Проектирование двигателя Д-243

       ВВЕДЕНИЕ 
 

     Один  из самых распространенных двигателей – двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные и т.д., во всём мире насчитывается сотни миллионы таких двигателей. Существует два  вида двигателей внутреннего сгорания – бензиновые и дизельные.

     Бензиновые  ДВС работают на жидком горючем (бензине, керосине и т.п.) или на горючем  газе (сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах). Проектируют  двигатели где горючим будет  водород.

     Основная  часть ДВС – один или несколько цилиндров, внутри которых происходит сжигание топлива. Отсюда и название двигателя.

     Внутри  цилиндра движется поршень – металлический  стакан, опоясанный пружинящими кольцами (поршневые кольца), вложенными в  канавки на поршне. Поршневые кольца не пропускают газов, образующихся при сгорании топлива, в в промежутке между поршнем и стенками цилиндра. Поршень снабжен металлическим стержнем – пальцем, он соединяет поршень с шатуном. Шатун передаёт движения поршня коленчатому валу.

Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, закрытыми клапанами. Через один из каналов – впускной, подаётся горючая смесь, через другой – выпускной, удаляются продукты сгорания. В верхней части цилиндра помещается свеча – приспособление для зажигания горючей смеси посредством электрической искры.

     Наибольшее  распространение получил четырёхтактный двигатель. Рассмотрим его работу. 1-ый такт – впуск (всасывание). Поршень, двигаясь вниз, засасывает горючую  смесь. 2-ой такт – сжатие. Впускной клапан закрывается, поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь, при сжатии она нагревается. 3-ий такт – рабочий ход. Поршень достигает верхнего положения, смесь поджигается электрической искрой свечи, сила давления газов раскалённых продуктов горения – толкает поршень вниз. Движение поршня передаётся коленчатому валу, вал поворачивается, и тем самым производится полезная работа. Произведя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются, давление в цилиндре падает почти до атмосферного. 4-ый такт – выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан, отработанные продукты сгорания выбрасываются через глушитель в атмосферу.

     Из  четырёх тактов двигателя только один, третий, - рабочий. Поэтому двигатель  снабжают моховиком, инерционным двигателем, запасающим энергию, за счёт которой  коленчатый вал вращается в течении остальных тактов. Отметим, что одноцилиндровые двигатели устанавливают главным образом  на мотоциклах. На автомобилях, тракторах для более равномерной  работы ставят 4, 6, 8 и более цилиндров на общем валу. Двигатели с цилиндрами, установленными в виде звезды вокруг одного вала, получили название звездообразных. Мощность звездообразных двигателей  достигает  4 МВт. Используют их главным образом в авиации.

     Дизельные – другой тип двигателей внутреннего  сгорания. Воспламенение в его цилиндрах происходит при впрыскивании топлива в воздух, предварительно, сжатый поршнем и, следовательно, нагретый до высокой температуры. Этим он отличается от бензинового топлива внутреннего сгорания, в котором используется особое устройство для воспламенения топлива.

Первый  дизельный двигатель был собран в 1897 г. немецким инженером Р. Дизелем  и получил название от его имени.

     Конструктивно дизель мало чем отличается от бензинового  двигателя внутреннего сгорания. На рисунке видно, что у него есть цилиндр, поршень клапаны. И принцип действия дизеля тот же. Но есть и отличия: в головке цилиндра находится топливный клапан – форсунка. Назначение её  -  в определённые фазы вращения коленчатого вала впрыскивать топливо в цилиндр. Клапаны , топливный насос, питающий форсунку, получают движение от распределительного вала, который, в свою очередь, приводится в движение от коленчатого вала  двигателя.

     Пусть начальным положением будет верхняя  мёртвая точка. При движении поршня вниз (1-ый такт) открывается впускной клапан, через который засасывается воздух. Впускной клапан при обратном ходе поршня закрывается и в продолжении всего 2-го такта  остаётся закрытым.

     В цилиндре дизеля происходит сжатие воздуха (в бензиновом двигателе внутреннего  сгорания на этой фазе сжимается горючая смесь). Степень сжатия в дизелях в 2-2,5 раза больше, вследствие чего температура воздуха в конце сжатия поднимается до температуры, достаточной для воспламенения топлива. В момент подхода поршня в верхнюю мёртвую точку начинается подача топлива из форсунки. Попадая в горячий воздух, мелко распыленное топливо самовозгорается. Сгорание топлива  (3-ем такте) происходит не сразу, как в бензиновых двигателях внутреннего сгорания, а постепенно,  в продолжении некоторой части хода поршня вниз, объем пространства в цилиндре, где топливо сгорает, увеличивается. Поэтому давление газов во время работы форсунки остаётся постоянным.

     Когда поршень возвращается в нижнюю мёртвую  точку, открывается впускной клапан, и давление газов сразу падает, после чего заканчивается  4-ый такт, поршень возвращается в верхнюю мёртвую точку. Далее цикл повторяется.

     Дизель  относится к более экономичным  тепловым двигателям (КПД достигает 44%), он работает на дешевых видах  топлива. Сконструированы и собраны  двигатели мощностью до 30 000 КВт. Дизели используются главным образом на судах, тепловозах, тракторах, грузовиках (в последнее время стали выпускать легковые машины на дизелях), передвижных электростанциях. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2 РАСЧЁТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ  ЧАСТЬ

       Создание современного двигателя внутреннего сгорания – сложный процесс, в котором участвуют различные специалисты. Центральное место в этом процессе занимает разработка конструкторского проекта.

       Конструкторы должны подготовить полный обьем конструкторской  документации позволяющий изготовить и испытать двигатель, а также наладить выпуск в требуемом количестве.

       Непрерывное форсирование современных двигателей по удельной мощности сопровождается ростом температур и напряжений в их деталях. Поэтому  большую роль при создании современных двигателей приобретают расчеты на прочность.

       Основная цель расчета  на прочность – обоснование таких  параметров и размеров деталей и  узлов двигателя, при которых  обеспечивается надежная работа двигателя  при эксплуатации в течении требуемого ресурса. При этом расчет существенно сокращает время и средства, отводимые на чрезвычайно объемные экспериментальные работы, связанные с созданием и доводкой двигателя.

                Расчет на прочность деталей двигателя включает следующие основные этапы: составление расчетной схемы, отражающей наиболее существенные особенности конструкции и условий нагружения деталей; анализ этой схемы с помощью современных методов расчета; формулировку на основе проведенного анализа практических выводов  применительно к реальной конструкции.

       В настоящее время  требуются методы расчета, значительно  более точно учитывающие геометрию  деталей и условия их нагружения. Поэтому все большее распространение  при проектировании новой техники  получает компьютерная техника. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2.1 ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ СИСТЕМЫ СМАЗКИ ДВИГАТЕЛЯ 

                Подшипники коленчатого и распределительного валов, втулка промежуточной шестерни, шатунный подшипник коленчатого вала компрессора, механизм привода клапанов (коромыслы) и подшипник вала турбокомпрессора смазываются под давлением от масляного насоса. Гильзы, поршни, поршневые пальцы, штанги, толкатели, кулачки распределительного вала и привод топливного насоса смазываются разбрызгиванием.

                Масляный насос 9 — шестеренного типа, односекционный, крепится болтами к крышке первого коренного подшипника. Насос подает масло по патрубку и каналам блока цилиндров в центробежный фильтр 12, в котором оно очищается от посторонних примесей, продуктов износа и от продуктов разложения масла вследствие нагрева и окисления.

Из  центробежного фильтра очищенное  масло поступает в радиатор для  охлаждения и по маслоподводящей  трубке к подшипнику вала турбокомпрессора 16. Из масляного радиатора масло  поступает в магистраль дизеля.

                В корпусе центробежного масляного фильтра имеются редукционный 11, сливной 13, предохранительный 14 клапаны.

                При пуске дизеля непрогретое масло вследствие большого сопротивления радиатора через редукционный (радиаторный) клапан поступает непосредственно в магистраль дизеля, минуя радиатор.

                Предохранительный клапан (клапан центробежного фильтра) служит для поддержания давления масла перед ротором фильтра 0,8 МПа. При повышении давления выше указанного часть неочищенного масла сливается через клапан в картер дизеля.

Редукционный  и предохранительный клапаны  не регулируемые.

                На работающем дизеле категорически запрещается отворачивать пробки редукционного и предохранительного клапанов. Сливной клапан отрегулирован на давление 0,25…0,35 МПа и служит для поддержания необходимого давления масла в главной магистрали дизеля. Избыточное масло сливается через клапан в картер дизеля.

                Из главной магистрали дизеля по каналам в блоке цилиндров масло поступает ко всем коренным подшипникам коленчатого и шейкам распределительного валов. От коренных подшипников по каналам в коленчатом вале масло поступает ко всем шатунным подшипникам. От первого коренного подшипника масло по специальным каналам поступает к втулкам промежуточной шестерни и шестерни привода топливного насоса, а также к топливному насосу.

                Детали клапанного механизма смазываются маслом, поступающим от заднего подшипника распределительного вала по каналам в блоке, головке цилиндров, сверлению в IV стойке коромысел во внутреннюю полость оси коромысел и через отверстие к втулке коромысла, от которой по каналу идет на регулировочный винт и штангу.

                К пневмокомпрессору масло поступает из главной магистрали по сверлениям в блоке цилиндров и специальному маслопроводу. Из компрессора масло сливается в картер дизеля. 
 
 
 

2.2 ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ МАСЛЯНОГО НАСОСА 
 

            Масляный насос  служит для подачи масла к трущимся поверхностям движущихся частей двигателя. По конструктивному исполнению масляные насосы бывают шестеренчатые и винтовые. Шестеренчатые насосы отличаются простотой конструкции, компактностью, надежностью в работе и являются наиболее распространенными в тракторных двигателях.

            Конструкция шестеренчатого масляного насоса состоит из корпуса, крышки, ведущей шестерни, которая закреплена на ведущем валу, ведомой шестерни, которая свободно вращается на оси, также имеется редукционный клапан (для поддержания постоянного давления). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2.3 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

     2.3.1 Топливо

Средний элементный состав топлива:

      

Низшая  теплота сгорания топлива

10³=(33,91 0,87+125,6                                                                                                 0,126-10,89 0,004-2,51 9 0,126) 10³=42440

Параметры рабочего тела

      

      l

Коэффициент избытка воздуха

      

Количество  свежего заряда

      

Количество  отдельных компонентов продуктов  сгорания

      

       N

Общее количество продуктов сгорания

       N

Параметры окружающей среды

      

Температура и давление остаточных газов

        
 
 

     2.3.2 Процесс впуска

Плотность заряда на впуске

      

Потери давления на впуске в двигателе

      

где:

      

Давление  в конце впуска