Проектирование и расчет двигателя внутреннего сгорания

метки: Двигатель, Проектирование, Формула, Давление, Теплота, Коэффициент, Клапан, Шатун

Молекулярная масса mТ, г/моль

Углерода С

Водорода Н

Кислорода О

Бензин

0,855

0,145

;

110…120

Выбранный состав топлива отвечает условию:

С + Н + О = 1 кг. (1.1)

Д. И. Менделеева

(1.2)

где S и W — массовые доли серы и влаги в топливе.

В расчетах принимается S = 0, W = 0.

Горючая смесь Для полного сгорания топлива необходимо определенное количество воздуха, которое называется теоретически необходимым, и определяется по элементарному составу топлива в кг возд/кг топл:

(1.3)

кг возд/кг топл или в кмоль возд/кг топл:

(1.4)

кмоль возд/кг топл Действительное количество воздуха L в кмоль возд/кг топл определяется по формуле:

(1.5)

кмоль возд/кг топл где б — коэффициент избытка воздуха.

Для различных двигателей при номинальной мощности принимаются следующие значения б: карбюраторные двигатели 0,85…0,98;

• Количество горючей смеси М1 в кмоль гор. см/кг топлива определяется по формуле:

(1.6)

кмоль гор. см/кг топл где mТ — молекулярная масса паров топлива, г/моль.

Величина mТ выбирается по таблице 1.2.

Продукты сгорания Количество продуктов сгораниядля двигателей с воспламенением от сжатия рассчитывается по формуле (1.13).

При полном сгорании топлива (при б > 1,0) продукты сгорания состоят из углекислого газа СО2, водяного пара Н2О, избыточного кислорода О2 и азота N2.

Общее количество продуктов М2 неполного сгорания в кмоль пр. сг/кг топл определяется по формуле:

(1.7)

кмоль пр. сг/кг топл.

Количество отдельных составляющих продуктов сгорания в кмоль пр. сг/кг топл. определяются по следующим формулам:

(1.8)

кмоль пр. сг/кг топл

(1.9)

кмоль пр. сг/кг топл

(1.10)

кмоль пр. сг/кг топл

(1.11)

кмоль пр. сг/кг топл

(1.12)

кмоль пр. сг/кг топл гдеконстанта, зависящая от отношения количества водорода и оксида углерода в продуктах сгорания; для бензинов =0,45…0,5.

Изменение количества молей рабочего тела при сгорании в? М в кмоль /кг топл. определяется по формуле:

(1.13)

кмоль /кг топл Относительное изменение количества молей при сгорании горючей смеси характеризуется химическим коэффициентом молекулярного изменения горючей смеси, который определяется по формуле:

(1.14)

1.2 Процесс впуска

Давление и температура окружающей среды При работе двигателя без наддува в цилиндр поступает воздух из атмосферы. В этом случае при расчёте рабочего цикла двигателя давление и температура окружающей среды принимаются равными МПа и K соответственно.

Давление и температура остаточных газов Для автомобильных двигателей без наддува давление остаточных газов в МПа принимают равным:

(1.15)

МПа В зависимости от типа двигателя, степени сжатия, частоты вращения и коэффициента избытка воздуха выбираются значения температуры Тr остаточных газов для карбюраторных двигателей:900…1100 К.

Степень подогрева заряда В процессе наполнения температура свежего заряда несколько увеличивается на величину? Т благодаря подогреву от нагретых деталей двигателя. Величина? Т зависит от расположения и конструкции впускного трубопровода, системы охлаждения, скоростного режима, нагрузки, размеров цилиндра. С увеличением числа оборотов величина? Т при неизменном крутящем моменте двигателя уменьшается приблизительно линейно.

В зависимости от типа двигателя значения? Т принимают из следующих пределов: для карбюраторных двигателей0…20 К;

Давление в конце впуска Величина давления в конце впуска ра, в МПа может быть определена по формулам: для двигателей без наддува:

; (1.16)

МПа;

• где — потери давления во впускном трубопроводе, МПа.

Потери давления во впускном трубопроводе в МПа определяются по формуле:

(1.17)

МПа где — коэффициент затухания скорости заряда в цилиндре;

• коэффициент, учитывающий гидравлическое сопротивление впускного тракта;
• средняя скорость движения заряда при максимальном открытии клапана, м/с;
• плотность заряда на впуске, кг/м3.

При средней скорости заряда щвп от 50 до 130 м/с величину (овп+в2) принимают в пределах от 2,5 до 4,0.

Для двигателей без наддува плотность заряда на впуске в кг/м3 определяют по формуле:

(1.18)

кг/м3

где Rв — удельная газовая постоянная воздуха, Дж/(кг

• град);

Rв = 287 Дж/(кг

• град);

Коэффициент остаточных газов Коэффициент остаточных газов гr для четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания определяется по формуле:

(1.19)

Количество остаточных газов в кмоль ост. газов/кг топл определяется по формуле:

; (1.20)

кмоль ост. газов/кг топл.

Температура в конце впуска Температуру в конце впуска Та в градусах Кельвина (К) определяют по формуле:

(1.21)

K

Коэффициент наполнения Для четырёхтактных двигателей без учёта продувки и дозарядки коэффициент наполнения определяется по формуле:

(1.22)

Величина коэффициента наполнения в основном зависит от тактности двигателя, его быстроходности и совершенства системы газораспределения.

Значения параметров процесса впуска

Тип двигателя	Параметры
	pa, МПа	гr	Та, К	зv
Карбюраторный	0,080…0,095	0,04…0,1	340…400	0,7…0,9
Проектируемый	0,084	0,055	344,5	0,765

1.3 Процесс сжатия

Показатель политропы сжатия Учитывая, что теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра за процесс сжатия незначителен, то величину можно оценить по среднему показателю адиабаты сжатия по следующим формулам: для карбюраторных двигателей:

(1.23)

Значение определяется в зависимости от температуры и степени сжатия е по формуле :

(1.24)

Давление и температура конца процесса сжатия Давление в МПа и температура в градусах Кельвина (К) в конце процесса сжатия определяются из уравнения политропы с постоянным показателем :

(1.25)

МПа

(1.26)

K

Средняя мольная теплоёмкость рабочей смеси Температура конца процесса сжатия tc в градусах Цельсия (оС).

(1.27)

°c

Средняя мольная теплоёмкость свежей смеси в конце сжатия принимается равной теплоёмкости воздуха в кДж/(кмоль

• град) и определяется по формуле :

(1.28)

Средняя мольная теплоёмкость остаточных газов в конце сжатия в кДж/(кмоль

• град) определяется по следующим формулам:
• для карбюраторных двигателей

(1.29)

кДж/(кмоль

• град) Средняя мольная теплоёмкость рабочей смеси в кДж/(кмоль
• град) определяется по формуле:

(1.3)

кДж/(кмоль

• град) Рассчитанные параметры процесса сжатия необходимо сравнить со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице.

Значения параметров процесса сжатия

Тип двигателя	Параметры
	n1	рс, МПа	Тс, К
Карбюраторных	1,34…1,38	0,9…2,0	600…800
Проектируемый	1,366	1,587	757,7

1.4 Процесс сгорания

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси Изменение объёма при сгорании рабочей смеси учитывает коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси, который определяется по формуле:

(1.31)

Температура конца видимого сгорания Температура газа Тz в конце видимого сгорания определяется на основании первого закона термодинамики:

для карбюраторных двигателей

(1.32)

где — коэффициент использования низшей теплоты сгорания на участке видимого сгорания, который принимается для дизелей 0,7…0,88;

• л — степень повышения давления цикла, которая устанавливается по опытным данным в зависимости от количества топлива подаваемого в цилиндр, формы камеры сгорания и способа смесеобразования, и выбирается из таблицы 1.5;

• потеря теплоты вследствии химической неполноты сгорания, кДж/кг;

(1.33)

кДж/кг

tz — температура в конце видимого сгорания, о С;

• средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания при постоянном объёме, кДж/(кмоль
• град), которая определяется по следующей формуле:

(1.34)

гдесредние мольные теплоёмкости продуктов сгорания при изменении температуры в диапазоне 1501…2800 оС, которые могут быть выражены в зависимости от температуры tz следующими формулами:

(1.35)

(1.36)

(1.37)

(1.38)

(1.39)

После подстановки всех величин в уравнение сгорания получается квадратное уравнение вида:

(1.40)

где А, В, С — числовые значения известных величин.

Из формулы (1.34) выражается температура в градусах Цельсия (оС):

(1.41)

°c

Температура Тz в градусах Кельвина (К) определяется как:

(1.42)

°c

Степень повышения давления цикла Для карбюраторных двигателей определяется по формуле:

(1.43)

Степень предварительного расширения Степень предварительного расширения для карбюраторных двигателей. Максимальное давление сгорания Величина давления в МПа в конце сгорания определяется по формуле:

(1.44)

МПа Рассчитанные параметры процесса сгорания необходимо сравнить со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице.

Значения параметров процесса сгорания

Тип двигателя	Параметры
Карбюраторный	3,2…4,2	1,0	3,5…7,5	2400…3100
Проектируемый	3,97	1,0	6,3	2811,6

1.5 Процесс расширения

Показатель политропы расширения Средний показатель политропы расширения n2 незначительно отличается от показателя адиабаты k2 и может быть определён по следующим формулам: для карбюраторных двигателей

(1.45)

(1.46)

Давление и температура конца процесса расширения Значения давления в МПа и температуры в градусах Кельвина (К) в конце процесса расширения определяется по формулам:

для карбюраторных двигателей

(1.47)

МПа

(1.48)

K

Рассчитанные параметры процесса расширения необходимо сравнить со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице.

Значения параметров процесса расширения

Тип двигателя	Параметры
Карбюраторный	1,23…1,30	0,35…0,6	1200…1700
Проектируемый	1,25	0,42	1625,4

1.6 Процесс выпуска

Точность выбора температуры остаточных газов

(1.49)

K

При расхождении между принятой величиной Тr в пункте (2.2.2) и рассчитанной по формуле (2.43) ?10% параметры теплового расчёта необходимо пересчитать.

(1.50)

1.7 Индикаторные показатели рабочего цикла

Среднее индикаторное давление Среднее теоретическое индикаторное давление в МПа определяется по формулам:

для карбюраторных двигателей

(1.51)

МПа Среднее индикаторное давление действительного цикла в МПа отличается от теоретического на величину уменьшения работы газов действительного цикла против работы газов теоретического цикла (пропорционально уменьшению расчётной индикаторной диаграммы за счёт скругления) и определяется по формуле:

(1.52)

МПа где — коэффициент полноты индикаторной диаграммы.

Значения коэффициента принимаются из следующих интервалов значений: для карбюраторных двигателей — = 0,94…0,97.

Индикаторные КПД Индикаторный КПД характеризует степень использования теплоты топлива для получения полезной работы в действительном цикле, то есть индикаторный КПД учитывает все тепловые потери действительного цикла.

Индикаторный КПД определяется по формуле:

(1.53)

где рi — среднее индикаторное давление, МПа;

• теоретически необходимое количество воздуха, кг возд/кг топл;
• б — коэффициент избытка воздуха;
• Нu — низшая теплота сгорания, кДж/кг;
• сk — плотность заряда на впуске, кг/м3;
• зv — коэффициент наполнения.

Индикаторный удельный расчет топлива Индикаторный удельный расход топлива в г/(кВт

• ч) определяется по формуле:

(1.54)

г/(кВт

• ч) Рассчитанные индикаторные показатели двигателя сравниваются со значениями этих показателей современных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице.

Значение индикаторных показателей

Тип двигателя	Показатели
Карбюраторный	0,6…1,4	0,3…0,4	210…275
Проектируемый	1,01	0,347	235,7

1.8 Эффективные показатели двигателя

Давление механических потерь

Давление механических потерь — это условное давление, равное отношению работы механических потерь к рабочему объёму цилиндра двигателя. Величину давления механических потерь в МПа оценивают по средней скорости поршня по формуле:

(1.55)

МПа где аМ и bМэкспериментальные коэффициенты, величины которых приведены в таблице 1.8;

нn.cp — средняя скорость поршня в м/с, которая для различных типов двигателей выбирается в следующих пределах:

карбюраторные двигатели легковых автомобилей 12…20

Значения коэффициентов аm и bm

Тип двигателя	аm	bm
Карбюраторный с числом цилиндров (?6) и отношением хода поршня к его диаметру (?1,0)	0,034	0,0113

Среднее эффективное давление в МПа определяется по формуле:

(1.56)

МПа.

Механический КПД определяется по формуле:

(1.57)

Эффективный КПД Отношение количества теплоты, эквивалентной полезной работе на валу двигателя, к общему количеству теплоты, внесённой в двигатель с топливом, называется эффективным КПД, который определяется по формуле:

(1.58)

Эффективный удельный расход топлива Эффективный удельный расход топлива в г/(кВт

• ч) определяется по формуле:

(1.59)

г/(кВт

• ч) Рассчитанные эффективные показатели двигателя необходимо сравнить со значениями этих показателей современных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице.

Значения эффективных показателей двигателей

Тип двигателя	Показатели
Карбюраторный	0,6…1,1	0,23…0,38	0,75…0,92	230…310
Проектируемый	0,8	0,277	0,798	283,23

1.9 Основные параметры и показатели двигателя

Рабочий объём цилиндра — это объем пространства, освобождаемого поршнем при перемещении его от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, и определяется в дм3 по формуле:

(1.60)

дм3

где ф — тактность рабочего процесса двигателя, для четырёхтактного процесса (ф — 4);

• Nе — мощность двигателя по заданию, кВт;
• n — номинальная частота вращения по заданию, мин-1;
• i — число цилиндров двигателя по заданию.

Определение размеров цилиндра двигателя производится на основе выбора отношения хода поршня S к диаметру цилиндра D.

Отношение линейных размеров цилиндра S/D находится в следующих пределах:

для карбюраторных двигателей 0,86…1,07.

Диаметр цилиндра двигателя D в мм определяется по формуле:

(1.61)

мм Ход поршня двигателя S в мм определяется по формуле:

(1.62)

мм Полученные значения S и D округляются в большую сторону до чисел чётных или кратных пяти.

Окончательная средняя скорость поршня в м/с определяется по формуле:

(1.63)

м/с Ошибка между принятой величиной в пункте 2.8.1 и рассчитанной по формуле 2.56 в процентах определяется:

(1.64)

Расхождение между рассчитанным значением по формуле и принятым значением средней скорости поршня при оценке механических потерь в пункте (1.8.1) не должно превышать 5%. В противном случае производится перерасчет средней скорости поршня по полученному значению.

По принятым значениям D и S определяют окончательные основные параметры и показатели двигателя.

Рабочий объём одного цилиндра в дм3 определяется по формуле:

(1.65)

дм3

Литраж двигателя в дм3 определяется по формуле:

(1.66)

дм3

Объём камеры сгорания в дм3 определяется по формуле:

(1.67)

дм3

Полный объём цилиндра в дм3 определяется по формуле:

(1.68)

дм3

Мощность двигателя в кВт определяется по формуле:

(1.69)

кВт Поршневая мощность двигателя в кВт/дм2 определяется по формуле:

(1.70)

кВт/дм2

Эффективный крутящий момент в Н

• м определяется по формуле:

(1.71)

Н

• м Часовой расход жидкого топлива в кг/ч определяется по формуле:

(1.72)

кг/ч Для ориентировочной оценки массы двигателя в кг используют статические данные по удельным массам двигателя по формуле:

(1.73)

кг

где — удельная масса двигателя, кг/кВт, значения принимаются по данным таблицы.

Удельные массы двигателей в кг/кВт

Тип двигателя	Расположение цилиндров
	Рядное	V-образное
Карбюраторный	1,9…5,6	1,3…5,9

1.10 Тепловой баланс двигателя

Уравнение теплового баланса имеет вид:

(1.74)

где Qo — общее количество теплоты, введённое в цилиндр, Дж/с;

• Qe — теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя, Дж/с;
• Qохл — теплота, отданная окружающей среде, Дж/с;
• Qr — теплота, уносимая из двигателя с отработавшими газами, Дж/с;
• Qн.с — теплота, потерянная при неполном сгорании топлива, Дж/с;
• Qост — неучтённые потери теплоты, Дж/с.

Общее количество теплоты Общее количество теплоты в Дж/с определяется по формуле:

(1.75)

Дж/с Теплота, эквивалентная эффективной работе, в Дж/с определяется по формуле:

(1.76)

Дж/с Теплота, отданная охлаждающей среде Теплота, отданная окружающей среде, в Дж/с определяется по формулам:

при жидкостном охлаждении:

для карбюраторных двигателей

(1.77)

Дж/с где D — диаметр цилиндра, мм;

• с — коэффициент пропорциональности, который принимается из интервала с = 0,45…0,53;

• m — показатель степени, который принимается из интервала m = 0,6…0,7;

Теплота, унесённая из двигателя с отработавшими газами, в Дж/с определяется по формуле:

(1.78)

Дж/с

где tr — температура остаточных газов, оС.

• теплоёмкость остаточных газов в кДж/(кмоль
• град), которую можно определить по формуле (1.36) для карбюраторных двигателей при подстановке в данную формулу значения температуры остаточных газов tr;
• теплоёмкость свежего заряда в кДж/(кмоль
• град), которую можно определить по формуле (1.34) при подстановке в данную формулу значения температуры to = 20 0C.

Теплота, потерянная при неполном сгорании топлива, в Дж/сопределяется по формуле:

(1.79)

Дж/с Неучтённые потери теплоты в Дж/с определяются по формуле:

(1.80)

Дж/с Если значение (< 0), то необходимо пересчитать величину, уменьшив значения коэффициента с и (или) показателя m.

Тепловой баланс определяется также в процентах от всего количества введённой теплоты по следующим формулам:

(1.81)

(1.82)

(1.83)

(1.78) (1.84)

(1.79) (1.85)

Очевидно, что должно выполняться условие:

(1.86)

Рассчитанные значения составляющих теплового баланса необходимо сравнить со значениями у современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице

Значения составляющих теплового баланса в процентах

Тип двигателя	Составляющие теплового баланса в процентах
Карбюраторный	21…28	12…27	30…55	0…45	3…10
Проектируемый	27,77	25,38	32,09	11,29	3,47

1.11 Построение индикаторной диаграммы

Отрезок, соответствующий рабочему объему цилиндра, АВ=72/1=72 мм.

Отрезок, соответствующий объёму камеры сгорания, ОА=72/(8,6−1)=9,47 мм.

Отрезок, соответствующий полному объему цилиндра ОВ=72+9,47=81,47 мм.

По оси ординат откладывается отрезок ОД, соответствующий максимальному давлению сгорания, в масштабе µр=рz /ОД в МПа/мм так, чтобы отношениеОД/АВ = 1,2…1,7,а масштаб давления принимал одно из рекомендуемых значений µр=0,02; 0,025; 0,04; 0,05; 0,07; 0,10.

ОД=6,3/0,05=126мм.

Масштаб давленияµр =0,05 МПа/мм.

Затем по данным теплового расчета на диаграмме откладывают в масштабе µр величины давлений pа, pc, pz, pb, pr, соответствующих характерным точкам: а; с; z; b; r. Между точками, А и В проводятся прямые линии, параллельные оси абсцисс, ординаты которых соответствуют давлениям.

мм мм мм мм мм мм Построение политроп сжатия и расширения проводится аналитическим методом. Для этого вычисляется ряд промежуточных точек (от 8 до 12) для интервала объёмов (Vc … Va) и (Vz … Vb) по уравнению политропы pVn = const.

Для политропы сжатия откуда определяется давление в МПа по формулам:

(1.87)

где px и Vx — давление и объём в расчетной точке процесса сжатия;

• ОВ — отрезок, соответствующий полному объему цилиндра, мм;
• ОХ — абсцисса расчетной точки, мм.

Аналогично для политропы расширения определяется давление в МПа по формулам:

(1.88)

Абцисса расчетной точки ОХ в мм определяется по формуле:

(1.89)

где АХ — перемещение поршня в мм и определяется по формуле:

(1.90)

где л — отношение радиуса кривошипа R к длинне шатуна Lш, выбирается по таблице 1.11.

б — угол поворота коленчатого вала, град., а значения тригонометрической функции Величина параметра различных двигателей

Двигатель
Существующие	0,24…0,31
Проектируемый	0,296

Для построения действительной индикаторной диаграммы находятся характерные точки. Давление в точке с?, характеризующей момент достижения поршня ВМТ, определяется по формуле:

МПа (1.91)

Точку bЅ — момент достижения поршня НМТ в конце расширения — располагают между точками b и a. При этом давление рbЅ в МПа ориентировочно расчитывают по формуле:

МПа (1.92)

град, a	(1-cos a)+ л/4(1-cos2a)	AX	OX	OB/OX	Px	Px/Mp	град, a	Px	Px/Mp
			81,47 368		0,83 901	1,678 027		0,423 869	8,47 738
	1,98 927	71,613 738	81,8 742	1,4 764	0,84 448	1,688 958		0,426 404	8,528 077
	1,957 005	70,452 192	79,92 588	1,19 366	0,86 129	1,722 583		0,434 193	8,683 864
	1,903 025	68,508 915	77,9826	1,44 767	0,89 075	1,781 499		0,447 811	8,956 226
	1,827 194	65,779 001	75,25 269	1,82 668	0,93 519	1,87 038		0,468 287	9,365 736
	1,729 638	62,266 953	71,74 064	1,13 567	0,9 983	1,996 594		0,497 227	9,944 543
	1,611	57,996	67,46 968	1,20 756	0,108 563	2,171 253		0,537 032	10,74 064
	1,472 707	53,17 468	62,49 115	1,303 764	0,120 549	2,410 985		0,591 246	11,82 492
	1,317 185	47,418 676	56,89 236	1,432 067	0,137 044	2,740 886		0,665 142	13,30 283
	1,148	41,328	50,80 168	1,60 376	0,159 974	3,199 482		0,766 679	15,33 358
	0,969 889	34,916 007	44,38 969	1,835 419	0,192 357	3,847 149		0,908 097	18,16 194
	0,788 667	28,392 017	37,8657	2,151 649	0,239 019	4,780 383		1,108 536	22,17 072
	0,611	21,996	31,46 968	2,588 958	0,307 765	6,155 303		1,398 192	27,96 385
	0,444 062	15,986 245	25,45 993	3,200 075	0,411 118	8,222 362		1,824 067	36,48 133
	0,295 106	10,623 801	20,9 749	4,53 924	0,567 945	11,3589		2,454 227	49,8 453
	0,170 975	6,1 550 855	15,62 877	5,213 058	0,800 808	16,1 617		3,364 696	67,29 391
	0,7 762	2,7 943 233	12,26 801	6,641 151	1,114 796	22,29 593		4,559 059	91,18 118
	0,19 655	0,7 075 797	10,18 126	8,2 315	1,438 228	28,76 455		5,760 614	115,2123
			9,473 684	8,6	1,586 971	31,73 943		6,305 482	126,1096

Точка zд характеризует действительное максимальное давление цикла рzдв МПа, определяемое по формуле:

• для карбюраторного двигателя

(1.93)

МПа Положение точки zддолжно соответствовать условию допустимой скорости нарастания давления Крв МПа/град, которая определяется по формуле:

(1.94)

МПа/град где — нарастание давления в МПа, определяется по формуле:

(1.95)

МПа

• угол поворота коленчатого вала, соответствующий точкеzд:
• для карбюраторных двигателей = 8…12°;=0,1…0,4 МПа/град.

Положение точки zд на индикаторной диаграмме АХ (zд) определяется при б = 360 +. Поскольку точка zднеможет находиться за пределами индикаторной диаграммы, то должно выполняться следующее условие:

(1.96)

Принимаются характерные углы:

• угол опережения начала впрыска топлива для дизелей бв = 15…25о или угол опережения зажигания для карбюраторных двигателейбз = 30…40о;
• продолжительность периода задержки воспламенения би = 8…12о для дизелей или би = 5…18о для карбюраторных двигателей;
• значения фаз газораспределения выбираются либо близкими к значениям современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания, либо из статистического диапазона в соответствии с таблицей [8, https:// ].

Фазы газораспределения различных двигателей

Тип двигателя	Впускной клапан	Выпускной клапан
	Начало открытия до ВМТ б о. вп ,	полное закрытие после НМТ б з. вп, град.	начало откры-тия до НМТ б о. в, град.	полное закрытие после ВМТ б з. в, град.
Карбюраторный	10…35	40…85	40…70	10…50
Проектируемый

Далее в соответствии с принятыми значениями угла опережения зажигания или угла опережения впрыска топлива, периодом задержки воспламенения и значениями фаз газораспределения определяют углы поворота коленчатого вала б в градусах, соответствующие характерным точкам:

• fначало впрыска топлива или подача искры б (f) = 360 — 35=325;
• с? — начало видимого сгорания б (c’) =360 — 35 + 10=335;
• b’ — начало открытия выпускного клапана б (b’) =540 — 42=498;
• r’ — начало открытия впускного клапана б (r’) =720 — 12=708;
• а» — полное закрытие впускного клапана б (a») =180 + 40=220;
• a’ — полное закрытие выпускного клапана б (а’) = 10.

Определяется положение характерных точек по формуле для перемещения поршня АХ (2.90).

Соединение плавными кривыми точек r a? а a» f c’ c» zд b’ b» r’ r позволяет получить cкругленную действительную диаграмму. По индикаторной диаграмме для проверки теплового расчета и правильности построения диаграммы определяется среднее индикаторное давление в МПа:

(1.97)

МПа где — площадь скругленной индикаторной диаграммы, мм2.

Величина, полученная планиметрированием индикаторной диаграммы, не должна отличаться от величины, полученной в тепловом расчете, более чем на 10%.

2. Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма двигателя

2.1 Расчет силовых факторов, действующих в кривошипно-шатунном механизме

Сила давления газов? Рг в Н определяется по формуле:

(2.1)

где рг — индикаторное давление газов (давление над поршнем) при заданном угле поворота кривошипа, МПа;

• р0 — давление в картере двигателя (под поршнем), МПа;
• принимается равным атмосферному — р0 = 0,1 МПа;

• FП — площадь поршня, м2; определяется из выражения.

(2.2)

м3

Для определения сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс необходимо определить массу mj в кг частей кривошипно-шатунного механизма, совершающих возвратно-поступательное движение:

(2.3)

кг где mп — масса поршневого комплекта (поршень, палец, поршневые кольца, детали стопорения пальца), кг;

• mш.п — часть массы шатуна в сборе, отнесенная к поступательно движущимся массам, кг.

Для большинства существующих конструкций автомобильных двигателей mш. п = (0,25…0,30) mш, где mш — масса шатуна в сборе.

кг Массы mп и mш рассчитываются по чертежам деталей или выбираются по статистическим данным по следующим зависимостям:

(2.4)

кг/м2

кг

(2.5)

кг/м2

кг где mп? и mш? — удельные массы соответственно поршневого комплекта и шатуна, значения которых приведены в таблице 2.1.

Удельная масса в кг/м2 элементов КШМ

Элемент КШМ	Карбюраторные двигатели при диаметре поршня, мм
	80…120
Поршневой комплект: — алюминиевый сплав — чугун	80…120 150…200
Шатун	100…150

Сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс Рj в Н определяется по формуле:

(2.6)

м

(2.7)

рад/с где R — радиус кривошипа, м; R = 0,5 S (S — ход поршня);

• щ — угловая скорость коленчатого вала, щ = р n/30, рад/c.

Значения (cosб + л cos2б) для различных б и л приведены в приложении А. Расчеты Рj проводятся для тех же значений б, для которых определялась? Pг. Результаты расчета сводятся в таблицу 2.

Суммарная сила Р в Н, действующая на поршневой палец, определяется алгебраическим сложением сил давления газов? Pг и сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс Рj по формуле:

(2.8)

Результаты расчетов сводятся в таблицу 2.

От действия суммарной силы возникают следующие силы:

• суммарная нормальная (боковая) сила N в Н, направленная перпендикулярно оси цилиндра; определяется по формуле:

(2.9)

• суммарная радиальная сила К в Н, направленная по радиусу кривошипа; определяется по формуле:

(2.10)

Динамический расчет КШМ

б	?Рг	Рi	P	Sш	N	K	T	Rш.ш
	мм	Н	мм	Н	мм	Н	мм	Н	мм	Н	мм	Н	мм	Н	мм	Н
	0,4	88,31	— 11 595,16	— 52,52	— 11 506,85	— 52,12	— 11 506,85	— 52,12			— 11 506,85	— 52,12	0,00	0,00	15 744,85	71,31
	— 0,37	— 81,69	— 9072,37	— 41,09	— 9154,06	— 41,46	— 9154,09	— 41,46	— 23,73	— 0,11	— 7915,78	— 35,85	— 4597,58	— 20,82	9154,09	41,46
	— 0,52	— 115,47	— 3149,30	— 14,26	— 3264,77	— 14,79	— 3264,80	— 14,79	— 14,77	— 0,07	— 1619,59	— 7,34	— 2834,76	— 12,84	3260,87	14,77
	— 0,70	— 154,55	2648,28	12,00	2493,73	11,30	2493,76	11,30	13,08	0,06	— 13,08	— 0,06	2493,73	11,30	2730,40	12,37
	— 0,87	— 192,08	5797,58	26,26	5605,50	25,39	5605,56	25,39	25,36	0,11	— 2824,71	— 12,79	4841,82	21,93	5605,56	25,39
	— 1,00	— 220,78	6424,09	29,10	6203,31	28,10	6203,33	28,10	16,08	0,07	— 5380,26	— 24,37	3087,73	13,99	6138,39	27,80
	— 1,00	— 220,78	6298,61	28,53	6077,82	27,53	6077,82	27,53	0,00	0,00	— 6077,82	— 27,53	0,00	0,00	6040,32	27,36
	— 1,00	— 220,78	6424,09	29,10	6203,31	28,10	6203,33	28,10	— 16,08	— 0,07	— 5380,26	— 24,37	— 3087,73	— 13,99	6198,45	28,08
	— 0,78	— 171,24	5797,58	26,26	5626,34	25,48	5626,40	25,48	— 25,46	— 0,12	— 2835,22	— 12,84	— 4859,83	— 22,01	5600,13	25,37
	0,01	2,21	2648,28	12,00	2650,49	12,01	2650,52	12,01	— 13,90	— 0,06	— 13,90	— 0,06	— 2650,49	— 12,01	2650,53	12,01
	3,62	799,23	— 3149,30	— 14,26	— 2350,07	— 10,64	— 2350,10	— 10,64	10,63	0,05	— 1165,83	— 5,28	2040,54	9,24	2335,36	10,58
	13,60	3002,63	— 9072,37	— 41,09	— 6069,74	— 27,49	— 6069,76	— 27,49	15,74	0,07	— 5248,68	— 23,77	3048,50	13,81	6067,17	27,48
	32,10	7087,08	— 11 595,16	— 52,52	— 4508,08	— 20,42	— 4508,08	— 20,42	0,00	0,00	— 4508,08	— 20,42	0,00	0,00	4502,46	20,39
	105,20	23 226,19	— 11 299,53	— 51,18	11 926,66	54,02	11 926,67	54,02	10,70	0,05	11 743,61	53,19	2081,58	9,43	11 933,31	54,05
	63,88	14 103,51	— 9072,37	— 41,09	5031,14	22,79	5031,16	22,79	13,04	0,06	4350,57	19,71	2526,87	11,45	5033,75	22,80
	24,88	5493,04	— 3149,30	— 14,26	2343,73	10,62	2343,76	10,62	10,60	0,05	1162,68	5,27	2035,04	9,22	2345,25	10,62
	12,86	2839,25	2648,28	12,00	5487,52	24,86	5487,60	24,86	28,78	0,13	— 28,78	— 0,13	5487,52	24,86	5487,59	24,86
	7,76	1712,38	5797,58	26,26	7509,96	34,02	7510,04	34,02	33,98	0,15	— 3784,41	— 17,14	6486,83	29,38	7482,10	33,89
	5,00	1103,91	6424,09	29,10	7528,00	34,10	7528,02	34,10	19,52	0,09	— 6529,19	— 29,57	3747,10	16,97	7526,98	34,09
	3,00	662,34	6298,61	28,53	6960,95	31,53	6960,95	31,53	0,00	0,00	— 6960,95	— 31,53	0,00	0,00	6942,20	31,44
	0,72	159,85	6424,09	29,10	6583,93	29,82	6583,96	29,82	— 17,07	— 0,08	— 5710,39	— 25,86	— 3277,18	— 14,84	6572,58	29,77
	0,40	88,31	5797,58	26,26	5885,89	26,66	5885,95	26,66	— 26,63	— 0,12	— 2966,01	— 13,43	— 5084,02	— 23,03	5855,95	26,52
	0,40	88,31	2648,28	12,00	2736,59	12,40	2736,63	12,40	— 14,35	— 0,07	— 14,35	— 0,07	— 2736,59	— 12,40	2736,63	12,40
	0,40	88,31	— 3149,30	— 14,26	— 3060,99	— 13,86	— 3061,02	— 13,86	13,85	0,06	— 1518,50	— 6,88	2657,82	12,04	3061,02	13,86
	0,40	88,31	— 9072,37	— 41,09	— 8984,05	— 40,69	— 8984,08	— 40,69	23,29	0,11	— 7768,77	— 35,19	4512,20	20,44	8964,64	40,60
	0,40	88,31	— 11 595,16	— 52,52	— 11 506,85	— 52,12	— 11 506,85	— 52,12	0,00	0,00	— 11 506,85	— 52,12	0,00	0,00	11 480,60	52,00

• суммарная тангенциальная сила Т в Н, направленная перпендикулярно к радиусу кривошипа; определяется по формуле:

(2.11)

• суммарная сила, действующая вдоль шатуна Sш в Н определяется по формуле:

(2.12)

где в — угол отклонения оси шатуна от оси цилиндра, в = arcsin (л sinб).

Значения тригонометрических функций для различных б и л приведены в приложении А. Результаты расчета сил K, N, T, Sш сводятся в таблицу 2.

Суммарный (индикаторный) крутящий момент Мкр в Н

• м, развиваемый одним цилиндром двигателя:

(2.13)

Центробежная сила инерции вращающей части шатуна Кr. ш в Н, направленная по радиусу кривошипа и нагружающая шатунную шейку (шатунный подшипник):

(2.14)

Н где mш. к — часть массы шатуна, отнесённая к вращающимся массам, кг.

(2.15)

кг Абсолютное значение этой силы в Н определяется по формуле:

(2.16)

а ее направление относительно кривошипа определяется углом:

(2.17)

По графику силы Rш. ш в прямоугольной системе координат определяются ее максимальное Rш.ш.max=23 689,42Н, минимальное Rш.ш.min=2705,03Н и среднее значения Rш.ш.ср по формуле:

(2.18)

Н где F=13 854,8 мм2- площадь, ограниченная кривой Rш. ш = f (б) и осью абсцисс, мм2 ;

• l =360 ммдлина диаграммы по оси б, мм;
• µ — принятый в динамическом расчете масштаб сил, Н/мм.

Среднее значение суммарного индикаторного крутящего момента двигателя УМкр. ср (индикаторный крутящий момент) в Н

• м определяется графоаналитическим способом по формуле:

(2.19)

Н

• м где F1 и F2 — площади, ограниченные кривой УМкр = f (б) соответственно выше и ниже оси абсцисс в пределах одного периода, мм2 (при I ?4 в большинстве случаев F2 = 0);
• l — длина графика в пределах одного периода, мм.

Эффективный крутящий момент двигателя в Н

• м:

(2.20)

Н

• м где зМ — механический КПД двигателя (из теплового расчета).

Полученное значение Ме не должно отличатся более чем на? Ме = 5% от рассчитанного в тепловом расчете значения Ме.

3. Оценка надежности проектируемого двигателя

При проектировании двигателя ориентировочная оценка надежности двигателя может быть осуществлена определением следующих критериев:

• Б. Я Гинцбурга

(3.1)

где Ne — номинальная мощность, кВт;

• I — число цилиндров;
• D — диаметр цилиндра, см;
• А.К.Костина

(3.2)

где VП. СР — средняя скорость поршня, м/с;

• ре — среднее эффективное давление, МПа;

ge — удельный эффективный расход топлива, кг/(кВт

• ч);
• D — диаметр цилиндра, дм;
• pk и Tk — давление, МПа, и температура, К, на впуске;

• зV — коэффициент наполнения.

4. Подборавтотранспортногосредствакдвигателю

Подбор автотранспортного средства (АТС) к проектируемому двигателю включает определение типа АТС, полной массы и максимальной скорости.

Тип АТС выбирается по номинальной мощности двигателя:

если Ne? 80 кВт — легковой автомобиль.

Для ориентировочной оценки полной массы АТС ma в кг пользуются статистическими данными по удельным мощностям двигателя по формуле:

(4.1)

кг где Ne — максимальная (номинальная) мощность двигателя, кВт;

• Nуд — удельная мощность двигателя, кВт/кг.

Для легковых автомобилей Nуд = 0,040…0,045; для автобусов — Nуд = 0,010…0,012.

Связь между максимальной мощностью двигателя и максимальной скоростью АТС выражается следующей формулой, полученной из уравнения баланса сил, действующих на движущиеся по прямой поверхности АТС:

(4.2)

где Va max — максимальная скорость АТС, м/с;

• ц-коэффициент суммарного сопротивления дороги (асфальтобетонное покрытие); для легковых автомобилей ц = 2
• 10−7Va max2; для грузовых автомобилей и автобусов ц = 0,015 + 6
• 10−6Va max2;
• ma — масса АТС, кг;
• зт = 0,85…0,9 — КПД трансмиссии;

kв — коэффициент обтекаемости, Н

• с2/м4;
• для легковых автомобилей kв = 0,2…0,3;
• для грузовых автомобилей kв = 0,5…0,7;
• для автобусов kв = 0,35…0,45;

• F — лобовая площадь АТС, м2;
• для легковых автомобилей F = 1,5…2,0;
• для грузовых автомобилей F = 3,0…6,5;
• для автобусов kв = 3,0…7,5.

Максимальная скорость Va max? в км/ч определяется по формуле

(4.3)

Va max? = 49

• 3,6 = 176,4 км/ч

5. Порядок компоновки двигателя

Компоновку поршневой группы начинают с определения высоты поршня hП. Затем находят расстояние от верхней кромки поршня до оси пальца h1. Далее с учетом размещения предварительно выбранного числа колец в соответствии с рисунком 7 прорисовывают элементы поршневой группы по размерам.

Рисунок 7 — Схема поршня Размеры элементов поршневой группы

Элементы поршневой группы	Значения размеров в мм
	карбюраторные двигатели	проектируемый
Высота поршня hП	(0,8…1,73)D
Расстояние от верхней кромки поршня до оси пальца h1	(0,45…0,75)D	37,5
Толщина днища поршня д	(0,05…0,10)D	5,625
Высота юбки поршня hю	(0,6…0,8)D	52,5
Диаметр бобышки dб	(0,3…0,5)D
Расстояние между торцами бобышек b	(0,3…0,5)D
Толщина стенки юбки поршня дю	1,5…4,5
Толщина стенки головки поршня s	(0,05…0,10)D	5,625
Расстояние до первой поршневой канавки е	(0,06…0,12)D	6,75
Радиальная толщина кольца t	(0,04…0,05)D
Высота кольца а	2…4
Радиальный зазор кольца в канавке поршня? t	0,70…1,1
Внутренний диаметр поршня di		55,75
диаметр масляного канала dм	(0,3…0,5)a	1,2
Наружный диаметр пальца dп	(0,22…0,28)D	18,75
Внутренний диаметр пальца dв	(0,65…0,75) dп	13,125
Длина пальца lп	(0,78…0,88)D
Длина втулки шатуна lш	(0,33…0,45)D

Для окончательной проверки длины зеркала цилиндра следует определить минимальный зазор между стержнем шатуна и нижней кромкой цилиндра (при больших значениях R/Lш возможно задевание им нижней кромки цилиндра).

Минимальный зазор д1 в соответствии с рисунком 7 должен составлять 3…5 мм.

Рисунок 8 — Схема шатунной группы

Размеры элементов шатуна

Элементы шатуна	Значения размеров в мм
	карбюраторные двигатели	проектируемый
Внутренний диаметр поршневой головки d: — с втулкой	(1,1…1,25) dп	22,5
Наружный диаметр головки dг	(1,25…1,65) dп	26,25
Минимальная радиальная толщина стенки головки hг	(0,16…0,27) dп	3,75
Радиальная толщина стенки втулки sв	(0,055…0,085) dп	12,1875
Диаметр шатунной шейки dшш	(0,56…0,70)D
Толщина стенки вкладыша tв	(0,03…0,05) dшш
Расстояние между шатунными болтами Сб	(1,30…1,75) dшш	28,8
Длина кривошипной головки lк	(0,45…0,95) dшш	22,5
Размеры среднего сечения В — В шатуна: hш min hш bш — tш = аш	(0,50…0,55) dг (1,2…1,4)hш min (0,5…0,6)lш 2,5…4,0	13,125 17,0625

Проектирование механизма газораспределения начинают с определения диаметра горловины проходного сечения dгор клапана в мм по формуле:

(5.1)

мм В современных двигателях длина клапана в мм определяется по формуле:

(5.2)

мм Диаметр стержня клапана в мм определяется по формуле:

(5.3)

мм Толщину стенки гильзы в мм в первом приближении можно определить по формуле:

(5.4)

мм где — допускаемое напряжение растяжения, которое для чугунных гильз равно = 50…60 В МПа, для стальных — = 80…100 МПа;

• давление газов в цилиндре двигателя в конце процесса сгорания топлива, МПа.

Толщина нижней опорной стенки головки блока в мм и толщина стенок водяной рубашки в мм определяются по следующим формулам:

длякарбюраторных двигателей

(5.5)

мм

(5.6)

мм

Заключение, В процессе расчета и проектирования двигателя было изучено и должным образом усвоено следующее:

сущность и значение процессов, происходящих в цилиндре ДВС при реализации действительного цикла, закономерности и наиболее эффективные мет оды превращения химической энергии топлива в работу ДВС;

• влияние основных конструктивных, эксплуатационных и атмосферно-климатических факторов на протекание процессов в ДВС и на формирование внешних показателей работы двигателя, современные методы улучшения технико-экономических показателей и характеристик двигателя, основные критерии работы ДВС и общепринятые характеристики;

• тенденции и направления развития ДВС, диктуемые современными требованиями к подвижному составу автотранспорта.

Спроектированный двигатель обладает повышенной надежностью (критерий Гинцбурга N’П= 1,5 кВт/см), соответствует экологическим требованиям (по массовым долям СО и СО2), удовлетворяет требованиям экономичности (эффективный удельный расход топлива gе= 283,23 г/ (кВтч), имеет опрятный внешний вид (Лист 2), удовлетворяя тем самым требованию эстетичности.

Исходя из вышеперечисленного, можно сделать прогноз о достойной конкурентоспособности спроектированного двигателя.

Показатели рассчитанного двигателя и прототипа приведены в приложении А, техническая характеристика двигателя приведена в приложении Б.

Список использованных источников

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovoy/proektirovanie-dvigatelya/

1 Золотарев, Е. С. Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Автомобильные двигатели»/ Е. С. Золотарев — Кумертау: Кумертауский ф илиал ГОУ ОГУ, 2009. — 91 с.

В. Н. Луканина, В. Н. Луканина, А. И. Расчет, Приложение А

Таблица А1 — Сравнения показателей рассчитанного двигателя с прототипом

Показатели	Тип двигателя
	Прототип	Рассчитанный
Коэффициент избытка воздуха	0,85…0,98	0,92
Давление остаточных газов рг, МПа	0,105…0,125	0,12
Температура остаточных газов Тг, К	900… 1100
Степень подогрева заряда, К	0…20
Коэффициент остаточных газов	0,04…0,1	0,055
Температура в конце впуска Та, К	340…400	344,5
Коэффициент наполнения	0,7…0,9	0,76
Показатель политропы сжатия	1,27…1,4	1,36
Температура конца процесса сжатия Тс, К	600…800
Давление в конце процесса сжатия рс, МПа	0,9…2,0	1,6
Степень повышения давления цикла	3,2…4,2	3,97
Степень предварительного расширения	1,0	1,0
Температура конца видимого сгорания Tz, К	2400…3100
Максимальное давление в конце сгорания pz, МПа	3,5…7,5	6,3
Показатель политропы расширения	1,23…1,30	1,254
Температура в конце процесса расширения Тb, К	1200…1700
Давление в конце процесса расширения рb, МПа	0,35…0,6	0,42
Средняя скорость поршня,, м/с	9…16
Среднее эффективное давление ре, МПа	0,6…1,1	0,84
Индикаторный КПД ;	0,3… 0,4	0,348
Эффективный КПД	0,23…0,38	0,29
Механический КПД	0,75…0,92	0,83
Эффективный удельный расход топлива ge, г / (Квт ч)	230…310
Отношение S / D	0,86… 1,07	0,94
Относительная теплота qe, %	21…38
Относительная теплота q0XЛ%	24…32
Относительная теплота qr, %	30…55
Относительная теплота qH. c, %	0…21
Относительная теплота q0CT, %	3…10	3,62
Фазы газораспределения: — открытие впускного клапана до ВМТ,, град	10…35
— закрытие впускного клапана после НМТ, азвп, град	40…85
— открытие выпускного клапана до НМТ, ао.в., град	40…70
— закрытие выпускного клапана после ВМТ, aз.в., град	10…50
Скорость нарастания давления при сгорании /, МПа / град	0,1…0,4	0,35
Критерий Гинцбурга N’n, кВт / см	1,2…2,8
Критерий Костина qn	3,5…9,0	8,345
Масса двигателя mдв, кг	;

Приложение Б

Техническая характеристика двигателя

1 Тип двигателякарбюраторныйбез наддува.

2 Число тактов — 4.

3 Число и расположение цилиндров — 4Р — образный.

4 Порядок работы цилиндров — 1−3-2−4.

5 Расположение и число клапанов в цилиндре — верхнее, по два в цилиндре.

6 Рабочий объем двигателя, дм3−1,27.

7 Диаметр цилиндра, мм — 75.

8 Ход поршня, мм — 72.

9 Степень сжатия — 8,6.

10 Номинальная мощность, кВт — 45.

11Максимальная рабочая частота вращения, мин-1 — 5200.

12Габаритные размеры двигателя д * ш * в, мм — 860*922*1010.

13 Направление вращения коленчатого вала — правое.

14 Максимальное среднее эффективное давление, МПа -0,84.

15 Максимальный эффективный крутящий момент, Нм — 82,68.

16 Минимальная частота вращения холостого хода, мин-1 — 1000.

17 Сорт топлива — бензин.

18 Минимальный удельный расход топлива, г / (кВтч) — 283.

19 Фазы газораспределения: впуск (начало, конец), выпуск (начало, конец) -(12,40), (42, 10).

20 Наличие наддува — отсутствует.

21 Тип нагнетателя — отсутствует.

22 Тип системы охлаждения — жидкостный, закрытый с принудительной циркуляцией.