Модернизация инжекторного двигателя УМЗ-4213 с проектированием устройства наддува импульсного типа

Состав чертежей

1. Чертеж устройство импульсного наддува (формат А1)
2. Чертеж заслонка деталь (формат А3)
3. Чертеж вал деталь (формат А4)
4. Чертеж крышка правая деталь (формат А4)
5. Чертеж втулка упорная деталь (формат А4)
6. Чертеж фиксатор электродвигателя (формат А4)
7. Чертеж основание ресивера деталь (формат А2)
8. Чертеж верхняя часть ресивера деталь (формат А2)
9. Чертеж крышка левая деталь (формат А3)
10. Чертеж двигатель УМЗ 4213.10 модифицированный (формат А1)
11. Схема показатели экономической эффективности проекта (формат А1)
12. Схема управления устройства для регулировки длины впускного трубопровода (формат А 1)
13. Схема способы улучшения мощностных, экономических и экологических показателей двигателей (формат А 1)
14. Схема скоростная характеристика двигателя УМЗ 4213.10 (формат А 1)
15. Операционная карта (формат А 1)
16. Схема график зависимости коэффициента наполнения от длины впускного канала (формат А 1)

Описание

Рост количества автомобилей, повышает требования к автомобилю по его надёжности, экономичности, экологичности, экологической безопасности и ездовым качествам предъявляет всё более жёсткие требования к конструкции двигателя, системам питания, зажигания, устройствам снижения токсичности. Кроме того, конструкция силового агрегата определяется общей компоновкой автомобиля, размещением двигателя в подкапотном пространстве, доступностью отдельных узлов и агрегатов для диагностирования, технического обслуживания и ремонта.
Автомобильные конструкции полны различных компромиссов. Автомобильные инженеры должны учитывать большие допуски в процессе изготовления узлов: технологические возможности, нужное октановое число топлива, образование нагара, износ, отсутствие необходимого и регулярного обслуживания, и, в тоже время, добиваться по возможности невысокой цены узла.
Тип и пропускная способность впускной и выпускной систем, конструкция распределительного вала, клапанные пружины и толкатели клапанов, система зажигания, головки блоков цилиндров, диаметры клапанов, соотношение диаметр цилиндра/ход поршня подбираются на заводе для обеспечения хорошей комбинации экономичности, мощности и низкой концентрации выхлопных газов. Кроме этого, характеристики трансмиссии, передаточное число главной передачи и диаметр шин тоже должны согласовываться с движением и его характеристиками.
Большинство современных двигателей работают в узком диапазоне высоких оборотов и не нуждаются в экономичности и высоком крутящем моменте на низких оборотах.
Двигатели выдают наибольшую мощность от данного количества топлива при своем максимальном крутящем моменте. Это соответствует оптимальным оборотам, заложенным в конструкцию двигателя. Максимальная мощность достигается при раскручивании двигателя до оборотов, превышающих наиболее эффективные. Максимальный крутящий момент всегда достигается при меньших оборотах, чем для максимальной мощности. Мощность повышается, когда прирост полученный от увеличения оборотов, сбалансирован с потерями, вызванными работой с оборотами превышающими оптимальные, на которые настраиваются детали двигателя. Высокие мощностные показатели на всех скоростных режимах определяются применением системы с переменными фазами не только впуска (конец впуска изменяется от 3 до 55° положения коленчатого вала после НМТ), но и выпуска (начало выпуска изменяется от 33 до 55° положения коленчатого вала \ до НМТ), а также впускного трубопровода с изменяемой длиной каналов.
Поэтому существует п необходимость применения впускного трубопровода с изменяемой длиной.

В работе проанализирован рынок автомобилей, видовая структура автомобильных двигателей, требования к автомобилям. Произведен анализ существующих способов и устройств улучшающих наполняемость цилиндров двигателя. Выполнено совершенствование системы впуска, а также процесса наполнения. Построены индикаторные диаграммы с переменными фазами впуска. Представлена область использования систем газораспределения с переменными фазами. Построена модель функционального узла механизма газораспределения с электрически управляемыми клапанами. Представлена видовая структура систем наддува с описанием его применения в двигателе, конструкции устройства, а также положительные и отрицательные стороны.

Произведен тепловой расчет двигателя с распределенным впрыском топлива. Определены режимы для бензиновых двигателей, подобрано топливо. Прописаны параметры окружающей среды и остаточные газы. Представлены характеристики процесса впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска с расчетами для двигателей с наддувом и без него. Определены индикаторные параметры рабочего цикла двигателя с расчетами показателей эффективности двигателя. Проведен анализ теплового расчета с описанием использования впускного коллектора переменной длины.

В конструкторской части работы выполнено проектирование системы впускной автомобильного двигателя с впрыском легкого топлива. Графически изображена впускная система автомобильного двигателя с описанием основных деталей и узлов устройства. Разработано устройство с бесступенчатой регулировкой длины впускного трубопровода. Представлено описание устройства и принцип работы настроенной системы. Построена блок-схема управления работой регулятора давления длины каналов. Данное устройство позволяет бесступенчато регулировать длины каналов впускной системы в пределах от 440 до 1166 мм на любых режимах работы двигателя, обеспечить оптимальное воздухоснабжение и повысить экономические и динамические показатели работы двигателя. Предложен вариант усовершенствованной модели впускной системы двигателя с впрыскиванием бензина, который позволяет обеспечивать достаточно стабильный резонансный наддув в пределах от 1500 до 3500 мин-1 коленчатого вала двигателя. Выполнены расчеты впускной системы, редуктора червячного поворота заслонок. В графической части построен рабочий чертеж устройства импульсного наддува.

В разделе безопасности рассмотреть вопросы безопасности и экологичности предлагаемого устройства. Представлена характеристика токсичности дизельных и бензиновых двигателей. Оценено влияние выхлопных газов, а также шума и вибрации на условия труда.
В экономическом разделе дана техническая и экономическая оценка конструкторской разработки. Представлен экономический эффект от мероприятий по снижению расхода топлива, мероприятий по снижению токсичности автомобильного двигателя. Определены показатели экономической эффективности устройства для импульсного наддува, с определением коэффициента абсолютной эффективности издержек, срока окупаемости устройства, суммарного годового экономического эффекта разрабатываемой конструкции. Оценены технико-экономические показатели проекта. В заключении проведен анализ и сделаны выводы про проведенному исследованию.

выводы по дипломной работе:

1. Проведённый анализ существующих способов повышения эффективности работы двигателя показал, что наиболее прогрессивным и эффективным является для автомобильного двигателя впускной трубопровод переменной длины, который позволяет развивать повышенную мощность при низкой частоте вращения коленчатого вала (длина трубопровода минимальная) и максимальный крутящий момент в диапазоне низких и средних частот вращения (длина трубопровода увеличенная). Т.е. требуются впускные трубопроводы, которые имели бы оптимальную длину при любой частоте вращения коленчатого вала двигателя. В связи с этим выбрана следующая тема проекта «Совершенствование системы питания автомобиля с разработкой впускной системы ».
2. Проведённый тепловой расчёт показал, что:
а) при частоте вращения коленчатого вала 2800 мин-1 эффективный удельный расход топлива ge = 261,68 г/кВт ч ;
б) коэффициент наполнения ηv = 0,866 ;
в) эффективная мощность двигателя Nе = 62.8 кВт.
Значения данные показателей ниже, чем при номинальных оборотах работы двигателя, что связано очевидно с тем, что система воздухоснабжения настроена на режим работы двигателя, близкий к номинальному. Поэтому целесообразно разработать и использовать впускную систему с бесступенчатой регулировкой длины впускных каналов.
3. Разработанное устройство для бесступенчатой регулировки длины впускных каналов позволяет повысить эффективную мощность (Ne) на 9%, крутящий момент (Me) на 14%, коэффициент наполнения (ηv) на 6,8%, снизить эффективный удельный расход топлива (ge) на 9% на режимах низких и средних оборотов двигателя. В разделе 3 проведены соответствующие гидравлические и параметрические расчёты разработанного устройства.
4. Проведённые расчёты показали, что себестоимость устройства составила 1523 рублей. Годовой эффект проекта составил 4821 рублей. Срок окупаемости капиталовложений составил 0,32 года.
5. В пояснительной записке рассмотрено состояние охраны труда, безопасности труда и экологичности проекта.

Выписка из ВКР:

3.1 Проектирование системы впускной автомобильного двигателя с впрыском лёгкого топлива

Одной из основных задач, ставящихся при проектировании двигателей с: впрыском топлива является повышение литровой мощности, увеличение экономичности и снижение токсичности отработавших газов за счет увеличения весового наполнения цилиндров. В отличие от двигателей с карбюраторной системой питания впускная система двигателя с впрыскиванием легкого топлива подает не топливовоздушную смесь, а воздух. Это позволяет при: её проектировании исключить затруднения, связанные с необходимостью предотвратить оседание капель топлива на стенки трубы, а также образование и неравномерное распределение топливной пленки, нет необходимости в интенсивном подогреве стенок трубопровода. Сопротивление впускной системы двигателя с впрыскиванием легкого топлива значительно меньше сопротивления впускной системы карбюраторного двигателя, что само по себе улучшает наполнение цилиндра. При хорошей впускной системе и правильно отрегулированной системе подачи топлива можно значительно улучшить значение показателей экономичности, мощности, токсичности, крутящего момента автомобильного двигателя с впрыскиванием бензина.

Увеличение эффективных показателей двигателя: мощности, крутящего момента и других; в области высоких частот вращения, напрямую определяется характеристикой впускной системы двигателя.

В результате проведённого обзора существующих конструкций и способов наддува было выявлено, что наибольший эффект по улучшению наполнения цилиндров для двигателя с распределённым впрыском топлива и электронным управлением системы питания зажигания, предназначенного для легкового автомобиля УАЗ-3162 и его модификаций достигается при применении настроенных систем газообмена.

Принцип действия настроенных систем впуска основан на уменьшении длины впускного канала при увеличении числа оборотов коленчатого вала, это уменьшает аэродинамическое сопротивление смеси и увеличивает наполнение цилиндров, а следовательно, и мощность двигателя.

η_ν: l₁=900 мм; l₂=500 мм; l₃=300 мм; l₀ — без впускной трубы.

Как правило, длина впускной системы подбирается экспериментально. Сначала была спроектирована и изготовлена впускная труба с длиной патрубков 380 мм, но в результате установки данной трубы в двигатель получился не достаточно эффективный резонансный наддув с небольшим увеличением наполнения цилиндра, поэтому от этой крупногабаритной впускной системы, состоящей из литой трубы, пришлось отказаться. [   ]

В дальнейшем впускная система стала сборной. Она стала состоять из коротких литых патрубков и легких сварочных труб, объединённых общим ресивером.

Впускная система, показанная на рисунке 5 является эффективной только для определенного узкого диапазона двигателя, ввиду малых длин коротких патрубков и в значительной мере несовершенной формы сварных труб и ресивера, поэтому чтобы улучшить эффективность впускной системы и расширить диапазон режимов работы предполагается новая усовершенствованная впускная система. В частности предполагается: отказаться от штатной впускной системы установив принципиально новую из более лёгкого и дешёвого материала (пластмассы), состоящую из общего ресивера и индивидуальных для каждого цилиндра патрубков.

1 — термоанемометрический измеритель расхода воздуха; 2 — дроссельная заслонка; 3 — ресивер; 4 — сварная труба; 5 — короткий патрубок; 6 — главная электромагнитная форсунка; 7. — шланг, соединяющий впускную систему с редукционным клапаном; 8 — пусковая электромагнитная форсунка.

3.2 Устройство и принцип работы настроенной системы впускной с бесступенчатой регулировкой длины впускных каналов

Устройство для реализации такой впускной системы состоит из следующих частей: нижняя часть корпуса и верхняя часть корпуса с изогнутыми патрубками, четырёх подвижных заслонок изменения длины каналов, электродвигатель малой мощности и датчика положения заслонок.

Принцип работы устройства заключается в следующем: для реализации автоматического регулирования длины каналов устанавливаются электроуправляемые заслонки, которые управляются от ЭБУ. Алгоритм автоматического управления заслонками задаётся путём сравнения показаний датчиков положения коленчатого вала, датчика положения заслонок и датчика положения дроссельной заслонки с эталонными, что реализуется в цифровом блоке электронного управления (ЭБУ).

Данное устройство позволяет бесступенчато регулировать длины каналов впускной системы в пределах от 440 до 1166 мм на любых режимах работы двигателя, обеспечить оптимальное воздухоснабжение и повысить экономические и динамические показатели работы двигателя.

Пусковая электромагнитная форсунка устанавливается прямо в ресивер.

Впускная система работает следующим образом. Каждый поршень в начале процесса впуска создает импульс волны разряжения, которая распространяется во впускной системе, попадает в ресивер и отражается от его стенок волной давления. Размеры ресивера подобраны таким образом, что частота распространения волн давления воздуха совпадает с собственной частотой впускной системы, в результате чего возникает резонансные явления, которые придают дополнительный импульс волнам давления. Волна давления подходит к впускным органам во второй половине процесса впуска при этом перед ним создается избыточное давление, наибольшее значение которого выше давления. Данные динамические явления во впускной системе увеличивают количество воздуха, поступающего в цилиндр, тем самым получается динамический наддув.

1- усовершенствованная часть впускного коллектора; 2 – часть впускного коллектора серийного двигателя.

Усовершенствованная впускная система автомобильного двигателя с впрыскиванием бензина позволяет обеспечивать достаточно стабильный резонансный наддув в пределах от 1500 до 3500 мин^-1 коленчатого вала двигателя.

3.3 Расчет системы впускной

3.3.1 Гидравлический расчет впускной системы

Среднее давление в впускном трубопроводе остается постоянным по времени, если

где G_p — количество воздуха, подаваемое в результате импульсного наддува в единицу времени;

      G_e — количество воздуха, поступающего из цилиндров в трубопровод за единицу времени.

При установившемся режиме работы двигателя во впускном трубопроводе выполняется условие (3.1). Изменение режима работы двигателя приводит к изменению расходов воздуха на  и . Эти изменения в общем случае не равны между собой, в связи, с чём за элементарный интервал времени d_t количество воздуха, сосредоточенное в объеме , впускного трубопровода, изменится .

С учетом уравнения (3.1) можно записать:

Количество воздуха, сосредоточенного в впускном; трубопроводе:

Дифференцируя уравнение, получим:

подставляя в уравнение (3.2) имеем:

где — изменение плотности заряда на впуск, кг/м³

При дальнейшем дифференцировании уравнения (3.5) получим зависимость параметров уравнения от падения давления в впускной системе.

Падение давления в впускной системе определяется:

где  — падение давления на участке трубопровода, ;

         — падение давления, соответствующее местным сопротивлениям,

где — коэффициент трения;

l — длина трубопровода, м;

 — скорость воздуха в трубопроводе, м/с;

р — плотность воздуха, кг/м³;

d_mp — диаметр трубопровода, м,

где  — коэффициент местного сопротивления;

      = 0,5…2,0 для тройников и вентилей;

       = 0,1… 0,3 для колен трубопровода.

Чтобы создать резонансные колебания в впускном трубопроводе, его длина должна удовлетворять соотношению:

где 1 — длина выпускного трубопровода, м;

 — частота впусков в трубопровод в минуту;

d — скорость звука при температуре воздуха в трубопроводе, м/с.

При низких оборотах 1500 мин^-1 =750мин^-1

При оборотах 2800мин^-1, соответствующих максимальному крутящему моменту и =1400

Цикловая подача воздуха:

где  — массовый заряд воздуха, поступающего в цилиндр за цикл, кг

        — коэффициент избытка воздуха;

      1₀ — количество воздуха необходимое для сгорания 1 кг топлива, кг

где  V_h — рабочий объём двигателя, м³;

i — число цилиндров;

 — коэффициент наполнения,

           .

Расчёт впускного трубопровода подтверждает, что применение проектируемого устройства улучшает наполнение камеры сгорания двигателя на низких оборотах работы.

3.4 Расчёт редуктора червячного поворота заслонок

3.4.1 Расчёт червяка

Материал для изготовления червяка – оловянистая бронза БрОЦС-3-5-5.

Тип червяка – архимедов; принимаем [   ]:

— стандартный угол профиля  α = 20º;

— число заходов червяка z₁=1;

— делительный диаметр d₁ = 16 мм;

— коэффициент диаметра червяка q = 8;

— модуль m = 2;

— шаг витков р = 2 мм;

— передаточное отношение 1:26.

Угол подъёма линии витка червяка