Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

Данная работа состоит из трех частей:

1. Тепловой расчет двигателя.

2. Динамический расчет двигателя.

3. Расчет системы охлаждения двигателя.

Расчет системы охлаждения, а также тепловой и динамический чаще всего выполняются для режима номинальной мощности.

Таблица 1

Модель	Тип	Диаметр цилиндра и ход поршня, мм	Рабочий объем, л	Степень сжатия
ЗИЛ-508	Четырехтактный, бензиновый, карбюраторный, четырехцилиндровый	100х95	6	7,1
Номинальная мощность, кВтч	Частота вращения коленчатого вала при номинальной мощности, мин-1	Максимальный крутящий момент, Нм	Частота вращения коленчатого вала при максимальном крутящем моменте, мин-1
110	1900	402	3200

1. Тепловой расчет двигателя

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

Тепловой расчет является начальным этапом при проектировании двигателя, а также данные, полученные в ходе расчета, используются в последующих вычислениях и построениях.

Тепловой расчет начинается с выбора ряда недостающих в задании величин, необходимых для проведения расчета, причем выбираются величины, которые для производимого расчета не определяются по формулам.

Конечные результаты теплового расчета определяются с различной степенью точности. Это зависит от того, насколько правильно были оценены исходные величины теплового расчета: коэффициент наполнения, показатели политроп сжатия и расширения температуры подогрева смеси, температура остаточных газов и т.п.

Тепловой расчет является ориентиром, указывающим какие показатели будет иметь проектируемый двигатель при правильном инструктивном и технологическом выполнении.

Как правило, тепловой расчет двигателей производится для номинального режима при наивыгоднейших условиях подвода и сгорания топлива.

1.1 Основные принятые обозначения по тепловому расчету

Сn - средняя скорость поршня, м/с;

D - диаметр цилиндра двигателя, м;

gc, gh, go - элементарный состав топлива в долях кг, соответственно углерода водорода, кислорода.

gi - удельный индикаторный расход топлива, г/кВт-ч;

ge - удельный эффективный расход топлива, г/кВт-ч;

gT- часовой расход топлива, кг/ч;

Hu - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;

Hu - потери тепла, вследствие химической неполноты сгорания, кДж /кг;

i - число цилиндров двигателя;

Lo - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива

кмолей возд./кг топл.;

L - длина шатуна, м;

mт - молекулярная масса топлива, кг/моль;

M1 - число молей свежей смеси, моль/кг топлива;

М2 - число молей продуктов сгорания, кмоль/кг топлива;

mв - молекулярная масса воздуха, кг/моль;

mCv - средняя мольная теплоемкость свежего заряда при постоянном

кДж/кмольК;

mp2- средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном

объеме, кДж/кмольК;

mр - средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном

давлении, кДж/кмольК;

Ne - эффективная мощность, кВт;

n - частота вращения коленчатого вала, мин;

Nл - литровая мощность, кВт/л;

1 - показатель политропа сжатия;

2 - показатель политропа расширения;

Ро - давление окружающей среды, МПа;

Рп -давление конца выпуска, МПа;

Ра - давление конца впуска, МПа;

Рс - давление конца сжатия, МПа;

Рz - давление конца сгорания, МПа;

Рв - давление конца расширения, МПа;

Рч -- давление промежуточного воздуха, МПа;

Рi -- среднее индикаторное давление теоретического цикла, МПа;

Pi - среднее индикаторное давление действительного цикла, МПа;

Pе - среднее эффективное давление, МПа;

R - газовая постоянная воздуха, Дж/кмольК;

R - радиус кривошипа, м;

S - ход поршня, м;

Тг - температура остаточных газов, К;

Та - температура конца впуска, К;

Тс - температура конца сжатия, К;

Tz - температура конца сгорания, К;

Тв -- температура конца расширения, К;

То -- температура окружающей среды, К;

t - величина подогрева свежего заряда, К;

Vh - рабочий объем двигателя, л;

Vh' - рабочий объем одного цилиндра, л;

- коэффициент избытка воздуха;

- коэффициент остаточных газов;

го - плотность окружающего воздуха, кг/м3;

- действительная степень сжатия;

' - геометрическая степень сжатия;

v - коэффициент наполнения;

м - механический КПД;

t - индикаторный КПД;

е - эффективный КПД;

- степень повышения давления;

о - химический коэффициент молекулярного изменения;

- действительный коэффициент молекулярного изменения;

- коэффициент использования тепла при сгорании;

- степень предварительного расширения;

- тактность двигателя;

- коэффициент полноты индикаторной диаграммы;

- потерянная доля хода поршня

1.2 Выбор исходных величин теплового расчета

Основным параметром, характеризующим тип двигателя, является величина степени сжатия равной в нашем случае 7,1.

Средний состав топлива для бензина принимают: С = 85,5 %, Н = 14,5%;

Молекулярная масса бензина находится в пределах 110 - 120 кг/Кмоль примем mт =115 кг/Кмоль.

Коэффициент избытка воздуха принимаем равным 0,91. Он выбирается в зависимости от эксплуатационных особенностей работы двигателя, типа смесеобразования и конструктивных особенностей приборов питания.

Температура остаточных газов Тг зависят от коэффициента избытка воздуха и скоростного режима двигателя. При проведении расчетов принимаем Тг = 1000 К;

Давление конца выпуска для 4-хтактных двигателей зависит от числа оборотов конструкции и размеров выпускной системы и колеблется в пределах Рг = (1,05... 1,15) р0, МПа. Примем Рг =1,1 Р0=0,11 МПа

Величина подогрева заряда t зависит от расположения впускного трубопровода, быстроходности двигателя, примененного для поршней материала.

Для двигателей с поршнями из алюминиевого сплава величина подогрева t = 10 ...20 0С, примем t = 15 0С

Коэффициент наполнения v выбирается исходя из типа двигателя, частоты вращения коленчатого вала, системы охлаждения и особенностей конструкции впускной системы.

Для карбюраторных двигателей: с верхним расположением клапанов v = 0.75 ...0,85 примем v = 0,8.

Показатель политропы сжатия 1, учитывая характер теплообмена в процессе сжатия, всегда будет иметь меньшее значение, чем показатель адиабаты. Средние значения показателя политропы сжатия для четырехтактных карбюраторных двигателей 1= 1,35 ...1,40 примем 1= 1,37.

Показатель политропы расширения 2 вследствие наличия интенсивного теплообмена между газами и деталями двигателя, притока тепла за счет догорания и других факторов равен показателю адиабаты. Как правило, он всегда меньше адиабаты. Средние значения показателя политропы расширения 2 для карбюраторных двигателей: четырехтактных 2=1,25...1,35 примем 2=1,3.

Значение использования теплоты при сгорания , выбирается в зависимости от типа двигателя и способа смесеобразования. Для бензиновых двигателей = 0,85 ... 0,90 примем = 0,87.

Потери на скругление индикаторной диаграммы учитываются коэффициентом полноты индикаторной диаграммы . Для четырехтактных двигателей = 0,92 ... 0,97, примем = 0,95.

Значение механического КПД м выбирается в зависимости от типа двигателя. Для бензиновых двигателей м = 0,75 ... 0,85 примем м = 0,83.

Для современных бензиновых двигателей отношение хода поршня к диаметру S/D = 0,90 ... 1,20 примем S/D = 1.

1.3 Определение параметров конца хода

Для четырехтактного двигателя:

-давление газов в цилиндре:

, (МПа);

(МПа);

-коэффициент остаточных газов:

(МПа);

-температура газов в цилиндре:

, К

(К);

Определение параметров конца сжатия

Давление газов в цилиндре:

Рс = Ра * n-1 , МПа;

Рс = 0,7316* 7,10,37 = 1,511 (МПа);

Температура газов в цилиндре:

Tc=Tan-1 ,К ; Tc=3348,66*7,10,37 = 6915,708 (К);

Определение параметров конца сгорания

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива

, кмоль возд / кг топлива;

, (кмоль возд / кг топлива);

Количество свежей смеси перед сгоранием в бензиновом двигателе:

М1= L0 + 1/mт , кмоль / кг топлива;

М1= 0,91 * 0,5119 + 1/115 = 0,4745 кмоль / кг топлива;

Состав продуктов сгорания при заданном :

Число молей углекислого газа

Мсо2 = gс/12 - 0,42(1 - )L0 ,кмоль / кг топлива

Мсо2 = 0,855/12 - 0,42(1 - 0,91) * 0,5119 = 0,0519 (кмоль / кг топлива);

Число молей окиси углерода

Мсо = 0,42(1 - )L0 , Кмоль / кг топлива;

Мсо = 0,42(1 - 0,91 )0,5119 = 0,01935 , (кмоль / кг топлива);

Число молей водяного пара

МН20 = gн/2 , Кмоль / кг топлива;

МН20 = 0,145/2 = 0,0725 , (кмоль / кг топлива);

Число молей азота

МN2 = 0,79 L0, Кмоль / кг топлива;

МN2 = 0,79 * 0,5119 = 0,368 (кмоль / кг топлива);

В зависимости от величины отдельные составляющие продуктов сгорания могут отсутствовать.

Общее количество продуктов сгорания

М2 = Мсо2 + Мсо + Мн2o + MN2, Кмоль / кг топлива;

М2 = 0,0519 + 0,01935 + 0,0725 + 0,368 =0,51175 (кмоль / кг топлива);

Низшая теплота сгорания топлива принимается для бензиновых двигателей Нu=44000 кДж/кг.

В бензиновых двигателях максимальная мощность достигается при коэффициенте избытка воздуха <1. Такое сгорание сопровождается неполным окислением топлива и, следовательно, потерями тепла. Вследствие химической неполноты сгорания они подсчитывается по формуле:

Нu = 11960(1 - )L0, кДж/кг.

Нu = 11960(1 - 0,91)0,5119 = 5526,68 (кДж/кг)

Химический коэффициент молекулярного изменения

0 = M1 / M2;

0 = 0,51175 / 0,4745 = 1,0785;

Действительный коэффициент молекулярного изменения

=0 + ;

=1,0785 + 0,052 0,052 = 1,0746;

Средняя мольная теплоемкость свежего заряда и продуктов сгорания для бензиновых двигателей может быть подсчитана по приближенным формулам.

mc'v = 20,18 + 1,74-10-3 Тс, кДж/кмоль * К ;

mc'v = 20,18 + 1,74-10-3 925,659 = 21,7906 кДж/кмоль * К ;

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания для карбюраторных двигателей

mcv = (18,44 + 2,60)+(l,38 + 1,55)10-3 ,, кДж/кмоль * К;

Более точно средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания может быть подсчитана по формуле:

-для карбюраторных двигателей

mcv = (38,55МСО2 + 20,95МСО + 23,88МН2О + 21,37МN2)/М2 + (3,ЗМСО2 + 2,1МСО + + 5,ОЗМН2O + 1,68MN2)10-3 T/M2 , кДж/кмоль * К;

mcv = (38,55 * 0,0519 + 20,95 * 0,01935 + 23,88 * 0,0725 + 21,37 * 0,368)/0,51175 + + (3,З * 0,0519 + 2,1 * 0,01935 + 5,03 * 0,0725 + 1,68 * 0,368)10-3 T/0,51175 = (12,00115875 +1,19482 * 10-3Тz) кДж/кмоль *К;

Температура в конце сгорания для карбюраторных двигателей

После подстановки в уравнение сгорания вычисленных ранее величин и значений средних мольных теплоёмкостей оно принимает вид квадратного уравнения:

,

где А, В, С - вычисленные значения известных величин.

Это уравнение решается относительно Tz как квадратное. Полученная после преобразования и решения температура конца сгорания Tz = 327,706 (К).

Давление в конце сгорания для карбюраторных двигателей

, МПа;

МПа;

Степень повышения давления равна

;

Определение параметров конца расширения

Давление в конце расширения для карбюраторных двигателей

, МПа;

, (МПа);

Температура в конце расширения для карбюраторных двигателей

, К;

(К);

Определение параметров, характеризующих цикл в целом

Среднее индикаторное давление теоретической диаграммы для карбюраторных двигателей

, МПа ;

( МПа );

Действительное среднее индикаторное давление для четырёхтактного двигателя:

, МПа;

(МПа);

Плотность окружающего воздуха:

 , кг/м3;

где Р0 = 1,01337М105 , Н/м2 и R=287,4 , НМм/кгМК.

, кг/м3;

Удельный индикаторный расход топлива:

, г/кВт ч;

, г/кВт ч;

Теоретически необходимое количество воздуха:

l0 = mbМL0=14,957 , кг воздуха/кг топлива.

Индикаторный коэффициент полезного действия:

;

;

Определение параметров, характеризующих двигатель в целом

Среднее эффективное давление:

;

(МПа);

Удельный эффективный расход топлива:

г/кВт ч;

г/кВт ч;

Эффективный коэффициент полезного действия:

Определение основных размеров двигателя

Рабочий объём (литраж) двигателя:

;

(л);

Погрешность от технической характеристики рабочего объема не более 0,4%.

Рабочий объём одного цилиндра:

(л);

Диаметр цилиндра:

(м);

(м);

Ход поршня:

(м);

Полученные значения D и S округляются до целого числа миллиметров, кратного двум и пяти. Таким образом, получаем S = 70 мм и D = 78 мм. Затем подсчитывается действительный литраж двигателя:

, л.

, л.

Мощность, развиваемая двигателем при принятых размерах:

, Вт;

, Вт;

Литровая мощность двигателя:

, Вт/л;

, Вт/л;

Часовой расход топлива:

, кг/ч;

Средняя скорость поршня:

, м/с.

Таблица 2. Сравнение исходных и рассчитанных параметров двигателя

Данные	Диметр цилиндра, мм	Ход поршня, мм	Рабочий объем, л	Номинальная мощность, кВт
Исходные	100	95	6	110
Рассчитанные	117	94	5,796	115,6

Построение индикаторной диаграммы для четырехтактных карбюраторных двигателей аналитическим методом.

Индикаторная диаграмма двигателя внутреннего сгорания строится с использованием данных расчета рабочего процесса.

На индикаторной диаграмме (рисунок 1) по горизонтальной оси откладывают отрезок АВ в мм, соответствующий ходу поршня, взятому в масштабе 1:1. Далее откладывают отрезок ОА, соответствующий объёму камеры сгорания. Величина отрезка ОА определяется по отношению:

, мм

Точка О является началом координат P-S.

Масштаб давлений выбирают так, чтобы высота диаграммы превосходила её длину в 1.2-1.5 раза. Принимаем масштаб давлений Мр = 0,06 МПа/мм.

Рисунок 1. Индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя.

Максимальная высота диаграммы (точка z)

Рz / Мр = 6,166 / 0,06 =102,76 мм.

Ординаты характерных точек:

Ра / Мр = 0,0865 / 0,06 = 1,4416 мм; Рс / Мр = 1,623 / 0,06 = 27,05 мм;

Рb / Мр = 0,38173 / 0,06 = 6,362 мм; Рr / Мр = 0,11 / 0,06 = 1,833 мм;

Р0 / Мр = 0,1/ 0,06 = 1,666 мм;

Из точек А и В проводят вертикальные линии, являющиеся отрезками верхней и нижней мёртвыми точками , на которых отмечают значения давлений в характерных точках индикаторной диаграммы ( Ра, Р0, Рb , Pz, Рс).

Построение политроп сжатия и расширения аналитическим методом:

а) политропа сжатия . Отсюда

мм,

где ОВ = ОА + АВ = 9,33 +70 =79,33 мм.

б) политропа сжатия . Отсюда

мм.

Результаты расчета точек политроп приведены в таблице 3.

Скругление индикаторной диаграммы осуществляется на основании следующих соображений и расчетов. Так как рассчитывается достаточно быстроходный двигатель (n = 5600 мин-1), то фазы газораспределения необходимо устанавливать с учетом получения хорошей очистки цилиндра от отработавших газов. В связи с этим начало открытия впускного клапана (точка r) устанавливается за 180 до прихода поршня в в.м.т., а закрытие (точка a) - через 600 после прохода поршнем н.м.т.; начало открытия выпускного клапана (точка b) принимается за 550 до прихода поршня в н.м.т., а закрытие (точка a) через 250 после прохода поршнем в.м.т. Учитывая быстроходность двигателя, угол опережения зажигания принимается равным 350, а продолжительность периода задержки воспламенения - 1 = 50.

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения зажигания определяют положение точек r, a, a, b, с и f по формуле для перемещения поршня:

,

где - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Выбор величины производится при проведении динамического расчета, а при построении индикаторной диаграммы предварительно принимается = 0,285.

Таблица 3.

№ точек	OX, мм	OB/OX, мм	Политропа сжатия	Политропа расширения
				Рx/Мр, мм	Рx, МПа		Рx/Мр, мм	Рx, МПа
1	9,33	8,5	18,763	27,05	1,6229	16,153	102,7681	6,166
2	16,33	4,86	8,724	12,5771	0,75463	7,81	49,6885	2,98131
3	23,33	3,4	5,347	7,7086	0,46252	4,908	31,2255	1,87353
4	30,33	2,616	3,734	5,3831	0,32299	3,491	22,2103	1,33261
5	37,33	2,125	2,809	4,0496	0,24298	2,664	16,9488	1,01693
6	44,33	1,789	2,219	3,19906	0,19194	2,13	13,5514	0,813084
7	51,33	1,545	1,815	2,6166	0,15664	1,76	11,1974	0,67184
8	58,33	1,36	1,524	2,1971	0,13183	1,491	9,486	0,56916
9	65,33	1,214	1,304	1,8799	0,11279	1,287	8,188	0,49128
10	72,33	1,097	1,135	1,6363	0,09818	1,128	7,1765	0,43059
11	79,33	1	1	1,4416	0,0865	1	6,362	0,38173

Расчеты абсцисс точек r, a, a, b, с и f сведены в таблицу 4

Действительное давление сгорания:

Рzд = 0,85Рz =0,85 6,166 = 5,2411 МПа;

Рzд / Мр = 5,2411 / 0,06 = 87,352 мм;

Затем все точки соединяют плавными кривыми r с a, c с c и далее с zд и кривой расширения b с b ( точка b располагается обычно между точками b и a) и линией brr, получим скругленную действительную индикаторную диаграмму

Таблица 4

Обозначение точек	Положение точек			Расстояние от в.м.т. (AX), мм
r	180 до в.м.т.	18	0,0655	2,2925
a	250 после в.м.т.	25	0,1223	4,2805
a	600 после в.м.т.	120	1,6069	56,2415
с	350 до в.м.т.	35	0,2313	8,0955
f	300 до в.м.т.	30	0,1697	5,9395
b	550 до в.м.т.	125	1,6667	58,3345

2. Динамический расчет двигателя

Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма заключается в определении суммарных моментов и сил, возникающих от давления газов и сил инерции. По этим силам рассчитывают основные детали на прочность и износ, а также определяют неравномерность крутящего момента и степень неравномерности хода двигателя. Во время работы двигателя на детали кривошипно-шатунного механизма действуют силы давления газов в цилиндре, силы инерции возвратно - поступательно движущихся масс, центробежные силы, давление на поршень со стороны картера (приблизительно равное атмосферному давлению) и силы тяжести (силы тяжести обычно в динамическом расчете не учитывают).

Все действующие в двигателе силы воспринимаются полезным сопротивлением на коленчатом валу, силами трения и опорами двигателя.

В течении каждого рабочего цикла силы, действующие в кривошипно шатунном механизме, непрерывно изменяются по величине и направлению. Поэтому для определения характера изменения этих сил по углу поворота коленчатого вала их величины определяют для ряда отдельных положений вала обычно через каждые 10 - 300. Результаты динамического расчета сводят в таблицы.

Результаты динамического расчета необходимы для последующего расчета основных деталей двигателя на прочность и долговечность.

Динамический расчет может быть сделан как для вновь проектируемого, так и для реально существующего двигателя. Исходными данными для динамического расчета в первом случае служат результаты предшествующего теплового расчета, а во втором - результаты стендовых испытаний двигателя. Методика выполнения динамического расчета в обоих случаях одна и та же.

Динамический расчет ( так же, как и тепловой расчет ) обычно производится для одного цилиндра двигателя при постоянном скоростном режиме работы, соответствующем максимальной мощности по внешней скоростной характеристике.

2.1 Основные принятые обозначения к динамическому расчету

КШМ

mR - масса поступательно движущихся частей к.ш.м., кг;

л- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

R - радиус кривошипа, м;

L - длина шатуна, м;

Рг - удельная сила давления газов, МПа;

Рj - удельная сила инерции поступательно движущихся масс, МПа;

P - удельная суммарная сила, МПа;

РТ - удельная суммарная тангенциальная сила, МПа;

РК - удельная суммарная нормальная сила, МПа;

б - угол поворота кривошипа в градусах;

Fn - площадь поперечного сечения цилиндра, м2;

Рг - давление газов в цилиндре над поршнем, МПа;

mn - масса поршневого комплекта, кг;

mшп - часть массы шатуна в сборе, отнесенная к поступательно

движущимся массам, кг;

mш - масса шатуна, кг;

mшв - часть массы шатуна, отнесенная к вращающимся массам, кг;

mn '- удельная конструктивная масса поршневого комплекта, кг/м2;

mш '- удельная конструктивная масса шатуна, кг/м2;

щ - средняя угловая скорость кривошипа, 1/с;

И - угловой интервал между вспышками в цилиндрах двигателя в градусах;

Мкр - индикаторный крутящий момент двигателя, Н-м;

S - результирующая сила, действующая на шатунную шейку, Н;

S - суммарная сила, действующая вдоль шатуна, Н;

dшш- диаметр шатунной шейки, м;

Lшш - длина опорной поверхности шатунной шейки, м;

S - ход поршня, м;

Мр - масштаб давления газов, принятый при построении индикаторной

диаграммы, МПа в мм;

Мм - масштаб момента, Н·М в мм;

МV -масштаб скорости поршня м/с в мм.

МS -масштаб хода поршня мм в мм.

Мj -масштаб ускорения поршня м/с2 в мм.

М - масштаб угла поворота коленчатого вала в мм.

М - масштаб угла поворота коленчатого вала для индикаторной диаграммы в мм.

2.2 Исходные данные для динамического расчета

Основными исходными данными, необходимыми для динамического расчета, являются:

а) сведенья о двигателе, необходимые для выбора расчетных величин из статических данных, а именно: тип двигателя (дизельный, карбюраторный); тактность (двухтактный, четырехтактный); число цилиндров; конструктивная схема (рядный, V-образный); назначение (для автомобиля или трактора);

б) индикаторная диаграмма двигателя;

в) номинальное число оборотов двигателя n = 3200 мин-1;

г) основные размеры двигателя: диаметр цилиндра D =0,1 (м) и ход поршня S = 0,95 (м).

д) статистические данные для выбора масс движущихся частей к.ш.м.

Кроме того, для уменьшения объема вычислительных работ могут быть использованы таблицы значений тригонометрических выражений, входящих в формулы динамического расчета двигателя.

двигатель тепловой динамический охлаждение

3. Расчет кинематики V-образного карбюраторного двигателя

В целях уменьшения высоты двигателя без значительного увеличения инерционных и нормальных сил отношение радиуса кривошипа к длине шатуна предварительно было принято в тепловом расчете = 0,285. При этих условиях Lш = R / =47,5 / 0,285 = 166,667. Где R = S/2 равен половине хода поршня.

Перемещение поршня

мм;

Угловая скорость вращения коленчатого вала

= n / 30 = 3,14 3200 / 30 = 335 (рад/с);

Скорость поршня

м/с;

Ускорение поршня

м/с2

Таким образом, определяем значения перемещения, скорости и ускорения поршня через каждые 300 и заносим их в таблицу 5.

По данным таблицы 5 построены графики Sx в масштабе МS = 1 мм в мм, VП - в масштабе МV = 0,5 м/с в мм, j - в масштабе Мj = 200 м/с2 в мм. Масштаб угла поворота коленчатого вала М = 1 0 в мм.

Таблица 5

		Sx, мм		VП, м/с		j, м/с2
0	0	0	0	0	1,285	15444,24
30	0,1697	5,9395	0,6234	12,786	1,0085	12121,02
60	0,6069	21,2415	0,9894	20,293	0,3575	4296,74
90	1,1425	39,9875	1	20,51	- 0,285	-3425,38
120	1,6069	56,2415	0,7426	15,231	- 0,6425	-7722,12
150	1,9017	66,5595	0,3766	7,724	- 0,7235	-8695,65
180	2	70	0	0	- 0,715	-8593,48
210	1,9017	66,5595	- 0,3766	7,724	- 0,7235	-8695,65
240	1,6069	56,2415	- 0,7426	15,231	- 0,6425	-7722,12
270	1,1425	39,9875	- 1	20,51	- 0,285	-3425,38
300	0,6069	21,2415	- 0,9894	20,293	0,3575	4296,74
330	0,1697	5,9395	- 0,6234	12,786	1,0085	12121,02
360	0	0	0	0	1,285	15444,24

4. Расчет динамики V-образного карбюраторного двигателя

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

Поправка Брикса

R/(2 МS) =47,5 0,285 /(21) =5,9875 мм,

где МS - масштаб хода поршня на индикаторной диаграмме.

Масштабы развернутой диаграммы: давлений и удельных сил Мр = 0,06 МПа в мм, угла поворота кривошипа М = 30 в мм.

По развернутой диаграмме через каждые 300 угла поворота определяют значение РГ = Рi - P0 и заносят в таблицу 6 динамического расчета.

Значение площади поверхности поршня FП = D2 / 4 = 0,004778.

Для вычисления силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс и центробежной силы инерции вращающейся части массы шатуна необходимо знать массы деталей поршневой (mn) и шатунной (mш) групп.

Для реальных двигателей mn и mш могут быть определены взвешиванием поршневой и шатунной групп или по соответствующим справочникам:

масса поршневой группы ( для поршня из алюминиевого сплава принято mn = 100 кг/м2)

mn = mn FПА = 100 0,004778 =0,4778(кг);

масса шатуна (для стального кованого шатуна принято m ш= 150 кг/м2)

m ш = m шFП = 150 0,004778 =0,7167(кг);

масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов (для литого чугунного вала принято mк = 140 кг/м2)

mк = mк FП = 140 0,004778 = 0,6689 (кг);

Поскольку шатун совершает сложное движение, его массу условно заменяют двумя массами, одна из которых (m ш.п) сосредоточена на оси поршневого пальца, и совершает возвратно-поступательное движение вместе с массой поршня, а вторая (mш.к) - сосредоточена на оси шатунной шейки кривошипа, и совершает вращательное движение с кривошипом. Следовательно,

m ш = mш.п + mш.к (2.4)

В расчетах принимают:

m ш. п = 0,275m ш =0,275 0,7167 =0,1971 (кг);

mш.к = 0,725mш = 0,725 0,7167 = 0,5196 (кг);

И таким образом, масса кривошипно-шатунного механизма, совершая возвратно-поступательное движение, определится как сумма

mj= mn + m ш. п = 0,4778+0,1971 = 0,6749 (кг);

Массы, совершающие вращательное движение

mR= mк + m ш. к = 0,6689+0,5196 = 1,1885 (кг);

Из таблицы 5 переносят значение j в графу 3 таблицы 6 и определяют значение силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс.

Сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс к.ш.м. вычисляется по формуле:

pj = - jmj / FП

Результаты расчета силы инерции pj заносятся в таблицу 6. Расчет силы pj ведется от ц = 0...720? для четырехтактных двигателей.

Суммарная сила P , действующая на поршневой палец по направлению оси цилиндра, вычисляется алгебраическим сложением газовой силы Рг и силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс Pj . При исчислении величины силы Рг для различных значений угла пользуются данными таблицы 6.

Результаты измерений сносятся в таблицу 6. C помощью таблицы 6 строится график силы P = f (ц) на той же координатной сетке и в том же масштабе мрj = 0,06 МПа в мм, что и графики сил Рг и Рj . График силы P может быть построен и без помощи таблицы 6, путем суммирования в каждой точке ординат графиков Рг и pj с учетом их знаков.

Рисунок 2 - Схема сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме.

Удельная нормальная сила (МПа)

РN = Р tg

Удельная сила (МПа), действующая вдоль шатуна

РS = Р (1/соs)

Удельная сила (МПа), действующая по радиусу кривошипа

Удельная и полная тангенциальные силы (МПа и кН):

и Т = РТ FП = РТ 0,004778 103 .

Значения тригонометрических выражений в 6, 8, 10 и 12 графах таблицы 6 выбирается по соответствующим таблицам для = 0,285

По данным таблицы 6 строится графики изменения удельных сил РТ, РS, РN, Р, Рк и Рj в зависимости от изменения угла поворота коленчатого вала ц в масштабе Мр = 0,06 МПа в мм.

Крутящий момент одного цилиндра двигателя

Мкр.ц=T·R =Т 0,035 103 Нм , где R=const (радиус кривошипа).

Если вспышки чередуются равномерно, то угол И вычисляется по формулам:

И=720/i - для четырехтактного двигателя (i - число цилиндров); (8)

В связи с этим, составляем таблицу 7 крутящих моментов всех четырех цилиндров двигателя, а также суммарного момента.

График суммарных моментов многоцилиндрового двигателя построен в масштабе ММ =0,5 Нм в мм по оси моментов, изменение угла - Мц =1,1250 в мм.

Рисунок 3 - Построение кривой суммарного крутящего момента для четырехтактного двигателя

Таблица 6.

ц0	Рг , МПа	J, м/с2	Рj, МПа	Р, МПа	tg	РN, МПа
1	2	3	4	5	6	7	8
0	0,01	15444,24	-2,181	-2,18	0	0	1
30	-0,0135	12121,02	-1,712	-1,726	0,144	-0,249	1,01
60	-0,0135	4296,74	-0,607	-0,621	0,53	-0,157	1,031
90	-0,0135	-3425,38	0,484	0,471	0,295	0,139	1,043
120	-0,0135	-7722,12	1,091	1,078	0,253	0,273	1,031
150	-0,0135	-8695,65	1,228	1,215	0,144	0,175	1,01
180	-0,0105	-8593,48	1,214	1,204	0	0	1
210	-0,0077	-8695,65	1,228	1,22	-0,144	-0,176	1,01
240	0,0128	-7722,12	1,091	1,104	-0,53	-0,279	1,031
270	0,068	-3425,38	0,484	0,552	-0,295	-0,163	1,043
300	0,2	4296,74	-0,607	-0,407	-0,253	0,103	1,031
330	0,68	12121,02	-1,712	-1,032	-0,144	0,149	1,01
360	1,529	15444,24	-2,181	-0,658	0	0	1
380	5,1411	13918,02	-1,966	3,175	0,098	0,311	1,005
390	3,2	12121,02	-1,712	1,488	0,144	0,214	1,01
420	1,16	4296,74	-0,602	0,558	0,53	0,141	1,031
450	0,62	-3425,38	0,484	1,104	0,295	0,326	1,043
480	0,3913	-7722,12	1,091	1,482	0,253	0,375	1,031
510	0,29	-8695,65	1,228	1,518	0,144	0,219	1,01
540	0,14	-8593,48	1,214	1,354	0	0	1
570	0,032	-8695,65	1,228	1,26	-0,144	-0181	1,01
600	0,01	-7722,12	1,091	1,101	-0,53	-0,279	1,031
630	0,01	-3425,38	0,484	0,494	-0,295	-0,146	1,043
660	0,01	4296,74	-0,607	-0,606	-0,253	0,153	1,031
690	0,01	12121,02	-1,712	-1,702	-0,144	0,245	1,01
720	0,01	15444,24	-2,181	-2,171	0	0	1

РS, МПа		Рк, МПа		РТ, МПа	Т, кН	Мкр.ц, Нм
9	10	11	12	13	14	15
-2,18	1	-2,18	0	0	0	0
-1,743	0,794	-1,37	0,625	-1,079	-5,155	-180,43
-0,64	0,281	-0,175	0,993	-0,617	-,2948	-103,18
0,491	-0,295	-0,139	1	0,471	2,25	78,75
1,111	-0,719	-0,775	0,74	0,798	3,813	133,46
1,227	-0,938	-1,14	0,376	0,457	2,184	76,44
1,204	-1	-1,204	0	0	0	0
1,232	-0,938	-1,144	-0,376	-0,459	-2,193	-76,76
1,138	-0,719	-0,794	-0,74	-0,817	-3,904	136,64
0,576	-0,295	-0,163	-1	-0,552	-2,637	92,295
-0,42	0,281	-0,114	-0,993	0,404	1,93	67,55
-1,042	0,794	-0,819	-0,625	0,645	3,081	107,835
-0,658	1	-0,658	0	0	0	0
3,191	0,907	2,88	0,434	1,378	6,584	230,44
1,502	0,794	1,181	0,625	0,93	4,444	155,54
0,575	0,281	0,157	0,993	0,554	2,647	92,65
1,151	-0,295	-0,326	1	1,104	5,275	184,63
1,528	-0,719	-1,066	0,74	1,097	5,241	183,44
1,533	-0,938	-1,424	0,376	0,571	2,728	95,48
1,354	-1	-1,354	0	0	0	0
1,273	-0,938	-1,182	-0,376	-0,474	-2,265	-79,275
1,135	-0,719	-0,791	-0,74	-0,815	-3,894	-136,29
0,515	-0,295	-0,146	-1	-0,494	-2,36	-82,6
-0,625	0,281	-0,17	-0,993	0,602	2,876	100,66
-1,719	0,794	-1,351	-0,625	1,064	5,084	177,94
-2,171	1	-2,171	0	0	0	0

5. Расчет поршняV-образного карбюраторного двигателя

Таблица 3.1Ї Размеры элементов поршневой группы

Элементы поршневой группы	Расчетные зависимости для карбюраторного двигателя	Значения размеров, мм
Высота поршня	1,05•D	104
Расстояние от верхней кромки поршня до оси пальца	0,6•D	60
Толщина днища поршня	0,06•D	5
Высота юбки поршня	0,7•D	70
Диаметр бобышки	0,4•D	40
Расстояние между торцами бобышек	0,4•D	40
Толщина стенки юбки поршня	3	3
Толщина стенки головки поршня	0,07•D	7
Расстояние до первой кольцевой канавки	0,1•D	10
Толщина первой кольцевой перемычки	0,04•D	4
Радиальная толщина кольца : - компрессионного - маслосъемного	0,0425•D 0,0425D	4,2 4,2
Высота кольца	3	3
Радиальный зазор кольца в канавке поршня - компрессионного - маслосъемного	0,85 0,9	0,85 0,9
Разность между величинами зазоров замка кольца в свободном и рабочем состоянии	3.1•t	13
Внутренний диаметр поршня	D-2(s+t+Дt)	74,6
Число масляных отверстий в поршне	10	10
Диаметр масляного канала	0,4•a	1,2
Наружний диаметр пальца	0,25•D	25
Внутренний диаметр пальца	0,7•dn	17,5
Длина пальца	0,83•D	82
Длина втулки шатуна	0,4•D	40

Принимаем материал поршня - алюминиевый сплав.

Расчетная схема поршневой группы

Днище поршня

Максимальное напряжение изгиба в диаметральном сечении днища поршня в МПа:

; .

где МПа.

Днище поршня должно быть усилено ребрами жесткости, поскольку расчетные напряжение превышает допускаемые 20…25 МПа.

Головка поршня в сечении , ослабленная отверстиями для отвода масла, проверяется на сжатие и разрыв.

Для определения напряжения сжатия определяем:

- диаметр поршня по дну канавок в м:

; .

- площадь продольного диаметрального сечения масляного канала в м2:

; .

- площадь сечения головки поршня в м2:

;

.

- максимально сжимающую силу в МН:

; .

Напряжение сжатия в МПа:

; .

Рассчитанное напряжение сжатия не превышает допустимые значения напряжений на сжатие для поршней из алюминиевых сплавов - (30…40)МПа

Для определения напряжения разрыва в сечении определяем:

- максимальную угловую скорость вращения коленчатого вала при холостом ходе в рад?с:

; .

- массу головки поршня с кольцами в кг:

; .

где кг - масса поршневого комплекта из динамического расчета

Сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс в МН определяется для режима максимальной частоты вращения при холостом ходе двигателя:

;

.

где м Ї отношение радиуса кривошипа к длине шатуна из динамического расчета.

Напряжение разрыва в МПа:

; .

Рассчитанное напряжение разрыва не превышает допустимые значения напряжений на разрыв для поршней из алюминиевых сплавов - (4…10) МПа.

Юбка поршня проверяется на износостойкость по удельному давлению в МПа на стенку цилиндра от максимальной боковой силы :

; .

Рассчитанное значение удельного давления не превышает допустимые значения напряжений для современных двигателей - (0,33…0,96) МПа

6. Расчет элементов системы охлаждения карбюраторного двигателя

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

В зависимости от рода используемой теплоносителя в автомобильных двигателях применяют систему жидкостного или воздушного охлаждения, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Расчет основных конструктивных элементов системы охлаждения производится исходя из количества теплоты, отводимой от двигателя в единицу времени.

Расчет системы жидкостного охлаждения сводится к определению основных размеров жидкостного насоса, поверхности радиатора и подбору вентилятора.

При воздушном охлаждении теплота от стенок цилиндров и головок двигателя отводится обдувающим их воздухом. Интенсивность воздушного охлаждения зависит от количества и температуры охлаждающего воздуха, его скорости, размеров поверхности охлаждения и расположение ребер относительно потока воздуха.

6.1 Исходные данные для расчета элементов системы охлаждения

Основными исходными данными, необходимыми для расчета, являются:

коэффициент подачи з = 0,8 - 0,9 примем з = 0,82; температурный перепад жидкости в радиаторе Тж равный 6 - 12, примем Тж = 9,6 К; скорость жидкости на входе колеблется в пределах с1 = 1 - 2 м / с, возьмем с1 = 1,8 м / с; напор создаваемый насосом Рж =(5 - 15) 104 Па , примем Рж = 120 000 Па; при построении профиля лопатки крыльчатки принимают угол 2 = 8 - 120, а угол 2 = 12 - 500, примем 2 = 100, 2 = 400 и 1 = 900; число лопаток на крыльчатке равное 4; механический КПД жидкостного насоса зм = 0,83; гидравлический КПД жидкостного насоса зh = 0,83;

Схема построения профиля лопатки жидкостного насоса.

6.2 Расчет жидкостного насоса карбюраторного двигателя

По данным теплового баланса количество теплоты отводимой от двигателя жидкостью:

Дж/с,

где с = 0,5 коэффициент пропорциональности, i =4 число цилиндров, D - диаметр цилиндра в см, п - частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1, т = 0,65 показатель степени.

 (Дж/с);

средняя теплоемкость жидкости сж = 4187Дж/(кг К); средняя плотность жидкости рж = 1000кг/м3; частота вращения насоса пв.н. = 4600 мин-1 .

Циркуляционный расход жидкости в системе охлаждения:

(м3/с);

Расчетная производительность насоса:

Gж.р = Gж / =0,00147 / 0,82 =0,00179 (м3/с);

Радиус входного отверстия крыльчатки:

(м),

где r0 = 0,01 - радиус ступицы крыльчатки, м.

Окружная скорость потока жидкости на выходе из колеса:

(м);

Радиус крыльчатки колеса на выходе:

(м);

Окружная скорость входа потока:

(м);

Угол между скоростями с1 и u1 принимается 1 = 900 , при этом tg1 = c1/u1= 1,8/9,83 = 0,1831, откуда 1 = 10,3770.

Ширина лопатки на входе:

(м),

где z =4 - число лопаток на крыльчатке насоса; д1 = 0,003 - толщина лопаток у входа, м.

Радиальная скорость потока на выходе из колеса:

(м /с);

Ширина лопатки на выходе:

(м),

где д2 = 0,003 - толщина лопаток на выходе, м.

Мощность, потребляемая жидкостным насосом:

(кВт).

Расчет жидкостного радиатора карбюраторного двигателя.

По данным теплового баланса количество теплоты отводимой от двигателя и передаваемой от жидкости к охлаждающему воздуху: Qвозд = Qж =59134 Дж/с; средняя теплоемкость воздуха свозд =1000 Дж/(кгК) .

Количество воздуха, проходящего через радиатор:

Gвозд = Qвозд /( cвозд Твозд ) =2,37 (кг/с),

где Твозд =25 - температурный перепад воздуха в решетке радиатора, К.

Массовый расход жидкости, проходящей через радиатор:

Gж = Gж pж =1,51(кг/с)

Средняя температура охлаждающего воздуха, проходящего через радиатор:

Тср.возд = [Твозд.вх + (Твозд.вх + Твозд)]/2 =325,5 (К),

где Твозд.вх =313 - расчетная температура воздуха перед радиатором, К.

Средняя температура жидкости в радиаторе:

Тср.ж = [Тж.вх + (Тж.вх - Тж) )]/2 =359,5 (К),

где Тж.вх = 364 - температура жидкости перед радиатором, К; температурный перепад жидкости в радиаторе, принимаемый по данным пункта 3.2, К.

Поверхность охлаждения радиатора:

 (м2),

где К = 160 - коэффициент теплопередачи для радиаторов легковых автомобилей, Вт/(м2К).

6.3 Расчет вентилятора карбюраторного двигателя

Напор создаваемый вентилятором принимается Ртр =850Па.

Плотность воздуха при средней его температуре в радиаторе:

рвозд = Р0106/(RвTср.возд) =1,07 (кг/м3);

Производительность вентилятора:

Gвозд = Gвозд / рвозд =2,215 (м3/с);

Фронтовая поверхность радиатора:

Fфр.рад = Gвозд /возд =0,111 (м2),

где возд = 20 - скорость воздуха перед фронтом радиатора без учета скорости движения автомобиля, м / с.

Диаметр вентилятора:

(м);

Окружная скорость вентилятора:



где л =3,21 -безразмерный коэффициент для плоских лопастей.

Частота вращения вентилятора:

nвент =60u/(Dвент) = 4600 (мин-1)

Мощность, затрачиваемая на привод осевого вентилятора,

Nвент = Gвозд Ртр /(1000в) =3,14 (кВт),

где в = 0,6 - КПД литого вентилятора.

Заключение

В ходе данной курсовой работы были проведены тепловой расчет, динамический расчет и расчет системы охлаждения двигателя автомобиля ЗИЛ-508 . На основании этих расчетов были построены диаграммы и графики, характеризующие работу данного двигателя и действующих на шатунно-поршневую группу сил и моментов при номинальном режиме работы. В данной работе были использованы 76 формул, 7 таблиц, графических иллюстраций. Также была дана сравнительная характеристика технических параметров двигателя и параметров, полученных в результате проведенных расчетов.

Список используемой литературы

1 Автомобильные двигатели. /Архангельский С.А. Вухарт М.М., Воинов А.Н. и др. Под ред. М.С. Ховаха - Изд: Машиностроение, 1977. - 590с.

2 Конструкция и расчет автотракторных двигателей. /Вихерт М.М., Доброгаев Р.П., Лихов М.И. и др. Под ред. Степанова Ю.А. - М.: Машиностроение, 1964. - 546с.

3.Расчет автомобильных и тракторных двигателей./ A. И. Колчин, В. П. Демидов. - М.: Высш. Шк., 2002. - 496с.: ил.

4.Автомобильные и тракторные двигатели /Ленин И.М., Попык К.Г., Малашкин О.М. и др. Под ред. И.М. Ленина М.: Высшая школа, 1969,-653с.

5 Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей /Вырубов Д.П., Иващенко Н.А., ИвинВ.И. и др. Под ред. А.С. Орлина и М.Г. Круглова М.:Машиностроение, 1983,- 372 с.

Размещено на Allbest.ru