147569 (Проект вихрокамерного 4-циліндрового дизельного двигуна для легкового автомобіля)

Курсова робота

з дисципліни «Автомобільні двигуни»

на тему «Проект вихрокамерного 4-циліндрового дизельного двигуна для легкового автомобіля»

Зміст

1. Вступ

1.1 Перелік умовних позначень

2. ПЕРШИЙ ЕТАП. ТЕПЛОВИЙ РОЗРАХУНОК

2.1 Параметри робочого тіла

2.1.1 Кількість горючої суміші М1, кмоль. гор. суміші/кг палива

2.1.2 Кількість окремих компонентів продуктів згоряння при обраному α

2.1.3 Загальна кількість продуктів згоряння, кмоль пр. зг. /кг палива

2.2 Параметри навколишнього середовища і залишкові гази

2.3 Процес наповнення (впуску)

2.4 Процес стиску

2.5 Процес згоряння

2.6 Процес розширення і випуску

2.7 Індикаторні параметри робочого циклу

2.8 Ефективні показники двигуна

2.9 Визначення основних розмірів двигуна

2.10 Побудова індикаторної діаграми двигуна

3. Тепловий баланс

3.1 Загальна кількість теплоти, введеної в двигун із паливом, Дж/с

3.2 Теплота, еквівалентна ефективній роботі за 1с, Дж/с

3.3 Теплота, передана охолодженому середовищу, Дж/с

3.4 Теплота, віднесена до відпрацьованих газів, Дж/с

3.5 Невраховані втрати теплоти, Дж/с

4. Розрахунок та побудова зовнішньої швидкістної характеристики двигуна

5. Порівняння основних показників проектованого двигуна і прототипу

6. ДРУГИЙ ЕТАП. ДИНАМІЧНИЙ РОЗРАХУНОК ДВИГУНА

6.1 Сили тиску газів

6.2 Приведення мас частин кривошипно-шатуного механізму

6.3 Сили інерції

6.4 Сумарні сили

6.5 Крутний момент одного циліндра

7. ТРЕТІЙ ЕТАП. РОЗРОБКА ТА КОНСТРУЮВАННЯ ДЕТАЛЕЙ ДВИГУНА

8. ЧЕТВЕРТИЙ ЕТАП. РОЗРАХУНОК СИСТЕМ ДВИГУНА

1. Вступ

Однією з приоритетних галузей інтенсивного розвитку країни є автомобільна промисловість. Інтенсивний розвиток автомобільної промисловості стимулює активізацію багатьох інших галузей.

Найголовнішою частиною сучасного авто є силовий агрегат. У більшості випадків це двигун внутрішнього згорання (ДВЗ). Двигун – це енергосилова мамашина, яка перетворює будь-який вид енергії в механічну роботу. Для руху авто необхідний двигун – джерело механічної енергії. Більшість сучасних автомобілів мають поршневі (теплові) двигуни (дизельні або бензинові).

Початок розвитку ДВЗ відноситься до 60-х років минулого століття. К кінцю 19 століття, коли була організована промислова переробка нафти, ДВЗ, працюючи на рідинному паливі, знайшли широке розповсюдження. В Росії перший бензиновий двигун було зроблено в 1889р. В 1899р. в Петербурзі розробили перший в світі двигун з запалюванням від стиску (дизель).

В області розвитку та оновлення автомобільних двигунів головними задачами є розширення використання дизелів, зниження паливної економічності та удільної маси двигунів, вартість їхнього випуску та експлуатації. На принципово новий рівень ставиться боротьба с токсичними вибросами двигунів в атмосферу, а також задачі по зниженню шума та вібрації в процесі іх експлуатації.

1.1 Перелік умовних позначень

D – діаметр циліндра

S – хід поршня

R – радіус кривошипа

L – довжина шатуна

і – число циліндрів

ε – ступінь стиску

α – коефіцієнт надлишку повітря

λ – ступінь підвищення тиску

Ра – тиск наприкінці впуску

Рс – тиск наприкінці стиску

Рz – тиск газів наприкінці згорання

Рb – тиск наприкінці розширення

Рr – тиск залишкових газів

Ре – середній ефективний тиск

Vл – літраж

Vh – робочий обсяг одного циліндра

Vc – обсяг камери сгорання

Va – повний обсяг циліндра

Nemax – максимальна потужність

n – частота обертання колінчатого вала

Memax – максимальний крутний момент

Nл – літрова потужність

gе – ефективна питома витрата палива

ηv – коефіцієнт наповнення

ηі – індикаторний ККД

ηм – механічний ККД

ηе – ефективний ККД

2. Перший етап. Тепловий розрахунок

Таблиця 1

Паливо	Вміст масових часток вуглецю, водню та кисню в 1кг палива			Молекулярна маса палива, mn кг/кмоль	Нижча теплота згорання Нn , МДж/кг
	С	О	Н
дизель	0,87	0,126	0,004	180...200	42,5

2.1 Параметри робочого тіла

Теоретично необхідна кількість повітря для згорання 1 кг палива

у кмоль повітря на 1кг палива

L0 = 1/0,21 * [gc/12 + gн/4 – gо/32] = 1/0,21*[0,87/12 + 0,126/4 – 0,004/32] = 4,761904 * [0,075 + 0,0315 – 0,000125] = 4,761904 * 0,10275 = 0,495 кмоль повітря / кг палива;

У кілограмах повітря на 1кг палива

l0 = 1/0,23 * [(8 * gc)/3 + 8 * gн – gо] = 1/0,23 * [(8*0,87)/3 + 8 * 0,126 –

– 0,004]= 14, 452 кг повітря / кг палива;

2.1.1 Кількість горючої суміші М1, кмоль. гор. суміші/кг палива

М1 = α*L0 = 1,3 * 0,50655= 0,643

2.1.2 Кількість окремих компонентів продуктів сгорання при обраному α

МСО2 = gc/12 = 0,87/12 = 0,072 кмоль/кг пал;

МН2О = gн/2 = 0,126/2 = 0,063 кмоль/кг пал;

МО2 = 0,21 * (α – 1) * L0 = 0,21 * (1,3 – 1) * 0,495 = 0,031 кмоль/кг пал;

МN2 = 0,79 * α * L0 = 0,79 * 1,3 * 0,495 = 0,508 кмоль/кг пал.

2.1.3 Загальна кількість продуктів згоряння, кмоль пр. зг. /кг палива

М2 = МСО2 + МН2О + МО2 + МN2 = 0,072 + 0,063 + 0,031 + 0,508 = 0,675

2.2 Параметри навколишнього середовища і залишкові гази

Атмосферні умови Р0 = 0,1 МПа; Т0 = 288º К;

Величина підігріву свіжого повітря ΔТа = 20 К;

Температура залишкових газів Тr = 800 К;

Тиск залишкових газів Р r = (1,05...1,25) * Р0 = 1,15 * 0,1 = 0,115 МПа

2.3 Процес наповнення (впуску)

Щільність заряду на впуску, кг/м3

ρ0=р0*106/(В*Т0),де

В=287 Дж/(кг*К)- питома газова постійна повітря.

ρ0=0,1*106/(287*288)=1,21 кг/м3

Витрати тиску на впуску: ΔРа = (0,03....0,18) Р0 = 0,08 * 0,1 = 0,008 МПа

Тиск в кінці пуска у точці “а”: Ра = Р0 – ΔРа = 0,1 – 0,008 = 0,092 МПа

Коефіцієнт залишкових газів в кінці впуску в точці “r”:

γr = [(Т0 + ΔТа)/Тr] * [Рr/((ε * Ра) – Р r)] = [(288 + 20)/800] * [0,115/((23 * 0,092) – 0,115)] = 0,022

Температура у кінці процесу пуска в точці “а”

Та = (Т0 + ΔТа + γr * Тr)/(1 + γr)=(288 + 20 + 0,022 * 800)/(1 + 0,022) =318,63 К

Коєфіцієнт наповнення

ηv = [Т0 * (φдоз * ε * Ра]/[(Т0 + ΔТа) * (ε – 1) * Р0] = 288 * [ (1,05 * 23 * 0,092 – 0,115)]/[(288 + 20) * (23 – 1) * 0,1] = 0,852

К1 = 1,375 – приймаємо по номограмі

n 1 = К1 – 0,022 = 1,372 – 0,022 = 1,35

2.4 Процес стиску

Тиск наприкінці стискання у точці “с”

Рс = Ра * εn1 = 0,092 * 231,35 = 0,092 * 68,918 = 6,352 МПа

Тс = Та * εn1-1 = 318,63 * 231,35-1 = 954,76 К

Середня мольна теплоємкість горючої суміші наприкінці процеса стискання точці “с”

μС ́vm = μСvm = 20,6 + 0,002638 * t˚с = 20,6 * 0,00263 * 681,76 = 36,937 кДж/(кмоль*град).

Тс = tc + 273 → tc = Тс – 273 = 954,76 – 273 = 681,76 К

Коефіцієнт використання теплоти ξz на ділянці сгорання с – z: ξz = 0,85

2.5 Процес згоряння

Коефіцієнт молекулярної зміни горючої суміші:

µ0 = М2/М1 = 0,675/0,643 = 1,05

Коефіцієнт молекулярної зміни робочої суміші:

µ = (µ0 + γr)/(1 + γr) = (1,05 + 0,022)/(1 + 0,022) = 1,072/1,022 =1,048

Кількість теплоти, втраченої внаслідок неповного згоряння палива,кДж/кг:

;

Середня молна телоємкість продуктів сгоряння,(кДж/моль·град):

Коефіціент використання теплоти ;

Ступінь підвищення тиску ;

Температура наприкинці видимого процесу згоряння визначаємо:

Tz=2086,741,К

Максимальний тиск газів у циліндрі наприкінці згоряння, Мпа

Рz = λ * Рс = 1,5 * 6,35 = 9,527 Мпа

2.6 Процес розширення і випуску

Вибираємо показник політропи розширення n 2 по номограмі

Ступінь попереднього розширення на ділянці z-c:

ρzc =(μ * Тz)/ (λ * Тс) = (1,048 * 2086,741)/(1,5 * 954,76) = 1,527

Ступінь послідовного розширення

δ = ε/ ρzc = 23/1,527 = 15,06

Температура у точці “в”

Тв = Тz * [1/ δ(n2-1)] = 2086,741 * [1/15,06(1,18-1)] = 1280,733 К

Тиск у точці “в”

Рв = Рz * (1/ δn2) = 9,527 * (1/15,061,18) = 0,388 МПа

Процес випуска відпрацювавших газів

Перевірим коректність вибору Тr при розрахунку процеса впуску

Тr = Тв/ ( Рв/Р r) = 1280,733/(0,388/0,115) = 376 К

2.7 Індикаторні параметри робочого циклу

Середній теоретичний (розрахунковий) індикаторний тиск, МПа.

Р́і = [Рс/(ε – 1)] * [λ * (ρzc – 1) + {(λ * ρzc)/(n 2 – 1)} * ((1 – 1/δ(n2-1)) – (1/(n 1 – 1)) * (1 – 1/ε(n1-1) = [6,352/(23 – 1)] * [1,5 * (1,527 – 1) + {(1,5 * 1,527)/(1,18 – 1)} * ((1 – 1/15,06(1,18-1)) – (1/(1,35 – 1)) * ((1 – 1/23^( 1,35 – 1)) = 1,098 МПа

Середній індикаторний тиск дійсного циклу, МПа

Рі = Р́і * φ. Приймаємо φ = 1,105 → Рі = 1,098 * 0,92 = 1,01 Мпа.

Індикаторний ККД

ηі = (Рі * l0 * α)/ (Ни * ρ0 * ηv) = (1,01 * 14,452 * 1,3)/(42,5 * 1,21 * 0,852) = 0,433

Індикаторна дійсна витрата палива, г/(кВт * ч)

gі = 3600/(Ни * ηі) = 3600/(42,5 * 0,433) = 195,554 г/(кВт * ч)

2.8 Ефективні показники двигуна

Середній тиск механічних втрат, МПа

Рм = 0,089 * 0,0135 * Vп.ср. = 0,089 + 0,0135 * 13,057 = 0,224 МПа

Середня швидкість поршня

Vп.ср. = (S * n)/30 = (0,0784 * 5000)/30 = 13,057 м/с

Середній ефективний тиск, МПа

Ре = Рі – Рм = 1,01 – 0,224 = 0,786 МПа

Механічний ККД

ηм = Ре/ Рі = 0,786/1,01 = 0,778

Ефективний ККД

ηе = ηм * ηі = 0,778 * 0,433 = 0,337

Ефективна витрата палива, г/(кВт * ч)

gе = 3600/(Ни * ηе) = 3600/(42,5 * 0,337) = 251,28

Годинна витрата палива, кг/год

Gп = gе *Nе = 251,28 * 40,5/1000 = 10,177 кг/год

2.9 Визначення основних розмірів двигуна

Літраж двигуна, л

Vл = ΣVh = (30*τ*Nе)/(Ре*n) = (30 * 4 * 40,5)/(0,77 * 5000) = 1,237 л.

Робочий обсяг одного циліндра, л

Vh = Vл/і = 1,237/4 = 0,309 л

Обираємо відношення S/D = 1,105

Діаметр циліндра двигуна, мм

= = 70,9 мм.

Хід поршня, мм

S = S/D * D = 1,105 * 70,9= 78,343 мм.

Отриманні значення округляємо до найближчих цілих значеннь:

D = 71 мм; S = 78 мм.

На основі отриманих S і D вироховуємо основні параметри та показники двигуна:

Літраж, л

Vл = (π * D² * S * і)/4 * 10⁶= (3,14 * 71² * 78 * 4)/ 4 * 10⁶= 1,235 л.

Ефективна максимальна потужність, кВт

Nе = (Ре * Vh * n * і)/30τ = (0,77 * 0,309 * 5000 * 4)/30 * 4 = 39,655 кВт.

Витрати палива, кг/год

Gп = gе*Nе = 251,28* 39,655/1000 = 9,965 кг/год.

Середня швидкість поршня, м/с

Vп.ср. = (S * n)/30 * 103 = (78 * 5000)/30000 = 13 м/с.

2.10 Побудова індикаторної діаграми двигуна

Vh = 0, 309 л;

Vс = Vh/(ε – 1) = 0, 309/(23 – 1) = 0,014 л

Vа = (Vh + Vс)/ Vс = (0, 309 + 0,014)/0,014 = 23,071 л

Для побудови діаграми вибираємо кут α = 15˚

Знаходимо кути β1 та β2

tg β1 = (1 + tgα)n1 – 1 = (1 + tg15˚)1,35 – 1 = 20˚

tg β2 = (1 + tgα) n2 –1 = (1 + tg15˚)1,18 – 1 = 18˚

Положення точки “с”:

Р́с́́́́́́́́́́́ = 1,25 * Рс = 1,2 * 6,352 = 7,62

3. Тепловий баланс

3.1 Загальна кількість теплоти, введеної в двигун із паливом, Дж/с

Q0 = (Ни * Gп)/3,6 = (42500 * 9,965)/3,6 = 117642,36

3.2 Теплота, еквівалентна ефективній роботі за 1с, Дж/с

Qе = 1000 * Nе = 1000 * 40,5 = 40500

3.3 Теплота, передана охолодженому середовищу, Дж/с

Qb = С * і * D(1+2m) * nm* (Ни-ΔНи)/α*Ни = 0,53 * 4 * 7,1(1+2*0,7) * 50000,7 * 1/1,3 = 60941,841

3.4 Теплота, віднесена до відпрацьованих газів, Дж/с

Qr = Gп/3,6 [М2 * (mС́ ́р)to * (Тz – 273) – М1 * (mС́́р)to * (Т0 – 273)] =

9,965/3,6 * [0,675 * (23,285 + 8,315) * (2086,741 – 273) – 0,643 * (20,775 + 8,315) * (288 – 273)] = 10007,6

3.5 Невраховані втрати теплоти, Дж/с

Qост = Q0 – (Qе + Qb + Qr) = 117642,36 – (40500 + 60941,841 + 10007,6) = 6192,92

Складова теплового балансу в джоулях на секунду і у відсотках подана у таблиці 2.

Таблиця 2

Складова теплового балансу	Q, Дж/с	q, %
Теплота: еквівалентна ефективній роботі передана охолодженому середовищу віднесена з газами, що відпрацювали невраховані витрати Загальна кількість теплоти, введеної в двигун із паливом	40500 60941,841 10007,6 6192,92 117642,36	100

4. Розрахунок та побудова зовнішньої швидкістної характеристики двигуна

Швидкістна характеристика показує зміну міцності, крутного моменту, витрат палива та інших параметрів від частоти обертання колінчастого вала. В залежності від положення органа, який керує подачею палива, розрізняють зовнішню та часткові швидкісні характеристики.

Швидкісна характеристика, отримана при повному дроселі (бензиновий двигун) або при положенні рейки паливного насоса (дизель), відповідаючому номінальній міцності, називається зовнішньою. Зовнішня швидкісна характеристика дозволяє провести аналіз і дати оцінку міцністних, економічних, динамічних та експлуатаційних показників при роботі двигуна з повним навантаженням.

Будь-яка швидкістна характеристика двигуна, отримана при неповному відкритті дросельної заслонки (бензиновий двигун) або при положенні рейки паливного насоса (дизель), відповідаючий частковій міцності, називається частковою швидкістною характеристикою. Такі характеристики використовуються для виявлення цілого ряда факторів (кута опєрєжєнія запалювання, складу суміші, мінімально устойчивих частот обертання та ін.) на роботу двигуна при часткових навантаженнях та дають можливість поліпшити його міцністні таекономічні показники.

У курсовому проекті ЗШХ проектованого двигуна будуємо по максимальніій потужності Nemax, емпірічних формулах, що забезпечують достатній рівень точності.Криві швидкісної характеристики будуємо в інтервалі від 500 до 5000 хв‾ ¹.