Методическое пособие по выполнению

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

Московский автомобильно-дорожный институт

(Государственный технический университет)

Волжский филиал

 

Кафедра «Автомобили и автомобильное хозяйство»

 

РАСЧЕТ 

АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Методическое пособие по выполнению

Контрольной курсовой работы и

Курсового проекта

для студентов специальности

190601 – Автомобили и автомобильное хозяйство

 

 

 

 

 

Чебоксары – 2007

Составители: к.т.н., доцент Антонов В.С.

ст. преподаватель Васильев С.А.

 

Рецензенты: Добролюбов В.И., к.т.н., доцент, заведующий кафедрой “Машино-

                 ведение” ЧГПУ им.И.Я.Яковлева;

                 Носов А.П., к.т.н., доцент, заведующий кафедрой “Сервис транс-

                 портных и технологических машин и оборудования”, декан факуль

                 тета транспортной техники Волжского филиала МАДИ (ГТУ).

 

 

      Одобрено и рекомендовано к изданию кафедрой “Автомобили и автомобильное хозяйство” Волжского филиала МАДИ (ГТУ).

Протокол заседания кафедры от «____»____________2007 г. №___

 

Приведены контрольные задания и методические указания по выполнению контрольной курсовой работы и курсовому проектированию по автомобильным поршневым двигателям внутреннего сгорания.

Предназначены студентам и преподавателям, изучающим и препода- ющим дисциплину “Автомобильные двигатели” в Волжском филиале МАДИ.

 

 

Утверждено и рекомендовано к изданию Учебно-методическим Советом Волжского филиала МАДИ (ГТУ).

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

  Контрольная курсовая работа по дисциплине “Автомобильные двигатели” выполняется студентами специальности 190601 – “Автомобили и автомобиль-ное хозяйство” на третьем курсе, а курсовой проект – на четвертом курсе, как и во всех высших учебных заведениях, где подготавливают инженеров ука-занной специальности.

  Курсовая работа “ Тепловой расчет автомобильного двигателя” предс- тавляет собой начальный этапрасчета ДВС при проектировании и фактическим началом самостоятельной работы студента, где требуется произвести тепловой расчет автомобильного поршневого двигателя на режиме максимальной эффек- тивной мощности. В результате расчета необходимо определить максимальную эффективную и литровую мощности, эффективный крутящий момент, часовой и эффективный удельный расходы топлива, механический и эффективный коэф фициенты полезного действия и др.

  Изучив последовательность расчета и физические основы вывода каждого уравнения, необходимо выписать все необходимые данные. Расчеты следует со- провождать краткими комментариями, размерностями величин, схемами и гра- фиками. Величины параметров, которыми приходится задаваться для решения отдельных уравнений, необходимо обосновывать, указывая, почему они приня- ты с такими числовыми значениями. Уравнения, выраженные в буквенных обо- значениях, следует сопровождать пояснениями для входящих в них членов и только после этого подставлять их числовые значения.

  На основе проведенных расчетов необходимо также составить тепловой ба-ланс и построить индикаторные диаграммы, рассчитать и начертить скорост- ную (для карбюраторного двигателя) или регуляторную (для дизельного двига- теля) характеристики на миллиметровке.

  Контрольная курсовая работа “Тепловой расчет автомобильного двигателя”выполняется после изучения теории рабочих процессов и питания, происходя-щих в поршневых ДВС.

  Выполнение курсового проекта “Автомобильный двигатель” является завершающим этапом и осуществляется после изучения всех разделов дисцип- лины “Автомобильные двигатели”.

  В курсовом проекте студент должен разработать конструкцию нового двига теля или осуществить самостоятельную реконструкцию существующего прото- типа. Основной и обязательной задачей курсового проектирования является раз работка двигателя с лучшими технико-экономическими показателями, чем у су- ществующего прототипа.

  Отличительной особенностью курсового проекта является его целостность,

то есть все расчеты и графические материалы должны быть взаимосвязаны, а основные размеры двигателя на чертежах должны соответствовать расчетным величинам.

   В данном пособии изложены методики расчетов по каждому из разделов курсового проекта и приведены примеры расчетов поршневых бензинового карбюраторного двигателя и дизельного двигателя.

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

 

  Исходные данные для выполнения контрольной курсовой работы или кур- совового проекта приведены в табл.1 (все таблицы и рисунки, для удобства пользования ими, приведены в приложении методического пособия).

  Задание выбирается в соответствии с двумя последними цифрами шифра – номера студенческого билета. Последняя цифра студенческого билета соответ ствует номеру варианта задания, а предпоследняя – для подбора варианта сте- пени сжатия в рабочем цилиндре двигателя.

  Все остальные величины и коэффициенты, необходимые для проведения расчетов, устанавливаются и обосновываются студентом самостоятельно в соот ветствии с заданной конструкцией двигателя.

  В отдельных случаях может быть выдано индивидуальное задание на курсо вое проектирование, если производственная работа студента непосредственно связана с эксплуатацией, ремонтом, сервисом или конструированием других ти пов двигателей. Индивидуальное задание согласовывается с руководителем кур сового проекта и утверждается заведующим кафедрой.

  Курсовую работу или курсовой проект студент защищает перед комиссией в составе не менее из двух преподавателей.

 

 

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

1.   – диаметр цилиндра двигателя, м;

2.  = 2   – ход поршня двигателя, м;

3.   – радиус кривошипа КШМ, м;

4. ВМТ – верхняя (внутренняя) мертвая точка поршня;

5. НМТ – нижняя (наружная) мертвая точка поршня;

6.   – число тактов в цикле ДВС;

7.  –текущее положение поршня (отсчет ведется от ВМТ такта впуска),м

8.  – текущий угол поворота кривошипа (отсчет от ВМТ такта впуска), м;

  9.  =  =   - рабочий объем цилиндра ДВС, м ;

10.  =  +       – полный объем цилиндра ДВС, м ;

11.  =           – объем камеры сгорания ДВС, м ;

12.  =  +  – текущий объем рабочей камеры ДВС, м ;    

13.   =    – степень сжатия;     

14.  =   – текущая степень сжатия;

15.  =  – текущая степень расширения (для бензинового ДВС  =1);

16.  =     – степень предварительного расширения для дизельного ДВС;

17. , ,  - атмосферные параметры (давление, температура, плотность);

18. , ,  – давление, температура, плотность воздуха за турбокомпрес-                                                              сором (при наддуве в дизельном ДВС);

19.  =   – степень повышения давления в турбокомпрессоре;

20.    – подогрев воздуха во впускном тракте, К;

21.  – охлаждение воздуха за компрессором, К;

22.    – удельная газовая постоянная для воздуха,  = 287кДж/кгּ К;

23. , ,  – давление, температура, плотность в начале цикла сжатия;

24. , ,  – давление, температура, плотность в конце цикла сжатия;

25. , ,  – давление, температура, плотность в конце сгорания;

26. , ,  – давление, температура, плотность в конце расширения;

27. , ,  – давление, температура, плотность остаточного газа;

28.     – количество молей свежего воздуха в цилиндре на кг топлива;

29.     – количество молей свежей смеси в цилиндре на кг топлива;

30.     – количество молей продуктов сгорания в цилиндре на кг топлива;

31.     – количество молей остаточного газа в цилиндре на кг топлива;

32.   – теоретически необходимое количество (в кг по массе) воздуха для             сгорания 1 кг топлива;

33.  – теоретически необходимое количество молей воздуха для сгорания 1 кг топлива;

34.   – низшая теплота сгорания, кДж/кг;

35.    – коэффициент избытка воздуха;

36.  – аэродинамические потери во впускном тракте, МПа;

37.   – коэффициент наполнения;

38.  =  – коэффициент остаточного газа;

39.   – коэффициент дозарядки, учитывающий поступление дополнительной массы свежего заряда за счет инерционного наддува;

40.  – коэффициент очистки цилиндра, учитывающий уменьшение массы остаточного газа за счет продувки цилиндра;

41. ,  – показатели адиабат процессов сжатия и расширения в цилиндре;

42. , – показатели политроп процессов сжатия и расширения в цилиндре

43.   – показатель политропы сжатия в турбокомпрессоре;

44.    – внутренняя энергия воздуха, кДж/кмоль;

45.   – внутренняя энергия рабочей смеси, кДж/кмоль;

46.   – внутренняя энергия продуктов сгорания, кДж/кмоль;

47.    – энтальпия продуктов сгорания, кДж/кмоль;

48. –содержание углерода, водорода, кислорода в топливе в долях кг;

49.   – молекулярная масса воздуха при нормальных атмосферных условиях,   = 28,986 кг/кмоль;

50.   – молекулярная масса паров топлива, кг/кмоль;

51.   – степень повышения давления при сгорании;

52.    – длина шатуна, м;

53.  =  – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

54.     – коэффициент относительного смещения (в дезаксиальных КШМ);

55.   – масса поршня, кг; 

56.  =  – удельная масса поршня, кг/м ;

57.    – площадь поршня, м ;

58.   – масса шатуна, кг;

59.  =  – удельная масса шатуна, кг/м ;

60.  – удельная масса шатунной шейки коленчатого вала, кг/м ;     

61.  = 0,275    – приведенная к поршневому пальцу удельная масса шатуна, то есть условно отнесенная к верхней головке шатуна (при приведении массы шатуна к 2-хмассовой расчетной схеме), кг/м ;

62.  = 0,725  – приведенная к кривошипу удельная масса шатуна, то есть условно отнесенная к нижней головке шатуна (при приведении массы шатуна к 2-хмассовой расчетной схеме), кг/м ;

63.  =  +  – приведенные удельные массы, совершающие возвратно-поступательное движение по линии движения поршня, кг/м ;

64.  =  +  + 2  – приведенные удельные массы, совершающие вращательное движение по окружности вращения кривошипа, кг/м ;   

65.  =   – приведенная к кривошипу (коренной шейке) удельная масса щеки коленвала, то есть отнесенная к радиусу кривошипа, кг/м ;

66.    – расстояние центра масс щеки от оси вращения кривошипа, м;

67.  = - угловая скорость вращения кривошипа (коленвала), рад/с;

68.  =  – номинальная частота вращения коленчатого вала, соответствующая максимальной мощности двигателя, мин ;

69. , , , ,   – индикаторные среднее давление, мощность, крутящий момент, КПД и удельный расход топлива;

70. , , , ,  – эффективные среднее давление, мощность, крутящий момент, КПД и удельный расход топлива;

71. … – характерные точки на индикаторных диаграммах.

    

Принятые при расчетах постоянные величины и размерности:

                            1) Eдиницы физических величин:

                                давление - [МПа], температура - [ К], плотность - [кг/м ]                           2) Параметры топлив:

                                    Состав бензина А - 76:

                                            массовая доля углерода -          C = 0,855;

                                            массовая доля водорода -         Н = 0,145;

                                            молекулярная масса -               = 120 кг/кмоль;                                                

                                            низшая теплота сгорания        = 44000 кДж/кг.

                                     Состав дизельного топлива ДЛ- 41- 0,2:

                                            массовая доля углерода -          C = 0,870;

                                            массовая доля водорода -         Н = 0,126;

                                            массовая доля кислорода -       О = 0,004;   

                                            молекулярная масса -               = 190 кг/кмоль;                                            

                                            низшая теплота сгорания        = 42000 кДж/кг.

                           3) Параметры атмосферы:

                                            давление окружающего воздуха    = 0,1 Мпа

                                            температура окружающего воздуха  = 298 К                                                

                           4) Охлаждение воздуха после компрессора    = 0 К

                               

 

 

ОБЪЕМ И СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

1. Расчетно-пояснительная записка:

- задание на проектирование автомобильного поршневого двигателя;

- технико-экономическое обоснование проектируемого двигателя и выбор ос- новных параметров, необходимых для проведения расчетов;

- тепловой расчет и определение основных размеров двигателя;

- внешняя скоростная характеристика проектируемого двигателя с искровым зажиганием или теоретическая регуляторная характеристика дизеля;

- динамический расчет и анализ уравновешенности двигателя;

- расчет основных деталей (коренной и шатунной шеек коленвала, деталей по- ршневой и шатунной групп, шпильек головки блока, механизма газораспре- деления и т.д.) двигателя на прочность с необходимыми схемами и эскизами;

- расчет различных систем (питания топливом, питания воздухом, смазки, охлаждения и т. д.) двигателя с необходимыми схемами и эскизами;

- выводы по сравнению основных показателей проектируемого двигателя и прототипа с кратким описанием усовершенствований и изменений, которые внесены в проектируемый двигатель по сравнению с прототипом;

- перечень использованной литературы;

- оглавление.

2. Диаграммы и графики теплового и динамического расчета проектируемого двигателя (на одном листе миллиметровки формата А1).

3. Чертежи продольного и поперечного разрезов проектируемого двигателя (на двух листах формата А1). Примеры приведены на рис.18 и 19.

 

 

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ДВИГАТЕЛЕЙ

  При выполнении расчетов следует обратить особое внимание на их точность, так как ошибка в подсчете одного показателя влечет за собой искажение всего расчета.

  Исходные данные для приведенных в качестве примеров расчета двигателей представлены в таблице 24 (для карбюраторного двигателя с искровым зажиганием) и в таблице 31 (для дизельного двигателя).

 

 

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

Параметры рабочего тела

1.1.1. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:

,

.

1.1.2. Рассчитываем количество свежего воздуха:

.

1.1.3. Рассчитываем количество горючей смеси:

.

Тепловой баланс

1.11.1. Доля тепла, затраченная на полезную работу:

 0,40

1.11.2. Доля тепла, уносимая с отработавшими газами:

 0,35

.

Рассчитываем температуру отработавших газов:

Рассчитываем энтальпию отработавших газов (табл. 7).

.

Рассчитываем энтальпию поступившей смеси:

.

1.11.3. Доля тепла, передаваемая охлаждающей среде:

 0,25

 

ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

 

2.1. Расчет кривошипно-шатунного механизма

2.1.1. Давление газов на поршень в зависимости от угла поворота кривошипа рассчитано в таблице 32. Его значение записываем в графу 2 табл. 34. Результаты последующих расчетов также заносим в табл.34.

2.1.2. Избыточное давление газов над поршнем (рис.6):

 МПа.

2.1.3. Рассчитываем удельные массы КШМ, совершающие возвратно-поступательное движение: .

Из таблицы 11 выбираем значения удельных масс:

;          .

По заданию имеем: ;  м;

м²; .

2.1.4. Удельная сила инерции возвратно-поступательного движения:

 МПа.

Результаты расчетов заносим в графу 5 таблицы 34.

2.1.5. По нижеприведенным соотношениям рассчитаем остальные удельные силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме (см. рис.6):

, МПа;

, МПа;

, МПа;

, МПа;

, МПа;

Результаты расчетов заносим в таблицу 34.

2.1.6. Рассчитываем суммарный крутящий момент от одного цилиндра:

Нм.

Значение  заносим в графу 15 таблицы 34.

2.1.7. Рассчитываем суммарный крутящий момент от 8 цилиндров, пользуясь таблицей 35.

Порядок работы цилиндров - 1_л-1_п-4_л-2_л-2_п-3_л-3_п-4_п   или 1-5-4-2-6-3-7-8

2.1.8. Период суммарного крутящего момента равен:

.

2.1.9. Средний индикаторный крутящий момент определяется после построения рис. 10:        =        или    Нм  (см. п.1.8.4)

2.1.10. Удельная центробежная сила инерции от вращающейся массы шатуна, сосредоточенной на радиусе кривошипа:

 МПа.

2.1.11. Рассчитываем силу, действующую на поверхность шатунной шейки (графа 18 таблица 34):

                    =   =  , МПа

2.1.12. Строим на миллиметровой бумаге графики сил и крутящих моментов в соответствии с приведенными на рис. 7…10.

 

 

                   2.2. Построение полярной диаграммы сил

2.2.1. Cхема построения полярной диаграммы сил , действующей на поверхность шатунной шейки, представлена на рис.11.

2.2.2. Строим координатную систему  - , с центром в точке О, в которой отрицательная ось  направлена вверх.

2.2.3. В табл.34 каждому значению  = 0, 30, 60, … соответствует точка с координатами  - . Наносим на плоскость  -  эти точки по схеме рис.11. Последовательно соединяя точки, получим полярную диаграмму. Вектор, соединяющий центр О с любой точкой диаграммы, указывает направление вектора  и его величину в соответствующем масштабе.

2.2.4. Строим новый центр , отстоящий от О по оси  на величину центробежной силы от вращающейся массы нижней части шатуна   (п.2.1.10). В этом центре условно располагают шатунную шейку с диаметром  (рис.11).

2.2.5. Вектор, соединяющий центр О с любой точкой построенной диаграммы указывает направление действия силы  на поверхность шатунной шейки и ее величину в соответствующем масштабе.

2.2.6. Касательные линии из центра  к верхней и нижней частям полярной диаграммы отсекают наиболее нагруженную от наименее нагруженной части поверхности щатунной шейки.

2.2.7. Масляное отверстие располагают в середине наименее нагруженной части поверхности щатунной шейки.

 

 

               2.3. Построение развернутой диаграммы сил

В таблице 34 приведена рассчитанная в п. 2.1.11 сила , действующая на поверхность шатунной шейки (графа 18 таблица 34). На основе этих имеющихся данных строят на миллиметровой бумаге графики сил в зависимости от угла поворота кривошипа в соответствии с рис.12 и определяют ее среднее значение:                                   =  , МПа

 

3. РАСЧЕТ ДЕТАЛЕЙ НА ПРОЧНОСТЬ

Все конструктивные размеры для проведения расчетов деталей дизельного двигателя на прочность выбираются в соответствии с табл.31(исходные данные для проектирования) и табл.17, а силы - из таблиц 32 и 34.

 

Расчет поршня

3.1.1. Напряжение изгиба в днище поршня от газовой силы (рис.13):

МПа.

где  - из таблицы 32,  и  из таблицы 17.

.

При наличии ребер жесткости МПа для алюминиевых поршней.

3.1.2. Напряжение сжатия от газовых сил в сечении X-X (рис. 13), ослабленном масляными отверстиями:

 42,44 МПа

     

.

где ; (число отверстий);

 мм – диаметр масляного отверстия,   = .

МПа - для алюминиевых сплавов.

3.1.3. Напряжение разрыва в сечении Х-Х:

МПа.

где МПа – для алюминиевых сплавов.

3.1.4. Сложное напряжение в верхней кольцевой перемычке от среза и изгиба по третьей теории прочности:

                

 МПа.

где МПа.

Удельное давление поршня, отнесенное к высоте юбки поршня:

 МПа.

 = (0,33 … 0,96) МПа.

Удельное давление поршня, отнесенное ко всей высоте поршня:

 МПа.

 = (0,22 … 0,42) МПа

 

 

3.2. Расчет поршневого кольца

    3.2.1. Определяем с реднее давление поршневого кольца на стенку цилиндра двигателя (рис.13 и 14) согласно выражению:

МПа.

где  - модуль упругости,  - из табл.17,  МПа.

3.2.2. Рассчитываем эпюру давления кольца в различных его точках:

                                        =  , МПа

где   - коэффициент для различных углов  - окружности кольца

Результаты расчетов сводим в табл.36 и строим эпюру давлений кольца на стенку цилиндра в соответствии с рис.14.

3.2.3. Напряжение изгиба при надевании кольца на поршень:

 МПа,

где т =1,57 – экспериментальный коэффициент, зависящий от способа надева-

    ния кольца на поршень

Допустимое напряжение  МПа.

    

Расчет поршневого пальца

3.3.1. Рассчитываем удельное давление пальца на втулку верхней головки шатуна:            МПа.

 МПа.

где  -коэффициент, учитывающий уменьшение инерционной силы за счет учета массы поршневого пальца (для дизелей  = 0,68 … 0,82)

Для современных дизельных двигателей -  МПа.

3.3.2. Удельное давление пальца на бобышку:

 МПа.

Здесь ,  и  из таблицы 17.

Для современных дизельных двигателей -  МПа.

3.3.3. Напряжение от изгиба поршневого пальца:

 МПа.

где - отношение внутреннего диаметра пальца к наружному из табл.17

                                                МПа.

3.3.4. Касательные напряжения от среза пальца в сечениях, расположенных между бобышками и головкой шатуна (рис.13):

 МПа.

                                       МПа.

3.3.5. Увеличение диаметра пальца в его средней части (овализация):

=

 мм.

Значение  не должно быть больше мм.

 

Расчет стержня шатуна

3.4.1. Рассчитываем напряжение сжатия в сечении В-В от сжимающей силы P  в плоскости качания шатуна (рис