Расчёт бензинового инжекторного двигателя 84 кВт

Федеральное агентство по образованию

Сыктывкарский лесной институт (филиал)

Санкт- Петербургской государственной лесотехнической академии

им. С.М.Кирова















КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Дисциплина: Автомобильные двигатели

Тема: Расчёт бензинового инжекторного двигателя 84 кВт

	

	

	Выполнил Скоробогатых П. А.

	Проверил Чурилов Ю.В.

	Зав. кафедрой Чудов В.И.

	

	

	

	

	







Сыктывкар 2008






содержание



Введение

1. Тепловой расчёт бензинового двигателя

Топливо

Параметры рабочего тела

Параметры окружающей среды и остаточные газы

Процесс впуска

Процесс сжатия

Процесс сгорания

Процессы расширения и выпуска

Индикаторные параметры рабочего цикла

Эффективные показатели двигателя

Основные параметры цилиндра и двигателя

Посторенние индикаторной диаграммы

2. Тепловой баланс двигателя

3. Построение внешней скоростной характеристики двигателя






Введение



Современные наземные виды транспорта обязаны своим развитием главным образом применению в качестве силовых установок поршневых двигателей внутреннего сгорания. Именно поршневые ДВС до настоящего времени являются основным видом силовых установок, преимущественно используемых на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных, дорожно-транспортных и строительных машинах.

Являясь достаточно сложным агрегатом, любой двигатель должен вбирать в себя многие достижения постоянно развивающихся различных направлений и отраслей науки: химии и физики, гидравлики и аэродинамики, теплотехники и электроники, металлургии и сопротивления материалов, математики и вычислительной техники и т. д. и т. п.

Выполнение сегодняшних задач и движение к прогрессу требует от специалистов, связанных с производством и эксплуатацией автомобильных двигателей, глубоких знаний теории, конструкции и расчета двигателей внутреннего сгорания.

Прогресс в автомобильной промышленности, дальнейшее увеличение грузооборота автомобильного транспорта предусматривает не только количественный рост автопарка, но и значительное улучшение использования имеющихся автомобилей, повышение, культуры эксплуатации, увеличение межремонтных сроков службы.

Тепловой расчет позволяет с достаточной степенью точности аналитическим путем определить основные параметры вновь проектируемого двигателя, а также проверить степень совершенства действительного цикла реально работающего двигателя.

В данном учебном пособии основное внимание уделено расчету вновь проектируемого двигателя. В связи с этим приводятся основные положения, необходимые для выбора исходных параметров, которые используются при выполнении как теплового, так и последующих расчетов двигателя.

При расчете двигателя обычно задаются величиной номинальной мощности или определяют ее с помощью тяговых расчетов. Номинальной мощностью (Nе) называют эффективную мощность, гарантируемую заводом-изготовителем для определенных условий работы. В автомобильных и тракторных двигателях номинальная мощность равна максимальной мощности при нормальной частоте вращения коленчатого вала. Выбор или задание номинальной мощности определяется прежде всего назначением двигателя (для легкового или грузового автомобилей, трактора); его типом (бензиновый - карбюраторный или двигатель с впрыском топлива, газовый, дизель); условиями эксплуатации и т.д. Мощность современных автомобильных и тракторных двигателей колеблется в очень широких пределах – 15 – 500 кВт.

Другим важнейшим показателем двигателя является частота вращения коленчатого вала, характеризующая тип двигателя и его динамические качества. На протяжении длительного времени существовала тенденция повышения частоты вращения коленчатого вала. Результатом этого являлось снижение основных размеров двигателя, его массы и габаритов. Однако с увеличением частоты вращения возрастают инерционные силы, ухудшается наполнение цилиндров, возрастает токсичность продуктов сгорания, повышается износ деталей и узлов двигателя, снижается его срок службы. В связи с этим в 60- 80-х годах частота вращения коленчатого вала двигателей практически стабилизировалась, а для отдельных типов автомобильных двигателей даже снижалась. Однако применение бензиновых двигателей с впрыском топлива во впускную систему и непосредственно в цилиндр позволило значительно увеличивать частоту вращения коленчатого вала при снижении токсичности отработавших газов.






1.Тепловой расчет бензинового двигателя



Исходные данные

Тип двигателя

Бензиновый инжектор

Тактность

4-х

Количество цилиндров

4

Расположение цилиндров

Рядный

Частота вращения КВ, (n,мин-1)

5800

Эффективная мощность, (Ne, КВт)

84

Степень сжатия, (ε)

11,3

Коэффициент избытка воздуха, (α)

1



В соответствии с ГОСТ Р 51105-97 /2/. для рассчитываемого двигателя принимаем бензиновое топливо марки Премиум – 95.



1.1 Топливо



Средний элементарный состав бензинового топлива:

Углерод: C=0,855; Водород: H2=0,145; Кислород: O2=0.

Низшая теплота сгорания бензина:





1.2 Параметры рабочего тела



Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива.



 

 кмоль воздуха/кг топлива




где 0,208 – объемное содержание кислорода в 1кмоль воздуха.



 

 кг воздуха/кг топлива 



где 0,23 – массовое содержание кислорода в 1кг воздуха. 



Коэффициент избытка воздуха.

Принимаем: .

Количество горючей смеси:



 кмоль гор. смеси/кг топлива 



где mТ = 115 кг/моль – молекулярная масса паров бензина. 

При неполном сгорании топлива продукты сгорания представляют собой смесь углекислого газа СО, водяного пара НО, кислорода О и азота N.

Количество отдельных компонентов продуктов неполного сгорания топлива:

Углекислого газа:



 кмоль СО2/кг топлива 



Водяного пара:






 кмоль Н2О/кг топлива 



Кислорода:



 

 кмоль О2/кг топлива



Азота:



  кмоль N2/кг топлива 



Общее количество продуктов неполного сгорания топлива:



 

 кмоль сгорания/кг топлива 



1.3 Параметры окружающей среды и остаточные газы



Атмосферные условия



 МПа и  К.



Степень сжатия  11,3

Температура и давление остаточных газов.



 К

  МПа



1.4 Процесс впуска



Температура подогрева свежего заряда.

Рассчитываемый двигатель не имеет специального устройства для подогрева свежего заряда. Однако естественный подогрев заряда в бензиновом двигателе может достигать . Принимаем:



 



Потери давления на впуске

,



Примем



.



Давление в конце впуска составляет:







Коэффициент остаточных газов характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания и определяется по формуле:










Температура заряда в конце пуска  определяется:







Коэффициент наполнения







Параметры

Значения

Pr, МПа

0,12

P0, МПа

0,1

Тr, K

1040

T0, K

293

ηv

0,79699

ε

11,3

∆T, K

7

γ



Pa, МПа

0,085

Ta, К

329,27

 

1.5 Процесс сжатия



Для расчетов параметров в конце сжатия примем показатель политропы равный



.



Давление в конце сжатия:








Температура в конце сжатия:







Определим среднюю теплоемкость в конце сжатия

а) свежей смеси (воздуха)



,

где 





б) остаточных газов  определяем по рекомендации методического пособия.







в) рабочей смеси:







Параметры

Значения

Tc, K

788,24

Pc, МПа

2,299






Процесс сгорания



Коэффициент молекулярного изменения горючей и рабочей смеси.









Определим теплоту сгорания рабочей смеси







Определим мольную теплоемкость продуктов сгорания



  



Температура в конце видимого процесса сгорания:







примем , получим








Отсюда имеем







Отсюда







Максимальное давление сгорания теоретическое:







Максимальное давление сгорания теоретическое:







Определим степень повышения давления







Параметры

Значения

μ

1,024

μ0

1,0524

(mcv’), кДж/кг

21,96

(mcv’’), кДж/кг

24,24

ξ

0,91

Tz, K

2978

Pz, МПа

8,89

λ

3,867



1.7 Процессы расширения и выпуска



Для определения параметров процесса расширения примем показатель политропы расширения 

Определим давление :







Определим температуру:







Проверка ранее принятой температуры остаточных газов:







Погрешность составляет:










Таблица 5

Параметры

Значения

Pb

0,4

Tb

1510,3



1.8 Индикаторные параметры рабочего цикла



Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания характеризуется индикаторными показателями:

Среднее индикаторное давление теоретическое:







Среднее индикаторное давление действительное:







Примем , получим







Определим индикаторный КПД:








Где плотность воздуха на впуске двигателя.







Удельный расход топлива







Таблица 6

Параметры

Значения

Pi’, МПа

1,16

Pi, МПа

1,14

ηi

0,4

gi, г/кВт*ч

204,87

φ

0,98



1.9 Эффективные показатели двигателя



Эффективное давление определяется:



,



Где - среднее давление механических потерь. Для инжекторного двигателя составляет .







Механический КПД:








Эффективный КПД двигателя:







Определим эффективный удельный расход топлива:







Таблица 7

Параметры

Значения

∆P, МПа

0,12

Pe, МПа

1,02

ηм

0,89

ηe

0,356

ge, г/кВт*ч 

230,2



1.10 Основные параметры цилиндра и двигателя



Литраж двигателя:







Литраж одного цилиндра:








Примем соотношение хода поршня к диаметру  и определим диаметр цилиндра.







Округлим до 85мм.

Определим ход поршня.







Определим основные параметры двигателя для полученных значений S и D.

Литраж двигателя:







Номинальная эффективная мощность







Номинальный крутящий момент







Часовой расход топлива








Таблица 8

Параметры

Значения

D, мм

85

S,мм

77

Vл, л

1,7

Ne,кВт

86

Me, Н·м

141,6

Gт, кг/ч

19,8



1.11 Посторенние индикаторной диаграммы



Индикаторная диаграмма ДВС строится с использованием данных теплового расчета, в выбранных масштабах. . В начале построения на оси абсцисс откладываем отрезок AB, соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня в масштабе MS.

Масштабы диаграммы: масштаб хода поршня МS=0,5мм в мм и масштаб давления МР=0,04 МПа в мм.

Величины в приведенном масштабе, соответствующему рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания.



 



Максимальная высота диаграммы (точка Z)







Ординаты характерных точек:




; ; ;

;  



Построение политроп сжатия и расширения производится аналитическим или графическим методом. Построение политроп выполняем аналитическим методом, вычисляя 9 точек для промежуточных объемов, расположенных между Vc и Va и между Vz и Vb по уравнению политропы . Для политропы сжатия , откуда





	

	где Px и Vx – давление и объем в искомой точке процесса сжатия.

	Отношение Va/Vx изменяется от 1 до . Для политропы расширения

	

	



а) политропа сжатия



 

Отсюда 

где 





б) политропа расширения






 



Отсюда



, 



Результаты расчета точек представлены в таблице 1.



Таблица 9

	№ точек

	OX, мм

	OB/OX

	Политропа сжатия

	Политропа расширения

	

	

	

	

	, мм

	, МПа

	

	, мм

	, МПа

	1

	2

	3

	4

	5

	6

	7

	8

	9

	160

	130

	110

	90

	70

	50

	30

	20

	14,96

	1,056

	1,3

	1,54

	1,87

	2,41

	3,38

	5,63

	8,45

	11,3

	1,078

	1,43

	1,798

	2,34

	3,31

	5,24

	10,49

	18,22

	27,05

	2,29

	3,05

	3,83

	4,98

	7,05

	11,16

	22,34

	38,8

	57,62

	0,09

	0,122

	0,15

	0,199

	0,28

	0,45

	0,89

	1,55

	2,3

	1,072

	1,39

	1,74

	2,23

	3,08

	4,75

	9,13

	15,36

	22,28

	10,72

	13,9

	17,4

	22,3

	30,8

	47,5

	91,3

	153,6

	222,8

	0,429

	0,556

	0,696

	0,892

	1,23

	1,9

	3,65

	6,144

	8,91

	

	Действительная или скругленная индикаторная диаграмма отличатся от расчетной за счет опережения зажигания или впрыска (т. с´), повышение давления в конце сжатия (т. c˝). Кроме того на рабочий процесс оказывает влияние период открытия и закрытия клапанов газораспределения (т. a´ a˝ b´ и r´). Для определения местоположения точек c´, b´, r´, a´ и a˝ следует задаться фазами газораспределения и углом опережения зажигания (впрыска), а также соотношение радиуса кривошипа R к длине шатуна Lш. значение данного соотношения. Примем .

В соответствии с принятыми фазами газораспределением и углом опережения зажигания (впрыска) определяют положение точек r´, a´, a˝, c´ и b´ по формуле:







	Результаты расчетов приводим в таблице 2

	

	Таблица10

Обозначение точек

Положение точек

φ°



Расстояние точек от ВМТ (AX) мм.

r´

18° до ВМТ

18

0,0625

4,8

a´

25° после ВМТ

25

0,119

9,2

a˝

60° после НМТ

120

1,607

123,74

c´

35° до ВМТ

35

0,227

17,48

b´

55° до НМТ

125

1,669

128,51

	

	Положение точки с" определяется из выражения

	

 













2.Тепловой баланс



Тепло, выделяющееся при сгорании топлива в цилиндрах двигателя, не может быть полностью преобразовано в полезную механическую работу. В реальном двигателе потери тепла возрастают из-за трения, теплообмена, неполноты сгорания и других причин. В связи с эти эффективный КПД цикла имеет меньшее значение по сравнению с термическим КПД, который всегда остается меньше единицы вследствие передачи части тепла холодному источнику.

Распределение тепловой энергии топлива, сгорающего в двигателе, наглядно иллюстрируется составляющими внешнего теплового баланса, которые определяются при установившемся тепловом состоянии двигателя в процессе его испытаний. Приближенно составляющие теплового баланса можно найти аналитически по данным теплового расчета двигателя.

Тепловой баланс позволяет определить тепло, превращенное в полезную эффективную работу, т.е. установить степень достигнутого совершенства теплоиспользования и наметить пути уменьшения имевшихся потерь. Знание отдельных составляющих теплового баланса позволяет судить о теплонапряженности деталей двигателя, рассчитать схему охлаждения, выяснить возможность использования теплоты отработавших газов и т.д.

Тепловой баланс двигателя характеризует распределение тепловой энергии сгоревшего топлива. Приближенно, составляющие теплового баланса можно определить аналитически по данным теплового расчета двигателя.

Уравнение теплового баланса:



Qo= Qe + Qг + Qв + Qн.с.+ Qост. 






где Qo – теплота, введенная в цилиндры двигателя с топливом при режиме номинальной нагрузки:







Qe – теплота, превращенная в полезную (эффективную) работу







Qг – теплота, потерянная с отработавшими газами,



 



где ,– молярные теплоемкости продуктов сгорания и свежего заряда, кДж/(кмоль·град.),

tг , to – температура отработавших газов и свежего заряда, для расчета примем:

 кДж/(кмоль·град),

 кДж/(кмоль·град);







Qв – теплота, передаваемая охлаждающей среде:



, Дж/с ,




где – коэффициент пропорциональности для 4-х тактных двигателей,

– эмпирический коэффициент, примем m=0,6

– число цилиндров,







Qост – неучтенные потери теплоты:







Представим тепловой баланс в относительных единицах.











Знание абсолютных значений составляющих теплового баланса позволяет осуществить количественную оценку распределения теплоты в двигателе.

Величины отдельных составляющих теплового баланса двигателя не являются постоянными, а изменяются в процессе его работы в зависимости от нагрузки, быстроходности и других факторов.

Характер распределения теплоты, подводимой в цилиндр с топливом, в процессе превращения в полезную эффективную работу наглядно может быть представлен в виде кривых теплового баланса. Графические зависимости строятся на основании определения каждой составляющей в зависимости от частоты вращения, нагрузки, качества смеси и т.д.

Тепловой баланс










3. Построение внешней скоростной характеристики двигателя



Внешняя скоростная характеристика позволяет провести анализ и дать оценку мощностных, экономических и эксплуатационных показателей при работе двигателя с полной нагрузкой.

При построение внешней скоростной характеристики двигателя используют результаты испытаний двигателя на специальных стендах, а на стадии проектирования двигателя можно использовать результаты теплового расчета.

В курсовом проекте внешнюю скоростную характеристику двигателя строим по результатам теплового расчета для режима номинальной нагрузки с использованием эмпирических зависимостей.

Построение кривых скоростей характеристики ведется в интервале от 1000 до 6300мин-1

Расчетные точки кривой эффективной мощности определяются по следующим эмпирическим зависимостям через каждые 1000 мин-1:







Где, Neи nN – номинальная эффективная мощность (кВт) и частота вращения коленчатого вала (мин-1) при этой мощности (по результатам теплового расчета);

Nex и nx – эффективная мощность (кВт) и частота вращения коленчатого вала (мин-1) в искомой точке на кривой скоростной характеристики двигателя.

Для рассмотрения произведём расчёт только для одной точки х=1 (), а результаты расчёта для других точек занесём в табл.11.




Мощность в расчётных точках, кВт:







По рассчитанным точкам в масштабе MN строится кривая эффективной мощности.

Точки кривой эффективного крутящего момента (Н·м) определяются по формуле:







Расчетные точки кривой удельного эффективного расхода топлива qe , г/(кВт·ч) определяются:

- для бензиновых двигателей:



 



где qeN – удельный эффективный расход топлива при номинальной мощности принимается из теплового расчета, г/(кВт·ч).

Часовой расход топлива для расчетных точек, кг/ч:



 ; 



Значение параметров скоростной характеристики рассчитываем по приведенным выше формулам и заносим в таблицу 3.






Таблица 11

Частота вращения коленчатого вала, мин-1

Параметры внешней скоростной характеристики



Nex, кВт

Mex, Н·м

qex , г/(кВт·ч)

GT, кг/ч

1000

16,94

161,777

242,0248

4,0999

2000

36,35

173,5713

218,7584

7,951869

3000

55,59

176,9615

206,441

11,47605

4000

72

171,9

205,0723

14,76521

5000

82,95

158,4345

214,6526

17,80543

5800

86

141,6034

 230,2

 19,7972

6100

85,53

133,9035

237,8368

20,34218

6300

84,64

128,349

243,4755

20,61507








4. Кинематический расчет КШМ



Цель кинематического расчета – определение перемещения, скорости и ускорения поршня от угла поворота коленчатого вала. Кинематический расчет выполняется только для двигателя с центральным КШМ.





А

А`

А``

Lш

R

O

B

S

s





C

Рис. 3. Кинематическая схема КШМ

S – ход поршня ( 77 мм);

s – путь поршня;

 – угол поворота коленчатого вала;

 - угол отклонения оси шатуна от оси цилиндра;

R – радиус кривошипа (38,5 мм);



 – длина шатуна;

 – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

 – угловая скорость вращения коленчатого вала;




Перемещение поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала

	

	, мм

	

	Расчет Sx производим аналитически через каждые 30° для одного оборота коленчатого вала, результаты расчета заносим в таблицу 12

	Скорость поршня является переменной величиной и при постоянной частоте вращения коленчатого вала зависит от φ и λ.

	

	Vn=R, м/с;

	

	Результаты расчеты Vn заносим в таблицу 12.

	Ускорение поршня:

	

	, м2/с;

	

	Результаты расчета jn заносим в таблицу 12.

	По данным результатам таблицы 12 строим графически Sx, Vn и j.

	

	Таблица 12

	°

	

	Sx, мм

	

	Vп, м/с

	

	j, м/с2

	0

0,00

0,00

0,00

0,00

1,25

17731,61

	30

0,17

6,55

0,61

14,26

0,99

14043,43

	60

0,60

23,10

0,97

22,67

0,38

5390,409

	90

1,12

43,12

1,00

23,37

-0,25

-3546,32

	120

1,60

61,60

0,76

17,76

-0,62

-8794,88

	150

1,90

73,15

0,39

9,11

-0,74

-10497,1

	180

2,00

77,00

0,00

0,00

-0,75

-10639

	210

1,90

73,15

-0,39

-9,11

-0,74

-10497,1

	240

1,60

61,60

-0,76

-17,76

-0,62

-8794,88

	270

1,12

43,12

-1,00

-23,37

-0,25

-3546,32

	300

0,60

23,10

-0,97

-22,67

0,38

5390,409

	330

0,17

6,55

-0,61

-14,26

0,99

14043,43

	360

0,00

0,00

0,00

0,00

1,25

17731,61

	

	

	

	

	

	

	




5.Динамический расчет двигателя

	

	Цель динамического расчета определение сил и моментов, действующих в КШМ, и установление закономерностей их изменения за рабочий цикл двигателя. Во время работы двигателя на детали КШМ действуют силы давления газов в цилиндре, силы инерции возвратно-поступательно движущихся и вращающихся масс. В течение каждого рабочего цикла (720°) силы, действующие в КШМ, непрерывно изменяются по величине и направлению. Характер изменения этих сил по углу поворота коленчатого вала, их величины определяют для ряда отдельных положений вала (рекомендуется через каждые 30°).

Определение сил давления газов

Индикаторную диаграмму полученную в тепловом расчете , развертываем по углу поворота кривошипа по методу Брикса.

Поправка Брикса





	

	Избыточное давление газов, приложенное к поршню, МПа

	

	, (2.4)

	

	где PО – давление окружающей среды, PО = 0,1 МПа;

	PЦ – текущее значение давления газов в цилиндре принимается по индикаторной диаграмме, МПа.

	Сила давления газов в цилиндре КШМ, кН.




Pг=,



Площадь дна поршня.







Приведение масс частей КШМ



Масса поршневой группы (для поршня из алюминиевого сплава принято



)





Масса шатуна (для стального кованного шатуна принято )







Масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов (для литого чугунного вала принято



).





Масса шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца:








Масса шатуна сосредоточенная на оси кривошипа:





	

	Массы, совершающие возвратно-поступательное движение:

	

	

	

	Массы совершающие вращательное движение:

	

	



Удельные и полные силы инерции

Из таблицы 12 переносим значения j в таблицу 13 и определяем значения удельной силы инерции возвратно-поступательно движущих масс







Центробежная сила инерции вращающих масс







Центробежная сила инерции вращающихся масс шатуна







Удельные суммарные силы

Удельная сила (МПа), сосредоточенная на оси пальца








Удельная нормальная сила



.



Значения определяем для и заносим в таблицу14.

Удельная сила действующая вдоль шатуна







Удельная сила действующая по радиусу кривошипа







Удельная и полная тангенциальные силы в МПа и кН:







По данным таблицы строим графики изменения удельных сил ,,,,и в зависимости от изменения угла поворота коленчатого вала .

Крутящие моменты

Крутящий момент одного цилиндра равен








Период изменения крутящего момента четырехтактного двигателя с равными интервалами между вспышками







Осуществляем табличным методом суммирование значений крутящих моментов всех четырех цилиндров двигателя через каждые 30 градусов угла поворота коленчатого вала и по полученным данным (таблица13) строим кривую  в масштабе



.



Средний крутящий момент двигателя:

По данным теплового расчета







По площади заключенной под кривой 







Ошибка







Максимальный и минимальный крутящие моменты.








Таблица13

Таблица крутящих моментов



Цилиндры





1

2

3

4





φо криво-шипа



φо криво-шипа



φо криво-шипа



φо криво-шипа





0

0,0

0

180,0

0

360,0

0

540,0

0

0

30

30,0

-273,369

210,0

-114,201

390,0

231,211

570,0

-130,835

-287,194

60

60,0

-183,116

240,0

-186,277

420,0

237,226

600,0

-210,904

-343,071

90

90,0

82,2089

270,0

-100,49

450,0

112,762

630,0

-93,1775

1,3034

120

120,0

181,953

300,0

129,674

480,0

226,638

660,0

172,4108

710,66

150

150,0

114,201

330,0

137,766

510,0

251,973

690,0

266,6887

77063

180

180,0

0

360,0

0

540,0

143,03

720,0

0

0





φ°





























0

-0,064

17501,33

-2,47

-2,54

0

0

1

-2,53587

1

-2,53587

0

0

0

0

30

-0,115

13861,05

-1,96

-2,07

0,126

-0,26112

1,008

-2,08898

0,803

-1,66413

0,609

-1,26209

-7,19391

-273,369

60

-0,115

5320,404

-0,75

-0,87

0,22

-0,19056

1,024

-0,88699

0,309

-0,26766

0,976

-0,84541

-4,81885

-183,116

90

-0,115

-3500,27

0,49

0,38

0,256

0,097163

1,032

0,391688

-0,256

-0,09716

1

0,379542

2,163392

82,2089

120

-0,115

-8680,66

1,23

1,11

0,22

0,244457

1,024

1,137837

-0,691

-0,76782

0,756

0,840044

4,788251

181,9535

150

-0,115

-10360,8

1,46

1,35

0,126

0,169905

1,008

1,359241

-0,929

-1,25271

0,391

0,527245

3,005299

114,2014

180

-0,115

-10500,8

1,48

1,37

0

0

1

1,368227

-1

-1,36823

0

0

0

0

210

-0,115

-10360,8

1,46

1,35

-0,126

-0,16991

1,008

1,359241

-0,929

-1,25271

-0,391

-0,52725

-3,0053

-114,201

240

-0,088

-8680,66

1,23

1,14

-0,22

-0,25027

1,024

1,164871

-0,691

-0,78606

-0,756

-0,86

-4,90201

-186,277

270

-0,030

-3500,27

0,49

0,46

-0,256

-0,11877

1,032

0,478789

-0,256

-0,11877

-1

-0,46394

-2,64447

-100,49

300

0,138

5320,404

-0,75

-0,61

-0,22

0,134948

1,024

-0,62812

0,309

-0,18954

-0,976

0,598679

3,41247

129,6739

330

0,913

13861,05

-1,96

-1,04

-0,126

0,131594

1,008

-1,05275

0,803

-0,83865

-0,609

0,636037

3,625413

137,7657

360

2,560

17501,33

-2,47

0,09

0

0

1

0,088288

1

0,088288

0

0

0

0

370

7,356

17093,18

-2,41

4,94

0,043

0,212503

1,001

4,946872

0,977

4,828266

0,216

1,067457

6,084504

231,2112

390

3,756

13861,05

-1,96

1,80

0,126

0,226599

1,008

1,812791

0,803

1,444118

0,609

1,095228

6,242799

237,2264

420

1,285

5320,404

-0,75

0,53

0,22

0,117348

1,024

0,546201

0,309

0,16482

0,976

0,520598

2,967408

112,7615

450

0,552

-3500,27

0,49

1,05

0,256

0,267864

1,032

1,079825

-0,256

-0,26786

1

1,046342

5,964152

226,6378

480

0,313

-8680,66

1,23

1,54

0,22

0,338529

1,024

1,5757

-0,691

-1,06329

0,756

1,16331

6,630865

251,9729

510

0,226

-10360,8

1,46

1,69

0,126

0,212796

1,008

1,702365

-0,929

-1,56895

0,391

0,660342

3,763948

143,03

540

0,149

-10500,8

1,48

1,63

0

0

1

1,632227

-1

-1,63223

0

0

0

0

570

0,082

-10360,8

1,46

1,54

-0,126

-0,19465

1,008

1,557213

-0,929

-1,43517

-0,391

-0,60404

-3,44302

-130,835

600

0,062

-8680,66

1,23

1,29

-0,22

-0,28335

1,024

1,318881

-0,691

-0,88999

-0,756

-0,9737

-5,55012

-210,904

630

-0,064

-3500,27

0,49

0,43

-0,256

-0,11013

1,032

0,443948

-0,256

-0,11013

-1

-0,43018

-2,45204

-93,1775

660

-0,064

5320,404

-0,75

-0,82

-0,22

0,179423

1,024

-0,83513

0,309

-0,25201

-0,976

0,795987

4,537127

172,4108

690

-0,064

13861,05

-1,96

-2,02

-0,126

0,254741

1,008

-2,03793

0,803

-1,62347

-0,609

1,23125

7,018123

266,6887

720

-0,064

17501,33

-2,47

-2,54

0

0

1

-2,53587

1

-2,53587

0

0

0

0

Таблица14





Силы, действующие на шатунную шейку коленчатого вала

Для проведения расчета результирующей силы, действующей на шатунную шейку рядного двигателя, составляем таблицу 15 в которую из таблицы 14 переносим значения силы Т.

Суммарная сила, действующая на шатунную шейку по радиусу кривошипа:







Результирующая сила RШ.Ш., действующая на шатунную шейку, подсчитываем графическим сложением векторов сил T и Pk при построении полярной диаграммы . Масштаб сил на полярной диаграмме для суммарных сил  Значения для RШ.Ш для различных φ и по ним строим диаграмму RШ.Ш в прямоугольных координатах.



Таблица15



Полные силы, kH



T

K

Pk

RШ.Ш.

0

0

-14,4545

-23,1345

23,13447

30

-7,19391

-9,48557

-18,1656

19,53817

60

-4,81885

-1,52564

-10,2056

11,28611

90

2,163392

-0,55383

-9,23383

9,483873

120

4,788251

-4,37656

-13,0566

13,90688

150

3,005299

-7,14047

-15,8205

16,10339

180

0

-7,7989

-16,4789

16,4789

210

-3,0053

-7,14047

-15,8205

16,10339

240

-4,90201

-4,48054

-13,1605

14,04385

270

-2,64447

-0,67698

-9,35698

9,723497

300

3,41247

-1,08038

-9,76038

10,33973

330

3,625413

-4,78031

-13,4603

13,94

360

0

0,503239

-8,17676

8,176761

370

6,084504

27,52111

18,84111

19,79921

390

6,242799

8,231474

-0,44853

6,258891

420

2,967408

0,939476

-7,74052

8,289826

450

5,964152

-1,52682

-10,2068

11,82161

480

6,630865

-6,06075

-14,7408

16,16348

510

3,763948

-8,94299

-17,623

18,02046

540

0

-9,3037

-17,9837

17,9837

570

-3,44302

-8,18046

-16,8605

17,20842

600

-5,55012

-5,07293

-13,7529

14,8306

630

-2,45204

-0,62772

-9,30772

9,625289

660

4,537127

-1,43645

-10,1164

11,08729

690

7,018123

-9,25378

-17,9338

19,2581

720

0

-14,4545

-23,1345

23,13447



По полярной диаграмме строим диаграмму износа шатунной шейки . Сумму сил  , действующих по каждому лучу диаграммы износа (от 1 до 12), определяем с помощью таблицы 16. По данным таблицы 16 в масштабе  по каждому лучу откладываем величину суммарных сил  от окружности к центру. По лучам 4 и 5 силы  не действуют, а по луча 6,7,8 действуют только в интервале .

По диаграмме износа определяем расположение оси масляного отверстия ().

Уравновешивание двигателя

Силы и моменты, действующие в КШМ, непрерывно изменяются и, если они неуравновешенны, вызывают сотрясение и вибрацию двигателя, передаваемое раме автомобиля.

Условия уравновешенности двигателя с любым числом цилиндров:

а) результирующие силы инерции первого порядка и их моменты равны нулю:



 и 






б) результирующие силы инерции второго порядка и их моменты равны нулю:



 и 



в) результирующие центробежные силы инерции и их моменты равны нулю:



 и 



Схема сил инерции, действующих в КШМ четырехцилиндрового рядного двигателя, показана на схеме.





ω

ω

1;4

2;3

1

2

3

4

a

a

a

KR

KR

KR

KR

PjII

PjII

PjII

PjII

PjI

PjI

PjI

PjI

 

Схема сил инерции, действующих в четырехцилиндровом рядном двигателе.



Порядок работы двигателя 1 – 3 – 4 – 2 или 1 – 2 – 4 – 3. Промежутки между вспышками 180˚.

Коленчатый вал имеет кривошипы расположенные под углом 180˚.Как видно из схемы




 ; ; ; ; ;





Следовательно, для данного двигателя неуравновешенными являются силы инерции второго порядка PjII, которые из-за сложности их уравновешивания остаются неуравновешенными. Некоторые двигатели имеют коленчатые валы с противовесами для уменьшения центробежных сил, действующие на коренные подшипники.







Таблица16

Таблица износа шатунной шейки

Rш.ш.i

Значение Rш.ш. i , кН, для лучей





1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

10,00

11,00

12,00



0,00

23,13447

23,13447

23,13447

-

-

-

-

-

-

-

23,13447

23,13447

0

30,00

19,53817

19,53817

19,53817

-

-

-

-

-

-

-

-

19,53817

30

60,00

11,28611

11,28611

11,28611

-

-

-

-

-

-

-

-

11,28611

60

90,00

9,483873

9,483873

-

-

-

-

-

-

-

-

9,483873

9,483873

90

120,00

13,90688

13,90688

-

-

-

-

-

-

-

-

13,90688

13,90688

120

150,00

16,10339

16,10339

-

-

-

-

-

-

-

-

16,10339

16,10339

150

180,00

16,4789

16,4789

16,4789

-

-

-

-

-

-

-

16,4789

16,4789

180

210,00

16,10339

16,10339

16,10339

-

-

-

-

-

-

-

-

16,10339

210

240,00

14,04385

14,04385

14,04385

-

-

-

-

-

-

-

-

14,04385

240

270,00

9,723497

9,723497

9,723497

-

-

-

-

-

-

-

-

9,723497

270

300,00

10,33973

10,33973

-

-

-

-

-

-

-

-

10,33973

10,33973

300

330,00

13,94

13,94

-

-

-

-

-

-

-

-

13,94

13,94

330

360,00

8,176761

8,176761

8,176761

-

-

-

-

-

-

-

8,176761

8,176761

360

390,00

-

-

-

-

-

-

-

-

6,258891

6,258891

6,258891

6,258891

390

420,00

8,289826

8,289826

-

-

-

-

-

-

-

-

8,289826

8,289826

420

450,00

11,82161

-

-

-

-

-

-

-

-

11,82161

11,82161

11,82161

450

480,00

16,16348

16,16348

-

-

-

-

-

-

-

-

16,16348

16,16348

480

510,00

18,02046

18,02046

-

-

-

-

-

-

-

-

18,02046

18,02046

510

540,00

17,9837

17,9837

17,9837

-

-

-

-

-

-

-

17,9837

17,9837

540

570,00

17,20842

17,20842

17,20842

-

-

-

-

-

-

-

-

17,20842

570

600,00

14,8306

14,8306

14,8306

-

-

-

-

-

-

-

-

14,8306

600

630,00

9,625289

9,625289

9,625289

-

-

-

-

-

-

-

-

9,625289

630

660,00

11,08729

11,08729

-

-

-

-

-

-

-

-

11,08729

11,08729

660

690,00

19,2581

19,2581

-

-

-

-

-

-

-

-

19,2581

19,2581

690

Сумма

307,2897

295,4681

178,1332

0,00

0,00

0,00

0,00

0,00

6,258891

18,0805

201,1893

313,5486







Расчет маховика

Основное назначение маховика – обеспечение равномерности хода двигателя и создание необходимых условий для преодоления кратковременных перегрузок и облегчения трогания автомобиля с места.

Расчет маховика сводится к определению момента инерции Jm и основных размеров.

Для расчетов можно принять:



Jm = (0,8…0,9)J0,



где J0 – момент инерции движущихся масс КШМ, приведенных к оси коленчатого вала.



 кг м2;



где Lизб – избыточная работа крутящего момента, определяемая по графику крутящего момента двигателя



 Дж,



где Fабс – площадь над прямой среднего крутящего момента в мм2,

Мм – масштаб кривой Мкр, Н·м в мм,



Мφ = 4π/iОА, рад в мм



– масштаб угла поворота.

Коэффициент неравномерности хода принимается по рекомендации:



δ = 0,01…0,02.











Из уравнения момента инерции маховика:







принимаемая по рекомендации,



Dср = (2…3)S,



получим:







где Dср – диаметр окружности, проведенной через центр тяжести сечения маховика, м

S – ход поршня, м,

m – расчетная масса маховика, кг.








6. Расчет шатунной группы



Расчет поршневой головки шатуна

Из теплового расчета:







Определим основные размеры головки шатуна:

Длина поршневой головки с плавающим пальцем:







Внутренний диаметр поршневой головки шатуна.



Без втулки:







С втулкой:



.



Наружный диаметр головки:



.






Радиальная толщина стенки головки:







Радиальная толщина стенки втулки:







Материал шатуна – углеродистая сталь 45Г2; Еш=2,2·105МПа;



αг=1·10-51/К;



Материал втулки – бронза;



Ев=1,15·105МПа; αг=1,8·10-51/К.



Предел прочности , пределы усталости при изгибе  и растяжении – сжатии . Предел текучести .

Коэффициенты приведения при изгибе и растяжении- растяжении сжатии .

Определяем при изгибе:







При растяжении-сжатии:








Расчет сечения I-I. Максимальное напряжения пульсирующего цикла.







Где масса части головки выше сечения I-I: 







Среднее напряжение и амплитуда напряжений











- эффективный коэффициент концентрации напряжений.  - определены по таблице.

Так как



 ,






то запас прочности определяется по пределу усталости







Напряжения от запрессованной втулки

- натяг посадки бронзовой втулки



- температурный натяг.



- средний нагрев головки и втулки.

Суммарный натяг:







Удельное давление на поверхности соприкосновения втулки с головкой.







Напряжение от суммарного натяга на внутренней поверхности головки.










Напряжение от суммарного натяга на наружной поверхности головки







Расчет сечения А-А на изгиб.

Максимальная сила, растягивающая головку на номинальном режиме работы двигателя.



.



Нормальная сила и изгибающий момент







Где - угол заделки.

Средний радиус головки:





 



Нормальная сила и изгибающий момент в расчетном сечении от растягивающей силы.








Напряжение на внешнем волокне от растягивающей силы:





Где 

 - площадь поперечного сечения головки шатуна

 - площадь поперечного сечения втулки.



Суммарная сила, сжимающая головку:







Нормальная сила и изгибающий момент в расчетном сечении от сжимающей силы:









Напряжение на внешнем волокне от сжимающей силы:










Максимальное и минимальное напряжение асимметричного цикла:







Среднее напряжение и амплитуда напряжений











Так как



 ,



то запас прочности определяется по пределу текучести







Расчет кривошипной головки шатуна

Из динамического расчета и расчета поршневой головки шатуна имеем:








Определим основные размеры кривошипной головки шатуна:



Диаметр шатунной шейки: 

Толщина стенки вкладыша: 

Расстояние между шатунными болтами:

Длина кривошипной головки



Максимальная сила инерции:







Момент сопротивления расчетного сечения





Где - внутренний радиус кривошипной головки шату




Заключение



В данном курсовом проекте представлен расчет ,бензинового ижекторного двигателя. В ходе расчетов был определен рабочий объем двигателя, который составляет 1,447л. Диаметр цилиндра составляет 80мм а ход поршня 72 мм. Двигатель по расчетам получился мощностью 73 кВт при 6200 мин-1 и крутящем моменте в 112,44 Н·м Двигатель обладает хорошей топливной экономичностью - расход топлива 16,8 кг топлива в час при 6200 об/мин.. Двигатель с такими показателями можно использовать на легковых автомобилях среднего класса.




Библиографический список



		Богатырев А.В. Автомобили/А.В. Богатырев.- М.: Колос,2001.-496 с.

		Колчин А.И. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей: учебное пособие для вузов/А.И.Колчин. – М.: Высшая школа, 2002.- 496с. 

		Методические указания: "Программа, методические указания, задания на контрольные работы и курсовой проект для студентов специальности 190601 " Автомобили и автомобильное и автомобильное хозяйство", Сыктывкар 2007г.