Фрагмент для ознакомления
2
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:
Фрагмент для ознакомления
3
1.Гольдфарб А. М. Теория поршневых и комбинированных двигателей. – М.: Машиностроение, 2001.
2.Зайдель Н. В. Двигатели внутреннего сгорания: Учебник для вузов. – М.: Машиностроение, 2010.
3.Кошкин Г. В. Двигатели внутреннего сгорания. Теория и расчет. – М.: Высшая школа, 2005.
4.Пупынин Ю. И., Яковлев В. А. Двигатели внутреннего сгорания. – СПб.: Питер, 2012.
5.Храмцов Г. Ф., Яковлев Г. А. Теория, расчет и конструкция ДВС. – М.: Транспорт, 2008.
6.Литвинчук Н. Д., Васильев Г. И. Основы теории и расчета ДВС. – М.: Машиностроение, 2011.
7.Филимонов В. И. Теория и расчет поршневых ДВС. – Казань: КГТУ, 2007.
8.Тюрин Н. Н., Сергеев И. М. Кинематика и динамика кривошипно-шатунного механизма. – М.: Машиностроение, 2009.
9.Громов В. М. Основы проектирования и расчета ДВС. – Новосибирск: НГТУ, 2013.
10.Чудаков Е. М. Теория поршневых двигателей. – М.: Машиностроение, 2014.
11.Куликовский С. Н. Расчет и проектирование ДВС. – Минск: БГУ, 2015.
12.Дементьев А. Г. Тепловой расчет двигателей внутреннего сгорания. – СПб.: Политехника, 2016.
13.Шляхтов В. Г., Мальцев И. А. ДВС: Конструкция и расчет. – Екатеринбург: УГАТУ, 2012.
14.Коротков В. М. Теория рабочих процессов и расчет ДВС. – СПб.: Политехника, 2018.
15.Столяров В. И. Основы теплотехники ДВС. – М.: Машиностроение, 2017.
16.Смирнов А. В. Математическое моделирование рабочих процессов ДВС. – Казань: КГТУ, 2019.
17.Ильин В. М. Динамика кривошипно-шатунных механизмов. – Томск: ТПУ, 2020.
18.Маслов С. В. Автомобильные двигатели: теория и эксплуатация. – М.: Академия, 2019.
19.Головин С. А. Основы проектирования двигателей внутреннего сгорания. – СПб.: Политехпресс, 2021.
20.Хохлов В. А. Конструкция и расчет двигателей внутреннего сгорания. – Нижний Новгород: НГТУ, 2022.