определяется:

, кВт (5)

Для двигателей с противоположно движущимися поршнями мощность рассчитывают по формуле:

, кВт (6)

где k_р – коэффициент распределения индикаторной мощности между нижним (основным) и верхним поршнями, равный отношению мощностей верхнего и нижнего поршней и зависящий от углового отставания верхнего коленчатого вала. Для отставания Dj = 12° п.к.в. его можно предварительно принимать равным 0,7.

Уточняют его после построения индикаторных диаграмм. Все остальные величины имеют значения, относящиеся к одному поршню.

Число цилиндров в тепловозных дизелях зависит от общей мощности, размеров цилиндра и тактности. Минимальное число цилиндров ограничивается неравномерностью вращения и составляет 6 для 4-тактных и 4 - для 2-тактных двигателей.

Максимальное число цилиндров обычно ограничивается длиной коленчатого вала и составляет 10 для рядных и 20 для V-образных двигателей. В исключительных случаях число цилиндров можно увеличить до 24. Двигатели с иной компоновкой (W-образные и звездообразные) на тепловозах не используют по соображениям компоновки, очень редко используют оппозитные двигатели (при подвагонном расположении на дизель-поездах).

У 4-х-тактных двигателей, исходя из условий уравновешивания и необходимой равномерности крутящего момента, применяют четное число цилиндров (6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 и 24). При числе цилиндров от 6 до 8 обычно применяет рядное расположение. При числе цилиндров больше 8 переходят к V-образному их расположению.

Диаметры цилиндров построенных тепловозных дизелей изменяются в пределах:

- D = 0,170 - 0,300 м для 4-тактных дизелей с нераздельной камерой сгорания;

- D = 0,150 - 0,250 м для 2-тактных дизелей.

При больших диаметрах цилиндров имеют место высокая теплонапряженность, значительная масса деталей кривошипно-шатунного механизма и поршня вследствие высоких нагрузок.

Диаметр цилиндра выбирается приближенно в соответствии с рис.2 и должен соответствовать нормальному ряду диаметров: 0,130; 0,140, 0,150; 0,160; 0,170; 0,180; 0,190; 0,210; 0,230, 0,240; 0,250; 0,260; 0,280; 0,300, 0,320; 0,340 м.

Отношение хода поршняS к диаметру D цилиндра для тепловозных дизелей находится в пределах:

- S/D = 1,0 - 1,3 для 4-х тактных дизелей;

- S/D = 1,2 - 1,7 для2-х тактных дизелей с клапанно-щелевой продувкой;

- S/D = 1,2 - 1,4 для 2-х тактных дизелей с противоположно движущимися поршнями (прямоточной продувкой).

Зона рекомендуемых диаметров цилиндров D и степени сжатия eв зависимости от эффективной мощности Nе

Рис. 2.

В двигателях средней быстроходности рекомендуется увеличенные отношения S/D, так как при прочих равных условиях с увеличением S/D уменьшается диаметр цилиндра, нагрузка на детали кривошипно-шатунного механизма, увеличивается высота камеры сгорания, что ведет к улучшению процесса сгорания, но при этом увеличивается высота двигателя.

Для быстроходных дизелей целесообразно снижать величину S/D для уменьшения средней скорости поршня и

высоты двигателя. Однако с понижением S/D ухудшаются условия протекания процессов смесеобразования и возрастает поверхность камеры сгорания, что увеличивает теплообмен и выделение тепла в воду, и масло дизеля.

Для дальнейших расчетов выразим мощность двигателя через число цилиндров, отношение S/D и среднюю скорость поршня:

(7)

или

(8)

где размерности те же, что и в (1), а частота вращения n_д – в об/мин.

1.2. Определение основных размеров цилиндра двигателя и числа цилиндров рекомендуется производить в следующем порядке:

В соответствии с рекомендациями, изложенными в п.1.1, выбирают ориентировочную величину среднего эффективного давления Р_е и вычисляют левую часть выражения (7) или (8), являющуюся в дальнейших расчетах константой.

Задаются несколькими (от трех до пяти) значениями средней скорости поршняC_mi в диапазоне значений, рекомендованных в п. 1.1, с интервалом 0,5 м/с, и несколькими (с шагом, например, 0,1 или 0,05) значениями S/D. Для них из правой части выражений (7) или (8) находят числа цилиндров и заносят результаты в таблицу по образцу табл.1.

Таблица 1.

Диаметры и числа цилиндров проектируемого двигателя.

(S/D)j Сmi	(S/D)1	(S/D)2	(S/D)3	(S/D)4
Cm1	D11
Z11
Cm2
Cm3				D34
			Z34

Для значений (S/D)_j и C_mi , дающих подходящие числа цилиндров, вычисляют диаметры цилиндров, соответствующие выбранным значениям средней скорости поршня и заданной угловой скорости коленчатого вала (9):

, м (9)

также занося результаты в табл. 1.

На основе анализа табл.1 окончательно выбирают число и диаметр цилиндров, соответствующее ре­комендациям п.1.1. Диаметр цилиндра, соответствующий выбранному числу цилиндров, округляют до ближайшего значения из ряда нормальных диаметров и уточняют среднюю скорость поршня по соотношению (4).

Отношение S/D не должно выходить за рекомендуемые пределы.

1.3. По полученным геометрическим параметрам проектируемого дизеля D, S, Z определяют его основные габаритные размеры.

Длина дизеля

, м (10)

где D - диаметр цилиндра, м;

12

К = Z- для рядных двигателей;

K = 0,5^.Z - для V -образных двигателей;

C = 1 - 2,5 м- линейный размер, зависящий от компоновки вспомогательного оборудования и агрегатов наддува двигателя.

Ширина дизеля

, м (11)

где: S - ход поршня, м;

А = 3,5 - 6,0 - для рядных двигателей;

А = 5,0 - 8,0 - для V - образных двигателей.

Высота дизеля

, м (12)

где а = 6,0 - 8,0 - для рядных двигателей;

а = 5,0 - 7,0 - для V - образных двигателей;

а = 10,0 - 13,0 - для 2-х тактных двигателей с противоположно движущимися поршнями.

После определения габаритных размеров дизеля произво­дят проверку его размещения в кузове тепловоза.

Проверяют наличие необходимой ширины проходов по обе стороны от дизеля. От внешнего контура дизеля до боковых стенок кузова тепловоза должно быть 0,7 м на высоте груди человека (на расстоянии от настила 1,5 м), что обеспечивает нормальное и безопасное обслуживание дизеля.

В отдельных исключительных случаях допускается местное сужение прохода до 0,5 м.

Эскиз установки дизеля на тепловозе выполняется в масштабе 1:20 и прилагается к записке.

Все расчеты 1 раздела должны быть предъявлены консультанту. После согласования результатов расчетов 1 раздела с консультантом студент приступает к выполнению расчета рабочего процесса двигателя.