Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания

Во время работы двигателя поршневой палец подвергается воздействию переменных нагрузок, приводящих к возникновению напряжений изгиба, сдвига, смятия и овализации. В соответствии с указанными условиями работы к материалам, применяемым для изготовления пальцев, предъявляются требования высокой прочности и вязкости. Этим требованиям удовлетворяют цементированные малоуглеродистые и легированные стали.

Расчет поршневого пальца включает определение удельных давлений пальца на втулку верхней головки шатуна и на бобышки, а также напряжений от изгиба, среза и овализации.

Основные конструктивные размеры поршневого пальца берем из таблицы 51[1]:

Принимаем n_м=1650 об/мин при M_max = 277 Н•м;

Наружный диаметр пальца d_п = 28 мм;

Внутренний диаметр пальца d_В = 18,2 мм;

Длина пальца L_п = 78 мм;

Длина втулки шатуна L_ш = 33 мм;

Расстояние между торцами бобышек b = 37 мм;

Материал поршневого пальца - сталь 15Х, Е=2•10⁵ МПа;

Палец плавающего типа.

Расчетная сила, действующая на поршневой палец:

- газовая:

(150)

МН

- инерционная:

(151)

МН,

где щ_М = р • n /30 = 3,14 • 1650 / 30=173 рад/с.

- расчетная:

(152)

МН,

где k - коэффициент, учитывающий массу поршневого пальца; k=0,76?0,86; принимаем k=0,83.

Удельное давление пальца на втулку поршневой головки шатуна:

(153)

Мпа.

Удельное давление пальца на бобышки:

(154)

Мпа.

Напряжение изгиба в среднем сечении пальца:

(155)

где - отношение внутреннего диаметра к наружному;

Касательные напряжения среза в сечениях между бобышками и головкой шатуна:

(156)

Наибольшее увеличение горизонтального диаметра пальца при овализации:

(157)

Напряжения, возникающие при овализации пальца на внешней и внутренней поверхностях, определяют для горизонтальной и вертикальной плоскостей по следующим формулам:

Напряжение на внешней поверхности пальца:

- В горизонтальной плоскости (точки 1; Ш=0?):

- В вертикальной плоскости (точки 3; Ш=90?):

(159)

Напряжения овализации на внутренней поверхности пальца:

- В горизонтальной плоскости (точки 2; Ш=0?)::

(160)

- В вертикальной плоскости (точки 4; Ш=90?):

(161)

5.1.4 Расчет гильзы цилиндра

Диаметр цилиндра D = 100 мм;

Максимальное давление сгорания р_z = 7,57 МПа ;

Материал гильзы цилиндра - чугун, = 11•10^-6 1/К;

Е=1,0•10⁵МПа;

м = 0,24 - коэффициент Пуассона для чугуна;

Толщина стенки гильзы цилиндра бг = 8 мм;

у_z = 60 МПа - допустимое напряжение на растяжение для чугуна;

ДТ= 110 К- перепад температур между внутренней и наружной поверхностью гильзы

Толщина стенки гильзы цилиндра выбирается конструктивно: д_г = 8 мм.

Расчетная толщина стенки гильзы цилиндра:

д_г.р = 0,5 • D • [] (162)

д_г.р = 0,5• 100 • ]= 6 мм;

Толщина стенки гильзы выбрана с некоторым запасом прочности, т.к. д_г. > д_г.р.

Напряжение растяжения от действия максимального давления:

у_р = р_zмах • D /(2 ? д_г) (163)

у_р = 7,57 • 100 / (2 • 8) = 47,3 Мпа,

[у_р] = 30?60 МПа.

Температурные напряжения в гильзе:

У_t = Е • б_ц • Дt /(2 • (1- м)) , (164)

где Дt=110?C - температурный перепад между внутренней и наружной поверхнотями гильзы.

у_t = 1 • 10⁵ • 11 • 10⁶ • 110 / (2 • (1 - 0,24)) = 79,6 МПа.

Суммарные напряжения в гильзе цилиндра от действия давления газов и перепадов температур:

- На наружной поверхности:

у_Ум = у_р + у_t (165)

у_Ум =47,3+79,6= 126,9 МПа.

[у_Ум] =100?130 МПа

- На внутренней поверхности:

у_У^// = у_р - у_t (166)

у_У^// =47,3 - 79,6= -32,2 МПа.

6. Расчет систем двигателя

6.1 Расчет элементов системы смазки

Масляной насос служит для подачи масла к трущимся поверхностям движущихся частей двигателя. По конструктивному исполнению масляные насосы делятся на винтовые и шестеренчатые. Шестеренчатые насосы отличаются простотой устройства, компактностью, надежностью в работе и являются наиболее распространенными в автомобильных и тракторных двигателях.

Масляная система обеспечивает смазку деталей двигателя в целях уменьшения трения, предотвращения коррозии, удаления продуктов износа и частичное охлаждение его отдельных узлов. В зависимости от типа и конструкции двигателя применяются различные системы смазки: разбрызгиванием, под давлением и комбинированная. Большинство автомобилей имеют комбинированную систему смазки.

Расчет масляного насоса.

Расчет масляного насоса состоит в определении размеров его шестерен. Этому расчету предшествует определение циркуляционного расхода масла в системе.

Общее количество тепла, выделяемого топливом, за 1 с: Q_o= 220,1 кДж/с

Количество тепла отводимого маслом от двигателя:

(167)

кДж/с

Средняя теплоемкость масла: С_м=2,094 кДж /(кг•К).

Плотность масла: _м = 900 кг/м³.

Циркуляционный расход масла:

, (168)

м³/c,

где =10 - температура нагрева масла, ⁰C.

Для стабилизации давления масла в системе двигателя циркуляционный расход масла обычно увеличивается в 2 раза:

(169)

м³/с.

Объемный коэффициент подачи: _н = 0,7.

В связи с утечками масла через торцовые и радиальные зазоры насоса расчетную производительность его определяют с учетом коэффициента подачи:

(170)

м³/с.

Рабочее давление масла в системе р =3,5•10⁵ Па.

Механический К.П.Д. масляного насоса _мн = 0,86.

Мощность, затрачиваемая на привод масляного насоса:

(171)

кВт.

6.2 Расчет элементов системы охлаждения

Охлаждение двигателя применяется в целях принудительного отвода тепла от нагретых деталей для обеспечения оптимального теплового состояния двигателя и его нормальной работы. Большая часть отводимого тепла воспринимается системой охлаждения, меньшая - системой смазки и непосредственно окружающей средой.

В зависимости от рода используемого теплоносителя в автомобильных и тракторных двигателях применяют систему жидкостного или воздушного охлаждения. В качестве жидкого охлаждающего вещества используют воду и некоторые другие высококипящие жидкости, а в системе воздушного охлаждения - воздух.

Расчет водяного насоса.

Водяной насос служит для обеспечения непрерывной циркуляции воды в системе охлаждения. В автомобильных и тракторных двигателях наибольшее применение получили центробежные насосы с односторонним подводом жидкости.

Количество тепла, отводимого от двигателя водой (по данным теплового баланса): Qв = 52000 Дж/c;

Средняя теплоемкость воды: С_ж = 4187 Дж/кг•К;

Средняя плотность воды: с_ж = 1000 кг/м³;

Напор насоса: _ш = 98000 Па;

- коэффициент подачи насоса;

=10⁰C - температурный перепад воды при принудительной циркуляции; _н = 0,8 механический КПД водяного насоса.

Циркуляционный расход воды в системе охлаждения:

(172)

м³/c.

Расчетная производительность насоса:

(173)

м³/c.

Мощность потребляемая водяным насосом:

(174)

кВт.

Расчет радиатора

Расчет радиатора состоит в определении поверхности охлаждения, необходимой для передачи тепла от воды к окружающему воздуху.

Q_в = Q_возд = 52000 Дж/c - количество тепла, отводимого от двигателя и передаваемого от воды к охлажденному воздуху;

С_возд = 1000 Дж/кг•К - средняя теплоемкость воздуха;

Объемный расход воды: G_ж = 0,00124 м³/с;

Средняя плотность воды: с_ж = 1000 кг/м^3;

- температурный переход воздуха в решетке радиатора;

- температура воды перед входом в радиатор;

⁰C- температурный перепад воды в радиаторе;

Т_срвозд= 40⁰C средняя температура воздуха проходящего через радиатор;

К = 100 Вт/(м²•град) - коэфф. теплопередачи для радиаторов грузовых а/м.

Количество воздуха, проходящего через радиатор:

(175)

кг/с.

Массовый расход воды, проходящей через радиатор:

(176)

кг/с.

Средняя температура охлаждающего воздуха, проходящего через радиатор:

(177)

Средняя температура воды радиаторе:

(178)

Поверхность охлаждения радиатора:

(179)

м².

Расчет вентилятора

Вентилятор служит для создания направленного воздушного потока, обеспечивающего отвод тепла от радиатора. Массовый расход воздуха подаваемый вентилятором: G^/_возд = 2,6 кг/с; к.п.д. литого вентилятора: =0,6; t_{ср.возд.} = 50⁰C; К = 100 коэффициент теплопередачи для радиаторов; Па - напор, создаваемый вентилятором.

Плотность воздуха при средней его температуре в радиаторе:

, (180)

кг/м³.

Производительность вентилятора:

, (181)

м³/с.

Фронтовая поверхность радиатора:

, (182)

где =20 м/с- скорость воздуха перед фронтом радматора без учёта скорости движения а/м (6?24м/с).

Диаметр вентилятора:

. (183)

Окружная скорость вентилятора:

, (184)

где Ш_л=2,9 -безразмерный коэффициент для криволинейных лопастей.

Число оборотов вентилятора:

N_вент = (60•U) / (•D_вент) = (60•79)/(3,14•0,39)=3870 об/мин. (185)

Мощность затрачиваемая на привод вентилятора:

(186)

кВт.

Литература

А.И. Колчин, В.П. Демидов "Расчет автомобильных и тракторных двигателей", Машиностроение, 1971г.

Е.В. Михайловский "Устройство автомобиля", Машиностроение, 1987г.

Руководство по эксплуатации автомобилей семейства ГАЗель и его модификации М.,2002г.