Расчет двигателей внутреннего сгорания

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Тепловой расчет двигателя служит для определения параметров рабочего тела в цилиндре двигателя, а также оценочных показателей рабочего процесса, для оценки мощностных и экономических показателей, позволяющих оценить мощность и расход топлива.

Задачей динамического расчета является определение сил, действующих в механизмах преобразования энергии рабочего тела в механическую работу двигателя.

В настоящей работе тепловой и динамический расчеты выполняются для режима номинальной мощности.



1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

Цель изучения дисциплины -- овладение основами термодинамики, теории и расчета двигателей внутреннего сгорания.

Теоретические знания курса закрепляются выполнением курсовой работы.

Курсовая работа является заключительным этапом изучения дисциплины «Транспортная энергетика». Основная ее цель -- развитие у студентов навыков инженерных расчетов по специальным дисциплинам.

При выполнении курсовой работы следует:

• изучить конструкцию механизмов и систем двигателя прототипа;

• дать технико-экономическое обоснование проектируемого двигателя, указать преимущества и перспективность конструктивных решений с учетом современных требований;

• выполнить соответствующие расчеты и произвести графическое построение необходимых графиков (зависимостей).

Исходные данные к курсовой работе представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Исходные данные

Прототип двигателя	Мощность, кВт	Частота вращения, мин-1	Объем двигателя, л	Степень сжатия
ЗМЗ-4062.10	140	5600	2,28	9



2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

Тепловой расчет -- это начальный этап всех работ, связанных с проектированием двигателя.

2.1 Свежий заряд и продукты сгорания

Количество свежего заряда или горючей смеси для ДВС с воспламенением от искры, кмоль/кг топлива:

(2.1)

где -- коэффициент избытка воздуха: для ДВС с воспламенением от искры 0,7--1,18, для дизельных 1,2--1,65;

L0 -- теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кмоль/кг: для двигателей с воспламенением от искры 0,512, для дизелей 0,495;

-- молекулярная масса паров топлива, кмоль/кг: для двигателей с воспламенением от искры 110--120, для дизелей 180--220.

Количество продуктов сгорания для ДВС с воспламенением от искры

(б <1):

(2.2)

где К -- отношение числа киломолей водорода к окиси углерода, составляющее от 0,45 до 0,50.

(2.3)

(2.4)

(2.5)

(2.6)

Общее количество продуктов неполного сгорания, кмоль/кг:

(2.7)

Теоретический коэффициент молекулярного изменения:

(2.8)

Действительный коэффициент молекулярного изменения:

(2.9)

где: гr -- коэффициент остаточных газов: для ДВС с воспламенением от искры от 0,06 до 0,10, для дизелей от 0,03 до 0,06.



2.2 Процесс впуска

Расчет процесса впуска заключается в определении величин давления Ра, МПа, температуры Та, К, конца впуска и коэффициента наполнения :

(2.10)

(2.11)

(2.12)

Давление Р0 и температуру Т0 окружающей среды обычно принимают 0,1 МПа и 293 К соответственно. Степень сжатия е принять по данным двигателя прототипа. Остальные данные, полученные экспериментальным путем, принять по табл. 2.

Значения параметров процессов впуска для современных двигателей с воспламенением от искры: Ра = (0,8--0,9) Р0; Та = 320--360 К; = 0,7--0,8.

Таблица 2 - Параметры процесса газообмена

Двигатель	Потери давления на впуске ДРа, МПа	Температура подогрева заряда ДТ, К	Температура остаточных газов Тr, К	Давление остаточных газов Рr, МПа
С воспламенением от искры	(0,1-0,2) P0	0--20	900-1000	(1,1-1,25) P0



2.3 Процесс сжатия

Параметры рабочего тела в конце процесса сжатия -- давление Рс, МПа, и температуру Тс, К, определяют из уравнений политропного процесса по формулам:

(2.13)

где -- средний показатель политропы сжатия, величина которого зависит от многих факторов. Для приближенных расчетов его значение имеет следующие величины: 1,36--1,37 -- ДВС с воспламенением от искры; 1,37--1,38 -- дизели.

(2.14)

Параметры конца сжатия по опытным данным:

Рc = 0,9--1,6 МН/м2; Tc = 550--750 К -- ДВС c воспламенением от искры.

2.4 Процесс сгорания

Расчет процесса сгорания заключается в определении максимальных значений температуры Тz и давления Рz в цилиндре двигателя. Однако подсчет величины Тz представляет определенные трудности и ее принимают по опытным данным:

2400--2800 К -- для ДВС с воспламенением от искры.

Давление конца сгорания в двигателях с воспламенением от искры, МПа, определяют по формуле:

(2.15)

Вследствие потерь в ДВС с воспламенением от искры действительное давление конца сгорания, МПа:

(2.16)

2.5 Процесс расширения

Расчет процесса расширения заключается в определении давления Рв, МПа, и температуры Тв, К, по уравнениям политропного процесса:

(2.17)

где -- средний показатель политропы расширения. Эту величину принимают по опытным данным: 1,24--1,25 -- ДВС с воспламенением от искры.

(2.18)

2.6 Индикаторные показатели рабочего цикла

Теоретическое среднее индикаторное давление для двигателей с воспламенением от искры, МПа:

(2.19)

Действительное среднее индикаторное давление:

(2.20)

где = 0,92--0,97 -- коэффициент полноты индикаторной диаграммы.

Индикаторный КПД:

(2.21)

где -- количество воздуха, кг, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг топлива: 14,96 -- ДВС с воспламенением от искры;

с0-- плотность заряда на впуске, кг/м3:

(2.22)

где В = 287 Дж/кг·град -- удельная газовая постоянная для воздуха.



Индикаторный удельный расход топлива, г/кВт·ч:

(2.23)

Величину Нu в следует принять в МДж/кг.

2.7 Эффективные показатели рабочего цикла

Среднее эффективное давление, МПа:

(2.24)

где Рм -- среднее давление механических потерь, которое подсчитывают с учетом средней скорости поршня , м/с:

Рм =0,04 + 0,013· (2.25)

Где средняя скорость поршня, м/с.

Рм = 0,04 + 0,013·6 = 0,118

Механический КПД:

(2.26)



Эффективный КПД:

(2.27)

Эффективный удельный расход топлива, г/кВт·ч:

(2.28)

Величину Нu в следует принять в МДж/кг.

2.8 Основные размеры двигателя

Литраж двигателя, л, дм3:

(2.29)

где: т-- 4 -- тактность современных транспортных двигателей.

Рабочий объем одного цилиндра, дм3:

(2.30)

где: i -- число цилиндров.



Диаметр цилиндра и ход поршня, мм:

(2.31)

(2.32)

где S/D -- отношение хода поршня к диаметру цилиндра, которое по опытным данным имеет следующие значения: 0,7--1,0 -- для ДВС с воспламенением от искры.

Значения D и S округляют до целого числа и по полученным величинам подсчитывают показатели двигателя:

литраж, дм3:

(2.33)

эффективная мощность, кВт:

(2.34)



крутящий момент, Нм:

(2.35)

часовой расход топлива, кг/ч:

(2.36)

средняя скорость поршня, м/с:

(2.37)

Полученное значение сравнивают с заданной мощностью. Если расхождение составляет более 5 %, следует принять другие значения диаметра цилиндра и хода поршня.

(2.38)

2.9 Построение индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма -- зависимость давления газов в цилиндре от величины объема, освобождаемого поршнем, который пропорционален ходу поршня.

Построение индикаторной диаграммы двигателя внутреннего сгорания производится с использованием данных расчета рабочего процесса.

В начале построения на оси абсцисс откладывают отрезок АВ, соответствующий рабочему объему цилиндра, т. е. величине, равной ходу поршня в масштабе в 1:1.

Масштаб диаграммы, мм:

ход поршня - MS = 1 мм;

давления - Mp = 0,04 МПа.

Отрезок ОА, соответствующий объему камеры сгорания, и приведенная величина рабочего объема цилиндра - AB, определяются из соотношений:

(2.39)

(2.40)

Затем по данным теплового расчета на диаграмме откладывают в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках: а, с, с'', z?, b, r.

Ординаты характерных точек:

(2.41)

(2.42)



(2.43)

(2.44)

(2.45)

(2.46)

(2.47)

Максимальная высота диаграммы (точка z):

(2.48)

Построение политроп сжатия и расширения можно производить графическим или аналитическим методом.

Из начала координат проводят луч ОС под произвольным углом б к оси абсцисс (для получения достаточного количества точек на политропах рекомендуется б = 15°). Далее из начала координат проводят луч OD и ОЕ под определенными углами в1 и в2 к оси ординат. Эти углы определяют из соотношений:

(2.49)

(2.50)

где: n1 и n2 -- соответствующие показатели политроп

Политропу сжатия строят с помощью лучей ОС и OD. Из точки с проводят горизонталь до пересечения с осью ординат; из точки пересечения c осью ординат; из точки пересечения - линию под углом 45 0 к вертикали до пересечения с лучом ОD, а из этой точки -- вторую горизонтальную линию, параллельную оси абсцисс.

Затем из точки с проводят вертикальную линию до пересечения с лучом ОС; из точки пересечения под углом 45 0 к вертикали -- линию до пересечения с осью абсцисс, а из этой точки -- вторую вертикальную линию, параллельную оси ординат, до пересечения со второй горизонтальной линией. Точка пересечения этих линий будет промежуточной точкой политропы сжатия. Точку 2 находят аналогично точке 1, принимая ее за исходную.

Политропу расширения строят с помощью лучей ОС и ОЕ начиная от точки z, аналогично построению политропы сжатия.

Скругление индикаторной диаграммы. Так как рассчитываемый двигатель достаточно быстроходный (n = 5600 об/мин), то фазы газораспределения устанавливают с учетом получения хорошей очистки цилиндра от отработавших газов и возможности дозарядки в конце впуска.

В связи с этим начало открытия впускного клапана (точка r') принимают за 14° до прихода поршня в ВМТ, закрытия - через 46° после прохода поршнем НМТ (точка a'').

Начало открытия выпускного клапана (точка b') -- за 46° до прихода поршня в НМТ, а закрытие (точка a') -- через 14° после прохода поршнем ВМТ.

В соответствии с принятыми фазами газораспределения, углом опережения зажигания и периодом задержки воспламенения определяют положение точек r', а', а'', c', f, b' по формуле для перемещения поршня, мм:

(2.51)

где: л - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Выбор величины л производят при проведении динамического расчета, а при построении индикаторной диаграммы предварительно принимается л = 0,265.

Расчеты ординат точек r', а', а'', c', f, b' сведены в таблице 3.

Соединив плавными кривыми точки r с а', c' с c'' и далее с z? и кривой расширения, b' с b'' и линией выпуска, получаем скругленную действительную индикаторную диаграмму ra'ac'fc'' z? b'b''r.

Таблица 3 - Результаты расчёта точек индикаторной диаграммы

Точки	Положение точки	ц, °		Расстояние точек от ВМТ (АХ), мм
r' a' c' f b' a''	14 до ВМТ 14 после ВМТ 35 до ВМТ 30 до ВМТ 46 до НМТ 46 после НМТ	14 14 35 30 46 46	0,027 0,027 0,224 0,167 0,316 0,316	1,87 1,87 15,55 14,71 15,96 15,96

Полученная диаграмма acz'zba является расчетной индикаторной диаграммой, по которой можно определить величину теоретического индикаторного давления p'i, МН/м2:

(2.52)

где: F' -- площадь скругленной диаграммы acz0b''a, мм, отрезок АВ, мм;

Мp -- масштаб давлений.

(2.53)

Значение должно быть равно значению , полученному в результате теплового расчета (ошибка 5 %).



3. ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Динамический расчёт кривошипно-шатунного механизма заключается в определении суммарных сил и моментов, возникающих от давления газов и сил инерции.

В течение каждого рабочего цикла силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме, непрерывно изменяются по величине и направлению. Поэтому для характера изменения сил по углу поворота коленчатого вала их величины определяют для ряда различных положений вала через каждые 30 град ПКВ. В отдельных случаях через 10 град ПКВ.

Последовательность выполнения расчета следующая:

1. Строим индикаторную диаграмму в координатах р-V.

2. Перестраиваем индикаторную диаграмму, выполненную по результатам теплового расчета, в координаты р-ц.

3. Определяем силу давления газов на днище поршня для положений коленчатого вала, отстоящих друг от друга на 30° ПКВ в пределах (0…720)° ПКВ.

За начало отсчета принимаем такое положение кривошипа, когда поршень находится в начале такта впуска.

3.1 Силы давления газов

Площадь поршня определяем по формуле:

(3.2)

Результаты расчета заносим в табл. 4.



Таблица 4 - Значение сил, действующих в КМШ

Значения сил, действующих на КШМ
a	Pг, МПа	Pг, кН	cosa+лcos2a	Pj, кН	P, кН	tgB	N, кН	1/(cosB)	S, кН	(cos(a+B))/(cosB)	K, кН	(sin(a+B))/(cosB)	T, кН
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
0	-2,27	-5,75	1,27	-191,22	-196,97	0,00	0,00	1,00	-196,97	1,00	-196,97	0,00	0,00
30	-2,65	-6,71	1,00	-151,16	-157,88	0,13	-21,00	1,01	-159,45	0,80	-126,30	0,62	-97,09
60	-2,14	-5,42	0,37	-55,17	-60,59	0,24	-14,24	1,03	-62,11	0,30	-18,18	0,98	-59,38
90	-2,39	-6,05	-0,27	40,06	34,00	0,28	9,35	1,04	35,19	-0,28	-9,52	1,00	34,00
120	-2,00	-5,07	-0,63	95,23	90,17	0,24	21,19	1,03	92,87	-0,71	-64,02	0,75	67,63
150	-2,00	-5,07	-0,73	110,35	105,28	0,13	14,00	1,01	106,34	-0,93	-97,91	0,39	40,53
180	-2,14	-5,42	-0,74	111,10	105,68	0,00	0,00	1,00	105,68	-1,00	-105,68	0,00	0,00
210	-2,22	-5,62	-0,73	110,35	104,73	-0,13	-13,93	1,01	105,77	-0,93	-97,40	-0,39	-40,32
240	-2,54	-6,43	-0,63	95,23	88,80	-0,24	-20,87	1,03	91,46	-0,71	-63,05	-0,75	-66,60
270	-1,40	-3,55	-0,27	40,06	36,51	-0,28	-10,04	1,04	37,79	-0,28	-10,22	-1,00	-36,51
300	2,20	5,57	0,37	-55,17	-49,60	-0,24	11,66	1,03	-50,84	0,30	-14,88	-0,98	48,61
330	16,48	41,74	1,00	-151,16	-109,42	-0,13	14,55	1,01	-110,51	0,80	-87,54	-0,62	67,29
360	45,09	114,21	1,27	-191,22	-77,01	0,00	0,00	1,00	-77,01	1,00	-77,01	0,00	0,00
370	138,6	351,06	1,24	-186,69	164,38	0,04	7,15	1,00	164,38	0,98	161,09	0,22	36,16
390	77,47	196,23	1,00	-151,16	45,06	0,13	5,99	1,01	45,51	0,80	36,05	0,62	27,71
420	27,40	69,40	0,37	-55,17	14,23	0,24	3,34	1,03	14,58	0,30	4,27	0,98	13,94
450	11,90	30,14	-0,27	40,06	70,20	0,28	19,31	1,04	72,66	-0,28	-19,66	1,00	70,20
480	8,48	21,47	-0,63	95,23	116,70	0,24	27,42	1,03	120,20	-0,71	-82,86	0,75	87,52
510	6,40	16,21	-0,73	110,35	126,56	0,13	16,83	1,01	127,83	-0,93	-117,70	0,39	48,73
540	0,67	1,70	-0,74	111,10	112,80	0,00	0,00	1,00	112,80	-1,00	-112,80	0,00	0,00
570	-1,59	-4,03	-0,73	110,35	106,32	-0,13	-14,14	1,01	107,38	-0,93	-98,88	-0,39	-40,93
600	-2,25	-5,70	-0,63	95,23	89,53	-0,24	-21,04	1,03	92,22	-0,71	-63,57	-0,75	-67,15
630	-2,31	-5,85	-0,27	40,06	34,21	-0,28	-9,41	1,04	35,40	-0,28	-9,58	-1,00	-34,21
660	-2,29	-5,80	0,37	-55,17	-60,97	-0,24	14,33	1,03	-62,50	0,30	-18,29	-0,98	59,76
690	-2,58	-6,53	1,00	-151,16	-157,70	-0,13	20,97	1,01	-159,27	0,80	-126,16	-0,62	96,98
720	-2,29	-5,80	1,27	-191,22	-197,02	0,00	0,00	1,00	-197,02	1,00	-197,02	0,00	0,00

3.2 Силы инерции

Силы инерции, действующие на КМШ, разделяются на две группы. К первой группе относятся силы инерции Pj, кН, масс, совершающих возвратно-поступательное движение. Это массы поршневой группы mп и верхней части шатуна mш, которые условно приведены к оси поршневого пальца. двигатель сжатие коленчатый вал

Для б=0°:

(3.3)

где - масса деталей, совершающих возвратно-поступательное движение

- полная масса поршня;

j - ускорение поршня;

- часть массы шатуна, приведённая к оси поршневого пальца;

- полная масса шатуна;

R - радиус кривошипа, м;

- угловая скорость вращения кривошипа, 1/с;

n - число оборотов коленвала.

Расчёты заносятся в таблицу 4.

Удельные массы поршня, шатуна и коленвала приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Удельные массы

Двигатель	Масса, кг/м2
	поршня, mп'	шатуна, mш'	колена, mк'
Бензиновый (D = 60-100 мм)	100-150	120-200	150-200
Дизельный (D = 80-120мм)	200-300	250-350	200-400



(3.4)

(3.5)

(3.6)

(3.7)

(3.8)

(3.9)

Ко второй группе относятся силы инерции KR, кН, масс, совершающих вращательное движение.

Силы инерции вращающихся масс шатуна:

(3.10)

где mшк - масса шатуна, приведённая к оси кривошипа.

mшк = 0,725 • mш (3.11)

3.3 Суммарная сила и ее составляющие

Суммарную силу, действующую в кривошипно-шатунном механизме и сосредоточенную на оси поршневого пальца, определяют путём алгебраического сложения силы давления газов и силы инерции возвратно-поступательного движения масс, кН:

Для б=0°:

(3.12)

Результаты вычислений заносят в таблицу 4. После чего строится график изменения сил P, Pг, Рj на диаграмме P-.

Сила N, кН, действующая перпендикулярно оси цилиндра, называется нормальной. Она считается положительной, если создаваемый ею момент относительно оси кривошипа будет направлен в сторону, противоположную направлению вращения коленвала:

(3.13)

Результаты расчётов заносят в таблицу 4.

Сила, действующая по оси шатуна, кН:

(3.14)

Она считается положительной, если сжимает шатун, и отрицательной , если его растягивает. Результаты расчётов заносят в таблицу 4.

Для значений N и S строят график общей компановки.

От действия силы S на шатунную шейку возникают две составляющие силы К и Т, кН.

Сила направленная по радиусу кривошипа, радиальная сила и тангенсальная сила, направленная по касательной к окружности радиуса кривошипа:

Для б=0°:

(3.15)

(3.16)

Сила К считается положительной, если она сжимает щёки колена. Сила Т положительна, если создаваемый ею момент имеет направление, совпадающее с направлением вращения коленчатого вала.

Результаты расчётов заносят в таблицу 4, после чего строят совмещённый график этих сил.

3.4 Суммарный крутящий момент

Крутящий момент Mk, Н•м, развиваемый в одном цилиндре двигателя, определяется как произведение тангенсальной силы Т, Н, на радиус кривошипа R, м.

Величина R постоянна, поэтому зависимость крутящего момента от угла поворота кривошипа будет иметь тот же характер, что и сила Т.

Для 4-тактного двигателя суммарный крутящий момент будет периодически изменяться через:

(3.17)

где - число цилиндров.

Суммарный крутящий момент можно определить табличным способом. Для этого составляют суммирующую таблицу (Табл. 6) и записывают в неё величины отрезков, соответствующих значений силы Т, Н, через 10 от 0 до чередования вспышек в цилиндрах двигателя. Затем построчно складывают показания для соответствующих значений угла, умножают на радиус кривошипа R. По полученным данным строят кривую изменения суммарного крутящего момента по углу поворота коленвала.

По графику определяют средний крутящий момент двигателя, Нм:

(3.18)

где F1 и F2 - соответственно положительная и отрицательная площади, мм2, заключённые между кривой Мк и осью абсцисс,

Мм - масштаб момента.

Таблица 6 - Значение силы

Значение силы
Угол, град	1-й цилиндр	2-й цилиндр	3-й цилиндр	4-й цилиндр	Суммарное значение силы Т, Н	Суммарный крутящий момент Мк, Н*м
540	360	180	0	0	0	0	0	0	0
550	370	190	10	-81,57	-13,26	36,89	-12,74	-70,68	-35,34
560	380	200	20	-97,13	-26,66	33,09	-26,66	-117,36	-58,68
570	390	210	30	-97,09	-40,32	27,71	-40,93	-150,63	-75,32
580	400	220	40	-88,92	-52,94	22,41	-54,01	-173,46	-86,73
590	410	230	50	-75,98	-62,36	17,72	-63,73	-184,36	-92,18
600	420	240	60	-59,38	-68,60	13,94	-67,15	-181,19	-90,60
610	430	250	70	-38,70	-63,57	12,07	-58,67	-148,86	-74,43
620	440	260	80	3,03	-53,44	56,72	-42,40	-36,09	-18,04
630	450	270	90	34,00	-36,51	70,20	-34,21	33,48	16,74
640	460	280	100	54,04	-6,43	78,56	-37,68	88,49	44,25
650	470	290	110	65,14	38,08	84,27	-47,20	140,29	70,14
660	480	300	120	67,63	48,61	87,52	-59,76	144,00	72,00
670	490	310	130	62,68	56,14	87,19	-73,21	132,80	66,40
680	500	320	140	53,00	62,29	78,18	-86,11	107,36	53,68
690	510	330	150	40,53	67,29	48,73	-96,98	59,57	29,79
700	520	340	160	27,01	70,75	25,57	-100,39	22,95	11,48
710	530	350	170	12,66	66,94	11,71	-71,96	19,35	9,68
720	540	360	180	0	0	0	0	0	0

Оценивают точность расчётов и графического построения, сравнивая подсчитанный с величиной эффективного крутящего момента, полученной в тепловом расчёте.

Ошибка:

(3.19)

где - механический КПД двигателя.

Ошибка не должна превышать 5%.

3.5 Силы, действующие на шатунные шейки коленвала

Результирующую силу Rшш, нагружающую шатунную шейку, находят графическим сложением силы S, действующей по оси шатуна, с центробежной силой инерции вращающихся масс шатуна KRш

Вначале строят полярную диаграмму силы S, так как она является суммирующей двух сил К и Т.

Суммарную силу, действующую на колено и вызывающую изгиб коренной шейки, определяют как сумму сил и ( -- сила инерции вращающихся масс кривошипа).

Полярная диаграмма нагрузок на шатунную шейку строится для определения величин, направления и точек приложения сил, действующих на шейку при различных положениях коленчатого вала.

Для расчета коленвала на прочность необходимо определить средние Rшш ср и максимальные Rшш max значения сил, действующих на шатунную шейку.

Для этого полярную диаграмму с полюсом в точке перестраивают в прямоугольные координаты.

(3.20)

где площадь развернутой диаграммы нагрузок на шатунную шейку, мм2;

отрезок от 0° до 720°, мм.



4. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЁТ

Расчёты на прочность деталей двигателей до настоящего времени являются приблизительными. Применяемые для расчёта методы и формулы не дают возможности точно определить действительные напряжения в деталях. Это объясняется следующим:

сложностью конструктивных форм рассчитываемых деталей;

трудность определения действительных величин сил, нагружающих детали, условной работы деталей и расчётных режимов;

сложностью точного учёта знакопеременной нагрузки;

трудностью оценки влияния температурных нагрузок;

отсутствием методики расчёта деталей двигателя на жёсткость и устойчивость.

Материалами для изготовления поршней служат чугун, легкие сплавы и сталь. Чугун и сталь по сравнению с легкими сплавами обладают более высокой прочностью и износостойкостью. а также малым коэффициентом линейного расширения. Преимуществами поршней из легких сплавов по сравнению с чугунными являются меньшая масса (на 30-50%) и более высокая теплопроводность (в 3-3,5 раза), при этом повышается коэффициент наполнения, уменьшается вероятность возникновения детонации. Применение поршней из легких сплавов позволяет повысить на 10-20% мощность двигателя и уменьшить расход топлива и масла. Поршни изготавливают путем литья в кокиль или штамповкой. Из легких сплавов применяют преимущественно алюминиевые : АЛ1 , АЛ 10В, АЛ 19 и др. Наибольшее распространение получили кремнеалюминиевые сплавы (13-26% кремния) с присадками никеля и меди.

Основные параметры поршня представлены в таблице 7.



Таблица 7 - Параметры поршня

Конструктивный расчёт поршня
Максимальное давление сгорания, МН/м^2	p(zmax)	5,65
Толщина днища поршня, мм	б	6,6
Внутренний диаметр поршня, мм	d(i)	88,4
Напряжение изгиба, МН/м^2 в днище	Биз	253,39
Толщина стенки головки поршня, мм	s	5,5
Радиальная толщина кольца	t	4,4
Радиальный зазор кольца в канавке	?t	0,9
Напряжение сжатия, МН/м^2	Бсж	39,95
Максимальная сила давления газов на днище поршня, МН	P(zmax)	0,06
Площадь сечения с учётом ослабления его масляными отверстиями	Fх-х	0,0016
Диаметр поршня по дну канавок под кольца, м	dк	0,09
Площадь продольного диаметра сечения масляного канала, м^2	F'	0,00001
Диаметр масляного канала, м	d(м)	2
Число масляных отверстий, шт	n(м)	6
Удельное давление на стенку цилиндра, МН/м^2	Kmax	0,38
Максимальная величина боковой силы	Nmax	0,003
Высота юбки поршня, м	h(ю)	66
Высота масляного кольца, мм	а	4
Расстояние до первой поршневой канавки, мм	e	8,8
Толщина первой кольцевой перемычки, мм	h(п)	5,5
Диаметр бобышки, мм	d(б)	44
Внутренний диаметр бобышек, мм	d(n)	27,5
Высота поршна, мм	H	93,83

Проверочный расчет днища поршня, стенки головки и опорной поверхности юбки выполняют для условия действия на поршень постоянных нагрузок. Величина переменных нагрузок учитывается при установлении допустимых напряжений. Днище поршня рассчитывают на изгиб как круглую пластину, защемленную по краям и нагруженную равномерно распределенной нагрузкой. Для двигателей с воспламенением от искры наибольшее давление газов достигается при работе на режиме максимального крутящего момента. Это давление условно принимают равным расчетному давлению газов в конце сгорания Pz max = Pz, т. е. без учета скругления индикаторной диаграммы.

При расчете поршня дизеля берут наибольшее давление на номинальном режиме.

Напряжение изгиба, МН/м2 в днище определяется по формуле:

(4.1)

где - максимальное давление сгорания, МН/м2;

di, д - внутренний диаметр поршня и толщина днища поршня, мм.

Допускаемые напряжения изгиба для поршней из алюминиевых сплавов [уиз] = 20-25 МН/м2.

Так как полученное напряжение изгиба больше допускаемого, введем под днищем поршня куполообразный выступ, с целью уменьшить внутренний диаметр поршня. Тогда напряжение изгиба при :

Головку поршня проверяют на сжатие по сечению х-х.

Напряжение сжатия, МН/м2:

(4.2)

где - максимальная сила давления газов на днище поршня, MH;

- площадь сечения с учётом ослабления его масляными отверстиями, м2.

(4.3)

где площадь поршня, м2.

(4.4)

где dk - диаметр поршня по дну канавок под кольца, м;

- число масляных отверстий;

F' - площадь продольного диаметра сечения масляного канала, м2;

dM - диаметр масляного канала, м;

di - внутренний диаметр поршня, м.

(4.5)

(4.6)

0,0016

Допускаемые напряжения на сжатие для алюминиевых сплавов = 30-40 MH/м2.

Направляющую часть поршня (юбку) проверяют по удельному давлению на стенку цилиндра Кmax, MH/м2:

(4.7)

где - максимальная величина боковой силы, которую принимают по данным динамического расчёта, МН;

D, hю - диаметр поршня и высота юбки соответственно, м.

Допускаемые значения удельного давления для современных автомобильных двигателей находятся в пределах = 0,6-1,0 MH/м2.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения курсовой работы был произведен тепловой и динамический расчет двигателя ЗМЗ-4062.10

Проведя тепловой расчет, определил параметры рабочего тела в цилиндре двигателя, а также произвёл оценочные показатели процесса, позволяющие определить размеры двигателя и оценить его мощностные и экономические показатели.

При выполнении динамического расчета определил действующие на кривошипно-шатунный механизм силы, а также крутящий момент, развиваемый двигателем. Также был произведен расчет скоростной характеристики двигателя.

Двигатель ЗМЗ-4062.10 имеет равномерное чередование вспышек. Построение графика крутящих моментов незначительные различия по сравнению с графиком суммарного крутящего момента прототипа.

Размещено на Allbest.ru

...