ВСТУП
Сучасні двигуни внутрішнього згорання широко застосовуються у всіх галузях техніко-економічної діяльності, досягли високого ступеня вдосконалення, продовжуючи тенденцію безперервного зростання питомих (літрової і поршневої) потужностей, зниження питомої металомісткості, витрат палива і мастил, токсичності відпрацьованих газів, зростання надійності і довговічності.
Двигуни внутрішнього згорання широко застосовуються на транспорті в якості автомобільних, тракторних, суднових, локомотивних силових агрегатів. Аналіз тенденцій розвитку конструкцій легкових і вантажних автомобілів свідчить про значні перспективи використання поршневих двигунів у середньостроковій перспективі на 15…20 років.
Розвиток двигунів тісно пов’язаний з підвищенням продуктивності роботи, поліпшенням експлуатаційних та економічних характеристик, зменшенням витрат при виготовленні, економією експлуатаційних матеріалів, поліпшенням процесів обслуговування й ремонту автомобілів, тим більше, що сучасний рівень життя характеризується поступовим зменшенням світових запасів нафти і значним підвищенням вимог до економічності і екологічності двигунів.
Досягнення сучасних показників і характеристик двигунів пов’язані з використанням їх прогресивних конструкторських схем, конструкцією систем, механізмів, вузлів, використанням ефективних робочих процесів.
На сучасних автомобілях широко використовуються двигуни з впорскуванням палива, конструкції яких продовжують вдосконалюватись.
Подальший розвиток їх буде здійснюватись у напрямі підвищення паливної економічності при значному зменшенні токсичності відпрацьованих газів. Вирішення цих задач можливе при роботі двигунів на збіднених паливно-економічних сумішах, інтенсифікації процесу згоряння шляхом використання різних форм камер згоряння, застосування систем впорскування легкого палива, заміщення нафтових моторних палив альтернативними, використання електроніки і мікропроцесорної техніки у системах паливоподачі, керування роботою двигунів тощо.
1 Обгрунтування вибору типу і основних
параметрів двигуна
Тип двигуна – бензиновий, інжекторний.
Тактність двигуна по даних двигуна - прототипу і згідно сучасних тенденцій двигунобудування приймається чотирьохтактний - 4.
Компоновка двигуна рядний, чотирьоциліндровий (по прототипу).
Тип КШМ – центральний (по прототипу).
Тип ГРМ - верхньоклапанний по два клапани на циліндр (по прототипу).
Система охолодження – закрита, антифриз, тосол-А40 (по прототипу).
Система мащення – комбінована (по прототипу). В сучасних двигунах самим доцільним є використання комбінованої системи мащення, при такій схемі основні деталі змащуються під тиском, а решта розбризгуванням і самотьоком.
Система живлення – інжекторна (по прототипу). Система пуску – електрична.
Міра стиску: для заданого палива (А-95) підбираємо згідно літературних даних міру стиску 10. При використанні високоякісних марок палив (А-98) доцільно проектувати і експлуатувати двигуни з високою мірою стиску.
Відношення ходу поршня S до діаметра циліндра. Приймаємо
S / Д 1.
1.12 Відношення радіуса кривошипа до кінематичної довжини шатуна приймаю згідно [3], де =0,23-0,30 для автомобільних двигунів. Приймаю для двигуна, що проектується =0,28. Дане значення, відношення радіуса кривошипа до кінематичної довжини шатуна, є оптимальним при зменшенні інерційних і нормальних сил двигуна.
1.13 Коефіцієнт надлишку повітря . Для бензинових двигунів згідно [3] =0,8-1,2. Приймаємо для реалізації максимальної потужності двигуна =0,8.
1.14 Камера згорання сферичного типу. Дана форма камери згорання є оптимальною з точки зору детонаційної стійкості і якості горіння палива.
1.15 Фази газорозподілу. Приймаю початок відкриття впускного клапана за 120 до ВМТ, закриття – через 400 після НМТ; початок відкриття випускного клапана – за 420 до НМТ, а закриття – через 100 після ВМТ. Дані фази газорозподілу підібрані таким чином щоб досягнути максимального наповнення циліндрів робочою сумішшю.
1.16 Кут випередження запалення приймаємо 350. Кут випередження запалювання вибирається експериментальним шляхом, таким чином щоб максимальне значення наростання тиску досягалось 10о після ВМТ.
1.17 Порядок роботи циліндрів приймаємо: 1-3-4-2.
1.18 Матеріали основних деталей двигуна.
Блок циліндрів відлитий з алюмінієвого сплаву АЛ 4. З цього ж матеріалу виготовлені і обидві головки блоку циліндрів.
Поршні виготовлені з алюмінієвого сплаву АЛ 25.
Поршневі кільця – сталь СЧ 25.
Шатуни – стальні, ковані зі сталі 45.
Шатунні болти виготовляються з сталі 40Х.
Колінчастий вал – зі сталі 45Г2.
Маховик відлитий з сірого чавуну СЧ 40.
1.2 Коротка технічна характеристика прототипу ЗМЗ-402.
Коротку технічну характеристику прототипу подаю у вигляді табл. 1.1, а зовнішній вигляд на рис. 1.1.
Таблиця 1.1 – Коротка технічна характеристика прототипу ЗМЗ-402
| Поз. | Назва параметру | Значення |
| 1 | Модель двигуна | ЗМЗ-402, карбюраторний, рядний, 4-циліндровий |
| 2 | Діаметр циліндра/хід поршня, мм | 92/92 |
| 3 | Обєм, л | 2,44 |
| 4 | Міра стиску | 10 |
| 5 | Порядок роботи циліндрів | 1-3-4-2 |
| 6 | Максимальна потужність, кВт | 80 |
| 7 | Крутний момент, Н м | 172 |
| 9 | Повітряний фільтр | Повнопоточний |
| 10 | Витрата палива, л/100 | 13,5 |
| 11 | Кількість клапанів на циліндр | 2 |
| 12 | Вага, кг | 184 |
Рисунок 1.1 – Зовнішній вигляд двигуна прототипу ЗМЗ-402
2 ТЕПЛОВИЙ РОЗРАХУНОК ДВИГУНА
2.1 На підставі вихідних даних, результатів досліджень та випробувань прототипу і рекомендацій авторів учбової і науково-технічної літератури я вибираю наступні величини:
склад палива С + Н = 1; Бензин: С = 0,855; Н = 0,145 [1];
нижча теплота згорання палива Нu = 44 кДж/кг [2];
тиск свіжого заряду перед впускним трактом двигуна ро = 0,1 МПа [2];
тиск робочого тіла на початку стиску ра = (0,85…1,25)ро=0,085…0,09 МПа [3]. Приймаю ра=0,09 МПа.
тиск залишкових газів pr = (1,05…1,25)po
0,11 МПа[2];температура залишкових газів Тr =900-1100 К, приймаю Тr = 950 К [2];
міра підігріву свіжого заряду від стінок при впуску
Т =20о [1];коефіцієнт використання теплоти в точці z індикаторної діаграми
= 0,85…0,95, приймаю = 0,9 [1];коефіцієнт повноти індикаторної діаграми
= 0,94…0,97 [2], приймаю =0,96;середня швидкість поршня vп = 12…15 м/с [2] , приймаю vп = 13 м/с ;
молярна маса палива
=110…120 кг/кмоль [1], приймаю =110кг/кмольпоказник політропи стиску к1=1,381 [1] , n1=(к1-0,01)…( к1-0,04) [1,c. 18], приймаю n1=1,35;
показник політропи розширення n2= к2=1,26, [1];
міра попереднього розширення ρ = 1 [3];
відношення кількості Н2 до кількості СО2 в продуктах згорання палива к=0,45…0,5 [1] приймаю к=0,5 ;
2.2 Визначення параметрів робочого тіла.
Виходячи з елементарного складу палива визначаємо теоретично необхідну кількість повітря для повного згорання 1 кг палива.
, кмоль пов/кг ралива. (2.1)де: С, Н, О – кількість вуглецю, водню та кисню в 1 кг палива, приймається виходячи з пункту 2.1.
, кмоль пов/кг ралива ;Визначаємо величину свіжого заряду, що поступив у внутрішню порожнину циліндра карбюраторного двигуна.
, кмоль гор. сум./кг палива, (2.2)де:
- коефіцієнт надлишку повітря [2];
- молярна маса парів палива горючої суміші, кг/кмоль:для бензинів
= 110...120 кг/ кмоль [19],для розрахунків приймаю
= 110.
;2.3 Кількість продуктів згоряння.
Кількісний вміст окремих компонентів в продуктах згорання проводжу для випадку коли
< 1.
, кмоль пр./кг палива. (2.3)Кількість окремих компонентів продуктів згоряння.
; (2.4)
; (2.5)
; (2.6)
; (2.7)
. (2.8)Співвідношення кількості вільного Н2 і СО в вихлопних газах характеризується коефіцієнтом К, величина якого для бензинів:
. (2.9)для розрахунків приймаю К = 0,5.
;
;
;
;
;
, кмоль прод./кг палива.Перевірний розрахунок проводиться по наступній залежності:
. (2.10)
.Різниця
неповинна перевищувати 3 %.0,47-0,47 =0;
2.4 Параметри процесу випуску.
В процесі роботи двигуна в його камері згорання завжди залишається певна кількість продуктів згорання Тr і тиск Pr цих залишкових газів залежить від багатьох факторів. Аналітичне визначення Tr i Pr досить складне. Тому при попередніх розрахунках двигуна тиск
Pr = (1,05…1,25) P0=0,105…0,125, МПа (2.11)
Приймаю Pr =0,11 МПа.
Розрахункове значення приймаю Тr = 950 К.
2.5 Параметри процесу впуску.
В процесі наповнення циліндра свіжим зарядом темперетура останнього підрищується.
Величиною
Т задаються : Т = 20 К.Взалежності від параметрів навколишнього середовища і підігріву змінюється густина заряду на впуску:
. (2.12)де Rп = 287 Дж/(кг . К) – питома газова стала для повітря.
Густина заряду і опір впускної системи впливає на втрати тиску на впуску:
, Па. (2.13)де
- коефіцієнт затухання швидкості руху заряду в циліндрі;
- коефіцієнт опору системи впуску;приймаю
[1], приймаю 
;
- середня швидкість заряду на впуску, м/с, приймаю = 50-130 м/с [1], приймаю =70 м/с.
МПаТиск в кінці впуску:
(2.14)
Коефіцієнт залишкових газів:
(2.15)
Температура заряду в кінці впуску визначається як температура залишкових газів:
(2.16)
Якість процесу впуску характеризується коефіцієнтом наповнення:
(2.17)
2.6 Параметри процесу стиску.
Процес стиску характеризується показником політропи стиску, температурою, тиском і теплоємністю робочого тіла в процесі стиску.
Величина показника політропи стиску n1 визначається на основі дослідних даних в залежності від міри стиску двигуна і температури в кінці впуску Та :
де k1 – показник адіабати стиску [1].
З додатку визначаю показник адіабати стиску і приймаю k1 = 1,38
Тиск в кінці процесу стиску:
Температура робочого тіла в кінці процесу стиску:
(2.19)
2.7 Визначення теплоємності робочої суміші.
Середня мольна теплоємність робочої суміші залежить від теплоємності свіжого заряду, а також від теплоємності і кількості окремих складників залишкових газів:
(2.20)Середня мольна теплоємність свіжого заряду в кінці стиску:
(2.21)де t0 – температура в кінці стиску, оС;
.
Середня мольна теплоємність залишкових газів:
(2.22)де
- середні мольні теплоємності окремих компонентів продуктів згорання в інтервалі температур tc-to , кДж/(кмоль К). Тоді, згідно [2]:
2.8 Параметри процесу згорання.
Процес згорання характеризується термодинамічними змінами параметрів робочого тіла, в результаті яких температура і тиск в циліндрі двигуна різко зростає і поршень двигуна виконує корисну роботу.
Коефіцієнт молекулярної зміни робочої суміші:
(2.23)
Але при згоранні палива дійсний коефіцієнт зміни робочої суміші враховує наявність в робочій суміші деякої кількості залишкових газів від попереднього циклу:
(2.24)
Втрати теплоти в результаті хімічної неповноти згорання палива:
(2.25)
В результаті згорання робочої суміші в циліндрі двигуна виділяється певна кількість теплоти робочої суміші:
(2.26)
Визначаємо середню мольну теплоємність продуктів згорання:
(2.27)де
- середні мольні теплоємності компонентів продуктів згоряння .Підставляючи в ці формули замість tz величину tz = Tz – 273 і згрупувавши відомі члени рівняння, отримаємо:
(2.28)
Температура в кінці видимого процесу згорання для карбюраторного двигуна може бути визначена з виразу:
(2.29)Значення коефіцієнта використання теплоти
приймають виходячи з конструкції двигуна, режиму його роботи, форми камери згорання, способу сумішеутворення та ін.; приймаю =0,9, [1].Після підстановки в рівняння відповідних числових значень і виконання необхідних перетворень, рівняння згорання прийме вигляд:
(2.30)Тоді:
(2.31)
Маючи значення Tz , можна визначити тиск в кінці видимого згоряння:
(2.32)
2.9 Параметри процесу розширення та параметри процесу випуску.
Значення температури і тиску в кінці процесу розширення визначаються виходячи з політропного характеру процесу розширення:
(2.33)
(2.34)Значення середнього показника політропи n2 , як правило, приймається рівним значенню показника адіабати в кінці розширення k2 ; n2 = k2 .
Показник політропи приймаю рівним n2 = k2 = 1,26.
Для перевірки правильності вибору значення Tr, прийнятого раніше перевіряється ймовірне значення на основі отриманих величин:
(2.35)
.2.10 Індикаторні показники робочого циклу.
Теоретичний середній індикаторний тиск:
(2.36)
Середній індикаторний тиск:
(2.37)
де
= 0,96 – коефіцієнт повноти діаграми. [2].Індикаторний ККД.
(2.38)Індикаторний питомий розхід палива:
(2.39)2.11 Ефективні показники двигуна.
Середній тиск механічних втрат:
(2.40)де vп.ср. – середня швидкість поршня , м/с.
Попередньо приймаю хід поршня S = 92мм.
Тоді швидкість поршня визначу з формули:
(2.41)де n – номінальна частота обертання колінвала, хв-1.
Середній ефективний тиск:
(2.42)Механічний ККД:
(2.43)Ефективний ККД:
(2.44)Ефективний питомий розхід палива:
(2.45)Основні параметри циліндра і двигуна.
Літраж двигуна.
(2.46)де
=4 – тактність двигуна.Робочий об’єм одного циліндра:
(2.47)де і = 4 кількість циліндрів.
Приймаємо попередньо S =92 мм.
Діаметр циліндра:
(2.48)приймаю S = 92 мм і Д =86 мм.
Основні параметри і показники двигуна визначаю по прийнятих даних:
(2.49)
Номінальна потужність двигуна:
(2.50)Відхилення розрахункової потужності від проектної знаходиться в межах допустимого ГОСТом 3-ьох відсоткового відхилення.
Номінальний крутний момент:
(2.51)Годинна витрата палива:
(2.52)Літрова потужність:
(2.53)3 Тепловий баланс двигуна
3.1 Загальна кількість тепла, що введена в двигун з паливом:
(3.1)3.2 Теплота, яка еквівалентна ефективній роботі за 1 секунду
- [3] (3.2)
.3.3 Теплота, яка передається навколишньому охолоджуючому середовищу
:
- [3] (3.3)де
- коефіцієнт пропорційності для чотирьохтактних двигунів, 
- [3]; приймаємо 
;
- показник степені; для чотирьохтактних двигунів 
; приймаємо 
3.4 Теплота, що відбирається відпрацьованими газами
:
- [3] (3.4)де
- теплоємність залишкових газів при 
методом інтерполяції по табл.7 – [3] визначаємо 
;
- теплоємність свіжого повітря; при 
і методом інтерполяції по табл. 5 - [3] визначаємо 
,
3.5 Теплота, що втрачена внаслідок хімічної неповноти згорання палива
(3.5)Невраховані втрати теплоти:
(3.6)
Результати теплового балансу зводимо до таблиці 3.1.
Таблиця 3.1 – Тепловий баланс.
| Складові теплового балансу |  |  |
| Теплота, еквівалентна ефективній роботі, Qe | 84618 | 24 |
| Теплота, яка передається охолоджуючому середовищу, Qb | 63112 | 18 |
| Теплота віднесена звихлопними газами, Qr | 79512 | 23 |
| Теплота втрачена через хімічну неповноту згорання палива, Qн.с. | 98707 | 28 |
| Невраховані втрати теплоти, Qост. | 24338 | 7 |
| Загальна кількість теплоти введена в двигун, Q0 | 350288 | 100 |
1 2