Расчет автомобильного карбюраторного двигателя

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. Эта тенденция сохраняется сегодня и будет еще сохранятся в ближайшей перспективе.

Курсовое проектирование – заключительная часть учебного процесса по изучению дисциплины, раскрывающее степень усвоения необходимых знаний, творческого использования их для решения конкретных инженерных задач. Оно служит одновременно начальным этапом самостоятельной работы молодого специалиста, сокращающий период его адаптации на производстве. Целью данного курсового проектирования является расчет проектируемого автомобильного двигателя.

Министерство образования Российской Федерации

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Транспортный факультет

Кафедра автомобильного транспорта

1. Задание на курсовое проектирование

Исходные данные: Тип двигателя – карбюраторный;

Номинальная мощность =80 кВт;

Номинальная частота вращения =4400 об/мин;

Число цилиндров 4;

Степень сжатия 8,5;

Охлаждение — жидкостное;

Детали для расчета — поршень, поршневое

кольцо, шатун;

Система для расчета — охлаждения.

 Разработать:

1)Тепловой расчет рабочего цикла;

2)Расчет внешней скоростной характеристики;

3)Динамический расчет КШМ;

4)Рассчитать на прочность детали;

5)Рассчитать систему;

6)Поперечный и продольный разрезы двигателя.

Дата выдачи задания «___»_____________2005г.

Руководитель                               Калимуллин Р.Ф.

Исполнитель

Студент гр. 02ААХ-1                Полстовалов А.М.

Срок защиты проекта «___»_____________2006г.

2 Тепловой расчет рабочего цикла

2.1 Рабочее тело и его свойства

2.1.1 Топливо

Топливом для рассчитываемого двигателя служит бензин А-76

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 Горючая смесь

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

и  в кмоль возд/кг топл:

     Коэффициент избытка воздуха =0,85…0,98     Принимаем =0,9

     Действительное количество воздуха в 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:

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:

,

,

,

,

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:

.

     Изменение количества молей рабочего тела при сгорании в                                         кмоль пр.сг/кг топл:

.

     Химический коэффициент молекулярного изменения горючей смеси:

2.2 Процесс впуска

     2.2.1 Давление и температура окружающей среды

     Атмосферные условия: Р₀=0,1 МПа; Т₀=293 К.

     2.2.2 Давление и температура остаточных газов

P_r=(1,05…1,25)P_0,                    Принимаем P_r=0,12 МПа.

T_r=900…1100 К                       Принимаем T_r=1000 К.

2.2.3 Степень подогрева заряда

=0…20 К,    Принимаем  =15 К.

2.2.4 Давление в конце впуска

– средняя скорость движения заряда при максимальном открытии клапана м/с

     Принимаем ,   м/с

     Плотность заряда на впуске  в кг/м³:

Так как наддув отсутствует впуск воздуха происходит из атмосферы, то

 МПа,               К.

     Потери давления во впускном трубопроводе  в МПа:

     Давления в конце впуска в МПа:

     2.2.5 Коэффициент и количество остаточных газов

     Коэффициент остаточных газов :

     Количество остаточных газов  в кмоль ост.газов/кг топл:

.

     2.2.6 Температура в конце впуска

     Температура в конце впуска  в градусах Кельвина (К):

2.2.7 Коэффициент наполнения

.

Таблица 2.1―Рассчитанные параметры  процесса  впуска в сравнении со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей

2.3 Процесс сжатия

2.3.1 Показатель политропы сжатия

Средний показатель адиабаты сжатия :

Показатель политропы сжатия    1,36

2.3.2 Давление и температура конца процесса сжатия

Давление  в МПа и температура  в градусах Кельвина (К) а конце процесса сжатия:

;

.

2.3.3 Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси в конце сжатия

Температура конца процесса сжатия  в градусах Цельсия (ºС):

Средняя мольная теплоемкость остаточных газов в конце сжатия   в

кДж/(кмоль·град):

Средняя мольная теплоемкость остаточных газов в конце сжатия    в

кДж/(кмоль·град):

Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси    в  кДж/(кмоль·град):

;

     Таблица 2.2―  Значения параметров процесса сжатия

2.4 Процесс сгорания

     2.4.1 Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

.

2.4.2  Температура конца видимого сгорания

Температура газа  в конце видимого сгорания определяется с использованием решения уравнения сгорания, которая имеет вид:

.

где — коэффициент использования низшей теплоты сгорания на участке видимого сгорания,  =0,8…0,95       Принимаем  =0,85

— потеря теплоты вследствие химической неполноты сгорания, кДж/кг

     при <1

— средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном объеме, кДж/(кмоль·град):

.

Отдельные средние мольные теплоемкости продуктов сгорания при изменении температуры в диапазоне 1501…2800 ºС, могут быть выражены в зависимости от температуры :

;

;

;

;

.

     Получаем квадратное уравнение вида:

.

     Температура в конце видимого сгорания в градусах Цельсия (ºС):

.

    Температура  в градусах Кельвина (К):

.

2.4.3 Степень повышения давления цикла

;                  

     2.4.4 Степень предварительного расширения

=1.

2.4.5 Максимальное давление сгорания

     Максимальное давление  в МПа в конце сгорания:

     Таблица 2.3― Значения параметров процесса сгорания

2.5 Процесс расширения.

2.5.1 Показатель политропы расширения

Средний показатель адиабаты расширения :

;

.

2.5.2 Давление и температура конца процесса расширения

Степень последующего расширения:

;                    

Давление  в МПа  и температура  в градусах Кельвина (К) в конце процесса расширения:

;                 

;                   

Таблица 2.4― Значения параметров процесса расширения

     2.6 Проверка точности выбора температуры остаточных газов

     Расчетное значение температуры остаточных газов  в К:

;                    

     Расхождение между принятой величиной  и рассчитанной :

;                     

2.7 Индикаторные показатели рабочего цикла

2.7.1 Среднее индикаторное давление

     Среднее теоретическое индикаторное давление  в МПа:

;

Среднее действительное индикаторное давление действительного цикла

 в МПа:

;                     

где — коэффициент полноты индикаторной диаграммы

=0,94…0,97        Принимаем =0,96

2.7.2 Индикаторный КПД

;                        

2.7.3 Индикаторный удельный расход топлива

     Индикаторный удельный расход топлива в г/(кВт·ч):

;                         

Таблица 2.5― Значения индикаторных показателей двигателей

2.8 Эффективные показатели двигателя

2.8.1 Давление механических потерь

Принимаем: экспериментальные коэффициенты =0,034;   =0,0113

средняя  скорость поршня =9…16 м/с       =13,5 м/с

     Давление механических потерь  в МПа:

;                 

2.8.2 Среднее эффективное давление

Среднее эффективное давление  в МПа:

2.8.3 Механический КПД

;                    

2.8.4 Эффективный КПД

;                   

2.8.5 Эффективный удельный расход топлива

Эффективный удельный расход топлива  в г/(кВт·ч):

; 

Таблица 2.6― Значения эффективных показателей двигателей

2.9 Основные параметры и показатели двигателя

Рабочий объем цилиндра  в дм²:

;                 

— коэффициент тактности рабочего цикла,   =4

Диаметр цилиндра  в мм:

;                  

где — отношение линейных размеров цилиндра =0,86…1,07      

Принимаем =0,95

Ход поршня двигателя  в мм:

;                     

Округляем до 95 мм.

     Расчетная средняя скорость поршня  в м/с:

;                   

     Ошибка между принятой и расчетной средней скоростью поршня:

;                 

     Рабочий объем одного цилиндра  в дм³:

;                      

     Литраж двигателя  в дм³:

;                    

     Объем камеры сгорания  в дм³:

;                  

     Полный объем цилиндра  в дм³:

;                  .

     Эффективная мощность двигателя  в кВт:

;                  

     Поршневая мощность двигателя  в кВт/дм²:

^;                                

     Эффективный крутящий момент  в Н·м:

;                   

     Часовой расход топлива  в кг/ч:

;                   

     Масса двигателя  в кг:

;                    

где  — удельная масса рядного двигателя             =3,5 кг/кВт

     2.10 Оценка надежности двигателя

     По критерию Б.Я.Гинцбурга:

;                      

     Критерий А.К.Костина:

;

Поскольку у рассчитываемого двигателя =2,03 кВт/см не превышает значения 2,8 кВт/см, а =8,97 — значения 9,0, то ориентировочно можно считать двигатель надежным.

2.11 Тепловой баланс

Общее количество теплоты введенное в цилиндр  в Дж/с:

;                 

   Теплота , эквивалентная эффективной работе, в Дж/с:

;               

     Теплота , отводимая охлаждающей жидкостью, в Дж/с:

;

где  — коэффициент пропорциональности, =0,45…0,53     

Принимаем =0,5

 — показатель степени, =0,6…0,7       Принимаем =0,63

     Теплота , унесенная из двигателя с отработавшими газами, в Дж/с:

;

где  — температура остаточных газов, Сº:

.

 — теплоемкость остаточных газов в кДж/(кмоль·град):

;

 — теплоемкость свежего заряда в кДж/(кмоль·град):

;      .

     Теплота  потерянная при неполном сгорании топлива в Дж/с:

;                   

     Неучтенные потери теплоты  в Дж/с:

;

.

    Основные значения составляющих теплового баланса:

;                

;             

;                

;             

;            

;

Таблица 2.7― Значения составляющих теплового баланса в процентах

2.12 Построение индикаторной диаграммы

     Масштаб хода поршня  мм

     Отрезок, соответствующий рабочему объему цилиндра:

;                     мм.

     Отрезок, соответствующий объему камеры сгорания:

;                   мм.

     Отрезок, соответствующий полному объему цилиндра:

;                 мм.

     Масштаб давления  мм.

     Отрезок, соответствующий максимальному давлению:

;                 мм.

     Величины давлений в мм:

;                     мм;

;                    мм;

 ;                  мм;

;                   мм;

;                   мм.

Выбираем отношение  радиуса кривошипа  к длине шатуна

;   Принимаем .

    Таблица 2.8― Результаты расчетов политроп сжатия