Расчет карбюраторного двигателя и системы охлаждения автомобиля ЗИЛ-508
Современные наземные виды транспорта обязаны своим развитием главным образом применению в качестве силовых установок поршневых двигателей внутреннего сгорания. Именно поршневые ДВС до настоящего времени являются основным видом силовых установок, преимущественно используемых на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных, дорожно-транспортных и строительных машинах. В течении каждого рабочего… Читать ещё >
Расчет карбюраторного двигателя и системы охлаждения автомобиля ЗИЛ-508 (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Современные наземные виды транспорта обязаны своим развитием главным образом применению в качестве силовых установок поршневых двигателей внутреннего сгорания. Именно поршневые ДВС до настоящего времени являются основным видом силовых установок, преимущественно используемых на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных, дорожно-транспортных и строительных машинах.
Данная работа состоит из трех частей:
1. Тепловой расчет двигателя.
2. Динамический расчет двигателя.
3. Расчет системы охлаждения двигателя.
Расчет системы охлаждения, а также тепловой и динамический чаще всего выполняются для режима номинальной мощности.
Таблица 1.
Модель. | Тип. | Диаметр цилиндра и ход поршня, мм. | Рабочий объем, л. | Степень сжатия. | |
ЗИЛ-508. | Четырехтактный, бензиновый, карбюраторный, четырехцилиндровый. | 100×95. | 7,1. | ||
Номинальная мощность, кВтч. | Частота вращения коленчатого вала при номинальной мощности, мин-1. | Максимальный крутящий момент, Нм. | Частота вращения коленчатого вала при максимальном крутящем моменте, мин-1. | ||
1. Тепловой расчет двигателя.
Тепловой расчет позволяет с достаточной степенью точности аналитическим путем определить основные параметры вновь проектируемого двигателя, а также проверить степень совершенства действительного цикла работающего двигателя.
Тепловой расчет является начальным этапом при проектировании двигателя, а также данные, полученные в ходе расчета, используются в последующих вычислениях и построениях.
Тепловой расчет начинается с выбора ряда недостающих в задании величин, необходимых для проведения расчета, причем выбираются величины, которые для производимого расчета не определяются по формулам.
Конечные результаты теплового расчета определяются с различной степенью точности. Это зависит от того, насколько правильно были оценены исходные величины теплового расчета: коэффициент наполнения, показатели политроп сжатия и расширения температуры подогрева смеси, температура остаточных газов и т. п.
Тепловой расчет является ориентиром, указывающим какие показатели будет иметь проектируемый двигатель при правильном инструктивном и технологическом выполнении.
Как правило, тепловой расчет двигателей производится для номинального режима при наивыгоднейших условиях подвода и сгорания топлива.
1.1 Основные принятые обозначения по тепловому расчету.
Сn — средняя скорость поршня, м/с;
D — диаметр цилиндра двигателя, м;
gc, gh, go — элементарный состав топлива в долях кг, соответственно углерода водорода, кислорода.
gi — удельный индикаторный расход топлива, г/кВт-ч;
ge — удельный эффективный расход топлива, г/кВт-ч;
gTчасовой расход топлива, кг/ч;
Hu — низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;
Hu — потери тепла, вследствие химической неполноты сгорания, кДж /кг;
i — число цилиндров двигателя;
Lo — теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива кмолей возд./кг топл.;
L — длина шатуна, м;
mт — молекулярная масса топлива, кг/моль;
M1 — число молей свежей смеси, моль/кг топлива;
М2 — число молей продуктов сгорания, кмоль/кг топлива;
mв — молекулярная масса воздуха, кг/моль;
mCv — средняя мольная теплоемкость свежего заряда при постоянном кДж/кмольК;
mp2- средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном объеме, кДж/кмольК;
mр — средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении, кДж/кмольК;
Ne — эффективная мощность, кВт;
n — частота вращения коленчатого вала, мин;
Nл — литровая мощность, кВт/л;
1 — показатель политропа сжатия;
2 — показатель политропа расширения;
Ро — давление окружающей среды, МПа;
Рпдавление конца выпуска, МПа;
Ра — давление конца впуска, МПа;
Рс — давление конца сжатия, МПа;
Рz — давление конца сгорания, МПа;
Рв — давление конца расширения, МПа;
Рч — давление промежуточного воздуха, МПа;
Рi — среднее индикаторное давление теоретического цикла, МПа;
Pi — среднее индикаторное давление действительного цикла, МПа;
Pе — среднее эффективное давление, МПа;
R — газовая постоянная воздуха, Дж/кмольК;
R — радиус кривошипа, м;
S — ход поршня, м;
Тг — температура остаточных газов, К;
Та — температура конца впуска, К;
Тс — температура конца сжатия, К;
Tz — температура конца сгорания, К;
Тв — температура конца расширения, К;
То — температура окружающей среды, К;
t — величина подогрева свежего заряда, К;
Vh — рабочий объем двигателя, л;
Vh' - рабочий объем одного цилиндра, л;
— коэффициент избытка воздуха;
— коэффициент остаточных газов;
го — плотность окружающего воздуха, кг/м3;
— действительная степень сжатия;
' - геометрическая степень сжатия;
v — коэффициент наполнения;
м — механический КПД;
t — индикаторный КПД;
е — эффективный КПД;
— степень повышения давления;
о — химический коэффициент молекулярного изменения;
— действительный коэффициент молекулярного изменения;
— коэффициент использования тепла при сгорании;
— степень предварительного расширения;
— тактность двигателя;
— коэффициент полноты индикаторной диаграммы;
— потерянная доля хода поршня.
1.2 Выбор исходных величин теплового расчета.
Основным параметром, характеризующим тип двигателя, является величина степени сжатия равной в нашем случае 7,1.
Средний состав топлива для бензина принимают: С = 85,5%, Н = 14,5%;
Молекулярная масса бензина находится в пределах 110 — 120 кг/Кмоль примем mт =115 кг/Кмоль.
Коэффициент избытка воздуха принимаем равным 0,91. Он выбирается в зависимости от эксплуатационных особенностей работы двигателя, типа смесеобразования и конструктивных особенностей приборов питания.
Температура остаточных газов Тг зависят от коэффициента избытка воздуха и скоростного режима двигателя. При проведении расчетов принимаем Тг = 1000 К;
Давление конца выпуска для 4-хтактных двигателей зависит от числа оборотов конструкции и размеров выпускной системы и колеблется в пределах Рг = (1,05… 1,15) р0, МПа. Примем Рг =1,1 Р0=0,11 МПа Величина подогрева заряда t зависит от расположения впускного трубопровода, быстроходности двигателя, примененного для поршней материала.
Для двигателей с поршнями из алюминиевого сплава величина подогрева t = 10 …20 0С, примем t = 15 0С Коэффициент наполнения v выбирается исходя из типа двигателя, частоты вращения коленчатого вала, системы охлаждения и особенностей конструкции впускной системы.
Для карбюраторных двигателей: с верхним расположением клапанов v = 0.75 …0,85 примем v = 0,8.
Показатель политропы сжатия 1, учитывая характер теплообмена в процессе сжатия, всегда будет иметь меньшее значение, чем показатель адиабаты. Средние значения показателя политропы сжатия для четырехтактных карбюраторных двигателей 1= 1,35 …1,40 примем 1= 1,37.
Показатель политропы расширения 2 вследствие наличия интенсивного теплообмена между газами и деталями двигателя, притока тепла за счет догорания и других факторов равен показателю адиабаты. Как правило, он всегда меньше адиабаты. Средние значения показателя политропы расширения 2 для карбюраторных двигателей: четырехтактных 2=1,25…1,35 примем 2=1,3.
Значение использования теплоты при сгорания, выбирается в зависимости от типа двигателя и способа смесеобразования. Для бензиновых двигателей = 0,85 … 0,90 примем = 0,87.
Потери на скругление индикаторной диаграммы учитываются коэффициентом полноты индикаторной диаграммы. Для четырехтактных двигателей = 0,92 … 0,97, примем = 0,95.
Значение механического КПД м выбирается в зависимости от типа двигателя. Для бензиновых двигателей м = 0,75 … 0,85 примем м = 0,83.
Для современных бензиновых двигателей отношение хода поршня к диаметру S/D = 0,90 … 1,20 примем S/D = 1.
1.3 Определение параметров конца хода.
Для четырехтактного двигателя:
— давление газов в цилиндре:
(МПа);
(МПа);
— коэффициент остаточных газов:
(МПа);
— температура газов в цилиндре:
К.
(К);
Определение параметров конца сжатия Давление газов в цилиндре:
Рс = Ра * n-1, МПа;
Рс = 0,7316* 7,10,37 = 1,511 (МПа);
Температура газов в цилиндре:
Tc=Tan-1, К; Tc=3348,66*7,10,37 = 6915,708 (К);
Определение параметров конца сгорания Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива.
кмоль возд / кг топлива;
(кмоль возд / кг топлива);
Количество свежей смеси перед сгоранием в бензиновом двигателе:
М1= L0 + 1/mт, кмоль / кг топлива;
М1= 0,91 * 0,5119 + 1/115 = 0,4745 кмоль / кг топлива;
Состав продуктов сгорания при заданном :
Число молей углекислого газа Мсо2 = gс/12 — 0,42(1 —)L0, кмоль / кг топлива Мсо2 = 0,855/12 — 0,42(1 — 0,91) * 0,5119 = 0,0519 (кмоль / кг топлива);
Число молей окиси углерода Мсо = 0,42(1 —)L0, Кмоль / кг топлива;
Мсо = 0,42(1 — 0,91)0,5119 = 0,1 935, (кмоль / кг топлива);
Число молей водяного пара МН20 = gн/2, Кмоль / кг топлива;
МН20 = 0,145/2 = 0,0725, (кмоль / кг топлива);
Число молей азота.
МN2 = 0,79 L0, Кмоль / кг топлива;
МN2 = 0,79 * 0,5119 = 0,368 (кмоль / кг топлива);
В зависимости от величины отдельные составляющие продуктов сгорания могут отсутствовать.
Общее количество продуктов сгорания.
М2 = Мсо2 + Мсо + Мн2o + MN2, Кмоль / кг топлива;
М2 = 0,0519 + 0,1 935 + 0,0725 + 0,368 =0,51 175 (кмоль / кг топлива);
Низшая теплота сгорания топлива принимается для бензиновых двигателей Нu=44 000 кДж/кг.
В бензиновых двигателях максимальная мощность достигается при коэффициенте избытка воздуха <1. Такое сгорание сопровождается неполным окислением топлива и, следовательно, потерями тепла. Вследствие химической неполноты сгорания они подсчитывается по формуле:
Нu = 11960(1 —)L0, кДж/кг.
Нu = 11960(1 — 0,91)0,5119 = 5526,68 (кДж/кг).
Химический коэффициент молекулярного изменения.
0 = M1 / M2;
0 = 0,51 175 / 0,4745 = 1,0785;
Действительный коэффициент молекулярного изменения.
=0 + ;
=1,0785 + 0,052 0,052 = 1,0746;
Средняя мольная теплоемкость свежего заряда и продуктов сгорания для бензиновых двигателей может быть подсчитана по приближенным формулам.
mc’v = 20,18 + 1,74−10−3 Тс, кДж/кмоль * К ;
mc’v = 20,18 + 1,74−10−3 925,659 = 21,7906 кДж/кмоль * К ;
Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания для карбюраторных двигателей.
mcv = (18,44 + 2,60)+(l, 38 + 1,55)10−3, кДж/кмоль * К;
Более точно средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания может быть подсчитана по формуле:
— для карбюраторных двигателей.
mcv = (38,55МСО2 + 20,95МСО + 23,88МН2О + 21,37МN2)/М2 + (3,ЗМСО2 + 2,1МСО + + 5, ОЗМН2O + 1,68MN2)10−3 T/M2, кДж/кмоль * К;
mcv = (38,55 * 0,0519 + 20,95 * 0,1 935 + 23,88 * 0,0725 + 21,37 * 0,368)/0,51 175 + + (3,З * 0,0519 + 2,1 * 0,1 935 + 5,03 * 0,0725 + 1,68 * 0,368)10−3 T/0,51 175 = (12,115 875 +1,19 482 * 10−3Тz) кДж/кмоль *К;
Температура в конце сгорания для карбюраторных двигателей.
После подстановки в уравнение сгорания вычисленных ранее величин и значений средних мольных теплоёмкостей оно принимает вид квадратного уравнения:
.
где А, В, С — вычисленные значения известных величин.
Это уравнение решается относительно Tz как квадратное. Полученная после преобразования и решения температура конца сгорания Tz = 327,706 (К).
Давление в конце сгорания для карбюраторных двигателей.
МПа;
МПа;
Степень повышения давления равна.
;
Определение параметров конца расширения.
Давление в конце расширения для карбюраторных двигателей.
МПа;
(МПа);
Температура в конце расширения для карбюраторных двигателей.
К;
(К);
Определение параметров, характеризующих цикл в целом.
Среднее индикаторное давление теоретической диаграммы для карбюраторных двигателей.
МПа ;
(МПа);
Действительное среднее индикаторное давление для четырёхтактного двигателя:
МПа;
(МПа);
Плотность окружающего воздуха:
кг/м3;
где Р0 = 1,1 337М105, Н/м2 и R=287,4, НМм/кгМК.
кг/м3;
Удельный индикаторный расход топлива:
г/кВт ч;
г/кВт ч;
Теоретически необходимое количество воздуха:
l0 = mbМL0=14,957, кг воздуха/кг топлива.
Индикаторный коэффициент полезного действия:
;
;
Определение параметров, характеризующих двигатель в целом.
Среднее эффективное давление:
;
(МПа);
Удельный эффективный расход топлива:
г/кВт ч;
г/кВт ч;
Эффективный коэффициент полезного действия:
Определение основных размеров двигателя.
Рабочий объём (литраж) двигателя:
;
(л);
Погрешность от технической характеристики рабочего объема не более 0,4%.
Рабочий объём одного цилиндра:
(л);
Диаметр цилиндра:
(м);
(м);
Ход поршня:
(м);
Полученные значения D и S округляются до целого числа миллиметров, кратного двум и пяти. Таким образом, получаем S = 70 мм и D = 78 мм. Затем подсчитывается действительный литраж двигателя:
л.
л.
Мощность, развиваемая двигателем при принятых размерах:
Вт;
Вт;
Литровая мощность двигателя:
Вт/л;
Вт/л;
Часовой расход топлива:
кг/ч;
Средняя скорость поршня:
м/с.
Таблица 2. Сравнение исходных и рассчитанных параметров двигателя.
Данные. | Диметр цилиндра,. мм. | Ход поршня,. мм. | Рабочий объем,. л. | Номинальная мощность,. кВт. | |
Исходные. | |||||
Рассчитанные. | 5,796. | 115,6. | |||
Построение индикаторной диаграммы для четырехтактных карбюраторных двигателей аналитическим методом.
Индикаторная диаграмма двигателя внутреннего сгорания строится с использованием данных расчета рабочего процесса.
На индикаторной диаграмме (рисунок 1) по горизонтальной оси откладывают отрезок АВ в мм, соответствующий ходу поршня, взятому в масштабе 1:1. Далее откладывают отрезок ОА, соответствующий объёму камеры сгорания. Величина отрезка ОА определяется по отношению:
мм.
Точка О является началом координат P-S.
Масштаб давлений выбирают так, чтобы высота диаграммы превосходила её длину в 1.2−1.5 раза. Принимаем масштаб давлений Мр = 0,06 МПа/мм.
Рисунок 1. Индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя.
Максимальная высота диаграммы (точка z).
Рz / Мр = 6,166 / 0,06 =102,76 мм.
Ординаты характерных точек:
Ра / Мр = 0,0865 / 0,06 = 1,4416 мм; Рс / Мр = 1,623 / 0,06 = 27,05 мм;
Рb / Мр = 0,38 173 / 0,06 = 6,362 мм; Рr / Мр = 0,11 / 0,06 = 1,833 мм;
Р0 / Мр = 0,1/ 0,06 = 1,666 мм;
Из точек, А и В проводят вертикальные линии, являющиеся отрезками верхней и нижней мёртвыми точками, на которых отмечают значения давлений в характерных точках индикаторной диаграммы (Ра, Р0, Рb, Pz, Рс).
Построение политроп сжатия и расширения аналитическим методом:
а) политропа сжатия. Отсюда.
мм,.
где ОВ = ОА + АВ = 9,33 +70 =79,33 мм.
б) политропа сжатия. Отсюда.
мм.
Результаты расчета точек политроп приведены в таблице 3.
Скругление индикаторной диаграммы осуществляется на основании следующих соображений и расчетов. Так как рассчитывается достаточно быстроходный двигатель (n = 5600 мин-1), то фазы газораспределения необходимо устанавливать с учетом получения хорошей очистки цилиндра от отработавших газов. В связи с этим начало открытия впускного клапана (точка r) устанавливается за 180 до прихода поршня в в.м.т., а закрытие (точка a) — через 600 после прохода поршнем н.м.т.; начало открытия выпускного клапана (точка b) принимается за 550 до прихода поршня в н.м.т., а закрытие (точка a) через 250 после прохода поршнем в.м.т. Учитывая быстроходность двигателя, угол опережения зажигания принимается равным 350, а продолжительность периода задержки воспламенения — 1 = 50.
В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения зажигания определяют положение точек r, a, a, b, с и f по формуле для перемещения поршня:
.
где — отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.
Выбор величины производится при проведении динамического расчета, а при построении индикаторной диаграммы предварительно принимается = 0,285.
Таблица 3.
№. точек. | OX,. мм. | OB/OX,. мм. | Политропа сжатия. | Политропа расширения. | |||||
Рx/Мр,. мм. | Рx,. МПа. | Рx/Мр,. мм. | Рx,. МПа. | ||||||
9,33. | 8,5. | 18,763. | 27,05. | 1,6229. | 16,153. | 102,7681. | 6,166. | ||
16,33. | 4,86. | 8,724. | 12,5771. | 0,75 463. | 7,81. | 49,6885. | 2,98 131. | ||
23,33. | 3,4. | 5,347. | 7,7086. | 0,46 252. | 4,908. | 31,2255. | 1,87 353. | ||
30,33. | 2,616. | 3,734. | 5,3831. | 0,32 299. | 3,491. | 22,2103. | 1,33 261. | ||
37,33. | 2,125. | 2,809. | 4,0496. | 0,24 298. | 2,664. | 16,9488. | 1,1 693. | ||
44,33. | 1,789. | 2,219. | 3,19 906. | 0,19 194. | 2,13. | 13,5514. | 0,813 084. | ||
51,33. | 1,545. | 1,815. | 2,6166. | 0,15 664. | 1,76. | 11,1974. | 0,67 184. | ||
58,33. | 1,36. | 1,524. | 2,1971. | 0,13 183. | 1,491. | 9,486. | 0,56 916. | ||
65,33. | 1,214. | 1,304. | 1,8799. | 0,11 279. | 1,287. | 8,188. | 0,49 128. | ||
72,33. | 1,097. | 1,135. | 1,6363. | 0,9 818. | 1,128. | 7,1765. | 0,43 059. | ||
79,33. | 1,4416. | 0,0865. | 6,362. | 0,38 173. | |||||
Расчеты абсцисс точек r, a, a, b, с и f сведены в таблицу 4.
Действительное давление сгорания:
Рzд = 0,85Рz =0,85 6,166 = 5,2411 МПа;
Рzд / Мр = 5,2411 / 0,06 = 87,352 мм;
Затем все точки соединяют плавными кривыми r с a, c с c и далее с zд и кривой расширения b с b (точка b располагается обычно между точками b и a) и линией brr, получим скругленную действительную индикаторную диаграмму.
Таблица 4.
Обозначение. точек. | Положение точек. | Расстояние от в.м.т. (AX), мм. | |||
r. | 180 до в.м.т. | 0,0655. | 2,2925. | ||
a. | 250 после в.м.т. | 0,1223. | 4,2805. | ||
a. | 600 после в.м.т. | 1,6069. | 56,2415. | ||
с. | 350 до в.м.т. | 0,2313. | 8,0955. | ||
f. | 300 до в.м.т. | 0,1697. | 5,9395. | ||
b. | 550 до в.м.т. | 1,6667. | 58,3345. | ||
2. Динамический расчет двигателя.
Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма заключается в определении суммарных моментов и сил, 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 (приблизительно равное атмосферному давлению) и силы тяжести (силы тяжести обычно в динамическом расчете не учитывают).
Все действующие в двигателе силы воспринимаются полезным сопротивлением на коленчатом валу, силами трения и опорами двигателя.
В течении 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 10 — 300. Результаты динамического расчета сводят в таблицы.
Результаты динамического расчета необходимы для последующего расчета основных деталей двигателя на прочность и долговечность.
Динамический расчет может быть сделан как для вновь проектируемого, так и для реально существующего двигателя. Исходными данными для динамического расчета в первом случае служат результаты предшествующего теплового расчета, а во втором — результаты стендовых испытаний двигателя. Методика выполнения динамического расчета в обоих случаях одна и та же.
Динамический расчет (так же, как и тепловой расчет) обычно производится для одного цилиндра двигателя при постоянном скоростном режиме работы, соответствующем максимальной мощности по внешней скоростной характеристике.
2.1 Основные принятые обозначения к динамическому расчету.
КШМ.
mR — масса поступательно движущихся частей к.ш.м., кг;
лотношение радиуса кривошипа к длине шатуна;
R — радиус кривошипа, м;
L — длина шатуна, м;
Рг — удельная сила давления газов, МПа;
Рj — удельная сила инерции поступательно движущихся масс, МПа;
P — удельная суммарная сила, МПа;
РТ — удельная суммарная тангенциальная сила, МПа;
РК — удельная суммарная нормальная сила, МПа;
б — угол поворота кривошипа в градусах;
Fn — площадь поперечного сечения цилиндра, м2;
Рг — давление газов в цилиндре над поршнем, МПа;
mn — масса поршневого комплекта, кг;
mшп — часть массы шатуна в сборе, отнесенная к поступательно движущимся массам, кг;
mш — масса шатуна, кг;
mшв — часть массы шатуна, отнесенная к вращающимся массам, кг;
mn '- удельная конструктивная масса поршневого комплекта, кг/м2;
mш '- удельная конструктивная масса шатуна, кг/м2;
щ — средняя угловая скорость кривошипа, 1/с;
И — угловой интервал между вспышками в цилиндрах двигателя в градусах;
Мкр — индикаторный крутящий момент двигателя, Н-м;
S — результирующая сила, действующая на шатунную шейку, Н;
S — суммарная сила, действующая вдоль шатуна, Н;
dшшдиаметр шатунной шейки, м;
Lшш — длина опорной поверхности шатунной шейки, м;
S — ход поршня, м;
Мр — масштаб давления газов, принятый при построении индикаторной диаграммы, МПа в мм;
Мм — масштаб момента, Н· М в мм;
МVмасштаб скорости поршня м/с в мм.
МSмасштаб хода поршня мм в мм.
Мjмасштаб ускорения поршня м/с2 в мм.
М — масштаб угла поворота коленчатого вала в мм.
М — масштаб угла поворота коленчатого вала для индикаторной диаграммы в мм.
2.2 Исходные данные для динамического расчета.
Основными исходными данными, необходимыми для динамического расчета, являются:
а) сведенья о двигателе, необходимые для выбора расчетных величин из статических данных, а именно: тип двигателя (дизельный, карбюраторный); тактность (двухтактный, четырехтактный); число цилиндров; конструктивная схема (рядный, V-образный); назначение (для автомобиля или трактора);
б) индикаторная диаграмма двигателя;
в) номинальное число оборотов двигателя n = 3200 мин-1;
г) основные размеры двигателя: диаметр цилиндра D =0,1 (м) и ход поршня S = 0,95 (м).
д) статистические данные для выбора масс движущихся частей к.ш.м.
Кроме того, для уменьшения объема вычислительных работ могут быть использованы таблицы значений тригонометрических выражений, входящих в формулы динамического расчета двигателя.
двигатель тепловой динамический охлаждение.
3. Расчет кинематики V-образного карбюраторного двигателя.
В целях уменьшения высоты двигателя без значительного увеличения инерционных и нормальных сил отношение радиуса кривошипа к длине шатуна предварительно было принято в тепловом расчете = 0,285. При этих условиях Lш = R / =47,5 / 0,285 = 166,667. Где R = S/2 равен половине хода поршня.
Перемещение поршня.
мм;
Угловая скорость вращения коленчатого вала.
= n / 30 = 3,14 3200 / 30 = 335 (рад/с);
Скорость поршня.
м/с;
Ускорение поршня.
м/с2.
Таким образом, определяем значения перемещения, скорости и ускорения поршня через каждые 300 и заносим их в таблицу 5.
По данным таблицы 5 построены графики Sx в масштабе МS = 1 мм в мм, VП — в масштабе МV = 0,5 м/с в мм, j — в масштабе Мj = 200 м/с2 в мм. Масштаб угла поворота коленчатого вала М = 1 0 в мм.
Таблица 5.
Sx,. мм. | VП, м/с. | j,. м/с2. | |||||
1,285. | 15 444,24. | ||||||
0,1697. | 5,9395. | 0,6234. | 12,786. | 1,0085. | 12 121,02. | ||
0,6069. | 21,2415. | 0,9894. | 20,293. | 0,3575. | 4296,74. | ||
1,1425. | 39,9875. | 20,51. | — 0,285. | — 3425,38. | |||
1,6069. | 56,2415. | 0,7426. | 15,231. | — 0,6425. | — 7722,12. | ||
1,9017. | 66,5595. | 0,3766. | 7,724. | — 0,7235. | — 8695,65. | ||
— 0,715. | — 8593,48. | ||||||
1,9017. | 66,5595. | — 0,3766. | 7,724. | — 0,7235. | — 8695,65. | ||
1,6069. | 56,2415. | — 0,7426. | 15,231. | — 0,6425. | — 7722,12. | ||
1,1425. | 39,9875. | — 1. | 20,51. | — 0,285. | — 3425,38. | ||
0,6069. | 21,2415. | — 0,9894. | 20,293. | 0,3575. | 4296,74. | ||
0,1697. | 5,9395. | — 0,6234. | 12,786. | 1,0085. | 12 121,02. | ||
1,285. | 15 444,24. | ||||||
4. Расчет динамики V-образного карбюраторного двигателя.
Индикаторную диаграмму, полученную в тепловом расчете, развертывают по углу поворота кривошипа по методу Брикса.
Поправка Брикса.
R/(2 МS) =47,5 0,285 /(21) =5,9875 мм,.
где МS — масштаб хода поршня на индикаторной диаграмме.
Масштабы развернутой диаграммы: давлений и удельных сил Мр = 0,06 МПа в мм, угла поворота кривошипа М = 30 в мм.
По развернутой диаграмме через каждые 300 угла поворота определяют значение РГ = Рi — P0 и заносят в таблицу 6 динамического расчета.
Значение площади поверхности поршня FП = D2 / 4 = 0,4 778.
Для вычисления силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс и центробежной силы инерции вращающейся части массы шатуна необходимо знать массы деталей поршневой (mn) и шатунной (mш) групп.
Для реальных двигателей mn и mш могут быть определены взвешиванием поршневой и шатунной групп или по соответствующим справочникам:
масса поршневой группы (для поршня из алюминиевого сплава принято mn = 100 кг/м2).
mn = mn FПА = 100 0,4 778 =0,4778(кг);
масса шатуна (для стального кованого шатуна принято m ш= 150 кг/м2).
m ш = m шFП = 150 0,4 778 =0,7167(кг);
масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов (для литого чугунного вала принято mк = 140 кг/м2).
mк = mк FП = 140 0,4 778 = 0,6689 (кг);
Поскольку шатун совершает сложное движение, его массу условно заменяют двумя массами, одна из которых (m ш. п) сосредоточена на оси поршневого пальца, и совершает возвратно-поступательное движение вместе с массой поршня, а вторая (mш.к) — сосредоточена на оси шатунной шейки кривошипа, и совершает вращательное движение с кривошипом. Следовательно,.
m ш = mш. п + mш. к (2.4).
В расчетах принимают:
m ш. п = 0,275m ш =0,275 0,7167 =0,1971 (кг);
mш.к = 0,725mш = 0,725 0,7167 = 0,5196 (кг);
И таким образом, масса кривошипно-шатунного механизма, совершая возвратно-поступательное движение, определится как сумма.
mj= mn + m ш. п = 0,4778+0,1971 = 0,6749 (кг);
Массы, совершающие вращательное движение.
mR= mк + m ш. к = 0,6689+0,5196 = 1,1885 (кг);
Из таблицы 5 переносят значение j в графу 3 таблицы 6 и определяют значение силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс.
Сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс к.ш.м. вычисляется по формуле:
pj = - jmj / FП Результаты расчета силы инерции pj заносятся в таблицу 6. Расчет силы pj ведется от ц = 0…720? для четырехтактных двигателей.
Суммарная сила P, действующая на поршневой палец по направлению оси цилиндра, вычисляется алгебраическим сложением газовой силы Рг и силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс Pj. При исчислении величины силы Рг для различных значений угла пользуются данными таблицы 6.
Результаты измерений сносятся в таблицу 6. C помощью таблицы 6 строится график силы P = f (ц) на той же координатной сетке и в том же масштабе мрj = 0,06 МПа в мм, что и графики сил Рг и Рj. График силы P может быть построен и без помощи таблицы 6, путем суммирования в каждой точке ординат графиков Рг и pj с учетом их знаков.
Рисунок 2 — Схема сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме.
Удельная нормальная сила (МПа) РN = Р tg.
Удельная сила (МПа), действующая вдоль шатуна РS = Р (1/соs).
Удельная сила (МПа), действующая по радиусу кривошипа Удельная и полная тангенциальные силы (МПа и кН):
и Т = РТ FП = РТ 0,4 778 103 .
Значения тригонометрических выражений в 6, 8, 10 и 12 графах таблицы 6 выбирается по соответствующим таблицам для = 0,285.
По данным таблицы 6 строится графики изменения удельных сил РТ, РS, РN, Р, Рк и Рj в зависимости от изменения угла поворота коленчатого вала ц в масштабе Мр = 0,06 МПа в мм.
Крутящий момент одного цилиндра двигателя.
Мкр.ц=T· R =Т 0,035 103 Нм, где R=const (радиус кривошипа).
Если вспышки чередуются равномерно, то угол И вычисляется по формулам:
И=720/i — для четырехтактного двигателя (i — число цилиндров); (8).
В связи с этим, составляем таблицу 7 крутящих моментов всех четырех цилиндров двигателя, а также суммарного момента.
График суммарных моментов многоцилиндрового двигателя построен в масштабе ММ =0,5 Нм в мм по оси моментов, изменение угла — Мц =1,1250 в мм.
Рисунок 3 — Построение кривой суммарного крутящего момента для четырехтактного двигателя Таблица 6.
ц0. | Рг ,. МПа. | J,. м/с2. | Рj,. МПа. | Р, МПа. | tg. | РN,. МПа. | ||
0,01. | 15 444,24. | — 2,181. | — 2,18. | |||||
— 0,0135. | 12 121,02. | — 1,712. | — 1,726. | 0,144. | — 0,249. | 1,01. | ||
— 0,0135. | 4296,74. | — 0,607. | — 0,621. | 0,53. | — 0,157. | 1,031. | ||
— 0,0135. | — 3425,38. | 0,484. | 0,471. | 0,295. | 0,139. | 1,043. | ||
— 0,0135. | — 7722,12. | 1,091. | 1,078. | 0,253. | 0,273. | 1,031. | ||
— 0,0135. | — 8695,65. | 1,228. | 1,215. | 0,144. | 0,175. | 1,01. | ||
— 0,0105. | — 8593,48. | 1,214. | 1,204. | |||||
— 0,0077. | — 8695,65. | 1,228. | 1,22. | — 0,144. | — 0,176. | 1,01. | ||
0,0128. | — 7722,12. | 1,091. | 1,104. | — 0,53. | — 0,279. | 1,031. | ||
0,068. | — 3425,38. | 0,484. | 0,552. | — 0,295. | — 0,163. | 1,043. | ||
0,2. | 4296,74. | — 0,607. | — 0,407. | — 0,253. | 0,103. | 1,031. | ||
0,68. | 12 121,02. | — 1,712. | — 1,032. | — 0,144. | 0,149. | 1,01. | ||
1,529. | 15 444,24. | — 2,181. | — 0,658. | |||||
5,1411. | 13 918,02. | — 1,966. | 3,175. | 0,098. | 0,311. | 1,005. | ||
3,2. | 12 121,02. | — 1,712. | 1,488. | 0,144. | 0,214. | 1,01. | ||
1,16. | 4296,74. | — 0,602. | 0,558. | 0,53. | 0,141. | 1,031. | ||
0,62. | — 3425,38. | 0,484. | 1,104. | 0,295. | 0,326. | 1,043. | ||
0,3913. | — 7722,12. | 1,091. | 1,482. | 0,253. | 0,375. | 1,031. | ||
0,29. | — 8695,65. | 1,228. | 1,518. | 0,144. | 0,219. | 1,01. | ||
0,14. | — 8593,48. | 1,214. | 1,354. | |||||
0,032. | — 8695,65. | 1,228. | 1,26. | — 0,144. | — 0181. | 1,01. | ||
0,01. | — 7722,12. | 1,091. | 1,101. | — 0,53. | — 0,279. | 1,031. | ||
0,01. | — 3425,38. | 0,484. | 0,494. | — 0,295. | — 0,146. | 1,043. | ||
0,01. | 4296,74. | — 0,607. | — 0,606. | — 0,253. | 0,153. | 1,031. | ||
0,01. | 12 121,02. | — 1,712. | — 1,702. | — 0,144. | 0,245. | 1,01. | ||
0,01. | 15 444,24. | — 2,181. | — 2,171. | |||||
РS,. МПа. | Рк, МПа. | РТ, МПа. | Т, кН. | Мкр.ц, Нм. | |||
— 2,18. | — 2,18. | ||||||
— 1,743. | 0,794. | — 1,37. | 0,625. | — 1,079. | — 5,155. | — 180,43. | |
— 0,64. | 0,281. | — 0,175. | 0,993. | — 0,617. | -, 2948. | — 103,18. | |
0,491. | — 0,295. | — 0,139. | 0,471. | 2,25. | 78,75. | ||
1,111. | — 0,719. | — 0,775. | 0,74. | 0,798. | 3,813. | 133,46. | |
1,227. | — 0,938. | — 1,14. | 0,376. | 0,457. | 2,184. | 76,44. | |
1,204. | — 1. | — 1,204. | |||||
1,232. | — 0,938. | — 1,144. | — 0,376. | — 0,459. | — 2,193. | — 76,76. | |
1,138. | — 0,719. | — 0,794. | — 0,74. | — 0,817. | — 3,904. | 136,64. | |
0,576. | — 0,295. | — 0,163. | — 1. | — 0,552. | — 2,637. | 92,295. | |
— 0,42. | 0,281. | — 0,114. | — 0,993. | 0,404. | 1,93. | 67,55. | |
— 1,042. | 0,794. | — 0,819. | — 0,625. | 0,645. | 3,081. | 107,835. | |
— 0,658. | — 0,658. | ||||||
3,191. | 0,907. | 2,88. | 0,434. | 1,378. | 6,584. | 230,44. | |
1,502. | 0,794. | 1,181. | 0,625. | 0,93. | 4,444. | 155,54. | |
0,575. | 0,281. | 0,157. | 0,993. | 0,554. | 2,647. | 92,65. | |
1,151. | — 0,295. | — 0,326. | 1,104. | 5,275. | 184,63. | ||
1,528. | — 0,719. | — 1,066. | 0,74. | 1,097. | 5,241. | 183,44. | |
1,533. | — 0,938. | — 1,424. | 0,376. | 0,571. | 2,728. | 95,48. | |
1,354. | — 1. | — 1,354. | |||||
1,273. | — 0,938. | — 1,182. | — 0,376. | — 0,474. | — 2,265. | — 79,275. | |
1,135. | — 0,719. | — 0,791. | — 0,74. | — 0,815. | — 3,894. | — 136,29. | |
0,515. | — 0,295. | — 0,146. | — 1. | — 0,494. | — 2,36. | — 82,6. | |
— 0,625. | 0,281. | — 0,17. | — 0,993. | 0,602. | 2,876. | 100,66. | |
— 1,719. | 0,794. | — 1,351. | — 0,625. | 1,064. | 5,084. | 177,94. | |
— 2,171. | — 2,171. | ||||||
5. Расчет поршняV-образного карбюраторного двигателя.
Таблица 3.1Ї Размеры элементов поршневой группы.
Элементы поршневой группы. | Расчетные зависимости для карбюраторного двигателя. | Значения размеров, мм. | |
Высота поршня. | 1,05•D. | ||
Расстояние от верхней кромки поршня до оси пальца. | 0,6•D. | ||
Толщина днища поршня. | 0,06•D. | ||
Высота юбки поршня. | 0,7•D. | ||
Диаметр бобышки. | 0,4•D. | ||
Расстояние между торцами бобышек. | 0,4•D. | ||
Толщина стенки юбки поршня. | |||
Толщина стенки головки поршня. | 0,07•D. | ||
Расстояние до первой кольцевой канавки. | 0,1•D. | ||
Толщина первой кольцевой перемычки. | 0,04•D. | ||
Радиальная толщина кольца : — компрессионного. — маслосъемного. | 0,0425•D. 0,0425D. | 4,2. 4,2. | |
Высота кольца. | |||
Радиальный зазор кольца в канавке поршня. — компрессионного. — маслосъемного. | 0,85. 0,9. | 0,85. 0,9. | |
Разность между величинами зазоров замка кольца в свободном и рабочем состоянии. | 3.1•t. | ||
Внутренний диаметр поршня. | D-2(s+t+Дt). | 74,6. | |
Число масляных отверстий в поршне. | |||
Диаметр масляного канала. | 0,4•a. | 1,2. | |
Наружний диаметр пальца. | 0,25•D. | ||
Внутренний диаметр пальца. | 0,7•dn. | 17,5. | |
Длина пальца. | 0,83•D. | ||
Длина втулки шатуна. | 0,4•D. | ||
Принимаем материал поршня — алюминиевый сплав.
Расчетная схема поршневой группы Днище поршня Максимальное напряжение изгиба в диаметральном сечении днища поршня в МПа:
; .
где МПа.
Днище поршня должно быть усилено ребрами жесткости, поскольку расчетные напряжение превышает допускаемые 20…25 МПа.
Головка поршня в сечении, ослабленная отверстиями для отвода масла, проверяется на сжатие и разрыв.
Для определения напряжения сжатия определяем:
— диаметр поршня по дну канавок в м:
; .
— площадь продольного диаметрального сечения масляного канала в м2:
; .
— площадь сечения головки поршня в м2:
;
.
— максимально сжимающую силу в МН:
; .
Напряжение сжатия в МПа:
; .
Рассчитанное напряжение сжатия не превышает допустимые значения напряжений на сжатие для поршней из алюминиевых сплавов — (30…40)МПа Для определения напряжения разрыва в сечении определяем:
— максимальную угловую скорость вращения коленчатого вала при холостом ходе в рад? с:
; .
— массу головки поршня с кольцами в кг:
; .
где кг — масса поршневого комплекта из динамического расчета Сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс в МН определяется для режима максимальной частоты вращения при холостом ходе двигателя:
;
.
где м Ї отношение радиуса кривошипа к длине шатуна из динамического расчета.
Напряжение разрыва в МПа:
; .
Рассчитанное напряжение разрыва не превышает допустимые значения напряжений на разрыв для поршней из алюминиевых сплавов — (4…10) МПа.
Юбка поршня проверяется на износостойкость по удельному давлению в МПа на стенку цилиндра от максимальной боковой силы :
; .
Рассчитанное значение удельного давления не превышает допустимые значения напряжений для современных двигателей — (0,33…0,96) МПа.
6. Расчет элементов системы охлаждения карбюраторного двигателя.
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.
В зависимости от рода используемой теплоносителя в автомобильных двигателях применяют систему жидкостного или воздушного охлаждения, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.
Расчет основных конструктивных элементов системы охлаждения производится исходя из количества теплоты, отводимой от двигателя в единицу времени.
Расчет системы жидкостного охлаждения сводится к определению основных размеров жидкостного насоса, поверхности радиатора и подбору вентилятора.
При воздушном охлаждении теплота от стенок цилиндров и головок двигателя отводится обдувающим их воздухом. Интенсивность воздушного охлаждения зависит от количества и температуры охлаждающего воздуха, его скорости, размеров поверхности охлаждения и расположение ребер относительно потока воздуха.
6.1 Исходные данные для расчета элементов системы охлаждения.
Основными исходными данными, необходимыми для расчета, являются:
коэффициент подачи з = 0,8 — 0,9 примем з = 0,82; температурный перепад жидкости в радиаторе Тж равный 6 — 12, примем Тж = 9,6 К; скорость жидкости на входе колеблется в пределах с1 = 1 — 2 м / с, возьмем с1 = 1,8 м / с; напор создаваемый насосом Рж =(5 — 15) 104 Па, примем Рж = 120 000 Па; при построении профиля лопатки крыльчатки принимают угол 2 = 8 — 120, а угол 2 = 12 — 500, примем 2 = 100, 2 = 400 и 1 = 900; число лопаток на крыльчатке равное 4; механический КПД жидкостного насоса зм = 0,83; гидравлический КПД жидкостного насоса зh = 0,83;
Схема построения профиля лопатки жидкостного насоса.
6.2 Расчет жидкостного насоса карбюраторного двигателя.
По данным теплового баланса количество теплоты отводимой от двигателя жидкостью:
Дж/с, где с = 0,5 коэффициент пропорциональности, i =4 число цилиндров, D — диаметр цилиндра в см, п — частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1, т = 0,65 показатель степени.
(Дж/с);
средняя теплоемкость жидкости сж = 4187Дж/(кг К); средняя плотность жидкости рж = 1000кг/м3; частота вращения насоса пв.н. = 4600 мин-1 .
Циркуляционный расход жидкости в системе охлаждения:
(м3/с);
Расчетная производительность насоса:
Gж.р = Gж / =0,147 / 0,82 =0,179 (м3/с);
Радиус входного отверстия крыльчатки:
(м),.
где r0 = 0,01 — радиус ступицы крыльчатки, м.
Окружная скорость потока жидкости на выходе из колеса:
(м);
Радиус крыльчатки колеса на выходе:
(м);
Окружная скорость входа потока:
(м);
Угол между скоростями с1 и u1 принимается 1 = 900, при этом tg1 = c1/u1= 1,8/9,83 = 0,1831, откуда 1 = 10,3770.
Ширина лопатки на входе:
(м),.
где z =4 — число лопаток на крыльчатке насоса; д1 = 0,003 — толщина лопаток у входа, м.
Радиальная скорость потока на выходе из колеса:
(м /с);
Ширина лопатки на выходе:
(м),.
где д2 = 0,003 — толщина лопаток на выходе, м.
Мощность, потребляемая жидкостным насосом:
(кВт).
Расчет жидкостного радиатора карбюраторного двигателя.
По данным теплового баланса количество теплоты отводимой от двигателя и передаваемой от жидкости к охлаждающему воздуху: Qвозд = Qж =59 134 Дж/с; средняя теплоемкость воздуха свозд =1000 Дж/(кгК) .
Количество воздуха, проходящего через радиатор:
Gвозд = Qвозд /(cвозд Твозд) =2,37 (кг/с),.
где Твозд =25 — температурный перепад воздуха в решетке радиатора, К.
Массовый расход жидкости, проходящей через радиатор:
Gж = Gж pж =1,51(кг/с) Средняя температура охлаждающего воздуха, проходящего через радиатор:
Тср.возд = [Твозд.вх + (Твозд.вх + Твозд)]/2 =325,5 (К),.
где Твозд. вх =313 — расчетная температура воздуха перед радиатором, К.
Средняя температура жидкости в радиаторе:
Тср.ж = [Тж.вх + (Тж.вх — Тж))]/2 =359,5 (К),.
где Тж. вх = 364 — температура жидкости перед радиатором, К; температурный перепад жидкости в радиаторе, принимаемый по данным пункта 3.2, К.
Поверхность охлаждения радиатора:
(м2),.
где К = 160 — коэффициент теплопередачи для радиаторов легковых автомобилей, Вт/(м2К).
6.3 Расчет вентилятора карбюраторного двигателя.
Напор создаваемый вентилятором принимается Ртр =850Па.
Плотность воздуха при средней его температуре в радиаторе:
рвозд = Р0106/(RвTср.возд) =1,07 (кг/м3);
Производительность вентилятора:
Gвозд = Gвозд / рвозд =2,215 (м3/с);
Фронтовая поверхность радиатора:
Fфр.рад = Gвозд /возд =0,111 (м2),.
где возд = 20 — скорость воздуха перед фронтом радиатора без учета скорости движения автомобиля, м / с.
Диаметр вентилятора:
(м);
Окружная скорость вентилятора:
где л =3,21 -безразмерный коэффициент для плоских лопастей.
Частота вращения вентилятора:
nвент =60u/(Dвент) = 4600 (мин-1).
Мощность, затрачиваемая на привод осевого вентилятора,.
Nвент = Gвозд Ртр /(1000в) =3,14 (кВт),.
где в = 0,6 — КПД литого вентилятора.
Заключение.
В ходе данной курсовой работы были проведены тепловой расчет, динамический расчет и расчет системы охлаждения двигателя автомобиля ЗИЛ-508. На основании этих расчетов были построены диаграммы и графики, характеризующие работу данного двигателя и действующих на шатунно-поршневую группу сил и моментов при номинальном режиме работы. В данной работе были использованы 76 формул, 7 таблиц, графических иллюстраций. Также была дана сравнительная характеристика технических параметров двигателя и параметров, полученных в результате проведенных расчетов.
Список используемой литературы.
1 Автомобильные двигатели. /Архангельский С. А. Вухарт М.М., Воинов А. Н. и др. Под ред. М. С. Ховаха — Изд: Машиностроение, 1977. — 590с.
2 Конструкция и расчет автотракторных двигателей. /Вихерт М.М., Доброгаев Р. П., Лихов М. И. и др. Под ред. Степанова Ю. А. — М.: Машиностроение, 1964. — 546с.
3.Расчет автомобильных и тракторных двигателей./ A. И. Колчин, В. П. Демидов. — М.: Высш. Шк., 2002. — 496с.: ил.
4.Автомобильные и тракторные двигатели /Ленин И.М., Попык К. Г., Малашкин О. М. и др. Под ред. И. М. Ленина М.: Высшая школа, 1969,-653с.
5 Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей /Вырубов Д.П., Иващенко Н. А., ИвинВ.И. и др. Под ред. А. С. Орлина и М. Г. Круглова М.:Машиностроение, 1983, — 372 с.