Усовершенствование газодинамического тракта системы впуска двигателя 44 8,2/7,56
|
Аннотация 12
ВВЕДЕНИЕ 11
1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ ДВИГАТЕЛЯ 12
1.1 Исходные данные для теплового расчета 12
1.2 Обоснование выбора исходных данных 13
1.3 Расчет процесса впуска 16
1.4 Расчет процесса сжатия 18
1.5 Расчет процесса сгорания 19
1.6 Расчет процесса расширения 23
1.7 Определение индикаторных показателей цикла 23
1.8 Определение эффективных показателей двигателя, диаметра
цилиндра и хода поршня 25
2. ВНЕШНЯЯ СКОРОСТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА 27
2.1 Определение мощностных показателей 27
2.2 Определение экономических показателей 29
3. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ 31
4. КИНЕМАТИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ 33
5. ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ 37
5.1 Определение сил, действующих в кривошипно-шатунном
механизме 37
5.2 Проверка мощности и расчет маховика 40
5.3 Определение нагрузок на шатунную шейку 44
6. ПОЯСНЕНИЕ К ГРАФИЧЕСКОЙ ЧАСТИ 38
6.1. Построение зависимостей, действующих в КШМ, как функции
угла поворота коленчатого вала 38
6.2. Построение полярной диаграммы нагрузок на шатунную
шейку 38
6.3. Построение полярной диаграммы нагрузок на шатунный
подшипник 39
6.4. Построение диаграммы предполагаемого износа шатунной
шейки 39
6.5. Построение полярной диаграммы нагрузок на коренную
шейку 40
6.6. Построение полярной диаграммы нагрузок на коренной
подшипник 41
7. УРАВНОВЕШИВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ 42
8 РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ КШМ 50
8.1 Расчет поршневой группы 51
8.2 Расчет поршня 51
8.3 Расчет поршневого кольца 54
8.4 Расчет поршневого пальца 55
8.5 Расчет шатунной группы 57
8.5.1 Расчет поршневой головки шатуна 57
8.5.2 Расчет кривошипной головки шатуна 61
8.5.3 Расчет стержня шатуна 61
8.5.4 Расчет шатунного болта 62
8.6 Расчет коленчатого вала 63
8.6.1 Расчет коренной шейки 64
8.6.2 Расчет шатунной шейки 65
9 РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ МЕХАНИЗМА
ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ 69
9.1 Профилирование кулачка 69
9.2 Расчет пружины толкателя 73
9.3 Расчет распределительного вала 76
9.4 Расчет корпусных деталей 77
9.5. Расчет гильзы цилиндра 77
9.6 Расчет шпильки головки блока двигателя 77
10 РАСЧЕТ СИСТЕМ ДВИГАТЕЛЯ 79
10.1 Расчет системы подачи топлива 79
10.2 Расчет системы смазки 80
10.3 Расчёт системы охлаждения 83
11 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 86
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 87
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 88
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 93
ВВЕДЕНИЕ 11
1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ ДВИГАТЕЛЯ 12
1.1 Исходные данные для теплового расчета 12
1.2 Обоснование выбора исходных данных 13
1.3 Расчет процесса впуска 16
1.4 Расчет процесса сжатия 18
1.5 Расчет процесса сгорания 19
1.6 Расчет процесса расширения 23
1.7 Определение индикаторных показателей цикла 23
1.8 Определение эффективных показателей двигателя, диаметра
цилиндра и хода поршня 25
2. ВНЕШНЯЯ СКОРОСТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА 27
2.1 Определение мощностных показателей 27
2.2 Определение экономических показателей 29
3. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ 31
4. КИНЕМАТИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ 33
5. ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ 37
5.1 Определение сил, действующих в кривошипно-шатунном
механизме 37
5.2 Проверка мощности и расчет маховика 40
5.3 Определение нагрузок на шатунную шейку 44
6. ПОЯСНЕНИЕ К ГРАФИЧЕСКОЙ ЧАСТИ 38
6.1. Построение зависимостей, действующих в КШМ, как функции
угла поворота коленчатого вала 38
6.2. Построение полярной диаграммы нагрузок на шатунную
шейку 38
6.3. Построение полярной диаграммы нагрузок на шатунный
подшипник 39
6.4. Построение диаграммы предполагаемого износа шатунной
шейки 39
6.5. Построение полярной диаграммы нагрузок на коренную
шейку 40
6.6. Построение полярной диаграммы нагрузок на коренной
подшипник 41
7. УРАВНОВЕШИВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ 42
8 РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ КШМ 50
8.1 Расчет поршневой группы 51
8.2 Расчет поршня 51
8.3 Расчет поршневого кольца 54
8.4 Расчет поршневого пальца 55
8.5 Расчет шатунной группы 57
8.5.1 Расчет поршневой головки шатуна 57
8.5.2 Расчет кривошипной головки шатуна 61
8.5.3 Расчет стержня шатуна 61
8.5.4 Расчет шатунного болта 62
8.6 Расчет коленчатого вала 63
8.6.1 Расчет коренной шейки 64
8.6.2 Расчет шатунной шейки 65
9 РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ МЕХАНИЗМА
ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ 69
9.1 Профилирование кулачка 69
9.2 Расчет пружины толкателя 73
9.3 Расчет распределительного вала 76
9.4 Расчет корпусных деталей 77
9.5. Расчет гильзы цилиндра 77
9.6 Расчет шпильки головки блока двигателя 77
10 РАСЧЕТ СИСТЕМ ДВИГАТЕЛЯ 79
10.1 Расчет системы подачи топлива 79
10.2 Расчет системы смазки 80
10.3 Расчёт системы охлаждения 83
11 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 86
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 87
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 88
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 93
Прогресс в автомобильной промышленности, дальнейшее увеличение грузооборота автомобильного транспорта предусматривает не только количественный рост автопарка, но и значительное улучшение использования имеющихся автомобилей, повышение культуры эксплуатации, увеличение межремонтных сроков службы.
В области развития и совершенствования автомобильных двигателей основными задачами являются: расширение использования двигателей, снижение расхода топлива и удельной массы двигателей, стоимости их производства и эксплуатации. На принципиально новый уровень ставится борьба с токсичными выбросами двигателей в атмосферу, а также задачи по снижению шума и вибрации в процессе их эксплуатации. Значительно больше внимания уделяется использованию электронно-вычислительных машин при расчетах и испытаниях двигателей. В настоящее время вычислительная техника широко используется на моторостроительных заводах, в научноисследовательских центрах, конструкторских и ремонтных организациях, а также высших учебных заведениях.
Выполнение сегодняшних задач требует от специалистов, связанных с производством и эксплуатацией автомобильных двигателей, глубоких знаний теории, конструкции и расчета двигателей внутреннего сгорания.
В области развития и совершенствования автомобильных двигателей основными задачами являются: расширение использования двигателей, снижение расхода топлива и удельной массы двигателей, стоимости их производства и эксплуатации. На принципиально новый уровень ставится борьба с токсичными выбросами двигателей в атмосферу, а также задачи по снижению шума и вибрации в процессе их эксплуатации. Значительно больше внимания уделяется использованию электронно-вычислительных машин при расчетах и испытаниях двигателей. В настоящее время вычислительная техника широко используется на моторостроительных заводах, в научноисследовательских центрах, конструкторских и ремонтных организациях, а также высших учебных заведениях.
Выполнение сегодняшних задач требует от специалистов, связанных с производством и эксплуатацией автомобильных двигателей, глубоких знаний теории, конструкции и расчета двигателей внутреннего сгорания.
Охлаждение двигателя применяется в целях принудительного отвода теплоты от нагретых деталей для обеспечения оптимального теплового состояния двигателя и его нормальной работы. Большая часть отводимой теплоты воспринимается системой охлаждения, меньшая - системой смазки и непосредственно окружающей средой.
Жидкостный насос служит для обеспечения непрерывной циркуляции жидкости в системе охлаждения. В автомобильных и тракторных двигателях наибольшее применение получили центробежные насосы с односторонним подводом жидкости.
По данным теплового баланса количества теплоты, отводимой от двигателя жидкостью: ^=67844 Дж/с; средняя теплоемкость жидкости сж=4187 Дж/(кг'К), средняя плотность жидкости рж~1000 кг/м3; рж=120000 Па; частота вращения насоса и=4600 мин-1.
Циркуляционный расход жидкости в системе охлаждения
Ож=2в/(Сж^жАТж)=67844/(4187.1000.9,6)=0,00168 м3/с, (8.26) где АТж=9,6 К - температурный перепад жидкости при принудительной циркуляции.
Расчётная производительность насоса
Ожр=Ож/д =0,00168/0,82=0,00206 м3/с (8.27)
где д =0,82 - коэффициент подачи насоса.
Радиус входного отверстия крыльчатки
r1 = -- + r02 = 0,00206 + 0,012 = J0,000364 + 0,0001 = 0,0215 м (8 28)
1 р.сх 0 р,14 +1,8 м (8.28)
где с1=1,8 - скорость потока жидкости на выходе из колеса, м/с; г0=0,01 - радиус ступицы крыльчатки, м.
Окружная скорость потока жидкости на выходе из колеса
„2 = J1 + tg^2 • CtgP2 .
Рж ^h
где угол а2=10°, а угол Д2=45°; д h=0,65 - гидравлический КПД насоса.
Радиус крыльчатки колеса на выходе
Угол между скоростями с1 и и1 принимается а1=90°, при этом
1дД1=с1/м1=1,8/10,4=0,173, откуда в^’ЗОП.
Ширина лопатки на входе
b = 2- = 0,0206 =0018
D1 z^ 4 • 0 003 0,018 м (8.32)
(2лТ1 -^-) • С1 (2 • 3,14 • 0,0215 - 4^) • 1,8 V 7
sin Д sin 9,5
где z=4 - число лопаток на крыльчатке насоса; 5=0,003 - толщина лопаток у входа, м.
Радиальная скорость потока на выходе из колеса с = рж • *ё<*2 = 120000• tg10 =22
r Рж •Ль • и2 1000• 0,65-14,7 , м
Ширина лопатки на выходе
b G.. 0,00206
(2ЯТ2 —Z<>'2 ) • c (2 • 3,14 • 0,0304 - 4 •0,003) • 2,2
2 r
sin Д sin 45
где 5=0,003 - толщина лопаток на выходе, м.
Мощность, потребляемая жидкостным насосом:
N Gж.р • рж _ 0,00206 • 120000
1111 1000 -цм 1000 • 0,82 ’ кВт
= 0,0054
(8.33)
м (8.34)
(8.35)
Радиатор представляет собой теплообменный аппарат для воздушного охлаждения жидкости, поступающей от нагретых деталей двигателя.
Расчёт радиатора состоит в определении поверхности охлаждения, необходимой для передачи теплоты от жидкости к окружающему воздуху.
По данным теплового баланса количество теплоты, отводимой от двигателя и передаваемого от жидкости к охлаждающему воздуху: Свозд Сж 67844 Дж/с; средняя теплоёмкость воздуха свозд=1000дж/(кгК); объемный расход жидкости, проходящей через радиатор. Сж=0,00168 м3/с; средняя плотность жидкости рж=1000 кг/м3.
Количество воздуха, проходящего через радиатор:
Г, = 9ВО2Д = 67844 = -> «4 ,
ВОЗД СЮЗДАТЮЗД 1000 • 24 ’ кг/с
(8.36)
где АТвозд = 24 - температурный перепад воздуха в решётке радиатора, К.
Массовый расход жидкости, проходящей через радиатор:
С1ж = &жрж = 0,00168 *1000 = 1,68 кг/с (8.37)
Средняя температура охлаждающего воздуха, проходящего через радиатор:
, Твозд.вх + (Твозд.вх + АГВ03Д) _ 313 + (313 + 24)
ср.возд Г) Г) 325 К
=313 - расчётная температура воздуха перед радиатором, К.
(8.38)
где
Твозд.вх
Средняя температура жидкости в радиаторе:
т Т™ + (Тж.вх +АТвозд) 363 + (363 - 9,6)
Тср.ж = = Z = 358,2 К
(8.39)
где Тж.вх=363 - температура жидкости перед радиатором; К; АТв=9,6 - температурный перепад жидкости в радиаторе.
Поверхность охлаждения радиатора
F - Q - 67844 - 11,39 м 2
К(Тср.ж - Т,> 160(358,2 - 325) ’ м
где К=160 - коэффициент теплопередачи для радиаторов легковых автомобилей, Вт/(м2К).
Вентилятор служит для создания направления воздушного потока, обеспечивающего отвод теплоты от радиатора.
По данным расчёта жидкостного радиатора массовый расход воздуха, подаваемый вентилятором: GBO3d= 0,056 кг/с, а его средняя температура
Тср.возд=325 К. Напор, создаваемы вентилятором, принимается Ау|р 800 Па.
Плотность воздуха при средней его температуре в радиаторе
„ _О 106 _п, 106 .W ,
Рвозд - P - 0,1 ТТ^у^ГГ- 1,07 кг/м
RBTср. возд 287'325
Производительность вентилятора
G,o,d - — - 0056 - 0,053м3/с
Рвозд 1,07
Фронтовая поверхность радиатора
Fppaa - ' - 0053 - 0,00256м3/с
фр.рад We03d 20 ’
где и'1!ои 20 - скорость воздуха перед фронтом радиатора без учета скорости движения автомобиля, м/с.
Диаметра вентилятора
Мощность, затрачиваемая на привод осевого вентилятора
M _GвоздЛ'., 0,053 • 800 ....
1000 р, 1000 • 0,38 Вт (8.47)
где д в=0,38 - КПД клепаного вентилятора.
Жидкостный насос служит для обеспечения непрерывной циркуляции жидкости в системе охлаждения. В автомобильных и тракторных двигателях наибольшее применение получили центробежные насосы с односторонним подводом жидкости.
По данным теплового баланса количества теплоты, отводимой от двигателя жидкостью: ^=67844 Дж/с; средняя теплоемкость жидкости сж=4187 Дж/(кг'К), средняя плотность жидкости рж~1000 кг/м3; рж=120000 Па; частота вращения насоса и=4600 мин-1.
Циркуляционный расход жидкости в системе охлаждения
Ож=2в/(Сж^жАТж)=67844/(4187.1000.9,6)=0,00168 м3/с, (8.26) где АТж=9,6 К - температурный перепад жидкости при принудительной циркуляции.
Расчётная производительность насоса
Ожр=Ож/д =0,00168/0,82=0,00206 м3/с (8.27)
где д =0,82 - коэффициент подачи насоса.
Радиус входного отверстия крыльчатки
r1 = -- + r02 = 0,00206 + 0,012 = J0,000364 + 0,0001 = 0,0215 м (8 28)
1 р.сх 0 р,14 +1,8 м (8.28)
где с1=1,8 - скорость потока жидкости на выходе из колеса, м/с; г0=0,01 - радиус ступицы крыльчатки, м.
Окружная скорость потока жидкости на выходе из колеса
„2 = J1 + tg^2 • CtgP2 .
Рж ^h
где угол а2=10°, а угол Д2=45°; д h=0,65 - гидравлический КПД насоса.
Радиус крыльчатки колеса на выходе
Угол между скоростями с1 и и1 принимается а1=90°, при этом
1дД1=с1/м1=1,8/10,4=0,173, откуда в^’ЗОП.
Ширина лопатки на входе
b = 2- = 0,0206 =0018
D1 z^ 4 • 0 003 0,018 м (8.32)
(2лТ1 -^-) • С1 (2 • 3,14 • 0,0215 - 4^) • 1,8 V 7
sin Д sin 9,5
где z=4 - число лопаток на крыльчатке насоса; 5=0,003 - толщина лопаток у входа, м.
Радиальная скорость потока на выходе из колеса с = рж • *ё<*2 = 120000• tg10 =22
r Рж •Ль • и2 1000• 0,65-14,7 , м
Ширина лопатки на выходе
b G.. 0,00206
(2ЯТ2 —Z<>'2 ) • c (2 • 3,14 • 0,0304 - 4 •0,003) • 2,2
2 r
sin Д sin 45
где 5=0,003 - толщина лопаток на выходе, м.
Мощность, потребляемая жидкостным насосом:
N Gж.р • рж _ 0,00206 • 120000
1111 1000 -цм 1000 • 0,82 ’ кВт
= 0,0054
(8.33)
м (8.34)
(8.35)
Радиатор представляет собой теплообменный аппарат для воздушного охлаждения жидкости, поступающей от нагретых деталей двигателя.
Расчёт радиатора состоит в определении поверхности охлаждения, необходимой для передачи теплоты от жидкости к окружающему воздуху.
По данным теплового баланса количество теплоты, отводимой от двигателя и передаваемого от жидкости к охлаждающему воздуху: Свозд Сж 67844 Дж/с; средняя теплоёмкость воздуха свозд=1000дж/(кгК); объемный расход жидкости, проходящей через радиатор. Сж=0,00168 м3/с; средняя плотность жидкости рж=1000 кг/м3.
Количество воздуха, проходящего через радиатор:
Г, = 9ВО2Д = 67844 = -> «4 ,
ВОЗД СЮЗДАТЮЗД 1000 • 24 ’ кг/с
(8.36)
где АТвозд = 24 - температурный перепад воздуха в решётке радиатора, К.
Массовый расход жидкости, проходящей через радиатор:
С1ж = &жрж = 0,00168 *1000 = 1,68 кг/с (8.37)
Средняя температура охлаждающего воздуха, проходящего через радиатор:
, Твозд.вх + (Твозд.вх + АГВ03Д) _ 313 + (313 + 24)
ср.возд Г) Г) 325 К
=313 - расчётная температура воздуха перед радиатором, К.
(8.38)
где
Твозд.вх
Средняя температура жидкости в радиаторе:
т Т™ + (Тж.вх +АТвозд) 363 + (363 - 9,6)
Тср.ж = = Z = 358,2 К
(8.39)
где Тж.вх=363 - температура жидкости перед радиатором; К; АТв=9,6 - температурный перепад жидкости в радиаторе.
Поверхность охлаждения радиатора
F - Q - 67844 - 11,39 м 2
К(Тср.ж - Т,> 160(358,2 - 325) ’ м
где К=160 - коэффициент теплопередачи для радиаторов легковых автомобилей, Вт/(м2К).
Вентилятор служит для создания направления воздушного потока, обеспечивающего отвод теплоты от радиатора.
По данным расчёта жидкостного радиатора массовый расход воздуха, подаваемый вентилятором: GBO3d= 0,056 кг/с, а его средняя температура
Тср.возд=325 К. Напор, создаваемы вентилятором, принимается Ау|р 800 Па.
Плотность воздуха при средней его температуре в радиаторе
„ _О 106 _п, 106 .W ,
Рвозд - P - 0,1 ТТ^у^ГГ- 1,07 кг/м
RBTср. возд 287'325
Производительность вентилятора
G,o,d - — - 0056 - 0,053м3/с
Рвозд 1,07
Фронтовая поверхность радиатора
Fppaa - ' - 0053 - 0,00256м3/с
фр.рад We03d 20 ’
где и'1!ои 20 - скорость воздуха перед фронтом радиатора без учета скорости движения автомобиля, м/с.
Диаметра вентилятора
Мощность, затрачиваемая на привод осевого вентилятора
M _GвоздЛ'., 0,053 • 800 ....
1000 р, 1000 • 0,38 Вт (8.47)
где д в=0,38 - КПД клепаного вентилятора.
