Эскизный проект форсированного дизельного двигателя ТМЗ-3ДФ

Министерство образования и науки РФ.docx

Министерство образования и науки РФ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Тульский государственный университет
Кафедра "Автомобили и автомобильное хозяйство
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
«Автомобильные двигатели»
на тему: «Эскизный проект форсированного дизельного двигателя ТМЗ-3ДФ»
к.э.н. доц. кафедры АиАХ К.А. Авдеев
Оценка качества КПКР

курсовая АД.docx

Расчет рабочего цикла и определение основных
геометрических параметров . 4
Расчет газораспределительного механизма . .18
1Исходные данные . .18
2Определение проходных сечений клапанов . . .18
3Профилирование кулачков распределительного вала .. .19
4Определение основных параметров клапанного узла . ..28
5Расчет клапанных пружин впускного клапана . ..30
Кинематический и динамический анализ КШМ . .35
Компоновка двигателя .38
Список литературы ..40
В области развития и совершенствования автомобильных двигателей основными задачами являются: расширение использования дизелей улучшение топливной экономичности и снижение удельной массы двигателей стоимости их производства и эксплуатации. На принципиально новый уровень ставится борьба с токсичными выбросами двигателей в атмосферу а также задачи по снижению шума и вибрации в процессе их эксплуатации. Значительно больше внимания уделяется использованию электронно-вычислительных машин при расчетах и испытаниях двигателей. В настоящее время вычислительная техника широко используется на моторостроительных заводах в научно-исследовательских центрах конструкторских и ремонтных организациях а также в высших учебных заведениях.
Выполнение сегодняшних задач требует от специалистов связанных с производством и эксплуатацией автомобильных двигателей глубоких знаний теории конструкции и расчета двигателей внутреннего сгорания.
ДВС – прототип: ТМЗ – 450Д
Проектная эффективная мощность кВт
Частота вращения коленвала при
Топливо: дизельное ЦЧ 45
Расчет рабочего цикла и определение основных
геометрических параметров
Дополнительно к перечисленным в Задании необходимо задать ряд параметров двигателя и процессов рабочего цикла которые определяются либо по результатам эксперимента на двигателе-прототипе либо по данным для однотипных двигателей.
Рабочий объем цилиндра
Отношение хода поршня к его диаметру
Среднее эффективное давление для 4-х тактных дизелей без наддува
Эффективный КПД для дизелей без наддува
Коэффициент наполнения для дизелей без наддува
Степень сжатия для дизелей с неразделенной камерой сгорания
Коэффициент избытка воздуха для дизелей с неразделенной камерой сгорания без наддува
Показатель политропы сжатия в компрессоре равен нулю т.к. наддув отсутствует
Потеря давления в холодильнике турбокомпрессора равна нулю т.к. наддув отсутствует
Понижение температуры равно нулю т.к. наддув отсутствует
Параметр понижения давления на впуске
Средняя скорость свежей смеси в проходных сечениях впускных клапанов мс
Средняя скорость отработанных газов в проходных сечениях выпускных клапанов мс
Степень подогрева заряда для дизельных двигателей без наддува
Температура остаточных газов для дизелей К
Давление остаточных газов МПа
Среднее значение показателя политропы сжатия для дизелей с неразделенной камерой сгорания
Среднее значение показателя политропы расширения для дизелей с неразделенной камерой сгорания
Коэффициент эффективности сгорания топлива
Параметры дизельного топлива ЦЧ-45
Содержание углерода кг
Содержание водорода кг
Содержание кислорода кг
Молекулярная масса гмоль
Низшая теплота сгорания кДжкг
Коэффициент использования теплоты при расширении для дизеля средней быстроходности
Степень повышения давления для дизеля с непосредственным впрыском
Коэффициент полноты индикаторной диаграммы
Коэффициенты входящие в выражение учитывающие механические потери для дизеля с неразделенной камерой сгорания
Предварительное определение основных параметров
и показателей работы двигателя
Вычисление цилиндровой мощности
Оценка эффективной литровой мощности
Вычисление диаметра цилиндра
Полученное значение округляем до ближайшего стандартного значения мм
Вычисление хода поршня
Полученное значение округляем до целого значения мм
Уточнение отношения
Уточнение значения эффективной литровой мощности
Уточнение значения среднего эффективного давления
Предварительная оценка средней скорости поршня
Вычисление поршневой мощности
Расчет параметров рабочего тела
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания одного килограмма топлива.
1.Теоретически необходимое количество воздуха в кмоль для сгорания 1 кг топлива
2.Теоретически необходимое количество воздуха в кг для сгорания
Количество горючей смеси
Количество отдельных компонентов продукта сгорания
Общее количество продуктов сгорания
Средняя молярная теплоемкость кДж(кг*К)
Определяем теплоемкость свежей топливовоздушной смеси для дизеля
Определяем теплоемкость компонентов продукта сгорания
Продукты сгорания для
Расчет процесса наполнения
Определение плотности заряда в цилиндре требуемой для реализации
Вычисление давления на впуске
Давление рабочей смеси в конце наполнения
1.Потеря давления на впуске
2.Вычисление давления в конце процесса наполнения
Температура ТВС на впуске
Температура рабочей смеси в конце впуска
1.Коэффициент остаточных газов
2.Вычисление температуры рабочей смеси в конце процесса наполнения
Расчет коэффициента наполнения
Расчет процесса сжатия
Вычисление давления и температуры в конце процесса сжатия
Уточнение показателя политропы сжатия
где кДжкмоль*К – удельная газовая постоянная.
Оценка погрешности показателя политропы
Термохимический расчет процесса сгорания
Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси
для дизельного топлива
Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси учитывающий наличие в цилиндре к моменту начала сгорания остаточных газов
Термодинамический расчет процесса сгорания
Нахождение теплоемкостей
Расчет теоретического и действительного максимального давления сгорания.
1.Корректировочный коэффициент
2.Расчет максимального теоретического давления
3.Расчет максимального действительного давления
Расчет степени повышения давления
Расчет процесса расширения
Коэффициент полноты сгорания топлива принимаем равным единице т.к. используется дизельное топливо
Вычисление степени предварительного и последующего расширения
Вычисление давления и температуры в конце процесса расширения
Вычисление температуры отработавших газов
Оценка погрешности вычислений
Выше указанная величина удовлетворяет условию
Уточнение показателя политропы расширения
Расчет индикаторных параметров рабочего цикла двигателя
Определение расчетного среднего индикаторного давления теоретического цикла
Определение действительного среднего индикаторного давления теоретического цикла
Расчет индикаторного КПД
Расчет удельного индикаторного расхода топлива
Расчет эффективных показателей двигателя
Оценка среднего давления механических потерь
Среднее эффективное давление
Эффективный удельный расход топлива
Эффективный крутящий момент
Расчет основных размеров и удельных показателей
двигателя и построение индикаторной диаграммы
Рабочий объем цилиндра
Часовой расход топлива
Средняя скорость поршня
Оценка погрешности средней скорости поршня
Вычисление значений основных показателей ДВС по окончательно принятым значениям диаметра цилиндра и хода поршня
2.Эффективная мощность
3.Эффективный крутящий момент
Построение индикаторной диаграммы
Определение графических точек на координате абсцисс
Результаты построений кривой сжатия и расширения сводим в таблицу 1.
Кривая расширения МПа
Определение корректирующих показателей
для скругленной диаграммы (c’ b’’ c’’)
- угол опережения впрыска дизельного топлива
- угол момента открытия выпускного клапана относительно НМТ
Определение среднего индикаторного давления по построенной индикаторной диаграмме и его сравнение с теоретическим значением
Положительная и отрицательная площади вычислены в программе компас с помощью встроенной функции вычисления площадей
1.Положительная площадь
2.Отрицательная площадь
3.Коэффициент масштаба
4.Давление полученное графическим методом
Погрешность давлений
Данная погрешность удовлетворяет условию
Расчет газораспределительного механизма
Угол открытия впускного клапана пкв
Угол закрытия впускного клапана пкв
Угол открытия выпускного клапана пкв
Угол закрытия выпускного клапана пкв
Частота вращения при номинальной мощности
Скорость топливовоздушной смеси в проходном сечении седла при
максимальном подъёме впускного клапана мс
Скорость отработавших газов в проходном сечении седла при
максимальном подъёме выпускного клапана мс
2.Определение проходных сечений клапанов
Число одноименных клапанов
Площадь проходного сечения в впускном клапане
Площадь горловины в впускном клапане
Диаметр горловины удовлетворяет условию компоновки дизельного двигателя с неразделенной камерой сгорания.
Диаметр горловины выпускного клапана
Площадь горловины в выпускном клапане
Площадь проходного сечения в выпускном клапане
Высота подъема впускного клапана
Высота подъема выпускного клапана
3.Профилирование кулачков распределительного вала
Угол открытия впускного клапана
Максимальная высота подъема впускного клапана
Начальный радиус окружности
Определяем величину
Допуск на тепловой зазор
Радиус теплового зазора
Определяем подъем впускного клапана
Угол поворота по радиусу
Рис.1. Профиль впускного кулачка
Угол открытия выпускного клапана
Максимальная высота подъема выпускного клапана
Определяем подъем выпускного клапана
Рис.2. Профиль выпускного кулачка
Вычисление высоты подъема толкателя и клапана по углу поворота распредвала мм
Угол поворота распредвала при движении толкателя по активному профилю впускного и выпускного кулачка в момент выхода на профиль принимается
Рис.3. Диаграмма подъема впускного и выпускного клапанов
Вычисление площади проходного сечения клапана по углу поворота распредвала
Рис.4. Диаграмма изменения площади проходного сечения
впускного и выпускного клапанов
Вычисление время-сечение клапанов
1.Углы поворота распредвала соответствующие набеганию и сходу толкателя с активного профиля кулачка
2.Шаг и число шагов интегрирования по углу поворота распредвала
3.Счетчик шагов приращение угла поворота распредвала и значение времени-сечения при
Рис.5. Диаграмма время-сечение
Определяем угловую скорость толкателя
Рис.6. Диаграмма угловой скорости
Определяем угловое ускорение толкателя
Рис.7. Диаграмма углового ускорения
Вычисление уточнённого значения скорости течения газа
через клапанную щель
Вычисление средней площади клапана
Уточнение скорости течения газа через клапан мс
4.Определение основных параметров клапанного узла
Диаметр тарелки клапана
Высота цилиндрического пояска тарелки
Диаметр стержня клапана
Наружный диаметр вставного седла
Радиальная толщина вставного седла
Высота вставного седла
Длина направляющей втулки
Диаметр направляющей втулки
5.Расчет клапанных пружин впускного клапана
В связи с увеличением нагрузок на клапанный механизм считаю целесообразным установить вместо одной общей пружины две – наружную и внутреннюю.
Суммарная масса клапанного механизма
Максимальная сила упругости пружин
Минимальная сила упругости пружин
1.Максимальная и минимальная сила упругости внутренней пружины
2.Максимальная и минимальная сила упругости наружной пружины
Предварительная деформация пружин
Полная деформация пружин
Средний диаметр пружин
Модуль упругости второго рода
Число рабочих витков пружин
Полное число витков пружин
Наименьший зазор между витками пружин
Шаг витка свободной пружины
Длина пружин при полностью открытом клапане
Длина пружин при закрытом клапане
Длина свободной пружины
Отношение среднего диаметра к диаметру проволоки
Коэффициент учитывающий неравномерное распределение напряжений
Максимальное касательное напряжение
Минимальное напряжение в пружинах
Среднее напряжение пружин
Амплитуды напряжений пружин
Концентрация напряжений
Запас прочности пружин
Расчет пружин на резонанс
Кинематический и динамический анализ КШМ
*** Результаты работы программы KINDY
Фамилия: Berillo A.A.
*** Исходные данные:
Давление в конце такта сжатия PC = 4.415 МПа
Максимальное давление сгорания PZ = 8.830 МПа
Показатель политропы сжатия N1 = 1.349
Показатель политропы расширения N2 = 1.279
Степень сжатия EPS = 19.000
Диаметр цилиндра DC = 108.000 мм
Ход поршня S = 90.000 мм
Частота вращения двигателя NDV = 3800.0 обмин
Относительная масса поступат.
движущихся частей MPD = 250.00 кгм*м
Отн. масса шатуна MSH = 350.00 кгм*м
Доля массы шатуна отнесенная
к возвратно-поступательно
движущимся деталям KAP = .250
Отн. радиуса кривошипа к длине
Среднее индикаторное давление PISR = .821 МПа
Степень предварит. расширения RO = 1.234
*** Результаты кинематического анализа
Угловая скорость кривошипа OMEG = .39793E+03 радс
Окружная скор. конца кривошипа UK = .17907E+02 мс
Ц.с. ускорение конца кривошипа EPSK = .71258E+04 мс*с
Средняя скорость поршня CM = .11400E+02 мс
Максимальная скорость поршня CMAX = .18950E+02 мс
Максимальное ускорение поршня AMAX = .95928E+04 мс*с
: : FI : S : V : A : P :
: : град : м : мс : мс*с : МПа :
: 1 : 180.0 : .0900000 : .000030 : -4658.876 : .083246 :
: 2 : 210.0 : .0859334 : -6.269066 : -4860.743 : .088306 :
: 3 : 240.0 : .0734798 :-12.823500 : -4792.039 : .107710 :
: 4 : 270.0 : .0530382 :-17.907040 : -2629.605 : .161802 :
: 5 : 300.0 : .0284798 :-18.192420 : 2333.768 : .339793 :
: 6 : 330.0 : .0079912 :-11.638050 : 7481.544 : 1.218100 :
: 7 : 360.0 : .0000000 : -.000122 : 9592.811 : 4.415000 :
: 8 : 360.0 : .0000000 : .000000 : 9592.811 : 8.830000 :
: 9 : 390.0 : .0079910 : 11.637950 : 7481.581 : 3.407104 :
: 10 : 420.0 : .0284796 : 18.192400 : 2333.819 : 1.015175 :
: 11 : 450.0 : .0530380 : 17.907070 : -2629.569 : .502282 :
: 12 : 480.0 : .0734796 : 12.823560 : -4792.032 : .341461 :
: 13 : 510.0 : .0859333 : 6.269126 : -4860.746 : .282832 :
: 14 : 540.0 : .0900000 : .000030 : -4658.876 : .267440 :
: FI : PG : PJ : P1 : N : Sш :
: град : Н : Н : Н : Н : Н :
: .0 : -153.48 : -21969.64 : -22123.12 : .00 : -22123.12 :
: 30.0 : -153.48 : -17134.46 : -17287.94 : -2992.54 : -17552.91 :
: 60.0 : -153.48 : -5344.96 : -5498.44 : -1648.53 : -5763.58 :
: 90.0 : -153.48 : 6022.29 : 5868.81 : 2031.78 : 6255.66 :
: 120.0 : -153.48 : 10974.80 : 10821.33 : 3244.43 : 11343.15 :
: 150.0 : -153.48 : 11132.17 : 10978.70 : 1900.42 : 11146.97 :
: 180.0 : -153.48 : 10669.85 : 10516.37 : .01 : 10516.37 :
: 210.0 : -107.13 : 11132.17 : 11025.04 : -1908.42 : 11194.02 :
: 240.0 : 70.63 : 10974.82 : 11045.45 : -3311.62 : 11578.08 :
: 270.0 : 566.16 : 6022.37 : 6588.54 : -2280.95 : 7022.82 :
: 300.0 : 2196.71 : -5344.84 : -3148.13 : 943.87 : -3299.94 :
: 330.0 : 10242.78 : -17134.38 : -6891.60 : 1192.95 : -6997.23 :
: 360.0 : 39529.18 : -21969.64 : 17559.54 : -.03 : 17559.54 :
: 360.0 : 79974.45 : -21969.64 : 58004.81 : .00 : 58004.81 :
: 390.0 : 30295.97 : -17134.46 : 13161.51 : 2278.26 : 13363.24 :
: 420.0 : 8383.80 : -5344.96 : 3038.84 : 911.10 : 3185.38 :
: 450.0 : 3685.25 : 6022.29 : 9707.54 : 3360.75 : 10347.42 :
: 480.0 : 2212.00 : 10974.80 : 13186.80 : 3953.64 : 13822.69 :
: 510.0 : 1674.90 : 11132.17 : 12807.08 : 2216.91 : 13003.37 :
: 540.0 : 1533.90 : 10669.85 : 12203.75 : .01 : 12203.75 :
: 540.0 : 1533.90 : 10669.85 : 12203.75 : .03 : 12203.75 :
: 570.0 : 1533.90 : 11132.17 : 12666.07 : -2192.47 : 12860.20 :
: 600.0 : 1533.90 : 10974.82 : 12508.72 : -3750.32 : 13111.91 :
: 630.0 : 1533.90 : 6022.37 : 7556.27 : -2615.98 : 8054.35 :
: 660.0 : 1533.90 : -5344.84 : -3810.94 : 1142.59 : -3994.71 :
: 690.0 : 1533.90 : -17134.38 : -15600.47 : 2700.48 : -15839.59 :
: 720.0 : 1533.90 : -21969.64 : -20435.74 : .07 : -20435.74 :
: FI : T : K : Mкр : Rш : PSI :
: град : Н : Н : Н*м : Н : град :
: .0 : .00 : -22123.12 : -.0002 : 39258.85 : .00001 :
: 30.0 : -11275.30 : -13452.59 : -507.3887 : 32600.28 : 20.23464 :
: 60.0 : -5625.80 : -1252.71 : -253.1608 : 19229.78 : 17.01109 :
: 90.0 : 5868.81 : -2165.70 : 264.0966 : 20173.95 : -16.91249 :
: 120.0 : 7671.11 : -8355.90 : 345.2001 : 26620.84 : -16.74796 :
: 150.0 : 3818.33 : -10472.59 : 171.8249 : 27871.12 : -7.87427 :
: 180.0 : .02 : -10516.37 : .0007 : 27652.10 : -.00003 :
: 210.0 : -3834.41 : -10516.81 : -172.5486 : 27917.13 : 7.89453 :
: 240.0 : -7829.96 : -8528.99 : -352.3480 : 26832.56 : 16.96624 :
: 270.0 : -6588.53 : -2431.33 : -296.4837 : 20646.51 : 18.60918 :
: 300.0 : 3221.06 : -717.22 : 144.9475 : 18141.20 : -10.22737 :
: 330.0 : 4494.78 : -5362.66 : 202.2651 : 22942.99 : -11.29795 :
: 360.0 : -.12 : 17559.54 : -.0055 : 423.81 : -.01656 :
: 360.0 : .00 : 58004.81 : .0000 : 40869.08 : .00000 :
: 390.0 : 8584.02 : 10241.62 : 386.2809 : 11009.73 : -51.23093 :
: 420.0 : 3109.23 : 692.34 : 139.9155 : 16734.77 : -10.70748 :
: 450.0 : 9707.55 : -3582.26 : 436.8396 : 22879.51 : -25.10575 :
: 480.0 : 9347.97 : -10182.45 : 420.6587 : 28873.30 : -18.89038 :
: 510.0 : 4454.23 : -12216.69 : 200.4405 : 29688.46 : -8.62881 :
: 540.0 : .02 : -12203.75 : .0009 : 29339.48 : -.00004 :
: 540.0 : .06 : -12203.75 : .0026 : 29339.48 : -.00011 :
: 570.0 : -4405.11 : -12082.21 : -198.2298 : 29548.14 : 8.57376 :
: 600.0 : -8867.21 : -9658.92 : -399.0243 : 28223.76 : 18.31105 :
: 630.0 : -7556.25 : -2788.48 : -340.0311 : 21308.94 : 20.76922 :
: 660.0 : 3899.23 : -868.20 : 175.4651 : 18421.34 : -12.22019 :
: 690.0 : 10174.88 : -12139.38 : 457.8695 : 30992.91 : -19.16546 :
: 720.0 : .29 : -20435.74 : .0128 : 37571.47 : -.00043 :
Компоновка двигателя
Компоновку форсированного дизельного двигателя ТМЗ-3ДФ производим согласно заданным параметрам двигателя прототипа ТМЗ-450Д обеспечивая вышеизложенные конструктивные параметры основных деталей кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов. Для полной и детально проработанной компоновки двигателя требуется расчет всех систем входящих в силовой агрегат.
В результате приведенных расчетов можно сказать следующее:
Современное двигателестроение все больше требует внедрения вычислительной техники для ускорения процесса разработки новых автомобильных систем с последующим качественным внедрением на автомобильный рынок. На сегодняшний день все больше ужесточаются требования к автомобилям в отношении:
Безопасности пассажиров.
Безопасности для окружающей среды.
Экономичности топлива.
Стоимости автомобиля и его обслуживания.
Практичности использования в разных условиях эксплуатации.
Железко Б.Е. и др. Расчет и конструирование автомобильных тракторных двигателей (дипломное проектирование).- Мн.: Высш. шк. 1987.-247с.
Расчёт автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. Пособие для вузов А.И. Колчин В.П. Демидов – М.: Высш. шк. 2003. – 496 с.
Николаенко А.В. Теория конструкция и расчет автотракторных двигателей. - М.: Колос 1984. - 332 с.
Двигатели внутреннего сгорания Под ред. В.Н.Луканина - М.:Высшая школа 1985. - 312 с.
Хачиян А.С. Морозов К.А. Луканин В.Н. и др. Двигатели внутреннего сгорания. – М.: Высш. шк. 2005. – 311с.

Чертеж наружной пружины впускного клапана на А4.cdw

Число рабочих витков i
Число витков полное i
Направление навивки пружины - правое
Наружная пружина впускного клапана

Чертеж-поперченый разрез двигателя на А1.cdw

Чертеж впускного клапана на А4.cdw

Чертеж-диаграмм на А2.cdw

Диаграмма изменения площади проходного сечения
впускного и выпускного клапанов
и выпускного клапанов
КР-АД.003.000.001 СГ
Диаграмма подъема впускного и выпускного клапанов
Диаграмма время-сечение впускного и выпускного клапанов

Чертеж - распределительного вала на А3.cdw

распределительного вала
Распределительный вал ТМЗ-450Д

Чертеж - диаграмм на А1.cdw

Полярная диаграмма силы R
КР-АД.003.000.004 СГ
Фазы газораспределительного механизма
Индикаторная диаграмма
Диаграмма суммарного крутящего момента