Проектування дизельного двигуна по прототипу Д 37м

Федеральних державних освітніх
УСТАНОВА ВИЩОЇ ОСВІТИ
(ФГТУ ВПО)
Далекосхідного державного АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ТРАКТОРИ І АВТОМОБІЛІ

Особливості та тенденції розвитку конструкцій автомобільних і тракторних двигунів повністю визначаються вимогами, що пред'являються до автомобілів і тракторів промисловістю та сільським господарством. Ці вимоги зводяться до забезпечення максимальної продуктивності автомобіля і трактора, мінімальної вартості перевезень і виконуваних трактором робіт при надійної та безпечної їх роботі. Основні вимоги, які пред'являються до автомобільних і тракторних двигунів, наступні:
1. Розвиток необхідної потужності двигунів при різних швидкостях руху автомобіля (або трактора); володіння хорошою приемистостью при рушанні автомобіля (або трактора) з місця і при зміні його робочих режимів.
2. Максимально можлива економічність на всіх режимах роботи.
3. Простота конструкції, що спрощує умови випуску і наступних ремонтів автомобільних і тракторних двигунів і що полегшує умови їх обслуговування і експлуатації.
4. Низька виробнича вартість, що досягається за рахунок забезпечення технологічності конструкції деталей автомобільних і тракторних двигунів, зниження їх ваги та застосування повноцінних замінників металів.
5. Можливо меншу питому і літровий ваги двигуна, що досягаються без зниження надійності і довговічності його роботи.
6. Малі габарити двигуна.
7. Максимально доцільне урівноваження двигуна і необхідна рівномірність ходу.
8. Зручність в експлуатації, а також простота і зручність ремонту і технічного обслуговування в гаражних, дорожніх та польових умовах.
9. Висока надійність і довговічність роботи.
У відповідності з перерахованими вимогами інструкції вітчизняних автомобільних і тракторних двигунів розвиваються і удосконалюються в напрямках максимального їх відповідності умовам експлуатації, підвищення економічності та зниження собівартості.

Тепловий розрахунок двигуна
1. Вибір вихідних даних
Одним з найважливіших розділів курсової роботи по розрахунку ДВЗ є вибір вихідних даних для теплового розрахунку.
Правильний вибір зазначених даних гарантує малі витрати при його доведенні двигунів і високий рівень техніко-економічних показників при експлуатації.
1.1.1 Ступінь стиснення
Ступінь стиснення в автотракторних дизелях зазвичай знаходиться в межах від 14 до 22 і вибирається з умов забезпечення хороших пускових якостей і надійної експлуатації. Зі збільшенням ступеня стиснення економічність дизеля поліпшується, однак при цьому ростуть теплові навантаження на деталі поршневої групи і збільшуються знос.
Вибір ступеня стиску для дизелів перш за все визначається формою камери згоряння і способом сумішоутворення. Залежно від цих параметрів значення ступеня стиску 8 у дизелів знаходяться за довідковими даними (табл. 1.).
1.1.2 Розміри циліндра і швидкість поршня
Розмірами циліндра - діаметр і хід поршня є конструктивними основними параметрами двигуна. Діаметр циліндра D визначається за нижче наведеною формулою згідно з обраною відносною величиною S / D, безпосередньо пов'язаної зі швидкістю поршня.
S / D = 140/130 = 1.08

Де S - хід поршня, D-діаметр поршня.
Для автомобільних дизелів середня швидкість поршня при оптимальній частоті обертання варіює у таких межах: 6,5 ... 12 м / с. Для даного двигуна вибираємо середню швидкість поршня 10 м / с.
1.2 Процес впуску
1.2.1 Тиск в кінці впуску Ра і Рк
Тиск в кінці впуску Ра - основний фактор, що визначає кількість робочого тіла, що надходить в циліндр двигуна. Велика кількість чинників, що впливають на Ра, ускладнює точне теоретичне визначення цього тиску. Тиск в кінці впуску Ра для двигунів без наддуву з достатнім ступенем точності може бути визначено за формулою:
Ра = Ро (1-0,55 n 10 ^-4) МПа
Ра = 0,1033 (1-0,55 * 2200 * 10 ^-4) = 0,09 МПа
Де Р ₀ - атмосферний тиск, МПа; n - число обертів, об / хв.
1.2.2 Температура свіжого заряду Т ^/ ₀
Температура свіжого заряду визначається за формулою:
, Де = 288
T _'0 = 20 +288 = 308 º K
Т ₀ - температура навколишнього середовища, .
- Приріст температури свіжого заряду,
Т ^/ ₀ = 308 Т ₀ = 288

1.2.3 Температура залишкових газів T _r
Ця температура залежить від ряду факторів, у тому числі від складу суміші, частоти обертання, ступеня стиснення і ін При номінальному режимі температура залишкових газів варіює в межах T _r = 700 ... 900
T _r = 800
1.2.4 Тиск в кінці впуску P _r
Це тиск залежить від навантаження, частоти обертання, опору випускної системи газорозподілу та ін З достатнім ступенем точності для двигунів без наддуву P _r можна визначити за формулою:
, МПа
, МПа
1.2.5 Коефіцієнт наповнення
Коефіцієнт наповнення визначає потужності показники двигуна і залежить від особливостей впускної системи.
Для чотиритактних двигунів коефіцієнт наповнення знаходиться за формулою: ;
1.2.6 Коефіцієнт залишкових газів
Коефіцієнт залишкових газів визначається за формулою:
;

1.2.7 Температура кінця впуску Т _a
Температура кінця впуску характеризує дію зовнішніх конструктивних показників на процес впуску свіжої горючої суміші в циліндри двигуна і визначається за формулою:
;
1.3 Процес стиснення
1.3.1 Температура і тиск в кінці стиснення
Стиснення свіжого заряду в циліндрі двигуна внутрішнього згоряння протікає в умовах безперервного теплообміну між зарядом і стінками циліндра і камери згоряння, а також в умовах його витоків через зазори в кільцях. Тиск кінця стиснення підраховується за формулою:

, МПа
А температура кінця стиснення
, До

Де n ¹ - показник політропи стиснення.

1.4 Процес згоряння
1.4.1 Визначення дійсного кількості необхідного повітря
Для визначення параметрів згоряння слід, перш за все, визначити кількість, склад і теплоємність газів до і після згоряння.
Кількість молей газу в кінці такту стиснення складається з свіжого заряду L і залишкових газів M _r.

Вибравши складу палива по С, Н _2, О ₂ у відсотках визначають теоретичні кількість кисню О ^/, необхідне для спалювання 1 кг палива
, Кг
, Кг
Відповідно теоретичне кількість повітря можна висловити за масою і в кіломолях L ₀
, Кг і , Кмоль / кг
, Кг кмоль / кг
Значення для сучасних автотракторних двигунів вибираємо
Дійсне число молей повітря і палива складається:
; , Де m _T - молекулярна маса палива.
Коефіцієнт залишкових газів можна також представити ще як відношення: ;
Де М _r - кількість молей залишкових газів. Тоді число молей перед початком згоряння можна записати
кмоль / кг
Склад продуктів М залежить від коефіцієнта надлишку повітря при
; , Кмоль / кг
= 0,6835625 +0,026 = 0,702
Дійсний (розрахунковий) коефіцієнт молекулярного зміни, що представляє собою відношення числа молей газів в циліндрі після згоряння М _Z і числу молей до згоряння М _З

1.4.3 Рівняння згоряння для дизеля
Приймають, що згоряння протікає при V = const і P = const, а рівняння згоряння має наступний вигляд:





_{Нижча питома теплота згоряння палива}




1.5 Процес розширення
У дійсних циклах двигунів внутрішнього згоряння розширення газів протікає по політропи зі змінним показником політропи розширення на показник політропи впливає низка чинників, найважливішими з яких є: Догорание паливоповітряної суміші, витік газів через кільця, інтенсивність відводу тепла в охолоджуючу середовище тощо
Тиск в кінці розширення визначається за такими формулами для дизеля:
;
_;
ступінь подальшого розширення.
Температура в кінці випуску,
;
1.6 Процес випуску
Під час ходу випуску тиску газів безперервно змінюється. Воно залежить від навантаження, кількості обертів, фаз газорозподіл і ряду інших чинників.
Вплив усіх цих факторів теоретично важко врахувати.
Тому тиск випуску приймають постійним, рівним середньому значенню за випуск.
Температура і тиск кінця випуску визначається за вищенаведеними формулами.
1.7 Розрахунок індикаторних і ефективних показників двигуна
1.7.1 Побудова індикаторної діаграми
Індикаторна діаграма будується у верхньому лівому куті аркуша формату А1.
Спочатку треба вибрати масштаби діаграми з таким розрахунком, щоб відношення висоти діаграми до її ширини було близько до 2:1.
Відрізок , Що відповідає в деякому масштабі ходу поршня або робочому об'єму циліндра, рекомендується відкладати рівним 100 ... 150 мм
Відрізок в мм, відповідний об'єму камери згоряння, знаходять з виразу:
;
Відрізок (В мм) для індикаторної діаграми дизеля визначається з рівняння:
;
Через точки, відповідні обсягами зробити вертикальні лінії. Через точку, що відповідає тиску проводять лінію атмосферного тиску.
Визначити орієнтовний масштаб тисків у МПа / мм для побудови індикаторної діаграми за формулою:
;
1.7.2 Визначення середнього індикаторного тиску
Середнє теоретичне індикаторне тиск можна підрахувати з аналітичної формулою:


Дійсне середнє індикаторне тиск буде дорівнювати

Де - Коефіцієнт, що враховує зкруглення діаграм;
-Втрата середнього індикаторного тиску на вчинення допоміжних ходів.

1.7.3 Середнє ефективне тиск
Середнє ефективне тиск визначається за рівнянням

Середній тиск механічних втрат в двигуні Рт підраховується за такими емпіричними формулами, в МПа для дизеля
, МПа
1.7.4 Коефіцієнти корисної дії
Індикаторний ККД розраховується за формулою:


Де - Повинна бути для двигунів, що працюють на рідкому паливі, в кДж / кг.
Механічний ККД визначається за формулою

Ефективний ККД

1.7.5 Питома і часовий витрати палива
Індикаторний і питома витрати палива підраховуються за формулами:

Часовий витрата палива для двигунів визначається з виразу в кг / год


1.8 Основні розміри циліндра і питомі показники двигуна
Визначаємо одного циліндра в літрах

Вибравши відношення ходу поршня S до діаметру D, визначаємо діаметр циліндра

, Мм
За значеннями S і n перевірити і зіставити середню швидкість поршня з раніше прийнятим значенням за формулою:

Для проектованого двигуна необхідно розрахувати питому поршневу потужність:


Питома літрова потужність

1.9 Тепловий баланс двигуна
Тепловий баланс оцінює розподіл тепла, що вноситься в двигун паливом, що йде на корисну роботу і на втрати.
Кількість теплоти, що виділяється при згорянні вводиться в двигун палива (1 кг).

Тепло, що йде на індикаторну роботу

Тепло, що використовується на ефективну роботу


Тепло, витрачений на роботу тертя і привід допоміжних механізмів

Тепло, понесене з відпрацьованими газами

Тепло, понесене охолоджуючої водою в сумі з необлікового втратами

1.10 Побудова регуляторної характеристики тракторного дизеля
З достатнім ступенем точності ефективної крутний момент на безрегуляторной галузі характеристики тракторного дизеля в залежності від швидкості обертання колінчастого валу може бути описаний таким рівнянням:




Відповідно обчислюємо значення Ме визначаються ефективні потужності Nе за формулою:


Максимальне значення частоти обертання холостого ходу
Визначається при максимальному швидкісному режимі за формулою


Значення ефективного питомої витрати палива з прототипу на характеристику проектованого двигуна або шляхом підрахунку цих витрат для прийнятих значень частоти обертання за формулою:


Знаючи , для заданих значень частоти обертання, за безрегуляторной галузі характеристики проектованого двигуна, не важко підрахувати значення годинної витрати палива за формулою:
(62)

кг / год
кг / год
кг / год
кг / год
кг / год
Часовий витрата палива при максимальних неодружених оборотах приймається рівним 30% від витрати при максимальній потужності.

2. Кінематичний розрахунок двигуна
2.1 Кінематика кривошипно-шатунного механізму
Величина інерційних зусиль, а також частково зусиль від тиску газів, знаходиться в залежності від співвідношення розмірів, що характеризують кривошипний механізм. Такими розмірами в центральному кривошипному механізмі є радіус кривошипа r і довжина шатуна l.
При невідомому r і l задаємося величиною
Для сучасних автомобільних і тракторних двигунів змінюється в межах.
або
Для проектованого двигуна значення .
Радіус кривошипа дорівнює м.
2.2 Переміщення (шлях) поршня
Переміщення поршня в метрах, в залежності від кута повороту кривошипа для двигуна з центральним кривошипно-шатунним механізмом з достатньою для практичних розрахунків точністю виражається наступним рівнянням:
(63)

Таблиця 1. Значення виразу

	Значення
	0	30	60	90	120	150	180
0,278	0,000	0,169	0,604	1,130	1,604	1,901	2,000

Переміщення поршня дорівнюватиме
м,
м,
м,
м,
м,
м,
м.
2.3 Швидкість поршня
При переміщенні поршня швидкість його руху є величиною переміною і при постійному числі обертів залежить тільки від зміни кута повороту кривошипа і величини .
Взявши похідну від переміщення поршня по куту повороту кривошипа і враховуючи, сто кутова швидкість колінчатого вала є постійною, тобто отримаємо:
. (64)
Кутова швидкість дорівнюватиме

рад / с.
Значення множника в рівнянні (64) укладеного в дужки в залежності від наведені в таблиці 2.
Таблиця 2. Значення вираження

	Значення
	0	30	60	90	120	150	180
0,278	0,000	0,622	0,990	1,000	0,742	0,378	0,000

Швидкість поршня буде дорівнює
м / с,
м / с,
м / с,
м / с,
м / с,
м / с,
м / с.
2.4 Прискорення поршня
Прискорення поршня визначається як перша похідна від швидкості за часом:
(65)

Значення множника в рівнянні (65) укладеного в дужки в залежності від наведені в таблиці 3.
Виходячи з формули (65), максимальне значення прискорення поршня м / с ^2, має місце при .
(66)
Користуючись рівнянням (65) даними таблиці 3, аналітичним шляхом визначають значення прискорення поршня для ряду значень кута в інтервалі від 0 до 360 ⁰ і будують криву .

Таблиця 3. Значення виразу

	Значення
	0	30	60	90	120	150	180
0,278	1,278	1,005	0,361	0,278	0,639	0,727	0,722
Знак	+	+	+	-	-	-	-

Прискорення поршня дорівнюватиме
м / с ^2,
м / с ^2,
м / с ^2,
м / с ^2,
м / с ^2,
м / с ^2,
м / с ^2.


3 Динамічний розрахунок двигуна
3.1 Сила тиску газів
Під час роботи двигуна на кривошипно-шатунний механізм діють сили тиску газів і сили інерції. Сили інерції мас кривошипно-шатунного механізму, що рухаються зі змінними за величиною і напрямком швидкостями, виникають на всіх режимах роботи двигуна і для ряду деталей є основними розрахунковими силами.
Для визначення характеру зміни сил за кутом повороту колінчастого вала їх величини визначають для ряду окремих положень валу, звичайно через кожні 30 ^о.
Поправка за методом Брикса:
Сила тиску газів на поршень, Н
, (67)
де - Тиск газів в циліндрі, МПа;
- Тиск навколишнього середовища, МПа;
- Площа поршня, м ^2, м ²
Н
3.2 Приведення мас кривошипно-шатунного механізму
Маса зворотно-рухомих частин m на підставі зробленого вище припущення представляється сумою

, (68)
де - Маса поршневого комплекту, кг;
- Маса шатуна, зосереджена у верхній голівці і здійснює зворотно-поступальний рух, кг.
Маса неврівноважених обертових частин рівна:
, (69)
де - Неврівноважена і редукована на радіус r маса одного коліна (частина щік шатунной шийки колінчастого валу);
- Маса шатуна, зосереджена в нижній головці і здійснює обертальний рух.
кг / м ^2, кг;
кг / м ^2, кг;
кг / м ^2, кг.
При розрахунках маси можна прийняти:
кг,
кг
Маса зворотно-рухомих частин
кг
Маса неврівноважених обертових частин рівна:
кг

3.3 Сили інерції
Сили інерції, що діють в кривошипно-шатунний механізм, відповідно до характеру руху наведених мас на сили інерції поступального рухомих мас і відцентрової сили інерції обертових мас .
Сила інерції від зворотно-поступально рухомих мас визначається
, (70)
або
. (71)
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н.
Неврівноважені обертові частини дають відцентрову силу інерції
(72)

Н
3.4 Сумарні сили, що діють в кривошипно-шатунном механізмі
Сумарні сили, що діють в кривошипно-шатунном механізмі, визначаються шляхом алгебраїчного додавання газових сил і сил інерції зворотно-поступально рухомих мас.
. (73)
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н
Сила Т, спрямована по дотичній до траєкторії центру шийки кривошипа:
. (74)
Чисельне значення тригонометричної функції, що входить в рівняння тангенціальною сили Т, для різних λ і кутів повороту колінчастого валу α наведені в таблиці 4.
Таблиця 4. Значення виразу

	Значення
	0	30	60	90	120	150	180	210	240	270	300	330	360
0,264	0	0,615	0,983	1,0	0,749	0,385	0	0,385	0,749	1,0	0,983	0,613	0
Знак	+	+	+	+	+	+	+	-	-	-	-	-	-

,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
Н,
,

4. Розрахунок маховика
Для автомобільних двигунів, що працюють зазвичай з великою недовантаженням, характерний полегшений розгін машини і тому маховик автомобільного двигуна, як правило. має мінімальні розміри.
Розрахунок маховика зводиться до визначення моменту інерції J _м маховика, махового моменту m _м D ² _ср, основних розмірів і максимальної окружної швидкості.

m = 70 кг-маса маховика.
D _ср - середній діаметр маховика.
За величиною махового моменту проводиться підбір основних розмірів маховика, керуючись в основному міркуваннями конструктивного характеру. Так, діаметр маховика вибирають з урахуванням габаритів двигуна, можливості розміщення механізму зчеплення.
Для наближених розрахунків можна прийняти
м
м

За умовами міцності зовнішній діаметр D _м маховика повинен бути обраний з урахуванням забезпечення допустимих окружних швидкостей

м / сек
м / с
Окружна швидкість:
Для сталевих маховиків м / сек.

Висновок
У даному курсовому проекті був запроектований дизельний двигун по прототипу Д-37м.
У результаті розрахунків були визначені основні параметри двигуна:
- Ефективна потужність двигуна N _e = 140 кВт;
- Частота обертання колінчастого вала при номінальній потужності двигуна n _g = 2200 об / хв;
- Питома витрата палива при номінальній потужності двигуна g _e = 257 р. / кВт.год;
- Годинна витрата палива при номінальній потужності двигуна G _т = 11,55 кг / ч.
А також:
- Виробив розрахунки процесів впуску, згоряння, стиснення, розширення, випуску;
- Розрахував основні розміри циліндра і поршня;
- Побудував регулювальну характеристику дизеля;
- Виробив кінематичний розрахунок двигуна;
- Розрахував маховик.

Список використаної літератури
1. Артамонов, М.Д. Теорія, конструкція та розрахунок автотракторних двигунів / М.Ц. Артамонов, Т.Г. Панкратов. - М.: - Машгиз, 1963. - 520 с.
2. Болтінскій, В.М. Теорія, конструкція та розрахунок тракторних та автомобільних двигунів / В.М. Болтінскій. - М.: Изд-во с.-г. літ-ри і плакатів, 1962. - 388 с.
3. Віхерт, М.М. Конструкція і розрахунок автотракторних двигунів / М.М. Віхерт, Р.В. Доброгаев, - М.: Машгиз, 1967. - 604 с.
4. Желєзко, Б.Є. Розрахунок і конструювання автомобільних і тракторних двигунів / Б.Є. Желєзко. - Мінськ: Вища школа, 1987. - 246 с.
5. Колчин, А.І. Розрахунок автомобільних і тракторних двигунів / А.І. Колчин, В.П. Демидов. - М.: Вища школа, 1971. - 344 с.
6. Колчин, А.І. Розрахунок автомобільних і тракторних двигунів / А.І. Колчин, В.П. Демидов. - М.: Вища школа, 2003. - 496 с.
7. Конкс, Г.А., поршневі ДВЗ / Г.А. Конкс, В.А. Лашко / / Хабаровськ, видавництво тогу, 2006. - 559 с.
8. Ленін, І.М. Автомобільні та тракторні двигуни / І.М. Леніен, К.Г. Попик. - М.: Вища школа, 1969. - 368 с.
9. Лишевскій, А.С. Проектування двигунів внутрішнього згорання / А.С. Лишевскій А.А. Кутько. - Новочеркаськ, 1971. - 334 с.
10. Ніколаєнко, А.В. Теорія, конструкція та розрахунок автотракторних двигунів / О.В. Ніколаєнко. - М.: Колос, 1992. - 335 с.
11. Орлін, А.С. Двигуни внутрішнього згоряння / А.С. Орлін, Л.М. Вирубок. - М.: Машгиз, - 1982. Т. 2.-с. 6-36.
12. Попик, К.Г. Динаміка автомобільних і тракторних двигунів / Г.К. Попик. - М.: Вища школа, 1970. - 380 с.
13. Попик. К.Г. Конструювання і розрахунок автомобільних і тракторних двигунів / К.Г. Попик. - М.: Вища школа, 1968. - 383 с.