Совершенствование двухтактного двигателя карбюраторного типа

Состав чертежей

1. Чертёж сборочный насоса водяного (формат А2)
2. Деталь вал насоса (формат А3)
3. Рабочий чертеж детали диска муфты ведущего (формат А4)
4. Упругий элемент — деталь (формат А4)
5. Чертёж сборочный лепесткового ОПК (формат А2)
6. Чертёж детали прокладка (формат А3)
7. Деталь — лепесток (формат А3)
8. Чертёж детали корпуса насоса (формат А2)
9. Рабочий чертеж детали крышки насоса (формат А3)
10. Деталь — крыльчатка (формат А3)
11. Плакат скоростных характеристик (формат А1)
12. Лист характеристик безопасности труда (формат А1)
13. Плакат технико-экономических характеристик проекта (формат А1)
14. обзорный чертёж видов охлаждения (формат А1)
15. Пути совершенствования двухтактных двигателей (формат А1)
16. Чертёж сборочный системы охлаждения (формат А1)

Описание

В представленном дипломном проекте рассмотрены пути совершенствования двухконтактных двигателей внутреннего сгорания на базе двухтактного карбюраторного двигателя «ИЖ-Планета». В ходе анализа технических решений рассмотрены: повышение мощностных характеристик, повышение топливной экономичности двигателя и снижение токсичности отработавших газов, снижение уровня шума в системе впуска и выпуска двигателей. Исследована работа двигателей с непосредственным впрыскиванием топлива и двигателей с двухстадийным послойным смесеобразованием и сгоранием.
Исходя из анализа существующих способов повышения технико-экономических показателей двухтактных двигателей, выбрана предлагаемая конструкция проектируемого двигателя с установкой четырехлепесткового обратного пластинчатого клапана на впуске. Выполнено описание конструкции и принципа работы проектируемой модели. Рассмотрена необходимость системы охлаждения двигателя.

Выполнено описание применения двигателя «ИЖ-Планета», представлена таблица кратких технических характеристик двигателя.
В ходе расчёта лепесткового клапана произведён выбор материала для лепестков клапана. Представлена таблица физико-механических свойств материалов лепестков. Выполнен расчёт параметров клапана на впуске и обоснованы его размеры.
В ходе проектирования в ВКР узлов системы охлаждения разработана конструкция цилиндра с представлением схемы развёртки. Выполнено проектирование водяного насоса центробежного типа с представлением расчётной схемы крыльчатки водяного насоса. Разработаны узлы системы автоматического регулирования температурным режимом двигателя. Выполнен выбор радиатора и вентилятора. Определена ёмкость системы охлаждения.

Расчет скоростной характеристики двигателя произведен с помощью ЭВМ. Программа составлена на языке Turbo-Beisik. Представлены таблицы исходных данных и результатов расчёта скоростной характеристики базового двигателя «ИЖ – Планета» и модернизированного двигателя. Приведён график скоростной характеристики базового и модернизованного двигателя.

В разделе безопасности труда рассмотрены организационные мероприятия по эксплуатации стенда, требования безопасности к оборудованию и организации рабочего места, технические средства защиты, требования эргономики, пожарной безопасности и производственной санитарии, требования к обеспечению работающих спецодеждой и средствами защиты. Приложена инструкция по охране труда.

Экономическая эффективность эксплуатации проектируемого двигателя с жидкостным охлаждением и обратным пластинчатым клапаном на впуске определена путем сравнения с базовой моделью двигателя. Рассчитаны затраты на модернизацию конструкции двигателя. Представлена таблица сметы затрат на приобретение узлов, деталей и материалов. Определена экономия средств за счет увеличения срока службы двигателя до капитального ремонта. Рассчитано снижение эксплуатационных затрат. Определён срок окупаемости новой конструкции.

Отрывок из дипломной работы:

1.1 Пути улучшения мощностных характеристик

Пути повышения мощности в настоящее время уже достаточно изучены. Проводимые исследования направлены главным образом на разработку конкретных практических методов и совершенствование уже известных.

1.1.2 «Дробление» рабочего объёма двигателя

Одним из наиболее распространённых в последнее время способов повышения мощности является «дробление» рабочего объёма двигателя, т.е. увеличение числа цилиндров при одном и том же общем рабочем объёме.
«Дробление» рабочего объёма двигателя позволяет заметно поднять его литровую мощность Nе.л., благодаря увеличению частоты вращения и степени сжатия. Однако уменьшать рабочий объем цилиндра и увеличивать число цилиндров можно лишь до 50 см3 пир общем числе цилиндров – восемь. Дальнейшее уменьшение рабочего объёма и увеличение числа цилиндров ставит перед конструкторами почти непреодолимые технические трудности, связанные с охлаждением двигателя и его размещением на раме мотоцикла. С ростом числа цилиндров снижается скорость поршня при той же частоте вращения коленчатого вала, повышается его долговечность и увеличивается частота вращения коленчатого вала, что в свою очередь способствует росту литровой мощности двигателя.

1.1.2 Увеличение степени сжатия

Как известно, повышение степени сжатия приводит к росту индикаторного КПД, а следовательно, удельной мощности двигателя. В двухтактных двигателях различают геометрическую ε’ и действительную ε степени сжатия:

ε’=(V’h+Vc)/Vc; (1.2)
ε =(Vh+Vc)/Vc. (1.3)

где V’h – полный рабочий объём цилиндра;
Vh – полезный рабочий объём цилиндра;
Vc – объём пространства сжатия.

Обычно в отечественных и большинстве зарубежных литературных источниках указывается геометрическая степень сжатия двигателей, реже – действительная. При значительном повышении ε рост ηi замедляется, что объясняется, прежде всего, снижением роста термического КПД цикла ввиду уменьшения относительного количества теплоты, выделившейся в основной фазе сгорания, и увеличением доли топлива, догорающего в процессе расширения. При этом возрастают интенсивность теплоотдачи в стенки цилиндра и давление механических потерь, что приводит к снижению ηi и ηм. Рост механических потерь, затруднение пуска и необходимость повышения октанового числа с увеличением ε обусловили ограничение геометрической степени сжатия ε'<12 для дорожных и ε'<16 для спортивных мотоциклов.

1.1.3 Повышение частоты вращения

Удельная мощность прямо пропорциональна частоте вращения коленчатого вала двигателя. Однако повышение частоты вращения, связанное с ростом средней скорости поршня, приводит к росту нагрузок от сил инерции, потерь теплоты и работы насосных ходов, а также к снижению механического КПД. Поэтому необходимо проводить мероприятия, направленные на повышение механического КПД. К ним относятся: уменьшение относительного хода поршня S к диаметру цилиндра D; подбор смазочных масел; применение материалов более высокого качества; снижение потерь на трене. Уменьшение отношения S/D позволяет снизить скорость поршня при той же частоте n и повысить его долговечность. В современных двигателях отношение S/D = 0.66…1.2.
Исследования, проводимые за рубежом, показали, что на повышение эффективной и удельной мощности значительное влияние оказывает снижение потерь на трение в кривошипно-шатунном механизме и особенно на трение поршневых колец и поршня.
Одним из важных вопросов, связанных с увеличением частоты вращения, является обеспечение надежности работы подшипника большой головки шатуна, учитывая, что смазывание его осуществляется маслом, содержащемся в топливной смеси .[2]

1.1.4 Увеличение коэффициента наполнения

Система впуска оказывает очень большое влияние на характеристики двигателя. Существенного увеличения мощности ДВС можно добиться увеличением количества горючей смеси, засасываемой цилиндром через систему впуска за один оборот коленчатого вала за счет совершенствования впускного такта двигателя. Коэффициент наполнения двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой.

ηv=φ0 ηu (1.4)

где φ0 – коэффициент избытка продувочной смеси, представляющий отношение количества рабочей смеси, поданной в цилиндр в процессе газообмена, к количеству смеси, которое может поместиться в цилиндре при параметрах внешней среды;
ηu – коэффициент использования продувочной смеси, равный отношению объема рабочей смеси, оставшейся в цилиндре, к объему, поданному в процессе газообмена.
Исследования показывают, что благодаря настройке смежных систем цилиндра можно значительно улучшить мощностные, экономические и токсические показатели двухтактных карбюраторных ДВС.

1.1.5 Другие способы повышения мощности ДВС

Большое влияние на показатели двухтактных карбюраторных ДВС оказывает конструкция и форма камеры сгорания. Обычно применяют камеру сгорания полусферической формы со свечой зажигания, расположенной под углом, или трапецеидальной формы, благодаря чему достигается более благоприятная продувка цилиндра. Существенное значение имеет и система охлаждения. Исследования, проведенные фирмой Ямаха на гоночных двигателях, показали, что потери мощности после длительной работы двигателя с водяным охлаждением на 50 % меньше, чем потери мощности двигателя с воздушным охлаждением, что оправдывает увеличение массы первого двигателя в результате применения радиатора.
Для достижения высокой мощности при небольших размерах и массе двигателя необходимо головки цилиндров, картеры и другие детали изготовлять из легких алюминиевых сплавов. Конструкция двухтактного двигателя, имеющего очевидные преимущества перед четырёхтактным по простоте и надежности, отличается большими потенциальными возможностями. [3]

1.2 Направления улучшения экономических показателей

Проблема снижения расхода топлива карбюраторными бензиновыми двигателями, получившие широкое применение на автомобилях, мотоциклах, снегоходах, пусковых установках для тракторов, мотоблоках и других машинах, является одной из актуальнейших. Следует выделять наиболее эффективные направления работ по совершенствованию конструкций узлов и систем карбюраторных двухтактных ДВС, оказывающие значительное влияние на экономические и токсические показатели.
Ниже перечислены основные мероприятия по снижению расхода топлива карбюраторным ДВС и возможная экономия топлива, %

Улучшение экономических показателей существующих карбюраторных двигателей ……………………………………………до 33
Замена карбюраторных двигателей двигателями с впрыскиванием бензина или дизелями…………………………………………………30…35
Повышение степени сжатия до 13…14 и обеднение рабочей смеси до α=1.2…1.3……………………………………………………………..до 15
Совершенствование систем питания, улучшение процессов наполнения, сгорания…………………………………………………10…15
Применение послойного смесеобразования……………………6…15
Поддержание оптимального теплового состояния …………….до 12
Использование микропроцессов…………………………………до 10

Рассмотрим последовательно конструктивные совершенствования, предлагаемые для двухтактного карбюраторного ДВС. Следует отметить, что отдельные мероприятия, способствующие снижению расхода топлива (например замена карбюраторных ДВС двигателями с впрыском бензина, применение обратного пластинчатого клапана (ОПК) на впуске, повышение степени сжатия, улучшение процессов наполнения и т.д.), используют с целью повышения мощности двигателя и снижения токсичности выбросов. [2]

1.2.1 Совершенствование экономичности и снижение токсичности

Распространенные в настоящее время основные способы улучшения экономических и токсических показателей карбюраторных двухтактных ДВС можно условно разделить на следующие четыре группы:
1. Совершенствование систем: питания, впуска; наполнения кривошипной камеры; продувки и наполнения цилиндра; впуска; смазывания.
2. Совершенствования рабочего процесса и камеры сгорания.
3. Совершенствования показателей двигателя на частичных нагрузках.
4. Снижение токсичности ОГ. [5]

1.2.2 Совершенствования системы впуска

Впускной тракт двухтактного карбюраторного ДВС состоит из глушителя шума впуска с воздухоочистителем, впускного патрубка с карбюратором, кривошипной камеры. Впускная система карбюраторного ДВС определяет организацию наполнения, смесеобразования, подогрева и равномерного распределения топливовоздушной смеси по цилиндрам. К впускным системам современных карбюраторных ДВС предъявляют высокие требования. Они должны обладать хорошими аэродинамическими качествами:
— обеспечивать по возможности малое гидравлическое сопротивление;
— обеспечивать равномерное распределение топливовоздушной смеси по цилиндрам;
— позволять использовать волновые и инерционные явления для динамического наддува цилиндров.
Кроме того они должны быть технологичными в изготовлении, обеспечивать надежную работу в период эксплуатации двигателя. Коэффициент наполнения и соответственно экологические показатели двигателя в зависимости от частоты вращения его коленчатого вала в существенной степени определяются аэродинамическими качествами впускной системы и относительными размерами проходных сечений.
Аэродинамические потери по элементам впускной системы распределяются следующим образом:
— воздухоочиститель и карбюратор……………………………7..10%
— впускной патрубок с ОПК, золотником……………………8…30%
— впускное окно с поршнем и кривошипной камерой…..…60…85%
Избыточное давление в кривошипной камере, необходимое для продувки и наполнения цилиндра, создается в следствии газодинамических явлений, происходящих в системе впуска. Для получения максимального наполнения кривошипная камера должна быть закрыта поршнем, находящимся в ВМТ, по прошествии полуколебания впуска. Тогда процесс сжатия начнется с максимально достигнутого давления заряда. Однако в конце впуска кривошипная камера будет иметь уменьшенный заряд в связи с выбросом части рабочей смеси.
Уменьшения давления и массы заряда будет связано с обратным выбросом из кривошипной камеры. При определении продолжительности фазы впуска максимальное давление в кривошипной камере достигается, например, при 3900мин-1, когда время открытия впускного окна становится равным полупериоду колебания впуска. При дальнейшем увеличении частоты вращения вала уменьшается время открытия впускного окна, в результате чего кривошипная камера закрывается до достижения в ней избыточного максимального давления, что обуславливает ухудшение наполнения. Увеличить коэффициент наполнения при высоких частотах вращения в этом случае можно, например, применением дополнительных впускных окон и каналов…..

………..Исходя из анализа существующих способов повышения технико-экономических показателей двухтактных двигателей, для двигателя «Иж Планета» целесообразно использовать четырехлепестковый обратный пластинчатый клапан (ОПК) на впуске. Использование предлагаемой конструкции при не значительном подорожании двигателя, приведет к экономии топлива и масла в среднем на 20%.
ОПК должен обеспечивать: достаточную площадь проходного сечения при наименьших гидравлических потерях; быстроту открытия при небольших перепадах давления; своевременность закрытия; герметичность в закрытом состоянии, постоянство направления движения потока; необходимую надежность; управляемость потока смеси. Создание клапана, отвечающего всем этим требованиям для двигателя, работающего на скоростных режимах с n<4000 об/мин, задача очень сложная и требует специальных исследований.
Проектируемая модель является самой простой и эффективной, она включает в себя; четырехлепестковый обратный клапан V – образной формы.
Такой пластинчатый клапан обеспечивает быстроту открытия впускного окна на малых частотах вращения коленчатого вала в соответствии с вакуумом в кривошипной камере, снижает газодинамическое сопротивление на впуске, обеспечивает достаточную площадь проходного сечения при наименьших гидравлических потерях, обеспечивает необходимую надежность пластин.
Конструкция предлагаемого четырёхлепесткового ОПК включает в себя: корпус клапана с четырьмя окнами для прохода топливовоздушной смеси; четыре лепестка, ограничители амплитуды подъёма конца лепестков; стандартные изделия: болты, винты, гайки, шайбы.
Особенностью предлагаемой конструкции полнопоточного четырехлепесткового клапана является то, что он целиком выполнен из пластмассы и пластины клапана садятся на необрезиненую поверхность в отличии от конструкции зарубежных клапанов. Пластины клапана разрезные на два лепестка, выполненных из стеклотекстолита, имеется ограничитель амплитуды подъёма конца лепестков.

Полнопоточный четырехлепестковый клапан через прокладку, выполненную из масло и бензиностойкого материала, устанавливают клапанную камеру к цилиндру двигателя «Иж Планета» и прижимают патрубком карбюратора к цилиндру двигателя четырьмя болтами (шпильками).
Система охлаждения необходима для принудительного отвода теплоты от горячих деталей двигателя и передачи ее в окружающую среду. Если двигатель не охладить, то детали могут нагреться до высокой температуры, а это связано с уменьшением их прочности и возможностью их термического разрушения (прогорания поршней, клапанов и др.), с уменьшением массового наполнения цилиндров из-за интенсивного нагрева воздуха или топливовоздушной смеси от горячих поверхностей двигателя и ухудшением его мощностных и экономических показателей; с ухудшением условий работы системы смазки вследствие уменьшения вязкости перегретого масла и разрушения слоя поверхностно-активных молекул.
Переохлаждение двигателя сопровождается ростом механических потерь из-за повышения вязкости масла, ухудшением процесса смесеобразования и сгорания, следствием чего является повышение расхода топлива. Конденсация паров воды в картерной полости интенсифицирует коррозийный износ. В отработавших газах повышается содержание углеводородов несгоревшего топлива и высокотоксичных альдегидных соединений.
Функции регулируемого принудительного отвода теплоты выполняет система охлаждения, которая должна обеспечивать: автоматическое поддержание оптимального теплового режима независимо от режима работы двигателя и внешних условий; быстрый прогрев двигателя до рабочей температуры; длительное сохранение теплоты после остановки двигателя; малые энергетические затраты, связанные с приводом агрегатов системы охлаждения.
Принудительный отвод теплоты от головки и стенок цилиндра осуществляется с помощью жидкости или воздуха, в связи с чем различают двигатели жидкостного и воздушного охлаждения.
Как жидкостная, так и воздушная системы охлаждения имеют свои достоинства и недостатки.

Жидкостная система охлаждения более инерционна, двигатель медленно прогревается, но и медленно остывает, кроме того, большая теплоемкость охлаждающей жидкости обеспечивает более интенсивный и равномерный теплоотвод и меньшую температуры деталей. При такой системе двигателю не страшны кратковременные перегрузки. Двигатель в силу своих конструктивных особенностей излучает в окружающую среду меньше шума. Теплота, отводимая жидкостью от горячих поверхностей двигателя, используется для подогрева впускного трубопровода и улучшения смесеобразования, а также для отопления кабины или салона автомобиля в холодное время года. Вместе с тем потеря герметичности и утечка охлаждающей жидкости приводит к быстрому перегреву двигателя. Но главным достоинством двигателя с жидкостным охлаждением является значительный ресурс по сравнению с двигателем с воздушной системой охлаждения.
Система воздушного охлаждения в меньшей степени подвержена аварийным повреждениям (отсутствие радиатора), проще и надежнее в эксплуатации, поэтому она применяется на машинах, работающих в сложных климатических условиях (северная зона – постоянно низкие температуры), а также дорожных и благодаря своей простоте, на двигателях мотоциклов и малых легковых автомобилей.
Для обеспечения требуемой интенсивности теплоотвода цилиндры и головки двигателя воздушного охлаждения снабжают достаточно развитыми теплорассеивающими поверхностями – ребрами. Это приводит к увеличению общей длинны шага между цилиндрами, увеличению общей длинны и уменьшению жесткости двигателя.
Воздушная система охлаждения получила широкое распространение на двухтактных двигателях, которые используются в качестве силовой установки на мотоциклах, снегоходах, моторных лодок, а также мобильных электостациях и другой технике. Но в последние время заграничные заводы-изготовители (в основном японские и итальянские) заняты проблемой модернизации системы охлаждения уже существующих двигателей. Применение жидкостной системы охлаждения на этих двигателях позволило значительно улучшить их характеристики…………….

…………….

Двигатель «ИЖ-Планета» двухтактный карбюраторный воздушного охлаждения. Используется в качестве силовой установки на мотоциклах семейства «ИЖ-Планета», на инвалидных мотоколясках, получил широкое распространение на самодельных минитракторах, мотоблоках, а также может использоваться на мобильных электростанциях и др. Двигатель эксплуатируется в тяжелых дорожных условиях, на малых скоростях движения, поэтому очень часто перегревается, так как в таких условиях система воздушного охлаждения мало эффективна. Двигатель при этом теряет мощность, растет расход топлива, увеличивается износ деталей, уменьшается КПД, и ухудшается токсичность.

Таблица 3.1 – Краткие технические характеристики двигателя «ИЖ-Планета»

Характеристики	Значения
Рабочий оббьем Vh, см3	346
Номинальная мощность Ne, кВт	18
Частота вращения КВ n, мин—1 при Ne минимальная максимальная	5300 1000 5500
Диаметр цилиндра D, мм	72
Ход поршня S, мм	85
Степень сжатия ε	7,5

Выбор материала для лепестков клапанаПроблема снижения газодинамического сопротивления на впуске и повышения надежности пластин клапана решающая выбором материалов для пластин и корпусов клапанов.
Анализ существующих материалов, условий работы пластин клапанов, а также известных конструкций ОПК позволил выбрать для дальнейших исследований четыре группы материалов:
1) пружинные стали и сплавы;
2) лавсан (полиэтиленперефталат), полиамидные пленки и пластмассы;
3) фенилоны;
4) стеклотекстолиты.
К первой группе относятся преимущественно углеродистые и легированные стали перлитного класса (36ХТЮ, 12Х18Н, У7А).
Для обеспечения высоких упругости и долговечности углеродистой и легированной стали, подвергают упрочнению в результате мартенситного превращения и холодной пластической деформации. Для повышения пределов упругости и сопротивления усталости стали подвергают обычно закалке с отпуском [6].
Лавсан представляет собой сложный полиэфир, используемый в качестве сырья для изготовления волокон и пленок. Для получения лепестков клапана используют пленку разной толщины (0,5…1мм).

Фенилон относится к ароматическим полиамидам. Изделия из фенилона по механической прочности, жесткости, твердости, стойкости к ударным нагрузкам, износостойкости при трении превосходят изделия из большинства промышленных пластмасс.
Стеклотекстолиты представляют собой листовые слоистые материалы, изготовляемые прямым прессованием предварительно пропитанных и уложенных слоями стеклоткани. Наибольший интерес в качестве возможного материала для лепестков ОПК представляют стеклотекстолиты марок ЭТФ, СТЭФ, СТЭФ-1. Они предназначены для работы при длительно допустимых рабочих температурах.
Физико-механические свойства выше перечисленных материалов приведены в таблице 4.1 [6].
Таким образом для изготовления лепестков ОПК применяем стеклотекстолиты СТЭФ имеющие лучшие, по сравнению с другими материалами, механические, теплофизические и химические свойства.

Физико-механические свойства материалов лепестков в ОПК

Показатели	Сталь 60С2А	Лавсан	Фенилон		Стеклотекстолиты
			П	С2	ЭТФ-Т	СТЭФ	СТЭФ-1
Исходные материалы	С=0,58…0,63 Мn=0,6…0,9 Si=1,6…2,0 Cn≤0.3 Ni≤0.25	ПЭТФ	Ароматические полиамиды		Эпоксидная смола, отвержаемая фенолформальдегидной смолой револьного типа
Плотность, кг/м3	7900	1380	1350	1350	2000	1800	1800
Разрушающее напряжение, Мпа при растяжении	1960	98…177	88,2	118	314…588	96	314
при сжатии	1720		215	206	510	—	—
при изгибе	500		118	196	715	314	353
Модуль упругости, МПа	1705	2900	3136	3136	2156… 3057	2000… 3000	2000… 3000
Ударная вязкость, кН*м/м2		70…90	20	35	—	60	65
Теплостойкость, К не менее		423	523	543	603	458	458
Технология изготовления	Прокат	Нагрев пленки  равномерная вытяжка	Прямое прессование и пресс-литьё		Прямое прессование предварительно пропитанных и уложенных слоями полотен стеклоткани

……………..Для системы жидкостного охлаждения необходим цилиндр с водяной рубашкой, радиатор, водяной насос и система автоматического регулирования температурным режимом двигателя.

5.1 Проектирование цилиндра

Так как в лабораторных условиях изготовить цилиндр с водяной рубашкой сложно, то в качестве подобного цилиндра был использован цилиндр от пускового двигателя П-350. Он отличается от цилиндра с воздушным охлаждением размерами окон (их площадью), а также формой и объёмом камеры сгорания. Камера сгорания у такого цилиндра меньше на 5 см3, что дает увеличение степени сжатия ε на 0,7 единиц. На двигателе с воздушной системой охлаждения была применена полусферическая с антидетонационной щелью камера сгорания (рис. 5.1), а на двигателе с жидкостным охлаждением – сферическая без антидетонационной щели (рис. 5.2).

Для того чтобы процесс смесеобразования в цилиндре с водяным охлаждением был приближен к процессу, происходящему в цилиндре с воздушным охлаждением, нужно доработать и приблизить к исходной форме (как у цилиндра с воздушным охлаждением) перепускные каналы и окна, впускное и выпускные окна. Для этого на зеркале цилиндра намечаются границы окон и при помощи бура, закрепленного в патрон электродрели, или при помощи напильников доводится заданная форма окон. После грубой обработки обрабатываемую поверхность каналов и окон нужно обработать наждачной бумагой мелкой зернистости. Это делается для исключения завихрений топливной смеси и улучшения смесеобразования. Схема обработки окон показана на рисунке. 3.3. Пунктирной линией показаны границы обработки окон.

5.2 Проектирование водяного насоса

На большинстве автомобильных двигателей с принудительной системой охлаждения устанавливают водяные насосы центробежного типа
Исходные данные для расчета: подача насоса Vж, м3/с, создаваемый насосом напор Н, МПа и частота вращения колеса n, мин-1, [2].
Расчетная подача насоса:

V_(ж.р)=V_ж⁄η_0 , м3/с (5.2.1)

где Vж – подача насоса, м3/с;
η0 – объёмный КПД насоса (η0= 0,7…0,85).

Напор, создаваемый насосом, полностью идет на преодоление гидравлических сопротивлений жидкостного тракта у современных автотракторных двигателей составляет 0,03…0,10 МПа [2].
Необходимую на привод насоса мощность определяют по формуле:

N_H=(V_(ж.р) Н)⁄((1000*η_h*η_м ) ), кВт (5.2.2)

где ηh – гидравлический КПД насоса (ηh= 0,4…0,7);
ηм – механический КПД насоса (ηм= 0,7…0,9).

Далее определяем основные размеры насоса, расчетная схема которого приведена на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 – Расчетная схема крыльчатки водяного насоса

Радиус входного отверстия крыльчатки:

r_1=√(V_(ж.р.)⁄((πС_1 )+r_0^2 )) , м (5.2.3)

где С1 – скорость воды на входе в лопасти, м/с;
r0 – радиус ступицы крыльчатки, м.

Скорость воды на входе в лопасти принимаем (из условий неразрывности струи воды) равной 1…2 м/с. Радиус ступицы колеса выбирают из конструктивных соображений в зависимости от диаметра вала d.
Приближенное значение радиуса выходного отверстия крыльчатки можно определить по формуле:

r_2=(30√(2*gH/η_h ))/(π*n) , м (5.2.4)

где g – ускорение свободного падения.
Остальные размеры выбирают в следующих пределах: толщина лопаток δ = 3..5 мм; высота лопатки на входе b1 = 12..35 мм; высота лопатки на выходе b2 = 10…25 мм; число лопаток z = 4…8 [2].
Для расчета насоса зададимся следующими исходными величинами:
Vж=0,00048 м3/с;
Н=0,05 МПа;
ηh=0,55;
ηм=0,8;
С1=1 м/с;
r0=0.015м.

Тогда расчетная подача насоса в соответствии с формулой (5.2.1) равна:

Vж.р.=0,00048/0,8=0,0006 м3/с.

Мощность, необходимая на привод насоса:

Nн=0,0006*0,05/(1000*0,55*0,8)=6,82*10-8 кВт.

Радиус входного отверстия:

r_1=√(0,0006⁄((π*1))+〖0,015〗^2 )=0,0138 м,
принимаем r1=14 мм.

Радиус выходного отверстия:

r_2=(30√(2*9,81*0,05/0,55))/(π*5500)=0,023 м,
принимаем r2=30 мм.

Толщина лопаток δ= 3 мм, высота лопатки на входе и на выходе равны b1=b2= 10 мм, количество лопаток z принимаем равным 6.

Корпус и крыльчатку насосов отливают из чугуна и алюминиевых сплавов; крыльчатку кроме того, — из бронзы, а иногда из пластмасс. Изготовленные из стали валики насосов подвергают для повышения износостойкости закалке и в некоторых случаях хромированию (ЯАЗ-204).
Крыльчатка насоса крепится на валу при помощи двух шайб, гайки и штифтовой шпонки.
Вал насоса вращается в двух подшипниках качения, запрессованных в корпус насоса. Для того, чтобы охлаждающая жидкость не вытекала через подшипники и не оказывала на них вредное воздействие, между ними и крыльчаткой в корпус насоса запрессовывается сальник, причем поджимающая пружина должна быть обращена в сторону крыльчатки. Это исключает протекание охлаждающей жидкости при возрастании давления в системе охлаждения (саморегулирующийся сальник).
В процессе эксплуатации поисходит изнашивание сальника и вала крыльчатки, по-этому утечки ОЖ через сальник неизбежны. Для того чтобы ОЖ не скапливалась в корпусе насоса, между подшипниками и сальником предусмотрена круговая проточка с каналом, выходящим наружу.

Для слива ОЖ из системы охлаждения в корпусе водяного насоса предусмотрено сливное отверстие.
Вращение вала насоса осуществляется от КВ двигателя через упругую муфту…………………………..

……………..Экономическая эффективность эксплуатации проектируемого двигателя с жидкостным охлаждением и ОПК на впуске определяется путем сравнения с базовой моделью двигателя. Недостатком базовой модели является высокий расход ГСМ, высокий уровень токсичности отработавших газов, шума и вибрации. Но главным недостатком базовой модели является малый ресурс цилиндро-поршневой группы до капитального ремонта. У проектируемого двигателя ожидается снижение затрат на топливо и масло, на техническое обслуживание и ремонт а также снижение вредного воздействия на здоровье человека вибрацией, шума и выхлопных газов. Ожидается увеличение ресурса двигателя не менее чем в 2 раза. Это достигается за счет уменьшения номинального зазора между цилиндром и поршнем, а также за счет улучшения смесеобразования в цилиндре двигателя.

8.1 Затраты связанные с модернизацией конструкции двигателя

З = С_дв+ З_м + З_ДСМ                                                                                                 (8.1)

где С_дв – стоимость базового двигателя, руб;

З_м – затраты на составные части для модернизации двигателя, руб.

З_ДСМ – затраты на демонтаж старой конструкции, сборку и монтаж новой конструкции.

Затраты на приобретение и изготовления составных частей для модернизации двигателя приведены в таблице 7.1.

Таблица 8.1 – Смета затрат на приобретение узлов, деталей и материалов

№ п/п	Наименование	Количество, шт	Цена за ед., руб	Сумма, руб
1	Радиатор	1	1100	1100
2	Вентилятор	1	150	150
3	Водяной насос	1	400	400
4	Датчик температуры	1	200	240
5	Реле	1	100	100
6	Соединительные шланги	5	40	200
7	Корпус клапана	1	58	58
8	Лепесток клапана	4	11	44
9	Ограничитель	4	1	4
10	Прокладка	1	5,6	5,6
11	Болт М4х20.58	4	2,1	8,4
12	Гайка М4.5	4	1,5	6
13	Гайка М2х0.4	8	08	6,4
14	Винт М2х0.4	8	1,5	12
15	Шайба 4.65.Г029	4	0,5	2
16	Шайба 2.01.05	8	0,5	4
Сумма				2340,4

Затраты на демонтаж старой конструкции, сборку и монтаж новой конструкции определяется на основании затрат времени рабочего.

З_ДСМ = С_ТСТ Т, руб                                                             (8.2)

где С_ТСТ – тарифная ставка, слесаря механосборочных работ, с учетом всех начислений; С_ТСТ = 70 руб/час;

Т – время затрачиваемое на демонтаж, сборку и монтаж; Т=6 час.

8.2 Расчет экономической эффективности от внедрения предлагаемой конструкции двигателяЗ = 20000 + 2340,4 + 70*6 = 22760,4 руб.

8.2.1 Экономия средств за счет увеличения срока службы двигателя до капитального ремонта

Срок службы модернизованного двигателя увеличен в 2 – 2.5 раза, поэтому происходит экономия средств затрачиваемых на проведение капитального ремонта двигателя. Значит за срок службы, до капитального ремонта, модернизированного двигателя, у базового двигателя необходимо провести 2 капитальных ремонта.

Э_кр= 2*З^б_кр – З^м_кр , руб.                                                      (8.3)

где  З^б_кр – затраты на проведение капитального ремонта базового двигателя, руб. З^б_кр = 4500 руб.

З^м_кр – затраты на проведение капитального ремонта модернизированного двигателя, руб. З^м_кр = 4700 руб.

Э_кр = 2*4500 – 4700 = 4300 руб.

8.2.2 Снижение эксплуатационных затрат

Для стандартного двигателя часовой расход топлива и масла[7]:

G_т0= 5,3 кг/ч

G_м0= 0,35 кг/ч

Расход топлива и масла для проектируемого двигателя:

G_м0 – часовой расход масла.где G_т0 – часовой расход топлива;

Для проектируемого двигателя с учетом материалов изложенных выше расход горюче-смазочных материалов должен уменьшиться на 30 % в сравнении с базовым двигателем.

G_т1 = 3,71 кг/ч;

G_м1 = 0,24 кг/ч.

Для расчета принимаем работу двигателя по 8 часов при пятидневной рабочей неделе.

Время работы двигателя за год:

t_г = t * Д_р , ч                                                                (8.4)

где t – время работы двигателя за один запуск, ч;

Д_р – количество рабочих дней за год,  Д_р = 240 дней.

t_г = 8*240 = 1920 ч.

Годовой расход топлива и масла:

G_Тг = t_г * G_0,1 , кг                                                         (8.5)

где G_Тг – годовой расход ГСМ, кг;

t_г – годовая работа двигателя, ч;

Годовой расход топлива и масла для проектируемого двигателя:

G_0,1 – часовой расход ГСМ базового и проектируемого двигателей, кг.

Годовой расход топлива для базового двигателя:

G_Тг0 = 1920 * 5,3 = 10176 кг

Годовой расход масла для базового двигателя:

G_Мг0 = 1920 * 0,35 = 672 кг

G_Тг1 = 1920 *  3,71= 7123,2 кг

G_Мг1 = 1920 * 0,24 = 460,8 кг.

Годовая экономия топлива:

Э_т = G_Тг0 — G_Тг1, кг

Э_т = 10176 – 7123,2 = 3052,8 кг

Годовая экономия масла:

Э_м = G_Мг0 – G_Мг1  кг

Э_м = 672 – 460,8 = 211,2 кг.

Годовая экономия ГСМ приведена в таблице 8.2.

№ п/п	Наименование	Годовая экономия ГСМ, кг	Цена за 1 кг, руб	Годовая экономия ГСМ, руб
1	Топливо	3052,8	15	45792
2	Масло	211,2	100	211200
Сумма				256992

Таблица 8.2 – Годовая экономия ГСМ

Экономический эффект от модернизации конструкции двигателя:

Э_эф =  Э_кр + Э_ГСМ , руб/год                                            (8.6)

Э_эф = 4300 + 256992 = 261292 руб/год.

8.3 Срок окупаемости новой конструкции

Т = З/ Э_эф , лет                                                               (7.7)

Т = 2340,4/261292 = 0,01 года

В ходе выполнения дипломного проекта выявлено большое преимущество модернизированного двигателя (установка обратного пластинчатого клапана на впуске и применение жидкостного охлаждения двигателя). Также были рассмотрены современные пути совершенствования двухтактных двигателей, выбраны наиболее приемлемые для проектируемого двигателя; рассчитан обратный пластинчатый клапан, устанавливаемый во впускном коллекторе двигателя; спроектирована система жидкостного охлаждения; рассчитана скоростная характеристика модернизированного двигателя; разработаны меры безопасности при выполнении испытательных работ; произведен экономический анализ эффективности применения проектируемой модернизации двигателя.
Применение жидкостной системы охлаждения позволило увеличить ресурс ЦПГ более чем в два раза, а установка обратного пластинчатого клапана во впускном коллекторе позволяет снизить расход топлива и масла, а также значительно улучшить экологические показатели двигателя.
Разработка готова к проведению испытаний и внедрению в производство.