Проектирование бензинового двигателя

Содержание

Введение

1. Расчёт и выбор исходных параметров

2. Тепловой расчет проектируемого двигателя

2.1 Топливо

2.2 Параметры рабочего тела

2.3 Параметры окружающей среды и остаточных газов

2.4 Расчет параметров в конце процесса впуска

2.5 Процесс сжатия

2.6 Процесс сгорания

2.7 Процесс расширения

2.8 Индикаторные и эффективные параметры рабочего цикла, основные параметры цилиндра и двигателя

2.9 Построение индикаторной диаграммы

2.10 Построение круговой диаграммы фаз газораспределения

3. Расчет и построение внешней скоростной характеристики

4. Динамический расчет КШМ с применением ЭВМ

4.1 Силы давления газов

4.2 Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма

4.3 Силы инерции

4.4 Суммарные силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме

4.5 Силы, действующие на шатунные шейки коленчатого вала

5. Патентно-информационный поиск аналогов заданного типа ДВС

6. Обоснование и выбор механизмов и систем проектируемого двигателя

7. Расчет масляного насоса

8. Техническая характеристика двигателя

Заключение

Список литературы

Приложение А

Введение

Особенности и тенденции развития конструкций автомобильных и тракторных двигателей полностью определяются требованиями, предъявляемыми к автомобилям и тракторам промышленностью и сельским хозяйством. Эти требования сводятся к обеспечению максимальной производительности автомобиля и трактора, минимальной стоимости перевозок и выполняемых трактором работ при надёжной и безопасной их работе. Основные требования, предъявляемые к автомобильным и тракторным двигателям, следующие:

. Развитие необходимой мощности двигателей при различных скоростях движения автомобиля.

. Максимально возможная экономичность на всех режимах работы.

. Простота конструкции, упрощающая условия выпуска и последующих ремонтов автомобильных и тракторных двигателей и облегчающая условия их обслуживания и эксплуатации.

. Низкая производственная стоимость, достигаемая за счёт обеспечения технологичности конструкции деталей автомобильных и тракторных двигателей, снижения их веса и применения полноценных заменителей металлов.

. Возможно меньший удельный и литровый веса двигателя, достигаемые без снижения надёжности и долговечности его работы.

. Максимально целесообразное уравновешивание двигателя и необходимая равномерность хода.

. Удобство в эксплуатации, а также простота и удобство ремонта и технического обслуживания в гаражных и дорожных условиях.

. Высокая надёжность и долговечность работы.

В соответствии с перечисленными требованиями конструкции современных автомобильных и тракторных двигателей развиваются и совершенствуются в направлениях максимального их соответствия условиям эксплуатации, повышения экономичности и снижения себестоимости.

1. Расчёт и выбор исходных параметров

Исходные данные:

Полная масса автомобиля:

Максимальная скорость автомобиля:

Высота автомобиля:

Ширина колеи передних колёс автомобиля:

Тип проектируемого двигателя - бензиновый.

Степень сжатия:

Число цилиндров:

Число тактов двигателя:

Отношение хода поршня к диаметру:

Коэффициент избытка воздуха:

Частота вращения коленчатого вала при номинальной мощности:

Определяем номинальную мощность двигателя, необходимую для развития автомобилем максимальной скорости:

 (1.1)

где  - ускорение свободного падения,

 - коэффициент дорожного сопротивления, преодолеваемый АТС намаксимальной скорости,

 - коэффициент сопротивления воздуха,

Принимаем

 - коэффициент полезного действия трансмиссии, для АТС с колесной формулой : , принимаем

 - площадь лобового сопротивления АТС,  При этом:

 (1.2)

где  - ширина колеи передних колес АТС,

 - габаритная высота АТС,

Тогда:

2. Тепловой расчет проектируемого двигателя

Тепловой расчет будем производить на режиме номинальной мощности. Целью теплового расчета является определение аналитическим путем основных параметров, характеризующих двигатель в целом (среднее эффективное давление, удельный эффективный расход топлива, эффективный коэффициент полезного действия), основных размеров двигателей (литраж, рабочий объем цилиндра, ход поршня и диаметр цилиндра) и построение индикаторной диаграммы.

2.1 Топливо

Для бензинового двигателя в соответствии с заданной степенью сжатия определяем марку бензина (ГОСТ 51105 - 97) по таблице 1.

Таблица 1 - Выбор марки бензина

Степень сжатия	7,6-8,5	8,5-9,5	9,5-12,0
Марка бензина	Нормаль-80	АИ-93	АИ-98

Для проектируемого двигателя оптимальным является бензин марки АИ-98.

Средний элементарный состав бензина:  

где  - массовые доли углерода и водорода в 1кг топлива соответственно; молярная масса

Определяем низшую теплоту сгорания топлива :

 (2.1)

2.2 Параметры рабочего тела

Определяем теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива

 (2.2)

 

Определяем теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива

 (2.3)

Определяем количество горючей смеси

 (2.4)

 

Определяем количество отдельных компонентов продуктов сгорания:

 (2.5)

 (2.6)

 

 (2.7)

 

 (2.8)

 

 (2.9)

 

Определяем общее количество продуктов сгорания:

 (2.10)

 

2.3 Параметры окружающей среды и остаточных газов

Давление и температура окружающей среды при работе двигателя без наддува:

Давление остаточных газов:

 (2.11),

Температура остаточных газов:

 (2.12)

Принимаем .

2.4 Расчет параметров в конце процесса впуска

Давление газов в цилиндре:

 (2.13)

где  - потери давления на впуске.

 (2.14)

Коэффициент остаточных газов:

 (2.15)

Принимаем , (для бензинового двигателя ).

Температура в конце впуска:

 (2.16)

Коэффициент наполнения:

 (2.17)

Таким образом, полученные результаты соответствуют параметрам современных четырехтактных бензиновых двигателей, где   

2.5 Процесс сжатия

Давление и температура в конце сжатия:

 (2.18)

 (2.19)

где  - показатель политропы сжатия.

Значение политропы сжатия определяется по формуле:

 (2.20)

У современных двигателей значения  и находятся в пределах:  и .

2.6 Процесс сгорания

Максимальная температура цикла в двигателе  определяется из уравнений сгораний:

 (2.21)

где  - средняя мольная теплоемкость свежего заряда:

 (2.22)

 - коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

 (2.23)

 - количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания:

 (2.24)

Принимаем коэффициент использования тепла

 - средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном объеме:

 (2.25)

Решив уравнение вида:

Давление в конце сгорания теоретическое:

 (2.26)

Действительное давление в конце сгорания:

 (2.27)

Для современных двигателей давление и температура в конце сгорания находится в пределах:

2.7 Процесс расширения

Давление в конце расширения:

 (2.28)

где  - показатель политропы расширения

 (2.29)

Температура в конце расширения:

 (2.30)

Для современных двигателей давление и температура в конце расширения находится в пределах:  

Производим проверку ранее принятой температуры остаточных газов:

 (2.31)

Полученная температура соответствует нормам температуры остаточных газов.

2.8 Индикаторные и эффективные параметры рабочего цикла, основные параметры цилиндра и двигателя

Теоретическое среднее индикаторное давление:

 (2.32)

Действительное среднее индикаторное давление:

 (2.33)

где  - коэффициент полноты диаграммы;

Индикаторный коэффициент полезного действия:

 (2.34)

где  - плотность заряда на впуске;

Удельный индикаторный расход топлива:

 (2.35),

Таблица 2 - Значения коэффициентов для расчета механических потерь

Двигатель
Бензиновый	0,034	0,0113

Среднее давление механических потерь вычисляем в соответствии с данными таблицы 2 [1].

 (2.36)

где  - скорость поршня, определяется по формуле:

 (2.37)

Ход поршня  выбирается предварительно по прототипу (двигатель автомобиля Peugeot 306) -

Среднее эффективное давление:

 (2.38)

Механический КПД:

 (2.39)

Литраж двигателя:

 (2.40)

Рабочий объем цилиндра:

 (2.41)

Диаметр цилиндра:  (2.42)

Ход поршня:

 (2.43)

где  - заданный коэффициент короткоходности,

Скорость поршня:

Необходимо организовать сравнение :

Литраж двигателя:

 (2.44)

Эффективная мощность:

 (2.45)

Литровая мощность:

 (2.46),

Эффективный крутящий момент:

 (2.47)

Эффективный КПД:

 (2.48)

Удельный эффективный расход топлива:

 (2.49)

Часовой расход топлива:

 (2.50)

2.9 Построение индикаторной диаграммы

Из начала координат под углом =15° к горизонтальной оси проводим луч ОК, угол  обычно выбираем из интервала 15°. 20°.

Под углами =21° и =19° к вертикальной оси проводим лучи ОМ и ОN.

Величины углов  и  вычисляем по формулам:

=  (2.51)

 =  (2.52)

где ,  - показатели политроп сжатия и расширения.

Для построения политропы сжатия из точки C проводим горизонтальную линию до пересечения с вертикальной осью. Из полученной точки под углом 45° проводим прямую линию до пересечения с лучом ОМ, а из полученной точки пересечения - горизонтальную линию. Затем из точки C опускаем перпендикуляр к горизонтальной оси до пересечения с лучом ОК. Из полученной точки проводим прямую линию под углом 45° к вертикали до пересечения с горизонтальной осью, а из этой точки восстанавливаем перпендикуляр к горизонтальной оси до пересечения с ранее проведенной горизонтальной линией. Полученная точка принадлежит политропе сжатия. Последующие точки политропы сжатия находим аналогичным построением, но за начальную берем точку, полученная перед этим.

Указанные построения повторяем до получения требуемого числа точек политропы сжатия. Точки соединяем плавной кривой, образующей политропу сжатия индикаторной диаграммы.

Построение политропы расширения производим аналогично построению политропы сжатия.

Из точки Z проводим горизонтальную линию до пересечения с вертикальной осью, из точки их пересечения под углом 45° к вертикали проводим прямую линию до пересечения с лучом ОN, а из этой точки проводим горизонтальную линию до пересечения с продолжением вертикальной линии, полученной при нахождении аналогичной точки политропы сжатия. В месте пересечения этих линий получаем точку, принадлежащую политропе расширения.

Подобным образом строим следующие точки политропы расширения, выбирая каждый раз за начальную точку последнюю, полученную при предыдущем построении. Затем все точки соединяем плавной кривой, образующей политропу расширения.

После построения политроп сжатия и расширения производим скругление индикаторной диаграммы с учетом предварения открытия выпускного клапана, опережения зажигания и скорости нарастания давления, а также наносим линии впуска и выпуска.

Для этой цели под горизонтальной осью проводим на пути поршня S, как на диаметре, полуокружность радиусом S/2. Из центра полуокружности О' в сторону нижней мертвой точки (н. м. т.) откладываем отрезок О'О₁ мм, длиной:

 (2.53)

где r - радиус кривошипа, мм;

 - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна проектируемого двигателя, =0,23…0,3 мм.

бензиновый двигатель автомобильный тракторный

Из точки  под углом  (угол опережения открытия выпускного клапана), проводим луч . Полученную точку , соответствующую открытию выпускного клапана, сносим на политропу расширения (точка b').

Луч  проводят под углом q, соответствующем углу опережения зажигания (q = 20°.30°), а точку сносим на политропу сжатия, получая точку d'. Положение точки с'' (действительное давление в конце такта сжатия) определяем как , а положение точки z' (действительное максимальное давление цикла) определяется по . Точка b'' располагается между точками b и а. Затем проводим плавную линию d'c''z' изменения кривых сжатия и сгорания в связи с углом опережения зажигания и линию  - в связи с предварением открытия выпускного клапана.

Далее проводим линии впуска и выпуска, соединяя их в точке r. В результате указанных построений получаем действительную индикаторную диаграмму.

Индикаторная диаграмма бензинового двигателя, полученная в результате построения, приведена на первом листе графической части.

2.10 Построение круговой диаграммы фаз газораспределения

По результатам построения индикаторной диаграммы и с учетом характеристик прототипа строим круговую диаграмму фаз газораспределения проектируемого двигателя.

Впуск начинается в точке А с опережением  и заканчивается в точке В с опозданием . От В до С идет сжатие и расширение, в С начинается выпуск с опережением  и заканчивается в D с запаздыванием .

Таким образом, продолжительность впуска равна , продолжительность выпуска .

Одновременное открытое состояние впускного и выпускного клапанов называется перекрытием клапанов, и оно равно .

Фазы газораспределения двигателей с наддувом зависят от давления наддува. При больших давлениях наддува применяют большее, чем в двигателях без наддува, перекрытие клапанов, что обеспечивает продувку камеры сгорания и тем самым снижение температуры днища поршня и головки выпускного клапана.

Круговая диаграмма фаз газораспределения, приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Диаграмма фаз газораспределения

3. Расчет и построение внешней скоростной характеристики

Внешней скоростной характеристикой двигателя называется зависимость основных параметров двигателя (эффективная мощность , эффективный крутящий момент , часовой расход топлива , удельный эффективный расход топлива , коэффициент наполнения ) от частоты вращения коленчатого вала двигателя при полностью открытой дроссельной заслонке.

По внешней скоростной характеристике определяются максимальные мощностные параметры двигателя и минимальные удельные параметры.

Также по внешней скоростной характеристике определяется коэффициент приспособляемости двигателя, равный отношению максимального эффективного момента  к моменту при максимальной мощности .

 (3.1)

Скоростную характеристику реального двигателя строят по результатам стендовых испытаний.

Для вновь проектируемого двигателя при построении внешней скоростной характеристики угловая скорость вращения коленчатого вала принимается от (0,2.1,2)  с учетом того, что  - номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя.

Основные параметры двигателя в зависимости от угловой скорости вращения коленчатого вала определяются по эмпирическим формулам.

Текущее значение эффективной мощности , кВт, равно:

 (3.2)

где а, в, с - коэффициенты корректирования.

Для бензиновых двигателей: а = в = с = 1.

Текущее значение эффективного крутящего момента , кНм, равно:

 (3.3)

Текущее значение часового расхода топлива , кг/ч, равно:

 (3.4)

Текущее значение удельного эффективного расхода топлива:

 (3.5)

Полученные результаты расчета занесем в таблицу 3.

Таблица 3 - Результаты расчёта основных параметров двигателя

, , кВт, кН·м, г/кВт·ч, кг/ч
125,664	21,274	0,169	267,700	5,695
251,327	45,483	0,181	235,576	10,715
376,991	68,225	0,181	224,868	15,342
502,655	85,098	0,169	235,576	20,047
628,318	91,700	0,146	267,700	24,548
753,982	83,630	0,111	321,240	26,865

Результаты построений внешних скоростных характеристик приведены в приложении В.

4. Динамический расчет КШМ с применением ЭВМ

Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма заключается в определении суммарных сил и моментов, 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 и силы тяжести.

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

В течение 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 30°.

Рисунок 2 - Схема действия газовых и инерционных сил в КШМ

4.1 Силы давления газов

Силы давления газов, действующие на площадь поршня, для упрощения динамического расчета заменяют одной силой, направленной по оси цилиндра и приложенной к оси поршневого пальца. Ее определяют для каждого момента времени по действительной индикаторной диаграмме, построенной на основании теплового расчета.

Перестроение индикаторной диаграммы в развернутую по углу поворота коленчатого вала осуществляют по методу Брикса. Для этого под индикаторной диаграммой строят вспомогательную полуокружность радиусом R = S/2. Далее от центра полуокружности (точка О) в сторону НМТ откладывают поправку Брикса, равную . Полуокружность делят лучами из центра О на несколько частей, а из центра Брикса проводят линии, параллельные этим лучам. Точки, полученные на полуокружности, соответствуют определенным углам . Развертку индикаторной диаграммы начинают от ВМТ в процессе хода пуска. При этом следует учесть, что на свернутой индикаторной диаграмме давление отсчитывают от абсолютного нуля, а на развернутой показывают избыточное давление над поршнем:

 (4.1)

Следовательно, давления в цилиндре двигателя, меньшие атмосферных, на развернутой диаграмме будут отрицательными. Силы давления газов, направленные к оси коленчатого вала, считаются положительными, а от коленчатого вала - отрицательными. Сила давления на поршень:

 (4.2)

где  - сила давления газов, кН;

 - сила атмосферного давления, кН

 - сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс, кН

4.2 Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма

Для упрощения динамического расчета действительный кривошипно-шатунный механизм заменяется динамически эквивалентной системой сосредоточенных масс, состоящей из массы , сосредоточенной в точке А и имеющей возвратно-поступательное движение, и массы  сосредоточенной в точке В и имеющей вращательное движение.

 (4.3)

где  - масса поршневой группы,

 - масса шатунной группы, сосредоточенная на оси поршневого пальца.

 (4.4)

где  - масса шатуна,

4.3 Силы инерции

Силы инерции, действующие в кривошипно-шатунном механизме, в соответствии с характером движения приведенных масс подразделяют на силы инерции поступательно движущихся масс  и центробежные силы инерции вращающихся масс .

Сила инерции от возвратно-поступательно движущихся масс:

 (4.5)

Центробежная сила инерции вращающихся масс:

 (4.6)

Центробежная сила инерции  является результирующей двух сил: силы инерции вращающихся масс шатуна

 (4.7)

и силы инерции вращающихся масс кривошипа

 (4.8)

4.4 Суммарные силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме

Суммарные силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме, определяем алгебраическим сложением сил давления газов и сил возвратно-поступательно движущихся масс:

 (4.9)

При проведении динамического расчета двигателя целесообразно пользоваться не полными, а удельными силами, отнесенными к единице площади поршня.

Суммарная сила Р, как и силы , направлена по оси цилиндра и приложена к оси поршневого пальца. Воздействие от силы Р передается на стенки цилиндра перпендикулярно его оси и на шатун по направлению его оси.

Сила N, действующая перпендикулярно оси цилиндра, называется нормальной силой и воспринимается стенками цилиндра:

 (4.10)

Нормальная сила считается положительной, если создаваемый ею момент относительно оси коленчатого вала направлен противоположно направлению вращения вала двигателя.

Сила S, действующая вдоль шатуна, воздействует на него и далее передается кривошипу. Она считается положительной, если сжимает шатун, и отрицательной, если его растягивает:

 (4.11)

От действия силы S на шатунную шейку возникают две составляющие силы:

сила, направленная по радиусу кривошипа

 (4.12)

и тангенциальная сила, направленная по касательной к окружности радиуса кривошипа

 (4.13)

Сила К считается положительной, если она сжимает щеки колена. Сила Т принимается положительной, если направление создаваемого ею момента совпадает с направлением вращения коленчатого вала.

4.5 Силы, действующие на шатунные шейки коленчатого вала

Силы, действующие на шатунную шейку рядного двигателя, определяют аналитическим способом или графическим построением.

Аналитически результирующая сила, действующая на шатунную шейку рядного двигателя:

 (4.14)

где  - сила, действующая на шатунную шейку по кривошипу.

Рисунок 3 - Силы, действующие на шатунную шейку

Результаты расчета сил и моментов действующих на элементы кривошипно-шатунного механизма приведены в приложении А.

Направление результирующей силы  для различных положений коленчатого вала определяется углом , заключенным между вектором  и осью кривошипа.

Графическое построение силы  в зависимости от угла поворота кривошипа осуществляется в виде полярной диаграммы с полюсом в точке.

Диаграмму износа шатунной шейки строят по полярной диаграмме следующим образом. Проводят окружность, изображенную в произвольном масштабе шатунную шейку и делят ее на 12 участков лучами.

Дальнейшее построение осуществляют в предположении, что действие каждого вектора силы распространяется на 60° по окружности шейки в обе стороны от точки приложения силы. Таким образом, для определения величины усилия (износа), действующего по каждому лучу необходимо:

а) определить по полярной диаграмме сектор на шатунной шейке, в котором действующие силы создают нагрузку по направлению луча;

б) определить величину каждой силы, действующей в секторе луча и подсчитать результирующую величину для луча;

в) отложить результирующую величину в выбранном масштабе на диаграмме износа по лучу от окружности к центру, а концы отрезков соединить плавной кривой, характеризующей износ шейки;

г) перенести на диаграмму износа ограничительные касательные к полярной диаграмме  и  и, проведя от них лучи  и  под углом 60°, определить граничные точки (А и В) кривой износа шатунной шейки, между которыми располагается ось масляного отверстия.

При построении диаграммы износа используем данные приведенные в таблице 4.

Таблица 4 - Результаты расчёта износа шатунной шейки

, град123456789101112
30	-	-	-	-	3,4	3,4	3,4	3,4	3,4	-	-	-
60	-	-	-	-	2,7	2,7	2,7	2,7	-	-	-	-
90	-	-	-	-	1,1	1,1	1,1	1,1	-	-	-	-
120	-	-	-	-	-	0,7	0,7	0,7	0,7	-	-	-
150	-	-	-	-	-	1,7	1,7	1,7	1,7	-	-	-
180	-	-	-	-	-	2,0	2,0	2,0	2,0	-	-	-
210	-	-	-	-	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0	-	-	-
240	-	-	-	-	2,0	2,0	2,0	2,0	-	-	-	-
270	-	-	-	-	1,7	1,7	1,7	1,7	-	-	-	-
300	-	-	-	-	0,8	0,8	0,8	0,8	-	-	-	-
330	-	-	-	-	-	0,8	0,8	0,8	0,8	-	-	-
360	-	-	-	-	-	1,9	1,9	1,9	1,9	-	-	-
375	-	-	-	-	1,2	1,2	1,2	1,2	1,2	-	-	-
390	2,7	-	-	-	-	-	-	-	-	2,7	2,7	2,7
420	-	-	-	-	-	-	1,0	1,0	1,0	1,0	-	-
450	-	-	-	-	-	0,5	0,5	0,5	0,5	1,5	-	-
480	-	-	-	-	-	-	1,5	1,5	1,5	-	-	-
510	-	-	-	-	-	2,2	2,2	2,2	2,2	-	-	-
540	-	-	-	-	-	2,4	2,4	2,4	2,4	-	-	-
570	-	-	-	-	2,2	2,2	2,2	2,2	2,2	-	-	-
600	-	-	-	-	2,0	2,0	2,0	2,0	-	-	-	-
630	-	-	-	-	1,7	1,7	1,7	1,7	-	-	-	-
660	-	-	-	-	0,7	0,7	0,7	0,7	-	-	-	-
690	-	-	-	-	-	1,0	1,0	1,0	1,0	-	-
720	-	-	-	-	-	2,7	2,7	2,7	2,7	-	-	-
----3,43,43,43,43,4---

5. Патентно-информационный поиск аналогов заданного типа ДВС

В таблице 5 приведены технические характеристики аналогов разрабатываемого двигателя.

Таблица 5 - Технические характеристики аналогов

Марка автомобиля	Технические характеристики двигателей
	Рабочий объем, см³	Диаметр и ход поршня, мм Степень сжатияМощность, л. с. (кВт), при оборотахКрутящий момент, Нм, при оборотах
Chevrolet Kadett	1998	86,0 / 86,0	9,3	110 (81) /5600	163/3200
Citroen Evasion	1998	86,0 / 86,0	9,5	121 (89) /5750	170/2750
Hyundai Sonata	1997	85,0 / 88,0	9,0	125 (92) /5800	169/4600
Nissan Primera	1998	86,0 / 86,0	9,5	115 (85) /5600	166/4800
Opel Omega	1998	86,0 / 86,0	10,0	115 (85) /5400	178/2800
Peugeot 306	1998	86,0 / 86,0	9,5	121 (89) /5750	176/2750

По данным, приведенным в таблице 5, в данной курсовой работе за прототип принят двигатель автомобиля Peugeot 306.

6. Обоснование и выбор механизмов и систем проектируемого двигателя

Двигатель 4-х цилиндровый, рядный, с верхним расположением распределительного вала, установлен продольно в передней части автомобиля. Карбюраторный, с рабочим объемом 2,026 л.

В механизме ГРМ используем верхнее расположение клапанов и верхнее расположение распределительного вала. Применим схему с двумя клапанами на цилиндр. Клапаны изготавливаются из легированной стали, головка клапана из жаропрочной высоколегированной стали.

ГРМ с регулируемыми фазами газораспределения, что помогает существенно повысить экономичность двигателя. Регулирование производится механически.

Распределительный вал имеет пять коренных подшипников. Упорные шайбы, регулирующие осевой зазор коленчатого вала, установлены в центральный коренной подшипник.

Распределительный вал приводится цепной передачей и управляет клапанами посредством кулачков и коромысел, поворачивающихся на шаровых пальцах.

Головка блока цилиндров имеет "поперечное" устройство: впускной коллектор установлен на левой ее стороне, а выпускной - на правой.

Поршни - алюминиевые для повышения прочности содержания кремния в металле должно быть около 18%. Число колец - 3, два из которых компрессионные и одно маслосъемное для эффективного предотвращения явления прорыва газов в картер двигателя и пригорания масла. Первое компрессионное кольцо изготавливается из легированного чугуна с шаровидным графитом, так как оно работает в условиях повышенного давления и температур. Второе из серого легированного чугуна с пластинчатым графитом. Маслосъёмные кольца должны иметь хорошую прирабатываемость к зеркалу цилиндра их изготавливают из серого легированного чугуна.

Шатуны - стальные, кованые, расположены под углом 180 градусов, с разъемной нижней головкой, в которой устанавливаются вкладыши шатунного подшипника. Шатун обрабатывают вместе с крышкой, поэтому при сборке номера на шатуне и крышке должны быть одинаковы. В верхнюю головку шатуна запрессована сталебронзовая втулка. Шатунные болты запрессованы в нижнюю головку шатуна. Поэтому чтобы не нарушить посадку болтов в отверстиях головки, нельзя выпрессовывать болты из головки шатуна при ремонтных работах.

Шатун изготавливается путём штамповки из хромоникелевых сталей. Коленчатый вал изготавливается из стали 42ХМФА. Крепление, для увеличения компактности, неполно опорное.

Коленчатый вал - пяти опорный, отлит из чугуна. В заднем конце коленчатого вала выполнено гнездо под передний подшипник первичного вала коробки передач, по наружному диаметру которого центрируется маховик. Маховик устанавливается на коленчатый вал так, чтобы метка (конусообразная лунка около зубчатого обода маховика) и ось шатунной шейки первого цилиндра находились в одной плоскости и по одну сторону от оси коленчатого вала.

Вкладыши коренных и шатунных подшипников - тонкостенные, сталеалюминевые. Все шатунные вкладыши одинаковые и взаимозаменяемые. Верхние вкладыши 1-го, 2-го, 4-го и 5-го коренных подшипников одинаковые, с канавкой на внутренней поверхности, а нижние - без канавки. Вкладыши 3-го коренного подшипника отличаются от остальных большей шириной и отсутствием канавки на внутренней поверхности.

Система питания двигателя с принудительным воспламенением предназначена для приготовления топливно-воздушной смеси требуемого состава и качества, подачи ее к цилиндрам двигателя. Она состоит из топливного бака, фильтра-отстойника, топливного насоса, карбюратора, впускного и выпускного трубопроводов, воздухоочистителя, глушителя отработавших газов.

Система охлаждения предназначена для быстрого прогрева и поддержания рабочей температуры двигателя. Применим жидкостную систему охлаждения. Жидкостная система охлаждения состоит из радиатора, вентилятора, насоса, расширительного бочка, термостата, водяной рубашки в блоке цилиндров и головке блока цилиндров.

Система пуска двигателя предназначена для быстрого запуска двигателя путем сообщения коленчатому валу скорости, обеспечивающей нормальное протекание рабочего процесса. Она состоит из аккумуляторной батареи, зажигания и стартера.

Смазка двигателя осуществляется посредством двух роторного шестеренчатого насоса, который всасывает масло из поддона через сетчатый приемник и нагнетает его через фильтр в смазочные каналы, где масло распределяется по коленчатому валу, распределительному валу и вспомогательному валу. Шатунные подшипники снабжаются маслом через внутренние отверстия в коленчатом вале. Внутренние поверхности поршней смазываются из отверстий в нижних головках шатуна. На вал распределителя масло периодически подается из отверстия вспомогательного вала. Распределительный вал и коромысла снабжаются маслом через трубку-разбрызгиватель, идущую от центрального подшипника распределительного вала.

Полузакрытая система вентиляции картера втягивает прорвавшиеся газы во впускной коллектор через регулирующий клапан.

7. Расчет масляного насоса

Масляная система обеспечивает смазку деталей двигателя с целью уменьшения трения, предотвращения коррозии, удаления продуктов износа и частичное охлаждение его отдельных узлов. В зависимости от типа и конструкции двигателей применяют систему смазки разбрызгиванием, под давлением и комбинированную. Большинство автомобильных и тракторных двигателей имеют комбинированную систему смазки. При этом к большинству трущихся поверхностей масло подводится под давлением.

Одним из основных элементов смазочной системы является масляный насос, который служит для подачи масла к трущимся поверхностям движущихся частей двигателя. По конструктивному исполнению масляные насосы бывают шестеренчатые и винтовые. Шестеренчатые насосы отличаются простотой устройства, компактностью, надежностью в работе и являются наиболее распространенными в автомобильных и тракторных двигателях.

Расчет масляного насоса заключается в определении размеров его шестерен. Этому расчету предшествует определение циркуляционного расхода масла в системе.

Циркуляционный расход V_Ц масла зависит от количества отводимой им от двигателя теплоты Q_М. В соответствии с данными теплового баланса величина Q_М (кДж/с) для современных автомобильных двигателей составляет 1,5-3,0% от общего количества теплоты, введенной в двигатель с топливом.

 (7.1)

Общее количество теплоты, выделяемой топливом в течение 1с, определяется по данным теплового расчета по формуле:

 (7.2)

Тогда, количество теплоты, отводимой маслом от двигателя:

Циркуляционный расход масла (м³/с) при заданной величине Q_М:

 (7.3)

где ρ_м - плотность масла, кг/м³. Принимаем ρ_м=900 кг/м³.

с_м - средняя теплоемкость масла, кДж/ (кг·К).

с_м=2,094 кДж/ (кг·К).

ΔТ_м - температура нагрева масла в двигателе, К.

ΔТ_м=10…15К. Принимаем ΔТ_м=10К.

Для стабилизация давления в системе циркуляционный расход масла обычно увеличивается в 2 раза:

 (7.4)

В связи с утечками масла через торцовые и радиальные зазоры насоса расчетную производительность его определяют с учетом коэффициента подачи η_н=0,6…0,8.

Принимаем η_н=0,7.

 (7.5)

Принимаем объем зуба шестерни равным объему впадины между зубьями:

 (7.6)

где D₀ - диаметр начальной окружности шестерни, м;

h - высота зуба, м;

b - длина зуба, м.

Модуль зацепления зуба m = 4,5 мм = 0,0045 м.

Высота зуба h = 2m = 2·4,5 = 9 мм = 0,009 м.

Число зубьев шестерен z = 7.

Диаметр начальной окружности шестерни:

 (7.7)

Диаметр внешней окружности шестерни:

 (7.8)

Окружная скорость на внешнем диаметре шестерни u_н = 6,36 м/с.

Частота вращения шестерни насоса:

 (7.9)

Длина зуба шестерни:

 (7.10)

Рабочее давление масла в системе р = 40·10⁴ Па.

Механический КПД масляного насоса η_МН = 0,87.

Мощность, затрачиваемая на привод масляного насоса:

 (7.11)

8. Техническая характеристика двигателя

Техническая характеристика разрабатываемого двигателя приведена в таблице 6.

Таблица 6 - Техническая характеристика двигателя

Тип двигателя	четырехтактный
Число цилиндров	4
Расположение	рядное
Порядок работы цилиндров	1-3-4-2
Рабочий объем, см³	2026
Диаметр и ход поршня, мм	87,3/84,6
Степень сжатия	9,5
Мощность, кВт (л. с.)	91,7 (124,7)
Номинальная частота вращения, об/мин	6000
Литровая мощность, кВт	45,25
Удельный эффективный расход топлива г/кВтч	267,66
Крутящий момент, Нм	181/3000
Сорт топлива	бензин АИ-98
Тип системы питания	карбюратор
Тип системы охлаждения	жидкостная
Тип системы смазки	смешанная

Спроектированный двигатель внутреннего сгорания отвечает современным требованиям и ограничениям, предъявляемых к двигателям автомобилей данного класса.

Заключение

В результате проведённой работы был разработан четырёхцилиндровый рядный бензиновый двигатель для легкового автомобиля массой 1670 кг, с рабочим объёмом 2,0 литра и номинальной мощностью 91,7кВт, масляный насос.

В ходе решения поставленных задач, была основана методика расчета и выбора двигателя внутреннего сгорания, получены навыки проектирования, позволяющие обеспечить необходимый технический уровень, надёжность и долгий срок службы двигателя.

Опыт и навыки, полученные в ходе выполнения курсового проекта, будут востребованы при выполнении как курсовых проектов по специальным дисциплинам, так и при выполнении дипломного проекта.

Список литературы

1.      Требования к выполнению технологической и конструкторской документации в курсовом и дипломном проектировании: методические указания для студентов спец.1-37 01 06 "Техническая эксплуатация автомобилей"/ Сост. И.С. Сазонов [и др.]. - Могилев: Белорус. - Рос ун-т, 2006. - 48 с.

2.      Колчин А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: учеб. пособие для вузов / А.И. Колчин, В.П. Демидов. - 3-е издание., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2002. - 496 с.

.        Автомобильные двигатели / Под ред. М.С. Ховаха. - М.: Машиностроение, 1977. - 579с.

.        Артомонов М.Д. Основы теории и конструирования автомобильных двигателей / М.Д. Артомонов, М.М. Горин, Г.А. Скворцов. - М.: Высш. шк., 1976. - 132 с.

.        Железко Б.И. Основы теории и динамика автомобильных и тракторных двигателей: учеб. пособие для вузов / Б.Е. Железко. - Минск: Высш. шк., 1980. - 304 с.

.        Рожанский В.А. Тепловой и динамический расчет автотракторных двигателей / В.А. Рожанский, А.Н. Сарапин, Б.Е. Железко. - Минск: Высш. шк., 1984. - 265 с.

Приложение А

Расчет карбюраторного четырехцилиндрового двигателя

Введите отношение радиуса кривошипа к длине шатуна. lambda =				0,250
Введите радиус кривошпа. R, мм. =				42,3
Введите угловую скорость коленчатого вала. Omega, 1/c =				628
Введите давление в конце впуска. Pa, Mpa =				0,080
Введите давл. в конце сгорания. P z, Mpa =				7,351
Введите давление в конце выпуска. Pr, Mpa =				0,110
Введите степень сжатия. Epsilon =				9,5
Введите показатель политропы сжатия. N1 =				1,383
Введите показатель политропы расширения. N2 =				1,232
Введите степень предварительного расширения. Ro =				1,000
Введите давление окружающей среды. Po, Mpa =				0,100
Введите площадь поршня. Fп, кв. мм. =				5972
Введите массы, совершающие возвратно-поступательное движение. Mj, Kg =				0,971
Введите число цилиндров. I =				4
Введитие среднее значение сумарного
индикаторного крутящего момента. (Mi) ср, Н*м =				182
Введите массу шатуна. Мш, kg =				0,926

Таблица удельных сил N,S,T в (Мра)

fi, град	fi,rad	Sx	p г	p in	p сум	p n	p s	p t
0	0,0000	0,0	0,010	-3,391	-3,381	0,000	-3,381	0,000
30	0,5236	7,0	-0,020	-2,688	-2,708	-0,341	-2,729	-1,650
60	1,0472	25,1	-0,020	-1,017	-1,037	-0,230	-1,062	-1,013
90	1,5708	47,6	-0,020	0,678	0,658	0,170	0,679	0,658
120	2,0944	67,4	-0,020	1,695	1,675	0,372	1,715	1,265
150	2,6180	80,3	-0,020	2,010	1,990	0,251	2,006	0,778
180	3,1416	84,6	-0,020	2,034	2,014	0,000	2,014	0,000
210	3,6652	80,3	-0,015	2,010	1,995	-0,251	2,011	-0,780
240	4,1888	67,4	0,006	1,695	1,701	-0,377	1,742	-1,284
270	4,7124	47,6	0,059	0,678	0,737	-0, 190	0,761	-0,737
300	5,2360	25,1	0,215	-1,017	-0,802	0,178	-0,821	0,783
330	5,7596	7,0	0,762	-2,688	-1,926	0,243	-1,941	1,173
360	6,2832	0,0	2,149	-3,391	-1,242	0,000	-1,242	0,000
375	6,5450	1,8	5,892	-3, 207	2,685	0,174	2,690	0,863
390	6,8068	7,0	3,716	-2,688	1,028	0,130	1,036	0,626
420	7,3304	25,1	1,457	-1,017	0,440	0,098	0,450	0,430	7,8540	47,6	0,746	0,678	1,424	0,368	1,470	1,424
480	8,3776	67,4	0,487	1,695	2,182	0,484	2,235	1,648
510	8,9012	80,3	0,386	2,010	2,396	0,302	2,415	0,937
540	9,4248	84,6	0,169	2,034	2, 204	0,000	2, 204	0,000
570	9,9484	80,3	0,010	2,010	2,020	-0,254	2,036	-0,790
600	10,4720	67,4	0,010	1,695	1,705	-0,378	1,746	-1,288
630	10,9956	47,6	0,010	0,678	0,688	-0,178	0,710	-0,688
660	11,5192	25,1	0,010	-1,017	-1,007	0,223	-1,031	0,984
690	12,0428	7,0	0,010	-2,688	-2,678	0,337	-2,699	1,631
720	12,5664	0,0	0,010	-3,391	-3,381	0,000	-3,381	0,000

Таблица удельных сил К,Rш. ш. в (Мра)

fi, град	fi,rad	p к	р Rш. ш.	Sx, мм	Vп, м/с	Jп, м/c*c
0	0,000	-3,38054	3,3805436	0,000	0,000	20853
30	0,524	-2,17468	2,7295001	5,698	16,158	16533
60	1,047	-0,31939	1,062361	21,244	25,881	6256
90	1,571	-0,16992	0,6796919	42,425	26,564	-4171
120	2,094	-1,15938	1,7159729	63,544	20,130	-10427
150	2,618	-1,84873	2,0057151	78,964	10,407	-12362
180	3,142	-2,01433	2,0143269	84,600	0,000	-12512
210	3,665	-1,85373	2,011135	78,964	-10,407	-12362
240	4,189	-1,17708	1,7421656	63,544	-20,130	-10427
270	4,712	-0, 19032	0,7612696	42,425	-26,564	-4171
300	5,236	-0,24693	0,8213319	21,244	-25,881	6256
330	5,760	-1,54650	1,9410463	5,698	-16,158	16533
360	6,283	-1,24151	1,2415087	0,000	0,000	20853
375	6,545	2,54826	2,6904341	1,450	8,536	19726
390	6,807	0,82572	1,036381	5,698	16,158	16533
420	7,330	0,13542	0,4504354	21,244	25,881	6256
450	7,854	-0,36763	1,4705325	42,425	26,564	-4171
480	8,378	-1,51036	2,2354521	63,544	20,130	-10427
510	8,901	-2,22586	2,4148608	78,964	10,407	-12362
540	9,425	-2, 20361	2, 2036089	84,600	0,000	-12512
570	9,948	-1,87660	2,0359523	78,964	-10,407	-12362
600	10,472	-1,18014	1,7467018	63,544	-20,130	-10427
630	10,996	-0,17767	0,7106757	42,425	-26,564	-4171
660	11,519	-0,31015	1,0316321	21,244	-25,881	6256
690	12,043	-2,15059	2,6992629	5,698	-16,158	16533
720	12,566	-3,38054	3,3805436	0,000	0,000	20853

Значения суммарного крутящего момента

fi, град	M i, Н*м		Проверка расчета
0	0,000		М ср. сум. =	174,76	Н*M
5	-160,328
10	-316,148		Погрешность =	3,98	Проц.
15	-245,105
20	-377,257		Расчет верный
25	-519,4328
30	-654,9728
35	-769,4300
40	-852,4625
45	-897,9550
50	-903,3881
55	-869,0290
60	-797,1829
65	-691,5695
70	-556,833
75	-398,172
80	-221,077
85	-31,167
90	165,903
95	364,476
100	558,890
105	743,481
110	912,600
115	1060,673
120	1182,330
125	1272,585
130	1327,093
135	1342,456
140	1316,575
145	1249,037	1141,492
155	997,959
160	824,880
165	630,622
170	424,091
175	212,572
180	0,000