Расчет автомобильного двигателя жидкостного охлаждения с искровым зажиганием

Министерство образования  и науки РФ

Федеральное Государственное  бюджетное образовательное

 Учреждение Высшего  профессионального образования

«Волгоградский Государственный  Технический Университет»

 

 

 

 

 

Кафедра «Автотракторные  двигатели»

Дисциплина: «Автомобильные двигатели»

Курсовая работа

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент:

гр. ФАТ-201с

Аникеев А.А.

Проверил: Лепилин В.И.

 

 

 

 

 

Волгоград 2013г.

 

Министерство образования  и науки РФ

Федеральное Государственное  бюджетное образовательное

Учреждение Высшего  профессионального образования

«Волгоградский Государственный  Технический Университет»

 

Кафедра «Автотракторные  двигатели»

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Студент______ код КР 2013 10.5 __. группа Фат-201с

Тема: Расчет автомобильного двигателя  жидкостного охлаждения с искровым зажиганием

Срок представления проекта  к защите «_______________.»

Исходные данный для проектирования: Автомобиль __________,

N_e – ___ кВт,

n=______ об/мин^-1

i=_____

D=____мм.

Степень сжатия ɛ=8,5

Система охлаждения жидкостная закрытого  типа.

Содержание пояснительной записки  курсовому проекту

1.________________________________

2.________________________________

3. ________________________________

4. ________________________________

5. ________________________________

Перечень графического материала ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Руководитель проекта    ___________                                    ______________

 

Задание принял к исполнению________                               «___»_______20__г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение

Исходные  данные.

Процессы  впуска и выпуска.

Процесс сжатия.

Процесс сгорания.

Параметры рабочего тела.

Процессы  расширения и выпуска.

Построение  индикаторной диаграммы.

Тепловой  баланс.

Кинематический  расчет КШМ.

Перемещение поршня.

Скорость  поршня.

Ускорение поршня.

Динамический  расчет КШМ.

Построение  развернутой индикаторной диаграммы.

Расчет и  построение удельной силы инерции.

Определение суммарной силы, действующей на поршень.

Расчет и  построение диаграммы тангенциальной силы.

Построение  суммарной тангенциальной диаграммы  многоцилиндрового двигателя.

Определение крутящего момента и мощности двигателя.

Расчет маховика.

Нормальная  сила.

 

Введение

Цели  и задачи:

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

В курсовом проекте в качестве прототипа  используется автомобиль ВАЗ-2101 легковой, с закрытым четырёхдверным кузовом, с передним расположением двигателя и задними ведущими колёсами, предназначен для перевозки пяти человек и багажа не более 50 кг. Автомобиль рассчитан для эксплуатации при температуре окружающей среды от минус 40⁰ С до плюс 45⁰ С.

На автомобиль устанавливается 6-цилиндровый карбюраторный двигатель с рядным вертикальным расположением цилиндров и верхним расположением распределительного вала рабочим объёмом 1,3 литра. Двигатель приводит в движение автомобиль и его оборудование. В таблице приведены основные показатели и параметры двигателя в сравнении с лучшими отечественными и мировыми аналогами.

Таким образом, двигатель ВАЗ 2101 значительно отстаёт от аналогов и на мой взгляд требует значительной модернизации конструкции с целью дальнейшего повышения производительности, эффективных показателей, а также уменьшения выбросов вредных веществ в окружающую среду.

 

 

Тепловой расчёт и тепловой баланс карбюраторного двигателя

 

Произвести  расчет четырехтактного карбюраторного двигателя, предназначенного для легкового  автомобиля. Эффективная мощность двигателя N_е = 80 кВт при частоте вращения коленчатого вала п = 6200 об/мин. Двигатель четырехцилиндровый, i = 6 с рядным расположением. Система охлаждения жидкостная закрытого типа. Степень сжатия ε = 8,5.

2 Тепловой расчет рабочего  цикла

2.1 Рабочее тело и его  свойства

2.1.1 Топливо

Топливом для рассчитываемого  двигателя служит бензин А-92

по ГОСТ 2084-77.

Элементный состав топлива: ; ; .

Низшая теплота сгорания в кДж/кг:

 где  и – массовые доли серы и влаги в топливе.

 В расчетах принимается  ; .

 

2.1.2 Параметры рабочего тела

     Теоретически необходимое  количество топлива  в кг·возд/кг·топл:

              

  кг возд/кг топл;

и в кмоль возд/кг топл:

            

   кмоль возд/кг топл.

     Коэффициент избытка  воздуха  =0,85…0,98     Принимаем =0,96

     Действительное количество  воздуха  в кмоль·возд/кг·топл:

                кмоль·возд/кг·топл

     Молекулярная масса  паров топлива  =110…120 кг/кмоль.

Принимаем =114 кг/кмоль.

    Количество горючей смеси  в кмоль гор.см/кг топл:

                   кмоль гор.см/кг топл

2.1.3 Продукты  сгорания

     При неполном сгорании  топлива продукты сгорания представляют  собой смесь углекислого газа  , водяного пара , окиси углерода , свободного водорода и азота .

     Количество отдельных  составляющих продуктов сгорания  в                    

кмоль пр.сг/кг топл:

              , кмоль СО₂/кг топл

            , кмоль Н₂О/кг топл

              

     , кмоль СО/кг топл

               

    кмоль Н₂/кг топл

          

    , кмоль N₂/кг топл

где – константа, зависящая от отношения количества водорода и окиса углерода в продуктах сгорания; для бензинов =0,45…0,5

Принимаем =0,5

     Общее количество  продуктов  неполного сгорания в кмоль·пр.сг/кг·топл:

    

     . кмоль·пр.сг/кг·топл

Проверка: М₂ = 0,855/12 + 0,145/2 + 0,792 ∙ 0,96 ∙ 0,517 = 0,537 кмоль пр. сг/кг топл.

Параметры окружающей среды и остаточные газы

 

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

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

Тr

1070

МПа

 

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

p_rN = 1,18р₀ = 1,18 0,1 =0,118 МПа.

Тогда

A_р = (p_rN – p₀·1.035) 10⁸/( )

A_р = (0,118-0,1·1,035) 10⁸/(6000² • 0,1) = 0,4027;

Р_r = р₀ (1,035 + A_р· 10^-8n²)

Р_r = 0,1 (1,035+ 0,4027 10^-8n²) = 0,1035 + 0,4027·10^-96000²=0,1201 МПа.

Отсюда  получим:

pr

0,1201

МПа

 

Процесс впуска

Температура подогрева свежего щаряда. С целью  получения хорошего наполнения двигателя  на номинальном скоростном режиме принимается  ∆Т_N= 8 ^oC.

;

.

Далее получим:

∆Т

8

°С

 

Плотность заряда на впуске

 

,

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

Потери  давления на впуске. В соответствии со скоростным режимом двигателя (n = 6000 об/мин) и при условии качественной обработки внутренней поверхности впускной системы можно принять β² + ξ_вп = 2,8 и ω_вп = 95 м/с. Тогда

А_n = ω_вп /n_N = 95/6000= 0,0158;

.

Отсюда  получим:

∆p_α= 2,8 • 0.0158² • 6000² • 1,189 ×10^-6/2 = 0,015 МПа;

Давление  в конце впуска

р_α= p₀ — ∆p_α= 0.1-0.015=0.085 МПа

 

рα

0,085

МПа

 

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

 

;

Температура в конце впуска:

 

 

 К;

Коэффициент наполнения:

.

 

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

k1	1,3772
Tα	337	К
n1	1,377

Давление  в конце сжатия

 

МПа;

Температура в конце сжатия

 К;

Средняя мольная теплоемкость в конце  сжатия:

а) свежей смеси (воздуха):

=20,6+2,638*10^-3*482=21,872 кДж/(кмоль*град)

где

tc	482	°С
	21,872	кДж/(кмоль · град);

 

б) остаточных газов 

- определяется методом экстраполяции; 

α = 0,96 и t_c =482 °С

 кДж/(кмоль  • град);

в) рабочей  смеси 

 кДж/(кмоль  • град);

 

Процесс сгорания

Коэффициент молекулярного изменения горючей  и рабочей смеси

μ₀=0,5370/0,505=1,0633;

μ=(1,0633+0,0509)/(1+0,0509)=1,0602;

Количество  теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания топлива:

∆Н_u= 119950(1— α)L₀.

∆Н_u= 119950·(1— 0,96)·0,516=2476 кДж/кг.

Теплота сгорания рабочей смеси 

Н_раб.см = (Н_u - ∆H_u)/[М₁(1 + γ_r)]

Нраб.см = (43930 - 2476)/[0,5041(1 + 0,0498)]=78362 кДж/кмоль раб. см;

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания

=(1/0,537) [0,0655 ∙(39,123 + 0,003349t_z) +0,00573∙ (22,49 + 0,00143t_z) + 0,0696 (26,67 + 0,004438t_z) + 0,002867 (19,678 + 0,001758t_z) + 0,393(21,951+ 0,001457t_z)] = 24,656 + 0,002077t_z кДж/(кмоль∙град).