Расчет карбюраторного V-образного четырехцилиндрового двигателя на шасси автомобиля ЗАЗ-968М

Министерство образования

Российской Федерации

Вологодский государственный

технический университет

Факультет: ФПМ

Кафедра: А и АХ

Дисциплина: АД

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

Тема: расчет карбюраторного V-образного четырехцилиндрового двигателя

на шасси автомобиля ЗАЗ-968М

(N_e =60 л.с. (44,1 кВт ), n=4500 мин^-1 , e=7,5, воздушное охлаждение)

Выполнил: Дроздов Д. В.

Группа: МАХ-41

Принял: к.т.н. Яковицкий А. А.

Вологда, 2001 г.

Содержание

Введение

Задание на курсовой проект

1. Тепловой расчет

2. Построение внешней скоростной характеристики двигателя

3. Сравнение параметров проектируемого двигателя и прототипа

4. Расчет кинематики и динамики двигателя

4.1. Кинематический расчет

4.2. Динамический расчет

5. Анализ компьютерного расчета на ЭВМ

6. Уравновешивание двигателя

7. Расчет основных деталей двигателя

8. Спец. разработка ( система охлаждения)

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

На наземном транспорте наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания. Эти двигатели отличаются компактностью, высокой экономичностью, долговечностью и применяются во всех отраслях народного хозяйства.

В настоящее время особое внимание уделяется уменьшению токсичности выбрасываемых в атмосферу вредных веществ и снижению уровня шума работы двигателей.

Специфика технологии производства двигателей и повышение требований к качеству двигателей при возрастающем объеме их производства, обусловили необходимость создания предполагаемые показатели цикла, мощность и экономичность, а также давление газов, действующих в надпоршневом пространстве цилиндра, в зависимости от угла поворота коленчатого вала. По данным расчета можно установить основные размеры двигателя (диаметр цилиндра и ход поршня) Успешное применение двигателей внутреннего сгорания, разработка опытных конструкций и повышение мощностных и экономических показателей стали возможны в значительной мере благодаря исследованиям и разработке теории рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания.

Выполнение задач по производству и эксплуатации транспортных двигателей требует от специалистов глубоких знаний рабочего процесса двигателей, знания их конструкций и расчета двигателей внутреннего сгорания.

Рассмотрение отдельных процессов в двигателях и их расчет позволяют определить и проверить на прочность его основные детали.

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По заданным параметрам двигателя произвести тепловой расчет, по результатам расчета построить индикаторную диаграмму, определить основные параметры поршня и кривошипа. Разобрать динамику кривошипно-шатунного механизма. Построить график средних крутящих моментов.

Параметры двигателя:

1.ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ [1, с.72 - 94]

1.1. Выбор исходных данных

1.1.1. Топливо

Степень сжатия проектируемого двигателя e =7,5. В качестве топлива выбираем бензин марки А-76.

Элементарный состав топлива: С+Н+О=1

где C=0,855; H=0,145; О=0.

Молекулярная масса топлива: М_T =115 кг/кмоль .

Низшая теплота сгорания топлива:

Н_u =33,91C+125,60H-10,89(O-S)-2,51(9H+W);

Н_u =33,91*0,855+125,60*0,145-2,51(9*0,145)=43930 кДж/кг.

1.1.2. Параметры рабочего тела

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива:

кг возд./кг топл .

кмоль возд./кг топл .

Коэффициент избытка воздуха α принимаем равным 0,96 для получения оптимального соотношения экономичности и мощности проектируемого двигателя.

Количество горючей смеси: М₁ = aL_o +1/ m_т = 0,96*0,516+1/115= 0,5050 кмоль.

При неполном сгорании топлива ( a<1 ) продукты сгорания представляют собой смесь окиси углерода (СО), углекислого газа (СО₂ ) , водяного пара (Н₂ О), свободного водорода (Н₂ ) , и азота (N₂ ) . Количество отдельных составляющих продуктов сгорания и их сумма при К=0,5 (К-постоянная зависящая от отношения количества водорода к окиси углерода, содержащихся в продуктах сгорания):

М_СО =2*[(1-a)/(1+K)]*0,208*L_o ;

М_СО =2*[(1-0,96)/(1+0,5)]*0,208*0,517=0,0057 кмоль/кг топл.

М_СО =С/12-2*[(1-a)/(1+K)]*0,208*L_o ;

М_СО =0,855/12-2*[(1-0,96)/(1+0,5)]*0,208*0,517=0,0655 кмоль/кг топл.

М_Н =2*К*[(1-a)/(1+K)]*0,208*L_o ;

М_Н =2*0,47*[(1-0,96)/(1+0,5)]*0,208*0,517=0,0029 кмоль/кг топл.

М_{Н О} =Н/2-2*К*[(1-a)/(1+K)] *0,208*L_o ;

М_{Н О} =0,145/2-2*0,47*[(1-0,96)/(1+0,5)]*0,208*0,517=0,0696 кмоль/кг топл.

М_N =0,792*aL_o ;

М_N =0,792*0,96*0,517=0,393 кмоль/кг топл.

Суммарное количество продуктов сгорания:

М₂ =М_СО +М_СО +М_Н + М_{Н О} + М_N ;

М₂ =0,0073+0,063+0,0034+0,069+0,388=0,5367 кмоль/кг топл.

Проверка:

М₂ =С/12+Н/2+0,792*a*L_o ;

М₂ =0,855/12+0,145/2+0,792*0,96*0,517=0,5367 кмоль/кг топл.

1.1.3. Параметры окружающей среды и остаточных газов

Атмосферное давление и температура окружающей среды: p_o =0,101 МПа ; T_o =293 К . Температуру остаточных газов принимаем на основании опытных данных [1,с.43]:

Т_r =1040 К ; p_r =1,16*p_o =1,16*0,101=0,11716 МПа .

Давление остаточных газов Р_r можно получить на номинальном режиме:

Р_rN =1,18*Р₀ =0,118 Мпа

А_р =(Р_rN - Р₀ *1,035) *10⁸ /(n_N ² *Р₀ )=0,716

Находим давление остаточных газов Р_r :

Р_r = Р₀ * (1.035+ Ар*10^-8 *n² )

Р_r =0,101* (1,035+0,716*10^-8 *4500² )=0,118 МПа

1.2. Процесс впуска

Температуру подогрева свежего заряда принимаем на основании опытных данных [1,с.44]: DТ=8 ⁰ C .

Плотность заряда на впуске: ρ_о = р₀ *10⁶ /(R_В *T_О ) =0,101*10⁶ /(287*293) =1,189 кг/м³ ,

где р₀ =0,101 МПа ; Т₀ =293 К ; R_В - удельная газовая постоянная равная 287 Дж/ ( кг * град ) .

Давление заряда в конце наполнения Р_а принимаем на основании рекомендаций [1,с.44] в зависимости от средней скорости поршня С_п =S*n/30, где S - ход поршня, n-заданная частота вращения коленвала двигателя: С_п =0,092 *4500/30=9,51 м/с.

Принимаем р_а =0,0909 МПа .

Коэффициент остаточных газов:

γ_r = ,

где j_оч - коэффициент очистки; j_доз -коэффициент дозарядки (без учета продувки и

дозарядки j_оч =1; j_доз =0,95).

γ_r = =0,07.

Температура заряда в конце впуска:

Т_а =(T_o +DТ + γ_r *Т_r )/(1+ γ_r );

Т_а =(293+8+0,07*1040)/(1+0,07)= 349,3 К.

Коэффициент наполнения:

;

=0,73.

1.3. Процесс сжатия

Средние показатели адиабаты сжатия при работе двигателя на номинальном режиме определяем по номограмме [1,с.48] при e =7,5 и Т_а =349,3 К : k₁ =1,3775; средний показатель политропы сжатия принимаем несколько меньше k₁ : n₁ = k₁ -0,02=1,3575.

Давление в конце сжатия:

р_с = р_а * e ^{n 1} ;

р_с =0,085*7,5^1,3575 = 1,31 МПа.

Температура в конце сжатия:

Т_с = Т_а *e^{( n 1-1)} ;

Т_с =349,3*7,5^(1,3575-1) =717,85 К .

t_c =Т_с –273;

t_c =717,85-273=444,85 ⁰ C .

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:

свежей смеси:

(mC ) =20,6+2,638*10^-3 *t_c =20,6+2,638*10^-3 *444,85=21,77 кДж/(моль * град ) ;

остаточных газов:

(mC ) =23,805 кДж/(моль * град ) -определяем методом экстрополяции (1, табл.7)

рабочей смеси:

(mC ) =(mC ) =1/(1+γ_r )*((mC ) + γ_r *(mC ) )=21,903 кДж/(моль * град )

Число молей остаточных газов:

М_r =a*g_r *L₀ ;

М_r =0,96*0,07*0,517=0,0347 кмоль/кг топл .

Число молей газов в конце сжатия до сгорания:

М_с =М₁ +М_r ;

М_с =0,505+0,0347=0,5397 кмоль/кг топл .

1.4. Процесс сгорания

Химический коэффициент молекулярного изменения:

m_о =М₂ /М₁ ,

где М₁ - количество горючей смеси, отнесенное к 1кг топлива; М₂ - количество продуктов сгорания, отнесенное к 1кг топлива.

m_о =0,5367 / 0,505=1,0628.

Действительный коэффициент молекулярного изменения:

m= (m_о+ γ_r )/(1+γ_r );

m=(1,0628+0,07)/(1+0,07)=1,0587 .

Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания топлива:

DН_и =119950*(1-a)*L₀ ;

DН_и =119950*(1-0,96)*0,517=2480,57 кДж/кг топл.

Теплота сгорания рабочей смеси:

Н _{раб. см.} =(Н_и -DН_и )/[М₁ *(1+γ_r )];

Н _{раб. см.} =(43930-2480,57)/[0,505*(1+0,07)]=76708,5 кДж/кг топл .

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания:

(mC ) =(1/М₂ )*[М_{C О} (mC ) +М_СО (mC ) +М_Н (mC ) +М_{Н О} (mC ) +

+М_N ( mC ) ];

(mC ) =(1/0,5367)*[0,0057*(22,49+0,0143*t_z )+0,0655*(39,123+0,003349*t_z )+0,0029*

*(19,678+0,001758*t_z )+0,0699*(26,67+0,004438*t_z )+0,393*(21,951+0,001457*t_z )]=

=(24,652+0,002076*t_z ) кДж/(моль * град ) ;

Коэффициент использования теплоты x _z определяем по рис.37 [1,с.77] исходя из скоростного режима двигателя: x _z =0,93 .

Температура в конце видимого периода сгорания:

x _z * Н _{раб. см .} + (mC ) * t_c =m* (mC ) *t_z ;

0,93*76708,5+21,903*445=1,0587*(24,652+0,002076*t_z )*t_z; ;

0,002198 * t_z ² + 26,099* t_z –81085,74=0;

t_z =(-26,099+ )/(2*0,002198)= 2556,45 ⁰ С;

T_z = t_z +273=2556,45+273 =2829,45 K .

Максимальное теоретическое давление в конце процесса сгорания:

р_z = p_c *m*T_z /T_c ;

р_z =1,31*1,0587*2829,45 /717,85=5,4665 МПа .

Действительное максимальное давление в конце процесса сгорания:

р_{z д} =0,85*р_z ;

р_{z д} =0,85*5,4665=4,6465 МПа .

Степень повышения давления:

l =р_z / р_с ;

l =5,4665/1,31=4,173.

1.5. Процессы расширения и выпуска

Средний показатель адиабаты расширения k₂ определяем по номограмме (см. рис.29 [1,с.57]) при заданном e =7,5 для соответствующих значений T_z и α , а средний показатель политропы расширения n₂ оцениваем по величине среднего показателя адиабаты k₂ =1,2511: n₂ =1,251.

Давление и температура в конце процесса расширения:

p_b =p_z /ε ^{n 2} ;

p_b =5,7665/7,5^1,251 =0,43957 МПа .

T_b =T_Z / ε ^{n 2 - 1} ;

T_b =2829/7,5^{1,251 - 1} =1706 К .

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов:

;

=1100 К .

Погрешность составит: Δ=100*(1100-1040)/1040=5,65 %.

1.6. Индикаторные параметры рабочего цикла

Теоретическое среднее индикаторное давление определяем по формуле:

МПа.

Для определения среднего индикаторного давления примем коэффициент полноты индикаторной диаграммы равным j_и =0,96 , тогда: р_i =j_и *р_i ^’ =0,96*1,0406=1,0 МПа .

Индикаторный к.п.д.:

h_i = p_i * l₀ * a / (Н_и * r₀ *h_v );

h_i = (1,0 *14,957*0,96)/(43,93*1,189*0,73) =0,3766.

Индикаторный удельный расход топлива:

g_i = 3600/( Н_и *h_i );

g_i = 3600/( 43,93*0,3766)= 218 г/(кВт * ч) .

1.7. Эффективные показатели двигателя

Среднее давление механических потерь для карбюраторного двигателя с числом цилиндров

до 6 и отношением S/D£1:

p_м =0,034+0,0113*V_п ;

Предварительно приняв ход поршня S равным 70 мм, получим:

V_п =S*n/3*10⁴

V_п =70*4500/3*10⁴ =10,35 м/с.

p_м =0,034+0,0113*10,35=0,151 МПа .

Среднее эффективное давление и механический к.п.д.:

p_е =p_i - p_м ;

p_е =1,0-0,151=0,849 МПа .

h_м = р_е / р_i ;

h_м =0,849/1,0=0,849.

Эффективный к.п.д. и эффективный удельный расход топлива:

h_е =h_i *h_м ;

h_е =0,3766*0,849=0,3198.

g_e =3600/(Н_и *h_е );

g_e =3600/(43,93*0,3198)=256 г/(кВт * ч).

1.8. Основные параметры цилиндра и двигателя

а. Литраж двигателя: V_л =30*t*N_е /(р_е * n)=30*4*44,1/(0,849*4500)=1,3852 л .

б. Рабочий объем цилиндра: V_h =V_л / i =1,3852/4=0,3463 л .

в. Диаметр цилиндра: D=2*10³ √(V_h /(π*S))=2*10³ *Ö(0,3463/(3,14*70))=96,8 мм .

Окончательно принимаем: S=70 мм и D=80 мм. Основные параметры и показатели двигателя определяются по окончательно принятым значениям S и D:

а. Литраж двигателя: V_л =p*D² *S*i / (4*10⁶ ) =3,14*80² *70*4/(4*10⁶ )=1,41 л .

б. Площадь поршня: F_п =pD² / 4=3,14*80² /4=5024 мм² =50,24 см² .

в. Эффективная мощность: N_е =р_е *V_л *n/(30*t)=0,849*1,41*4500/(30*4)=44,89 кВт.

Расхождение с заданной мощностью: D=100*(N_{е з} -N_е )/ N_{е з} =100*(44,1-44,89)/44,89=0,017 %.

г. Эффективный крутящий момент: М_е =(3*10⁴ /p)*(N_e /n)=(3*10⁴ /3,14)*(44,89/4500)=95,3 Н * м .

д. Часовой расход топлива: G_т =N_e *g_e *10^{- 3} =44,89*256*10^{- 3} =11,492 кг/ч.

е. Литровая мощность двигателя: N_л =N_e /V_л =44,89/1,41=31,84 кВт/л.

1.9. Построение индикаторной диаграммы

Режим двигателя: N_e =44,89 кВт, n=4500 об/мин.

Масштабы диаграммы: хода поршня M_s =0,7 мм в мм , давлений M_p =0,035 МПа в мм .

Величины, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:

АВ=S/M_s =70/0,7=100 мм ;

ОА=АВ / (e-1)=100/(7,5-1)=15,38 мм .

Масштабная высота диаграммы (т. Z):

P_z /М_р =5,4665/0,035=156,2 мм.

Ординаты характерных точек:

р_а / М_р =0,085/0,035=2,4 мм ;

р_с / М_р =1,31/0,035=37,4 мм ;

р_b / М_р =0,4395/0,035=12,6 мм;

р_r / М_р =0,118/0,035 =3,4 мм ;

р_о / М_р =0,1/0,035=2,9 мм .

Построение политроп сжатия и расширения аналитическим методом:

а. Политропа сжатия: р_х =р_а *(V_а / V_х )^{n 1} . Отсюда р_х / М_р =(р_а /М_р )*(ОВ/ОХ)^{n 1} мм ,

где ОВ= ОА+АВ=15,38+100=115,38 мм ; n₁ 1,3575 .

б. Политропа расширения: р_х = р_b *(V_b / V_х )^{n 2} . Отсюда р_х / М_р =(p_b /М_р )*(ОВ/ОХ)^{n 2} мм ,

где ОВ=115,38; n₂ =1,251.

Данные расчета точек политроп приведены в табл.1.1.

Теоретическое среднее индикаторное давление:

р_i ^’ =F₁ *M_p /AB=2950*0,035/100=1,0325 МПа,

где F₁ =2950 мм² - площадь диаграммы aczba на рис.1.1.

Величина р_i ^’ =1,0325 МПа полученная планиметрированием индикаторной диаграммы очень близка к величине р_i ^’ =1,0406 МПа полученной в тепловом расчете.

Таблица 1.1.

Фазы газораспределения двигателя:

открытие впускного клапана (точка r^’ ) 10° до в.м.т.

закрытие впускного клапана (точка a^’’ ) 46° после н.м.т.

открытие выпускного клапана (точка b^’ ) 46° до н.м.т.

закрытие выпускного клапана (точка a^’ ) 10° после в.м.т.

угол опережения зажигания (точка c’) 35° до в.м.т.

В соответствии с фазами газораспределения и углом опережения зажигания определяем положение точек r’,a'',b',a',c' и f по формуле для перемещения поршня:

AX= ,

где l ¾ отношение радиуса кривошипа к длине шатуна (предварительно принимаем l=0,285).

Расчеты ординат точек сведены в табл. 1.2.

Таблица1.2.

Положение точки с’’ определяется из выражения:

p_{c ’’} =(1,15...1,25)*p_c ;

p_{c ’’} =1,25*1,31=1,638 МПа ; p_{c ’’} /М_p =1,638/0,035=46,8 мм.

Действительное давление сгорания:

p_{z д} =0,85*р_z ;

p_{z д} =0,85*5,4665=4,6465 МПа .

p_{z д} /М_P =4,6465/0,035=132,8 мм.

1.10.Тепловой баланс

Общее количество теплоты, введенное в двигатель с топливом:

Q_o =H_и *G_т /3,6;

Q_o =43930*11,492/3,6=140234 Дж/с.

Теплота, эквивалентная эффективной работе:

Q_е =1000*N_е ;

Q_е =1000*44,89=44890 Дж/с.

Теплота , передаваемая охлаждающей среде:

Q_в =c* i *D^1+2m *n^m *(H_и -DH_и )/(a*H_и ),

где c=0,5 - коэффициент пропорциональности для четырехтактного двигателя; m=0,62-показатель степени для четырехтактного двигателя; i = 4 - число цилиндров; n=4500 об/мин - частота вращения коленвала.

Q_в =0,5*4*8^1+2*0,62 *4500^0,62 *(43930-2480,54)/(0,96*43930)=38144 Дж/с.

Теплота, унесенная с отработавшими газами:

Q_г =(G_т /3,6)*{M₂ [(mC ) +8,315]t_r -M₁ *[(mC ) +8,315]t_o },

где (mC ) =25,176 кДж/(кмоль * град) - теплоемкость остаточных газов,

(mC ) =20,775 кДж/(кмоль * град) - теплоемкость свежего заряда (для воздуха) определяем по табл.5,7[1,с.16,18].

Q_г =(11,492/3,6) *{0,5307*[25,176+8,315]*767-0,505*[20,775+8,315]*20}=43071,8 Дж/с.

Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива:

Q_н.с. = DH_и *G_т /3,6;

Q_н.с. =2480,54*11,492/3,6=7918 Дж/с.

Неучтенные потери теплоты:

Q_ост. = Q₀ -( Q_е + Q_в + Q_г + Q_н.с )_. =6210,2

Составляющие теплового баланса представлены в табл.1.3.

Таблица 1.3.

2.ВНЕШНЯЯ СКОРОСТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

ДВИГАТЕЛЯ [1, с.106 - 112]

Эффективная мощность двигателя определяется по формуле:

N_ex =N_e ,

где N_e =44,89 кВт ; n_N =4500 об/мин .

Эффективный крутящий момент:

M_ex =3*10⁴ * N_ex /(p*n_x );

Удельный эффективный расход топлива :

g_ex = g_{e N *} ,

где g_{e N} =256 г/(кВт * ч) .

Часовой расход топлива:

G_{т x} = g_ex * N_ex *10^-3 ;

Значение a принимаем постоянным (a=0,96) на всех скоростных режимах кроме минимального (a=0,86).

Коэффициент наполнения:

h_vx =p_ex *l_o *a_x *g_ex /(3600*r _k );

Коэффициент приспосабливаемости:

k=M_{e max} /M_{e N} =118,2/95,3=1,24.

K – коэффициент приспособливаемости, служит для оценки приспособляемости двигателя к изменению внешней нагрузки.

Расчеты произведены для всех скоростных режимов двигателя и представлены в табл.2.1.

Таблица 2.1.

По данным табл. 2.1. строим графики зависимости N_e , M_e , p_e , g_e , G_t , h_v и a от частоты вращения коленчатого вала двигателя n (рис.2.1.).

3 . СРАВНЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЕКТИРУЕМОГО

ДВИГАТЕЛЯ И ПРОТОТИПА

Основные параметры проектируемого двигателя и прототипа представлены в табл.3.1.

Таблица 3.1.

При сравнении показателей двигателей видно, что разрабатываемый двигатель имеет большую мощность и крутящий момент, более высокую частоту вращения коленчатого вала и более экономичен.

4.КИНЕМАТИКА И ДИНАМИКА [1, с.115 - 173]

4.1.Кинематический расчет двигателя

Перемещение поршня рассчитывается по формуле:

S_x =R* ,

где R-радиус кривошипа (R=35 мм ), l - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна (l=0,285),

j - угол поворота коленчатого вала.

Расчет производится через каждые 10° угла поворота коленчатого вала.

Угловая скорость вращения коленчатого вала:

w=p*n/30=3,14*4500/30=471 рад/с .

Скорость поршня:

V_п =w*R*(sinj+ * sin2j)=471*0,035* (sinj+ * sin2j) м / с .

Ускорение поршня:

j=w² *R*(cosj+l* cos2j)=471² *0,0,35*(cosj+0,285* cos2j) м / с ² .

Результаты расчетов занесены в табл.4.1.

Таблица 4.1.

содержание   ..  2051  2052  2053   ..