Курсовая работа по теме:
ДВИГАТЕЛЬ АВТОМОБИЛЬНЫЙ
1. Тепловой расчет двигателя
Так как топливом для двигателя является этанол, его средний элементарный состав, молекулярная масса и низшая теплота сгорания равны соответственно:= 0,52;= 0,13;
μт = 46 кг/моль;= 27700 кДж/кг;
Параметры рабочего цикла.
Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1кг топлива:
кмоль/кг.
кг воздуха/кг топлива.
Для получения двигателя достаточно экономичного, с меньшей токсичностью продуктов сгорания принимаем α = 0,94.
Количество свежего заряда:
кмоль/кг;
Т.к. α <1, процесс сгорания неполный:
кмоль/кг.
кмоль/кг.
кмоль/кг, где К - постоянная величина, зависящая от отношения количества водорода к окиси углерода, содержащихся в продуктах сгорания.
кмоль/кг.
кмоль/кг.
Общее количество продуктов сгорания:
кмоль/кг.
Количество потерянного тепла из-за недостатка кислорода:
кДж/кг.
Химический коэффициент молекулярного изменения
Определение коэффициентов А и В для смеси:
Проектируемый двигатель с nN=3600 об/мин, поэтому принимаем коэффициент наполнения цилиндра
ηv=0,77.
С целью получения хорошего наполнения цилиндра свежим зарядом принимаем температуру подогрева рабочей смеси
ΔТ=8К.
Для возможности дальнейшей установки нейтрализатора и глушителя для снижения уровня шума выхлопа принимаем давление остаточных газов:=1,23*р0, где р0=0,1*106 МПа.
Для проектируемого двигателя ориентировочно будет применяться бензин с октановым числом 92-93, поэтому степень сжатия принимаем:
ε=10.
Для данной степени сжатия температура остаточных газов
Тr=950 K.
Коэффициент остаточных газов:
Температура в конце впуска
Давление в конце впуска:
МПа.
Процесс сжатия.
Пользуясь номограммой для определения показателя адиабаты сжатия к1 [3], определим n1 (Та=333,08 К, ε=10, nN=3600 об/мин):=1,38.
Давление и температура в конце процесса сжатия:
pc=pa* εn1=0,083*101,38=1,991 МПа.
Tc=Ta*εn1-1=333,08*100,38=799,003 K.
Процесс сгорания.
Коэффициент использования теплоты для проектируемого двигателя принимаем, используя самые современные достижения в области изучения процесса сгорания:
ξ=0,92.
Средняя мольная теплоемкость при постоянном объеме свежего заряда в точке С (в конце сжатия):
кДж/(кмоль*К).
Средняя мольная теплоемкость при постоянном объеме продуктов сгорания в точке С
кДж/(кмоль*К).
Действительный коэффициент молекулярного изменения:
=
Д=b2-4*a*c=26,0092+4*0,002*90027,711=1396,69.
К, т.к. отрицательное значение температуры по шкале Кельвина не имеет физического смысла.
Степень повышения давления:
Давление в конце сгорания:
МПа.
Процесс расширения.
Средний показатель политропы расширения оценим по величине среднего показателя адиабаты, используя номограмму определения к2 для двигателя с искровым зажиганием [3].=1,2525.
Давление и температура в конце процесса расширения:
МПа.
К.
Показатели работы двигателя.
Индикаторные показатели.
а. энергетические.
Среднее индикаторное давлении:
МПа, где φ=0,96 - коэффициент скругления индикаторной диаграммы.
б. экономические показатели.
Индикаторный КПД:
.
Удельный индикаторный расход топлива:
г/кВт*ч.
Эффективные показатели.
а. энергетические.
Принимаем среднюю скорость поршня для легкового автомобиляср=10 м/с.
Среднее давление механических потерь:=0,049+0,0152* Vn ср=0,049+0,0152*10=0,201 МПа.
Среднее эффективное давление:
Ре =Рi-Рm=1,065-0,201=0,864 МПа.
Механический КПД:
Удельный эффективный расход топлива:
г/кВт*ч.
Эффективный КПД:
Определение рабочего объёма двигателя и размеров его цилиндров:
Рабочий объём двигателя:
л.
Исходя из литража, будем проектировать рядный четырёхцилиндровый двигатель:
л.
Отношение S/D<1 снижает высоту двигателя и его массу (но несколько увеличивает его длину), увеличивает ηi и ηv, уменьшает скорость поршня и износ деталей двигателя.
Принимаем m=S/D=0,9.
Диаметр цилиндра:
мм.=m*D=0,9*93=83,7 мм.
Принимаем S=84 мм, D =93 мм.
2. Динамический расчет двигателя
В целях уменьшения высоты двигателя без значительного увеличения инерционных и нормальных сил величина отношения радиуса кривошипа к длине шатуна принимается
λ = 0,27.
Для диаметра цилиндра D = 93 мм относительная масса поршневого комплекта Мп = 90 кг/м2, масса шатуна Мш = 130 кг/м2.
Для упрощения динамического расчета действительный кривошипно-шатунный механизм заменяется динамически эквивалентной системой сосредоточенных масс. При этом массу шатунной группы заменяют двумя массами, одна из которых сосредоточена на оси поршневого пальца
Мшп = 35,75 кг/м2,
а другая на оси кривошипа
Мшк = 94,25 кг/м2.
Масса колена вала Мкв = 170 кг/м2.
Система сосредоточенных масс, динамически эквивалентная кривошипно - шатунному механизму, состоит из массы
Мвп = Мшп + Мшк = 57,2 + 150,8 = 118,6 кг/м2,
совершающей возвратно - поступательное движение, и массы
Мвр = 2* Мшк = 2*150,8 =101,4 кг/м2.
Результаты динамического расчета заносим в таблицу, в которой:
φº - угол поворота коленчатого вала;
fs(φ) = - функция для определения положения поршня;= - перемещения поршня;г-Ро - избыточное давление на поршнем, МПа;
fj(φ) = - функция для определения ускорения поршневой группы;= - сила инерции поршневой группы;∑ = - суммарная силат(φ) = - функция для определения тангенциальной силы, β - угол наклона шатуна к оси поршня;= - тангенциальная сила;
fz(φ) = - функция для определения Z;= - сила, действующая на шатунную шейку= - центробежная сила инерции;рез = - результирующая К и Z сил, действующих на шатунную шейку.
3. Расчет механизмов двигателя и его систем
.1 Расчетные режимы
Величина и характер изменения основных нагрузок, воздействующих на детали двигателя, зависят от эксплуатационного режима работы двигателя. Обычно рассчитывают детали для режимов, на которых они работают в наиболее тяжелых условиях.
. Режим максимальной мощности:
частота вращения коленчатого вала nN = 3600 об/мин.
максимальное давление газов при вспышке PzN = 6,475 МПа.
. Режим максимального крутящего момента:
частота вращения коленчатого вала об/мин.
максимальное давление газов при вспышке PzM = 7,618 МПа.
. Режим максимальной частоты вращения при холостом ходе:
частота вращения коленчатого вала об/мин (для карбюраторных двигателей).
максимальная сила давления газов при вспышке на этом режиме мала по сравнению с силами инерции, поэтому можно принять МПа.
3.2 Расчет деталей цилиндровой группы
. Расчет стенки цилиндра.
Толщина стенки цилиндра (гильзы) dц выбирается из условий достаточной жесткости и обеспечения достаточного количества ремонтных расточек.
Стенка цилиндра двигателя водяного охлаждения проверяется на разрыв по образующей от внутреннего давления газов при вспышке PzM на режиме максимального крутящего момента.
=м.
где D - диаметр цилиндра, м;
[s] - допускаемое нормальное напряжение на разрыв; для чугуна [s] =50 МПа.- давление газов в цилиндре при вспышке на режиме максимального крутящего момента, МПа.
Наиболее близким к проектируемому двигателю является ЗМЗ-402 (т.н. «прототип»). Поэтому расчеты будут проводиться, ориентируясь на данную модель.
Блок цилиндров этого двигателя имеет 2 ремонтных размера, а диаметры цилиндров 2-го ремонтного размера отличаются от номинального в одной группе на 1 мм, следовательно, толщину стенки блока цилиндров принимаем:
dц=6,25+1/2=6,75 мм.
Блок цилиндров изготавливается из серого чугуна марки СЧ1836.
. Расчет силовых шпилек (болтов) крепления головки.
Силовые шпильки (болты) крепления головки проверяются на усталостную прочность от газовых сил и усилия предварительной затяжки.
За расчетный режим следует принять режим максимального крутящего момента.
Диаметр шпилек (болтов) ориентировочно может быть определен на основании статистических данных= (0,12 - 0,14)*D=(0,12-0,14)*93=11,16-13,02.
где D - диаметр цилиндра.
Полученное значение d следует скорректировать до ближайшего значения по ГОСТ.
Скорректируем диаметр шпильки до стандартного d=14 мм.
Для резьбы М14х1,5 площадь сечения по внутреннему диаметру резьбы f=120,23 мм2.
Газовая сила, действующая на шпильку, определяется следующим образом:
МН,
где PzM= 7,618 МПа - максимальное давление газов при вспышке в цилиндре на режиме максимального крутящего момента;пр - площадь проекции камеры сгорания на плоскость, перпендикулярную оси цилиндра, ограниченную завальцованным краем прокладки, м2. При верхнеклапанном газораспределительном механизме:пр =1,2*Fп =1,2*=1,2*0,0081 м2.п - площадь днища поршня;шп - число шпилек, окружающих один цилинд
