Расчет автомобильного двигателя

Содержание  

Введение...................................................................................................................2

  1. Исходные данные...............................................................................................3
  2. Тепловой расчет и тепловой баланс двигателя...............................................3
    1. Тепловой расчет............................................................................................3
    2. Построение индикаторной диаграммы.....................................................10
    3. Тепловой баланс двигателя........................................................................14
  3. Внешняя скоростная характеристика.............................................................15
  4. Анализ кинематики и динамики двигателя...................................................19
    1. Построение графиков перемещения, скорости и ускорения поршня....19
    2. Расчет сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме и построение их графиков.............................................................................22
    3. Равномерность крутящего момента и равномерность хода поршня…..27
    4. Расчет маховика…………………………………………………………..28
  5. Расчет основных деталей и элементов механизмов и систем двигателя…29
    1. Расчет поршня………………………………………………………...…..29
    2. Расчет поршневого пальца……………………………………………….32
    3. Расчет шатунного болта……………………………………...…………..33
    4. Расчет коленчатого вала на кручение……………………..…………….34
    5. Расчет карбюратора……………………………………………………….35
    6. Расчет жидкостного насоса………………………………………………37
    7. Расчет масляного насоса…………………………………….……………38
    8. Расчет стержня шатуна……………………………..…………………….39
    9. Расчет шпильки головки блока…………………………………………..41

Вывод ……………………………………………………….……………………42

Список используемой литературы……………………………………...………43 

Введение 

        В результате обзора и анализа конструкций автомобильных двигателей, можно сделать некоторые заключения о перспективах развития автомобильных двигателей в ближайшем будущем.

       Прежде всего, следует сказать о развитии конструкции бензиновых двигателей. На протяжении более полувека бензиновые двигатели на автомобиле, несмотря на то, что в качестве их конкурентов выступали такие серьезные претенденты на широкое распространение, как паровые, дизельные и электрические двигатели, показали свое несомненное превосходство по большинству показателей. До сих пор нет основания предполагать о широкой замене автомобилей электромобилями до решения проблемы создания легких, емких и прочных аккумуляторов.

       Дизельные, газобаллонные и газогенераторные двигатели автомобилей составляют в настоящее время очень небольшой процент по сравнению с бензиновыми и нет оснований ожидать, чтобы число их стало очень быстро увеличиваться. Переработка нефти дает выход бензина в больших количествах, и при современных методах нет возможности вести переработку только на дизельное топливо, потребителями которого являются воздушный, железнодорожный, морской и речной транспорт, стационарные установки и другие отрасли техники.

       Главнейшей причиной медленного распространения дизельных двигателей является их сложность и больший вес, преимущества же их сказываются только на тяжелых грузовых автомобилях, самосвалах и междугородных автобусах.

       Газобаллонные автомобили могут получить распространение после организации широкой сети наполнительных станций, однако их доля в автохозяйствах всех стран будет значительно ниже доли бензиновых автомобилей.

       Газогенераторные автомобили не найдут сколько-нибудь заметного применения, так как низкие показатели и трудности эксплуатации препятствуют их распространению даже в тех местностях, где имеется дешевое твердое местное топливо.

  1. Исходные данные
 

         Исходные данные приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 –  Исходные данные

Параметр Значение
Мощность, кВт 60
Частота вращения коленчатого вала, об/мин 5800
Коэффициент избытка воздуха 0.88
Степень сжатия 9.5
 

         В ходе работы будем производить расчет четырех тактного карбюраторного двигателя, предназначенного для легковых автомобилей. Двигатель четырех цилиндровый с рядным расположением. 

  1. Тепловой расчет и тепловой баланс двигателя
 
    1. Тепловой расчет
 

          Топливо

     В соответствии с заданной степенью сжатия используем бензин марки Премиум – 95.

     Средний элементный состав топлива:

 

     Низшая теплота сгорания топлива:

 

   

          Параметры рабочего тела.

     Теоретически  необходимое количество воздуха  для сгорания 1 кг топлива:

 

 

 

      Количество  свежего заряда:

 

      Количество  отдельных компонентов продуктов  сгорания:

;

;

;

;

 

      Общее количество продуктов сгорания:

  
 
 

          Температура и давление остаточных газов.

     Принимаем для карбюраторного двигателя:

,

 .

          Процесс впуска.

     Принимаем .

     Плотность заряда на впуске

 

где – удельная газовая постоянная для воздуха.

  Потери давления на впуске в двигателе:

 

     где и приняты в соответствии со скоростным режимом двигателей и с учётом небольших гидравлических сопротивлений во впускной системе.

     При получим:

 

 

     Давление  в конце пуска

  ;

      Коэффициент остаточных газов

 

      Температура в конце впуска

 

      Коэффициент наполнения

  

          Процесс сжатия.

     Средние показатели адиабаты и политропы  сжатия определяется по номинальном режиме можно с достаточной степенью точности принять показатель политропы сжатия приблизительно равным показателю адиабаты, который определяется по номограмме (рис. 4.4) [1]:

при , и  

     Давление  и температура в конце сжатия 
 

     Средняя мольная теплоёмкость в конце  сжатия:

     а) воздуха: 

 

где: 

    б) остаточных газов (определяется по табл. 3.8 методом интерполяции) при и [1]:

 

    в) рабочей смеси:

  

          Процесс сгорания.

    Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси:

 

      Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

 

      Теплота сгорания рабочей смеси:

 

      Средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания:

 

     Коэффициент использования теплоты можно  принять  .

     Температура в конце  видимого процесса сгорания: 

  
 
 

     Максимальное давление сгорания теоретическое: 

     Максимальное  давление сгорания действительное: 

     Степень повышения давления:

 

          Процесс расширения.

     Показатель адиабаты расширения, который определяется по номограмме (рис. 4.8) [1].

При ; и  

      Давление  и температура в конце расширения: 
 

      Проверка  ранее принятой температуры остаточных газов:

 

,что  допустимо.

          Индикаторные параметры рабочего цикла.

    Теоретическое среднее индикаторное давление:

  

      Среднее индикаторное давление:

,

где коэффициент полноты диаграммы.

      Индикаторный  КПД:

 

      Индикаторный удельный расход топлива:

 

          Эффективные показатели двигателя.

    Среднее давление механических потерь: 

где средняя скорость поршня. – ход поршня.

 

 

      Среднее эффективное давление и механический КПД: 
 

      Эффективный КПД и эффективный удельный расход топлива: 

 

          Основные параметры цилиндра и двигателя.

     Литраж  двигателя:

 

      Рабочий объём цилиндра:

 

  Диаметр и ход поршня:

 

      Окончательно  принимаем 

      По  окончательно принятым значениям  и определяются основные параметры и показатели двигателя:

 

 

 

 

  

    1. Построение  индикаторной диаграммы
 

       Индикаторная диаграмма карбюраторного  двигателя (рисунок 2.1) построена  для номинального режима работы  двигателя при  и                    , аналитическим методом.

       Масштабы диаграммы: масштаб хода поршня , масштаб давлений

 

 

       Ординаты характерных точек:

 

 

 

 

 

 

 

       Политропа сжатия , отсюда:

 

       Политропа расширения , отсюда:

 

       Результаты расчета точек политроп  приведены в таблице 2.1. 

Таблица 2.1 – Результаты расчета точек политроп

№ OX, мм   Политропа сжатия Политропа расширения
    мм   МПа     мм   МПа
1 8.82 9.5 22.24 37.81 1.89 17.13 144.6 7.23
2 9.31 9 20.65 35.11 1.75 16.02 134.7 6.73
3 10.47 8 17.55 29.83 1.49 13.79 116.1 5.81
4 11.97 7 14.61 24.83 1.24 11.65 98.09 4.91
5 13.97 6 11.81 20.08 1 9.59 80.74 4.03
6 16.76 5 9.18 15.61 0.78 7.62 64.16 3.21
7 20.95 4 6.75 11.47 0.57 5.75 48.41 2.42
8 27.94 3 4.54 7.71 0.38 4.01 33.68 1.68
9 41.91 2 2.59 4.41 0.22 2.39 20.12 1.01
10 55.88 1.5 1.74 2.95 0.14 1.66 13.97 0.69
11 83.82 1 1 1.7 0.085 1 8.42 0.421
 
 
 

        Cкругление индикаторной диаграммы.

        Предварительно принимаем 

        Положение точек определяется по формуле:

 

         Результаты расчетов приведены в таблице 2.2. 

Таблица 2.2 – Результаты расчета

Точка Положение точки   AX, мм
r’   до в.м.т. 18 2.45
a’   после в.м.т. 25 4.58
a”   после н.м.т. 120 60.25
c’   до в.м.т. 35 8.67
f   до в.м.т. 30 6.36
b’   до н.м.т. 125 62.5
 

        Положение точки c” определяется из выражения:

 

 

       Нарастание давления от точки c” до составляет:

  

        Соединяя плавными кривыми точки r, a, c’, c” и далее и кривой расширения b’, b” и линией выпуска b”r’r, получим скругленную действительную индикаторную диаграмму.

         Полученная индикаторная диаграмма представлена на рисунке 2.1. 
 
 
 
 

 

Рисунок 2.1 – Действительная индикаторная диаграмма 
 
 
 

    1. Тепловой  баланс двигателя
 

        Внешний тепловой баланс двигателя:

 

        Общее количество теплоты:

 

        Теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя за 1с:

,

        Теплота, передаваемая окружающей среде:

 

,

        Теплота, унесенная с отработавшими газами:

 

,

        Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива:

,

        Неучтенные потери теплоты:

 

 

  
 
 

  1. Внешняя скоростная характеристика
 

     На  основании теплового расчета, проведенного для режима номинальной мощности, получены следующие параметры, необходимые  для расчета и построения внешней  скоростной характеристики:

эффективная мощность ; частота вращения коленчатого вала при максимальной мощности ; тактность двигателя ; литраж ; ход поршня ; теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива  ; плотность заряда на впуске ; коэффициент избытка воздуха ; удельный эффективный расход топлива .

        

          Проведем расчет при

          Эффективная мощность:

 

     Эффективный крутящий момент:

 

     Среднее эффективное давление:

 

     Средняя скорость поршня:

 

     Среднее давление механических потерь:

 

     Среднее индикаторное давление:

  

     Индикаторный  крутящий момент:

 

     Удельный  эффективный расход топлива:

 

     Часовой расход топлива:

 

     Коэффициент наполнения:

 

      Аналогичным способом рассчитываем для остальных значений .

          Результаты расчетов приведены  в таблице 3.1. 

Таблица 3.1 –  Результаты расчетов

, об/мин Параметры
, кВт , Нм , Нм , ,  
1000 11,94 114,09 121,52 335,49 4,01 0,985
2000 25,62 122,40 133,21 296,88 7,61 0,936
3000 39,18 124,77 138,95 277,77 10,88 0,892
4000 50,75 121,21 138,77 278,16 14,12 0,868
5000 58,46 111,71 132,64 298,05 17,42 0,857
5800 60,61 99,84 123,47 328,00 19,88 0,843
6500 58,74 86,34 112,33 364,45 21,41 0,810
 

     Коэффициент приспособляемости:

  

          По расчетным данным, приведенным в табл. 3.1 , строим внешние скоростные характеристики рис 3.1, 3.2, 3.3, 3.4. 

Рисунок 3.1 – График зависимости эффективной  мощности от оборотов коленчатого вала

Рисунок 3.2 – График зависимости эффективного и индикаторного крутящего момента  от оборотов коленчатого вала

Рисунок 3.3 – График зависимости удельного  эффективного расхода топлива от оборотов коленчатого вала 

Рисунок 3.4 – График зависимости часового расхода топлива от оборотов коленчатого вала 
 
 

  1. Анализ  кинематики и динамики двигателя
 
    1. Построение  графиков перемещения, скорости и ускорения  поршня
 

     Принимаем значение , как уже было принято предварительно в тепловом расчете. В соответствии с этим:

 

 

     Изменение перемещения поршня по углу поворота коленчатого вала определяется аналитическим  способом.  Характерные точки  определяем через каждые угла поворота коленчатого вала. Пример расчёта для : 

 

      Аналогичным способом рассчитываем через каждые 30 и заносим в таблицу 4.1.

          Скорость движения поршня определяется по формуле:

 

м/с

     Аналогичным способом рассчитываем через каждые 30 и заносим в таблицу 4.1.

     Максимальная  скорость поршня:

м/с;

          Ускорение поршня определяется по формуле:

 

м/с2 

     Аналогичным способом рассчитываем через каждые 30 и заносим в таблицу 4.1.

     Максимальное  ускорение:

 

          Минимальное ускорение:

Расчет автомобильного двигателя