1.1.8 Расчет основных параметров цилиндра и двигателя

Если известны эффективная мощность двигателя и величина S/D, то основные конструктивные параметры двигателя (диаметр цилиндра и ход поршня) определяются следующим образом.

По эффективной мощности, частоте вращения коленчатого вала и эффективному давлению определяется литраж (V_л, л) двигателя

V_л = 30·τ ·N_e/( р_е·n), (47)

для карбюраторного двигателя V_л = 30·4·56,4075/(0,8058·5600) = 1,5 л;

для двигателя с впрыском топлива V_л = 30·4·61,4236/(1,0237·4800) = 1,5 л.

Рабочий объем одного цилиндра (л):

V_h= V_л /i, (48)

для карбюраторного двигателя V_h=1,5/4 = 0,375 л;

для двигателя с впрыском топлива V_h=1,5/4 = 0,375 л.

По предварительно принятому ходу поршня (S = 71 мм) определяется диаметр цилиндра (D):

D = 2·1000 V_h /π·S), (49)

карбюраторного двигателя D = 2·1000 0,375/3,14·71) = 82,026 мм;

для двигателя с впрыском топлива D = 2·1000 0,375/3,14·71) = 82,026 мм.

Окончательно принимается для карбюраторного и для двигателя с впрыском топлива D = 82мм.

По окончательно принятым значениям S и D определяются основные параметры и показатели двигателей:

площадь поршня F_п = см²;

литраж двигателя V_л = л;

мощность двигателя N_e = р_е·V_л·n / (30τ) кВт;

литровая мощность двигателя N_л = N_e/ V_л кВт/ л;

крутящий момент M_e = Н·м;

часовой расход топлива G_т = N_e·g_e/1000 кг/ч.

Основные параметры и показатели двигателей. Таблица 8.

Параметры	Единицы измерения	Карбюраторный двигатель
n	об/мин	950	3400	5600	6000
Fп	см2	52,7834
Vл	л	1,499
Nл	кВт/л	7,1294	28,1428	37,604	37,575
Ne	кВт	10,6873	42,1874	56,3717	56,3268
Me	Н·м	107,4825	118,5482	96,1756	89,6923
Gт	кг/ч	3,6647	11,6047	18,4024	19,3346
Параметры	Единицы измерения	Двигатель с впрыском топлива
n	об/мин	850	3000	4800	5800
Fп	см2	52,7834
Vл	л	1,499
Nл	кВт/л	7,7393	28,4099	40,95	44,8
Ne	кВт	11,6016	42,5879	61,3847	67,1579
Me	Н·м	130,4035	135,6301	115,7	110,6269
Gт	кг/ч	2,8269	9,8877	15,1155	17,4172

1.1.9 Построение индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма строится для номинального режима работы двигателей с использованием данных теплового расчета.

Вначале построения индикаторной диаграммы на оси абсцисс откладывается отрезок AB, соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня в масштабе М_S.

Отрезок ОА (мм), соответствующий объему камеры сгорания:

ОА = АВ/(ε-1). (50)

При построении индикаторной диаграммы рекомендуется выбирать масштаб давления M_p = 0,02; 0,025; 0,04; 0,05; 0,07÷0,10 МПа в мм.

Затем по данным теплового расчета на индикаторной диаграмме откладывают в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках: а, с, z, в, r.

Построение политроп сжатия и расширения можно производить аналитическим и графическим методом. При аналитическом методе построения политроп сжатия и расширения вычисляется ряд точек для промежуточных объемов, расположенных между V_c и V_a по уравнения политроп pV = const.

Так точки политропы сжатия определяются по следующему выражению:

p_x = p_a · (V_a/V_x) , (51)

p_x = p_a · (OB/OX) ,

а для политропы расширения

p_x = p_b · (V_a/V_x) , (52)

p_x = p_b · (OB/OX) ,

где OB = OA +AB;

ОХ = ОА + АХ;

AX – перемещение поршня в зависимости от угла поворота кривошипа.

АХ = , (53)

где λ = R/ L_ш – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

φ – угол поворота кривошипа.

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения зажигания по формуле (53) для перемещения поршня определяются положения следующих точек, также наносимых на поле диаграммы:

r´ - начало открытия впускного клапана;

a˝ – закрытия впускного клапана;

b΄ – начало открытия выпускного клапана;

a´ – закрытия выпускного клапана;

c΄– момент подачи электрической искры;

f – воспламенение рабочей смеси.

Соединяя все вычисленные точки политроп сжатия (от а до с) и расширения (от z до b) плавной кривой, а затем точку c с z прямой линией, а также точки r´, a˝, a´, c´, f и b´ получаем индикаторную диаграмму.

Индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя построена для номинального режима работы двигателей, то есть при N_e= 56,3717кВт и n =

= 5600мин^-1.

Масштабы диаграммы: масштаб хода поршня М_S = 0,5 мм в мм; масштаб давлений M_p = 0,04 МПа в мм.

Величины в приведенном масштабе, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:

AB = S/М_S = 71/ 0,5 = 142 мм; ОА = АВ/(ε - 1) = 142/(9,8- 1) = 16 мм; ОВ =ОА + + АВ =16 + 142 = 158 мм.

Максимальная высота диаграммы (точка z):

p_z/ M_p =7,6295/0,04 =190,7378 мм.

Ординаты характерных точек:

р_а/ M_p =0,0850 /0,04 = 2,1257 мм; p_с/ M_p =1,9649/0,04 = 49,1225 мм;

p_b/ M_p = 0,4390/0,04 =10,975 мм; p_r/M_p = 0,119/0,04 = 2,975 мм; p_о/ M_p = 0,1/0,04 =

= 2,5 мм.

Построение политроп сжатия и расширения:

а) политропа сжатия p_x = p_a·(V_a/V_x) , отсюда

p_x /M_p = (р_а/ M_p)·(OB/OX) = 2,1257·(158/ OX) мм,

б) политропа расширения p_x = p_b·(V_b/V_x) , отсюда

p_x /M_p = (p_b/ M_p)·(OB/OX) = 10,975·(158/ OX) мм.

Результаты расчета точек политроп приведены в табдице 9.

Скругление индикаторной диаграммы осуществляется на основании следующих данных:

начало открытия впускного клапана (точка r´) - за 33˚ до прихода поршня в в.м.т.;

закрытия впускного клапана (точка a˝) - через 68˚ после прохода поршнем н.м.т.;

начала открытия выпускного клапана (точка b´) - за 43˚ до прихода поршня в н.м.т.;

закрытия выпускного клапана (точка a´) - через 17˚ после прохода поршнем в.м.т.;

момент подачи электрической искры (точка c´) - 11˚;

воспламенение рабочей смеси (точка f) - 6˚.

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения зажигания определяются положения точек r´, a˝, a´, c´, f и b´ по формуле (53) для перемещения поршня:

АХ = .

Результаты расчетов ординат точек r´, a˝, a´, c´, f и b´приводятся в таблице 9.

Положение точки c˝ определяется из выражения:

р_с˝ = (1,15 ÷ 1,25)·p_с = 1,25 · 1,9649 = 2,4561 МПа;

p_с˝ / M_p= 2,4561 / 0,04 = 61,4025 мм.

Действительное давление сгорания:

p_zд = 0,85 · p_z = 0,85 · 7,6295 = 6,4851МПа; p_zд / M_p= 6,4851/ 0,04 = 162,1275мм.

Таблица 9.

φ	ОХ	ОВ/ОХ=ε	Политропа сжатия				Политропа расширения
			ε	px / Мр, мм		px , МПа	ε	px / Мр, мм		px , МПа
0	16,14	9,80	23,12	49,14	с	1,97	17,38	190,74	z	7,63
6	16,64	9,50	22,16	47,11	f	1,88	16,73	183,57		7,34
10	17,53	9,02	20,63	43,86		1,75	15,67	172,02		6,88
11	17,82	8,88	20,17	42,88	c'	1,72	15,35	168,52		6,74
17	20,12	7,86	17,07	36,27	a'	1,45	13,19	144,74		5,79
20	21,62	7,31	15,45	32,85		1,31	12,05	132,26		5,29
30	28,22	5,60	10,71	22,77		0,91	8,64	94,78		3,79
33	30,64	5,16	9,56	20,33	r'	0,81	7,79	85,50		3,42
40	37,00	4,27	7,38	15,69		0,63	6,15	67,54		2,70
50	47,54	3,33	5,23	11,11		0,44	4,50	49,36		1,97
60	59,36	2,66	3,85	8,19		0,33	3,41	37,39		1,50
70	71,94	2,20	2,96	6,28		0,25	2,68	29,40		1,18
80	84,79	1,86	2,36	5,01		0,20	2,18	23,93		0,96
90	97,43	1,62	1,95	4,14		0,17	1,83	20,12		0,80
100	109,45	1,44	1,66	3,53		0,14	1,58	17,39		0,70
110	120,51	1,31	1,45	3,09		0,12	1,40	15,42		0,62
120	130,36	1,21	1,30	2,77		0,11	1,27	13,98		0,56
130	138,82	1,14	1,20	2,54		0,10	1,18	12,92		0,52
133	141,06	1,12	1,17	2,49	b'	0,10	1,15	12,66		0,51
140	145,78	1,08	1,12	2,38		0,10	1,11	12,15		0,49
150	151,20	1,05	1,06	2,26		0,09	1,06	11,61		0,46
158	154,41	1,02	1,03	2,20	a''	0,09	1,03	11,31		0,45
160	155,06	1,02	1,03	2,18		0,09	1,02	11,25		0,45
170	157,37	1,00	1,01	2,14		0,09	1,01	11,04		0,44
180	158,14	1,00	1,00	2,13	a	0,09	1,00	10,98	b	0,44

Соединяя плавными кривыми точки r c a´, c´с c˝ и далее с z_д и кривой расширения, b´ с b˝(точка b˝ располагается между точками b и a) и линией выпуска b˝r´r, получим скругленную действительную индикаторную диаграмму.

Построение индикаторной диаграммы двигателя с впрыском топлива осуществляется также для номинального режима работы двигателя, то есть при N_e= 61,3847кВт и n = 4800мин^-1и в тех же масштабах. При этом: AB = S / М_S =

= 71/0,5 = 142 мм; ОА = АВ/(ε - 1) = 142 /(9,8 – 1) = 16 мм; максимальная высота диаграммы (точка z) p_z/M_p =8,3613/0,04 = 209,0316 мм; ординаты характерных точек: р_а/ M_p = 0,0866/0,04 = 2,165 мм; p_с/M_p = 2,0065 : 0,04 = 50,1625мм; p_b/M_p = = 0,4822/0,04 =12,055мм; p_r/M_p=0,1080/0,04=2,7 мм; p_о/M_p = 0,1/0,04 = 2,5 мм.

Результаты расчета точек политроп сжатия и расширения приведены в таблице 10.

Скругление индикаторной диаграммы осуществляется на основании следующих данных:

начало открытия впускного клапана (точка r´) - за 33˚ до прихода поршня в в.м.т.;

закрытия впускного клапана (точка a˝) - через 68˚после прохода поршнем н.м.т.;

начала открытия выпускного клапана (точка b´) - за 43˚ до прихода поршня в н.м.т.;

закрытия выпускного клапана (точка a´) - через 17˚после прохода поршнем в.м.т.;

момент подачи электрической искры (точка c´) - 11˚;

воспламенение рабочей смеси (точка f) - 6˚.

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения зажигания определяются положения точек r´, a˝, a´, c´, f и b´ по формуле (53) для перемещения поршня, результаты сводятся в таблицу 10.

Положение точки c˝:

р_с˝ = 1,25 · p_с = 1,25 · 2,0065 = 2,5081МПа; p_с˝/M_p=2,5081/0,04 = 62,7031мм.

Положение точки z_д: p_zд = 7,1071МПа; p_zд/M_p= 7,1071/0,04 = 177,68мм.

Соединяя плавными кривыми точки r c a´, c´с c˝ и далее с z_д и кривой расширения, b´ с b˝(точка b˝ располагается между точками b и a) и линией выпуска b˝r´r, получим скругленную действительную индикаторную диаграмму двигателя с впрыском топлива.

Таблица 10.

φ	ОХ	ОВ/ОХ=ε	Политропа сжатия				Политропа расширения
			ε	px / Мр, мм		px , МПа	ε	px / Мр, мм		px , МПа
0	16,14	9,80	23,17	50,15	с	2,01	17,33	208,88	z	8,36
6	16,64	9,50	22,21	48,08	f	1,92	16,68	201,04		8,04
10	17,53	9,02	20,68	44,76		1,79	15,63	188,40		7,54
11	17,82	8,88	20,22	43,76	c'	1,75	15,31	184,57		7,38
17	20,12	7,86	17,10	37,01	a'	1,48	13,15	158,55		6,34
20	21,62	7,31	15,48	33,51		1,34	12,02	144,90		5,80
30	28,22	5,60	10,73	23,22		0,93	8,62	103,87		4,15
33	30,64	5,16	9,58	20,73	r'	0,83	7,77	93,71		3,75
40	37,00	4,27	7,39	15,99		0,64	6,14	74,05		2,96
50	47,54	3,33	5,23	11,33		0,45	4,49	54,13		2,17
60	59,36	2,66	3,85	8,34		0,33	3,40	41,02		1,64
70	71,94	2,20	2,96	6,40		0,26	2,68	32,26		1,29
80	84,79	1,86	2,36	5,11		0,20	2,18	26,27		1,05
90	97,43	1,62	1,95	4,22		0,17	1,83	22,08		0,88
100	109,45	1,44	1,66	3,59		0,14	1,58	19,09		0,76
110	120,51	1,31	1,45	3,15		0,13	1,40	16,93		0,68
120	130,36	1,21	1,30	2,82		0,11	1,27	15,35		0,61
130	138,82	1,14	1,20	2,59		0,10	1,18	14,19		0,57
133	141,06	1,12	1,17	2,53	b'	0,10	1,15	13,90		0,56
140	145,78	1,08	1,12	2,42		0,10	1,11	13,35		0,53
150	151,20	1,05	1,06	2,30		0,09	1,06	12,75		0,51
158	154,41	1,02	1,03	2,24	a''	0,09	1,03	12,42		0,50
160	155,06	1,02	1,03	2,22		0,09	1,02	12,35		0,49
170	157,37	1,00	1,01	2,18		0,09	1,01	12,13		0,49
180	158,14	1,00	1,00	2,16	a	0,09	1,00	12,06	b	0,48