Тепловой расчет автомобильного двигателя

Тепловой расчет автомобильного двигателя

Тепловой расчет автомобильного двигателя

Введение

тепловой расчет автомобильный двигатель

Основой любого транспортного средства, в том числе наземного, является силовая установка - двигатель, преобразующий различные виды энергии в механическую работу. Успешное проектирование, разработка новых конструкций и создание опытных образцов двигателей внутреннего сгорания были в значительной мере обеспечены серьезными научно-исследовательскими работами в области теории рабочего процесса двигателей.

Современные наземные виды транспорта обязаны своим развитием главным образом применению в качестве силовых установок поршневых двигателей внутреннего сгорания. Именно поршневые ДВС до настоящего времени являются основным видом силовых установок, преимущественно используемых на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных, дорожно-транспортных и строительных машинах. Эта тенденция сохраняется сегодня и будет еще сохраняться в ближайшей перспективе.

Целью данного курсового проектирования является расчет проектируемого автомобильного двигателя.

Объектом данного курсового проекта является двигатель внутреннего сгорания карбюраторный с жидкостной системой охлаждения. В ходе выполнения проекта выполнены:

тепловой и динамический расчеты двигателя;

расчеты основных деталей двигателя;

расчет системы жидкостного охлаждения;

конструкторский расчет двигателя.

1 Задание на тепловой расчет

Тип двигателя - газовый;

Давление за компрессором - р0=0,1 МПа

Номинальная мощность - Ne =235 кВт

Номинальная частота вращения - п=1800 мин-1

Число цилиндров - i=8

Степень сжатия- =10

Охлаждение - жидкостное

2 Тепловой расчет рабочего цикла

.1 Рабочее тело и его свойства

.1.1 Топливо

Топливом для рассчитываемого двигателя служит компримированный (сжатый) природный газ. Элементарный состав топлива представлен в таблице А.2.1

Таблица А.2.1 - Химический состав природного газа

Проверка условия ∑ Сn Нm Оr + N2 =1 м3

,91+0,024+0,01+0,003+0,004+0,01+0,039=1 м3

2.1.2 Горючая смесь

Для приготовления горючей смеси используются топливо и воздух. Для полного сгорания топлива необходимо определенное количество воздуха, которое называется теоретически необходимым, и определяется по элементарному составу топлива l0 в кг (возд/кг топл) по формуле

,

или в Lo кмоль возд/кг топл

.

В зависимости от условий работы двигателя на каждую единицу топлива приходится количество воздуха, большее или меньшее теоретически необходимого. Отношение действительного количества воздуха, участвующего в сгорании одного килограмма топлива, к теоретически необходимому количеству воздуха называется коэффициентом избытка воздуха α.

Значение коэффициента α зависит от типа смесеобразования, условий воспламенения и сгорания топлива, а также от режима работы двигателя.

Исходя из вышеуказанных условий принимаем α=1,2.

Действительное количество воздуха L в кмоль возд/кг топл определяется по формуле:

.

Количество горючей смеси М1 в кмоль гор.см/кг топл определяется по формуле:

,

2.1.3 Продукты сгорания

При неполном сгорании топлива продукты сгорания представляют собой смесь углекислого газа СО2, водяного пара Н2О, оксида углерода СО, избыточного кислорода О2 и азота N2.

Количество отдельных составляющих продуктов сгорания в кмоль пр.сг/кг топл определяются по следующим формулам:

;

;

;

,

Общее количество продуктов сгорания М2 неполного сгорания в кмоль пр.сг/кг топл определяется по формуле:

.

Подставив значения в уравнение для расчета М2 получим

Изменение количества молей рабочего тела при сгорании ΔМ в кмоль раб. тело/кг топл определяется по формуле:

.

Относительное изменение количества молей при сгорании горючей смеси характеризуется химическим коэффициентом молекулярного изменения горючей смеси μ0 , который определяется по формуле:

.

.2 Процесс впуска

За период процесса впуска осуществляется наполнение цилиндра свежим зарядом.

2.2.1 Давление и температура окружающей среды

Принимаются значения атмосферного давления и температуры в нормальных (стандартных) условиях: р0=0,1МПа и Т0=293К.

При работе двигателя без наддува в цилиндр поступает воздух из атмосферы. В этом случае при расчете рабочего цикла двигателя давление и температура окружающей среды принимаются р0=0,1МПа и Т0=293К.

Так как расчет ведется для двигателя без наддува, то справедливо условие:

рк=р0 и Тк=Т0.

2.2.2 Давление и температура остаточных газов

В цилиндре двигателя перед началом процесса наполнения всегда содержится некоторое количество остаточных газов, находящихся в объеме камеры сгорания. Величина давления остаточных газов устанавливается в зависимости от числа и расположения клапанов, сопротивлений впускного и выпускного трактов, фаз газораспределения, характера наддува, быстроходности двигателя, нагрузки, системы охлаждения и других факторов.

Для двигателей без наддува давление остаточных газов рr в МПа определяется по формуле:

В зависимости от типа двигателя, степени сжатия, частоты вращения и коэффициента избытка воздуха выбираем значение температуры Тr остаточных газов из следующих пределах:

для карбюраторных .

принимаем из условия, что при увеличении степени сжатия и обогащении рабочей смеси температура остаточных газов снижается, а при увеличении частоты вращения - возрастает.

2.2.3 Степень подогрева заряда

В процессе наполнения температура свежего заряда несколько увеличивается на величину ΔТ благодаря подогреву от нагретых деталей двигателя.

Значение ΔТ принимаем из следующих пределов:

- для карбюраторных двигателей.

Принимаем .

2.2.4 Давление в конце впуска

Величина давления в конце впуска ра в МПа определяется по формуле:

,

где - потери давления во впускном трубопроводе, МПа.

Потери давления во впускном трубопроводе Δр в МПа определяется по формуле:

,

где - коэффициент, учитывающий гидравлическое сопротивление впускного тракта;

- коэффициент затухания скорости заряда в цилиндре;

- средняя скорость движения заряда при максимальном открытии клапана, м/с;

ρ- плотность заряда на впуске, кг/.

При средней скорости заряда величину принимаем в пределах 2,5…4.

Плотность заряда на впуске ρк в кг/м³ определяем по формуле:

.

где Rв=287 - удельная газовая постоянная воздуха, Дж/(кг·град).

Подставим значения в формулу для расчета ра

.

2.2.5 Коэффициент и количество остаточных газов

Коэффициент остаточных газов γr для четырехтактных двигателей внутреннего сгорания определяем по формуле:

Количество остаточных газов Мr в кмоль ост.газов/кг топл определяется по формуле:

.

2.2.6 Температура в конце впуска

Температура в конце впуска Та в градусах Кельвина (К) определяется по формуле:

.

2.2.7 Коэффициент наполнения

Для четырехтактных двигателей без учета продувки и дозарядки коэффициента наполнения ην определяется по формуле:

Полученные результаты заносим в таблицу 1.

Таблица 1 - Значения параметров процесса впуска

2.3 Процесс сжатия

.3.1 Показатель политропы сжатия

Учитывая, что теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра за процесс сжатия незначителен, то величину n1 (показатель политропы сжатия) можно оценить по среднему показателю адиабаты сжатия k1 по следующей формуле:

.

Значение k1 определяется в зависимости от температуры Та и степени сжатия ε по аппроксимирующей формуле:

.

2.3.2 Давление и температура конца процесса сжатия

Давление рс в МПа и температура Тс в Кельвинах (К) в конце процесса сжатия определяются из уравнения политропы с постоянным показателем n1

;

.

2.3.3 Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси в конце сжатия

Рабочая смесь состоит из свежей смеси и остаточных газов.

Температура конца процесса сжатия tс в градусах Цельсия (°С)

.

Средняя мольная теплоемкость свежей смеси в конце сжатия принимается равной теплоемкости воздуха  кДж;/(кмоль·град), и определяется по формуле:

.

Средняя мольная теплоемкость остаточных газов в конце сжатия  в кДж;/(кмоль·град) определяется по следующей формуле:

.

Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси  в кДж;/(кмоль·град) определяется по формуле:

.

Рассчитанные параметры заносим в таблицу 2.

Таблица 2 - Значения параметров процесса сжатия

2.4 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.

С целью упрощения термодинамических расчетов ДВС принимают, что процесс сгорания в двигателях с воспламенением от искры происходит по циклу с подводом теплоты при постоянном объеме (V=const).

Целью расчета процесса сгорания является определение температуры и давления в конце видимого сгорания.

2.4.1 Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

Изменение объема при сгорании рабочей смеси учитывает коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси, который определяется по формуле:

.

2.4.2 Температура конца видимого сгорания

Температура газа Tz в конце видимого сгорания определяется с использованием решения уравнения сгорания, которое имеет вид:

,

где 5 - коэффициент использования низшей теплоты сгорания на участке видимого сгорания, который принимается из следующих интервалов значений для карбюраторного двигателя 0,8…0,95;

ΔНu - потеря теплоты вследствие химической неполноты сгорания, кДж/кг, при α<1

;

tz - температура в конце видимого сгорания, °С;

 - средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном объеме. кДж/(кмоль·град). которая определяется по формуле:

,

где , , , , ,  - средние мольные теплоемкости продуктов сгорания при изменении температуры в диапазоне 1501…2800 °С, которые могут быть выражены в зависимости от температуры tz следующими формулами:

;

;

;

;

;

.

Подставим уравнения для средних мольных теплоемкостей продуктов сгорания в уравнение для расчета  и получим следующее выражение:

.

После подстановки всех величин в уравнение сгорания получается квадратное уравнение вида

.

Решим это уравнение и выразим из него tz в градусах Цельсия (°С)

.

Температура Тz в градусах Кельвина (К) определяется по формуле:

.

2.4.3 Степень повышения давления цикла

Степень повышения давления цикла λ для карбюраторных двигателей определяется по формуле:

.

2.4.4 Степень предварительного расширения

Степень предварительного расширения для карбюраторных двигателей .

.4.5 Максимальное давление сгорания

Величина максимального давления рz в МПа в конце сгорания определяется по формуле:

.

Рассчитанные параметры заносим в таблицу 3.

Таблица 3 - Значения параметров процесса сгорания

2.5 Процесс расширения

В результате осуществления процесса расширения происходит преобразование тепловой энергии топлива в механическую работу.

.5.1 Показатель политропы расширения

Так же как и при расчете процесса сжатия для упрощения расчетов кривую процесса расширения принимают за политропу с постоянным показателем n2.

Средний показатель политропы расширения n2 незначительно отличается от показателя адиабаты k2 и может быть определен по следующей формуле:

,

где

2.5.2 Давление и температура конца процесса расширения

Значения давления рb в МПа и температуры Тb в градусах Кельвина (К) в конце процесса расширения определяются по формулам:

,

.

Рассчитанные параметры заносим в таблицу 4.

Таблица 4 - Значения параметров процесса расширения

2.6 Проверка точности выбора температуры остаточных газов

Расчетная температура остаточных газов  в градусах Кельвина (К) определяется по формуле:

.

Ошибка между принятой величиной Tr и рассчитанной , в процентах определяется по формуле:

.

Так как ΔTr < 10%, то расчет продолжаем с учетом прежнего значения Tr.

2.7 Индикаторные показатели рабочего цикла

2.7.1 Среднее индикаторное давление

Среднее теоретическое индикаторное давление - это условное среднее давление, действующее на поршень и равное теоретической работе газов за цикл, отнесенной к рабочему объему цилиндра.

Среднее теоретическое индикаторное давление  в МПа определяется по формуле:

.

Среднее индикаторное давление действительного цикла pi в МПа определяется по формуле:

,

где  - коэффициент полноты индикаторной диаграммы.

2.7.2 Индикаторный КПД

Индикаторный КПД характеризует степень использования теплоты топлива для получения полезной работы в действительном цикле, то есть индикаторный КПД учитывает все тепловые потери действительного цикла.

Индикаторный КПД ηi определяется по формуле:

.

2.7.3 Индикаторный удельный расход топлива

Индикаторный удельный расход топлива gi в г/(кВт·ч) определяется по формуле:

.

Рассчитанные параметры заносим в таблицу 5.

Таблица 5 - Значения индикаторных показателей двигателя

2.8 Эффективные показатели двигателя

Эффективные показатели характеризуют работу двигателя и отличаются от индикаторных показателей на величину механических потерь.

2.8.1 Давление механических потерь

К механическим потерям относятся все потери на преодоление различных сопротивлений, таких как трение, привод вспомогательных механизмов, газообмен, привод компрессора. Давление механических потерь - это условное давление, равное отношению работы механических потерь к рабочему объему цилиндра двигателя. Величину давления механических потерь рм в МПа оценивают по средней скорости поршня по формуле:

,

где ам и bм - экспериментальные коэффициенты, величины которых зависят от числа цилиндров и от отношения хода поршня к диаметру цилиндра.

=10 - средняя скорость поршня в м/с, которая зависит от типа двигателя.

2.8.2 Среднее эффективное давление

Среднее эффективное давление ре в МПа определяется по формуле:

0,99-0,147=0,843.

2.8.3 Механический КПД

Механический КПД ηм определяется по формуле:

.

2.8.4 Эффективный КПД

Отношение количества теплоты, эквивалентной полезной работе на валу двигателя, к общему количеству теплоты, внесенной в двигатель с топливом, называется эффективным КПД ηе, который определяется по формуле:

.

2.8.5 Эффективный удельный расход топлива

Эффективный удельный расход топлива gе в г/(кВт·ч) определяется по формуле:

.

Рассчитанные параметры заносим в таблицу 6.

Таблица 6 - Значения эффективных показателей двигателя

2.9 Основные параметры и показатели двигателя

Рабочий объем цилиндра Vh в дм³ определяется по формуле:

,

где τ=4 - коэффициент тактности рабочего процесса двигателя.

Отношение хода поршня S к диаметру цилиндра D примем равным 1.

Диаметр цилиндра D в мм определяется по формуле:

D=100·.

Ход поршня двигателя S в мм определяется по формуле:

.

Полученные значения S и D округляем в большую сторону до целых четных чисел. В результате получаем следующие значения: S=68 мм; D=68 мм.

Расчетная средняя скорость поршня в м/с определяется по формуле:

.

Ошибка между принятой величиной  и рассчитанной , в процентах определяется по формуле:

.

Так как < 5%, то принимаем в расчетах .

По принятым значениям D и S определяем окончательные основные параметры и показатели двигателя.

Рабочий объем одного цилиндра Vh в дм³ определяем по формуле:

.

Литраж двигателя Vл в дм³ определяется по формуле:

.

Объем камеры сгорания Vc в дм определяется по формуле:

.

Полный объем цилиндра Va в дм определяется по формуле:

.

Мощность двигателя Ne в кВт определяется по формуле:

.

.

Эффективный крутящий момент Ме в Н·м определяется по формуле:

.

Часовой расход топлива GT в кг/ч определяется по формуле:

Масса двигателя mдв. в кг определяется по формуле:

,

где Муд=4 - удельная масса двигателя, кг/кВт; для карбюраторного двигателя с V-образным расположением цилиндров.

2.10 Оценка надежности проектируемого двигателя

При проектировании двигателя ориентировочная оценка надежности двигателя может быть осуществлена определением следующих критериев:

Б.Я. Гинцбурга

,

А.К. Костина

.

У современных автомобильных двигателей значения указанных критериев находятся в следующих пределах NП´=1,3…2,8 кВт/см, qП=3,5…9,0. Так как у спроектированного двигателя значение критерия Б.Я. Гинцбурга не превышает, а значения критерия А.К. Костина укладывается в пределы указанных значений, то ориентировочно можно считать двигатель надежным.

2.11 Тепловой баланс

Для анализа характера теплоиспользования и путей его улучшения при расчете двигателя определяются составляющие теплового баланса.

2.11.1 Уравнение теплового баланса

Уравнение теплового баланса имеет вид:

,

где Qo - общее количество теплоты, введенное в цилиндр, Дж/с;

Qe - теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя, Дж/с;

Qохл - теплота, отданная охлаждающей среде, Дж/с;

Qr - теплота, уносимая из двигателя с отработавшими газами, Дж/с;

Qн.с - теплота, потерянная при неполном сгорании топлива, Дж/с;

Qост - неучтенные потери теплоты, Дж/с.

2.11.2 Общее количество теплоты

Общее количество теплоты Qo в Дж/с определяется по формуле:

.

2.11.3 Теплота, эквивалентная эффективной работе

Теплота Qe, эквивалентная эффективной работе, в Дж/с определяется по формуле:

.

2.11.4 Теплота, отданная охлаждающей среде

Теплота Qохл, отданная охлаждающей среде, для карбюраторных двигателей с воздушным охлаждением, в Дж/с определяется по формуле:

2.11.5 Теплота, унесенная из двигателя с отработавшими газами

Теплота Qr, унесенная из двигателя с отработавшими газами, в Дж/с определяется по формуле:

,

где tr - температура остаточных газов, °С

;

 - теплоемкость остаточных газов в кДж/(кмоль·град)

 - теплоемкость свежего заряда в кДж/(кмоль·град)

,

здесь t0=20°C.

.11.6 Теплота, потерянная при неполном сгорании топлива

Теплота Qн.с, потерянная при неполном сгорании топлива, в Дж/с определяется по формуле:

.

2.11.7 Неучтенные потери теплоты

Неучтенные потери теплоты Qост в Дж/с определяется по формуле:

.

2.11.8 Относительные значения составляющих теплового баланса

Тепловой баланс определяется также в процентах от всего количества введенной теплоты по следующим формулам:

;

;

;

;

.

Очевидно, что должно выполняться условие

.

Рассчитанные параметры заносим в таблицу 7.

Таблица 7 - Значения составляющих теплового баланса в процентах

2.12 Построение индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма - графическая зависимость давления газа в цилиндре от надпоршневого объема, либо перемещения поршня или угла поворота коленчатого вала.

Масштаб ходя поршня  мм/мм.

Отрезок, соответствующий рабочему объему цилиндра:

.

Отрезок, соответствующий объему камеры сгорания:

.

Отрезок, соответствующий полному объему цилиндра:

.

Масштаб давленияМПа/мм.

Отрезок, соответствующий максимальному давлению:

,

.

Величины давлений в мм:

;

;

;

;

;

.

Построение политропы сжатия и расширения проводится аналитическим методом.

Для политропы сжатия определяется давление рх в МПа по формуле:

,

где ОХ - абсцисса расчетной точки, мм.

Аналогично для политропы расширения определяется давление рх в МПа по формуле:

.

Абсцисса расчетной точки ОХ в мм определится по формуле:

ОХ=ОА+АХ,

где АХ - перемещение поршня в мм, определяется по формуле:

,

где λ - отношение радиуса кривошипа R к длине шатуна Lш;

α - угол поворота коленчатого вала, град.

Выбираем отношения λ радиуса кривошипа R к длине шатуна Lш: .

Результаты расчетов политроп сжатия и расширения заносим в таблицы 8 и 9.

Таблица 8 - Результаты расчетов политроп сжатия

Таблица 9 - Результаты расчетов политроп расширения

Для построения действительной индикаторной диаграммы находим характерные точки.

Давление в точке , характеризующей момент достижения поршня ВМТ при сгорании, определяется по формуле:

,

.

Точку- момент достижения поршня НМТ в конце расширения - располагаем между точками b и а. При этом давление в МПа ориентировочно рассчитываем по формуле:

,

.

Точка  характеризует действительно максимальное давление цикла в МПа, определяем по формуле:

,

.

Положение точки  должно соответствовать условию допустимой скорости нарастания давления в МПа/град, которая определяется по формуле:

,

где - нарастание давления в МПа, определяется по формуле:

,

- угол поворота коленчатого вала, соответствующий точке .

Положение точки  на индикаторной диаграмме определяется по формуле:

.

Принимаем характерные углы:

угол опережения зажигания ;

продолжительность периода задержки воспламенения ;

фазы газораспределения: , , , .

Определяем углы поворота коленчатого вала α в градусах, соответствующие характерным точкам:

f - начало впрыска топлива или подача искры ;

с´ -начало видимого сгорания ;

b´ -начало открытия выпускного клапана ;

r´ -начало открытия впускного клапана ;

а´´ -полное закрытие впускного клапана ;

а´ -полное закрытие выпускного клапана .

Определяем положение характерных точек АХ в мм, по соответствующей вышеуказанной формуле:

. точка f

OX=23,3948≈23,4мм;

;

. точка

ОХ=16,78775≈16,8мм;

;

. точка

ОХ=72,9997≈73мм;

;

. точка

ОХ=17,36478≈17,4мм;

;

. точка

ОХ=83,342мм;

;

. точка

ОХ=21,069698≈21,1мм;

.

Площадь индикаторной диаграммы Fi=1862мм².

Среднее индикаторное давление в МПа, полученное по графику индикаторной диаграммы

.

Расхождение между полученной величиной  и величиной , полученной в тепловом расчете

.

3 Расчет внешней скоростной характеристики двигателя

Минимальная частота , максимальная - .

Шаг расчета .

Номинальная расчетная мощность двигателя кВт и соответствующий ей удельный расход топлива г/кВт·ч.

Частота вращения коленчатого вала при : n=4600.

Коэффициенты для карбюраторного двигателя: с1=1; с2=1; с3=1,2; с4=1; с5=0,8.

Зависимость эффективной мощности в кВт:

.

Зависимость эффективного удельного расхода топлива в г/(кВт·ч):

.

Зависимость среднего эффективного давления в МПа:

.

Зависимость эффективного крутящего момента в Н·м:

.

Зависимость часового расхода топлива в кг/ч:

.

Зависимость среднего давления механических потерь в МПа:

.

Зависимость среднего индикаторного давления  в МПа:

.

Зависимость мощности механических потерь  в кВт:

.

Зависимость индикаторной мощности  в кВт:

.

Зависимость индикаторного крутящего момента  в Н·м:

.

Зависимость индикаторного удельного расхода топлива  в г/(кВт·ч):

.

Коэффициент избытка воздуха при минимальной частоте:

.

Значение  для карбюраторных двигателей остается постоянным на всем частотном диапазоне, кроме .

Расчетные точки коэффициента наполнения определяются по формуле:

.

Максимальное значение среднего эффективного давления  МПа:

,

а соответствующая ему частота  в : .

Максимальное значение эффективного крутящего момента в Н·м:

,

при частоте  в : .

Минимальное значение эффективного удельного расхода топлива  в г/(кВт·ч):

,

при частоте  в :

.

Результаты расчетов сводим в таблицу 10. Графики внешней скоростной характеристики представлены ниже таблицы 10.

Таблица 10 - Результаты расчета внешней скоростной характеристики

4 Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма двигателя

4.1 Расчет силовых факторов, действующих в кривошипно-шатунном механизме

Площадь поршня .

Масштаб сил .

Удельная масса поршня из алюминиевого сплава кг/м².

Масса поршня .

Удельная масса шатуна .

Масса шатуна .

Часть массы шатуна, отнесенная к поступательно движущимся массам, .

Масса частей кривошипно-шатунного механизма, совершающих возвратно-поступательное движение .

Радиус кривошипа .

Угловая скорость коленчатого вала, .

Часть массы шатуна, отнесенная к вращающимся массам, .

Центробежная сила инерции вращающей части шатуна .

Результаты вычисления сил , , , , N, K, T, сведены в таблицу 11.

Таблица 11 - Результаты вычисления сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме

4.2 Построение графиков сил и моментов

На одной координатной сетке сгруппируем следующие графики - , , ; , N; K, T.

Максимальное и минимальное значения силы  соответственно равны , .

Среднее значение

.

Среднее значение суммарного индикаторного крутящего момента двигателя .

Максимальное и минимальное значения суммарного индикаторного крутящего момента соответственно равны , .

Коэффициент неравномерности крутящего момента

.

Эффективный крутящий момент двигателя в Н·м

.

Расхождения между полученным по графику и рассчитанным в тепловом расчете значениями

.

5 Расчет деталей на прочность

5.1 Поршень

Основные размеры поршневой группы

- высота поршня;

- расстояние от верхней кромки поршня до оси пальца;

- толщина днища поршня;

- высота юбки поршня;

- диаметр бобышки;

- расстояние между торцами бобышек;

- толщина стенки юбки поршня;

- толщина стенки головки поршня;

- расстояние до первой поршневой канавки;

- толщина первой кольцевой перемычки;

Радиальная толщина кольца t:

- компрессионного;

- маслосъемного;

- высота кольца;

- разность между величинами зазоров замка кольца в свободном и рабочем состояниях;

Радиальный зазор кольца в канавке поршня Δt:

- компрессионного;

- маслосъемного;

- внутренний диаметр поршня;

- число масляных отверстий в поршне;

- диаметр масляного канала;

- наружный диаметр пальца;

- внутренний диаметр пальца;

- длина пальца;

- длина втулки шатуна.

Принимаем материал поршня - алюминиевый сплав.

5.1.1 Днище поршня

Максимальное напряжение изгиба в диаметральном сечении днища поршня  в МПа:

Днище поршня должно быть усилено ребрами жесткости, поскольку расчетное напряжение превышает допускаемое 20...25 МПа.

.1.2 Головка поршня

Головка поршня в сечении Х-Х, ослабленная отверстиями для отвода масла, проверяется на сжатие и разрыв.

Для определения напряжения сжатия определяем:

диаметр поршня по дну канавок  в м,

площадь продольного диаметрального сечения масляного канала  в м²

площадь сечения Х-Х головки поршня  в м²

максимальную сжимающую силу в МН

;

Напряжение сжатия в МПа

.

Рассчитанное напряжение сжатия не превышает допустимые значения.

Для определения напряжения разрыва в сечении Х-Х определяем:

максимальную угловую скорость вращения коленчатого вала на холостом ходу

,

где ;

массу головки поршня с кольцами

.

Сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс  в МН определяется для режима максимальной частоты вращения при холостом ходе двигателя

Напряжение разрыва

.

Рассчитанное напряжение разрыва не превышает допустимые значения.

.1.3 Юбка поршня

Юбка поршня проверяется на износостойкость по удельному давлению  в МПа на стенку цилиндра от максимальной боковой силы

.

Рассчитанное значение удельного давления не превышает допустимые значения напряжений для современных двигателей.

5.2 Поршневое кольцо

Проводим расчет маслосъемного кольца. Материал кольца - чугун.

Среднее давление в МПа кольца на стенку цилиндра определяется по формуле:

.

Давление кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности должно изменяться по эпюре с повышенным давлением у замка, и определяться по формуле:

.

Результаты расчетов давления р записываем в таблицу 12.

Таблица 12 - Построение эпюры давления кольца карбюраторного двигателя на стенку цилиндра

Напряжения изгиба кольца в рабочем состоянии

.

Напряжения изгиба кольца при надевании его на поршень

.

Рассчитанные напряжения при изгибе кольца не превышают допустимых значений.

5.3 Шатун

Применяемый материал шатуна - сталь 40Х. Материал втулки - бронза.

Размеры элементов шатуна:

 - наружный диаметр пальца;

 - внутренний диаметр поршневой головки c втулкой;

- наружный диаметр головки;

- минимальная радиальная толщина стенки головки;

- радиальная толщина стенки втулки;

- длина втулки шатуна;

- диаметр шатунной шейки;

- толщина стенки вкладыша;

- расстояние между шатунными болтами;

- длина кривошипной головки;

Размеры среднего сечения В-В шатуна:

;

;

;

.

.3.1 Поршневая головка

Максимальная частота вращения коленчатого вала холостого хода

.

Максимальная угловая скорость вращения коленчатого вала при холостом ходе:

.

Масса верхней части головки шатуна:

.

Разрывающая сила инерции при :

Площадь  в мм² опасного сечения верхней головки шатуна:

.

Напряжение разрыва

.

Из условия обеспечения достаточной жесткости поршневой головки напряжение разрыва не превышает максимальных значений.

5.3.2 Кривошипная головка

Максимальная величина силы инерции

Масса отъемной крышки кривошипной головки

.

Для определения напряжения изгиба крышки в МПа находим:

внутренний радиус кривошипной головки:

;

момент инерции расчетного сечения крышки:

;

момент инерции расчетного сечения вкладыша:

;

суммарную площадь крышки и вкладыша в расчетном сечении:

;

момент сопротивления расчетного сечения крышки без учета ребер жесткости:

.

Напряжение изгиба:

Напряжения изгиба не превышают допустимые напряжения изгиба для крышки кривошипной головки шатуна.

5.3.3 Стержень шатуна

Сила, сжимающая шатун  в МН по результатам динамического расчета при :

.

Сила, растягивающая шатун  в МН по результатам динамического расчета при :

Площадь среднего сечения шатуна

Минимальное напряжение  в МПа, возникающее в сечении В-В от растягивающей силы:

.

От сжимающей силы в МПа в сечении В-В возникают максимальные напряжения сжатия и продольного изгиба:

в плоскости качения шатуна

,

где  - коэффициент, учитывающий влияние продольного изгиба шатуна в плоскости качения шатуна;

в плоскости, перпендикулярной плоскости качения шатуна

,

где  - коэффициент, учитывающий влияние продольного изгиба шатуна в плоскости, перпендикулярной плоскости качения шатуна.

Напряжения  и  не превышают предельных значений.

6 Расчет жидкостной системы охлаждения

6.1 Емкость системы жидкостного охлаждения

При номинальной мощности емкость системы жидкостного охлаждения найдем по формуле:

.

6.2 Жидкостный насос

Принимаем:

количество отводимой охлаждающей жидкостью от двигателя теплоты

;

средняя теплоемкость жидкости ;

средняя плотность жидкости ;

температурный перепад жидкости в радиаторе .

Циркуляционный расход жидкости в системе охлаждения двигателя:

.

Принимаем коэффициент подачи насоса .

Расчетная производительность насоса

.

Принимаем:

скорость жидкости на входе в насос ;

радиус ступицы крыльчатки .

Радиус входного отверстия крыльчатки:

.

Принимаем:

углы между направлениями скоростей , , :  и ;

гидравлический КПД .

Окружная скорость потока жидкости на входе колеса:

.

Передаточное отношение ременного привода от коленчатого вала принимаем .

Частота вращения насоса

.

Радиус крыльчатки колеса на выходе

.

Окружная скорость входа потока

.

Угол между скоростями  и  принимается .

Угол .

Принимаются:

число лопаток на крыльчатке z=5;

толщина лопаток у входа ;

толщина лопаток у выхода .

Ширина лопатки на входе

.

Радиальная скорость потока на выходе из колеса

.

Ширина лопатки на выходе

.

Принимаем механический КПД насоса .

Мощность, потребляемая жидкостным насосом

.

6.3 Жидкостный радиатор

Принимаем:

количество теплоты, отводимой от двигателя через охлаждающую жидкость к охлаждающему воздуху ;

средняя теплоемкость воздуха ;

объемный расход жидкости, проходящей через радиатор ;

средняя плотность жидкости ;

температурный перепад ;

температура перед радиатором .

Количество воздуха, проходящего через радиатор

.

Массовый расход жидкости, проходящей через радиатор

.

Средняя температура охлаждающего воздуха, проходящего через радиатор

.

Принимаем: -

температурный перепад ;

оптимальные значения температуры .

Средняя температура жидкости в радиаторе

.

Коэффициент теплопередачи радиатора принимаем .

Поверхность охлаждения радиатора

.

6.4 Вентилятор

Принимаем:

массовый расход воздуха, подаваемый вентилятором ;

средняя температура воздуха ;

напор, создаваемый вентилятором .

Плотность воздуха при средней его температуре в радиаторе

.

Производительность вентилятора

.

Задаем скорость воздуха перед фронтом радиатора .

Фронтовая поверхность радиатора

.

Диаметр вентилятора

.

Окружная скорость вентилятора

,

где - коэффициент, зависящий от формы лопастей: для плоских лопастей .

Частота вращения вентилятора

.

Вентилятор установлен на одном валу с жидкостным насосом.

Мощность  в кВт, затрачиваемая на привод вентилятора:

,

где - КПД вентилятора: для литого вентилятора .

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта приобретены навыки расчета деталей КШМ на прочность, системы жидкостного охлаждения двигателя, рабочих процессов двигателя, теплового баланса, внешней скоростной характеристики, динамических характеристик кривошипно-шатунного механизма.

В данном курсовом проекте четко выражена взаимосвязь теплового расчета с динамическим, а так же влияние динамических показателей на детали кривошипно-шатунного механизма.

Данный курсовой проект включает в себя графическую часть в виде:

) лист, содержащий индикаторную диаграмму, диаграммы по результатам динамического расчета, схему действия сил в КШМ;

) лист - поперечный разрез двигателя с детальной проработкой основных механизмов и систем двигателя;

) лист - продольный разрез двигателя с детальной проработкой основных механизмов и систем двигателя.

Приложение А

Таблица А - сравнение показателей рассчитанного двигателя с прототипом

Приложение В

Техническая характеристика двигателя

1. Тип двигателя - карбюраторный.

. Число тактов - 4.

. Число и расположение цилиндров - 4 рядное.

. Порядок работы цилиндров - 1-4-3-2.

.Расположение и число клапанов в цилиндре - верхнее , по два в цилиндре.

6. Рабочий объем двигателя, дм- 2,221.

. Диаметр цилиндра, мм - 94.

. Ход поршня, мм - 80.

. Степень сжатия - 6,6.

. Номинальная мощность, кВт - 68.

. Максимальная рабочая частота вращения, мин - 5115.

. Габаритные размеры двигателя, мм - 874*720*686.

. Направление вращения коленчатого вала - правое.

. Максимальное среднее эффективное давление, МПа - 1,023.

. Максимальный эффективный крутящий момент, Н·м - 180,86.

. Минимальная частота вращения холостого хода, мин - 1000.

. Частота вращения при максимальном крутящем моменте, мин - 2325.

. Сорт топлива - бензин, по ГОСТ 2084-77 марки А-72.

. Минимальный удельный расход топлива, г/(кВт·ч) - 285,14.

. Фазы газораспределения: впуск (начало, конец), выпуск (начало, конец) - (20,50), (70,30).

. Наличие наддува - нет.

. Тип нагнетателя - нет.

. Тип системы охлаждения - жидкостное.

Список использованных источников

1 Расчет автомобильных двигателей: методические указания к курсовому проектированию, часть 1 - тепловой и динамический расчеты двигателя/ Калимуллин Р.Ф. и др.- Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004.-92 с.

Расчет автомобильных двигателей: методические указания к курсовому проектированию, часть 2 - расчеты основных деталей и систем двигателя. Конструирование двигателя/ Калимуллин Р.Ф. и др.- Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004.-91 с.

Колчин А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: учебное пособие для вузов/ А.И. Колчин, В.П. Демидов - 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. шк., 2003.- 496 с.: ил.

Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов: учебник / В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С. Хачиян и др; Под ред. В.Н. Луканина.- М.: Высш, шк.,1995.- 368 с.: ил.

Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 2. Динамика и конструирование: учебник / В.Н Луканин, И.В. Алексеев, М.Г. Шатров и др; Под ред. В.Н. Луканина.- М.: Высш, шк., 1995.- 319 с.: ил.

Анохин В.И. Отечественные автомобили.- М.: Машиностроение, 1977.- 592 с.: ил.

Михайловский Е.В. Устройство автомобиля: учебник для учащихся автотранспортных техникумов/ Е.В. Михайловский, К.Б. Серебряков, Е.Я. Тур.- 5-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1985.- 352 с.: ил.