Курсовая работа по разработке тех. процесса восстановительного ремонта на тему Расчёт четырёхтактного 4-цилиндрового рядного бензинового двигателя внутреннего сгорания

Введение

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) остается одним из ключевых элементов современной техники, несмотря на активное развитие альтернативных источников энергии. Его надежность, высокая энергоэффективность и адаптивность к различным условиям эксплуатации делают его незаменимым в автомобильной промышленности, судостроении, генераторных установках и других областях. Особое место среди ДВС занимают четырёхтактные бензиновые двигатели, которые сочетают в себе относительно простую конструкцию, экологичность и возможность точной настройки рабочих параметров. Исторически четырёхцилиндровые конфигурации, появившиеся в начале XX века, стали символом технологического прогресса, обеспечив баланс между мощностью, компактностью и экономичностью. Сегодня они доминируют в сегменте малолитражных автомобилей, сохраняя актуальность в условиях растущих требований к снижению выбросов CO₂ и повышению топливной эффективности.
Четырёхцилиндровые рядные двигатели получили широкое распространение благодаря своей сбалансированности, оптимальному соотношению мощности к массе и низкому уровню вибраций. Рядная компоновка, в отличие от V-образной или оппозитной, упрощает конструкцию, снижает производственные затраты и облегчает обслуживание, что особенно важно для массового производства. Однако проектирование таких двигателей требует учёта множества взаимосвязанных факторов: от термодинамических процессов в камере сгорания до динамических нагрузок на кривошипно-шатунный механизм (КШМ). Современные тенденции, такие как внедрение турбонаддува, системы изменения фаз газораспределения (например, VTEC, VANOS) и гибридизация, лишь подчеркивают необходимость глубокого понимания базовых принципов расчёта, которые остаются фундаментом для любых инноваций.
Целью данной курсовой работы является комплексный расчёт основных параметров четырёхтактного 4-цилиндрового рядного бензинового двигателя внутреннего сгорания. В задачи исследования входит:
1.Проведение теплового расчёта для определения индикаторных и эффективных показателей, включая среднее индикаторное давление, рабочий объём и степень сжатия.
2.Анализ кинематики и динамики КШМ с построением графиков пути, скорости и ускорения поршня.
3.Построение внешней скоростной характеристики, отражающей зависимость мощности, крутящего момента и удельного расхода топлива от частоты вращения коленвала.
4.Исследование теплового баланса для оценки распределения энергии и идентификации основных потерь.
5.Определение зон износа шатунных шеек и нагруженности коренных подшипников, что критически важно для повышения ресурса двигателя.
Актуальность работы обусловлена необходимостью оптимизации ДВС в условиях ужесточения экологических стандартов (например, Euro 7) и роста спроса на энергоэффективные технологии. Например, снижение механических потерь на трение или улучшение наполнения цилиндров напрямую влияет на уменьшение выбросов углекислого газа и токсичных веществ (NOₓ, CO). Кроме того, переход к цифровому моделированию позволяет сократить время разработки, но требует верификации через классические методы расчёта, представленные в этой работе.
Новизна исследования заключается в комбинации теоретического анализа с практическими рекомендациями. Например, расчёт зон износа шатунных шеек дополняется предложениями по расположению масляных каналов, а анализ теплового баланса служит основой для выбора материалов с улучшенной теплопроводностью.

1.Анализ исходных данных, выбор и описание прототипа.
Исходные данные к проекту (работе):
В рамках данного расчета рассматривается четырехтактный 4-цилиндровый рядный бензиновый двигатель внутреннего сгорания с определенными характеристиками. Исходные параметры представлены в таблице ниже:
Таблице 1.1. Исходные параметры
Параметр Значение

Вариант расчета 5
Максимальная мощность Ne 48 кВт
Частота вращения при Ne 5300 об/мин
Степень сжатия ε 8.8
Коэффициент избытка воздуха α 0.89
Конструктивный параметр λш 0.285
Количество цилиндров i 4 (рядное расположение)
Выбор прототипа двигателя
Коэффициент избытка воздуха α — это безразмерная величина, показывающая, во сколько раз фактическое количество воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, превышает (или не достигает) стехиометрически необходимого количества для полного сгорания топлива.
α=
где:
Lфакт— реальное количество воздуха, поступившее в цилиндры, кг воздуха/кг топлива;
Lстех​ — теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания топлива, кг воздуха/кг топлива.
Физический смысл коэффициента α
Если α=1 значит, топливная смесь стехиометрическая, то есть содержит ровно столько кислорода, сколько нужно для полного сгорания топлива без избыточного кислорода и без избытка топлива.
Если α>1, смесь обедненная (избыток воздуха), горение происходит более эффективно, но возможен рост температур и образование окислов азота (NOx).
Если α<1, смесь обогащенная (избыток топлива), что приводит к недожогу топлива, образованию сажи и увеличению выбросов CO.
В автомобильных бензиновых двигателях в разных режимах работы используется различное значение α:
Холостой ход: 1.1…1.2 (немного обедненная смесь для стабильности работы)
Номинальный режим: 0.9…1.0 (почти стехиометрическая смесь)
Максимальная мощность: 0.85…0.9 (слегка обогащенная смесь для увеличения отдачи)
Таким образом, коэффициент избытка воздуха влияет на эффективность сгорания топлива, экономичность двигателя, уровень выбросов и температуру рабочего процесса.
Для корректного подбора прототипа необходимо учитывать основные параметры двигателя, в том числе:
Коэффициент избытка воздуха (α) – определяет соотношение воздуха и топлива в горючей смеси;
Степень сжатия (ε) – влияет на термодинамическую эффективность двигателя и его тепловую напряженность;
Число и расположение цилиндров – определяет конструктивные особенности и балансировку двигателя.
Анализ коэффициента избытка воздуха
Для различных типов двигателей применяются следующие диапазоны коэффициента избытка воздуха:
Сперва необходимо подобрать прототип разрабатываемого двигателя. При этом необходимо ориентироваться на коэффициент избытка воздуха, степень сжатия, число и расположение цилиндров.
Для различных двигателей принимаются следующие значения коэффициента избытка воздуха (таблица 1.2).
Таблица 1.2 Значения коэффициента избытка воздуха
Тип двигателя 
Бензиновые двигатели 0,8…0,96
Двигатели с форкамерным зажиганием 0,85…0,98 и выше
Двигатели с искровым зажиганием и впрыском топлива 0,85…1,3
Дизели с неразделенными камерами сгорания и
объемным смесеобразованием 1,5…1,70
Дизели с неразделенными камерами сгорания и
пленочным смесеобразованием 1,50…1,60
Вихрекамерные дизели 1,30…1,45
Предкамерные дизели 1,40…1,50
Tак как рассматриваемый двигатель бензиновый, его α = 0.89 попадает в диапазон 0.8…0.96, что подтверждает корректность выбора.
Среднее индикаторное давление (pi​) — это расчетное давление, которое, если бы действовало на поршень в течение всего рабочего хода, обеспечило бы ту же индикаторную мощность, что и фактический процесс сгорания в цилиндре.
pi​= ​
где:
Pi— индикаторная мощность двигателя (Вт);
Vh ​ — рабочий объем двигателя (м³);
ne ​ — частота вращения коленчатого вала (об/мин);
i — количество цилиндров.
Среднее индикаторное давление характеризует эффективность рабочего процесса в цилиндре и используется для сравнения разных двигателей независимо от их рабочего объема и числа цилиндров.
Чем выше pi ​, тем лучше двигатель использует рабочий объем для выработки мощности.
Приближенно pi ​ можно рассчитать через максимальное давление сгорания pz
pi​=pz​⋅ηv​⋅1
pz​ — максимальное давление сгорания (для бензиновых двигателей 7–9 МПа);
ηv— коэффициент, учитывающий потери при газообмене и теплопередаче (обычно 0.8…0.9);
α— коэффициент избытка воздуха.
Значения pi ​ зависят от типа двигателя и топлива. Среднее индикаторное давление — это важный параметр, который показывает, насколько эффективно двигатель преобразует давление сгорания в мощность. Чем выше pip_ipi​, тем лучше используется объем цилиндра, но слишком высокие значения могут привести к перегрузке двигателя.
Степень сжатия (ε) — это безразмерная величина, характеризующая, во сколько раз уменьшается объем газов в цилиндре двигателя от момента, когда поршень находится в нижней мертвой точке (НМТ), до момента, когда он достигает верхней мертвой точки (ВМТ).
Формула для расчета степени сжатия:
ε=
где:
Vc ​ — рабочий объем цилиндра, м³;
Vk— объем камеры сгорания, м³ (пространство над поршнем при ВМТ).
Чем выше степень сжатия, тем сильнее сжимается рабочая смесь перед воспламенением, что приводит к более высокому давлению и температуре сгорания. Это увеличивает термический КПД двигателя.
Однако слишком высокая степень сжатия в бензиновых двигателях может вызвать детонацию (взрывное сгорание смеси), что разрушает двигатель.
В дизельных двигателях степень сжатия выше, так как топливо воспламеняется самовоспламенением при высокой температуре сжатого воздуха.
1.Повышение степени сжатия приводит к:
oУвеличению термического КПД двигателя (выше эффективность сгорания).
oУменьшению расхода топлива.
oПовышению температуры и давления в цилиндре.
oПовышенному риску детонации в бензиновых двигателях.
2.Понижение степени сжатия приводит к:
oУменьшению КПД и экономичности.
oМеньшему нагреву деталей двигателя.
oВозможности использования бензина с низким октановым числом.
Степень сжатия — один из важнейших параметров двигателя, влияющий на мощность, топливную экономичность и выбросы. Ее значение выбирается в зависимости от типа топлива, конструкции двигателя и требуемых характеристик. Степень сжатия зависит от конструкции двигателя и типа топлива. В таблице ниже представлены характерные значения для различных типов двигателей:
Таблица 1.3 Значения степени сжатия
Тип двигателя ɛ
Двигатели с искровым зажиганием 8…13
Дизели с неразделенными камерами сгорания и объемным смесеобразованием 16…23
Вихрекамерные дизели 16…21
Предкамерные дизели 17…22
Дизели с наддувом 20…25
Определение среднего индикаторного давления
Среднее индикаторное давление pi ​ рассчитывается по формуле:
В нашем случае степень сжатия ε = 8.8.
Для выполнения теплового расчёта четырёхтактного 4-цилиндрового рядного бензинового двигателя внутреннего сгорания с заданными параметрами:
1. Определение среднего индикаторного давления pi​:
Среднее индикаторное давление можно рассчитать по формуле:​
pi=pz⋅ηv⋅
где:
pz ​ — максимальное давление сгорания, которое можно принять равным 7–9 МПа для бензиновых двигателей;​
ηv—индикаторный коэффициент, учитывающий потери при газообмене и теплопередаче.​
Принимая pz=8 МПа и ηv=0,85 получаем:​
pi=8×0,85×≈7,64 МПа
2. Определение рабочего объёма двигателя Vh​:
Рабочий объём двигателя можно определить из выражения мощности:​
Ne=
где:
Ne ​ — эффективная мощность двигателя, Вт;​
​ — частота вращения коленчатого вала, об/мин;
i — количество цилиндров;​
Vh— рабочий объём двигателя, м³.​
Преобразуем формулу для определения Vh ​:​
Vh=
Подставляя известные значения:​
Vh=​≈0,018м3​
То есть, рабочий объём двигателя составляет 18 литров.​
3. Определение размеров цилиндра:
Используя конструктивный параметр λш=, где S — ход поршня, а D — диаметр цилиндра, можно выразить:​
S=λш⋅D
Рабочий объём одного цилиндра Vc​ равен:​
Vc= ==0,0045 м3
Также, Vc= ⋅D2⋅S Подставляя S=λш⋅D, получаем:​
Vc=⋅D2⋅(λш⋅D)=⋅λш⋅
Отсюда:​
D3=
D= ≈0,123 м
То есть, диаметр цилиндра D составляет примерно 123 мм.​
Ход поршня S:​ S=λш⋅D=0,285×0,123≈0,035 м
То есть, ход поршня S составляет примерно 35 мм.​
4. Проверка степени сжатия:
Степень сжатия ε определяется как отношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сгорания:​
ε=
где: