Федеральное агентство по образованию (Рособразование)

Архангельский государственный технический университет

Транспортных машин

(наименование кафедры)

Клепиковский Сергей Евгеньевич

(фамилия, имя, отчество студента)

Факультет

МФ

курс

3

группа

361

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

11.1.2.08.КП.07А.00.00.00ПЗ

По дисциплине

Автомобильные двигатели

На тему

Расчет бензинового ДВС

(наименование темы)

Работа допущена к защите

(подпись руководителя)

(дата)

Признать, что работа

выполнена и защищена с оценкой

Руководитель

Лебедев В.Д.

(должность)

(подпись)

(и.,о., фамилия)

(дата)

Архангельск

2009

ЛИСТ ЗАМЕЧАНИЙ

Реферат

В данном курсовом проекте производится расчет двигателя ЗИЛ -130.

Курсовой проект состоит из пояснительной записки и графической части.

В пояснительной записке курсового проекта приведен поэтапный расчет двигателя, на основе некоторых данных прототипа двигателя. Приведен тепловой расчет и составление теплового баланса, кинематический и динамический расчеты кривошипно-шатуного механизма двигателя, расчет конструктивного узла, на основе которых получены новые конструктивные параметры и конструкция двигателя в целом.

Пояснительная записка содержит 90 страниц печатного текста, формата А4.

Графическая часть содержит 1 лист формата А1 и 9 рисунков с расчетными диаграммами.

CОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ			8
1	ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ
	1.1	Марка топлива	10
	1.2	Понижение давления на впуске	11
	1.3	Коэффициент избытка воздуха	11
	1.4	Давление и температура остаточных газов	11
	1.5	Температура подогрева свежего заряда	12
	1.6	Показатель политропы сжатия	12
	1.7	Коэффициент использования теплоты на участке сгорания	12
	1.8	Показатель политропы расширения	13
	1.9	Средняя скорость поршня	13
2	ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ КАРБЮРАТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ
	2.1	Эффективные показатели двигателя	14
	2.2	Индикаторные параметры рабочего цикла	16
	2.3	Процесс расширения	17
	2.4	Процесс сгорания	19
	2.5	Процесс сжатия	21
	2.6	Процесс впуска	24
	2.7	Параметры окружающей среды и остаточные газы	25
	2.8	Параметры рабочего тела	26
3	ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЦИЛИНДРА И ПОКАЗАТЕЛИ ДВИГАТЕЛЯ
	3.1 Определяем литраж двигателя		28
	3.2 Определяем рабочий объем цилиндра		28
	3.3 Определяем диаметр цилиндра		28
	3.4 Определяем площадь поршня		29
	3.5 Определяем литраж двигателя		29
	3.6 Определяем мощность двигателя		29
	3.7 Определяем литровую мощность двигателя		29
	3.8 Определяем крутящий момент		29
	3.9 Определяем часовой расход топлива		30
	3.10 Сравнение основных размеров и параметров		30
4	Построение индикаторной диаграммы
	4.1 Величины рабочего объема цилиндра и камеры сгорания		31
	4.2 Определяем максимальную высоту диаграммы		31
	4.3 Определяем ординаты характерных точе		32
	4.4 Построение политроп сжатия и расширения		32
	4.5 Отмечаем основные точки фаз газораспределения		33
	4.6 Построение индикаторной кривой		34
	4.7 Определение погрешность построения		36
5	Построение внешней скоростной характеристики
	5.1 Определяем мощность в расчетных точках		37
	5.2 Определяем эффективный крутящий момент		37
	5.3 Определяем среднее эффективное давление		37
	5.4 Определяем среднее давление механических потерь		38
	5.5 Определяем среднее индикаторное давление		38
	5.6 Определяем индикаторный крутящий момент		38
	5.7 Определяем удельный эффективный расход топлива		38
	5.8 Определяем часовой расход топлива		38
	5.9 Определяем коэффициент наполнения		38
	5.10 Определяем коэффициент приспособляемости		39
6	Тепловой баланс ДВИГАТЕЛЯ
	6.1	Определяем общее количество теплоты	41
	6.2	Определяем теплоту, эквивалентную эффективной работе	41
	6.3	Определяем теплоту, передаваемую охлаждающей среде	41
	6.4	Определяем теплоту, унесенную с отработавшими газами	42
	6.5	Определяем теплоту, теряемую вследствие неполноты сгорания топлива	42
	6.6	Определяем неучтенные потери теплоты	42
	6.7	Определяем абсолютные значения параметров и тепловой баланс	42
7	Кинематический расчет
	7.1	Выбор длины шатуна Lш и 	44
	7.2	Определяем перемещение поршня	44
	7.3	Определяем угловую скорость вращения коленчатого вала	45
	7.4	Определяем скорость поршня	45
	7.5	Определяем ускорение поршня	45
	7.6 Построение графиков пути, скорости и ускорения поршня		45
8	Динамический расчет
	8.1	Развертка индикаторной диаграммы	48
	8.2	Приведение масс частей КШМ	48
	8.3	Силы инерции вращающихся частей КШМ	50
	8.4	Удельные суммарные силы	50
	8.5	Построение графиков	52
	8.6	Определяем среднее значение тангенциальной силы за цикл	57
9	КРУТЯЩИЕ МОМЕНТЫ
	9.1	Определяем крутящий момент одного цилиндра	58
	9.2	Определяем крутящий момент двигателя	59
	9.3	Суммирование значений крутящих моментов	59
	9.4	Средний крутящий момент двигателя	62
	9.5	Максимальный и минимальный крутящие моменты	62
10	СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ШАТУННУЮ ШЕЙКУ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА
	10.1	Диаграмма износа шатунной шейки	63
	10.2	По развернутой диаграмме определяют , , ,	63
	10.3	Результирующая сила	67
	10.4	Суммарная сила, действующая на шатунную шейку по радиусу кривошипа	68
11	ХАРАКТЕРИСТИКА КОНСТРУКТИВНОГО УЗЛА		68
12	12 РАСЧЕТ КОНСТРУКТИВНОГО УЗЛА
	12.1	Расчетная схема шатунной группы	70
	12.2	Расчет поршневой головки	71
	12.3	Расчет кривошипной головки шатуна	79
	12.4	Расчет стержня шатуна	81
	12.5	Расчет шатунных болтов	85
	СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ		90

ВВЕДЕНИЕ

Прогресс в автомобильной промышленности, дальнейшее увеличение грузооборота автомобильного транспорта предусматривает не только количественный рост автопарка, но и значительное улучшение использования имеющихся автомобилей, повышение культуры эксплуатации, увеличение межремонтных сроков службы.

В области развития и совершенствования автомобильных двигателей основными задачами являются: расширение использования дизелей, снижение топливной экономичности и удельной массы двигателей, стоимости их производства и эксплуатации.

На принципиально новый уровень ставится борьба с токсичными выбросами двигателей в атмосферу, а также задачи по снижению шума и вибрации в процессе их эксплуатации. Значительно больше внимания уделяется использованию электронно-вычислительных машин при расчетах и испытаниях двигателей. В настоящее время вычислительная техника широко используется на моторостроительных заводах, в научно-исследовательских центрах, конструкторских и ремонтных организациях, а также в высших учебных заведениях.

Современные автотракторные двигатели отличаются приемлемыми мощностными и экономическими показателями, достаточной надежностью и долговечностью. Однако дальнейшее повышение эффективности использования автомобилей и тракторов требует совершенствования их силовых установок, что невозможно без глубоких знаний конструкции, процессов, сопровождающих работу автотракторного двигателя, и расчета его элементов.

Знание рабочих процессов, основ конструирования и расчета деталей двигателя необходимо не только конструкторам и исследователям, создающим силовые установки, но и техническому персоналу, эксплуатирующему и ремонтирующему их.

Задачей настоящего курсового проекта является рассмотрение методики выполнения теплового и динамического расчетов двигателя и ознакомление с основными сведениями, необходимыми для конструирования и расчета деталей, узлов и двигателя в целом. Исходные данные для выполнения работы используются из задания «Теория автомобиля и трактора». Курсовая работа включает расчётно-графический материал и конструкторскую часть (продольный и/или поперечный разрез двигателя).

Методика изложения материала отдельных разделов максимально адаптирована к современным способам анализа работоспособности, а также термической и динамической нагруженности элементов двигателя с использованием ЭВМ.

1 Выбор и обоснование исходных данных

Исходными данными для теплого расчёта являются: прототип ДВС, максимальная эффективная мощность рассчитываемого ДВС при частоте вращения коленчатого вала , число цилиндров и вид топлива. Кроме того, необходимо выбрать и обосновать, используя настоящие методические указания и рекомендуемую литературу, ряд исходных данных, которые существенно влияют на результаты теплового расчёта. Рассчитываемый ДВС должен, как правило, иметь лучшие технико-экономические показатели (топливная экономичность, удельная литровая мощность, удельная масса и др.), чем прототип. Поэтому особое внимание, учитывая тенденции развития ДВС, необходимо уделить выбор и обоснованию степени сжатия , коэффициента избытка воздуха, способа смесеобразования, отношения хода поршня к диаметру цилиндра .

1. Марка топлива

Двигатель прототип ЗИЛ-130 является карбюраторным, соответственно для рассчитываемого двигателя, в соответствии со степенью сжатия, применяем бензин АИ-91. Элементарный состав топлива, характеризуется содержанием углерода С и водорода Н , средней молярной массой и низшей теплотой сгорания (таблица 1.1).

Таблица 1.1– Элементарный состав бензина

Топливо	Элементарный состав		Средняя молярная масса, кг/моль	Низшая теплота сгорания, МДж/кг
	С	Н
Бензин АИ-91	0,855	0,145	115	43,93

2. Понижение давления на впуске

Понижение давления при движении заряда во впускной системе пропорционально квадрату скорости газа в сечении с наименьшей площадью и зависит от суммарного коэффициента сопротивления впускной системы и средней скорости движения заряда.

Средняя скорость воздуха в проходных сечениях впускных клапанов в бензиновых двигателях = 50 … 100 м/с. По опытным данным суммарный коэффициент сопротивления впускной системы на номинальном режиме составляет =2,5 … 4,0. Большие значения показателей соответствуют высокооборотистым двигателям.

В соответствии со скоростным режимом п_N = 3300 мин^-1 для карбюраторного двигателя принимаем = 95 м/с, = 2,8.

3. Коэффициент избытка воздуха

Величина коэффициента избытка воздуха оказывает большое влияние на характер протекания рабочего процесса ДВС, его мощность, экономичность и КПД. Для карбюраторных двигателей с внешним смесеобразованием в камерах карбюратора, в связи с тем, что карбюратор обеспечивает получение почти идеального состава смеси по скоростной характеристике, а также, с возможность применения двухкамерных карбюраторов, коэффициент избытка воздуха намеренно делают меньше 1, то есть намеренно делают смесь обедненной ( ).

Это приводит к повышению экономичности и снижению токсичности продуктов сгорания, увеличению литровой мощности ДВС. Принимаем на основных режимах, а на режимах минимальной частоты вращения .

4. Давление и температура остаточных газов

После завершения каждого цикла в цилиндре двигателя остаются продукты сгорания (остаточные газы), давление которых р_r и температура T_r зависят от сопротивления выпускного тракта, фаз газораспределения и быстроходности двигателя.

Давление остаточных газов можно принять по формуле 1, а температуру для бензинового двигателя T_r = 900 … 1000 K..

р_r = (1,05 … 1,25)P₀ (1.1)

В соответствии с частотой вращения коленчатого вала n = 5500 мин^-1 для карбюраторного двигателя принимаем р_r = 0,118 МПа, а T_r определяем по диаграмме исходных параметров для теплового расчета карбюраторного двигателя [1,рисунок 5.1] и принимаем T_r= 1015 К.

5. Температура подогрева свежего заряда

Зависит от наличия специального подогрева стенок впускных каналов и теплового состояния двигателя. Повышение температуры улучшает процесс испарения топлива, но снижает плотность заряда, что отрицательно сказывается на наполнении цилиндра. Эти два противоположных фактора учитываются при установлении величины подогрева заряда.

В зависимости от типа двигателя значения ΔT принимают для бензиновых двигателей ΔT = 5 … 20˚К.

Принимаем ΔT = 5˚К.

6. Показатель политропы сжатия

Расчет параметров заряда в процессе сжатия проводится по условному среднему за процесс показателю политропы сжатия n₁. Показатель политропы сжатия принимаем для бензинового двигателя по номограмме [1, рисунок 4.4] для определения показателя n₁.Принимаем n₁ = 1,3784

7. Коэффициент использования теплоты на участке сгорания

Учитывает потери теплоты от теплопередачи к стенкам цилиндров в период сгорания топлива и потери от диссоциации продуктов сгорания (внутренние потери). По опытным данным величина ξ_Z на режиме полной мощности для бензиновых двигателей изменяется в пределах ξ_Z = 0,85 … 0,95 и определяется по диаграмме исходных параметров для теплового расчета карбюраторного двигателя, рисунок 5.1 [1, стр.106].

Принимаем ξ_Z = 0,93

8. Показатель политропы расширения

Расчет параметров процесса расширения проводится по уравнениям политропического процесса с усредненным показателем политропы расширения n₂. Показатель политропы для бензинового двигателя по номограмме рисунок 4.8 [1,стр.82] для определения показателя n₂.

Принимаем n₂ = 1,2524.

9. Средняя скорость поршня

Является критерием быстроходности двигателя. С увеличением скорости поршня возрастают механические потери и износ деталей КШМ, но одновременно возрастает и литровая мощность двигателя. Поэтому с учетом разных факторов среднюю скорость поршня принимаем для бензинового двигателя легкового автомобиля по прототипу V_n.ср = 10,45 м/с.

2 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ КАРБЮРАТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ

При проведении теплового расчета выбирают 4 основных режима. Расчет ведут по режиму номинальной мощности, для остальных режимов окончательные значения рассчитываемых параметров приводятся в табличной форме. Для бензиновых двигателей такими режимами являются:

режим минимальной частоты вращения об/мин, обеспечивающий устойчивую работу двигателя;

режим максимального крутящего момента при об/мин;

режим максимальной (номинальной ) мощности при об/мин;

режим максимальной скорости движения автомобиля при об/мин;

2.1 Параметры рабочего тела

2.1.1 Определяем теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, в кмоль, по формулам :

, (2.1)

кмоль.

, (2.2)

кг.

2.1.2 Определяем количество горючей смеси, в кмоль/кг, по формуле:

, (2.3)

где - коэффициент избытка воздуха, в соответствии с пунктом 1.3; кмоль/кг.

2.1.3 Определяем количество отдельных компонентов продуктов сгорания при К= 0,5 и принятых скоростных режимах, в кмоль/кг, по формулам:

, (2.4)

кмоль/кг.

, (2.5)

кмоль/кг.

, (2.6)

кмоль/кг.

, (2.7)

кмоль/кг.

, (2.8)

где К – коэффициент, зависящий от отношения М_Н2 к М_СО, К = 0,5;

кмоль/кг.

2.1.4 Определяем общее количество продуктов сгорания, кмоль/кг:

, (2.9)

кмоль/кг.

Для остальных режимов окончательные значения рассчитываемых параметров приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Параметры рабочего тела

Параметры	Значения параметров для рассчитываемого двигателя
	800	1900	3300	3950
	0,86	0,96	0,96	0,96
	0,4525	0,5041	0,5041	0,5041
	0,0512	0,0655	0,0655	0,0655
	0,0200	0,0057	0,0057	0,0057
	0,0625	0,0696	0,0696	0,0696
	0,0100	0,0029	0,0029	0,0029
	0,3515	0,3923	0,3923	0,3923
	0,4952	0,5360	0,5360	0,5360

2.2 Параметры окружающей среды и остаточные газы

2.2.1 Определяем давление и температуру окружающей среды при работе двигателя:

МПа,

К.

2.2.2 Ранее принятое давление остаточных газов, МПа:

, (2.10)

МПа.

2.2.3 Определяем величину давления на остальных режимах работы двигателя по формуле:

, (2.11)

где (2.12)

при об/мин,

.

2.3 Процесс впуска

2.3.1 Определяем плотность свежего заряда на впуске, в кг/м³ , по формуле:

, (2.13)

где	Р0 – давление окружающего воздуха, Р0 = 0,1 МПа;
Т0 – температура окружающего воздуха, Т0 = 293 К;
RВ – газовая постоянная, для воздуха RВ = 287 Дж/(мольּК); кг/м3.

2.3.2 Определяем потери давления на впуске, в МПа, по формуле:

, (2.14)

где	- суммарный коэффициент сопротивления впускной системы,
= 2,8;
- средняя скорость движения заряда в проходном сечении клапана,
= 95 м/с; МПа.

2.3.3 Определяем давление в конце впуска, в МПа, по формуле:

, (2.15)

МПа.

2.3.4 Определяем коэффициент остаточных газов по формуле:

, (2.16)

где	– коэффициент очистки на номинальном режиме, = 1;
– коэффициент дозарядки на номинальном режиме, определяемый из диаграммы исходных параметров для теплового расчета карбюраторного двигателя, рисунок 5.1 [1, стр.106]. Принимаем = 1,03; .

На остальных режимах значения получаем аналогичным способом.

2.3.5 Определяем температуру в конце впуска, в К, по формуле:

К, (2.17)

К.

Величина в основном зависит от температуры свежего заряда , степени подогрева и в меньшей степени от температуры остаточных газов .

2.3.6 Определяем коэффициент наполнения по формуле:

, (2.18)

.

Для остальных режимов окончательные значения рассчитываемых параметров приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Параметры процесса впуска

Параметры	Значения параметров для рассчитываемого двигателя
	800	1900	3300	3950
	0,86	0,96	0,96	0,96
	900	965	1015	1200
	0,104	0,108	0,118	0,124
	7,3	6,3	5,0	4,4
	0,001	0,005	0,015	0,027
	0,099	0,095	0,085	0,073
	0,92	0,975	1,03	1,045
	0,065	0,063	0,070	0,075
	337,00	338,44	344,91	360,26
	0,868	0,877	0,811	0,676

2.4 Процесс сжатия

2.4.1 Определяем давление в конце сжатия, в МПа, по формуле:

МПа, (2.19)

где	n1 – средний показатель политропы сжатия, n1 = 1,3784; МПа.

2.4.2 Определяем температуру в конце сжатия, в К, по формуле:

, (2.20)

К.

2.4.3 Определяем cсреднюю мольную теплоемкость свежей смеси в конце сжатия в интервале температур от 0 до 1500 ˚С при V = const по формуле:

, (2.21)

где ;

кДж/(кмоль * град).

2.4.4 Определяем среднюю мольную теплоемкость остаточных газов в конце сжатия методом интерполяции по формуле:

, (2.22)

где - средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания бензина, кДж/(кмоль • град), при и температуре , определяемая методом интерполяции по значениям из таблицы 3.8 литературного источника [1, стр. 59];

кДж/(кмоль • град);

- средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания бензина, кДж/(кмоль • град), при и температуре , также определяемая методом интерполяции по значениям из таблицы 3.8 литературного источника [1, стр. 59];

кДж/(кмоль • град);

кДж/(кмоль • град).