Задание на курсовой проект. Спроектировать двигатель для грузового автомобиля по следующим исходным данным.

Спроектировать двигатель для грузового автомобиля по следующим исходным данным.

Исходные данные

. Тип двигателя и его назначение дизельный для грузового автомобиля

2. Диаметр цилиндра , м 0,110

. Ход поршня , м 0,115

. Число цилиндров V-8

. Частота вращения номинальная , об/мин 2500

. Число клапанов на цилиндр 2

. Тип охлаждения жидкостный

. Давление окружающей атмосферы , Мпа 0,1

. Температура окружающей атмосферы , К 293

. Средняя скорость заряда в клапане , м/с 60

. Коэффициент сопротивления при впуске 2,4

. Коэффициент избытка воздуха 1,4

. Коэффициент дозарядки 1,02

. Коэффициент очистки остаточных газов 0,97

. Повышение давления в компрессоре при наддуве , 1,0

. Охлаждение воздуха после компрессора , К 0

. Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна λ 0,267

. Состав топлива С=0,870; Н=0,126; О=0,004

. Низшая теплота сгорания , кДж/кг 42000

. Степень сжатия 16,7

. Давление остаточного газа , Мпа 0,104

. Температура остаточного газа , К 597,5

. Подогрев при впуске , К 15

. Угол начала открытия впускного клапана 13

. Угол конца закрытия впускного клапана 49

. Угол начала открытия выпускного клапана 66

. Угол конца закрытия выпускного клапана 10

Введение

Наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания. Эти двигатели отличаются компактностью, высокой экономичностью, долговечностью и применяются во всех отраслях народного хозяйства.

В настоящее время - особое внимание уделяется уменьшению токсичности выбрасываемых в атмосферу вредных веществ и снижению уровня шума работы двигателя.

Специфика технологии производства двигателей и повышение требований к качеству двигателей при возрастающем объеме их производства, обусловили необходимость создания специализированных моторных заводов. Успешное применение двигателей внутреннего сгорания, разработка опытных конструкций и повышение мощностных и экономических показателей стали возможны в значительной мере благодаря исследованиям и разработке теории рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания.

Выполнение задач по производству и эксплуатации транспортных двигателей требует от специалистов глубоких знаний рабочего процесса двигателей, знания их конструкций и расчета двигателей внутреннего сгорания.

С целью углубленного изучения конструкции и работы двигателяпри различных режимах эксплуатации в данном проекте рассмотрены принципы разработки и методы выбора оптимальных вариантов конструкторских решений при расчете бензинового двигателя, а также правилами оформления технологической документации в соответствии с государственными стандартами ЕСКД, ЕСТД, отраслевыми стандартами и другой нормативно-технической документацией.

Для создания чертежей двигателя (продольный и поперечный разрезы) использовалась система КОМПАС-ЗD. Система обладает собственным математическим ядром и параметрической технологией.

В настоящее время требования к автомобилям и их двигателям становятся все более жесткими. Так при прочих равных условиях стараются получить незначительную собственную массу автомобиля, большой полезный объёмсалона, низкий уровень шума, вибрации, токсичности отработавших газов и в целом повышенную комфортность автомобиля. Двигатели должны быть экономичными, надёжными, динамичными для обеспечения режимов эксплуатации в условиях городской езды.

1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

На основании исходных данных производим следующие расчеты.

Параметры рабочего тела

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

кмоль воздуха/кг топлива;

кг воздуха/кг топлива.

Рассчитываем количество свежего заряда (воздуха)

кмоль воздуха /кг топлива.

Рассчитываем количество горючей смеси

кмоль/кг.

Параметры отработавших газов

При количество отдельных компонентов продуктов сгорания в расчете на 1 кг топлива равно

оксида углерода ; углекислого газа кмоль/кг; водорода кмоль/кг; водяного пара кмоль/кг; азота кмоль/кг; кислорода кмоль/кг.

Общее количество продуктов сгорания дизельного топлива

Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси

Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси для дизельных двигателей .

Расчет первого такта (впуск )

Определяем потери давления во впускном тракте при впуске

;

МПа.

Давление воздуха:

МПа.

При расчете двигателя без наддува плотностью воздуха после компрессора равна:

кг/м³.

Температура воздуха после турбокомпрессора

К;

Рассчитываем давление в конце впуска в цилиндре двигателя

МПа.

Рассчитываем коэффициент остаточного газа в двигателе

Предварительно принимается:

= 600...900 К - для дизелей с наддувом и без наддува.

Принимаем = 600 К;

Определяем температуру в конце впуска в двигателе

К.

1.3.5 Рассчитываем коэффициент наполнения двигателя

Расчет второго такта (сжатие- )

Давление в конце сжатия

МПа.

Температура в конце сжатия

К;

Показатель политропы сжатия определяется по эмпирической зависимости

;

где - номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя, .

Показатель политропы сжатия для дизелей с наддувом = 1,35...1,38.

1.5 Расчет участка подвода тепла

В результате расчета этого участка должны быть определены значения , и , после подвода тепла.

Определение параметров процесса сгорания в дизельных двигателях

Температура газов в конце процесса сгорания t_z определяется из уравнения сгорания

Коэффициент действительного молекулярного изменения рабочей смеси определяется из уравнения

Для дизеля

- средняя мольная теплоемкость свежего заряда

кДж/(кмоль град).

- средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания дизельного топлива при постоянном давлении

1.5.1.5 Средняя мольная теплоемкость при постоянном объеме для продуктов сгорания жидкого (дизельного) топлива при температуре до 3000°С и a =1,6

- степень повышения давления, она зависит от типа камеры сгорания.

Для дизелей с разделенными камерами сгорания и дизелей с неразделенными камерами и пленочным смесеобразованием . В уравнении сгорания длядизелей x - коэффициент использования тепла принимается x= 0,8

Все величины, входящие в уравнение сгорания, за исключением и известны. Составим и решим квадратное уравнение:

После определения t_z рассчитываем:

Расчет третьего такта (расширение )

Показатель политропы расширения может быть определен по эмпирической зависимости

;

Показатель политропы расширения для дизелей = 1,18...1,30.

Степень предварительного расширения

Степень последующего расширения

1.6.4 Давление и температура в конце расширения

транспортный двигатель сталь

МПа;

К.

Для оценки точности теплового расчета проводится проверка ранее принятой температуры отработавших газов

К;

Расхождение допускается в пределах (5...7)%.

Расчет четвертого такта (очистка цилиндра- )

Задано const, МПа.

Индикаторные параметры рабочего цикла

Для дизельного двигателя, работающего по смешанному циклу, теоретическое среднее индикаторное давление (индикаторная работа, совершаемая в единице рабочего объема), равно

Действительное среднее индикаторное давление:

МПа;

где 0,92 < < 0,97, здесь - коэффициент, учитывающий «скругление» индикаторной диаграммы, примем =0,95.

Рассчитываем индикаторную мощность и индикаторный крутящий момент двигателя

л;

КВт;

Для четырехтактных двигателей коэффициент тактности =4;

Нм.

Определяем индикаторный КПД и удельный индикаторный расход топлива

;

г/кВтч; (Здесь в МПа, в МДж.)

1.9 Эффективные параметры рабочего цикла

Рассчитываем среднее давление механических потерь (работа, затрачиваемая на трение и привод вспомогательных агрегатов, приходящая на единицу рабочего объема)

, МПа,

где и - коэффициенты, зависящие от числа цилиндров и от отношения хода поршня к диаметру цилиндра и типа камеры сгорания;

Средняя скорость поршня, м/с:

м/с.

Значения коэффициентов и .

Тип двигателя
Четырехтактный дизель с неразделенными камерами	0,089	0,0118

МПа.

Рассчитываем среднее эффективное давление (эффективную работу, снимаемую с единицы рабочего объема)

МПа.

1.9.3 Рассчитываем механический КПД

Его величина для дизельных двигателей без наддува = 0,70...0,82.

Определяем эффективную мощность

кВт.

Определяем эффективный КПД

;

он составляет для дизелей = 0,35...0,40.

Определяем эффективный удельный расход топлива

г/кВтч;

для дизелей = 190…240 г/кВтч,

Эффективный крутящий момент

Нм.

Здесь подставляется в об/мин.

Расход топлива

кг/час.

Литровая мощность

кВт/дм³.

Построение индикаторных диаграмм в координатах (Р-V)

, МПа

- для политропы сжатия;

- для политропы расширения.

1.11 Тепловой баланс

Доля теплоты, затраченная на полезную работу, определена в тепловом расчете .

Доля теплоты, потерянная в бензиновых ДВС при из-за недогорания топлива:

Доля теплоты, унесенная с отработавшими газами:

Для дизельных двигателей:

,кДж/кг

Рассчитываем температуру отработавших газов:

Определяем энтальпию топливно-воздушной смеси в конце впуска:

кДж/кмоль.

Для дизелей определяем энтальпию отработавших газов по таблице 5 в соответствии с и линейным интерполированием кДж/кмоль.

Для дизелей рассчитываем энтальпию поступившей смеси:

Доля тепла передаваемой охлаждающей среде:

Скоростная характеристика двигателя

Для дизельного двигателя построение внешней скоростной характеристики ведется в интервале , например, шагом 500 мин^-1, где , об/мин; , мин^-1.

Внешнюю скоростную характеристику строим по следующим эмпирическим соотношениям:

Мощность двигателя:

, кВт

Крутящий момент:

, Н×м.

Среднее эффективное давление:

, МПа.

Среднее давление механических потерь:

, МПа

Среднее индикаторное давление:

, МПа

Удельный эффективный расход топлива:

, г/кВт×ч

Часовой расход топлива:

кг/ч

Полученные данные заносим в таблицу 1, по ним строим внешнюю характеристику двигателя.

Таблица 1. Результаты расчета внешней скоростной характеристики

, об/мин , кВт , Н×м , МПа , МПа , МПа , г/кВтч , кг/ч
	30,7	586,6	0,847	0,112	0,959	305,9	9,4
	67,5	644,9	0,931	0,134	1,056	260,5	17,6
	103,5	659,2	0,951	0,157	1,108	234,2	24,2
	131,8	629,6	0,909	0,179	1,088	227,1	29,9
nном= nmax 2500	145,3	552,3	0,802	0,202	1,004		34,7

2. ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Динамический расчет автомобильного двигателя производиться на режиме максимальной мощности по результатам теплового расчета. В результате расчета необходимо определить следующие силы и моменты, действующие на кривошипно-шатунном механизме двигателя (рисунок):

- избыточное давление газов над поршнем , МПа;

- удельную суммарную силу, действующую на поршень , МПа;

- удельную суммарную силу, воспринимаемую стенками цилиндра (нормальное давление) , МПа;

- удельную силу инерции от возвратно-поступательно движущихся масс , МПа;

- удельную силу, действующую вдоль шатуна , МПа;

- удельную силу, действующую вдоль кривошипа , МПа;

- удельную силу, направленную по касательной к окружности радиуса кривошипа ,МПа;

- крутящий момент от одного цилиндра , Н×м;

- крутящий момент от i цилиндров , Н×м;

- удельную центробежную силу инерции от неуравновешенных вращающихся масс, сосредоточенных на радиусе кривошипа , МПа;

- удельную силу, действующую на шатунную шейку , МПа.

Расчетные значения всех сил сводятся в таблицу 2, на основании данных которых строятся их графики.

2.1 Расчет сил, действующих в КШМ

2.1.1 Построение развернутой индикаторной диаграммы в координатах

Перестройку индикаторной диаграммы из в развернутую диаграмму удельных давлений (в координатах ), действующих на поршень, проще выполнить графическим методом Брикса. Метод Брикса заключается в том, что на длине хода поршня построенной индикаторной диаграммы в координатах описывают полуокружность с центром в точке О.

Для учета влияния длины шатуна откладывают от центра полуокружности (точки О) по направлению нижней мертвой точки бицентровую поправку Брикса в масштабе диаграммы

Тогда м

где R- радиус кривошипа; для центрального механизма;

- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Из точки проводят ряд лучей (рекомендуется не менее 5) под углами до пересечения с полуокружностью. Проекции концов этих лучей на линии процесса всасывания, сжатия, расширения и выпуска указывают, какие точки рабочего процесса соответствуют тем или иным углам поворота коленчатого вала. При построении развернутой индикаторной диаграммы после ее скругления определяют максимальные значения сил от давления газов и результирующей силы .

Рассчитываем избыточное давление газов над поршнем

МПа

Аналогично ведем расчет для остальных углов ПКВ занося результаты в таблицу 2.

Определяем удельное значение силы инерции от возвратно-поступательного движения масс поршневой группы

МПа

Здесь - определяется по статистическим данным, рад/с, м.

По статистическим данным определим и методом линейного интерполирования: , .

кг/м²

, МПа.

Аналогично ведем расчет для остальных углов ПКВ занося результаты в таблицу

Рассчитываем удельную суммарную силу, действующую вдоль оси цилиндра

, МПа.

,МПа

Аналогично ведем расчет для остальных углов ПКВ, занося результаты в таблицу 2.

Определим удельную суммарную силу, действующую на стенку цилиндра

, МПа.

Здесь - удельная суммарная сила, действующая на поршневой палец. МПа; МПа

Аналогично ведем расчет для остальных углов ПКВ, занося результаты в таблицу 2.

Рассчитываем удельную суммарную силу, действующую вдоль шатуна

, МПа; МПа.

Аналогично ведем расчет для остальных углов ПКВ, занося результаты в таблицу 2.

Определяем удельную силу, действующую вдоль кривошипа

, МПа; МПа.

Аналогично ведем расчет для остальных углов ПКВ, занося результаты в таблицу 2.

Рассчитываем удельную суммарную силу, действующую по касательной к кривошипу

, МПа;

МПа.

Аналогично ведем расчет для остальных углов ПКВ, занося результаты в таблицу 2.

Определяем крутящий момент от одного цилиндра

Н×м.

Здесь м² - площадь поршня.

Н×м.

Аналогично ведем расчет для остальных углов ПКВ, занося результаты в таблицу 2.

2.1.10 Определяем крутящий момент от i цилиндров, пользуясь таблицей 3

Таблица 3 - Результаты расчета суммарного крутящего момента восьмицилиндрового двигателя (порядок работы цилиндров 1-5-3-2-6-4-7-8)

a, град	Цилиндры	МS, Нм

	aо	М, Нм	aо	М, Нм	aо	М, Нм	aо	М, Нм	aо	М, Нм	aо	М, Нм	aо	М, Нм	aо	М, Нм
				234,34				884,38		220,68						187,36	1526,74
		-420,6		95,59		-193,95		334,27		328,1		2127,5		-193,95		243,81	2320,77
		-242,27		-61,478		-342,45		241,49		194,16		1187,88		-327,72		420,94	1070,55
		220,68				234,34						884,38		187,36			1526,76

Период изменения суммарного крутящего момента равен:

После построения графика суммарного крутящего момента определяется средний индикаторный момент

, Н×м.

Приблизительно величина

, Н×м.

Здесь , - площади диаграммы суммарного крутящего момента, расположенные над и под осью абсцисс соответственно; - длина диаграммы , соответствующая периоду изменения суммарного крутящего момента; - масштаб крутящего момента по оси ординат, Н×м/мм. Полученное значение сравниваем со значением среднего индикаторного момента, определенным в тепловом расчете.

Рассчитаем удельную центробежную силу инерции от вращающихся неуравновешенных масс, сосредоточенных на радиусе кривошипа

МПа,

где

Рассчитываем силу, действующую на поверхность шатунной шейки

, МПа

МПа

Аналогично ведем расчет для остальных углов ПКВ, занося результаты в таблицу 2.

2.2 Построение развернутой диаграммы нагрузки на поверхность шатунной шейки

В таблице 7 рассчитана сила , действующая на поверхность шатунной шейки. Строим ее диаграмму в зависимости от угла поворота кривошипа и определяем среднее значение:

, МПа

Среднее значение силы можно определить, подсчитав площадь между графиком и осью абсцисс, разделив на длину диаграммы. Полученная величина умножается на масштаб по оси ординат.

Приблизительно величина

где F - площадь между графиком и осью абсцисс; - длина диаграммы;

- масштаб по оси ординат.

Построение полярной диаграммы сил, действующих на шатунную шейку

Строим координатную систему и с центром в точке О, в которой отрицательная ось направлена вверх.

В таблице 2 каждому значению соответствует точка с координатами . Наносим на плоскость и эти точки. Последовательно соединяя точки, получим полярную диаграмму. Вектор, соединяющий центр О с любой точкой диаграммы, указывает направление вектора и его величину в соответствующем масштабе.

Строим новый центр , отстоящий от О по оси на величину удельной центробежной силы от вращающейся нижней части шатуна .

В этом центре условно располагают шатунную шейку с диаметром .

Вектор, соединяющий центр с любой точкой построенной диаграммы, указывает направление действия силы на поверхность шатунной шейки и ее величину в соответствующем масштабе.

Касательные линии из центра к верхней и нижней частям полярной диаграммы отсекают наиболее нагруженную от наименее нагруженной части поверхности шатунной шейки.

Маслоотводящее отверстие располагают в середине наименее нагруженной части поверхности шатунной шейки, для чего восстанавливают перпендикуляр к хорде, соединяющей точки пересечения касательных к верхней и нижней частям полярной диаграммы.

3. РАСЧЕТ ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ НА ПРОЧНОСТЬ