Устройство двигателя внутреннего сгорания

Факультет инженерной экологии и городского хозяйства

Кафедра теплогазоснабжения и вентиляции

 

Исследование повышения экономичности двигателелей внутреннего сгорания методом изготовления кривошипно-шатунного механизма из полиамид имидных (PAI) материалов.

 

 

Выполнил:

Магистрант

гр. 2-ТТм-2

Михайлов

Егор Валерьевич

 

 

Санкт-Петербург

2017 г.

План ВКР

 

I. ВВЕДЕНИЕ

II. ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Исходные данные объекта.

2. Полиамид-имиды (PAI). Виды.

3. Двигатели внутреннего сгорания. Определение. Принцип работы.

4. Описание используемого оборудования (до реконструкции). Характеристики.

5. Выбор материала кривошипно-шатунного механизма.

6. Теплотехнический расчет конструкции поршня ДВС.

7. Расчет механических характеристик ДВС.

8. Анализ полученных результатов после проведения мероприятий после иполнения деталей кривошипно-шатунного механизма из полиамид-имида.

9. Выводы. Заключение.

 

III. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

Описание работы

Данная работа посвящена теме исследованиеповышения экономичности двигателелей внутреннего сгорания методом изготовления кривошипно-шатунного механизма из полиамид имидных (PAI) материалов.

С каждым годом повышаются требования к эффективности и экономичности двигаталей внутреннего сгорания механических транспортных средств. Это обусловленно тенденцией к снижению загрязнения окружающей среды продуктами сгорания выделяющихся при работе двигателя. При работе автомобильного двигателя выделяются вещества, оказывающие вредное влияние на человека и окружающую природу. Один автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы в среднем более 4 т кислорода, выбрасывая при этом с отработанными газами примерно 800 кг угарного газа, 40 кг оксидов азота и почти 200 кг различных углеродов.

В результате от автотранспорта за год в атмосферу поступает огромное количество только канцерогенных веществ: 27 тыс. т бензола, 17,5 тыс. т формальдегида, 1,5 т бензопирена и 5 тыс. т свинца. В целом, общее количество вредных веществ, ежегодно выбрасываемых автомобилями, превышает цифру в 20 млн. т.

Состав отработанных газов зависит от типа потребляемого топлива, сравнительная характеристика которых приведена в таблице 1. Из таблицы 1 видно, что наиболее экологически безопасным является дизельное топливо. Несмотря на больший выброс оксидов азота и серы, общая масса поступающих в атмосферу загрязняющих веществ, с учетом класса их опасности, для здоровья оказывается примерно в 2,5 раза меньше, чем при использовании других видов топлива [1].

Необходимо отметить, что с точки зрения наносимого экологического ущерба, автотранспорт лидирует во всех видах негативного воздействия: загрязнение воздуха – 95%, шум – 49,5%, воздействие на климат – 68%.

В настоящее время в России уже находится большое количество легковых автомобилей стандартов Евро-2-3, 4 соблюдение которых должно контролироваться в эксплуатации.

Для этого ГОСТом Р 52033-2003 были предусмотрены специальные методы проверки и нормативные значения содержания СО и СН, т.е. помимо СО и СН здесь дополнительно должны нейтрализоваться и окислы азота NO_x, считающиеся наиболее вредными компонентами выброса.

Основные тенденциями двигателестроение на сегодня являются повышение удельной мощности агрегата, увеличение диапазона максимальной мощности, повышение КПД, повышение экономичности. Это достигается путем применения газотурбинных установок, систем непосредственного впруска топлива, облегчением деталей кривошипно-шатунного механизма.

В данной работе будут исследованы возможность применения полиамидимидных пластмасс в двигателестроении и отражены недостатки и приимущества данной концепции.

 

Актуальность и значимость работы объясняется тем, что в ней затронуты такие важные и острые проблемы автомобиле и двигателестроения, как: неэффективное сжигание топлива двигателями внутреннего сгорания, потери энергии в процессе работы, низкий рабочий диапазон, низкий КПД, высокая масса двигателей внутреннего сгорания. Применение данной технологии позволит снизить массу агрегата увеличить рабочий диапазон агрегата, увеличить максимальный крутящий момент силы и мощность агрегата, что напрямую связано с тендециями развития автомобиле и двигателестроения.

Объект исследования. В качестве исследуемого объектавыбран двигатель ВАЗ-21179, устанавливаемый на модели Веста, XRAY и Ларгус.

Основные параметры:

• рабочий объем — 1774 см³
• мощность — 122 л.с.
• крутящий момент — 170 Н·м при 3750 об/мин.

Блок цилиндров и коленчатый вал производят на АВТОВАЗе. Облегченную шатунно-поршневую группу закупают у компании Federal Mogul — Восток (Тольятти). На юбку поршня нанесено графитовое покрытие, форма юбки откорректирована для увеличения пятна контакта.

Научная новизна. В данной работе предложены решения по повышению эффективности двигателя внутреннего сгорания путем облегчения деталей кривошипно-шатунного механизма. Снижение массы узлов достигается путем применения, как основного материала, полиамидимдных пластмасс. Данное решение было реализованно на практике английским механиком Матти Хольцбергом в восьмидесятых годах прошлого века. Проект был закрыт по неизвестным причинам, но тема данного проекта не была полностью исследована.

Теоретический материал

Дви́гатель вну́треннего сгора́ния (ДВС) — двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя. ДВС преобразует тепловую энергию от сгорания топлива в механическую работу.

В настоящее время двигатель внутреннего сгорания является основным видом автомобильного двигателя.

Различают следующие основные типы двигателей внутреннего сгорания: поршневой, роторно-поршневой и газотурбинный.

Достоинствами поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечившими его широкое применение, являются: автономность, универсальность (сочетание с различными потребителями), невысокая стоимость, компактность, малая масса, возможность быстрого запуска, многотопливность.

Вместе с тем, двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков, к которым относятся: высокий уровень шума, большая частота вращения коленчатого вала, токсичность отработавших газов, невысокий ресурс, низкий коэффициент полезного действия.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания включает корпус, два механизма (кривошипно-шатунный и газораспределительный) и ряд систем (впускную, топливную, зажигания, смазки, охлаждения, выпускную и систему управления).

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Поршневой двигатель внутреннего сгорания включает корпус, два механизма (кривошипно-шатунный и газораспределительный) и ряд систем (впускную, топливную, зажигания, смазки, охлаждения, выпускную и систему управления).

Корпус двигателя объединяет блок цилиндров и головку блока цилиндров. Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Газораспределительный механизмобеспечивает своевременную подачу в цилиндры воздуха или топливно-воздушной смеси и выпуск отработавших газов.

Впускная система предназначена для подачи в двигатель воздуха. Топливная система питает двигатель топливом. Совместная работа данных систем обеспечивает образование топливно-воздушной смеси. Основу топливной системы составляет система впрыска.

Система зажигания осуществляет принудительное воспламенение топливно-воздушной смеси в бензиновых двигателях. В дизельных двигателях происходит самовоспламенение смеси.

Система смазки выполняет функцию снижения трения между сопряженными деталями двигателя. Охлаждение деталей двигателя, нагреваемых в результате работы, обеспечивает система охлаждения. Важные функции отвода отработавших газов от цилиндров двигателя, снижения их шума и токсичности предписаны выпускной системе.

Система управления двигателем обеспечивает электронное управление работой систем двигателя внутреннего сгорания.

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение (например, во вращательное движение коленчатого вала в двигателях внутреннего сгорания), и наоборот. Детали КШМ делят на две группы, это подвижные и неподвижные детали:

• подвижные: поршень с поршневыми кольцами, поршневой палец, шатун, коленчатый вал с подшипниками или кривошип,

маховик.

· неподвижные: блок цилиндров (является базовой деталью двигателя внутреннего сгорания) и представляет собой общую отливку с картером, головка цилиндров, картер маховика и сцепления, нижний картер (поддон), гильзы цилиндров, крышки блока, крепежные детали, прокладки крышек блока, кронштейны, полукольца коленчатого вала.

 

К автомобильным конструкционным материалам относятся мате­риалы, из которых изготавливают разнообразные детали и узлы автомобилей: коробоки передач, задние и передние мос­ты, рулевые механизмы, карданные передачи, колесные тормоза, подвески, рам, двигателей.

Большую часть деталей автомобилей изготавливают из металли­ческих материалов: углеродистых и легированных конструкционных сталей общего и специального назначения, чугунов и цветных сплавов на основе алюминия, цинка. Пластмассы в современном автомобиле­строении вытесняют металлические материалы, но пока в качестве кон­струкционных материалов для основных деталей автомобилей исполь­зуются в небольшом объеме.

Для изготовления деталей машин используется широкая номенк­латура конструкционных материалов:

• конструкционные стали;

• серые чугуны;

• цветные сплавы;

• синтетические материалы.

Учитывая условия эксплуатации автомобильных материалов и по­вышенные требования к ним по основным и технологическим свойст­вам, в автомобильной промышленности в основном применяют конст­рукционные стали и серые чугуны.

В автомобилестроении ведущими по использованию являются ле­гированные конструкционные стали общего назначения, которые при­меняются для изготовления основных несущих конструкций и нагру­женных деталей автомобилей. Объясняется это тем, что они обеспечи­вают в небольших сечениях повышенную конструкционную прочность, кроме того, они технологичны: хорошо куются, обрабатываются реза­нием, свариваются, имеют повышенную прокаливаемость, невысокую деформацию при термической обработке. Как правило, содержание уг­лерода в конструкционных сталях не выше 0,5 %, а сумма легирующих элементов - не более 5 %. Это стали перлитного класса.

Стоимость легированных сталей выше, чем у углеродистых, по­этому для деталей автомобилей применяют и углеродистые качествен­ные, низколегированные стали. Замена легированных сталей на углеро­дистые допускается, если она не приводит к снижению надежности идолговечности узлов и возможна, например, для автомобилей меньшей грузоподъемности. Углеродистые конструкционные слали обыкновен­ного качества для деталей автомобилей используют редко, из-за пони­женной прочности и повышенного температурного порога хладнолом­кости.

К некоторым деталям автомобилей предъявляются дополнитель­ные требования по основным и технологическим свойствам, например, по пружинящим свойствам, коррозионной стойкости, жаропрочности, износостойкости, обрабатываемости резанием. В этом случае применя­ют стали со специальными свойствами соответственно: рессорнопружинные, коррозионностойкие, жаропрочные, износостойкие, авто­матные.

Не менее важным конструкционным материалом в автомобиле­строении являются серые чугуны. Их применение оправдано, т.к. они обладают хорошим комплексом технологических свойств - хорошими литейными свойствами, обрабатываемостью резанием. Некоторые сложные детали автомобилей можно изготовить только методом литья из серых чугунов. Серые чугуны по основным свойствам уступают ста­лям, хотя имеют существенные преимущества при эксплуатации: менее чувствительны к концентраторам напряжений, хорошо гасят вибраци­онные нагрузки, обладают высокими антифрикционными свойствами. Другим важнейшим преимуществом серых чугунов является меньшая себестоимость изготовления литых заготовок по сравнению с металлопрокатом и поковками из сталей.

Свойства серых чугунов зависят от формы и размера графита. Се­рые чугуны с пластинчатым графитом уступают ковким чугунам с хлопьевидным и особенно высокопрочным с шаровидным графитом. В настоящее время в автомобильной промышленности преимущественно применяются модифицированные серые чугуны с мелким пластинча­тым графитом, ковкие с хлопьевидным и существует тенденция увеличения использования высокопрочных чугунов. Они вытесняют в том числе и ковкие, как менее технологичные.

В автомобильной промышленности используют специальные, до­полнительно легированные чугуны. Эти чугуны обладают повышенны­ми износостойкостью и коррозионной стойкостью, жаростойкостью и жаропрочностью. Они в основном применяются в двигателестроении.

В автомобилестроении постоянно стоит задача снижения массы автомобиля. Для ее решения заменяют черные сплавы на легкие цвет­ные сплавы или синтетические материалы. Однако эти материалы не могут вытеснить в значительной мере стали и чугуны в виду их дорого­визны и дефицитности. Часто цветные сплавы и синтетические мате­риалы уступают и по комплексу основных свойств, хотя являются дос­таточно технологичными. Преимуществом цветных сплавов и синтети­ческих, особенно алюминиевых, является их высокая удельная проч­ность.

В автомобильной промышленности нашли особенно широкое применение в качестве конструкционного материала сплавы на основе алюминия, используются также сплавы на цинковой и магниевых осно­вах, но объемная их доля невелика.

В настоящее время в современной автомобильной промышленно­сти существует тенденция замены металлических материалов альтерна­тивными синтетическими. В основном применяют термопластмассы, полиэтилены, керамику и композиционные материалы на их основе.

Пластмассы имеют ряд преимуществ: однородны по свойствам, термостабильны до 300-400°С, химически стойки, обладают электро­изоляционными свойствами и другими специфическими свойствами. Применение пластмасс повышает надежность конструкции, снижает вес, стоимость, а также шумы при работе. Но они склонны к старению и уступают многим по основным свойствам.

Классификация:

1. Конструкционные стали

• низколегированные качественные и высококачественные пер­литные стали общего назначения;

• углеродистые качественные стали, реже обыкновенного каче­ства;

• специальные и специализированные стали (рессорно-пружинные, подшипниковые, автоматные, нержавеющие, жа­ропрочные).

2. Чугуны

• серые с пластинчатым графитом;

• высокопрочные с шаровидным графитом;

• ковкие с хлопьевидным графитом;

• специальные чугуны (жаропрочные, коррозионностойкие).

3. Цветные сплавы

• алюминиевые сплавы;

• магнитные сплавы;

• цинковые сплавы.

4. Пластмассы

• термопласты;

• полиэтилены;

• керамические материалы;

• композиты и др.

 

Полиамидимид

Полиамидимид PAI - это высокотехнологичный полимер с очень высокой механической прочностью и твердостью, с уникальным температурным диапазоном. Полиамидимид сохраняет стабильность формы как при сверхнизких температурах, так и при очень высоких.

PAI выпускается несколькими европейскими производителями, поэтому, несмотря на то, что по своему химическому составу это один и тот же материал – полиамид-имид, каждый производитель называет его по разному.

• Torlon PAI (Торлон) - от компании "Quadrant", Бельгия
• Tecasint (Текасинт) ndash; полиамидимид от компании "Ensinger", Германия
• Tecator (Текатор) – модифицированный полиамидимид от компании "Ensinger", Германия

Полиамидимид обладает определенными отличительными характеристиками полиамида и полиимида. Владея прекрасной термической и химической стойкостью, полиамидимид имеет высокую механическую прочность и теплоемкость, обладает технологичностью переработки.

Температура стабильности формы данного полимерного инженерного пластика, как и температура стеклования всегда должна быть немного выше кратковременных рабочих температурных показателей. Данный факт означает неизменность свойств полиамидимида при достаточно большой температуре эксплуатации.

Популярность полиамидимида объясняется невысоким коэффициентом теплового расширения, плохой ползучести, отменными свойствами скольжения, износостойкости. Перечисленные свойства полиамидимида можно дополнить отличной устойчивостью к возгоранию, колоссальные высокие температурные показатели при работе на воздухе.

Отличительные характеристики полиамидимида - эффективное противодействие к рентгеновскому излучению, солнечным лучам. Материал обладает маленьким коэффициентом растяжения, низким уровнем возгорания. Установленная максимальная температура для работы до 275 градусов, но в исключительных ситуациях, экстренных режимах может работать при более высоких показателях температур с ограничением во времени. Полимерный материал знаменит криогенными свойствами, повышенной ударной вязкостью.

Широкая область использования инженерного пластика полиамидимида в машиностроении, химической промышленности, газовой промышленности при изготовлении полупроводников и техники для тестирования, в электротехнике и космонавтике, автомобилестроении. Из данного полимера производят огромное количество деталей: втулки, уплотнительные кольца, электроизоляционные детали, шестерни, лопасти, детали, при функционировании подвергающиеся трению либо скольжению и многие другие элементы.

Полиамидимид - один из самых дорогих полимеров, поэтому как правило, в большинстве случаев заменяется на аналоги. Основным аналогом полиамидимида является Полиэфирэфиркетон PEEK.

Torlon

Благодаря своим универсальным рабочим характеристикам и опыту использования для самых разнообразных применений материал TORLON полиамид-имид (PAI) предлагается в экструдированной форме и в форме литья под давлением. Для высокотемпературных приложений этот современный материал предлагает отличное сочетание механических характеристик и стабильности размеров. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

• Очень высокая максимальная допустимая рабочая температура на воздухе (250°С при постоянном воздействии)

• Отличная способность сохранять механическую прочность, жесткость и сопротивление ползучести в широком диапазоне температур • Высокая степень стабильности размеров при температуре вплоть до +250°С

• Отличные фрикционно-износные свойства (особенно TORLON 4301 и 4501 PAI)

• Очень хорошая стойкость к воздействию УФ-излучения

• Исключительная стойкость к излучению высокой энергии (гамма- и рентгеновское излучение)

• Низкая собственная воспламеняемость

TORLON 4203 PAI (экструдированный) (ПАИ) TORLON 4503 PAI (литье под давлением) (ПАИ) TORLON 4203 PAI предлагает наилучшую жесткость и ударную прочность по сравнению с остальными марками TORLON PAI. Эта экструдированная марка TORLON PAI весьма популярна для изготовления прецизионных деталей высокотехнологичного оборудования. Кроме этого, его хорошие электроизоляционные свойства обеспечивают многочисленные возможности его применения для электротехнических изделий. TORLON 4503 PAI, изготовленный методом литья под давлением, подобен по составу TORLON 4203 PAI и выбирается при необходимости более крупных деталей.

TORLON 4301 PAI (экструдированный) (ПАИ + графит + ПТФЭ) TORLON 4501 PAI (полученный литьем под давлением) (ПАИ + графит + ПТФЭ) Добавление ПТФЭ и графита повышает износостойкость и снижает коэффициент трения, по сравнению с ненаполненной маркой, а также снижает тенденцию к прерывистому скольжению. TORLON 4301 PAI также обеспечивает отличную стабильность размеров в широком диапазоне температур. Эта экструдированная марка TORLON PAI отлично проявляет себя в применениях с сильным износом, таких как несмазываемые подшипники, уплотнения, сепараторы подшипников качения и детали поршневого компрессора. Литой под давлением TORLON 4501 подобен по составу TORLON 4301 PAI и выбирается при необходимости более крупных деталей.

TORLON 5530 PAI (литой под давлением) (ПАИ GF30) Этаармированная на 30% стекловолокном марка обеспечивает более высокую жесткость, прочность и сопротивление ползучести, чем вышеупомянутые марки TORLON PAI. Он хорошо пригоден для несущих конструкций, выдерживающих статические нагрузки в течение продолжительного времени при высоких температурах. Кроме того, TORLON 5530 PAI демонстрирует превосходную стабильность размеров при температуре вплоть до 250°С, что делает его чрезвычайно популярным для изготовления прецизионных деталей, например, для электронной и полупроводниковой отраслей. Однако пригодность TORLON 5530 PAI для скользящих деталей должна быть тщательно изучена, поскольку стекловолокно может обдирать сопрягающуюся поверхность.

Ketron Peek.

Семейство материалов KETRON® PEEK основано на полиэфирэфиркетоновой смоле. Этот современный полукристаллический материал обеспечивает уникальную комбинацию высоких механических свойств, термостойкости и отличной химической стойкости, что сделало его самым популярным современным пластиком. ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРИМЕЧАНИЕ: Начиная с температуры +150°С (выше температуры стеклования) механические свойства всех сортов пластмасс KETRON РЕЕК существенно снижаются, а коэффициент линейного теплового расширения значительно увеличивается. Следовательно такой материал, как ТОРЛОН ® PAI, мог бы быть лучше пригоден для деталей с малыми допусками, работающих под высокими нагрузками при температурах выше 150°С. 20

Основные характеристики:

• Очень высокая максимально допустимая рабочая температура на воздухе (250°С при постоянном воздействии и до 310°С при кратковременном воздействии)

• Высокая механическая прочность, жесткость и сопротивление ползучести, в том числе и при повышенных температурах

• Отличная стойкость к химическому воздействию и гидролизу

• Отличные фрикционно-износные характеристики • Очень хорошая стабильность размеров

• Отличная стойкость к излучению высокой энергии (гамма- и рентгеновское излучение)

• Низкая воспламеняемость и очень низкие уровни выделения дыма при сжигании