Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

по теме:

«Модернизация бензинового двигателя - прототипа Renault Duster F4R»



СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Оценка технико-экономических и экологических показателей двигателя F4R

2. Расчет термодинамических процессов рабочего цикла двигателя F4R

2.1 Процессы впуска и выпуска

2.2 Процесс сжатия

2.3 Процесс сгорания

2.4 Процесс расширения

2.5 Индикаторные показатели цикла

2.6 Эффективные показатели двигателя

3. Построение расчетной индикаторной диаграммы

4. Построение эксплуатационной характеристики двигателя

4.1Построение внешней скоростной характеристики двигателя

5. Конструктивная оценка мехатронной системы двигателя F4R

6. Расчет исходных данных для предполагаемого чип-тюнинга двигателя F4R

7. Графическая часть курсовой работы

8. Варианты чип-тюнинга двигателя F4R

Список использованной литературы



ВВЕДЕНИЕ

Основными задачами курсовой работы по расчету двигателя транспортно-технологических машин и оборудования являются:

1.) оценка технико-экономических и экологических показателей двигателя-прототипа;

2.) расчет термодинамических процессов рабочего цикла двигателя-прототипа;

3.) расчет и построение эксплуатационной (скоростной) характеристики двигателя-прототипа;

4.) конструктивная оценка мехатронной системы двигателя-прототипа;

5.) расчет исходных данных для предполагаемого чип-тюнинга двигателя-прототипа.



1. ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ F4R

На основании паспортных данных двигателя-прототипа (выбирается по желанию студента) заполняется таблица 1 по установленной форме

Таблица 1. Техническая характеристика двигателяRenaultDuster (F4R) 2, 0

Nп/п	Показатель	Обозначение	Численное значение
1	Номинальная мощность	Ре, кВт	138
2	Номинальная частота вращения	n, мин-1	5750
3	Максимальный вращающий момент при частоте вращения	Te, Hм n, мин-1	195 (3750)
4	Тип двигателя	Д.И.З.(Дизель)	Д.И.З.
5	Компоновка двигателя	Р (V)	P
6	Число цилиндров	i	4
7	Размерность двигателя	S/D	1, 12
8	Диаметр цилиндра	D, мм	82, 7
9	Ход поршня	S, мм	93
11	Число одноименных клапанов и их привод		8, цепь
11	Тип охлаждения двигателя	Жидкостное (воздушное)	Жидкостное
12	Наличие наддува		-
13	Степень сжатия двигателя	е	11
14	Литраж двигателя	Vл, л	2

С учетом параметров технической характеристики двигателя-прототипа и предлагаемых формул проводится его технико-экономическая и экологическая экспертиза (табл.2.)



Таблица 2. Технико-экономическая и экологическая экспертиза двигателя F4R

Nп/п	Показатель	Формула (обозначение)	Численное значение	Соотв. нормат.
			Факт.	Нормат.
1	Литровая мощность двигателя	Рл=Ре/Vл, кВт/л	69	40…70 (Д.И.З) 20…25 (Дизель)	Соотв.
2	Среднее эффективное давление газов на номинальном режиме		1, 4	>1, 1МПа	Соотв.
3	Средняя скорость поршня		17, 8	<15м/с	Не соотв.
4	Поршневая мощность двигателя		7, 4	20…40 (Д.И.З) 20…30 (Дизель)	Не соотв.
5	Оптимальная степень сжатия (Д.И.З)		11		Соотв.
6	Требуемое октановое число топлива		92		Соотв.
7	Оптимальный эффективный удельный расход топлива (Д.И.З)		155, 38		Соотв.
8	Экологические показатели:	уменьшение выбросовза счет:	ЕВРО-5	ЕВРО-5, 6	Соотв.
9	СО	катализатора	0, 08
10	СН	катализатора	0, 05
11	NOx	нейтрализатора системы «EGR»	1, 2
		системы «Adblue-Bluetec»



2. РАСЧЕТ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДВИГАТЕЛЯ F4R

2.1 Процессы впуска и выпуска

а). Задаются значениями: Т_о; р_о ; Т_r; р_r; Т; р_а.

Температура Т_о и давление р_о окружающей среды принимаются в соответствии со стандартными атмосферными условиями: Т_о=273+25=298К; р_о=0, 1 МПа.

Температура Т_r и давление р_r остаточных газов зависят от частоты вращения и нагрузки двигателя, сопротивления выпускного тракта, способа наддува.

р_r=1, 12 (1, 05…1, 20)

Температура остаточных газов зависит в основном от коэффициента избытка воздуха , степени сжатия , частоты вращения коленчатого вала, нагрузки.

Т_r=800 К (900…1100) К;

Т- степень подогрева свежего заряда во впускном тракте зависит от частоты вращения:

Т=20(10…30)

Давление в конце впуска р_апринимается из следующего соотношения:

р_а= р_к- р_а ;

р_а=0, 1 - 0, 0159 = 0, 0841МПа

У двигателей потери давления р_а за счет сопротивления впускного тракта находятся в пределах:(0, 05…0, 2)

р_{а =} 0, 0159

б). Определяем величины: _r (коэффициент остаточных газов), Т_a(температура конца наполнения) и _v(коэффициент наполнения):

(0, 05…..0, 12) (1)

(0, 75…..0, 85) (3)

Т_к= Т_о;р_к= р_о.

в). В зависимости от принятого значения коэффициента избытка воздуха определяют массу свежего заряда, введенного в цилиндры двигателя (ориентировочно):

М₁ = 1, 05*15/ 29 = 0, 54, кмоль(4)

Масса воздуха в кмолях: L_o=15/29 = 0, 54.

(29 -масса 1 кмоль воздуха), = 1, 05

2.2 Процесс сжатия

Определяют параметры процесса сжатия: n₁; р_с; Т_с; М_с.

а). Показатель политропы сжатия п₁определяется из соотношения:

n₁ = 1, 41 - 100/3750=1, 39; (5)

б). Давление конца сжатия:

= 2, 2 (6)



в). Температура конца сжатия:

(7)

г). Масса рабочей смеси в конце сжатия:

, кмоль. (8)

д). Теплоемкость рабочей смеси в конце сжатия:

С_v.c=20, 16+1, 7410 ^-3928, 24 = 21, 77514, кДж/(кмоль.град). (9)

2.3 Процесс сгорания

а). Определяем массу продуктов сгорания в цилиндрах двигателя.

, (10)

б).Определяем температуру газов в цилиндре в конце процесса сгорания из уравнений:

, (11)

Теплоемкость продуктов сгорания при постоянном объеме:

С_vz =(18, 4+2, 6· 1, 05) + (15, 5 + 13, 8·1, 05)10 - ⁴·2912, 546=21, 133; (12)



Теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении:

С_z =(20, 2 + 0, 92/1, 05) + (15, 5 + 13, 8/1, 05) 10 -⁴2912, 546 + 8, 314; (13)

-коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси в ходе сгорания ==1, 05 (значения находятся в пределах 1, 01…1, 1)

- коэффициент использования теплоты в ходе сгорания,

= 0, 85(0, 85… 0, 95);

Н_u- низшая теплотворная способность топлива:

для бензина -44 ; Н_u = 0

(-0, 0029)·Т_z² + (-21, 13)·Т_z +86142, 6 =0, (14)

T_z =. (15)

в). Определяем максимальное давление газов в цилиндре:

. (16)

2.4 Процесс расширения

Определяют параметры процесса расширения: n₂; р_b; Т_b.

а). Показатель политропы расширения n₂определяется из соотношения:

n₂ = 1, 22 + 130 / 3750=1, 24(20) (17)



б). Давление и температура конца расширения:

; (18)

; (19)

Полученные расчетные значения термодинамических параметров процессов цикла необходимо сопоставить с данными табл. 3.

Таблица 3 Предельные значения параметров процессов цикла

Тип двигателя	pc, МПа	pz, , МПа	Тс, К	Тz, К	Тb, К
Бензиновые и газовые двигатели	0, 9…2, 2	3…5, 5	600…800	2400…2900	1400…1700

2.5 Индикаторные показатели цикла

а). Определяем среднее индикаторное давление (теоретическое) газов:

. (20)

б). Определяем среднее индикаторное давление (действительное) газов:

p_i = 0, 94·0, 9788=0, 92;

_п - коэффициент полноты индикаторной диаграммы, учитывающий ее скругление в ВМТ и НМТ, как результат наличия фаз газораспределения, угла опережения впрыскивания топлива или зажигания, а также скорости сгорания топлива. Значения _п принимаются для бензиновых и газовых двигателей 0, 94…0, 97._п=0, 94

в). Определяем индикаторный КПД цикла:



(21)

г). Определяем индикаторный удельный расход топлива:

. (22)

2.6 Эффективные показатели двигателя

а). Определяют среднее давление механических потерь:

, (23)

с_п=15 (8…15 ),

и - эмпирические коэффициенты, приведенные в табл. 4.

Таблица 4. Значения коэффициентов и

Тип двигателя
Бензиновые и газовые двигатели,	0, 05	0, 0155

б). Определяют среднее эффективное давление газов:

. (24)

в). Определяют механический КПД двигателя:

. (25)



г). Определяют эффективный КПД двигателя:

. (26)

д). Определяют удельный эффективный расход топлива:

. (27)

Полученные расчетные значения индикаторных и эффективных показателей необходимо сопоставить с данными табл.5.

Таблица 5. Предельные значения индикаторных и эффективных показателей современных поршневых двигателей

Тип двигателя	pi, МПа	i	bi, г/кВт.ч	pe, МПа	e	be, г/кВт.ч
Бенз. и газов. двигатели	0, 9…1, 2	0, 3…0, 4	270…205	0, 8…1, 1	0, 25…0, 42	190…240



3. ПОСТРОЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ

двигатель термодинамический сгорание индикаторный

Индикаторная диаграмма строится в координатах р - v (на рис.1 изображена индикаторная диаграмма бензинового двигателя, на рис.2 -дизеля), или в координатах р - ц(по выбору студента).

При построении диаграммы ее масштабы рекомендуется выбирать с таким расчетом, чтобы получить высоту равной 1, 5…1, 7 ее основания. Исходя из опыта построения и обработки диаграмм, можно рекомендовать следующую методику. В начале построения на оси абсцисс откладывают отрезок АБ, соответствующий рабочему объему V_{h, ,} а по величине равный ходу поршня в масштабе М_s, который в зависимости от величины хода поршня может быть принят 1:1; 1, 5:1; 2:1.Тогда отрезок ОА, соответствующий объему камеры сгорания V_с будет равен:

ОА =AБ / ( - 1)

При построении диаграммы рекомендуются выбирать следующие масштабы давлений: Мр=(0, 05…0, 025) МПа /мм. С учетом масштабов наносят точки: r, a, c, z, , b. Точка определяется из соотношения: .

Для построения политроп сжатия и расширения необходимо рабочий объем V_h(отрезок АБ) разделить на 6…8 интервалов (ближе к ВМТ интервалы необходимо уменьшить, см. рис.1) и определить соответствующие величины давлений рх, заменив отношение объемов отношением отрезков в мм по уравнениям:

для процесса сжатия - ,



После планиметрирования площади индикаторной диаграммы расчетного цикла соответствующего двигателя определяют среднее индикаторное давление газов:

где Мр- масштаб давлений (МПа/ мм), Fd- площадь диаграммы в.

Допустимое отклонение среднего индикаторного давления, определенное планиметрированием, не должно отличаться от расчетного более чем на 0, 025МПа.

Рис.1. Индикаторная диаграмма расчетного цикла двигателя

4. ПОСТРОЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ

Эксплуатационные характеристики - это графические зависимости основных показателей двигателя (Р_е, Т_е, В_Т, b_е) от эксплуатационных факторов (частоты вращения коленчатого вала n, нагрузки: р_е, Т_е, Р_е). Наибольшее применение получили следующие эксплуатационные характеристики: скоростная (внешняя и частичные), регуляторная, нагрузочная.

4.1 Построение внешней скоростной характеристики двигателя

Внешняя скоростная характеристика строится для двигателей, используемых в качестве энергетической установки автотранспортных средств. В основу определения энергетических и экономических показателей двигателя положены следующие эмпирические зависимости:

. (29)

. (30)

Численные значения коэффициентов в уравнениях приведены в табл. 6

Таблица 6. Коэффициенты для построения скоростной характеристики

Тип двигателя
Бензиновый или газовый	0, 9	1, 1	1	1, 2	1	0, 8

Часовой расход топлива В_Т.х на регуляторной ветви определяется из соотношения: В_Т.х =(0, 25…0, 30)В_Т.мах, (см. рис.4).

Вращающий момент и часовой расход топлива подсчитываются по формулам: 

, кНм, (31)

. (32)

После этого все расчетные данные заносятся в табл. 7

Таблица 7. Показатели двигателя для построения скоростной характеристики

Показатели	Размерн.
	КВт	29, 808	65, 136	99, 36	125, 85	138	129, 16
	КНм	0, 0397	0, 0434	0, 0442	0, 0420	0, 0368	0, 0287
		328, 59	295, 48	282, 74	290, 39	318, 41	366, 8
		9, 79	19, 24	28, 09	36, 54	43, 94	47, 37

Рис.2. Скоростная характеристика бензинового двигателя n, мин^-



5. КОНСТРУКТИВНАЯ ОЦЕНКА МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЫ ДВИГАТЕЛЯ F4R

В современных двигателях мехатронная система включает следующие датчики, исполнительные механизмы и соответствующие компьютерные технологии (электронный блок управления - ЭБУ).

На двигателе F4R установлен ЭБУ Sirius 32, который включает в себя следующие датчики, приведенные в таб. 8:

Таблица 8. Датчики электронной системы управления двигателя F4R

Системы двигателя	Датчики
Система питания топливом	датчик частоты вращения коленчатого вала; датчик Холла; датчик положения педали газа; расходомер воздуха; датчик давления топлива; датчик детонации; датчик температуры воздуха на впуске; датчик массового расхода воздуха
Процессы газообмена	датчик положения (потенциометр) впускной заслонки; датчик положения коленчатого вала; датчик положения распределительного вала; датчик температуры воздуха на впуске;
Процессы газообмена (система рециркуляции отработавших газов)	датчик положения (потенциометр) клапана рециркуляции; кислородный датчик №1; кислородный датчик №2 ; датчик частоты вращения коленчатого вала; расходомер воздуха; датчик температуры охлаждающей жидкости
Система охлаждения	датчик температуры охлаждающей жидкости на входе; датчик температуры охлаждающей жидкости на выходе из радиатора; датчик включения вентилятора; датчик перегрева двигателя
Система смазки	Датчик давления масла Датчик уровня масла



Исполнительные механизмы в отличии от датчиков, не отсылают информацию (сигналы), а сами получают её от блока управления. В исполнительном механизме электрический сигнал, в большинстве случаев, преобразуется в механическую работу, например, при открытии клапана или при регулировании исполнительного механизма. В области автомобильных технологий многие исполнительные механизмы работают, используя индуктивный (электромагнитный) принцип

Электронный блок управления (ЭБУ) производит расчёты, необходимые для полноценной работы двигателя, прежде всего:

- управление основными функциями двигателя; впрыском и углом опережения впрыска;

- управление и регулирование электронной педали подачи топлива;

- регулирование концентрации смеси;

- регулирование числа оборотов холостого хода;

- встроенная диагностика элементов,

- самодиагностика блока управления.



Рис.3. Структурная схема мехатронной системы двигателя F4R

Рис.4. Обработка сигналов в электронном блоке управления ЭБУ Sirius 32

В результате анализа мехатронной системы двигателя-прототипа, был сделан вывод: имеющиеся в системе элементы по реализации технико-экономических и экологических показателей имеют оптимальные показатели.



6. РАСЧЕТ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ПРЕДПОЛАГАЕМОГО ЧИП-ТЮНИНГА ДВИГАТЕЛЯ F4R

Большинство заводов-производителей устанавливает в ЭБУ автомобиля "усредненные" программы, не учитывающие особенности российского топлива, климатические особенности региона и т.д. В результате на заводских программах наблюдаются ставшие уже классическими проблемы, например, рывки при переходе от холостого хода к движению на большинстве автомобилей, неконтролируемый подскок оборотов холостого хода двигателя, и многое другое. Указанные проблемы могут быть успешно устранены при помощи чип-тюнинга. В курсовой работе предполагается рассчитать программу для двигателя-прототипа по обеспечению топливной экономичности за счет оптимального соотношения тепловоздушной смеси.

На основании результатов расчета скоростной характеристики двигателя (табл.8, рис.4) определяются: расход топлива-B_т; расход воздуха-B_в; коэффициент избытка воздуха-б в зависимости от частоты вращения-n. (табл.10), строится 3D -матрица и 3-хмерный график.

Расчетный расход воздуха для соответствующего двигателя определяется по формуле:

(33) ;

з_v- коэффициент наполнения для двигателей без наддува определяется по эмпирической формуле:

; (34)

р₀ = 10⁵МПа;

V_h = 0, 002 м³.

Т₀ = 298К;

R = 287 Дж/кг*град;

Таблица 9 Значения расходных характеристик двигателя

n, мин-1	Bт, кг/ч	зV	Bв, кг/ч	б
750	6, 3724	0, 4825	25, 387	0, 271
1500	12, 74	0, 64	67, 347	0, 3595
2250	18, 85	0, 7525	118, 78	0, 42
3000	24, 685	0, 82	172, 57	0, 4755
3750	30, 337	0, 8425	221, 64	0, 4969
4500	35, 833	0, 82	258, 86	0, 4914

Для обеспечения топливной экономичности бензинового двигателя коэффициент избытка воздуха б должен быть в пределах 1, 05…1, 20, т.е.=1, 15

Как видно из табл.9 состав топливовоздушной смеси по величине б не соответствует экономичному режиму, поэтому вводим корректировку этой величины до значения-1, 15 (табл.10) и определяем соответствующую цикловую подачу топлива (табл.11)

Таблица 10. 3D-матрица по расходу топливовоздушной смеси двигателя

Bв/Вт	8	12	18	25	30	35
25, 387	1, 15
67, 347		1, 15
118, 78			1, 15
172, 57				1, 15
221, 64					1, 15
258, 86						1, 15

Цикловая подача топлива В_т._ц. и соответствующая подача воздуха В_в.ц. определяются соотношениями:



(35)

(36)

i -число цилиндров двигателя; i = 4

(37)

14, 7 -стехиометрический состав смеси для бензинового двигателя

Таблица11. 3D-матрица по определению цикловой подачи топлива

Вв.ц/n	750	1500	2250	3000	3750	4500
0, 282	0, 016	0, 016	0, 016	0, 016	0, 016	0, 016
0, 374	0, 022	0, 022	0, 022	0, 022	0, 022	0, 022
0, 439	0, 026	0, 026	0, 026	0, 026	0, 026	0, 026
0, 479	0, 028	0, 028	0, 028	0, 028	0, 028	0, 028
0, 492	0, 029	0, 029	0, 029	0, 029	0, 029	0, 029
0, 479	0, 028	0, 028	0, 028	0, 028	0, 028	0, 028

Рис.5. 3-х мерный график по определению цикловой подачи топлива



7. ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ КУРСОВОЙ РАБОТЫ



8. ВАРИАНТЫ ТЮНИНГА ДВИГАТЕЛЯ F4R

1. Тюнинг (адаптация) двигателя под топливо

АИ-92(АИ-95).

2. Тюнинг двигателя за счет подбора эффективных фаз газораспределения.

3. Тюнинг двигателя за счет модернизации впускного тракта.

4. Тюнинг двигателя для повышения его мощности.

5. Тюнинг двигателя за счет модернизации выпускного тракта.

6. Тюнинг двигателя для перевода на газовое топливо.

7. Тюнинг двигателя для повышения его приспособляемости к переменным нагрузкам.

8. Тюнинг двигателя для повышения приемистости автомобиля.

9.Тюнинг двигателя для повышения его топливной экономичности.

10.Тюнинг двигателя для улучшения пусковых свойств в условиях низких температур.

11. Тюнинг двигателя для его работы на биотопливе.

12. Тюнинг двигателя для улучшения его экологических показателей по выбросу «СО и СН»

13. Тюнинг двигателя для улучшения его экологических показателей по выбросу «NOх».

14. Тюнинг двигателя для улучшения его экологических показателей по выбросу «РМ+ТЧ».



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Г.В. Штайн, Методические указания «Расчет двигателя»

2. www.baza.drom.ru

3.www.wikimotors.ru/Renault-f4r-20

Размещено на Allbest.ru

...