Автомобильные двигатели

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ

РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

КУРГАНСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 

Кафедра “Автомобильный транспорт  и автосервис” 
 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА 
 

по дисциплине

  «Автомобильные двигатели» 
 
 

Разработал студент гр. ТС-3617   /     Фролов А.В.                              /                                                                (подпись) 

Руководитель: канд.техн.наук ., профессор   __________/ Глазырин А.В.  /                                                                                                                                                                                                                                                                                        

                                                                             (подпись)                   

                      

Работа защищена с оценкой     «                           » «        »   __________2010 г.                                        
 

Члены комиссии        _____________/                           /

                                                     (подпись)

                                        ____________/                           /

                                                     (подпись) 
 

Вариант  
 
 

г. Курган 2010

Содержание. 
 

Введение_____________________________________________________  3

1 Определение основных показателей двигателя____________________  5

2 Построение индикаторной диаграммы _________________________     9                                          3Динамический расчет________________________________________     12                                                                         

4 Определение  момента инерции маховика _______________________   20

5 Анализ уравновешенности  двигателя___________________________   21

Список литературы.___________________________________________   23 
 
 
 
 
 

 

Введение 

        Двигатели внутреннего сгорания – тепловой поршневой двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно внутри рабочего цилиндра. При этом за счет химической энергии топлива получается механическая работа.

     Двигатели внутреннего сгорания относятся  к наиболее распространенным тепловым машинам.

     Современная тенденция развития автомобильных  и тракторных двигателей характеризуется  увеличением их литровой и поршневой мощности, снижением расхода топлива и масла, уменьшением металлоемкости и токсичности выбросов отработавших газов, повышением их надежности и улучшением их эксплуатационных качеств.

       Курсовая работа выполняется с целью закрепления знаний, полученных при теоретическом изучении курса. Студентом определяются основные показатели двигателя. Производится динамический расчет и анализ уравновешенности двигателя.

Курсовая  работа выполняется в следующем  объеме:

1. Определение основных показателей двигателя.
2. Построение индикаторной диаграммы.

3.  Динамический расчет двигателя и построение диаграмм сил и моментов.

4.  Определение  момента инерции маховика

5.  Анализ уравновешенности двигателя. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Таблица 1 – Исходные данные

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Определение основных показателей двигателя 

1. Индикаторные  показатели

    Расчетное среднее индикаторное давление Р^’_i,МПа

  ,                                                         (1.1)

где l₁ – степень повышения давления l₁ = Р_Z/Р_C;

l₁ =7,04/1,7=4,141;

n₁, n₂ - показатели политроп сжатия и расширения:

n₁ = (lgP_c – lgP_a)/lge;  n₂ = (lgP_z – lgP_b)/ lge;

n₁ = (lg1,7– lg0,086)/lg8,8=1,372;

n₂ = (lg7,04 – lg0,46)/ lg8,8=1,238.

 

    Среднее индикаторное давление Р_i,МПа:

   Р_i =Р^’_iφ_п ,                                                                                                        (1.2)

где φ_п – коэффициент полноты индикаторной диаграммы.

(j_п = 0,92-0,97; при этом большее значение для бензиновых двигателей). Принимаем j_п=0,97;

Р_i =1,183∙0,97=1,147  МПа.                                     

    Индикаторная  мощность N_i, кВт,

                                                                      (1.3) где V_h - рабочий объем цилиндра, л;    

   ,                                                                                                          (1.4)

где D и S – диаметр цилиндра и ход поршня в дм.;

,л;

 кВт. 

    Индикаторный  КПД цикла η_i:

      h_i =                                                                                                  (1.5)

  где l_o - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания I кг топлива, кг/кг.(l_o = 14,95 для бензинового двигателя);

  H_u - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.(H_u = 44 для бензинового двигателя);

a - коэффициент избытка воздуха (a = 0,85-0,96 для бензиновых карбюраторных   двигателей),принимаем a =0,95;

h_v - коэффициент наполнения;

r_к - плотность заряда на впуске, кг/м³.

r_к = Р₀∙ 10⁶/(R_B∙T₀), кг/м³,

где  Р_о=0,1 МПа;

 Т_о – температура воздуха на входе в двигатель, К

Т₀=273+(10...20),К), принимаем Т₀=293К;

R_B = 287 Дж/(кг×град.) – удельная газовая постоянная воздуха.

r_к = 0,1∙10⁶/(287∙293)=1,189, кг/м³.

Коэффициент наполнения h_v определяется по выражению:

                                         (1.6)

         где j_доз - коэффициент дозарядки (j_доз = 1,02-1,15, при этом большее        значение для высокооборотных двигателей), принимаем j_доз=1,1;

DТ - подогрев свежего заряда, К (DТ=0-25 для бензиновых карбюраторных двигателей), принимаем DТ =20К;

g_r - коэффициент остаточных газов;

Т_r - температура остаточных газов, К (Т_r = 900-1100 для бензиновых двигателей ), принимаем Т_r=1000 К.

      Коэффициент остаточных газов g_r

     g_r =                                                   (1.7)

     g_r = ;

    ;

     h_i =                                            

      Удельный  индикаторный расход топлива g_i, г/кВтч,

     g_i =                                                        (1.8)

    g_i = г/кВтч. 
 
 
 
 
 

2. Эффективные показатели

      Среднее эффективное давление Р_е, МПа,

                 Р_е = Р_i - Р_м,                           (1.9)

где Р_м - среднее давление механических потерь, МПа, определяемое в зависимости от средней скорости поршня по выражению,

                        Р_м = а + b V_п.ср ,                                          (1.10)

где а, b - постоянные для данного типа двигателя коэффициенты.

Выражение 1.10 имеет вид:

для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением S/D£1     Р_м = 0,034 + 0,0113 V_п.ср;    (S/D=0,084/0,084=1)

Средняя скорость поршня V_п.ср, м/с,

V_п.ср= Sn_N/30,

где S - ход поршня, м.

V_п.ср= 0,084∙5600/30=15,68 м/с;

Р_м = 0,034 + 0,0113∙15,68=0,211 МПа;

Р_е = 1,147-0,211=0,936 МПа.

      Эффективная мощность двигателя N_е, кВт,

      N_е =

.                           (1.11)

      Литровая  мощность двигателя N_л, кВт/л,

          N_л =

,                            (1.12)

где =4

N_е = кВт;

N_л = кВт/л.

      Эффективный крутящий момент двигателя М_е, Нм,

       М_е = .                          (1.13)

М_е = Нм.

      Эффективный кпд двигателя

     h_е = h_i h_м,                            (1.14)

где h_м - механический кпд, определяемый по формуле

                            h_м = Р_е/Р_i. 

h_м = 0,936/1,147=0,816;

h_е = 0,363∙0,816=0,296.  
 
 

Удельный эффективный  расход топлива g_е, г/кВтч

                                               g_е = g_i/h_м.                           (1.15)

 g_е = 225,334/0,816=276,182 ,г/кВтч. 

Часовой расход топлива G_т, кг/ч

                             G_т = g_е ∙N_е/1000                                                    (1.16)

G_т = 276,182 ∙81,322/1000=22,46 ,кг/ч.                                         
 
 

Таблица 2 – Основные показатели двигателя

 
 
 
 
 
 
 
 

2. Построение  индикаторной диаграммы 

    На  основании результатов расчета  производим построение индикаторной диаграммы  действительного цикла двигателя. 

    Отрезок АВ, соответствующий рабочему объему цилиндра, выбираем равным ходу поршня в масштабе  2:1

    АВ=2∙S=2∙84=168 мм. 

    Отрезок ОА, соответствующий объему камеры сгорания

                       ОА=АВ/(ε-1)                                                                   (2.1) 

    ОА=168/(8,8-1)=21,538 мм.                                              

    Принимаем масштабы диаграммы:

    -масштаб  давления  МПа/мм,

       -масштаб объема _µv=0.002458 л/мм.

      На диаграмме наносим давления  в характерных точках 

    Р_a, Р_с, Р_z, ,Р_b, Р_r,Р_о. 

Построение политроп сжатия и расширения производим аналитическим методом. При  этом определяем ординаты промежуточных расчетных точек по уравнению политропы:

- сжатия PVⁿ¹=const; P_хV_хⁿ¹ =P_аV_аⁿ¹, откуда

                                              P_х =P_а (V_а/V_х) ⁿ¹;                                                  (2.2)

- расширения PVⁿ²=const; P_хV_хⁿ² =P_bV_bⁿ² ,откуда 

                                             P_х =P_b (V_b/V_х) ⁿ² ;                                               (2.3)

Отношения V_а/V_х, V_b/V_х изменяются в пределах 1- ε 

Результаты расчета сводим в таблицу 3.

    

Для получения  действительной индикаторной диаграммы  aa”c’fz_Дb’b”ra (скругление индикаторной диаграммы) производим выбор: 

    

-фаз газораспределения: открытие впускного клапана (точка а’) -устанавливаем  25° до в.м.т., а закрытие (точка а”) –через 60° после прохода поршнем н.м.т.; начало открытия выпускного клапана (точка b’) принимаем за 55° до прихода поршня в н.м.т., а закрытие (точка r’) – 18° после в.м.т.

      

-угла опережения зажигания (точка c’), принимаем угол опережения зажигания в двигателе с искровым зажиганием

j

_ОП.З = 25 град. до в.м.т.;

      

- значения максимального давления  Р_zд =0,85·Р_z =0,85*7,04=5,984 МПа

   

- периода задержки  воспламенения (задержка воспламенения  в двигателе с искровым зажиганием  составляет 

Dj

₁ = 15 град. отрезок c’f = (

j

_ОП.З -

Dj

₁) для бензиновых c’f =25-15=10 град.; 

   

- давления в  верхней мертвой точке процесса  сжатия P_С" = 1,2∙Р_С,

     

P_С"=1,2∙1,7=2,04 МПа

    

Для определения  местоположения указанных точек  устанавливаем связь между углом  φ поворота коленчатого вала и  перемещением поршня

                                    АХ=АВ/2[(1-cosφ)+λ/4(1-cos2φ)],                                (2.5)

где λ –отношение радиуса кривошипа к длине шатуна (принимаем λ=0,25).

      Расчеты положений точек для  скругления диаграммы сводим  в таблицу 4. 

Таблица 4 –Положения точек диаграммы

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Соединяя плавными кривыми точки, получим скругленную  действительную индикаторную диаграмму (рисунок 1). 
 

 
 
 
 
 

                Рисунок 1- Индикаторная диаграмма бензинового двигателя 
 
 
 
 
 
 
 

3 Динамический расчет 

    

На рисунке 2 приведены схемы сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме двигателя. 

                         

                                        

    

Рисунок 2 –Схемы сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме 
 
 

     

3.1 Сила давления  газов 

    

Силу давления газов на поршень Рг, кН определяем по формуле:

                                                                                                                                              (3.1)                                                                                                 

где р – текущее давление газов в цилиндре в любой момент времени, МПа;

       р₀-давление окружающей среды, МПа;

     –площадь поршня, м².

= πD²/4=0,00533 м²,

где D – диаметр цилиндра (D=0.084м). 
 

    

Зависимость силы давления газов, действующей на поршень, от угла поворота коленчатого вала определяем аналитическим методом. Для определения местоположения указанных точек устанавливается  связь между углом  поворота коленчатого вала и изменением объёма цилиндра. 

    

            (3.2)               
где λ – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, принимаем λ=0,25;

   

V_{h –}рабочий объем цилиндра, л. (Vh=0,466 л). 

3.2 Силы инерции

   Сила  инерции Р_j, кН от возвратно- поступательно движущихся масс

                                    ,                                       (3.3)

где m_j- возвратно-поступательно движущиеся массы, кг;

       R- радиус кривошипа, (R=0.042 м);

       - угловая скорость вращения коленчатого вала, ( ₌586,41333 с^-1).

       Центробежные силы инерции определяют  по формулам:

- силы инерции  К_Rш, кН вращающихся масс шатуна

;                                              (3.4)

- силы инерции  К_Rк, кН вращающихся масс кривошипа

;                                               (3.5)

- суммарные центробежные  силы инерции вращающихся масс  К_R, кН

.                                               (3.6)

     Система  сосредоточенных масс, динамически  эквивалентная кривошипно-шатунному  механизму, состоит из массы  m_j=m_п+m_шп, совершающей возвратно- поступательное  движение, и массы m_R, совершающей вращательное движение.

      
 

Принимаем необходимые для расчета величины и вычисляем силы:

 кг/м²- поршень из алюминиевого сплава.

кг/м²-шатун.

 кг/м²-стальной кованный вал со сплошными шейками.

.кг;

 кг;

 кг;

 кг;

 кг;

 кг;

 кг;

 _с^-1;

К_R=-1,4858·0,042(586,41333)²·10^-3=-21,4593 кН. 

3.3 Суммарные силы  и крутящий момент, действующие

в кривошипно-шатунном механизме одного цилиндра 

     Суммарная  сила Р, кН, действующая на поршень,