Результаты теплового расчёта рабочего цикла и технико-экономических показателей дизеля

Наименования показателей	Условные обозначения	Единицы измерения	Числовые значения
Диаметр цилиндра	D	мм
Ход поршня	S	мм
Число цилиндров	I	-
Тактность	τ	-
Частота вращения коленчатога вала	n		16,67
Угловая скорость вращения коленчатога вала	ω	рад/с	104,69
Давление надувочного воздуха		МПа	0,208
Наибольшее давление сгорания		МПа
Коэффициент избытка воздуха	α	-	2,01
Степень сжатия	ℇ	-	12,5
Коэффициент наполнения		-	0,93
Механический КПД		-	0,88
Давление воздуха в начале сжатия		МПа	0,198
Температура воздуха в начале сжатия		К	357,8

Окончание табл. 2

Давление воздуха в конце сжатия Температура воздуха в конце сжатия Температура газов в конце "видимого" сгорания Давление газов в конце расширения Температура газов в конце расширения Среднее индикаторное давление Среднее эффективное давление Индикаторный КПД Эффективный КПД Удельный индикаторный расход топлива Удельный эффективный расход топлива Индикаторная мощность дизеля Эффективная мощность дизеля Удельная (литровая) мощность дизеля Часовой расход топлива дизелем Часовой расход воздуха дизелем Подача дизельного топлива на 1 цикл Обозначения по ГОСТ 'у	Pc Тc Тz   Pb Tb Pi Pe ηi ηe bi be Ni Ne Nл B Gв gц -	МПа К К   МПа К МПа МПа - - кг/кВтч кг/кВт·ч кВт кВт кВт/л кг/ч кг/ч кг/цикл -	6,46 934,2   0,6 1,314 1,156 0,44 0,38 0,192 0,218 9,64 445,4 0,00093 16ЧН

4. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ПРОЕКТНОГО ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ

Расчеты для построения индикаторной диаграммы дизеля выполняем с использованием персональной электронной вычислительной машины по рабочей программе, разработанной на кафедре "Тепловозы и тепловозное хозяйство" РГОТУПС'а.

Предварительно заготавливаем таблицу исходных данных, которые необходимо ввести в оперативную память ПЭВМ:

Частота вращения коленчатого вала n = 16,67 с^-1;

Диаметр цилиндра D = 0,25 м;

Радиус кривошипа R = 0,135 м;

Тактность дизеля τ = 4;

Объём цилиндра в начале сжатия V_a = 0,0144 м³;

Давление в цилиндре в начале сжатия P_a = 0,198 МПа;

Объём камеры сжатия V_c = 0,00115 м³;

Объём цилиндра в конце сгорания V_z = 0,00154 м³;

Давление в цилиндре в конце сгорания P_z = 10 МПа;

Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна λ = 0,22;

Масса поршня М_П = 35,5 кг;

Масса шатуна М_Ш = 58,4 кг.

Результаты вычислений, выполненных с применением ПЭВМ и выданные на печать, представлены на с. 54 и 55. Эти числовые данные используем для построения индикаторной диаграммы проектного дизеля.

В первом столбце таблицы проставлены углы поворота коленчатого вала в градусах с шагом 15º ( от -360º до +360º), а во втором и третьем столбцах соответственно объём цилиндра в дм³ ( т. е. в литрах) и давление в цилиндре в МПа. Таким образом, цифры во втором и третьем столбцах – это координаты точек, по которым, когда они нанесены на планшет, можно построить индикаторную диаграмму впрямоугольной системе координат p-v.

Построенная индикаторная диаграмма представлена на рис. 3 (эта диаграмма приведена выше – см. методические указания) .

По построенной индикаторной диаграмме определяем графоаналитическим способом среднее индикаторное давление P₁. Для этого делим отрезок 1, соответствующий рабочему объёму цилиндра ( V_h), на 10 равных частей. Через точки деления проводим вертикали и выделяем на них отрезки между линией сжатия a – c и линией горения-расширения z' – z –в ( y₀, y1, y₂, ……y₁₀).

Средняя высота индикаторной диаграммы

=

=25,5 мм.

Тогда среднее индикаторное давление

P₁ = = = 1,28 МПа,

где - масштаб давлений, принятый при построении индикаторной диаграммы.

Вычисленное по индикаторной диаграмме значение P₁ близко к расчетному значению среднего индикаторного давления P₁, полученному по формуле (см. выше), что подтверждает правильность выполненных расчетов. Несовпадение равно

1,31-1,28 = 0,03 МПа.

5. РАСЧЕТ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИЖЕНИЯ

ПОРШНЯ ДИЗЕЛЯ

Перемещение поршня (от ВМТ), скорость движения и ускорение поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала определяются из выражений:

S = R м;

v = м/с;

j = R·ω²(cosφ+λcos2φ) м/с²;

R = 0,135 м – радиус кривошипа коленчатого вала;

ω = 104.7 рад/с – угловая скорость вращения коленчатого вала (см.п.2);

λ = 0,22 – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна

Расчеты выполняем с использованием персональной ЭВМ по рабочей программе, разработанной на кафедре "Тепловозы и тепловозное хозяйство".

Предварительно составляем таблицу исходных данных, которые затем вводим в оперативную память ПЭВМ:

Радиус кривошипа R = 0,135 м;

Частота вращения коленчатого вала n = 16,67 с^-1;

Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна λ = 0,22;

Шаг изменения угла поворота коленчатого вала h = 10,0град.

Результаты вычислений выданные ПЭВМ, представлены в виде таблицы на с.53. По данным этой таблицы строим графические зависимости перемещения, скорости движения и ускорения поршня от угла поворота коленчатого вала: s(φ), v(φ), и j(φ); эти графические зависимости приведены на рис. 4^*.

6. РАСЧЕТ СИЛ, ДЕЙСТВУЮЩИХ В КРИВОШИПНО-ШАТУННОМ МЕХАНИЗМЕ ДИЗЕЛЯ

Схема сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме тепловозного дизеля, приведена на рис. 5. Для построения графических зависимостей этих сил от угла поворота коленчатого вала воспользуемся результатами вычислений, выполненных с применением ПЭВМ, и выданных на печать (см. с. 54 и 55 столбцы 1,4,5,6,9,10).

На рис. 6 представлены графические зависимости удельной силы газов, действующих на поршень, p_r ; удельной силы инерции поступательно движущихся масс p_j ; суммарной удельной силы, приложенной к поршню от угла поворота коленчатого вала φ.

На рис. 7 представлены графические зависимости удельной тангенциальной силы "т" и удельной нормальной силы "z" от угла поворота коленчатого вала φ.

*Данные графические зависимости, а также другие (рис. 5-7) для выполненного примера приведены выше (см. методические указания).

КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИЖЕНИЯ ПОРШНЯ ТЕПЛОВОЗНОГО ДВИГАТЕЛЯ.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:Частота вращения коленчатого вала [об/с n = 16,67

Радиус кривошипа R [м] R = 0,135

Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна LAM = 0,22

Шаг изменения угла поворота коленчатого вала [град] h = 10,0

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА:

fi – угол поворота коленчатого вала (от верхней мертвой точки ), [град]

s – перемещение поршня от верхней мертвой точки, [м]

v – скорость поршня, [м/с] w – ускорение поршня, [м/с²]

fi [град]

s [м] 0,0000 0,0025 0,0099 0,0218 0,0377 0,0569 0,0786 0,1019 0,1259 0,1498 0,1728 0,1943 0,2136 0,2305 0,2445 0,2556 0,2636 0,2684 0,2700 0,2684 0,2636 0,2556 0,2446 0,2305 0,2137 0,1943 0,1729 0,1499 0,1260 0,1020 0,0787 0,0570 0,0378 0,0218 0,0099 0,0025 0.0000

v [м/с] 0,0000 2,9872 5,8356 8,4165 10,5202 12,3631 13,5922 14,2869 14,4572 14,1404 13,3939 12,2885 10,8999 9,3017 7,5591 5,7251 3,8386 1,9258 0,0026 -1,9207 -3,8336 -5,7201 -7,5544 -9,2973 -10,8959 -12,2852 -13,3914 -14,1389 -14,4570 -14,2880 -13,5948 -12,3671 -10,6255 -8,4229 -5,8428 -2,9949 -0,008

w [м/с2] 1806,8687 1764,7246 1641,3453 1445,5829 1191,2039 895,5286 577,7479 257,1091 -48,8262 -325,6574 -563,2000 -756,0072 -903,3235 -1008,4913 -1077,9070 -1119,6698 -1142,1049 -1152,3531 -1155,2111 -1152,3690 -1142,1454 -1119,7513 -1078,0505 -1008,7192 -903,6558 -756,4573 -563,7717 -326,3428 -49,6043 256,2709 576,8929 894,7070 1190,4664 1444,9790 1640,9169 1764,5022 1806,8684

РАСЧЕТ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ И УДЕЛЬНЫХ СИЛ В ШАТУННО-КРИВОШИПНОМ МЕХАНИЗМЕ ДИЗЕЛЯ.

Шифр студента –

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

Частота вращения коленчатого вала [об/с] n = 16,67

Диаметр цилиндра [м] D = 0,250

Радиус кривошипа [м] R = 0,135

Тактность дизеля TAU = 4

Давление в цилиндре в начале сжатия [МПа] P_a = 0,198

Объём цилиндра в начале сжатия [куб. м] V_a = 0,01440

Объём камеры сжатия [куб. м] V_c = 0,00115

Давление в цилиндре в конце сгорания [МПа] P_z = 10,0

Объём цилиндра в конце сгорания [куб. м] V_z = 0,00154

Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна LAM = 0,2

Масса поршня [кг] М_п = 35,50

Масса шатуна [кг] М_ш = 58,40

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА:

fi – угол поворота коленчатого вала , [град]

v – текущий объём цилиндра, [куб. дм]

p – давление газов в цилиндре, [МПа]

pr – давление газов на поршень, [МПа]

pj – удельная сила инерции поступат.-движущих частей, [МПа]

ps – суммарная удельная сила, действующая на поршень [МПа]

pn – удельная сила, действующая на стенку цилиндра, [МПа]

pk – удельная сила, направленная вдоль шатуна, [МПа]

т – удельная тангенциальная сила, [МПа]

z – удельная радиальная сила, [МПа]

fi	v	p	pr	pj	ps	pn	pk	т	z
-360,0 -345,0 -330,0 -315,0 -300,0 -285,0 -270,0 -255,0 -240,0 -225,0 -210,0 -195,0 -180,0	1,150 1,426 2,222 3,458 5,013 6,744 8,508 10,174 11,639 12,828 13,699 14,227 14,404	0,198 0,198 0,198 0,198 0,198 0,198 0,198 0,198 0,198 0,198 0,198 0,198 0,198	0.098 0.098 0.098 0.098 0.098 0.098 0.098 0.098 0.098 0.098 0.098 0.098 0.098	-1.952 -1,850 -1,561 -1,130 -0,623 -0,109 0,352 0,719 0,976 1,131 1,209 1,240 1,248	-1,854 -1,752 -1,463 -1,032 -0,525 -0,011 0,450 0,817 1,074 1,229 1,307 1,338 1,346	-0,000 -0,100 -0,162 -0,163 -0,102 -0,002 0,102 0,178 0,208 0,194 0,145 0,076 -0,000	-1,854 -1,754 -1,472 -1,045 -0,535 -0,011 0,462 0,836 1,094 1,244 1,315 1,341 1,346	-0,001 -0,551 -0,872 -0,845 -0,506 -0,011 0,450 0,743 0,826 0,732 0,528 0,272 -0,000	-1,854 -1,666 -1,185 -0,615 -0,174 -0,001 -0,102 -0,383 -0,718 -1,006 -1,205 -1,313 -1,346
-180,0 -165,0 -150,0 -135,0 -120,0 -105,0 -90,0 -75,0 -60,0 -45,0 -30,0 -15,0 0,0   0,0 15,0 30,0 45,0 60,0 75,0 90,0 105,0 120,0 135,0 150,0 165,0 180,0   180,0 195,0 210,0 225,0 240,0 255,0 270,0 285,0 300,0 315,0 330,0 345,0 360,0	14,404 14,226 13,698 12,826 11,636 10,171 8,505 6,741 5,010 3,455 2.220 1,425 1,150   1,150 1,425 2,220 3,455 5,010 6,741 8.505 10,171 11,636 12,826 13,698 14,226 14,404   14,404 14,227 13,699 12,828 11,639 10,174 8,508 6,744 5,013 3,458 2,222 1,426 1,150	0,198 0,201 0,212 0,232 0,265 0,319 0,407 0,560 0,841 1,399 2,565 4,710 6,316   10,000 10,000 6,285 3,583 2,236 1,533 1,141 0,909 0,767 0,677 0,623 0,594 0,585   0,198 0,198 0,198 0,198 0,198 0,198 0,198 0,198 0,198 0,198 0,198 0,198 0,198	0,098 0,101 0,112 0,132 0,165 0,219 0,307 0,460 0,741 1,299 2,465 4,610 6,216   9,900 9,900 6,185 3,483 2,136 1,433 1,041 0,809 0,667 0,577 0,523 0,494 0,485   0,098 0,098 0,098 0,098 0,098 0,098 0,098 0,098 0,098 0,098 0,098 0,098 0,098	1,248 1,240 1,209 1,131 0,976 0,719 0,352 -0,109 -0,624 -1,131 -1,561 -1,850 -1,952   -1,952 -1,850 -1,561 -1,131 -0,624 -0,109 0,352 0,719 0,976 1,131 1,209 1,240 1,248   1,248 1,240 1,209 1,131 0,976 0,719 0,352 -0,109 -0,623 -1,130 -1,561 -1,850 -1,952	1,346 1,342 1,321 1,263 1,141 0,937 0,659 0,351 0,117 0,168 0,904 2,761 4,265   7,948 8,050 4,624 2,352 1,512 1,324 1,393 1,528 1,642 1,708 1,733 1,734 1,732   1,346 1,338 1,307 1,229 1,074 0,817 0,450 -0,011 -0,525 -1,032 -1,463 -1,752 -1,854	-0,000 -0,077 -0,146 -0,199 -0,221 -0,204 -0,149 -0,076 -0,023 -0,026 -0,100 -0,157 0,000   0,000 0,459 0,512 0,370 0,293 0,288 0,314 0,332 0,319 0,269 0,192 0,099 0,000   0.000 -0,076 -0,145 -0,194 -0,208 -0,178 -0,102 0,002 0.102 0,163 0,162 0,100 0,000	1,346 1,344 1,329 1,279 1,162 0,959 0,676 0,359 0,119 0,170 0,909 2,765 4,265   7,948 8,063 4,652 2,381 1,540 1,355 1,428 1,564 1,673 1,730 1,743 1,737 1,732   1,346 1,341 1,315 1,244 1,094 0,836 0,462 -0,011 -0,535 -1,045 -1,472 -1,754 -1,854	-0,000 -0,274 -0,534 -0,753 -0,877 -0,853 -0,659 -0,358 -0,113 -0,138 -0,539 -0,866 0,000   0,000 2,527 2,755 1,925 1,456 1,353 1,393 1,390 1,263 1,018 0,700 0,354 0,000   0,000 -0,272 -0,528 -0,732 -0,826 -0,743 -0,450 0,011 0,506 0,845 0,872 0,551 0,001	-1,346 -1,316 -1,217 -1,034 -0,762 -0,439 -0,149 0,017 0,039 0,100 0,733 2,626 4,265   7,948 7,657 3,748 1,401 0,502 0,065 -0,314 -0,716 -1,097 -1,398 -1,596 -1,701 -1,732   -1,346 -1,313 -1,205 -1,006 -0,718 -0,383 -0,102 -0,001 -0,174 -0,615 -1,185 -1,666 -1,854

По построенной кривой т(φ) определим среднюю тангенциальную силу Т_ср, приложенную к шатунной шейке коленчатого вала. Для этого просуммируем числовые значения тангенциальной силы, приведенные в столбце 9 таблицы (см. с. 54 и 55), и разделим полученную сумму на количество суммируемых чисел:

Т_ср = = 10,166/49 = 0,207469 МПа = 207469 Па (Н/м² ) .

Т_ср – это удельная сила, отнесенная к единице площади поршня F_п

F_п = πD²/4 = 3,14·0,25²/4 = 0,049 м².

Тогда крутящий момент на коленчатом валу дизеля

М = Т_ср·F_п·R· i = 207469·0,049·0,135·16 = 21962 Н·М,

где R = S/2 = 0,270/2 = 0,135 м – радиус кривошипа коленчатого вала;

i = 16 – число цилиндров дизеля.

Отсюда эффективная мощность проектного дизеля

N_e = η_м = = 2023,3 кВт,

что почти точно совпадает со значением эффективной мощности,

полученной в п. 2 (см. выше).