Разработка четырехтактного автомобильного двигателя

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Брянский государственный технический университет

Кафедра: "Автомобильный транспорт"


Курсовой проект

По дисциплине "Автомобили и двигатели"

раздела "Двигатели"

тема проекта: "Разработать четырехтактный автомобильный двигатель"

Документы текстовые

АТ.ДВ.003.014.ДТ


Содержание


Задание

Введение

1. Тепловой расчет двигателя

1.1 Выбор параметров к тепловому расчету

1.2 Расчет процесса наполнения

1.3 Расчет процесса сжатия

1.4 Расчет процесса сгорания

1.5 Расчет процесса расширения

1.6 Индикаторные и эффективные показатели работы двигателя

1.7 Эффективные показатели основные размеры цилиндра и двигателя

1.8 Построение индикаторной диаграммы

2. Динамический расчет

2.1 Приведение масс кривошипно-шатунного механизма

2.2 Построение диаграммы удельных сил инерции

2.3 Удельные и полные силы инерции

2.4 Построение диаграммы изменения сил,

действующих в КШМ

2.5 Построение полярной диаграммы сил,

действующих на шатунную шейку

2.6 Построение диаграммы предполагаемого износа

шатунной шейки

2.7 Расчет сил и моментов, действующих на коленчатый вал

3.Расчет деталей двигателя на прочность

3.1 Расчет поршня

3.2 Расчет поршневого пальца на прочность

3.3 Расчет шатуна на прочность

3.3.1 Расчет поршневой головки шатуна

3.3.2 Расчет кривошипной головки шатуна

3.3.3 Расчет стержня шатуна

3.3.4 Расчет шатунных болтов

3.4 Расчет коленчатого вала на прочность

3.4.1 Расчет коренной шейки

3.4.2 Расчет шатунной шейки

3.4.3 Расчет щеки.

Список использованной литературы

Приложения


Введение


Основными направлениями развития двигателестроения являются повышение удельных мощностей за счет газотурбинного наддува и применение более высоко калорийных топлив, повышение экономичности, надежности и ресурса двигателя, снижение металлоемкости.

Требование повышения мощности двигателя связано с повышением производительности труда, с ростом энерговооруженности средств производства. Так же всвязи с непрерывным ростом сложности топлива и масла значимость параметров gе и gм также возрастает. Поэтому при создании двигателя следует стремиться к оптимальным расходам топлива и масла. Однако возможности снижения gе и gм связаны со схемой, быстроходностью и другими параметрами двигателя.

При оценке требований к новому двигателю и выборе значений, определяющих параметры, необходимо учитывать развитие существующих двигателей с учетом времени, необходимого на создание нового двигателя (5-7 лет) и срока его службы не менее 15 лет.

В представленном курсовом проекте приведен расчет 4-х тактного 8-ми цилиндрового V-образного бензинового двигателя, за прототип принят двигатель автомобиля ГАЗ-53.


1. Тепловой расчет двигателя


Исходные данные

Из двигателя – прототипа:

Двигатель 4-х тактный, бензиновый,

Число цилиндров: i = 8,

Диаметр цилиндра: D = 0,092 м,

Ход поршня: S = 0,08 м,

Данные для расчета:

Степень сжатия: ε = 6.8;

Частота вращения коленчатого вала: n = 4000 об/мин.;

Мощность прототипа: 84.56 кВт (115л.с.);

Рабочий объем прототипа: 4,25 л;

Мощность: 140кВт=190,4лс.


Выбор параметров к тепловому расчету


л.с.;

л;

л;

мм;

мм;


Параметры окружающей среды:


-Р0 = 0,1033 МПа;

-Т0 = 288 К;


-относительная влажность 70 %.;

Коэффициент избытка воздуха α = 0,92;

Средняя скорость поршня:


;


Параметры остаточных газов:


-Рг = 1,13Ч105 Па;

-Тг = 960 К;


-коэффициент остаточных газов γ = 0,07;

Коэффициент использования тепла в точке Z для n = 4000 об/мин.:


-;


Коэффициент скругления индикаторной диаграммы φд = 0,96;

Механические потери в двигателе:


;


Элементарный состав топлива:


Н=0,145 кг/кмоль, С=0,855 кг/кмоль


Теплотворная способность топлива Hu=44000 кДж/кг топлива

Теплоемкости мольные (средние):

воздуха:


;


продуктов сгорания:



смеси газов при сжатии:



Теоретически необходимое количества воздуха для сгорания 1 кг топлива:

;


1.2 Расчет процесса наполнения


Давление в конце наполнения:


;


где δ-коэффициент гидравлических потерь (δ=0,15).

Температура в конце наполнения:



где =15 К – подогрев заряда от стенок цилиндра,

=1,11 – коэффициент, учитывающий разницу в теплоёмкостях остаточных газов и свежей смеси.

Коэффициент наполнения:



где =1,05-коэффициент дозарядки.


;


Принятое значение γ практически совпадает с расчётным.Для дальнейших расчетов принимаем γ=0,07.

Давление в цилиндре в конце наполнения с учётом коэффициента дозарядки:



Расчет процесса сжатия


Показатель политропы сжатия определяется через показатель адиабаты сжатия , рассчитываемого по уравнению:


;


Подбором находим :



Давление и температура в конце процесса сжатия:



Расчет процесса сгорания


Действительно необходимое количество воздуха для сгорания топлива:



Теоретический коэффициент молекулярного изменения свежей смеси:



Действительный коэффициент молекулярного изменения


;


Температура газов в конце видимого сгорания:


;


Решая уравнение относительно Тz, определяем


;


где - коэффициенты использования теплоты в начале процесса сгорания,

- потери тепла от неполного сгорания топлива


;


Степень повышения давления



Максимальное давление сгорания



Расчет процесса расширения


Показатель политропы расширения n2 находим по показателю адиабаты расширения К2, для которого известно уравнение:


;

;


Давление и температура в конце расширения



1.6 Индикаторные и эффективные показатели работы двигателя


Среднее теоретическое и действительное индикаторное давление:



где -коэффициент скругления индикаторной диаграммы

Индикаторный КПД



Индикаторный удельный расход топлива



1.7 Эффективные показатели основные размеры цилиндра и двигателя


Среднее эффективное давление


;


Механический КПД двигателя


;


Эффективный КПД и эффективный расход топлива



Литраж двигателя


;

где Ne=190,4л.с=140кВт по заданию.


Рабочий объем цилиндра



Диаметр и ход поршня принимаем из условия S/D=0,87


;


Окончательно принимаем D = 102,71мм, S = 102,71∙0,87 = 89.358 мм.

По окончательно принятым значениям D и S определяются основные параметры и показатели двигателя:

Литраж двигателя:


;


Площадь поршня:


;


Мощность двигателя при принятых размерах цилиндра:


;


Погрешность мощности:


;


Литровая мощность двигателя:


1.8 Построение индикаторной диаграммы


Исходные данные к построению диаграммы:

Степень сжатия

Показатель политропы сжатия

Показатель политропы расширения

Давление в конце впуска

Давление в конце сжатия

Давление сгорания

Давление в конце расширения

Принимаем:


Масштаб


Составляем таблицу ординат линий сжатия и расширения.

Значение

величин

 Коэффициент доли рабочего объема

0,01 0,02 0,04 0,08 0,16 0,32 0,58 0,82 1

21,16 22,32 24,64 29,28 38,56 57,12 87,28 115,12 136

10,808 10,071 8,836 7,033 4,886 2,905 1,658 1,149 0,922

21,16 22,32 24,64 29,28 38,56 57,12 87,28 115,12 136

45,498 42,562 37,613 30,316 21,489 13,149 7,740 5,476 4,446

;

;


Теперь наносим на координатное поле все характерные точки, затем наносим по табличным данным точки линий сжатия и расширения. Соединяем точки плавными линиями в нужной последовательности. В результате получается индикаторная диаграмма.


2. Динамический расчет


2.1 Приведение масс кривошипно-шатунного механизма


Определяем площадь поршня



Масса поршневой группы (для поршня из алюминиевого сплава )



Масса шатуна ()



Масса шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца:



Масса шатуна, сосредоточенная на оси кривошипа:



Масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов ()


Массы, совершающие возвратно-поступательные движения:



Массы совершающие вращательное движение:



2.2 Построение диаграммы удельных сил инерции


1) Определение удельных сил инерции:

а) в ВМТ


где:


б) в НМТ:


в) в точке Е:



Построение диаграммы удельных сил инерции производят методом Толе.


2.3 Удельные и полные силы инерции


1)Удельная сила инерции поступательно движущихся масс


где


- поступательно движущаяся масса


F== - площадь поршня

R=0,044679м - радиус кривошипа


2) Силы инерции вращающихся масс


3) Силы инерции вращающихся масс шатуна



2.4 Построение диаграммы изменения сил, действующих в КШМ


После построения индикаторной диаграммы и диаграммы удельных сил инерции строят диаграмму изменения сил, действующих в КШМ. Для этого индикаторную диаграмму "разворачивают" по методу Брикса, получая развернутую индикаторную диаграмму. Данный метод заключается в следующем: под индикаторной диаграммой проводят горизонтальную прямую АВ, равную ходу поршя. Из середины отрезка АВ проводят окружность радиуса R=S/2=118/2=58мм на расстоянии ОО1=Rλ/2=58Ч0,28/2=8,12 мм получают центр О1, из которого проводят лучи до пересечения с окружностью через углы . Из точек пересечения лучей с окружностью восстанавливают перпендикуляры к АВ, продолжая их до пересечения с индикаторной диаграммой. Точки пересечения перпендикуляров с соответствующими кривыми давления дают значения давления при соответствующих углах поворота кривошипа. Полная сила, действующая на поршень включает силу давления газов и силу инерции ,ее определяют аналитически . Найденное значение для каждого угла поворота КВ сносим в табл.2.1. Затем соединяем плавной кривой полученные точки, определяющие искомую диаграмму.


Таблица 2.1.

а, град Рг,Н Рj,Н Рсум,Н N, Н Рш, Н Z, Н Т, Н
0 0 -13460,6 -13460,6 0 -13460,6 -13460,6 0
30 -173,304 -10579,5 -10752,8 -1516,14 -10646,3 -8548,45 -6688,22
60 -173,304 -3785,8 -3959,1 -981,857 -3843,79 -1128,34 -3919,51
90 -173,304 2944,50 2771,20 800,878 2662,06 -800,878 2771,204
120 -173,304 6730,30 6557 1626,13 6366,01 -4688,26 4865,294
150 -173,304 7634,95 7461,65 1052,09 7387,77 -6991,57 2820,504
180 -173,304 7571,59 7398,28 0 7398,28 -7398,29 0
210 -125,9691 7634,95 7508,98 -1058,77 7434,64 -7035,92 -2838,4
240 44,4216 6730,30 6774,72 -1680,13 6577,40 -4843,93 -5026,85
270 465,9537 2944,50 3410,46 -985,623 3276,14 -985,623 -3410,46
300 1598,604 -3785,8 -2187,19 542,423 -2123,49 -623,349 2165,319
330 4785,954 -10579,5 -5793,51 816,884 -5736,15 -4605,84 3603,563
360 11607,957 -13460,6 -1852,65 0 -1852,65 -1852,65 0
370 33503,946 -13123,3 20380,68 998,6532 20360,32 19891,54 4504,13
390 23101,324 -10579,5 12521,86 1765,582 12397,88 9954,879 7788,597
420 10452,248 -3785,8 6666,452 1653,28 6472,284 1899,939 6599,788
450 5605,737 2944,508 8550,245 2471,021 8213,492 -2471,02 8550,245
480 3701,883 6730,304 10432,19 2587,182 10128,34 -7459,01 7740,683
510 2644,131 7634,956 10279,09 1449,351 10177,31 -9631,5 3885,495
540 1446,5904 7571,592 9018,182 0 9018,182 -9018,18 0
570 440,8545 7634,956 8075,81 -1138,69 7995,852 -7567,03 -3052,66
600 107,9664 6730,304 6838,27 -1695,89 6639,097 -4889,36 -5074
630 0 2944,508 2944,508 -850,963 2828,538 -850,963 -2944,51
660 0 -3785,8 -3785,8 938,8774 -3675,53 -1078,95 3747,938
690 0 -10579,5 -10579,5 1491,704 -10474,7 -8410,67 6580,426
720 0 -13460,6 -13460,6 0 -13460,6 -13460,6 0

По найденным значениям для каждого угла поворота КВ определяют все остальные силовые факторы, действующие в КШМ:


- удельная нормальная сила:



- удельная сила, действующая вдоль шатуна:


- удельная сила, действующая по радиусу кривошипа:



-удельная тангенциальная сила:



значения ,,, берем из [1].

Значения всех расчетов сводим в табл.2.1 . Графики зависимости представлены на лист 1.

Диаграмма одновременно в соответствующем масштабе является диаграммой крутящего момента создаваемого 1 цилиндром.

Для определения крутящего момента строим диаграмму суммарной силы .

Из этого графика получаем


;


Средний крутящий момент:



По среднему крутящему моменту определяем индикаторную мощность


Определим мощность и сравним ее с результатом теплового расчета



Ошибка находится в пределах нормы.


2.5 Построение полярной диаграммы сил, действующих на шатунную шейку


На шатунную шейку воздействуют силы, вызванные давлением газов и силой инерции поступательно движущихся масс, а так же силой инерции ращающихся масс шатуна. Для проведения расчета результирующей силы, действующей на шатунную шейку двигателя, составляем таблицу (табл.1)

Суммарная сила, действующая на шатунную шейку, находится по формуле:Результирующая сила , действующая на шатунную шейку, подсчитывается графическим сложением векторов сил T , Z и РRШ при построении полярной диаграммы. При построении предполагается, что шейка неподвижна, а ось цилиндра вращается вокруг нее. Для построения выбираем полюс диаграммы (т.О) и проводим систему координат T-Z, причем плюсовая координата Т - вправо, Z - вниз. Для заданного угла поворота коленчатого вала из табл.2.1 откладываем по соответствующим осям в принятом масштабе значение сил T и Z. Соединяя последовательно точки плавной кривой, получаем полярную диаграмму без учета силы РRШ. Для ее учета из точки О в положительном направлении Z откладываем ее величину в принятом масштабе и получаем точку - действительный полюс диаграммы. Для получения действующей результирующей силы, действующей на шатунную шейку, полюс соединяют вектором с точкой полярной диаграммы, соответствующей этому углу поворота. Полученный вектор определяет и величину, и направление действующей силы.



Диаграмма нагрузки на шатунную шейку в прямоугольных координатах представлена в приложении 1.


2.6 Построение диаграммы предполагаемого износа шатунной шейки


На основании имеющейся полярной диаграммы нагрузок, действующих на шейку, можно построить диаграмму предполагаемого износа шатунной шейки. Принимают следующие допущения:

- износ шейки прямо пропорционален действующей силе;

-действие силы распространяется от точки ее приложения по дуге в 60˚, в обе стороны по поверхности шейки.

Способ построения состоит в следующем: в т.О проводят окружность произвольного радиуса и делят ее на равные части. Из т.А окружности откладывают отрезок и т.д. От каждой точки А1, А2…Аn (n=24) в обе стороны по поверхности шейки откладываем угол 60˚. Затем строят новую окружность и делят ее на такое же количество частей и в определенном масштабе в направлении к центру окружности откладывают суммарную толщину полос; соединяя полученные точки определяем диаграмму предполагаемого износа шейки.

Вид предполагаемого износа представлен на листе 1, а его построение и приложении 2; при этом на диаметральных линиях диаграммы указаны суммарные толщины.

Полученная диаграмма дает возможность определить положение масляного отверстия – самое не нагруженное место шейки. Для нашего расчета .


2.7 Расчет сил и моментов, действующих на коленчатый вал


Кривошип коленчатого вала многоцилиндрового двигателя нагружен силами и крутящим моментом, который включает две составляющие: момент, обусловленный силой Т данного цилиндра, и момент от предыдущих цилиндров. Коленчатый вал рассчитываемого двигателя – полноопорный с кривошимами, расположенными под углом . Порядок работы двигателя 1-5-4-2-6-3-7-8. Схема коленчатого вала представлена на рис. 2.1.


Рис. 2.1 Схема коленчатого вала


Для наглядного представления о совместной работе цилиндров строят диаграмму совместной работы цилиндров, которая представляет собой ряд чередующихся циклов работы каждого цилиндра в зависимости от угла поворота коленчатого вала.


Диаграмма совместной работы цилиндров


Построенная диаграмма позволяет определить угол поворота любого кривошипа при положении первого кривошипа в 0˚.

Через шейки коленчатого вала от первого до последнего цилиндра передается крутящий момент свой от каждого цилиндра. Следовательно, в любой момент времени крутящий момент на каждой шейке оказывается различным. Для выполнения ра счетов на прочность и оценки крутящего момента на каждой шейке, строят таблицу набегающих моментов.

Таблица набегающих моментов показывает изменение крутящего момента на каждой шейке коленчатого вала по мере перемещения от