Расчет автомобильного двигателя ЗМЗ-406



Министерство образования  и науки Республики Казахстан

ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

 УНИВЕРСИТЕТ 

им Д. Серикбаева.

 

 

 

 

 

 

Кафедра: Автомобильный  транспорт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РАСЧЁТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ  ЗАПИСКА

К курсовому проекту  по дисциплине «Автомобильные двигатели».

 

(                                                  )

 

 

 

 

 

 

                                                   Выполнил: студент группы:

                                                                    Юдин А.

                                                                   Проверил  __________ Азаматов Б.Н.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Усть-Каменогорск, 2006

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Задание на курсовой проект……………………………………………..………2

Введение………………………………………………………………………..…4

1 Выбор исходных данных  ……………………………………………..……….5

2 Тепловой расчет рабочего  цикла двигателя внутреннего  сгорания ………..7

2.1 Расчет процесса  газообмена ………………………………………….7

2.2 Расчет процесса  сжатия ………………………………………………8

2.3 Определение состава,  количество и физико-технических характеристик рабочей смеси и продуктов сгорания …………………………8

          2.4 Процесс сгорания ……………………………………………………10

2.5 Процесс расширения ………………………………………………...12

          2.6 Определение показателей рабочего цикла двигателя ……………..12

          2.7 Определение геометрических размеров цилиндра и кривошипно-шатунной группы двигателя …………………………………………………...14

          2.8 Построение индикаторной диаграммы …………………………….15

2.9 Построение внешней скоростной  характеристики ………………………19

3 Кинематика и динамика КШМ ………………………………...…………….24

3.1 Общие положения  и исходные данные к расчету  кинематики и динамических сил  кривошипно-шатунного механизма  двигателя …………24

3.2 Расчет кинематических  параметров кривошипно-шатунного  механизма ……………………………………………………………………….26

3.3 Силы давления газов ………………………………………………...29

3.4 Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма ……29

3.5 Удельные суммарные  силы …………………………………………31

3.6 Определение  суммарного крутящего момента  на коленчатом валу двигателя ………………………………………………………………………..32

3.7 Силы действующие  на шатунную шейку коленчатого  вала ……...33

3.8 Силы, действующие на  колено вала ………………………………..34

4 Расчет узлов и элементов двигателя ……………………………………..….39

4.1 Расчет поршневой  группы …………………………………………..39

   4.1.1 Расчёт поршня …………………………………………………...40

             4.1.2 Расчет поршневых колец ………………………………………..44

   4.1.3 Поршневой палец ………………………………………………..47

4.2 Расчет шатунной  группы ……………………………………………49

            4.2.1 Расчет поршневой головки шатуна …………………………….50

   4.2.2 Расчет  стержня шатуна ………………………………………….54

   4.2.3 Расчет кривошипной головки  шатуна  ………………………………………58

   4.2.4 Расчёт  шатунного болта …………………………………………60

5 Подбор основных конструктивных соотношений размеров элементов коленчатого вола ……………………………………………………………….63

6 Список используемой литературы …………………………………...……...64

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Двигатели внутреннего  сгорания являются наиболее распространенными  двигателями, вырабатывающими механическую энергию, необходимую для привода  в действие различных видов транспортных средств и других механизмов.

Особое внимание уделяется  унификации узлов и деталей двигателя  и развитию семейства унифицированных  двигателей. Большое внимание обращается на научные исследования, доводочные работы и лабораторные и эксплуатационные испытания двигателей и их агрегатов.

Выполнение этих задач  требует от специалистов, связанных  с производством и эксплуатацией  автомобильных и тракторных двигателей, глубоких знаний теории, конструкции  и расчета двигателей внутреннего  сгорания.

В настоящее время  на основе перспективного типажа автомобилей  и двигателей производится дальнейшая модернизация автомобильных двигателей.

В настоящее время, для  двигателей устанавливаемых на грузовые автомобили существуют следующие основные тенденции оптимизации конструкции и показателей направленных на :

  • снижение потребления горюче-смазочных материалов;
  • увеличение мотто-ресурса;
  • удобство эксплуатации, простоту и удобство технического обслуживания;
  • снижение себестоимости двигателя;
  • снижение выброса вредных веществ;
  • снижение уровня шума;
  • быструю приспособляемость к работе на переменных режимах в зависимости от условий эксплуатации;
  • улучшение технико-экономических показателей систем обслуживающих двигатель;
  • оптимизация массогабаритных показателей двигателя путем увеличения удельных мощностей и применения материалопоглощающих технологий. 

С учетом вышесказанного был спроектирован двигатель  на базе двигателя Газ 24 для применения в автомобильном транспорте.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ВЫБОР ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

 

Произвести расчет четырехтактного карбюраторного двигателя, предназначенного для грузового автомобиля.

Основанием к выполнению теплового расчета является задание  на курсовую работу.

Выбор дополнительных данных к выполнению теплового расчета. Значения принять с учетом варианта, принятая как последняя цифра номера зачетной книжки т.к. номер зачетки АТ –данные принимаем согласно нормальным физическим условиям.

Исходные данные задания заносим в таблицу 1.

 

Таблица  1 – исходные данные

 

№

п/п

 

Наименование параметров

 

Обозначения

 

Ед.изме-

рения

 

Численные

значения

I

II

III

IV

V

1

Давление окружающей среды

Ро

МПа

0,1013

2

Температура окружающей среды

То

К

289

3

Содержание углерода в топливе

С

-

0,839

4

Содержание водорода в топливе

Н

-

0,161

5

Содержание кислорода  в топливе

От

-

0,0

6

Теплотворная способность  бензина

Нu

кД/кг

43930

7

Молекулярная масса  топлива

Мт

Кг/кмоль

115

8

Коэффициент отношения  водорода и окиси углерода в продуктах  сгорания

 

К

 

-

0,5

9

Универсальная газовая  постоянная

МR

кДж/кмольК

8,315

10

Газовая постоянная воздуха

R

Дж/кгК

287

11

Степень подогрева заряда

∆Т

К

10

12

Давление газов на выпуске

Рr

МПа

0,1218

13

Температура газов на выпуске

Тr

К

1000

14

Суммарный коэффициент  сопротивления впускной системы

(β2+ξ)

-

2,56

15

Показатель политропны сжатия

n1

-

1,35

16

Показатель политропны расширения

n2

-

1,28

17

Коэффициент использования  теплоты

  

-

0,87

18

Степень повышения давления

  

-

3,89


 

Продолжение таблицы 1

 

I

II

III

IV

V

19

Коэффициент скругления индикаторной диаграммы

φд

-

0,85

20

Ход поршня прототипа

S

М

0,095

21

Отношение радиуса кривошипа  к

 длине шатуна

λ

-

0,287

22

Степень сжатия

E

-

8

23

Коэффициент избытка  воздуха

α

-

0,92

24

Отношение хода поршня к  длине шатуна

S/D

-

1,0

25

Эффективная мощность двигателя

Ne

кВт

62

26

Номинальная частота вращения двигателя

N

мин-1

4600

27

Число цилиндров

i

-

4


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

 

  • 2.1 Расчет процесса газообмена

 

Плотность воздуха окружающей среды

 

        (1)

 

Средняя скорость смеси (воздуха) на впуске в сечении клапана  с учетом диаметра цилиндра и хода поршня прототипа из уравнения

 

       (2)

 

где

Snn – ход поршня для двигателя, рекомендуемого прототипа (в мм),

n – частота вращения коленчатого вала.

 Скорость смеси должна составлять 50-90 м/с

Давление процессе впуска и к началу такта сжатия

 

(3)

 

Коэффициент остаточных газов – γr.

 

            (4)

где

Тк, ρr – температура и давление остаточных газов;

ε – степень сжатия двигателя;

ΔТ – степень подогрева  смеси на выпуске, К;

 

Значение коэффициента остаточных газов при работе двигателя  на полной нагрузке находится в пределах:

Для карбюраторных двигателей γr=0,06…0,1

Температура рабочей  смеси

 

                      (5)

 

Та, для карбюраторных двигателей Та=330…380,К

Коэффициент наполнения цилиндра основной оценочный показатель совершенства организации процесса сгорания:

 

           (6)

 

Предельные значения; 0,8…0,85 – для карбюраторного двигателя.

 

2.2 Расчет процесса  сжатия

 

  • Процесс сжатия смеси  в двигателе происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ. Носит политропный  характер с переменным показателем политропного процесса n1 .

    Определение его текущего значения является весьма затрудненным. В связи, с чем принимается, процесс происходит по политропен с постоянным значениям показателя политропного сжатия. Его начальное значение принимается из исходных данных, а более близкое значение при необходимости определяется методом последовательных приближений в процессе расчета с заданной степенью приближения по уравнению:

     

    (7)

     

    Значение давлений ρс и температуры Тс в конце сжатия;

     

    ρс=ρа*εn1=0,088*81,37=1,557 Мпа                            (8)

    Тс=Та* εn1-1=339,93*81,37-1=746,585 К                              (9)

     

    Значения для карбюраторных  двигателей

     

    ρс=(0,9…1,6),Мпа

    Тс=(550…750),К

     

    2.3 Определение состава, количество и физико-технических характеристик рабочей смеси и продуктов сгорания

     

    Определение выполняется  а расчете на один кг топлива. Определяем теоретическое  количество воздуха  необходимое для сгорания одного кг топлива

     

    .             (10)

     

    где

    От – содержание кислорода в топливе;

    С – содержание углерода в составе одного кг топливе;

    Н – содержание водорода в составе одного кг топливе.

    В килограммах:

     

          (11)

     

    Количество свежей смеси  при использовании одного кг топлива  для карбюраторных двигателей составляет:

     

    .                  (12)

     

    где

     μт=120 кмоль/кг, – молекулярная масса топлива.

     

    Количество не выделившейся теплоты при α=1 равно нулю.

    С учётом химического  не догорания смеси, количество  выделившейся теплоты при сгорание смеси равно:

     

                     (13)

     

    Средняя мольная теплоёмкость свежей смеси в конце сжатия:

     

     

    Средняя мольная теплоёмкость остаточных газов в конце сжатия при α=0,98:

     

    (14)

     

    Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси определяется выражением

     

    (15)

     

    Расчет состава и  количества продуктов сгорания при α=1.

     

        (16)

    где

     

     

     

    (17)

     

    (18)

     

    (19) 
         (20)

     

    В процессе сгорания и  химических преобразований происходит изменение количества молей рабочей  смеси

     

    ∆М=М2 – М1=0,5489 – 0,511=0,03706                                (21)

     

    Коэффициент молекулярного  изменения:

     

                     (22)

     

     Коэффициент молекулярного  изменения рабочей смеси:

     

                              (23)

     

            2.4 Процесс сгорания

     

    Значения термодинамических  параметров в характерных точках цикла Рz и Тz определяется на основе первого закона термодинамики.

    Применительно к реальному  циклу уравнения сгорания принимает  вид:

    для двигателей с искровым зажиганием

     

                       (24)

    где

    - средняя изохорная мольная  теплоемкость газовой смеси с составом продуктов сгорания  после окисления топлива:

     

    (25)

     

    0,88*78865,4+21,003*439=1,05*(24,762+0,002098 tz)*tz

    79444,64=25,7869tz*0.0022t2z

    0.0022 t2z+25,78691tz-79444,64=0

     

        (26)

     

    Максимальное давление цикла для двигателей с искровым зажиганием определяется:

     

       (27)

     

    Степень давления.

     

                                     (28)

     

     

    Действительное максимальное давление с учетом скругления;

     

                  (29)

     

    Значения Рz и Тz должны находиться в пределах;

    Тz=2400…2900 К

    Рz= 3,5…7,5 Мпа

     

     

     

     

    2.5 Процесс расширения

     

  • Исходя из  термодинамических  параметров при политропном процессе, давление и температура в конце  расширения определяется по формулам;

     

     

    Правильность выбора значения температуры и давления остаточных газов оценивается сравнением пряных значений и полуученых расчётным  путем, по величине Тк:

     

                 (32)

    Проверка

    Δ=100(1015-1000)/1000=1,55%

    Расхождение принятого  значения Тr не должно превышать 6%.

     

             2.6 Определение показателей рабочего цикла двигателя

     

    Степень совершенства организации  и эффективности рабочего цикла  двигателя по превращению тепловой энергии в механическую работу оценивается расчетным определением индикаторных показателей, механических потерь, эффективных показателей рабочего цикла и основных размеров проектируемого двигателя.

     

     

        1. Определение индикаторных показателей

     

    Среднее индикаторное давление определяется из выражения:

     

    (33)

     

    С учетом скругления индикаторной диаграммы действительное средне индикаторное давление определяется из выражения:

     

    Рiд=(0,92…0,96)Рi=0,95*1,069=1,0162 МПа

     

    Индикаторный КПД:

     

               (34)

     

    Индикаторный удельный расход топлива:

     

      (35)

     

    2.6.2 Определение механических  потерь при совершении рабочего цикла

     

    Для расчетных типов  двигателей величина потерь среднего индикаторного давления приравнивается величине среднего давления механических потерь и может быть определена из следующих соотношений:

    для восьмицилиндрового двигателя

     

               (36)

    где

      м/с, - средняя скорость поршня.        (37)

     

    2.6.3 Эффективные показатели.

     

    Средне эффективное  давление:

     

     

                          (38)

     

    Механический КПД:

     

                                    (39)

     

    Эффективный КПД:

     

                         (40)

    Эффективный удельный расход топлива:

     

    кВт/ч                       (41)

     

    С учетом конструктивных особенностей двигателя и совершенства организации рабочего цикла значение индикаторных и эффективных показателей  могут изменяться в следующих  пределах:

    Показатели рабочего цикла двигателя для карбюраторного двигателя:

    Эффективный расход топлива    250…325 

    Эффективный КПД                     0,25…0,33 

    Индикаторный расход топлива    235…320

    Индикаторный КПД  давление   0,26…0,35 

    Среднее индикаторное давление 0,6…1,4  

     

    2.7 Определение геометрических размеров цилиндра и кривошипно-шатунной группы двигателя

                 

    Согласно назначенного значения эффективной мощности, заданной частоты вращения и полученных значений эффективных показателей рабочего цикла определяем необходимый общий литраж двигателя

                                


           (42)

     

    Рабочий объем одного цилиндра

     

                                      (43)

     

     

    Определившись с рабочим  объемом цилиндра, определяем его  диаметр, с учетом заданного соотношения хода поршня к диаметру цилиндра S/D.

     

     

                            (44)

     

    Окончательно принимаем Dц=98 мм.

    Соответственно отношению (S/D),хода поршня будет равна

     

                                         (45)

    Значения диаметра цилиндра и хода поршня корректируется до целого числа путем округления полученного  значения. После окончательного определения  размеров диаметра цилиндра и хода поршня уточняется окончательные значения рабочего литража двигателя, эффективной мощности, крутящего момента и часового расхода топлива.

      Общий рабочий литраж

     

                         (46)

     

    Эффективная мощность

     

                       (47)

     

    Эффективный крутящий момент

     

                        (48)

     

    Часовой расход топлива  двигателя

     

                     (49)

     

    Средняя скорость поршня

     

                                (50)

     

     

            2.8 Построение индикаторной диаграммы

     

    Для графического построения рабочего цикла проектируемого двигателя  необходимо построить его индикаторную диаграмму в координатах P-V (давление - объем).

    Для этого необходимо определится с размерами отрезков ОВ – представляемого полный объем  цилиндра на оси абсцисс и отрезка OZ' - выражаемого максимальное давление цикла.

    Отрезок ОВ представляет полный объем цилиндра и состоит  из 2-х частей.

    ОВ=ОА+АВ

     Отрезок АВ принять  равным ходу поршня, что отражает  рабочий объем цилиндра в масштабе 1:1, тогда АВ будет равным

     

    АВ=Sn*Ms=98*1=98 мм                                (51)

    Отрезок АВ - представляет объем камеры сгорания, его значение следует определить из соотношения:

     

                                   (52)

    гед

     ε - степень сжатия.

    Отрезок OZ' - выражающий максимальное давление, определится из соотношения.

     

                                      (53)

    где

     Мр – масштаб индикаторной диаграммы по давлению.

    Таким образом, определяется значение отрезков АВ, ОА, ОВ и OZ' по оси абсцисс откладываем отрезки ОА и АВ.

    Из точек О, А и  В - проводим три вертикальные линии. Вертикальная линия из точки О - представляет собой ось ординат по давлению, линия из точки А -выражает объем  цилиндра (камеры сгорания) при положении поршня в ВМТ, точка В и вертикальная линия выражает полный объем цилиндра и положения поршня соответствующее НМТ.

    Построив линии рабочего цикла двигателя откладываем  значения давления в точках ВМТ и  НМТ Для этого необходимо определить их значения в миллиметрах из соотношений:

     

     

    По точке атмосферного давления P0/Mp проводим горизонтальную линию параллельно оси абсцисс.

    Точки "с", "z" и "r" откладываем  на вертикальной линии ВМТ (точка  А), точки "а" и "в" откладываем  на вертикальной линии НМТ(точка В).

     Построение политропны сжатия  и расширения рекомендуется выполнять  аналитическим методом.

    Методика построения индикаторной диаграммы аналитическим путем  заключается в следующем. Из уравнений политропы сжатия и политропы расширения вычисляется ряд промежуточных точек текущего давления.

    Промежуточные значения давления для  политропы сжатия в Мпа определяем по выражению:

     

                                            (59)

     

    и в миллиметрах

     

                                         (60)

    где

    Pcx - искомое текущее  давление в процессе сжатия.

    Текущее отношение объемов Va/Vx=ОВ/Ох принимается произвольно  с определенным шагом в пределах от 1 до ε – значение степени сжатия, для карбюраторных двигателей.

    Аналогично для политропы  расширения.

     

                                            (61)

     

    Для упрощения выполнения расчетных операций и построения, результаты расчетов сводятся в таблицу 2.

     

    Таблица  2

     

    №

    п/п

    ОХ текущее значение

     

    ОВ/Охi

     

    Pcх (Мпа)

    Рвх

    (МПа)

    Рсх

    (мм)

    Рвх

    (мм)

    1

    112

    1

    1

    1

    0,08864

    0,43

    1,96

    9,57

    2

    90

    1,244

    1,34

    1,32

    0,119

    0,57

    2,64

    12,67

    3

    70

    1,6

    1,88

    1,82

    0,167

    0,78

    3,71

    17,48

    4

    50

    2,24

    2,97

    2,80

    0,263

    1,21

    5,85

    26,89

    5

    40

    2,8

    4,01

    3,735

    0,355

    1,61

    7,90

    35,78

    6

    30

    3,73

    5,92

    5,3986

    0,524

    2,32

    11,66

    51,17

    7

    20

    5,6

    10,23

    9,07

    0,907

    3,91

    20,15

    86,89

    Расчет автомобильного двигателя ЗМЗ-406