Содержание

Введение

1. Выбор и обоснование типа транспортного средства

2. Тепловой расчет

3. Построение свернутой индикаторной диаграммы

4. Кинематический и динамический анализ

5. Конструирование и расчёт на прочность деталей двигателя

6. Расчёт элементов системы охлаждения

7. Описание конструкции детали и системы

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Цели и задачи:

Целью данного курсового проекта является улучшение эксплуатационных и технических показателей вследствие применения более современных конструкционных материалов и улучшения тепловых процессов двигателя, а также повышение надёжности его работы, снижение токсичности отработанных газов и улучшение вибрационно-акустических качеств за счёт повышения уравновешенности масс кривошипно-шатунного механизма. В задачи проекта входит расчёт и определение параметров и показателей рабочего цикла, основных размеров, кинематический и динамический анализ, оценка прочности деталей, расчёт и компоновка систем, обслуживающих двигатель.

В курсовом проекте в качестве прототипа используется автомобиль ВАЗ-2106 легковой, с закрытым четырёхдверным кузовом, с передним расположением двигателя и задними ведущими колёсами, предназначен для перевозки пяти человек и багажа не более 50 кг. Автомобиль рассчитан для эксплуатации при температуре окружающей среды от минус 40⁰ С до плюс 45⁰ С.

На автомобиль устанавливается 4-цилиндровый карбюраторный двигатель с рядным вертикальным расположением цилиндров и верхним расположением распределительного вала рабочим объёмом 1,6 литра. Двигатель приводит в движение автомобиль и его оборудование. В таблице приведены основные показатели и параметры двигателя в сравнении с лучшими отечественными и мировыми аналогами.

Таблица 1.

Таким образом двигатель ВАЗ 2106 значительно отстаёт от аналогов и на мой взгляд требует значительной модернизации конструкции с целью дальнейшего повышения производительности, эффективных показателей, а также уменьшения выбросов вредных веществ в окружающую среду.

1. Выбор и обоснование типа транспортного средства

Тип транспортного средства - автомобиль ВАЗ-2106 легковой с закрытым четырёхдверным кузовом.

Масса - 1380 кг.

Скорость - 150 км/ч.

Грузоподъёмность (пассажировместимость) - 400 кг. (5чел.).

Область эксплуатации - Дороги с твёрдым покрытием.

Характеристики установленного двигателя:

Марка (модель) - ВАЗ 2106

Мощность:

максимально допустимая - 58,8 кВт.

номинальная - 55,5 кВт.

эксплуатационная - 48 кВт.

Крутящий момент:

максимальный - 116 Н•м

Частота вращения коленчатого вала:

максимальная - 6000 об/мин.

минимально-устойчивая - 900 об/мин.

Расход топлива и масла:

удельный - 3085 г/кВт•ч

на 100 км пробега -8,5 л/100 км

Габаритные размеры - 583?541?651

Ресурс - 150000 км.

Определяем эксплуатационную мощность двигателя из условия обеспечения максимальной скорости движения.

=43 м/с - максимальная скорость автомобиля

т_а = 1445 кг -- масса автомобиля

-- коэффициент суммарного сопротивления дороги. Принимаю

К_В =0,2 -- коэффициент обтекаемости, Н с²/м⁴

F =1,7 -- лобовая площадь, м²

-- коэффициент учета силы инерции приведенных вращающихся масс

= 1,04+0,04 i_k, где i_k =1 -- передаточное число коробки передач

= 1,04+0,04*1=1,08

j_a =0,2 -- ускорение автомобиля м/с²

=0,85 -- КПД трансмиссии.

=47,6 кВт.

Определяем эффективную мощность:

кВт.

2. Тепловой расчёт и тепловой баланс карбюраторного двигателя

Произвести расчет четырехтактного карбюраторного двигателя, предназначенного для легкового автомобиля. Эффективная мощность двигателя N_е = 56 кВт при частоте вращения коленчатого вала п = 5400 об/мин. Двигатель четырехцилиндровый, i = 4 с рядным расположением. Система охлаждения жидкостная закрытого типа. Степень сжатия ? = 8,5.

При проведении теплового расчета для нескольких скоростных режимов обычно выбирают 3--4 основных режима. Для карбюраторных двигателей такими режимами являются:

режим минимальной частоты вращения n_min =900 об/мин, обеспечивающий устойчивую работу двигателя;

режим максимального крутящего момента при n_М = 3000 об/мин;

режим максимальной (номинальной) мощности при n_N = 5400 об/мин;

режим максимальной скорости движения автомобиля при n_max = 6000 об/мин;

С учетом приведенных рекомендаций и задания (n_N = 5400 об/ мин) тепловой расчет последовательно проводится для п = 900, 3000, 5400 и 6000 об/мин.

Топливо. В соответствии с заданной степенью сжатия ? = 8,5 можно использовать бензин марки АИ-93.

Средний элементарный состав и молекулярная масса топлива

С =0,855; Н =0,145 и m_т = 115 кг/кмоль.

Низшая теплота сгорания топлива

Параметры рабочего тела. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

кмоль возд/кг топл.;

= кг возд/кг топл.

Коэффициент избытка воздуха. Стремление получить двигатель достаточно экономичный и с меньшей токсичностью продуктов сгорания, которая достигается при ? ? 0,95 - 0,98, позволяет принять ? = 0,96 на основных режимах, а на режиме минимальной частоты вращения ? = 0,86.

Количество горючей смеси М₁= ?L₀ + l/m_т; (1)

при п = 900 об/мин М₁= 0,86 · 0,516+1/115 = 0,4525 кмоль гор. см/кг топл;

при п = 3000, 5400 и 6000 об/мин M₁ = 0,96 · 0,516+1/115= 0,5041 кмоль гор. см/кг топл.

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания при К=0,5 и принятых скоростных режимах:

при п = 900 об/мин

кмоль СО₂/кг топл;

кмоль СО/кг топл;

кмоль Н₂О/кг топл;

кмоль Н₂/кг топл;

кмоль N₂/кг топл;

при п = 3000, 5400 и 6000 об/мин

кмоль СО₂/кг топл;

кмоль СО/кг топл;

кмоль Н₂О/кг топл;

кмоль Н₂/кг топл;

кмоль N₂/кг топл;

Общее количество продуктов сгорания

; (2)

при п = 900 об/мин

М₂=0,0512+0,02+0,0625+0,01+0,3515=0,4952 кмоль пр. сг/кг топл.

Проверка: М₂ = 0,855/12 + 0,145/2 + 0,792 • 0,86 • 0,516 = 0,4952 кмоль пр. сг/кг топл;

при п = 3000, 5400 и 6000 об/мин

М₂ = 0,0655 + 0,0057+0,0696 + 0,0029 + 0,3923 = 0,5360 кмоль пр. сг/кг топл.

Проверка: М₂ = 0,855/12 + 0,145/2 + 0,792 • 0,96 • 0,516 = 0,5360 кмоль пр. сг/кг топл.

Параметры окружающей среды и остаточные газы. Давление и температура окруж. среды при работе двигателей без наддува р_k=р₀=0,1 МПа и Т_k=Т₀=293 К.

Температура остаточных газов. При постоянном значении степени сжатия ? = 8,5 температура остаточных газов практически линейно возрастает с увеличением скоростного режима при ? = const, но уменьшается при обогащении смеси. Учитывая, что при п = 900 об/мин ? = 0,86, а на остальных режимах ? = 0,96, принимается:

Давление остаточных газов р_r за счет расширения фаз газораспределения и снижения сопротивлений при конструктивном оформлении выпускного тракта рассчитываемого двигателя можно получить на. номинальном скоростном режиме

p_rN = 1,18р₀ = 1,18 · 0,1 =0,118 МПа.

Тогда

A_р = (p_rN - p₀ ·1.035) 10⁸/(₎ = (0,118-0,1·1,035) 10⁸/(5400² * 0,1) = 0,4973;

Р_r = р₀ (1,035 + A_р· 10^-8n²) = 0,1 (1,035+ 0,4973 · 10^-8n²) = 0,1035 + 0,4973·10^-9n². (3)

Отсюда получим:

Процесс впуска. Температура подогрева свежего заряда. С целью получения хорошего наполнения двигателя на номинальном скоростном режиме принимается ?Т_N=8°С. Тогда

;

. (4)

Далее получим:

Плотность заряда на впуске

,

где R_B = 287 Дж/кг · град -- удельная газовая постоянная для воздуха.

Потери давления на впуске. В соответствии со скоростным режимом двигателя (n = 5400 об/мин) и при условии качественной обработки внутренней поверхности впускной системы можно принять ?² + ?_вп = 2,8 и ?_вп = 95 м/с. Тогда

А_n = ?_вп /n_N = 95/5400= 0,01759;

. (5)

Отсюда получим:

при n = 900 об/мин ?p_?= 2,8 * 0.01759² * 900² * 1,189 ?10^-6/2 = 0,0004 МПа;

при n = 3000 об/мин ?p_?= 2,8 * 0.01759² * 3000² * 1,189 ?10^-6/2 = 0,004635 МПа;

при n = 5400 об/мин ?p_?= 2,8 * 0.01759² * 5400² * 1,189 ?10^-6/2 = 0,015 МПа;

при n = 6000 об/мин ?p_?= 2,8 * 0.01759² * 6000² * 1,189 ?10^-6/2 = 0,0185 МПа.

Давление в конце впуска

р_?= p₀ -- ?p_?, (6)

Коэффициент остаточных газов. При определении ?_r для двигателя без наддува принимается коэффициент очистки ?_оч = 1, а коэффициент дозарядки на номинальном скоростном режиме ?_доз = 1,10, что вполне возможно получить при подборе угла опаздывания закрытия впускного клапана в пределах 30--60°. При этом на минимальном скоростном режиме (п = 900 об/мин) возможен обратный выброс в пределах 5%, т. е. ?_доз = 0,95. На остальных режимах значения ?_доз можно получить, приняв линейную зависимость ?_доз от скоростного режима. Тогда

. (7)

При n = 900 об/мин ;

при n = 3000 об/мин ;

при n = 5400 об/мин ;

при n = 6000 об/мин ;

Температура в конце впуска:

(8)

При n = 900 об/мин К;

при n = 3000 об/мин К;

при n = 5400 об/мин К;

при n = 6000 об/мин К;

Коэффициент наполнения:

. (9)

При n = 900 об/мин

при n = 3000 об/мин

при n = 5400 об/мин

при n = 6000 об/мин

Процесс сжатия. Средний показатель адиабаты сжатия k₁при ? =8,5 и рассчитанных значениях Т_а определяется по графику, а средний показатель политропы сжатия n₁ принимается несколько меньше k₁. При выборе n₁ учитывается, что с уменьшением частоты вращения теплоотдача от газов в стенки цилиндра увеличивается, а n₁ уменьшается по сравнению с k₁ более значительно:

Давление в конце сжатия

(10)

При n = 900 об/мин МПа;

при n = 3000 об/мин МПа;

при n = 5400 об/мин МПа;

при n = 6000 об/мин МПа.

Температура в конце сжатия

(11)

При n = 900 об/мин К;

при n = 3000 об/мин К;

при n = 5400 об/мин К;

при n = 6000 об/мин К;

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:

а) свежей смеси (воздуха):

, (12)

где

б) остаточных газов

- определяется методом экстраполяции;

при n = 900 об/мин, ? = 0,86 и t_c =477 °С

кДж/(кмоль * град);

при n = 3000 об/мин, ? = 0,96 и t_c =480 °С

кДж/(кмоль * град);

при n = 5400 об/мин, ? = 0,96 и t_c =480 °С

кДж/(кмоль * град);

при n = 6000 об/мин, ? = 0,96 и t_c =483,47 °С

кДж/(кмоль * град);

в) рабочей смеси

(13)

при n = 900 об/мин

кДж/(кмоль * град);

при n = 3000 об/мин

кДж/(кмоль * град);

при n = 5400 об/мин

кДж/(кмоль * град);

при n = 6000 об/мин

кДж/(кмоль * град);

Процесс сгорания. Коэффициент молекулярного изменения горючей и рабочей смеси (14)

При n = 900 об/мин ?₀=0,4952/0,4525=1,0944; ?=(1,0944+0,05136)/(1+0,05136)=1,08979;

при n = 3000 об/мин ?₀=0,5360/0,5041=1,0633; ?=(1,0633+0,04567)/(1+0,04567)=1,06053;

при n = 5400 об/мин ?₀=0,5360/0,5041=1,0633; ?=(1,0633+0,04902)/(1+0,04902)=1,06034;

при n = 6000 об/мин ?₀=0,5360/0,5041=1,0633; ?=(1,0633+0,051855)/(1+0,051855)=1,0602.

Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания топлива:

?Н_u= 119950(1-- ?)L₀. (15)

При n = 900 об/мин ?Н_u= 119950·(1-- 0,86)·0,516=8665 кДж/кг;

при n = 3000, 5400 и 6000 об/мин ?Н_u= 119950·(1-- 0,6)·0,516=2476 кДж/кг.

Теплота сгорания рабочей смеси

Н_раб.см = (Н_u - ?H_u)/[М₁(1 + ?_r)]. (16)

При n = 900 об/мин Нраб.см = (43930 - 8665)/[0,4525(1 + 0,05136)]=74126 кДж/кмоль раб. см;

при n = 3000 об/мин Нраб.см = (43930 - 2476)/[0,5041(1 + 0,04567)]=78642 кДж/кмоль раб. см;

при n = 5400 об/мин Нраб.см = (43930 - 2476)/[0,5041(1 + 0,04902)]=78391 кДж/кмоль раб. см;

при n = 6000 об/мин Нраб.см = (43930 - 2476)/[0,5041(1 + 0,05186)]=78180 кДж/кмоль раб. см;

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания

(17)

При n = 900 об/мин = (1/0,4952) [0,0512 (39,123 + 0,003349t_z) + 0,02 (22,49 + 0,00143t_z) +0,0625 • (26,67 + 0,004438t_z) + 0,01 (19,678 + 0,001758t_z) + 0,3515 (21,951 + 0,001457t_z)] =

= 24,298 + 0,002033t_z кДж/(кмоль•град);

при n = 3000, 5400 и 6000 об/мин =(1/0,536) [0,0655 •(39,123 + 0,003349t_z) +0,0057• (22,49 + 0,00143t_z) + 0,0696 (26,67 + 0,004438t_z) + 0,0029 • (19,678 + 0,001758t_z) + 0,3923(21,951+ 0,001457t_z)] = 24,656 + 0,002077t_z кДж/(кмоль•град).

Величина коэффициента использования теплоты ?_z при п = 5600 и 6000 об/мин в результате значительного догорания топлива в процессе расширения снижается, а при т = 900 об/мин ?_z интенсивно уменьшается в связи с увеличением потерь тепла через стенки цилиндра и неплотности между поршнем и цилиндром. Поэтому при изменении скоростного режима ?_z ориентировочно принимается в пределах, которые имеют место у работающих карбюраторных двигателей:

Температура в конце видимого процесса сгорания

. (18)

При n = 900 об/мин 0,82 • 74126 + 21,9374 • 477 = 1,08979 • (24,298 + 0,002033t_z)t_z, или

, откуда

°C;

T_z=t_z+273=2325,910974+273=2598,91 K;

при n = 3000 об/мин 0,92 • 78642 + 21,958 • 480 = 1,06053 • (24,656 + 0,002077t_z)t_z, или , откуда

°C;

T_z=t_z+273=2600+273=2873 K;

при n = 5400 об/мин 0,91 • 78390 + 21,9627 • 480 = 1,0603 • (24,656 + 0,002077t_z)t_z, или

, откуда

°C;

T_z=t_z+273=2574+273=2847 K;

при n = 6000 об/мин 0,89 • 78179 + 21,978 • 483 = 1,0602 • (24,656 + 0,002077t_z)t_z, или

, откуда

°C

T_z=t_z+273=2529+273=2802 K.

Максимальное давление сгорания теоретическое

р_z = p_c?T_z/T_c^. (19)

При n = 900 об/мин р_z = 1,868802·1,08979·2599/750=7,057 МПа;

при n = 3000 об/мин р_z = 1,812369·1,06053·2873/753=7,333 МПа;

при n = 5400 об/мин р_z = 1,6189·1,06034·2847/752=6,4988 МПа;

при n = 6000 об/мин р_z = 1,5542·1,0602·2802/756=6,10706 МПа;

Максимальное давление сгорания действительное

р_zд = 0,85/ р_z;

Степень повышения давления

?= р_z /p_c (20)

Процессы расширения и выпуска. Средний показатель адиабаты расширения k₂ определяется по номограмме при заданном ? =8,5 для соответствующих значений ? и Т_z, а средний показатель политропы расширения n₂ оценивается по величине среднего показателя адиабаты:

Давление и температура в конце процесса расширения

(21) и (22)

При n = 900 об/мин р_b= 7,05749/8,5^1,26 = 0,4759 МПа и Т_b= 2599/8,5^{1,26 -1} = 1490 К;

при n = 3000 об/мин р_b= 7,333/8,5^1,251 = 0,5042 МПа и Т_b= 2873/8,5^{1,251 -1} = 1679 К;

при n = 5400 об/мин р_b= 6,4988/8,5^1,251 = 0,4468 МПа и Т_b= 2847/8,5^{1,251 -1} = 1664,8 К;

при n = 6000 об/мин р_b= 6,107/8,5^1,252 = 0,419 МПа и Т_b= 2802/8,5^{1,252 -1} = 1634 К;

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов:

. (23)

При n = 900 об/мин

; ;

при n = 3000 об/мин

; ;

при n = 5400 об/мин

; ;

при n = 6000 об/мин

; , где ? -- погрешность расчета. На всех скоростных режимах температура остаточных газов принята в начале расчета достаточно удачно, так как ошибка не превышает 1,7%.

Индикаторные параметры рабочего цикла. Теоретическое среднее индикаторное давление

(24)

При n = 900 об/мин

;

при n = 3000 об/мин

;

при n = 5400 об/мин

при n = 6000 об/мин

Среднее индикаторное давление:

МПа (25)

где коэффициент полноты диаграммы принят ?_и = 0,96;

Индикаторный КПД и индикаторный удельный расход топлива

(26) и (27)

При n = 900 об/мин ; г/(кВт·ч);

при n = 3000 об/мин ; г/(кВт·ч);

при n = 5400 об/мин ; г/(кВт·ч);

при n = 6000 об/мин ; г/(кВт·ч).

Эффективные показатели двигателя. Среднее давление механических потерь для карбюраторного двигателя с числом цилиндров до шести и отношением S/D?1

(28)

Предварительно приняв ход поршня S равным 80 мм, получим ?_п.ср. = Sn/3 · 10⁴ = 80 n/3 ·10⁴ = =0,002667n м/с, тогда р_м = 0,049 + 0,0152 * 0,002667n МПа, а на различных скоростных режимах:

Среднее эффективное давление и механический КПД

(29) и ; (30)

Эффективный КПД и эффективный удельный расход топлива:

(31) и ; (32)

Основные параметры цилиндра и двигателя. Литраж двигателя:

V_л = 30?N_e/(p_en) = 30 · 4 · 56/(0,8052 · 5400) = 1,545л.

Рабочий объем одного цилиндра:

V_h = V_л/i = 1,545/4 = 0,38625 л.

Диаметр цилиндра. Так как ход поршня предварительно был принят S = 80 мм, то

мм

Окончательно принимается D == 79мм и S = 80 мм.

Основные параметры и показатели двигателя определяются по окончательно принятым значениям D и S:

л;

мм²=48,99 см²;

; (33) ; (34) , (35)

Литровая мощность двигателя

кВт/л;

ВЫВОД: основные данные полученные в тепловом расчёте при сравнение с характеристиками прототипа (см. таб.) позволяют сделать вывод о том что для дальнейших расчётов мы можем принять этот двигатель так как расхождение не превышает 10%.

4. Построение индикаторной диаграммы

Индикаторную диаграмму строят для номинального режима работы двигателя, т. е. при N_e = 56кВт и n = 5400 об/мин.

Масштабы диаграммы: масштаб хода поршня М_s = 1 мм в мм; масштаб давлений М_р = 0,05 МПа в мм.

Приведенные величины, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:

мм; мм

Максимальная высота диаграммы (точка z)

мм

Ординаты характерных точек:

мм; мм;

мм; мм;

мм.

Построение политроп сжатия и расширения аналитическим методом:

а) политропа сжатия (36). Отсюда

мм,

гдемм.

б) политропа расширения (37).Отсюда

мм

Результаты расчета точек политроп приведены в табл.

Теоретическое среднее индикаторное давление

,

где мм²- площадь диаграммы aczba. Это близко к рассчитанному.

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

, (38)

где ? -- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

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

Расчеты координат точек r, а, а", с, f и b сведены в табл.

Положение точки определяется по формуле:

МПа;

мм.

Действительное давление сгорания

МПа;

мм.

Соединяя плавными кривыми точки r с а, с с с" и далее с z_д и кривой расширения, b с b" (точка b" располагается обычно между точками b и а) и линией выпуска b"rr, получим скругленную действительную индикаторную диаграмму raacfc" z_дbb"r.

Построение внешних скоростных характеристик бензинового двигателя

На основании тепловых расчетов проведенных для четырех скоростных режимов работы бензиновых двигателей, получены и сведены в таблицу необходимые величины параметров для построения внешних скоростных характеристик.