Двигатель - прототип - КамАЗ-740

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
КРЕМЕНЧУГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.
ОСТРОГРАДСКОГО
Факультет: Автомобильный
Кафедра: ’’Автомобили и тракторы ’’
РАСЧЁТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту
по дисциплине: «Основы теории и динамики энергетических установок
самоходных машин»
г. Кременчуг 2009 г.
1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
1. Двигатель - прототип - КамАЗ-740
2.
Номинальная эффективная мощность двигателя - прототипа
N eN  150  160 кВт
.
.
.
.
Номинальная частота вращения вала двигателя
Число цилиндров z  8
Диаметр цилиндра D  0,12 м
Ход поршня S  0,12 м
n N  2500 об
мин
.
.
.
.
11.
.
.
  0,275
Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна кр
Степень сжатия   17,0
Коэффициент избытка воздуха   1,76
Давление наддува Степень предварительного расширения 
Степень повышения давления   1,85
Коэффициент эффективного использования теплоты при сгорании
.
.
.
Масса поршня mП  3,35кг
Масса шатуна mШ  3,35кг
Отношение массы шатуна, приведенного к поршню, к массе шатуна
  0,84
m ШП
 0,320
mШ
.
Масса кривошипа mК  6,6кг
2. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ КамАЗ-740
На автомобилях КамАЗ установлен четырехтактный восьми цилиндровый
V-образный дизельный двигатель, отличающийся высокой надежностью и
повышенным ресурсом благодаря применению:

поршней, отлитых из высококремнистого алюминиевого сплава с
чугунной упрочняющей вставкой под верхнее компрессионное кольцо и
коллоидно-графитным приработочным покрытием юбки;

гильз
цилиндров,
объемно
закаленных
и
обработанных
плосковершинным хонингованием;

поршневых колец с хромовым и молибденовым покрытием боковых
поверхностей;

азотированного
или
упрочненного
индукционной
закалкой
коленчатого вала;

трехслойных тонкостенных сталебронзовых вкладышей коренных и
шатунных подшипников;

закрытой системы охлаждения, заполняемой низкозамерзающей
охлаждающей жидкостью, с автоматическим регулированием температурного
режима, гидромуфтой привода вентилятора и термостата;

высокоэффективной
фильтрации
масла,
топлива
и
воздуха
бумажными фильтрующими элементами;

электрофакельного устройства подогрева воздуха, обеспечивающего
надежный пуск двигателя при отрицательных температурах окружающего
воздуха до -25°С.
двигатель сгорание нагрузочный
3. РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Схема V - образного кривошипно-шатунного механизма
Расчет параметров рабочего процесса двигателя является определяющим
этапом работы над проектом, от качества, выполнения которого зависят
получаемые результаты на всех этапах проектирования. Расчет рабочего
процесса двигателя проводится при номинальном режиме работы двигателя.
На этом этапе проводятся следующие расчеты:
.1 Определение характерных объемов цилиндров.
.2 Определение характеристик горючей смеси и продуктов сгорания.
.3 Определение параметров состояния газа перед впускными и за
выпускными клапанами.
.4 Определение показателей процесса наполнения.
.5 Определение показателей процесса сжатия и сгорания.
.6 Определение показателей процесса расширения.
.7 Определение индикаторных и эффективных показателей двигателя.
.1 ХАРАКТЕРНЫЕ ОБЪЕМЫ ЦИЛИНДРОВ
Рабочий объем цилиндра
Vh 
Vh 
где
Vh, м3
  D2  S
4
, [1]
3,14  0,12 2  0,12
 1,357  10 3 м 3
4
D - диаметр цилиндра, м;
S - ход поршня, м.
Объем камеры сжатия Vc, м3
Vc 
Vh
  1 , [2]
Vc 
1,357 10 3
 8,48 10 5 м 3
17,0  1
где ε - степень сжатия.
Полный объем цилиндра Va, м3
Va  Vc  Vh
[3]
Va  8,48  10 5  1,357  10 3  1,44  10 3 м 3
Текущий объем Vφ, м3
кр

1
1  Cos2  Vh
V  Vc  1  Cos  
2
4

[4]
где φ - угол поворота кривошипа, град;
λкр - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.
Результаты расчета, произведенные от 0 до 720 град. с интервалом 10град.
сводим в таблицу 1 и строим график зависимостей изменения объема цилиндра
от угла поворота кривошипа.
Таблица 1. Зависимость объема цилиндра от угла поворота кривошипа
Параметры
Угол поворота кривошипа φ, град
0 360 10 370 20
30
40
380
390
400
0,085 0,0098 0,137 0,199 0,282
Объем цилиндра V, дм3
130
490
1,25
4
140
500
1,32
2
280 640
0,736
150
510
1,37
4
160
520
1,4
12
290 650
0,614
170
530
1,43
4
300 660
0,494
180
540
1,4
42
190
550
1,4
35
310 670
0,382
200
560
1,4 12
320 680
0,282
210
570
1,3
74
50
410
0,382
220
580
1,3 22
330 690
0,199
60
420
0,494
70
430
0,614
80
440
0,736
90
450
0,857
100
460
0,972
230
590
1,2 54
240
600
1,1 73
250
610
1,0 78
260
620
0,9 72
270
630
0,8 57
340 700
0,137
350 710
0,098
360 720
0,085
Литраж двигателя Vл, м3
Vл  Vh  z [5]
V л  1,357  10 3  8  1,085  10 2
где
z - число цилиндров.
.2 ХАРАКТЕРИСТИКА ГОРЮЧЕЙ СМЕСИ И ПРОДУКТОВ
СГОРАНИЯ
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива,
кмоль/кг
M0 
1 C H O
   
O2в  12 4 32  , [6]
M0 
1  0,870 0,126 0,004 



  0,495
0,21  12
4
32 
Данные по эмпирическому составу топлива выбирают из таблицы 2[2].
Таблица 2. Элементарный состав жидкого топлива в массовых долях
Химические элементы
С
Н
Дизельное топливо
0,870
0,126
110
470
1,078
О
0,004
где
С - массовая доля в топливе углерода (0,870);
Н - массовая доля в топливе водорода (0,126);
О - массовая доля в топливе кислорода (0,004);
О2в - объемная доля кислорода в воздухе, (0,21).
Количество горючей смеси на 1 кг топлива, кмоль/кг
M 1    M 0 [7]
M1  1,76  0,495  0,871
где
α - коэффициент избытка воздуха.
Количество продуктов сгорания на 1 кг топлива, кмоль/кг, при α > 1
M2 
C H
    0,21  M 0
12 2
[8]
M2 
0,870 0,126

 1,76  0,21  0,495  0,903
12
2
Химический коэффициент молекулярного изменения горючей смеси при
сгорании
0 
0 
M2
M 1 [9]
0,903
 1,036
0,871
.3 ПАРАМЕТРЫ СГОРАНИЯ ГАЗА ПЕРЕД ВПУСКНЫМИ И ЗА
ВЫПУСКНЫМИ КЛАПАНАМИ
Давление свежего заряда перед впускными клапанами для двигателей без
наддува МПа.
pS  p0  pS
, [10]
p S  0,101  0,005  0,096
где
р0 - давление окружающей среды, МПа (0,101 МПа) [2]
ΔрS - потеря давления во впускном трубопроводе, МПа (0,005) [2].
Температура свежего заряда перед впускными клапанами для двигателей
без наддува, К
TS  TO  TS , [11]
TS  293  10  303
где Т0 - температура окружающей среды, К (293 К).
ΔТS - температура подогрева свежего заряда, К (10 К) [1].
Давление газа за выпускными клапанами двигателя без наддува рТ, МПа
pT  p0  pT , [12]
pT  0,101  0,005  0,106
где
ΔрТ - перепад давления в выпускном трубопроводе, МПа (0,005) [1];
.4 ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА НАПОЛНЕНИЯ
Показатели процесса наполнения зависят не только от организации
данного процесса, но и от процесса выпуска отработавших газов предыдущего
цикла, поскольку в цилиндре остается некоторое их остаточное количество Мr и
они имеют относительно высокую температуру Тr и избыточное давление рr.
Количество остаточных газов Мr, кмоль
Mr 
pr Vc
106
R  Tr
, [13]
Mr 
0,1166  8,48  10 5
 1,4  10 6
8134  800
где Rμ - универсальная газовая постоянная (Rμ =8134 Дж/кмоль К) [1].
Температура остаточных газов в начале процесса впуска Тr = 800 К[2].
Давление остаточных газов рr, МПа
pr  1,11  0,106  0,118
где kr - коэффициент, учитывающий перепад давления остаточных
газов в цилиндре по отношению к давлению за выпускными клапанами в конце
процесса выпуска (1,11) [2].
pa  0,95  0,098  0,092 ,
где kа -коэффициент, учитывающий перепад давления рабочей смеси
перед впускными клапанами по отношению к давлению в цилиндре в конце
процесса наполнения (0,95) [2].
Давление в процессе наполнения для получения расчетной индикаторной
диаграммы принимают величиной постоянной, равной ра.
Важным показателем процесса наполнения является коэффициент
наполнения ηv, представляющий собой отношение действительного количества
свежей смеси Мсм, заполнившей цилиндр, к количеству смеси Мсм.0, которое
может заполнить рабочий объем цилиндра при давлении и температуре
окружающей среды.
V 
M см
М см.0 . [14]
Коэффициент наполнения можно определить по формуле
V 
T0
p    pr
1

 a
  1 TS  T
p0
[15]
V 
1
293
0,0912  17,0  0,1166


 0,818
17,0  1 303  15
0,101
где ΔТ - повышение температуры заряда от стенок цилиндра, К (15 К) [1].
Коэффициент остаточных газов γ

TS  T
pr

Tr
  pa  pr [16]

303  15
0,1166

 3,23  10 2
800 17,0  0,0912  0,1166
Температура в конце процесса наполнения Та, К
Ta  TS  T  Tr  / 1    [17]



Ta  303  15  3,23  10 2  800 / 1  3,23  10 2  333,1
Количество свежей смеси, заполнившей цилиндр, Мсм, Кмоль для
двигателя без наддува
M см  V 
p0  Vh
106
T0  R
M см  0,818 
, [18]
0,101  1,357  10 3
 10 6  4,6  10 5
293  8314
Количество рабочей смеси Ма, Кмоль
M a  M см  M r  1     M см
. [19]
M a  M см  M r  1  3,23  10 2   4,6  10 5  4,83  10 5
3.5 ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССОВ СЖАТИЯ И СГОРАНИЯ
Изменение давления в цилиндре в процессе сжатия р, МПа
nc
p  pa
 Va 
 
V 
, [20]
где nc - показатель политропы сжатия (1,40).
Давление в конце процесса сжатия рс, МПа
pc  pa   nc
[21]
pc  0,092  17,01.40  4.345 .
Температура в конце процесса сжатия Тс, К
Tc  Ta   nc 1
. [22]
Tc  333,1  17,01, 40 1  922
Коэффициент молекулярного изменения при рабочей смеси
c

0  
1   . [23]

0,966  2,713  10 2
 0,991
1  2,713 10 2
Температура в условном конце сгорания Тz, К, определяют, решая
уравнение
 A  A 2  2 Bz  C
Tz 
Bz
. [24]
Tz 
 29,03  29,032  2  0,0052  74513,43
 2152
0,0052
Для дизеля входящие в уравнение зависимости определяют по формулам
A  8,314  Az , [25]
A  8,314  20,716  29,03
где Az  19,8  1,63 /  . [26]
Az  19,8  1,63 / 1,78  20,716
Bz  0.0042  0.0018 /  ; [27]
Bz  0.0042  0.0018 / 1,78  0,0052
C

B 
1    QH

  Ac  c Tc   Tc  8,314    Tc 

  1    M 1 
2 
 , [28]
C

1 
0,75  42500
0,0042


 19,8 
1018  1018  8,314 1,78 1018  74513,43

2
0,991  1  2,713 10  0,881 
2




где Ас=19,8; Вс=0,0042.
Qн - низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг (42500) [1].
ζ - коэффициент эффективности использования теплоты при сгорании
(0,75).
Степень предварительного расширения

  Tz
  Tc [29]

0,991  2152
 1,16
1,78  1029
Давление в конце сгорания, МПа
p z    pc [30]
p z  1,78  4,346  8,08
Объем цилиндра в конце сгорания Vz , м3
Vz  Vc   [31]
Vz  0,086 10 3 1,16  0,1 10 3
.6 ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА РАСШИРЕНИЯ
Давление в цилиндре на участке предварительного расширения
принимают величиной постоянной, равной рz.
Степень последующего расширения


 . [32]
17,0
 14,4
1,16
При последующем расширении давление в цилиндре уменьшается в
результате увеличения объема и рассчитывается по формуле

np
V 
p  pz  z 
 V  , [30]
1, 22
 0,086 
p  9,002

 1,357 
 0,311
где np - показатель политропного расширения (1,22) [5].
Температура в конце процесса расширения Тв, К
Tв  Tz / 
n p 1
. [31]
Tв  1236
Таблица 3. Индикаторная диаграмма
Линия сжатия
Линия расширения
 , град
V ,дм 3
р, МПа
 , град
V ,дм 3
р, МПа
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
310
320
330
340
350
360
1,442
1,435
1,412
1,374
1,322
1,254
1,173
1,078
0,972
0,857
0,736
0,614
0,494
0,382
0,282
0,199
0,137
0,098
0,087
0,092
0,093
0,095
0,098
0,103
0,111
0,122
0,137
0,158
0,189
0,234
0,295
0,396
0,562
0,849
1,365
2,276
3,579
4,345
360
370
380
390
400
410
420
430
440
450
460
470
480
490
500
510
520
530
540
0,085
0,098
0,137
0,199
0,282
0,382
0,494
0,614
0,736
0,857
0,972
1,078
1,173
1,254
1,322
1,374
1,412
1,435
1,442
8,038
8,038
5,972
3,809
2,507
1,743
1,280
0,087
0,794
0,662
0,569
0,503
0,454
0,419
0,94
0,376
0,364
0,357
0,355
3.7 ИНДИКАТОРНЫЕ И ЭФФЕКТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДВИГАТЕЛЯ
Среднее индикаторное давление рi, МПа

 
1 
1 
1 
1  n p 1  
1  nc 1 
    1 
n p 1  

 nc  1  

[32]
pi 
  pc
 1
pi 
0,97  4,946 
1,78 1,306 
1

1 
1 
1 

1 
  1,006
1,78  1,16  1 
1, 221 
1, 41 
16,7  1 
1,22  1  14,4
 1,4  1  16,7

где μ - коэффициент полноты индикаторной диаграммы, учитывающий
отличие действительной диаграммы по сравнению с расчетной (0,97) [2].
Индикаторная мощность двигателя Ni,кВт
Ni 
pi  V л  n
103
30 
, [33]
1,006  10,859  2500
 10 3  203
30  4
где τ - тактность двигателя (2 или 4)
Средний индикаторный момент Мi, Нм
Ni 
Mi 
Ni
e
10 3
[34]
203
 10 3  775,1
261,8
Экономичность работы цикла двигателя внутреннего сгорания
характеризуется индикаторным к.п.д., который представляет собой отношение
тепла, преобразованного в индикаторную работу цикла Li к теплу, затраченного
за цикл топлива Qm
Mi 
i 
L
Qm [35]
Индикаторный к.п.д. двигателя можно определить по формуле,
полученной после преобразования
i 
8.314  pi  T0
M1
Qn V  p0
[36]
8,314  1,006  293
0,912  0,53
42500  0,878  0,101
Удельный индикаторный расход топлива, г/кВт.ч
i 
gi 
3600
 10 3
QH  i
[37]
3600
 10 3  159,9
42500  0,53
Среднее давление механических потерь, МПа
gi 
pM  aM  bM Vn , [38]
pM  0,103  0,012  10  0,223
где Vn - средняя скорость поршня м/с
Vn 
S n
30 [39]
0,12  2500
 10
30
aм и bм - эмпирические коэффициенты, зависящие от соотношения хода
поршня к диаметру цилиндра и типа двигателя[6].
n - частота вращения двигателя, об/мин
Механический к.п.д. двигателя
Vn 
M  1
PM
pi [40]
0,223
 0,75
1,006
Среднее эффективное давление, МПа
M  1 
pe  pi  pM
[41]
pe  1,006  0,223  1,229
Эффективный к.п.д. двигателя
 e   i  M [42]
e  0,53  0,75  0,40
Эффективная мощность двигателя Ne, кВт
N e  N i  M [43]
N e  203  0,75  152
Эффективный момент Ме, Нм
Me 
Ne
e
10 3
[44]
152
 10 3  582
261,4
Удельный эффективный расход топлива, г/кВт ч
Me 
g e  g i / M [45]
g e  159,9 / 0,75  212,8
Часовой расход топлива, кг/час
GT  g e  N e 10 3
[46]
GT  212,8  152  10 3  32
Таблица 3. Индикаторные и эффективные показатели двигателя
Параметр
Мощность, кВт
Частота вращения, об/мин
Момент, Нм
К.п.д.
Удельный расход топлива, г/кВт ч
Часовой расход топлива, кг/ч
Индикаторные параметры
203
2500
775,4
0,53
159,9
-
Эффективные показатели
152,6
2500
582
0,40
212,8
32,4
Силы, действующие в кривошипно - шатунном механизме
4. ДИНАМИКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
К
выполнению
показателей
данного
рабочего
проекта
процесса.
приступают
Расчеты
после
проводят
в
определения
следующей
последовательности:
1.
определение движущихся масс кривошипно-шатунного механизма.
2.
определение сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме
и крутящего момента.
Для проведения расчетов необходимо составить схему сил, действующих
в кривошипно-шатунном механизме.
.1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
МАСС
ДВИЖУЩИХСЯ
КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА
Масса возвратно-поступательно движущихся частей, кг
ma=mп+mшп; [47]
ma=3,4+0,320=3,72
где mп - масса поршня, кг;
mшп - масса шатуна, приведенная к поршню, кг.
Масса вращающихся частей mв, кг
mв=mк+mшк, [48]
mв=6,5+3,08·2=12,66
ЧАСТЕЙ
где mк - масса кривошипа;
mшк - масса шатуна, приведенная к кривошипу, кг.
Так как при V-образном расположении цилиндров обычно с кривошипом
шарнирно соединяется два шатуна разных цилиндров то в этом случае масса
шатуна, приведенная к кривошипу должна быть удвоена.
.2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
СИЛ,
ДЕЙСТВУЮЩИХ
КРИВОШИПНО-ШАТУННОМ МЕХАНИЗМЕ И КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА
Сила от давления газов на поршень Pг, Н
Рг   рг  ро  
  D2
4
10 6
[49]
Где рг - давление газов в цилиндре, МПа.
Сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс, Н
Pj  ma  r   2 Cos   кр Cos 2 
[50]
Суммарная сила, действующая на поршень, Н
а=Pг + Pj [51]
Нормальная сила, действующая перпендикулярно оси цилиндра, Н
N=Pа tgβ [52]
Где β - угол отклонения шатуна от оси цилиндра
Сила действующая вдоль шатуна, Н
В
Pш= Pа/Cosβ [53]
Радиальная сила, действующая на кривошип, Н
PR  Pa
Cos   
Cos
[54]
Центробежная сила действующая на кривошип, Pц, Н
ц= - mв·r·ω2 [55]
Полная радиальная сила на кривошипе, Н
RΣ = PR+ Pц [56]
Тангенциальная сила на одном кривошипе, Н
PT  Pa
Sin   
Cos
[57]
Крутящий момент на кривошипе от одного цилиндра, Нм
Μк=PТ·r [58]
Результаты расчета сил и момента на кривошипе сводят в таблицах
Таблица 5. Силы, действующие на поршень
φ,град
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
р, МПа
0,092
0,092
0,092
0,092
0,092
0,092
0,092
0,092
0092
0,092
0,092
0,092
0,092
0,092
0,092
0,092
0,092
Рг, кН
-0,10
-0,10
-0,10
-0,10
-0,10
-0,10
-0,10
-0,10
-0,10
-0,10
-0,10
-0,10
-0,10
-0,10
-0,10
-0,10
-0,10
Рj, кН
-23,29
-22,61
-20,92
-18,25
-14,84
-10,82
-6,59
-2,39
1,55
5,01
7,86
10,06
11,60
12,56
13,07
13,25
13,26
Ра, кН
-23,29
-22,71
-21,02
-18,35
-14,90
-10,92
-6,69
-2,49
1,45
4,91
7,76
9,96
11,50
12,46
12,97
13,15
13,16
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
310
320
330
340
350
360
360
370
380
390
400
410
420
430
440
450
460
470
480
490
500
510
520
530
540
550
560
570
580
590
600
610
620
630
640
650
660
670
680
690
700
0,092
0,092
0,093
0,095
0,098
0,104
0,111
0,122
0,137
0,158
0,187
0,230
0,295
0,396
0,562
0,849
1,365
2,278
3,579
4,345
8,038
8,038
5,972
3,809
2,507
1,743
1,280
0,087
0,794
0,662
0,569
0,503
0,454
0,419
0,94
0,376
0,364
0,357
0,355
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
-0,10
-0,10
-0,09
-0,07
-0,03
0,03
0,12
0,24
0,41
0,64
0,98
1,46
2,19
3,34
5,22
8,47
14,29
24,60
39,34
48
89,77
89,77
66,52
41,95
27,22
18,58
13,34
10,03
7,84
6,34
5,29
4,54
4,01
3,60
3,31
3,10
2,96
2,89
2,87
0,19
0,19
0,19
0,19
0,19
0,19
0,19
0,19
0,19
0,19
0,19
0,19
0,19
0,19
0,19
0,19
13,21
13,19
13,21
13,26
13,25
13,06
12,56
11,59
10,05
7,85
4,99
1,53
-2,40
-6,61
-10,84
-14,86
-18,27
-20,93
-22,62
-23,19
-23,19
-22,61
-20,91
-18,24
-14,78
-10,80
-6,57
-2,37
1,56
5,02
7,87
10,06
11,650
12,57
13,07
13,25
13,26
13,26
13,19
13,21
13,26
13,25
13,06
12,56
11,59
10,04
7,84
4,98
1,51
-2,42
-6,63
-10,86
-14,84
-18,28
-20,94
13,11
13,09
13,12
13,19
13,22
13,10
12,68
11,83
10,45
8,49
5,97
2,99
-0,21
-3,27
-5,62
-6,36
-3,97
3,67
16,72
24,81
66,58
67,16
45,61
23,71
12,43
7,78
6,77
7,66
9,40
11,36
13,17
14,61
15,60
16,16
16,38
16,36
16,23
16,11
16,06
13,40
13,45
13,44
13,25
12,74
11,77
10,23
8,03
5,16
1,70
-2,24
-6,44
-10,67
-14,65
-18,09
-20,76
710
720
0,118
0,118
0,19
0,19
-22,62
-23,19
-22,44
-23,0
Таблица 6. Силы, действующие на шатун и кривошип
φ,град
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
310
320
330
340
350
360
360
370
380
390
400
410
420
430
440
450
460
р, Мпа
0,092
0,092
0,092
0,092
0,092
0,092
0,092
0,092
0092
0,092
0,092
0,092
0,092
0,092
0,092
0,092
0,092
0,092
0,092
0,093
0,095
0,098
0,104
0,111
0,122
0,137
0,158
0,187
0,230
0,295
0,396
0,562
0,849
1,365
2,278
3,579
4,345
8,038
8,038
5,972
3,809
2,507
1,743
1,280
0,087
0,794
0,662
0,569
Рш, кН
-23,29
-22,74
-21,12
-18,53
-15,14
-11,17
-6,89
-2,57
1,50
5,10
8,06
10,31
11,84
12,75
13,17
13,28
13,22
13,13
13,09
13,14
13,25
13,35
13,31
12,97
12,18
10,82
8,82
6,21
3,11
-0,22
-3,37
-5,75
-6,46
-4,01
3,69
16,74
24,81
66,58
67,24
45,82
23,94
12,63
7,95
6,97
7,93
9,77
11,82
13,68
РR, кН
-23,29
-22,18
-19,08
-14,62
-9,69
-5,22
-1,92
-0,22
-0,15
-1,40
-3,50
-5,91
-8,19
-10,07
-11,43
-12,30
-12,79
-13,02
-13,09
-13,03
-12,82
-12,37
-11,54
-10,24
-8,42
-6,20
-3,82
-1,70
-0,31
-0,02
-0,94
-2,69
-4,14
-3,17
3,33
16,33
24,81
66,58
65,57
41,37
18,87
8,08
3,71
1,94
0,69
-0,98
-3,26
-5,95
РТ, кН
0
-5,01
-9,06
-11,38
-11,63
-9,88
-6,61
-2,56
1,49
4,91
7,26
8,44
8,55
7,82
6,55
4,99
3,33
1,66
0
-1,66
-3,34
-5,03
-6,62
-7,96
-8,80
-8,87
-7,95
-5,9*7
-3,09
0,22
3,24
5,09
4,96
2,46
-1,58
-3,67
0
0,07
14,90
19,69
14,72
9,71
7,04
6,7
7,9
9,72
11,36
12,32
Mk, Нм
0
-300,8
-543,5
-683
-697,7
-592,8
-396,9
-153,8
89,7
294,3
435,9
506,6
512,7
469,1
392,9
299,5
199,8
99,4
0
-99,9
-200,7
-301,6
-397,2
-477,6
-528
-532,2
-477
-358
-185,4
13,1
194,1
305,1
297,4
147,7
-94,7
-220,4
1,5
4,1
893,7
1181,7
883,5
582,7
422,3
401,8
473,9
583
681,7
739,2
470
480
490
500
510
520
530
540
550
560
570
580
590
600
610
620
630
640
650
660
670
680
690
700
710
720
0,503
0,454
0,419
0,94
0,376
0,364
0,357
0,355
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
0,118
15,12
16,06
16,53
16,64
16,51
16,30
16,12
16,06
13,42
13,51
13,57
13,46
13,04
12,12
10,59
8,34
5,37
1,77
-2,31
-6,63
-10,92
-14,88
-18,27
-20,85
-22,46
-23,0
-8,68
-11,12
-13,07
-14,44
-15,31
-15,78
-16
-16,06
-13,31
-13,07
-12,57
-11,67
-10,29
-8,38
-6,06
-3,61
-1,47
-0,17
-0,21
-1,86
-5,11
-9,55
-14,43
-18,85
-21,92
-23,0
12,38
11,59
10,13
8,26
6,2
4,1
2,02
0
-1,71
-3,42
-5,12
-6,71
-8,01
-8,76
-8,68
-7,52
-5,17
-1,76
2,30
6,36
9,64
11,41
11,19
8,90
4,91
0
742,9
695,2
607,8
495,6
371,9
245,8
121,5
-0,9
-102,5
-205,1
-307
-402,4
-480,5
-525,8
-520,9
-451,1
-310
-105,4
138,3
381,9
576,6
684,7
671,6
534,2
294,4
-2,9
По результатам динамического расчета строятся диаграммы сил по углу
поворота кривошипа φ в пределах от 0 до 720 град., действующих на поршень,
шатун и кривошип, а также момента кривошипа.
По данным изменения индикаторного момента одного цилиндра
определяют суммарный индикаторный момент многоцилиндрового двигателя.
Для двигателя с равномерным чередованием процессов период изменения
суммарного момента Ө, град

180  4
 90
8
[59]
Для двигателя с неравномерным чередованием процессов
 2
180  
z
[60]
Для определения суммарного индикаторного момента проводится
наложение индикаторных моментов одного цилиндра со смещением по углу
поворота коленчатого вала и с учетом порядка работы цилиндров.
Просуммировав индикаторные моменты от всех цилиндров, получают
суммарный индикаторный момент двигателя в зависимости от угла поворота φ
коленчатого вала в пределах одного периода Ө.
Порядок работы цилиндров: 1-5-4-2-6-3-7-8
Таблица 7. Индикаторные моменты многоцилиндрового двигателя
φ
М К1
М К2
М К3
М К4
М К5
М К6
М К7
М К8
М К
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0
-300,8
-543,5
-683
-697,7
-592,8
-396,9
-153,8
89,7
294,3
-358
-185,4
13,1
194,1
305,1
297,4
147,7
-94,7
-220,4
1,5
681,7
739,2
742,9
695,2
607,8
495,6
371,9
245,8
121,5
-0,9
0
-99,9
-200,7
-301,6
-397,2
-477,6
-528
-532,2
-477
-358
294,3
435,9
506,6
512,7
469,1
392,9
299,5
199,8
99,4
0
4,1
893,7
1181,7
883,5
582,7
422,3
401,8
473,9
583
681,7
-0,9
-102,5
-205,1
-307
-402,4
-480,5
-525,8
-520,9
-451,1
-310
-310
-105,4
138,3
381,9
576,6
684,7
671,6
534,2
294,4
-2,9
311,1
1276
1632
1375
1043
741
441
151
38
307
По данным таблицы строят зависимости моментов, формируемых на
каждом кривошипе и суммарного момента по углу поворота коленчатого вала в
пределах одного периода.
Средняя величина индикаторного момента многоцилиндрового двигателя
определяется индикаторной работой периода, отнесенной к углу поворота

M
Mi
0
K

d
[61]
Эффективный момент двигателя, Нм
Ме=Мi ήм [62]
М е  869,1 0,78  677,9
Эффективная мощность, кВт
Ne=Meω10-3 [63]
N e  677.9  170.3
Где ω - угловая скорость вала двигателя, рад/с (ω=πn/30)
Полученные результаты расчета индикаторного момента и индикаторной
мощности не должны значительно отличаться от соответствующих параметров,
полученных при расчете рабочего процесса двигателя.
5. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ
Автомобильные двигатели работают при различных скоростных и
нагрузочных режимах. Режимы работы двигателя определяются условиями
эксплуатации
и
сопротивлениями
движению,
которые
изменяются
в
значительных пределах.
Для оценки мощностных и экономических показателей двигателя, при
работе его на различных режимах пользуются характеристиками двигателя.
Характеристикой
называют
зависимость
основных
показателей
работы
двигателя (мощности, момента, расхода топлива и др.) от параметров режима
его работы (частоты вращения, нагрузки и др.).
Для автомобильного двигателя основными характеристиками являются
скоростные, нагрузочные и многопараметровые (комбинированные).
Скоростными
характеристиками
двигателя
называют
зависимости
основных параметров от частоты (скорости) вращения вала двигателя. Частным
случаем
скоростной
характеристики
является
внешняя
скоростная
характеристика, используемая при рассмотрении динамических свойств
автомобиля.
Нагрузочными характеристиками называют зависимости удельного и
часового расхода топлива от эффективного момента (среднего эффективного
давления), или эффективной мощности при постоянных значениях частоты
вращения (угловой скорости) вала двигателя.
Многопараметровой
(комбинированной)
характеристикой
называют
зависимости двух изменяемых параметров с нанесением других на эту же
характеристику.
.1 ВНЕШНЯЯ СКОРОСТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДВИГАТЕЛЯ
Внешняя скоростная характеристика представляет собой зависимость
эффективного крутящего момента Ме, эффективной мощности Ne, удельного
эффективного расхода топлива ge и часового расхода топлива GТ - при полном
открытии дроссельной заслонки в карбюраторном двигателе, или при
положении органа управления подачей топлива в дизеле, обеспечивающем
получение номинальной мощности, в зависимости от скорости вращения
коленчатого вала двигателя ω .
Для расчета зависимости эффективной мощности Ne от скорости
вращения вала двигателя ω используют эмпирическое уравнение
N e  N eN
  
 a  
   N
  
  b
  N
2

 
  c

 N



3



, [64]
где a=0,510; b=1,110; c=0,620 - эмпирические коэффициенты[12],
NeN - эффективная мощность двигателя на номинальном режиме,
полученная при выполнении расчета рабочего процесса двигателя.
ωN - угловая скорость вращения вала двигателя при номинальной
(максимальной) мощности.
Построение внешней скоростной характеристики необходимо
производить в диапазоне от ω = 60...80 рад/с до ω = ω макс
Если на автомобиле установлен карбюраторный двигатель без
ограничителя скорости вращения вала, то принять ω макс = 1.1* ωN.
Эффективный момент двигателя определяют по формуле
Me 
Ne

 10 3
[65]
Удельный эффективный расход топлива рассчитывают по формуле
ge = gN ·kω [66]
где ge - удельный эффективный расход топлива при максимальной
мощности, г/кВт.ч;
kω - коэффициент, учитывающий изменение удельного расхода топлива
при изменении угловой скорости вращения вала двигателя.
Удельный эффективный расход топлива при номинальном режиме
(максимальной мощности) принимают полученный по результатам расчета
рабочем» процесса двигателя.
Коэффициент kω приближенно можно определить по эмпирическому
выражению [11]

k  a  b 
 N


  c 

 N
2


 [67]
где аа,bа, са - коэффициенты, зависящие от типа и конструкции
двигателя.
При проведении расчетов можно принимать для карбюраторных
двигателей и дизелей аω=1,26; bω= 0,85; сω = 0,59[1].
Часовой расход топлива GT, кг/час
Степень использования мощности двигателя представляет собой
отношение используемой эффективной мощности двигателя Ne к эффективной
мощности двигателя Ne.вн по внешней скоростной характеристике при
соответствующей скорости вращения вала двигателя:
GT  g e  N e 10 3 [68]
Результаты расчетов внешней скоростной характеристики заносят в
таблицу.
Таблица 8. Внешняя скоростная характеристика двигателя
Скорость вращения
вала двигателя, рад/с
Эффективная мощность
Nе,кВт
Эффективный момент
М, Нм
Удельный
эффективный расход
топлива ge, г/кВт час
Часовой расход топлива
GT, кг/час
78,54
104,72
130,9
157,09
183,26
209,44
235,62 261,8
40,75
59,72
79,54
99,10
117,30
133,02
145,15 152,60 154,25
518,83
570,30
607,66 630,92
640,07
635,11
616,05 582,89 535,62
224,58
215,33
208,6
204,30
202,71
203,55
206,91 212,8
221,21
9,15
12,86
16,59
20,26
23,78
27,08
30,03
34,12
32,47
287,98
5.2 НАГРУЗОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Нагрузочную характеристику необходимо построить для 6...8 значений
скорости вращения вала двигателя, начиная от минимальной до максимальной,
включая номинальный режим.
При определении удельного расхода топлива пользуются зависимостью
g e  g N  k  ku [69]
где ки - коэффициент, учитывающий степень использования мощности
двигателя.
Коэффициент ки можно определить по формуле [11]:
ku  au  bu  И  cu  И 2 [70]
где И- степень использования мощности двигателя.
Ne
N e.вн [71]
где-au=1.65; bu=2.3; cu=1.65[1].
Для постоянной скорости вращения вала двигателя коэффициент кω
является величиной постоянной.
Результаты расчетов для каждой скорости вращения вала двигателя
И
сводят в табл. по данным которой строят нагрузочные характеристики.
Таблица 9. Нагрузочная характеристика двигателя
При е  78,54 рад / с
N , кВт 54,9
e
Эффективная мощность
Удельный эффективный расход
50,3
45,7
41,1
36,6
32,1
27,4
22,8
18,3
14,9
11,8
9,3
7,5
6,2
5,1
4,5
3,8
g e , г / кВт  час 347,69298,15257,9622
7,13205,65193,52190,75197,33213,27238
,56273,21
Часовой расход топлива
GT , кг / час 19,1
При е  104,72 рад / с
N , кВт 73,2
e
Эффективная мощность
Удельный эффективный расход
67,1
60,9
54,8
48,8
42,7
36,5
30,5
24,4
18,2
16,5
13,4
11
9,1
7,8
6,6
5,8
5,2
4,2
18,5
15,2
12,7
10,8
9,5
8,3
7,3
6,3
5,4
g e , г / кВт  час 282,32247,58220,25200,
35187,88182,82185,19194,99212,2236,842
68,9
Часовой расход топлива
GT , кг / час 20,6
При е  130,9 рад / с
Эффективная мощность
N e , кВт 91,583,976,168,66153,445,738,1
30,522,715,2
Удельный эффективный расход
g e , г / кВт  час
247,97221,1200,67186,5
1178,7177,22182,07193,25210,77234,6226
4,81
Часовой расход топлива
GT , кг / час 22,5
При е  183,26 рад / с
Эффективная мощность
N e , кВт
128,1117,4106,696,185,474,763,
953,342,731,921,2
Удельный эффективный расход
g e , г / кВт  час
224,4203,06187,27177,0
2172,33173,18179,58191,52209,02232,062
60,65
Часовой расход топлива
23,7
19,8
16,9
14,6
12,8
11,5
10,1
8,9
7,4
32,6
26,8
22,5
19,2
16,9
14,8
13,1
11,5
9,5
39,9
32,2
26,7
22,4
19,2
16,6
14,7
12,8
10,7
GT , кг / час 28,6
При е  235,62 рад / с
Эффективная мощность
N e , кВт 164,7151137,1123,5109,896,182
,268,554,94127,3
Удельный эффективный расход
g e , г / кВт  час 241,19215,92196,76183,
72176,79175,97181,27192,67210,2233,832
63,57
Часовой расход топлива
GT , кг / час 39,5
При е  261,8 рад / с
Эффективная мощность
N e , кВт
183167,8152,3137,2122106,891,
376,26145,530,3
Удельный эффективный расход
g e , г / кВт  час 269,4237,59212,8195,03
184,28180,56183,86194,18211,52235,8926
7,28
Часовой расход топлива
GT , кг / час 49,4
При е  287,98 рад / с
Эффективная мощность
N e , кВт 201,3184,6167,6150,9134,2117,5100,583,
867,150,133,4
Удельный эффективный расход
g e , г / кВт  час 323,04278,99243,58216,82198,7
189,23188,4196,22212,69237,8271,55
Часовой расход топлива
GT , кг / час 64,9
51,3
40,5
32,6
26,5
22,1
18,9
16,4
.3 МНОГОПАРАМЕТРОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Многопараметровую характеристику строят в координатах: эффективный
момент - угловая скорость вращения вала двигателя, на которую наносят
кривые равных удельных расходов топлива и кривые равных эффективных
мощностей.
Для
построения
многопараметровой
характеристики
используются
результаты расчета внешней скоростной характеристики и нагрузочных
характеристик, которые сведены в таблицах.
Для построения многопараметровой характеристики результаты расчетов
для различных постоянных угловых скоростей вращения вала двигателя в
пределах от ) - 60...80 рад/с до ωмах сводят в табл0. Минимальные значения
эффективного момента принимают равными 0,2...03 от максимального момента
по внешней скоростной характеристике, так как при Ме =0 ge= ∞.
Внешняя
скоростная
характеристика
ограничивает
поле
многопараметровой характеристики сверху.
По полученным данным наносят кривые равных удельных эффективных
расходов топлива и кривые постоянных мощностей (рис. 10).
14,3
При е  78,54 рад / с
Эффективная мощность
50,3
45,7
41,1
36,6
32,1
27,4
22,8
18,3
699,4
641,1
582,9
524,6
466,3
408
349,7
291,4
N e , кВт 54,9
Удельный эффективный расход
g e , г / кВт  час 347,69298,1525
7,96227,13205,65193,52190,75197
,33213,27238,56273,21
Эффективный момент Ме, Нм
При е  104,72 рад / с
N , кВт 73,2
e
Эффективная мощность
Удельный эффективный расход
67,1
60,9
54,8
48,8
42,7
36,5
30,5
24,4
18,2
699,4
641,1
582,9
524,6
466,3
408
349,7
291,4
233,1
699,4
641,1
g e , г / кВт  час 282,32247,58220,25200,
35187,88182,82185,19194,99212,2236,8426
8,9
Эффективный момент Ме, Нм
При е  130,9 рад / с
Эффективная мощность
N e , кВт 91,583,976,168,66153,445,738,1
30,522,715,2
Удельный эффективный расход
g e , г / кВт  час
247,97221,1200,67186,5
1178,7177,22182,07193,25210,77234,6226
4,81
Эффективный момент Ме, Нм
582,9
524,6
466,3
408
349,7
291,4
233,1
При е  183,26 рад / с
Эффективная мощность
N e , кВт 128,1117,4106,696,185,474,76
3,953,342,731,921,2
Удельный эффективный расход
g e , г / кВт  час 224,4203,06187,27177
,02172,33173,18179,58191,52209,02232,
06260,65
Эффективный момент Ме, Нм
699,4
641,1
582,9
524,6
466,3
408
349,7
291,4
582,9
524,6
466,3
408
349,7
291,4
233,1
233,1
1
При е  235,62 рад / с
Эффективная мощность
N e , кВт 164,7151137,1123,5
109,896,182,268,554,94127,3
Удельный эффективный
расход
g e , г / кВт  час 241,19215,9
2196,76183,72176,79175,9718
1,27192,67210,2233,83263,57
Эффективный момент Ме, Нм
699,4
641,1
174,8
11
При е  261,8 рад / с
Эффективная мощность
N e , кВт 183167,8152,3137,21
22106,891,376,26145,530,3
Удельный эффективный расход
g e , г / кВт  час
269,4237,592
12,8195,03184,28180,56183,861
94,18211,52235,89267,28
Эффективный момент Ме, Нм
699,4
641,1
582,9
524,6
466,3
408
349,7
291,4
233,1
174,8
1
При е  287,98 рад / с
Эффективная мощность
N e , кВт 201,3184,6167,6150,9134,2117,51
00,583,867,150,133,4
Удельный эффективный расход
g e , г / кВт  час 323,04278,99243,58216,8
2198,7189,23188,4196,22212,69237,8271,55
Эффективный момент Ме, Нм
699,4
641,1
582,9
524,6
466,3
408
349,7
291,4
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Шапко В.Ф. методические указания к практическим занятиям и курсовому
проектированию по дисциплине «Основы теории и динамики энергетических
установок самоходных машин». - Кременчуг: КДПУ,1998.
2.
Разлейцев Н.Ф. и др. Типовая программа, методические указания и
контрольные задания по курсу «Основы теории и расчета автомобильных и
тракторных двигателей». - Харьков: ХПИ,1988-60с.
.
Богданов С.Н., Берунков М.М., Иванов И.Е. Автомобильные двигатели.
М.: Машиностроение, 1987.-372с.
.
Артамонов М.Д., Морин М.М. Основы теории и конструирования
автотракторных двигателей. - М.: Высшая школа, 1973.-205с.
.
Двигатель внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных
двигателей. (Под ред. А.С. Орлина и И.М. Ленина). - М.:
Машиностроение,1983.-372с.
.
Железко Б.Е. и др. Расчет и конструирование автомобильных и
тракторных двигателей. - Минск. Вышэйшая школа, 1987.-247с.
.
Автомобильные и тракторные двигатели. Часть 1. Теория двигателей и
системы их топливоподачи. (Под ред. И.М. Ленина). - М.: Высшая школа, 1985.
.
Автомобильные и тракторные двигатели. Часть 2. Конструкция и расчет
двигателей. (Под ред. И.М. Ленина). - М.: Высшая Школа, 1976.-280.
233,1
.
Двигатель внутреннего сгорания. (Под ред. В.Н.Луканина). - М.: Высшая
школа, 1985.
.
Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных
двигателей. - М.: Высшая школа, 1980.
.
Шапко В.Ф., Нарбут Т.А. К вопросу о расчете топливной экономичности
автомобиля. - М.: Известия высших учебных заведений, № 5, 1977.
.
Солтус А.П., Шапко В.Ф. Методичні розробки до курсової роботи по
„Теорії автомобіля і самохідних машин” і розділу дипломного проекту „Тяговий
рохрахунок автомобіля”. - Кременчук: КДПІ, 1998.
.
Гришкевич А.И. Автомобили. Теория. - Минск: Вышэйшая школа, 1986.