Двигатели автомобильно-транспортных средств

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ

АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра двигателей внутреннего сгорания

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине:

“Двигатели автомобильно-транспортных средств ”

Вариант № 18

Выполнил: студент гр. АЕ-41

Студенев А.А

Проверил: доцент Жадан П. В.

ХАРЬКОВ 2010

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Описание особенностей прототипа ДВС

Выбор и обоснование параметров двигателя и исходных данных для теплового расчета

Тепловой расчет двигателя

.1 Материальный баланс

.2 Процесс впуска

.3 Процесс сжатия

.4 Процесс сгорания

.5 Процесс расширения

.6 Индикаторные показатели цикла

.7 Эффективные показатели двигателя

.8 Построение индикаторной диаграммы

Модернизация двигателя

Заключение

Перечень ссылок

ВВЕДЕНИЕ

Механическую энергию, необходимую для привода в действие различных машин, можно получить путем использования тепловой, гидравлической, солнечной энергии и энергии ветра. Наиболее широко используют тепловую энергию, получаемую из органического и ядерного топлива. Большинство транспортных установок работают на жидком топливе, некоторые - на газообразном.

При химических реакциях углеводородов топлива с кислородом воздуха можно легко использовать часть выделяющейся теплоты для превращения ее в механическую работу.

На наземном транспорте наиболее распространены двигатели внутреннего сгорания. Эти двигатели отличаются компактностью, высокой экономичностью и долговечностью и применяются во всех отраслях народного хозяйства. На автомобилях преимущественно применяются поршневые ДВС с воспламенением от искры (карбюраторные, газовые, с впрыском топлива) и с воспламенением от сжатия (дизели).

Особенностью эксплуатации автомобильного двигателя является частое и, в некоторых случаях, резкое изменение скоростного и нагрузочного режимов, поэтому к автомобильным ДВС предъявляются высокие требования. Кроме того, в качестве главных направлений сегодня являются снижение токсичности отработавших газов и расхода топлива, а также оптимизация работы систем и механизмов двигателей с максимальным использованием электроники и электронных систем, снижение массы и улучшение удельных показателей. В связи с чем возросла доля композиционных материалов, применяются все новые и новые альтернативные топлива, усовершенствуются рабочие процессы, повышается надежность механизмов и систем, их конструкция и принцип действия.

Но вместе с тем двигатель должен сохранить простоту конструкции, удобство обслуживания, ремонта и эксплуатации.

И хотя ДВС существует и совершенствуется в течении уже многих лет, казалось бы, предел достигнут - специалисты находят все новые и новые пути повышения его показателей , приведения их в соответствие с современными требованиями.

Целью данного курсового проекта является разработка нового двигателя внутреннего сгорания на основе существующего ГАЗ-416.

1 ОПИСАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОТОТИПА ДВС

Основными показателями, характеризующими качество двигателей внутреннего сгорания являются следующие:

1 Надежность всех элементов конструкции.

2 Степень совершенства преобразования тепловой энергии в механическую работу: она оценивается КПД или удельным расходом топлива, представляющим собой количество топлива, расходуемого в единицу времени на единицу мощности.

3 Мощность двигателя, отнесенная к единице рабочего объема цилиндра.

4 Масса двигателя, приходящаяся на единицу мощности и его габаритные размеры.

5 Степень токсичности и дымности отработавших газов двигателя, уровень шума при его работе.

6  Простота конструкции, удобство обслуживания и стоимость изготовления двигателя, его эксплуатация и ремонт.

7 Надежность пуска двигателя.

8 Перспективность конструкции, позволяющая производить дальнейшую ее модернизацию путем форсирования двигателя и повышение его показателей в соответстствии с уровнем развития техники.

Основные показатели двигателя, рассчитанного на базе двигателя ГАЗ-416 приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные показатели двигателя .

Как видно из таблицы 1, показатели двигателя не отвечают современному уровню развития отечественного двигателестроения и требуют дальнейшей модернизации.

1.1 Техническая характеристика двигателя. Наименование параметра двигателя

1 Марка двигателя                                                                 Газ-416

2 Тип двигателя                                                                  4-х тактный

3 Число цилиндров и их расположение                                    6Р

4 Диаметр цилиндра, м                                                              82

5 Ход поршня, л                                                                        110

6 Рабочий объем цилиндров, л                                                3,48

7 Степень сжатия                                                                        7,0

8 Эффективная мощность, кВт                                                  66

9 Номинальная частота вращения коленвала. мин '               2800

10Максимальный крутящий момент, Нм                                 241,7

11     Частота вращения при       2000

12   Порядок работы цилиндров                                              153624

13   Минимальный эффективный расход топлива, г (кВтч)       299

14   Ресурс до капитального ремонта, тыс. км                            200

15   Расход масла на угар в % от расхода топлива                    0,5

1.2    Корпусные детали.

Блок цилиндров изготовлен из специального чугуна, отлитого совместно с гильзами цилиндров, которые в верхней части имеют вставку из антикоррозионного чугуна.

Головка цилиндров изготовлена из алюминиевого сплава, общая для всех цилиндров, съемная, в которой расположены каналы для подачи охлаждающей жидкости.

1.2 Поршневая группа

Поршни отлиты из высококремнистового алюминиевого сплава, боковая поверхность которых лужена оловом для лучшей приработки Днище головки поршня плоское

Поршневые кольца чугунные, два компрессионных и одно маслосъемное. Боковая поверхность верхнего компрессионного кольца покрыта пористым хромом, боковые поверхности других колей луженные

Поршневые пальцы стальные, полые, плавающего типа.

1.3 Кривошипно-шатунный механизм

Шатуны стальные, кованные, двутавровою сечения с бронзовой втулкой в верхней головке шатуна и сталеалюминиевыми вкладышами в нижней головке Коленчатый вал стальной, кованый, неполноопорный.

1.4 Механизм газораспределения

Механизм газораспределения с верхним расположением клапанов и нижнем расположением распределительного вала.

Привод распределительного вала осуществляется с помощью зубчатой передачи со спиральным зубом

Клапана расположены в головке цилиндров в ряд, привод к которым осуществляется через систему коромысел, штанг и толкателей

1.5 Система смазки

Система смазки комбинированная под давлением смазываются подшипники коленчатого и распределительного валов, привод распределительного вала, ось коромысел.

Масляный насос- односекционный, шестеренчатый. Масляный фильтр грубой и тонкой очистки. Вентиляция картера закрытого типа.

1.6 Система охлаждения

Охлаждение двигателя водяное, с принудительной циркуляцией в помощью центробежною насоса. В системе охлаждения имеется термостат, установленный у выпускной патрубок системы охлаждения.

Вентилятор четырехлопастный, приводится в движение клиновым ремнем от коленчатого вала

1.7 Система питания

Система питания состоит и топливною бака, топливного насоса, карбюратора, воздушного фильтра.

Топливный насос диафрагменный с дополнительным ручным приводом.

Карбюратор двухкамерный, установленный после воздушногого фильтра, который представляет собой инжекционно-масляный контактный фильтрующий элемент из капроновой щитины.

2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЯ И ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА

.1 Выбор и обоснование конструктивных и эксплуатационных параметров

.1.1 Тип двигателя

Так как прототипом проектируемого двигателя является серийно выпускаемый двигатель, то для снижения расходов на модернизацию производства, сохранения максимально возможной унификации с прототипом, оставляем карбюраторный двигатель как наиболее массовый для применения на легковых автомобилях. КБД имеют преимущества перед дизелями по массовым, скоростным и тяговым показателям, уровню шума и стоимости изготовления.

2.1.2 Степень сжатия

Для двигателей с искровым зажиганием e=(6¸11). Поскольку требуется обеспечить мощность проектируемого двигателя большей на 10% мощности прототипа, принимаем e=8,4.

2.1.3 Отношение хода поршня к диаметру цилиндра

Для проектируемого двигателя отношение S/D принимаем равным 0,11/0,082.

2.1.4 Число и расположение цилиндров

Остаются неизменными, т.е. четыре цилиндра расположенных в ряд.

2.1.5 Частота вращения коленчатого вала

Для грузовых автомобилей с КБД n=(2000¸6000) мин^-1.Принимаем

n=2800 мин^-1.

2.1.6 Способ смесеобразования и форма камеры сгорания

КБД является двигателем с внешним смесеобразованием. Камера сгорания должна обеспечить высокое наполнение цилиндра.

Эффективность протекания процесса сгорания (с наименьшей токсичностью продуктов сгорания и использования выделившейся теплоты), а также высокую степень очистки от отработавших газов и наполнение цилиндров свежим зарядом, оптимальную степень турбулизации на впуске и сжатии, возможность повышения степени сжатия при одновременном снижении склонности к детонационному горению, уменьшение длительности горения.

2.1.7 Коэффициент избытка воздуха

Для достижения максимальной мощности на номинальном режиме принимаем a=0,89.

2.1.8 Вид и марка применяемого топлива

Применяем жидкое топливо нефтяного происхождения - бензин марки АИ-76, для обеспечения бездетонационного сгорания.

2.2 Выбор и обоснование исходных данных для теплового расчета

Давление окружающей среды Р₀ - постоянная величина. Р₀=0,090МПа.

Температура окружающей среды Т₀ (атмосферного воздуха). Принимается среднее значение Т₀=305 К.

Давление остаточных газов Р_r, МПа, определяется давлением окружающей среды, в которую происходит выпуск отработавших газов и оборотами двигателя, ориентировочно определяется по зависимости

Температура остаточных газов T_r , К, для КБД изменяется в пределах 900 - 1100 К. При увеличении a и e - Т_r снижается, а при увеличении n увеличивается. Принимаем Т_r = 1100К.

Степень подогрева заряда на впуске DТ=10 …20 К. При увеличении диаметра цилиндра D, увеличении n и e - DТ уменьшается. Принимаем DТ=15К.

Коэффициент сопротивления С изменяется в пределах 2,5 - 4,0. Он учитывает падение скорости свежего заряда после входа его в цилиндр и гидравлические сопротивления впускной системы двигателя. Принимаем С = 2,5.

Средняя скорость воздуха в проходных сечениях впускных клапанов W_кл может достигать 150 м/с. Эта скорость зависит от диаметра впускного клапана и частоты вращения коленвала. При уменьшении диаметра впускного клапана и увеличении n, средняя скорость W_кл увеличивается. Она ориентировочно определяется по зависимости:

.

Коэффициент эффективного теплоиспользования x_z=0,85 - 0,9 это параметр, учитывающий потери теплоты в процессе сгорания. Выбираем среднее значение x_z=0,89.

Показатель политропы расширения (условный) n₂=1,23 - 1,30. Этот показатель зависит от режима работы двигателя, размеров цилиндра, способа охлаждения и т. д. Во всех случаях, когда увеличивается продолжительность догорания топлива, снижаются относительный теплообмен и утечки газов, n₂ - уменьшается. Выбираем n₂ =1,3.

Коэффициент полноты индикаторной диаграммы учитывает уменьшение теоретического среднего индикаторного давления вследствие отклонения действительного процесса от расчетного. Принимаем j_i=0.96.

3 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

Тепловой расчет позволяет с достаточной степенью точности аналитическим путем проверить степень совершенства действительного цикла реально работающего двигателя. На основе установленных исходных данных (тип двигателя, мощность, частота вращения коленчатого вала, число и расположение цилиндров, отношение S/D , степень сжатия) проводят тепловой расчет двигателя, в результате которого определяют основные энергетические, экономические и конструктивные параметры двигателя. По результатам теплового расчета строят индикаторную диаграмму.

3.1 Материальный баланс

Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг жидкого нефтяного топлива.

где: C=0,85; H=0,15; O=0 -элементарный состав топлива.

Количество свежего заряда, кмоль

где:=0,9 -коэффициент избытка воздуха;

=115 -средняя молекулярная масса топлива, кг/кмоль;

Количество компонентов продуктов сгорания

;

;

где: к=0,5 - отношение водорода к окиси углерода.

Количество продуктов сгорания, кмоль

Теоретический коэффициент молекулярного изменения свежей смеси

Средняя мольная изохорная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/кг×К

;

где:  - температура газов в конце процесса сгорания;

a и b - постоянные коэффициенты, определяются экспериментально;

3.2 Процесс впуска.

Плотность воздуха,

где: = 287 Дж/(кг×К) - газовая постоянная воздуха;

Р₀ = 0,1 МПа - давление окружающей среды;

Т₀ = 263 К - температура окружающей среды.

Давление в конце процесса впуска

.

где: =3,1 - коэффициент сопротивления впускной системы ДВС.

=80 - средняя скорость воздуха в проходных сечениях впускных клапанов, м/c;

Коэффициент остаточных газов

.

Температура в конце процесса впуска, К

Коэффициент наполнения

.

3.3 Процесс сжатия.

Давление в конце процесса сжатия, МПа

Температура в конце процесса сжатия, К

Средняя мольная изохорная теплоемкость свежего заряда, кДж/(кмоль×К)

где .

3.4 Процесс сгорания

Уравнение процесса сгорания в карбюраторном двигателе имеет вид:

.

Упростим уравнение горения

Подставим в это уравнение значение средней мольной теплоемкости продуктов сгорания, тогда получим

Тогда температура tz в точке z

где H_u - низшая теплота сгорания, для КБД - в кДж/кг, с учетом химической полноты сгорания при a < 1.

m_д - действительный коэффициент молекулярного изменения свежей смеси:

.

Решая уравнение, находим температуру tz в точке z:

Степень повышения давления в КБД

Теоретическое давление в конце сгорания, МПа

Давление в действительном цикле в конце сгорания, МПа

3.5 Процесс расширения

Давление в конце процесса расширения, МПа

Для карбюраторных двигателей давление в конце расширения Р_в=(0,35¸0,5)Мпа.

Температура в конце расширения, К

Для карбюраторных двигателей Т_в=(1200¸1500) К.

.6 Индикаторные показатели цикла.

Среднее индикаторное давление, МПа

Для карбюраторных двигателей Р_i=(0,8¸1,2) МПа.

Индикаторный КПД для двигателей, работающих на жидком нефтяном топливе

Удельный индикаторный расход жидкого топлива, г/(кВт×ч)

.

3.7 Эффективные показатели двигателя.

Среднее давление механических потерь

где Ам и Вм - опытные коэффициенты

Ам = 0.049 Вм = 0.0152

Сn - средняя скорость поршня, м/с

.

Среднее эффективное давление, МПа

Механический КПД

.

Эффективный КПД

Удельный расход жидкого топлива, г/(кВт×ч)

.

Эффективная мощность, кВт

где t=4 - коэффициент тактности для четырехтактных двигателей.

Крутящий момент, Н×м

Расход топлива, кг/ч

.

двигатель внутреннее сгорание

Средняя скорость поршня, м/с

3.8 Построение индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма строится с целью проверки полученного аналитическим путем значения среднего индикаторного давления и получения наглядного представления протекания рабочего цикла в цилиндре рассчитываемого двигателя.

Литраж двигателя, л

Объем цилиндра, л

Объем камеры сжатия, л

Полный объем цилиндра, л

Промежуточные значения давлений определяем по формулам:

на линии сжатия

на линии расширения

где V_z=V_c для карбюраторного двигателя.

Выбор масштабов.

Масштаб объема m_v = 0,005 л/мм.

Масштаб давления m_p = 0,003 МПа/мм.

Построение диаграммы.

где - минимальное текущее значение промежуточного объема, л;

- шаг изменения объема, л;

- число шагов расчета.

Расчет промежуточных значений давлений для построения индикаторной диаграммы по приведенным выше формулам имеют следующие значения

По результатам таблиц строим индикаторную диаграмму. Расчетную индикаторную диаграмму скругляем, так как в реальном двигателе за счет опережения зажигания рабочая смесь воспламеняется до прихода поршня в в.м.т. и повышает давление конца процесса сжатия; процесс видимого сгорания происходит при постоянно изменяющемся объеме; действительное давление конца процесса видимого сгорания Р_zд=5,126 МПа. Открытие впускного клапана до прихода поршня в н.м.т. снижает давление в конце расширения и имеет место процесс выпуска и наполнения цилиндра.

Положение точки с’ определяем в зависимости от начала подачи топлива. Впускной клапан открывается за 12° до в.м.т.. Положение точки с’’ ориентировочно определяем по выражению:

Положение точки в’ определяется углом предварения выпуска. Выпускной клапан открывается за 54° до н.м.т.

По индикаторной диаграмме для проверки теплового расчета определяется среднее индикаторное давление, МПа:

Определяем погрешность построения

что меньше допустимой погрешности d=3%.

4 МОДЕРНИЗАЦИЯ ДВИГАТЕЛЯ

Мощность, которую может развить двигатель внутреннего сгорания, зависит от количества воздуха и смешанного с ним топлива, которое может быть подано в двигатель. Если нужно увеличить мощность двигателя, нужно увеличить как количество подаваемого воздуха, так и топлива. Подача большего количества топлива не даст эффекта до тех пор, пока не появится достаточное для его сгорания количество воздуха, иначе образуется избыток несгоревшего топлива, что приводит к перегреву двигателя, который к тому же при этом сильно дымит.

Увеличение мощности двигателя может быть достигнуто путем увеличения либо его рабочего объема, либо оборотов. Увеличение рабочего объема сразу же увеличивает вес, размеры двигателя и, в конечном итоге, его стоимость. Увеличение оборотов проблематично из-за возникающих при этом технических проблем, особенно в случае двигателя со значительным рабочим объемом.

Системы наддува, сжимающие воздух, подаваемый в камеру сгорания двигателя, и увеличивающие массу этого воздуха, позволяют повысить мощность двигателя при данных рабочем объеме и частоте вращения коленчатого вала.

Для двигателей внутреннего сгорания применяются компрессоры двух типов: с механическим приводом и турбокомпрессоры, использующие энергию отработавших газов. Кроме того, существуют также комбинированные системы, например, турбокомпаундная. В случае компрессора с механическим приводом необходимое давление воздуха получают благодаря механической связи между коленвалом двигателя и компрессором (муфта). В турбокомпрессоре давление воздуха получают благодаря вращению турбины потоком отработавших газов.

Турбокомпрессор был впервые сконструирован швейцарским инженером Бюши еще в 1905 году, но только много лет спустя он был доработан и использован на серийных двигателях с большим рабочим объемом.

В принципе, любой турбокомпрессор состоит из центробежного воздушного насоса и турбины, связанных при помощи жесткой оси между собой. Оба эти элемента вращаются в одном направлении и с одинаковой скоростью. Энергия потока отработавших газов, которая в обычных двигателях не используется, преобразуется здесь в крутящий момент, приводящий в действие компрессор. Выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы имеют высокую температуру и давление. Они разгоняются до большой скорости и вступают в контакт с лопатками турбины, которая и преобразует их кинетическую энергию в механическую энергию вращения (крутящий момент).

Это преобразование энергии сопровождается снижением температуры газов и их давления. Компрессор засасывает воздух через воздушный фильтр, сжимает его и подает в цилиндры двигателя. Количество топлива, которое можно смешать с воздухом, при этом можно увеличить, что позволяет двигателю развивать большую мощность. Кроме того, улучшается процесс сгорания, что позволяет увеличить характеристики двигателя в широком диапазоне чисел оборотов.

Между двигателем и турбокомпрессором существует связь только через поток отработавших газов. Частота вращения ротора турбокомпрессора не зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя, но она в значительной степени определяется балансом энергии, получаемой турбиной и отдаваемой компрессору.

Для двигателей, работающих в широком диапазоне оборотов (в легковом автомобиле), высокое давление наддува желательно даже на низких оборотах.

Именно поэтому будущее принадлежит турбокомпрессорам с регулируемым давлением. Небольшой диаметр современных турбин и специальные сечения газовых каналов способствуют уменьшению инерционности, т.е. турбина очень быстро разгоняется, и давление воздуха очень быстро достигает требуемого значения. Регулировочный клапан следит за тем, чтобы давление наддува не возрастало выше определенного значения, при превышении которого двигатель может быть поврежден.

Двигатель, оснащенный турбокомпрессором, обладает техническими и экономическими преимуществами по сравнению с атмосферным (безнаддувным) двигателем.

Основные преимущества турбокомпрессорного двигателя:

·   соотношение “масса/мощность” у двигателя с турбокомпрессором выше, чем у атмосферного двигателя;

·   двигатель с турбокомпрессором менее громоздок, чем атмосферный двигатель той же мощности;

·   кривая крутящего момента двигателя с турбокомпрессором может быть лучше адаптирована к специфическим условиям эксплуатации.

Кроме того, можно на базе атмосферных двигателей создавать версии, оснащенные турбокомпрессором и различающиеся по мощности.

Еще более ощутимы преимущества двигателя с турбокомпрессором на высоте. Атмосферный двигатель теряет мощность из-за разряжения воздуха, а турбокомпрессор, обеспечивая повышенную подачу воздуха, компенсирует снижение атмосферного давления, почти не ухудшая характеристики двигателя. Количество нагнетаемого воздуха станет лишь ненамного меньше, чем на более низкой высоте, то есть двигатель практически сохраняет свою мощность.

Кроме того:

·   двигатель с турбокомпрессором обеспечивает лучшее сгорание топлива, что приводит к меньшему расходу топлива;

·   поскольку турбокомпрессор улучшает сгорание, он также способствует уменьшению токсичности отработавших газов;

·   двигатель, оснащенный турбокомпрессором, работает более стабильно, чем его;

·   атмосферный аналог той же мощности, а будучи меньшим по размеру, он производит меньше шума. Кроме того, турбокомпрессор играет также роль своеобразного глушителя в системе выпуска.

 Расширение производства материалов, обладающих высокими температурными характеристиками, улучшение качества моторных масел, применение жидкостного охлаждения корпуса турбокомпрессора, электронное управление регулирующими клапанами - все это способствовало тому, что турбокомпрессоры стали использоваться на мелкосерийных бензиновых двигателях.

В случае установки турбокомпрессора на бензиновый двигатель возникают специфические требования:

·   обеспечение герметичности масло-газовых каналов турбокомпрессора;

·   повышение качества материалов турбины;

·   усовершенствование регулировочного клапана;

·   охлаждение корпуса оси.

На нормально работающем двигателе, который своевременно и качественно обслуживается , турбокомпрессор может безотказно работать в течение долгих лет.

Появление неисправностей может быть следствием:

·   недостаточного количества масла;

·   попадания в турбокомпрессор посторонних предметов;

·   загрязненного масла.

Заключение

В результате произведенного расчета получены следующие результаты:

·   мощность максимальная при частоте вращения

коленчатого вала 2800 мин^-1,кВт…………………………....52,56

·   крутящий момент при частоте вращения

коленчатого вала 2800 мин¹,Н×м……………………….…179,273

·   среднее индикаторное давление, Мпа………………. 0,851

·   удельный индикаторный расход топлива, г/(кВт×ч)….268,06

·   удельный расход жидкого топлива, г (кВтч)                353,1

По результатам расчета построена индикаторная диаграмма.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

Автомобильные двигатели / под ред. М.С.Ховака, - М.: Машиностроение, 1977.

Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей.- М.: Высшая школа, 1980.

Краткий автомобильный справочник НИИАТ. -М.: Транспорт, 1982.

4 Шуваев С.М., Башлай С.И. Методические указания к выполнению динамического расчета ДВС студентами специальности 15.05 при выполнении курсовых и дипломных проектов на кафедре двигателей внутреннего сгорания. -Харьков: ХАДИ, 1991.

5 Тимченко И.И., Жадан П.В. Методические указания к выполнению теплового расчета двигателя в контрольной работе, курсовых и дипломных проектах студентов специальностей 15.04, 15.05 и 24.01. -Харьков: ХАДИ, 1990.