Модернизация системы охлаждения двигателя ЗМЗ-4061 автомобиля Газель

Состав чертежей

1. Чертеж двигателя ЗМЗ-4061 автомобиля «Газель» (формат А1)
2. Чертеж кресла (формат А3)
3. Эскизы режимов работы системы охлаждения (формат А1)
4. Схемы к определению устойчивости автомобиля (формат А2)
5. Чертеж рабочего места (формат А2)
6. График обычного режима системы охлаждения и график изменения температуры охлаждающей жидкости при переходных процессах (формат А2)
7. Плакат патентного обзора (формат А1)
8. Чертеж кронштейна бачка (формат А1)
9. Чертеж сборочный двигателя ЗМЗ-4061 автомобиля «Газель (формат А1)
10. Двигатель ЗМЗ-4061 автомобиля Газель

Описание

В дипломной работе модернизирована система охлаждения двигателя автомобиля «Газель». Проведен обзор и рассмотрено назначение систем охлаждения. Разобрано устройство, работа и особенности конструктивные систем жидкостного охлаждения. Рассмотрен подогреватель пусковой.
Дано описание особенностей конструктивных двигателя, а именно описаны: механизм кривошипно-шатунный и механизм газораспределения, система смазки, система охлаждения жидкостная, закрытая с принудительной циркуляцией жидкости. Рассмотрена система питания и выпуска отработавших газов и ее составляющие: топливный бак, топливопровод, насос топливный, фильтр тонкой очистки топлива, карбюратор, фильтр воздушный, впускной и выпускной трубопровод и глушитель шума выхлопа.

Выполнен расчет тепловой. Рассчитаны: топливо, параметры тела рабочего, параметры среды окружающей и газов остаточных, процессы впуска и процесса сжатия, процесс сгорания, процессы расширения и выпуска, параметры индикаторные цикла рабочего, эффективные показатели двигателя, параметры основные цилиндра и двигателя. Построена и рассчитана индикаторная диаграмма.
Приведен расчет кинематический. Дл него определили длину шатуна, перемещение поршня, угловую скорость вращения вала коленчатого, скорость и ускорение поршня. Построена схема кинематическая кривошипно-шатунного механизма.
Определена динамика. Рассчитаны для газов силы давления. Произведен расчет масс частей механизма кривошипно-шатунного. Представлены расчеты: удельных полных сил инерции, удельных суммарных сил, крутящих моментов, сил, действующих на шейку шатунную вала коленчатого, уравновешивания, равномерности момента крутящего и равномерности хода двигателя. Рассмотрена схема уравновешивания двигателя.
Проведен расчет на прочность деталей механизма кривошипно-шатунного, а именно поршня, кольца и пальца поршневого. Приведена схема поршня.

В конструкторском разделе представлены расчеты жидкостной системы охлаждения, насоса водяного, радиатора, вентилятора. Описаны предлагаемые конструктивные изменения.
Предложены меры безопасности при эксплуатации автомобиля. Рассмотрены требования к месту рабочему водителя. Разобрана виброизоляция сиденья машины самоходной и устойчивость легкового автомобиля, а также безопасность противопожарная. Представлена схема гидроамортизатора.

В графической части ВКР представлены чертежи двигателя ЗМЗ-4061 автомобиля «Газель», кресла, режимов работы системы охлаждения, схем к определению устойчивости автомобиля, места рабочего, графика обычного режима системы охлаждения и графика изменения температуры охлаждающей жидкости при переходных процессах, патентного обзора и кронштейна бачка.

Краткая выписка из дипломной работы:

3. Расчет тепловой

 3.1 Расчет топлива

 В соответствии с заданной степенью сжатия e=9.5 для рассчитываемого двигателя можно использовать бензин марки А-92. Средний элементарный состав и молекулярная масса бензина:

• углерода C – 0.855;
• водорода H – 0.145;
• молекулярная масса m_T =115 кг/кмоль.

Низшая теплота сгорания:

3.2 Расчет параметров тела рабочего

 1) Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива принятого состава, определяется по формуле:

2) Коэффициент избытка воздуха устанавливается на основании следующих соображений. На современных двигателях устанавливают многокамерные карбюраторы, обеспечивающие получение почти идеального состава смеси по скоростной характеристике. Возможность применения для рассчитываемого двигателя двухкамерного карбюратора с обогатительной системой и системой холостого хода позволяет получить при соответствующей регулировке как мощностной, так и экономичный состав смеси. a=0.95 по заданию.

3) Количество горючей смеси: кмоль св. зар./кг топл.   (3.4)

4) Количество отдельных компонентов продуктов полного сгорания при К=0.5 и принятом скоростном режиме: кмоль СО₂/кг топл.;

5) Общее количество продуктов полного сгорания кмоль пр.сг./кг топл.

3.3 Расчет параметров среды окружающей и газов остаточных

Атмосферные условия: р₀=0.1 МПа;

 Т₀=293 К;

Давление окружающей среды: р_к=р₀=0.1 МПа;

Температура окружающей среды: Т_к=Т₀=293 К.

Температура остаточных газов. При постоянном значении степени сжатия e=9,5 температура остаточных газов практически линейно возрастает с увеличением скоростного режима при a=const, но уменьшается при обогащении смеси. Учитывая уже определенные значения n и a, можно принять значения  T_r  для расчетного режима карбюраторного двигателя в пределах, T_r =1040 К.

Давление остаточных газов p_r, за счет расширения фаз газораспределения и снижения сопротивления при конструктивном оформлении выпускных трактов рассчитываемого двигателя можно принять на номинальном скоростном режиме:

3.4 Определение процесса впуска

1) Температура подогрева свежего заряда. С целью получения хорошего наполнения двигателя на номинальном скоростном режиме принимается DT_N = 8 °C.

2) Плотность заряда на впуске

где Дж/(кг·град) – удельная газовая постоянная для воздуха.

3) Потери давления на впуске в двигателе. В соответствии со скоростным режимом двигателя и с учетом небольших гидравлических сопротивлений во впускной системе можно принять ; ω_вп=95 м/с.

где β – коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра;

ξ_вп – коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наибо-

лее узкому сечению;

 ω_вп – средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной  системы

4) Давление в конце впуска

5) Коэффициент остаточных газов. При определении g_r для карбюраторных двигателей без наддува принимается коэффициент очистки , а коэффициент дозарядки на номинальном скоростном режиме . Тогда при (n_N =4500 мин^-1)

где  — температура подогрева свежего заряда от стенок.

6) Температура в конце впуска

7) Коэффициент наполнения

3.5 Определение процесса сжатия

В четырехтактных двигателях без наддува воздух поступает во впускной трубопровод с температурой окружающей среды. Поэтому процесс сжатия не является адиабатным, а протекает в условиях теплообмена между свежим зарядом и деталями двигателя. В начале сжатия температура свежего заряда значительно ниже температуры окружающих поверхностей цилиндра, днища поршня, головки цилиндра, тарелок клапанов. Вследствие этого наблюдается приток теплоты к свежему заряду. По мере увеличения давления сжатия температура заряда повышается и с некоторого момента становится выше температуры окружающих поверхностей. Направление теплового потока изменяется на обратное и теплота уже будет передаваться от заряда к деталям двигателя.

Таким образом, процесс сжатия протекает с переменным показателем политропы сжатия n₁.

Ввиду сложности теплообмена между свежим зарядом и окружающими деталями можно считать, что в реальном двигателе процесс сжатия проходит по политропе с некоторым средним значением показателя n₁.

Основным факторами, влияющими на показатель политропы сжатия n₁, являются: частота вращения коленчатого вала, интенсивность охлаждения цилиндра, его размеры, конструктивные особенности камер сгорания, утечка газов через неплотности поршневых колец и клапанов.

1) По номограмме рис. 4.4 [1] определяем показатель адиабаты k₁=1.3768.

2) Значение показателя политропы сжатия принимаем равным n₁=1.376.

3) Давление в конце сжатия:

4) Температура в конце сжатия:

5) Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:

а) свежей смеси (воздуха)

где 775 – 273 = 502 °С

б) остаточных газов (определяется методом интерполяции по табл. 3.8 [1]) при n_N=4500 мин^-1, α=0.95 и t_c=502°С

где 24.014 и 24.440 – значения теплоемкости продуктов сгорания при

соответственно при 500 и 600 ºС, [1, табл. 3.8].

в) рабочей смеси

3.6 Определение процесса сгорания

 В ходе этого процесса химическая энергия топлива превращается в тепловую, которая затем распределяется по частям так: переходит в механическую работу, идет на повышение внутренней энергии газов; передается окружающим поверхностям деталей и через них переходит к охлаждающей жидкости или к воздуху; из топлива не выделяется из-за неполного его сгорания; теряется за счет диссоциации газов при высоких температурах.

Наиболее интенсивно топливо сгорает на участке индикаторной диаграммы c—z который называют участком видимого сгорания.

Экспериментально установлено, что на участке c—z, топливо всегда сгорает не полностью, а догорает далее в процессе расширения.

1. Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси:
2. Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:
3. Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания:
4. Теплота сгорания рабочей смеси:
5. Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания:
6. Коэффициент использования теплоты x_z зависит от режима работы двигателя, способа смесеобразования, условий охлаждения камеры сгорания, степени диссоциации газов и быстроходности двигателя.
7. Температура в конце видимого процесса сгорания откуда t_z=2623° С
8. Максимальное давление сгорания теоретическое:
9. Максимальное давление сгорания действительное:
10. Степень повышения давления

3.7 Определение процессов расширения и выпуска

В начале процесса расширения, который условно начинается в момент достижения в цилиндре максимальной температуры цикла, продолжается подвод теплоты к рабочему телу, затем расширение происходит с отводом теплоты к стенкам. Догорание в процессе расширения происходит вследствие несовершенства перемешивание воздуха с топливом, недостаточного времени на сгорание. Интенсивный теплообмен между рабочим телом и стенками днища поршня, головки цилиндров, гильзы осуществляется в течение всего процесса расширения и различен для разных его участков. В результате влияния догорания топлива, восстановления продуктов диссоциации, охлаждения расширяющихся газов, утечки газов через неплотности поршневых колец и клапанов действительный процесс расширения протекает с переменным значением показателя политропы.

Средний показатель адиабаты расширения k₂ определяется по монограмме [1, рис.4.8] при заданном e для соответствующих значений a и T_z, а средний показатель политропы расширения n₂ определяется по величине среднего показателя адиабаты.

1. Давление в конце процесса расширения:
2. Температура в конце процесса расширения:
3. Проверка ранее принятой температуры остаточных газов:

3.8 Индикаторные параметры цикла рабочего

 Средним индикаторным давлением р_i называют условное постоянное давление газов, которое, воздействуя на поршень, за один его ход от ВМТ к НМТ совершает работу, равную работе за один рабочий цикл.

1) Теоретическое среднее индикаторное давление:

В действительном рабочем цикле среднее индикаторное давление получается меньше, с одной стороны, из-за округления индикаторной диаграммы у расчетных точек с, z и в, вследствие начала горения топлива до ВМТ, начала открытия выпускного клапана до НМТ; а с другой – из-за наличия насосных потерь при впуске и выпуске. Потери на округление учитываются коэффициентом полноты j_и индикаторной диаграммы.

2) Среднее индикаторное давление:

где j_и=0.96 – коэффициентом полноты индикаторной диаграммы.

Экономичность протекания действительного цикла оценивается двумя показателями: индикаторным КПД h_i и удельным расходом топлива g_i на единицу индикаторной мощности в единицу времени.

3) Индикаторным КПД называется отношение теплоты, обращенной в механическую работу цикла, к теплоте, сгорания топлива:

Значения индикаторного КПД h_i всегда ниже термического КПД h_t, так как он учитывает не только отвод теплоты к холодному источнику, но и потери, связанные с неполнотой сгорания, отводом теплоты к стенкам и с отработавшими газами, диссоциацией, утечками газа через неплотности и т.д.

4) Индикаторный удельный расход топлива:

Индикаторная мощность не может быть полностью передана потребителю, поскольку некоторая ее часть неизбежно затрачивается на преодоление различных сопротивлений внутри двигателя. Эту часть мощности называют мощностью механических потерь. К ней относится мощность, затрачиваемая: на трение между движущимися деталями двигателя (например, трение поршней и поршневых колец), движущимися деталями с воздухом, маслом (маховик, шатун и др.); приведение в действие вспомогательных агрегатов и устройств двигателя (насосов, генератора и др.); очистку и наполнение цилиндра (насосные потери); привод нагнетателя (при механическом приводе от коленчатого вала).

3.9 Основные показатели двигателя

 1) Предварительно приняв ход поршня S= 92 мм, получим значение средней скорости поршня при n_N=4500 мин^-1

2) Среднее давление механических потерь:

3) Среднее эффективное давление:

4) Механический КПД

Показателями экономичности работы двигателя в целом (а не только его действительного цикла) служат удельный эффективный расход топлива g_e и эффективный КПД h_е.

5) Эффективный КПД:

6) Эффективный удельный расход топлива:

3.10 Параметры основные цилиндра и двигателя

1) Литраж двигателя

где t = 4 – количество тактов двигателя.

2) Рабочий объем одного цилиндра:

где i= 4 – количество цилиндров двигателя.

3) Диаметр цилиндра. Так как ход поршня предварительно был принят   S= 81 мм, то:

Окончательно принимаем D =93 мм, S= 92 мм.

Основные параметры и показатели двигателя определяем по окончательно принятым значениям  и :

Площадь поршня:

Литраж двигателя:

Мощность двигателя:

кВт                           (3.52)

Литровая мощность двигателя:

Крутящий момент:

Часовой расход топлива:

3.11 Построение и расчет диаграммы индикаторной

 Индикаторная диаграмма строится с целью проверки полученного аналитическим путем значения среднего индикаторного представления протекания рабочего цикла в цилиндре рассчитываемого двигателя.

Индикаторная диаграмма двигателя построена для номинального режима работы двигателя, т.е. при N_e=85 кВт и n=4500 мин^-1, аналитическим методом.

Масштаб диаграммы: масштаб хода поршня M_s=1 мм в мм; масштаб давления M_p=0.05 МПа в мм.

Величины в приведенном масштабе, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:

Максимальная высота диаграммы (точка )

По данным теплового расчета на диаграмме откладываем в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках.

Ординаты характерных точек:

Построение политропы сжатия и расширения аналитическим методом:

а) политропа сжатия . Отсюда:

б) политропа расширения . Отсюда:

Результаты расчета точек приведены в табл. 3.1

Теоретическое среднее индикаторное давление:

где 2160 мм² – площадь диаграммы .

№ точек	ОХ, мм	ОВ/ОХ	Политропа сжатия			Политропа расширения
				, мм	, МПа		, мм	, МПа
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18	10.8235 11.4235 13.0235 14.8235 18.8235 20.8235 22.8235 24.8235 32.6235 40.4235 48.2235 56.0235 63.8235 71.6235 79.4235 87.2235 95.0235 102.823	9.5000 9.0010 7.8952 6.9365 5.4625 4.9379 4.5052 4.1422 3.1518 2.5437 2.1322 1.8354 1.6111 1.4356 1.2946 1.1789 1.0821 1.0000	22.1487 20.5639 17.1701 14.3684 10.3431 9.0014 7.9342 7.0682 4.8531 3.6134 2.8345 2.3061 1.9275 1.6447 1.4266 1.2541 1.1147 1.0000	37.6415 34.9482 29.1804 24.4191 17.5780 15.2978 13.4842 12.0123 8.2478 6.1409 4.8172 3.9192 3.2757 2.7951 2.4245 2.1313 1.8944 1.6995	1.8821 1.7474 1.4590 1.2210 0.8789 0.7649 0.6742 0.6006 0.4124 0.3070 0.2409 0.1960 0.1638 0.1398 0.1212 0.1066 0.0947 0.0850	16.7537 15.6594 13.2892 11.3008 8.3794 7.3843 6.5833 5.9261 4.2092 3.2184 2.5805 2.1388 1.8168 1.5726 1.3817 1.2288 1.1038 1.0000	149.553 139.785 118.627 100.877 74.8000 65.9170 58.7668 52.9003 37.5739 28.7290 23.0349 19.0927 16.2178 14.0378 12.3336 10.9687 9.8533 8.9266	7.4777 6.9893 5.9314 5.0439 3.7400 3.2958 2.9383 2.6450 1.8787 1.4365 1.1517 0.9546 0.8109 0.7019 0.6167 0.5484 0.4927 0.4463

Величина 1,1739 МПа, полученная планиметрированием индикаторной диаграммы, очень близка к величине 1,1752 МПа, полученной в тепловом расчете.

Скругление диаграммы осуществляется на основании следующих соображений и расчетов. Так как рассчитываемый двигатель достаточно быстроходный (n=4500 мин^-1), то фазы газораспределения необходимо устанавливать с учетом получения хорошей очистки цилиндра от отработавших газов и обеспечения дозарядки в пределах, принятых в расчете. В связи с этим начало открытия впускного клапана  устанавливается за 18º до прихода поршня в ВМТ, а закрытия  – через 60º после прохода поршня НМТ. Начало открытия выпускного клапана  принимается за 55º до прихода поршня в НМТ, а закрытие точка  – через 25º после прохода поршнем ВМТ. Учитывая быстроходность двигателя, угол опережения зажигания  принимается равным 35º, а продолжительность периода задержки воспламенения – .

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения зажигания определяем положение точек  и  по формуле для перемещения поршня.

где  — отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Выбор величины  производится при проведении динамического расче-та, а при построении индикаторной диаграммы предварительно принимается l=0,285.

Расчеты ординат точек  и сведены в табл. 3.2.

Положение точки   определяется из выражения:

Расчет ординат точек  и

Обозначение точек	Положение точек	j°		Расстояния точек от ВМТ (АХ), мм
	18º до в.м.т.	18	0.0626	2.8773
	25º после в.м.т.	25	0.1191	5.4806
	60º после н.м.т.	120	1.6069	73.9163
	35º до в.м.т	35	0.2277	10.4755
	30º до в.м.т	30	0.1696	7.8016
	55º до н.м.т.	125	1.6692	76.7830

Действительное давление сгорания:

Нарастание давления от точки до z_Д составляет 6.356-2.3526=4,003 МПа или 4.003/10=0.4 МПа/град п.к.в., где 10 – положение точки z_Д по оси абсцисс, град.

Соединяя плавными кривыми точки r с ,  с  и далее с z_Д и кривой расширения  с  (точка  располагается между точками b и a) и линией выпуска , получаем скругленную индикаторную диаграмму .

4. Расчет кинематический

1) Выбор λ и длины L_ш шатуна.

В целях уменьшения высоты двигателя без значительного увеличения инерционных и нормальных сил отношение радиуса кривошипа к длине шатуна предварительно было принято в тепловом расчете λ=0.285. В соответствии с этим

Построив кинематическую схему кривошипно-шатунного механизма (рис. 4.1), устанавливаем, что ранее принятые значения L_ш и λ обеспечивают движение шатуна без задевания за нижнюю кромку цилиндра.

2) Перемещение поршня.

Расчет S_x производится аналитически через каждые 10º угла поворота коленчатого вала Значения для  при различных φ взяты из табл. 7.1 [1] и занесены в гр. 2 расчетной табл. 4.1.

3) Угловая скорость вращения коленчатого вала

4) Скорость поршня

Значения для  взяты из табл. 7.2 [1] и занесены в гр. 4, а рассчитанные значения V_п – в гр. 5 табл. 4.1.

5) Ускорение поршня

Значения для  взяты из табл. 7.3 [1] и занесены в гр. 6, а рассчитанные значения j – в гр. 7 табл. 4.1.

Кинематический расчет

φº					Sx, мм				Vп, м/с				j, м/с2
1			2		3	4			5		6		7
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190			0 0.0195 0.0770 0.1696 0.2928 0.4408 0.6069 0.7838 0.9646 1.1425 1.3119 1.4679 1.6069 1.7264 1.8249 1.9017 1.9564 1.9891 2.0000 1.9891		0 0.8965 3.5409 7.8016 13.4703 20.2784 27.9163 36.0553 44.3695 52.5550 60.3452 67.5211 73.9163 79.4149 83.9464 87.4759 89.9926 91.4988 92.0000 91.4988	0 0.2224 0.4336 0.6234 0.7831 0.9064 0.9894 1.0313 1.0335 1.0000 0.9361 0.8481 0.7426 0.6257 0.5025 0.3766 0.2504 0.1249 -0.0000 -0.1249			0 4.8207 9.3995 13.5136 16.9757 19.6476 21.4480 22.3553 22.4042 21.6770 20.2912 18.3842 16.0977 13.5635 10.8917 8.1634 5.4284 2.7077 -0.0000 -2.7077		1.2850 1.2526 1.1580 1.0085 0.8155 0.5933 0.3575 0.1237 -0.0942 -0.2850 -0.4415 -0.5603 -0.6425 -0.6923 -0.7166 -0.7235 -0.7214 -0.7170 -0.7150 -0.7170		13126 12796 11829 10302 8331 6061 3652 1264 -962 -2911 -4510 -5724 -6563 -7072 -7320 -7391 -7369 -7324 -7304 -7324
	200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360	1.9564 1.9017 1.8249 1.7264 1.6069 1.4679 1.3119 1.1425 0.9646 0.7838 0.6069 0.4408 0.2928 0.1696 0.0770 0.195 0		89.9926 87.4759 83.9464 79.4149 73.9162 67.5211 60.3452 52.5550 44.3695 36.0553 27.9162 20.2784 13.4703 7.8016 3.5409 0.8965 0			-0.2504 -0.3766 -0.5025 -0.6257 -0.7426 -0.8481 -0.9361 -1.0000 -1.0335 -1.0313 -0.9894 -0.9064 -0.7831 -0.6234 -0.4336 -0.2224 0.0000	-5.4284 -8.1634 -10.8917 -13.5635 -16.0977 -18.3842 -20.2912 -21.6770 -22.4042 -22.3553 -21.4480 -19.6476 -16.9757 -13.5136 -9.3995 -4.8207 0.0000		-0.7214 -0.7235 -0.7166 -0.6923 -0.6425 -0.5603 -0.4415 -0.2850 -0.0942 0.1237 0.3575 0.5933 0.8155 1.0085 1.1580 1.2526 1.2850		-7369 -7391 -7320 -7072 -6563 -5724 -4510 -2911 -962 1264 3652 6061 8331 10302 11829 12796 13126