Автомобильные двигатели

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра автомобильного хозяйства  и двигателей

 

 

 

 

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

по дисциплине "Автомобили и  автомобильное хозяйство"

 

 

Выполнил: Строчкин А.В.

Шифр: В-703445

 

Принял:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2008 год

Содержание

                  стр.

Исходные данные………………………………………………………. 4

1. Тепловой расчёт …………………………………………………….. 4

   1.1. Параметры рабочего тела……………………………………….. 4

   1.2. Параметры остаточных  газов…………………………………… 5

   1.3. Процесс впуска (0 £ j £ 180°)…………………………………….. 5

   1.4. Процесс сжатия (180° £ j £ 360°)……………………………….. 7                                                                                    

   1.5. Процесс сгорания……………………………………………….. 7

   1.6.  Процессы расширения (360° £ j £ 540°)………………………. 8

   1.7. Расчет четвертого такта  (очистка цилиндра) (540° £ j £ 720°).. 8

   1.8. Индикаторные параметры  рабочего цикла ……………………. 9

   1.9. Эффективные показатели двигателя …………………………… 9

   1.10. Построение индикаторной  диаграммы……………………….. 10

   1.11. Тепловой баланс двигателя……………………………………. 15

2.Построение внешней скоростной  характеристики двигателя……… 16

3.Кинематический расчет………………………………………………. 18

4. Динамический расчёт………………………………………………… 18

   4.1. Силы давления газов……………………………………………… 18

   4.2. Приведение масс частей  кривошипно-шатунного механизма…. 19

   4.3. Удельные и полные  силы инерции………………………………. 19

   4.4. Удельные суммарные силы  ……………………………………… 20

   4.5. Крутящие моменты……………………………………………….. 25

   4.6. Силы, действующие на  шатунную шейку коленчатого вала….. 26

5.Расчет основных деталей двигателя………………………………….. 29

   5.1.Расчет поршневой группы………………………………………… 29

      5.1.1. Расчет поршня………………………………………………… 29

      5.1.2.Расчет поршневого  кольца…………………………………… 32

      5.1.3. Расчет поршневого  пальца…………………………………… 33

     5.2.Расчет шатунной  группы………………………………………….. 35

     5.2.1.Расчет поршневой  головки……………………………………… 35

     5.2.2. Расчет стержня шатуна………………………………………… 40

6.Расчет масляного насоса……………………………………………….. 42 

7.Расчет водяного насоса системы  охлаждения……………………….. 43

Список использованной литературы…………………………………… 45

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходные данные

Тип двигателя и его назначение    - бензиновый для легкового автомобиля

Диаметр цилиндра, D, м   - 0,082

Ход поршня, S, м   - 0,07

Число цилиндров, i   - Р-4

Частота вращения коленчатого вала, n, 1/мин - 5800

Число клапанов на цилиндр, i_кл   - 2

Средняя скорость заряда в клапане, w_кл, м/с - 100

Коэффициент избытка воздуха, a   - 0,95

Повышение давления в компрессоре, p_к   - 1,0

Подогрев при впуске, DТ, град   - 4

Коэффициент сопротивления при  впуске, b² + z_вп - 2,3

Давление остаточного газа, р_r, МПа   - 0,106

Степень сжатия, e   - 9,1

Состав бензина С = 0,855; Н = 0,145; m_т = 120 кг/моль.

Низшая теплота сгорания бензина  Н_u = 44000 кДж/кг

Параметры окружающей среды р₀ = 0,1 МПа, Т₀ = 288 К

 

1. Тепловой расчёт

1.1. Параметры рабочего  тела.

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

где m_в = 28,96 кг/моль – молекулярная масса воздуха при нормальных атмосферных условиях.

 

Количество горючей смеси

Количество отдельных компонентов  продуктов

Общее количество продуктов сгорания:

М₂ = М_СО+ =

= 0,0072 + 0,064 + 0,0036 + 0,0689 + 0,389 = 0,533 кмоль  пр.сг/кг топл

Коэффициент молекулярного изменения  горючей смеси

m₀ = М₂/М₁ = 0,533/0,499 = 1,07

 

1.2. Параметры остаточных  газов

  Температура остаточных газов Т_r принимается по рис. 5.1. [1]. При частоте вращения вала n = 5800 1/мин Т_r = 1000 К.

Давление остаточных газов p_r определено в исходных данных.

 

1.3. Процесс впуска (0 £ j £ 180°)

Температура подогрева свежего  заряда задана в исходных данных ΔТ= 4°С.

Плотность заряда на впуске

где R_B = 287 -удельная газовая постоянная для воздуха.

  Потери давления на впуске в двигателе за счет сопротивления впускного канала определим по формуле

Давление в конце впуска:

р_а= р₀-Δр_а= 0,1-0,014 = 0,086 МПа

Коэффициент остаточных газов. Характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания.

где j_оч = 1 – коэффициент очистки;

j_доз = 1,1 – коэффициент дозарядки

Температура в конце впуска:

Т_а=(Т₀+ΔТ+γ_r*Т_r)/(1+γ_r)=(288+4+0,041*1000)/(1+0,041) = 320 К.

Коэффициент наполнения представляет собой отношение действительного количества свежего заряда, поступившего в цилиндр в процессе впуска, к тому количеству, которое могло бы поместиться в рабочем объёме цилиндра при условии, что температура и давление в нём равны температуре и давлению среды на впуске. Величина η_v может быть определена по формуле

 

 

 

1.4. Процесс сжатия (180° £ j £ 360°)

 Показатель адиабаты сжатия  определяем по номограмме [1] рис.4.4. зная e = 9,1 и Т_а = 321К -  k₁ = 1,379. Показатель политропы сжатия берем несколько меньшим n₁ = k₁ – 0,02 = 1,379 – 0,02 =1,359

Давление в конце сжатия:  МПа

Температура в конце сжатия:   

  t_c=Т_с-273⁰С = 709 –273 = 436°С

 

1.5. Процесс сгорания 

Коэффициент молекулярного изменения  рабочей смеси

Потери теплоты из-за химического  недогорания

DН_u = 119950 * (1-a) * L₀ =

= 119950 * (1-0,95) * 0,517 = 3100 кДж/(кг  топлива)

Внутренняя энергия  рабочей  смеси при температуре t_с

где U_c = (20,6+2,638*10^-3*t_c)*t_c =

= (20,6+2,638*10^-3*436)*436 = 9483 кДж/кмоль

А_с, В_с – по табл. 3 [2].

Левая часть уравнения сгорания

Температура газов после сгорания

Из уравнения Д = U"_z = A_z*t_z+B_z получим

Т_z = t_z + 273 = 2532 + 273 = 2805K

Максимальное давление сгорания

Степень повышения давления

l_г = р_z/p_c = 8,02 / 1,9 = 4,23

 

1.6.  Процессы расширения (360° £ j £ 540°)

Давление и температура в  конце процесса расширения

 

Средние показатели адиабаты и политропы  расширения k₂, n₂ определяются по номограмме рис.2 [2] при e = 9,1 и Т_z = 2721К:

k₂ =1,254; n₂ = 1,25.

Проверка ранее принятой температуры  остаточных газов:

 £ 3%    допустимо

 

1.7. Расчет четвертого  такта (очистка цилиндра) (540° £ j £ 720°)

Давление остаточного газа р_r = 0,106 МПа по заданию.

 

 

 

1.8. Индикаторные параметры  рабочего цикла

Теоретическое среднее индикаторное давление

Среднее индикаторное давление  р_i=φ_и* р_i^' = 0,95*1,32 = 1,26 МПа.

φ_и = 0,95 – коэффициент полноты диаграммы.

Индикаторный КПД 

η_i=р_i*l₀*α/(H_u*ρ₀*η_v) = 1,26*14,98* 0,95/(44*1,21*0,919)= 0,36

Индикаторный удельный расход топлива

g_i=3600/(η_i*H_u) = 3600/(0,36*44)= 227 г/(кВт*ч)

Индикаторная мощность

где 

Индикаторный крутящий момент

 

1.9. Эффективные показатели двигателя

Среднее давление механических потерь

p_м= а + b*V_п.ср. = 0,034 + 0,0113*13,5 = 0,186 МПа

где   a = 0,034;   b = 0,0113  по [2]

V_п.ср. – средняя скорость поршня

м/с

Среднее эффективное давление и  механический КПД

p_e= р_i- p_м = 1,26 – 0,186 =1,074 МПа

η_м = p_e/ р_i = 1,074/1,26 = 0,85

Эффективный  КПД и эффективный  удельный расход топлива

η_е= η_i*η_м = 0,36*0,85=0,306 

g_е=3600/(η_е*H_и) =3600/(0,306*44) = 267 г/(кВт*ч)

Эффективная мощность

 кВт

Эффективный крутящий момент

 Н*м

Расход топлива

G_т = N_e*g_e*10^-3 = 76,8*267*10^-3 = 20,5 кг /ч

Литровая мощность  N_л = N_е/V_л = 76,8/1,48 = 51,9 кВт

Площадь поршня

 

1.10. Построение индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя построена для номинального режима работы двигателя аналитическим  методом, т.е. при N_е = 68,7 кВт и n_Н = 5800 об/мин.

1-й такт (0° £ j £ 180°) – впуск

р_j = р_а = 0,086 МПа

Линия впуска (0° £ j £ 180°)      Таблица 1

j	Sj, мм	Sс + Sj , мм	рj, МПа	рj скругленное
0	0	8,6	0,086	рj = 0,5*(ра+рr)=0,5*(0,086+0,106)=0,096
30	5,8	14,4	0,086
60	20,8	29,4	0,086
90	39,4	48	0,086
120	55,8	64,4	0,086
150	66,4	75	0,086
180	70,0	78,6	0,086

 

 

2-й такт (180° £ j £ 360°) - сжатие

Текущее значение давления определяем по формуле

где S_c – условная высота камеры сгорания

 мм

S_a= S + S_c = 70 + 8,6 = 78,6 мм – условная длина цилиндра

S_j - текущее расстояние поршня от ВМТ.

l = 0,25 – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

j_доз = 1,1; n₁ = 1,359

Теоретическое давление в конце  сгорания р_z = 8,02 МПа

Действительное давление в конце  сгорания

р_zд=0,85*р_z=0,85*8,02=6,82 МПа

Линия сжатия (180° £ j £ 360°)      Таблица 2

j	Sj, мм	Sс + Sj , мм	рj, МПа	рj скругленное
180	70	78,6	0,09
210	66,4	75	0,1
240	55,8	64,4	0,12
270	39,4	48	0,19
300	20,8	29,4	0,36
330	5,8	14,4	0,95
360	0	8,6	1,9	1,2*рс=1,2*1,9=2,28

 

3-й такт (360° £ j £ 540°) - расширение

Текущее значение давления в период расширения определим по формуле

; n₂ = 1,25

 

 

Линия расширения (360° £ j £ 540°)      Таблица 3

j	Sj, мм	Sс + Sj , мм	рj, МПа	рj скругленное
360	0	8,6	8,02	1,2*рс=1,2*1,9=2,28
390	5,8	14,4	4,22
420	20,8	29,4	1,73
450	39,4	48	0,94
480	55,8	64,4	0,65
510	66,4	75	0,54
540	70	78,6	0,5	0,5*(рb+рr) = 0,5*(0,5+0,106) =0,3

 

4-й такт (540° £ j £ 720°) – очистка цилиндра

р_j = р_r = 0,106 МПа

Линия выпуска (540° £ j £ 720°)       Таблица 4

j	Sj, мм	Sс + Sj , мм	рj, МПа	рj скругленное
540	70	78,6	0,106	рj = 0,5*(рb+рr)=0,5*(0,5+0,106)=0,3
570	66,4	75	0,106
600	55,8	64,4	0,106
630	39,4	48	0,106
660	20,8	29,4	0,106
690	5,8	14,4	0,106
720	0	8,6	0,106	рj = 0,5*(ра+рr)=0,5*(0,086+0,106)=0,096