Расчет и конструирование автомобильного двигателя

Министерство образования  Российской Федерации

 

Кубанский государственный  технологический университет 

 

Кафедра технологии машиностроения

 

 

 

 

 

 

 

Расчетно-пояснительная  записка

 

К курсовой работе по автомобильным  двигателям

 

На тему: Расчет и конструирование автомобильного двигателя

 

 

 

Выполнил студент группы 04-ЗМ-АА1

 

Асанов Сергей Александрович

 

Курсовая работа допущена к защите «_____» _____________2008г.

 

Руководитель       ____________        Ниров А.Д.

 

Нормоконтролер _____________        _________________

                                                (подпись)                                  (Ф.И.О.)

Работа защищена _______________ Оценка ________________

 

Члены комиссии __________________________________________

_________________________________________________________

 

 

 

Реферат

 

Курсовая работа –  страниц 38, иллюстраций 6, таблиц 11, библиографических названий 4, 2 лист графической части.

 

Расчет и  конструирование автомобильного двигателя. В курсовой работе выполнены расчеты рабочих процессов ДВС, теплового баланса, внешних скоростных характеристик (с построением), кинематики и динамики кривошипно-шатунного механизма. Рассчитаны основные детали поршневой группы: поршня, поршневого пальца, кольца. На чертеже представлены: развертка индикаторной диаграммы и построение кривых удельных сил и суммарного крутящего момента.

В расчетно-пояснительной  записке обоснованы основные параметры  двигателя и даны необходимые  описания и пояснения.

Разработанная конструкция  двигателя позволяет выполнить  требования к нему как к энергетической установке автомобиля.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

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

1 Тепловой расчет ДсИЗ  ………………………………………………………...5

Этап 1 Расчет параметров рабочего тела ……………………………………....6

Этап 2 Процесс впуска …………………………………………………………..9

Этап 3 Процесс сжатия …………………………………………………………10

Этап 4 Процесс сгорания ……………………………………………………….13

Этап 5 Процесс расширения и выпуска ……………………………………….14

Этап 6 Индикаторные показатели расчетного цикла …………………………15

Этап 7 Эффективные показатели двигателя …………………………………..16

Этап 8 Основные параметры  цилиндра и двигателя ………………………….17

Этап 9 Построение индикаторной диаграммы ………………………………..18

2 Построение внешней  скоростной характеристики двигателя ……………...23

3 Расчет кинематики кривошипно-шатунного механизма …………………...26

3.1 Перемещение поршня ………………………………………………………26

3.2 Скорость поршня ……………………………………………………………26

3.3 Ускорение поршня …………………………………………………………..26

4 Расчет динамики кривошипно-шатунного  механизма ……………………..27

4.1 Сила давления газов ………………………………………………………...27

4.2 Приведение масс частей КШМ …………………………………………….27

4.3 Удельные и полные силы инерции ………………………………………..28

4.4 Суммарные силы и моменты,  действующие в КШМ …………………….28

4.5 Равномерность крутящего момента и равномерность хода двигателя ….29

4.6 Расчет маховика ……………………………………………………………..29

5 Расчет и конструирование основных  групп деталей двигателя ……………30

5.1 Расчет поршневой  группы ………………………………………………….30

Расчет поршня бензинового  двигателя ………………………………………..30

Расчет поршневого кольца ……………………………………………………..30

Расчет поршневого пальца ……………………………………………………..31

5.2 Расчет шатунной  группы …………………………………………………...32

Расчет поршневой головки  шатуна ……………………………………………32

Расчет кривошипной головки  шатуна …………………………………………32

Расчет стержня шатуна …………………………………………………………33

Расчет шатунного болта ………………………………………………………...34

5.3 Расчет масляного насоса ……………………………………………………34

5.4 Расчет элементов  системы охлаждения …………………………………...35

Расчет жидкостного  насоса …………………………………………………….35

Расчет жидкостного  радиатора ………………………………………………...35

Расчет вентилятора ……………………………………………………………...36

Заключение………………………………………………………………………37

Список использованной литературы …………………………………………..38

 

Введение

 

Основой любого транспортного  средства, в том числе наземного, является силовая установка – двигатель, преобразующий различные виды энергии в механическую работу.

Принципы преобразования тепловой энергии топлива в механическую работу являются одинаковыми для  всех поршневых двигателей. Рабочий  цикл любого поршневого двигателя состоит из семи последовательно протекающих процессов: заполнения цилиндра двигателя свежим зарядом; приготовления топливовоздушной смеси; сжатия топливовоздушной смеси (или воздуха); воспламенения смеси; сгорания топливовоздушной смеси; расширения сгоревшей смеси (рабочий ход); выпуска отработавших газов. При этом последовательность протекания процессов зависит от места приготовления топливовоздушной смеси – вне цилиндра (двигатель с внешним смесеобразованием), или непосредственно в цилиндре (двигатель с внутренним смесеобразованием).

Теория двигателей внутреннего  сгорания основана на использовании  термодинамических зависимостей и  приближения их к действительным условиям путем учета реальным факторов. Поэтому глубокое изучение теоретических циклов, основанное на знании термодинамики, является необходимым условием успешного изучения процессов, происходящих в цилиндрах реальных автомобильных и тракторных двигателей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Тепловой расчет ДсИЗ

Рассчитать четырехтактный карбюраторный двигатель. Назначение: легковой (грузовой) автомобиль. Мощность двигателя N_e при частоте вращения коленчатого вала n, числе цилиндров i = 4 с рядным расположением. Система охлаждения жидкостная закрытого типа. Степень сжатия ε.

Исходные данные:

Двигатель карбюраторный  для легкового автомобиля.

N = N_e = 56,0 кВт – эффективная мощность

n = n_N = 5500 мин^-1 – частота вращения коленчатого вала при N_e

 

Двигатель четырехцилиндровый i = 4 с рядным расположением цилиндров. Система охлаждения жидкостная закрытого типа.

Степень сжатия ε = 7,5

Тепловой  расчет выполняется для основных скоростных режимов:

1) режим минимальной  частоты вращения, обеспечивающий  устойчивую работу двигателя, мин^-1:

n_min = 600…1000;

Принимаем n_min = 1000 мин^-1.

2) режим максимального крутящего момента, мин^-1:

n_M = (0,4…0,6)n_N;

Принимаем n_M = 0,6∙5500=3300 мин^-1.

3) режим номинальной (максимальной) мощности n_N, мин^-1;

4) режим максимальной  скорости движения автомобиля, мин^-1:

n_max = (1,05…1,20)n_N.

Принимаем n_max = 1,09∙5500=6000 мин^-1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Этап 1 Расчет параметров рабочего тела

 

1.1 Выбор топлива проводится  в соответствии с заданной  степенью сжатия: при ε = 7,5 октановое число равно 74.

Марка бензина принимается по таблице 1 из условия минимального содержания свинца и серы.

Таблица 1 – Бензины  для ДсИЗ по ГОСТ 2084-77 и ГОСТ Р 51105-97

Показатели	А-72	А-76		Нормаль-80		АИ-91	Регу-ляр-91	АИ-93	АИ-95	Премв-ум-95	Супер 98
		неэтили-рованный	этилированный
Детонационная стойкость: октановое число, не менее:    моторный метод   исследовательский метод	72	76	76	76		82,5	82,5	85	83	85	88
	не нормируется			80		81	91	93	95	95	98
Массовое    содержание    свинца, г/дм3, не более	0,013	0,013	0,17	0,010		0,013	0,010	0,013	0,013	0,010	0,010
Содержание марганца, мг/дм3, не более	—	—	—	50		—	18	—	—	—	—
Содержание  фактических  смол, мг/100 см3, не более	5,0
Индукционный период бензина, мин, не менее	600	1200	900	360	900		360	1200	900	360	360
Массовая доля серы, %, не более	0,10	. 0,10	0,10	0,05	0,10		0,05	0,10	0,10	0,05	0,05
Объемная доля бензола, %, не более	—	—	—	5	—		5	—	—	5	5
Плотность при 15 °С, кг/м3	—	—	. —	700—750	. ■—-		725-780	—	—	750-780
Фракционный состав: температура начала перегонки бензина, °С, не ниже:         летнего зимнего	35	35	35		35			35	30
	не нормируется

 

При ε = 7,5 можно использовать бензин Нормаль-80.

 

1.2 Средний элементный  состав бензина принимается по таблице 2.

Таблица 2 – Средний  элементный состав жидких топлив для ДВС в массовых долях.

 

Жидкое топливо	Содержание, кг
	Углерода gC	Водорода gН	Кислорода gО
Бензин	0,855	0,145	-
Дизельное топливо	0,870	0,126	0,004

 

Принимаем: g_С=0,855; g_H=0,145.

Молекулярная масса  бензина μ_Т=115 кг/моль.

Низшая теплота сгорания бензина Н_u = 43,930 МДж/кг (Н_u=44). [1, стр.105]

 

1.3 Параметры рабочего  тела:

Теоретически необходимое  количество воздуха, кмоль/кг для сгорания 1кг топлива:

;

Теоретически необходимое  количество воздуха, кг возд./кг для  сгорания 1кг топлива:

.

 

1.4 Коэффициент избытка  воздуха, при котором обеспечивается  мощностной и экономический состав  смеси с минимальной токсичностью  продуктов сгорания, принимается  для двигателей с современными  двухкамерными карбюраторами по  рисунку 1:

α = 0,95 … 0,98 – на основных режимах;

α = 0,8 … 0,86 – на минимальной  частоте вращения.

Принимаем: α = 0,96; α_{n min} = 0,86.

Рисунок 1 – Исходные параметры для теплового расчета  карбюраторного двигателя.

 

1.5 Количество горючей  смеси (требуемое количество свежего заряда), кмоль/ кг топл.:

1.6 Количество отдельных  компонентов продуктов неполного  сгорания жидкого топлива:

а) Углекислого газа, кмоль СО₂/кг топл.:

;

где К – постоянная величина, зависящая от отношения количества водорода к оксиду углерода, содержащихся в продуктах сгорания (для бензина К = 0,45 … 0,50).

б) Оксида углерода, кмоль  СО/кг топл.:

;

в) Водяного пара, кмоль  Н₂О/кг топл.:

;

г) Водорода, кмоль Н₂/кг топл.:

;

д) Азота, кмоль N₂/кг топл.:

.

 

1.7 Общее количество  продуктов неполного сгорания  жидкого топлива, кмоль пр.сг./кг  топл.:

1.8 Относительное изменение объема при сгорании характеризуется величиной химического коэффициента молекулярного изменения горючей смеси, который представляет собой отношение количества молей продуктов сгорания к количеству молей горючей смеси:

 

1.9 Давление и температура окружающей среды при работе двигателей без наддува р_k=р₀=0,1 МПа и Т_k=Т₀=293 К.

 

1.10 Температура остаточных газов  принимается в зависимости от  n и α для расчетных режимов по графикам рисунка 1.

При n_N = 5500 мин^-1

Т_r = 1060 К.

 

1.11 Давление остаточных газов при номинальном скоростном режиме n_N:

МПа

 

Давление остаточных газов р_r, МПа при остальных скоростных режимах:

,

Где ;

При n_N = 5500 мин^-1:

 

Этап 2 Процесс  впуска

 

2.1 Температура подогрева  свежего заряда для ДсИЗ принимается  в пределах ∆Т = 0 … 20⁰С. С целью получения хорошего наполнения двигателей на номинальных скоростных режимах принимается ∆Т_N=8⁰С для карбюраторного двигателя.

Тогда на остальных режимах значение ∆Т рассчитывается по формуле:

Где

 

2.2 Плотность заряда на впуске, кг/м³:

Где R_В = 287 Дж/(кг∙град) – удельная газовая постоянная для воздуха.

 

2.3 Потери давления за счет  сопротивления впускной системы  и затухания скорости заряда  в цилиндре при средней скорости  заряда в клапанной щели рассчитывается  по формуле:

Где β – коэффициент затухания  скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра; ζ_вп – коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенной к наиболее узкому ее сечению; ω_вп – средняя скорость движения заряда в клапанной щели.

По опытным данным в современных  автомобильных двигателях на номинальном режиме (β²+ζ_вп) = 2,5 … 4,0; ω_вп = 50 … 130 м/с.

При n = n_N = 5500 мин^-1 и качественной обработке внутренней поверхности впускной системы можно принять (β²+ζ_вп) = 2,8; ω_вп = 95 м/с.

 

2.4 Давление в конце впуска, МПа:

;

При n = n_N = 5500 мин^-1

р_а=0,1-0,0150=0,0850.

 

2.5 Коэффициент остаточных  газов, характеризующий качество  очистки цилиндра от продуктов  сгорания:

Где φ_оч = 1,0 – коэффициент очистки для ДсИЗ без наддува; φ_доз – коэффициент дозарядки, определяемый по рисунку 1 в зависимости от скоростного режима n.

При n = n_N = 5500 мин^-1 φ_доз = 1,10.

При наддуве величина коэффициента остаточных газов снижается.

 

2.6 Температура в конце  впуска:

.

 

2.7 Коэффициент наполнения  для четырехтактовых двигателей:

,

При работе с полной нагрузкой  для автомобилей карбюраторных  двигателей коэффициент наполнения изменяется в пределах 0,70 … 0,90.

 

 

Этап 3 Процесс сжатия

 

3.1 Условно принимается,  что процесс сжатия в действительном  цикле происходит по политропе  с переменным показателем политропы n₁, но для расчетов принимается показатель политропы постоянным со средним значением n₁=const, несколько меньшим, чем средний показатель адиабаты сжатия k₁ для карбюраторных двигателей.

Средний показатель адиабаты сжатия определяется в зависимости  от ε и Т_а по номограмме на рисунке 2.

При ε = 7,5 и Т_а = 342 К находим k₁ = 1,3781. Принимаем n₁ = 1,378.

 

3.2 Давление в конце сжатия:

 

3.3 Температура в конце  сжатия:

.

 

 

 

Рисунок 2 – Номограмма для определения показателя адиабаты сжатия k_1.

 

3.4 Средние мольные теплоемкости, кДж/(кмоль∙град), в конце сжатия для температур от 0 до 1500⁰С рассчитываются по формулам:

а) свежей смеси (воздуха):

где t_с = Т_с – 273⁰C – температура смеси в конце сжатия.

t_с = 732 – 273 = 459

Б) остаточных газов  - определяется методом интерполяции по таблице 3.

 Таблица 3 – Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания кДж/(кмоль∙град) бензина.

 

где 23,586 и 23,712 – значения теплоемкостей  при 400⁰С соответственно для α = 0,95 и α = 1,00.

где 24,014 и 24,150 – значения теплоемкостей при 500⁰С соответственно для α = 0,95 и α = 1,00.

в) Рабочей смеси:

 

Этап 4 Процесс  сгорания

Процесс сгорания – основной процесс рабочего цикла двигателя, в течение которого теплота, выделяющаяся вследствие сгорания топлива, идет на повышение внутренней энергии рабочего тела и на совершение механической работы.

4.1 Коэффициент молекулярного  изменения рабочей смеси:

 

4.2 Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания из-за недостатка кислорода, кДж/кг:

.

 

4.3 Теплота сгорания  рабочей смеси, кДж/кмоль:

 

4.4 Средняя мольная  теплоемкость продуктов сгорания, кДж/кмоль град:

 

Средние мольные теплоемкости отдельных газов (СО₂, СО и т.д.) рассчитываются по эмпирическим следующим формулам для интервала температур от 1501 до 2800⁰С.

Углекислый газ СО₂:

 

4.5 Коэффициент использования теплоты ξ_z выбирается по экспериментальным зависимостям от скоростного режима для соответствующего типа двигателя:

При n = n_N = 5500 мин^-1 по рисунку 1 ξ_z = 0,910.

 

4.6 Температура в конце  видимого процесса сгорания определяется  из уравнения сгорания топлива с подводом теплоты при V=const:

которое приводится к  уравнению второго порядка вида где А, В и С – числовые значения известных величин.

 

4.7 Максимальное давление сгорания  теоретическое, МПа:

 

4.8 Максимальное давление сгорания  действительное, МПа:

 

4.9 Степень повышения давления:

Для бензиновых двигателей λ = 3,2 … 4,2.

 

Этап 5 Процесс  расширения и впуска

 

5.1 Для упрощения расчетов кривая  процесса расширения принимается  за политропу с показателем  n₂=const. Величина n₂ незначительно в меньшую сторону отличается от показателя адиабаты k₂. Поэтому n₂ оценивается по k₂ для соответствующих значений ε, α и Т_z.

Определяется k₂ по номограмме на рисунке 3: по ε и Т_z определяют точку, которой соответствует значение k₂ при α =1,0. Чтобы найти значение k₂ при заданном α, необходимо полученную точку перенести по горизонтали на вертикаль, соответствующую α=1,0. Далее параллельно вспомогательным кривым перенести ее до вертикали, соответствующей заданному значению α.

При ε = 7,5, α = 0,96, Т_z = 2820 К по рисунку 3 определено k₂ = 1,2516.

Принимаем n₂ = 1,251.

 

5.2 Давление и температура  в конце процесса расширения:

 

 

Рисунок 3 – Номограмма для определения показателя адиабаты расширения k₂ для бензинового двигателя.

 

5.3 Проверка ранее принятой (п.1.10) температуры газов Т_r (погрешность расчета).

где - расчетная температура остаточных газов, К.

 

Этап 6 Индикаторные показатели расчетного цикла

 

6.1 Теоретическое среднее  индикаторное давление двигателя, работающего по циклу с подводом теплоты при V = const, МПа:

.

 

6.2 Коэффициент полноты  диаграммы, учитывающей уменьшение  площади расчетной диаграммы  за счет скругления с точках  с, z, в, принимается по рекомендации для карбюраторных двигателей φ_u=0,94 …0,97.

Принимаем φ_u=0,97.

 

6.3 Среднее индикаторное  давление:

 

6.4 Индикаторный КПД,  учитывающий все тепловые потери  действительного цикла:

В современных автомобильных карбюраторных двигателях

η_i = 0,30 …0,40.

 

6.5 Индикаторный удельный  расход топлива:

В современных автомобильных  карбюраторных двигателях в номинальном  режиме g_i = 210 … 275 г/(кВт∙ч).

 

Этап 7 Эффективные  показатели двигателя

 

7.1 Для современных  бензиновых двигателей рекомендуется  отношение S/D = 0,8 … 1,1, где S – ход поршня, D – диаметр поршня. Для бензиновых ДВС легковых автомобилей рекомендуется D = 60 … 100 мм, грузовых D = 70 … 110 мм.

Критерий быстроходности автомобильных двигателей v_Пср≥6,5 – средняя скорость поршня, м/с. Рекомендуется [1] для бензиновых легковых двигателей v_Пср = 12 … 20 м/с.

Принимаем для двигателей с числом цилиндров i ≤ 6 отношение S/D ≤ 1 и ход поршня S = 78 мм.

7.2 Средняя скорость  поршня:

 

7.3 Средняя давление  механических потерь при i ≤ 6, S/D ≤ 1:

7.4 Средняя эффективное  давление:

 

7.5 Механический КПД:

По опытным данным механический КПД для бензиновых двигателей, работающих на номинальном режиме, изменяется в следующих пределах: 0,75 – 0,92.

 

7.6 Эффективный КПД:

Эффективный КПД двигателя  при номинальном режиме для бензиновых двигателей изменяется в пределах 0,25 – 0,38.

 

7.7 Эффективный удельный  расход топлива:

Для современных автомобильных  и тракторных карбюраторных двигателей эффективный удельный расход топлива  при номинальной нагрузке имеет  значения 230 – 310 г/(кВт∙ч).

 

Этап 8 Основные параметры цилиндра и двигателя

 

8.1 Литраж двигателя:

 

8.2 Рабочий объем одного  цилиндра:

 

8.3 Диаметр цилиндра:

Принимаем D = 78 мм и S = 78 мм.

 

8.4 Основные параметры и показатели двигателя по окончательно принятым значениям D и S представлены в таблице 4.

Таблица 4 – Расчетные  параметры и показатели двигателя

Параметры		Расчетная формула	Значение
Частота вращения	n, мин-1	n=nN	5500
Площадь поршня	FП, см2	πD2/(4∙100)	47,76
Литраж поршня	Vл, л	πD2Si/(4∙106)	1,490
Мощность двигателя	Nе, кВт	peVлn/30τ	56,87
Литровая мощность двигателя	Nл, кВт/л	Ne/Vл	38,17
Крутящий момент	Ме, Н∙м	3∙104Nе/πn	98,8
Часовой расход топлива	GТ, кг/ч	Nege∙10-3	17,743

 

Этап 9 Построение индикаторной диаграммы

 

Индикаторная диаграмма  ДсИЗ строится по данным расчета рабочего процесса. Масштаб диаграммы следует  выбирать по соотношения высоты к  основанию 1,2:1,0 для карбюраторных  двигателей.

На оси абсцисс откладывается  отрезок АВ, соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня S в масштабе M_S. Рекомендуется M_S = 1,0; M_S = 1,5; M_S = 2,0 мм/мм.