Параметры окружающей среды и остаточные газы

Содержание

Введение…………………………………………………………………………….4

1 Тепловой расчёт двигателя………………………………………………………5

2 Построение индикаторной диаграммы………………………….………...…...17

3 Кинематический расчёт двигателя……………………………………………..19

4 Динамический расчёт двигателя………………………………………....……..21

5 Уравновешивание двигателя…………………………………………..….……30

6 Расчёт и проектирование деталей двигателя…………………………...……..33

6.1 Расчёт поршня…………………………………………………………..33

6.2 Расчёт поршневого пальца……………………………………………..38

6.3 Расчет поршневого кольца……………………………………………41

6.4 Расчет поршневой головки шатуна………………………………….43

6.5 Расчет стержня шатуна………………………………………………48

6.6 Расчет кривошипной головки шатуна………………………………51

6.7 Расчет шатунных болтов……… ……………………………………..53

7 Расчёт систем двигателя…………………………………………………55

7.1 Расчёт системы смазки………………………………………………..55

7.2 Расчёт системы охлаждения………………………………………….58

Литература……………………………………………………………………….60

Приложения………………………………………………………………………61

Введение

Выполнение курсового проекта песледует цель закрепления знаний по описательному разделу курса “Автомобильные двигатели” соответствующим разделам теории двигателей внутреннего сгорания и динамики поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Задачами курсового проекта являются:

1. Закрепление студентами знаний по всему курсу двигателей в сочетании со знаниями , полученными ранее по ряду общетехнических и специальных курсов, в их практическом применении к пректированию и расчёту двигателя.

2. Развитие творческих способностей и инициативы при решении инженерно-конструкторских задач в области двигателестроения.

3. Привитие навыков в работе по проектированию и призводству инженерных расчётов и пользованию справочной литературой.

4. Получение практики по обоснованию применяемых решений и по критической оценке конструкций в процессе компановки и конструктивной разработки проекта.

5. Приобретение будущими специалистами способности к краткому изложению сути и способов решения задач, мотивированному обоснованию принимаемых решений и методов убеждения.

Тепловой расчёт двигателя

Исходные данные

- тип двигателя КамАЗ-740.10 автомобильный, дизельный, четырехтактный, восьмицилиндровый, V-образный;

- частота вращения коленчатого вала мин ^-1;

- степень сжатия ;

- расчетная эффективная мощность дизеля кВт;

- коэффициент избытка воздуха дизеля без наддува ;

- вид топлива – дизельное топливо «Л» ГОСТ 305-82, средний элементарный состав: , , .

Топливо

Определяем низшую теплоту сгорания топлива

Q_H = 33,91∙C+125,6∙H-10,89∙(O-S)-2,51∙(9∙H+W) = 42,5 МДж/кг. (1.1)

Параметры рабочего тела

Определяем теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

, кг,

(1.2)

где - процентное содержание углерода в топливе, %;

- процентное содержание водорода в топливе, %;

- процентное содержание кислорода в топливе, %.

кг.

, кмоль,

(1.3)

где - молекулярная масса воздуха, кг/моль ( кг/моль);

, кмоль

Определяем количество свежего заряда

, кмоль,	(1.4)
кмоль;

Определяем общее количество продуктов сгорания

, кмоль; кмоль;

(1.5)

Параметры окружающей среды и остаточные газы

Принимаем атмосферные условия МПа, К.

Определяем давление и температуру остаточных газов

МПа; МПа.

(1.6)

Принимаем К.

Процесс впуска

Принимаем температуру подогрева свежего заряда .

Определяем плотность заряда на впуске

, кг/м 3,

(1.7)

где - удельная газовая постоянная для воздуха, Дж/кг·град ( Дж/кг·град);

кг/м 3.

В соответствии со скоростным режимом работы двигателя и качеством обработки внутренней поверхности принимаем коэффициент , а скорость движения заряда м/с

Определяем потери давления на впуске в двигатель

, МПа; МПа.

(1.8)

Определяем давление в конце впуска

, МПа; МПа.

(1.9)

Определяем коэффициент остаточных газов

; .

(1.10)

Определяем температуру в конце впуска

, К; К.

(1.11)

Определяем коэффициент наполнения

; .

(1.12)

Процесс сжатия

Определяем показатель адиабаты сжатия в функции и по номограмме .[1]

Определяем показатель политропы сжатия в зависимости от =1,369, который устанавливается в пределах

.

(1.13)

Принимаем равное

Определяем давление в конце сжатия

, МПа; МПа;

(1.14)

Определяем температуру в конце сжатия

, К; К;

(1.15)

Определяем среднюю молярную теплоемкость заряда (воздуха) в конце сжатия (без учета влияния остаточных газов)

, кДж/(кмоль∙град); кДж/(кмоль∙град);

(1.16)

Определяем число молей остаточных газов

, кмоль; кмоль;

(1.17)

Определяем число молей газов в конце сжатия до сгорания

, кмоль; кмоль.

(1.18)

Процесс сгорания

Определяем среднюю молярную теплоемкость продуктов сгорания в дизеле при постоянном давлении, при

, кДж/(кмоль∙град); = кДж/(кмоль∙град).

(1.19)

Определяем число молей газов после сгорания

, кмоль; кмоль.

(1.20)

Определяем расчетный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

; .

(1.21)

Принимаем коэффициент использования теплоты . Тогда количество теплоты, передаваемое газом на участке индикаторной диаграммы при сгорании 1 кг топлива определится как

, кДж/кг; кДж/кг.

(1.22)

Температуру в конце сгорания определяют из уравнения сгорания

;

(1.23)

Решаем полученное квадратное уравнение относительно и находим его значение К.

Определяем давление в конце процесса сгорания

, МПа,

(1.24)

где - степень повышения давления .

МПа.

Определяем степень предварительного расширения

.

(1.25)

Процесс расширения

Определяем степень последующего расширения

;

(1.26)

Показатель политропы расширения для дизеля определяем по номограмме [1], учитывая, что его значение незначительно отличаются от значения показателя адиабаты расширения , .

Определение показателя политропы расширения производим следующим образом.

По имеющимся значениям и определяем точку пересечения. Через полученную точку проводим горизонталь до пересечения с вертикалью, опущенной из точки , получая какое-то значение . Далее двигаемся по этой кривой до пересечения с вертикалью, опущенной из заданного значения . Ордината точки пересечения дает искомое значение .

Определяем давление процесса расширения

, МПа; МПа.

(1.27)

Определяем температуру процесса расширения

, К; К.

(1.28)

Проверяем правильность ранее принятого значения температуры остаточных газов (погрешность не должна превышать для номинального скоростного режима).

, К; К.

(1.29)

Погрешность расчета составляет

; .

(1.30)

Расчет поршня

На основании данных расчетов (теплового, скоростной характеристики и динамического) определяем: диаметр цилиндра мм, ход поршня мм, максимальное давление сгорания МПа при частоте вращения мин^-1, площадь поршня см ^2, наибольшую нормальную силу МН при угле , массу поршневой группы кг, максимальную частоту вращения холостого хода мин ^-1, значение .

В соответствии с существующими аналогичными двигателями и с учетом соотношений, приведенных в табл. 7.1 [1] принимаем: высоту поршня мм, высоту юбки поршня мм, радиальную толщину кольца мм, радиальный зазор кольца в канавке поршня мм, толщину стенки головки поршня мм, величину верхней кольцевой перемычки мм, число и диаметр масляных каналов в поршне и мм.

Назначаем материал поршня - алюминиевый сплав, 1/К;

материал гильзы цилиндра - серый чугун, 1/К.

Определяем напряжение сжатия в сечении x-x (рис. 7.1)

, МПа, (6.1)

где - максимальная сила давления газов на днище поршня.

- площадь сечения х-х, м ².

, МН; (6.2)

- площадь поршня, м ²;

МН.

, м ², (6.3)

- внутренний диаметр поршня, м;

м - диаметр поршня по дну канавок.

, м; (6.4)

м

м ² - площадь продольного диаметрального сечения масляного канала.

, м ²; (6.5)

м ².

м ².

МПа..

Определяем напряжение разрыва в сечении х-х

, МПа.; (6.6)

Сила инерции возвратно-поступательных масс определяется для режима максимальной частоты вращения при холостом ходе двигателя

, МН, (6.7)

где - радиус кривошипа, м;

- масса головки поршня с кольцами, расположенная выше сечения х-х.

, кг, (6.8)

- масса поршневой группы, кг

кг.

- максимальная угловая скорость холостого хода двигателя

, рад/с, (6.9)

- максимальная частота вращения коленчатого вала при холостом ходе двигателя, мин-1.

рад/с.

- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, .

МН.

МПа..

Определяем напряжения среза кольцевой перемычки

, МПа;. (6.10)

МПа.

Определяем напряжения изгиба кольцевой перемычки

, МПа, (6.11)

где и - диаметр цилиндра и толщина верхней кольцевой перемычки, м и м.

МПа..

Сложное напряжение определится

, МПа (6.12)

МПа,

МПа < МПа..

Определяем удельные давления юбки поршня и всей высоты поршня на стенку цилиндра

, МПа, (6.13)

, МПа (6.14)

где - высота юбки поршня, м;

- высота поршня, м;

- наибольшая нормальная сила, действующая на стенку цилиндра при работе двигателя на режиме максимальной мощности, МН.

МПа;

МПа.

Для автотракторных двигателей МПа и МПа.

Определяем условие гарантированной подвижности поршня в горячем состоянии.

В целях предотвращения заклинивания поршней при работе двигателя размеры диаметров головки и юбки поршня определяют, исходя из наличия необходимых монтажных зазоров и между стенками цилиндра и поршня в холодном состоянии

, мм; (6.15)

мм.

, мм; (6.16)

мм.

Диаметры головки и юбки поршня с учетом монтажных зазоров определяют по формулам

, мм; (6.17)

мм.

, мм; (6.18)

мм.

Правильность установленных размеров и проверяют в горячем состоянии по формулам

, мм, (6.19)

, мм, (6.20)

где и - диаметральные зазоры в горячем состоянии соответственно между стенкой цилиндра и головкой поршня и между стенкой цилиндра и юбкой поршня, мм;

и - коэффициенты линейного расширения материалов цилиндра и поршня

- для чугуна 1/К;

- для алюминиевых сплавов 1/К;

, , - соответственно температура стенок цилиндра, головки и юбки поршня в рабочем состоянии, К, К и К;

- начальная температура цилиндра и поршня, К.

мм;

мм.

Тепловые зазоры обеспечены.

Расчет поршневого пальца

Основные конструктивные размеры поршневых пальцев принимаем из табл. 7.1[1] или по данным прототипа. Кроме того по данным теплового расчета принимаем: максимальное давление сгорания МПа, наружный диаметр пальца мм, внутренний диаметр пальца мм, длина пальца мм, длина опорной поверхности пальца в головке шатуна мм, расстояние между торцами бобышек мм. Материал поршневого пальца - сталь 15Х, МПа. Палец плавающего типа.

Определяем расчетную силу, действующую на палец

, МН, (6.21)

где - максимальное давление газов на номинальном режиме работы,

МПа;

- коэффициент, учитывающий массу поршневого пальца, ;

- сила инерции поршневой группы при .

, МН, (6.22)

- угловая скорость при номинальной частоте вращения.

, рад/с, (6.23)

- номинальная частота вращения коленчатого вала, мин ^-1.

рад/с;

МН;

МН.

Определяем удельное давление пальца на втулку поршневой головки шатуна

МПа, (6.24)

где - наружный диаметр пальца, м;

- длина опорной поверхности пальца в головке шатуна, м.

МПа.

Определяем удельное давление пальца на бобышки

, МПа, (6.25)

где - общая длина пальца, м;

- расстояние между торцами бобышек, м;

- длина опорной поверхности пальца в бобышках, м.

МПа..

Для автомобильных двигателей МПа и МПа.

Определяем напряжение изгиба в среднем сечении пальца

, МПа, (6.26)

где - отношение внутреннего диаметра пальца к наружному.

МПа.

< МПа.

Определяем касательные напряжения среза в сечениях между бобышками и головкой шатуна

, МПа (6.27)

МПа.

< МПа.

Определяем наибольшее увеличение горизонтального диаметра пальца при овализации

, мм, (6.28)

где - модуль упругости материала пальца, МПа.

мм.

Значение не должно быть больше 0,02…0,05 мм.

Определяем напряжения овализации на внешней поверхности пальца

- в горизонтальной плоскости

, МПа; (6.29)

МПа.

- в вертикальной плоскости

, МПа, (6.30)

МПа.

Определяем напряжения овализации на внутренней поверхности пальца

- в горизонтальной плоскости

,МПа; (6.31)

,МПа.

- в вертикальной плоскости

,МПа; (6.32)

, МПа.

Наибольшее напряжение овализации возникает на внутренней поверхности пальца в горизонтальной плоскости

< МПа.

Расчет поршневого кольца

Основные данные для расчета принимаются из табл. 7.1 [1]. Материал кольца - серый чугун, МПа.

Определяем среднее значение давления кольца на стенку цилиндра

, МПа, (6.33)

где - модуль упругости материала кольца, МПа;

- радиальная толщина кольца, мм;

- разность между величинами зазоров кольца в свободном и рабочем состояниях.

, мм; (6.34)

мм.

МПа.

МПа < МПа.

Определяем давление кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности и заносим в таблицу

, МПа, (6.35)

где - переменный коэффициент, определяемый изготовителем в соответствии с принятой формой эпюры давления кольца на зеркало цилиндра.

Таблица 6.1 - Параметры для расчета каплевидной эпюры давления кольца на стенку цилиндра

Угол
Коэффициент	1,05	1,05	1,14	0,9	0,45	0,67	2,85
Давление , МПа	0,193	0,193	0,209	0,165	0,083	0,123	0,523

По полученным данным строим эпюру давления кольца на стенку цилиндра (приложение В).

Определяем напряжение изгиба кольца в рабочем состоянии

, МПа; (6.37)

МПа.

Определяем напряжение изгиба при надевании кольца на поршень

, МПа, (6.38)

где - коэффициент, зависящий от способа надевания кольца, .

МПа.

МПа и .

Определяем монтажный зазор в замке поршневого кольца

, мм, (6.39)

где - минимально допустимый зазор в замке кольца во время работы двигателя, мм;

и - коэффициенты линейного расширения материала кольца и гильзы цилиндра, 1/К;

, и - соответственно температура кольца, стенок цилиндра в рабочем состоянии и начальная температура, К, К и К.

мм.

Расчет стержня шатуна

Определяем силу инерции, растягивающую шатун при номинальной частоте вращения

, МН, (6.61)

где - масса поршневой группы, кг;

- масса шатуна, кг.

- угловая скорость при номинальной частоте вращения, рад/с;

- номинальная частота вращения коленчатого вала, мин ^{- 1}.

МН.

Определяем максимальную силу давления газов, сжимающую шатун

, МН, (6.62)

где - атмосферное давление, МПа;

- давление сгорания в цилиндре двигателя, МПа..

МН.

Определяем суммарное напряжение при сжатии с учетом продольного изгиба в плоскости качания шатуна

, МПа; (6.63)

МПа,

где - коэффициент, учитывающий продольный изгиб, .

, м ², (6.64)

м ²

Площадь шатуна в расчётном сечении, определяют после конструктивной проработки шатуна.

Значения м, м, м принимаются из табл. [1].

Определяем суммарное напряжение при сжатии с учетом продольного изгиба в плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна

, МПа, (6.65)

где - коэффициент, учитывающий продольный изгиб шатуна в плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна, .

МПа;

МПа < МПа;

МПа < МПа.

Определяем напряжение растяжения

, МПа; (6.66)

МПа.

Определяем амплитуду напряжения в плоскости х сечения шатуна

, МПа; (6.67)

МПа.

Определяем среднее напряжение в плоскости х сечения шатуна

, МПа; (6.68)

МПа.

Определяем амплитуду напряжения в плоскости y сечения шатуна

, МПа; (6.69)

МПа.

Определяем среднее напряжение в плоскости y сечения шатуна

, МПа; (6.70)

МПа.

Определяем запас прочности шатуна в плоскости x

; (6.71)

.

Определяем запас прочности шатуна в плоскости y

, (6.72)

где - коэффициент приведения цикла при растяжении-сжатии и зависящий от материала, ;

- коэффициент, учитывающий влияние технологического фактора (обработки поверхности), ;

- предел выносливости материала при растяжении, МПа.

.

Запасы прочности и для шатунов не должны быть ниже 1,5…2,5.

Расчет шатунных болтов

Принимаем: номинальный диаметр бол