«Улучшение эксплуатационных и конструктивных показателей автомобильных двигателей, применяемых для силовых установок» - Дипломная работа

Содержание

Введение …. 7

1 Анализ существующих систем впрыскивания топлива …. 9

1.1 Общие сведения и классификация систем впрыскивания топлива … 9

1.2 Анализ непосредственного впрыска …. 11

1.3 Анализ центрального впрыска … 15

1.4 Анализ распределенного впрыска …. 21

2 Выбор оптимальной системы для двигателя ЗМЗ-320… 31

2.1 Выбор варианта распределенного впрыска… 31

2.2 Обоснование необходимого комплекта датчи-ков… 34

3 Расчет и подбор приборов распределенного впрыска для двигателя ЗМЗ-320…

41

3.1 Применение двигателя ЗМЗ-320 в качестве силового агрегата 41

3.2 Расчёт деталей кривошипно-шатунного механизма на прочность … 45

3.3 Расчет стабилизатора перепада давления… 55

3.4 Выбор форсунок… 63

3.5 Выбор остальных узлов и элементов… 65

4 Технико-экономическая оценка проекта и конструкции… 70

Заключение …. 79

Список используемых источников ….…. 81

Введение

В развитии автомобильных двигателей с искровым зажиганием первосте-пенную роль играет совершенствование систем питания. Наряду с улучшением традиционных карбюраторных устройств, все более важное значение приобретают работы по созданию и внедрению принципиально новых систем питания – систем впрыска топлива [3].

Расширение применения впрыска обусловлено необходимостью улучшения экономических показателей двигателя и снижения токсичности отработавших газов [23].

Наибольшие возможности открывает использование систем впрыска с электронным управлением, которые позволяют весьма точно программировать подачу топлива на всех режимах работы двигателя [16, 22]. При внедрении распределенного впрыска в сварочный агрегат на одноосном прицепе, мы значительно экономим топливо. Внедрению также способствует принятие норм токсичности в Российской Федерации с 01.01.2010 г., которые значительно ужесточились.

Новая система питания предполагает использование большого числа комплектующих, что, естественно, удорожает ее. Но «скупой платит дважды». Сэкономив сегодня на распределенном впрыске, он завтра обрекает будущее поколение на постоянные и тяжелые заболевания, связанные с ухудшением экологии и, вообще, на вырождение человечества.

Исходя именно из этих позиций, совершенно необходима разработка качественно новой, отвечающей современным меркам, системы питания с рас-пределенным впрыском топлива.

При проведения ремонтных работ в полевых условиях часто требуется выполнение сварочных работ. При электродуговой ручной сварке применяют переменный и постоянный ток. Для питания аппаратов электродуговой сварки на переменном токе используют сварочные трансформаторы в одно- и двухкорпусном исполнении.

Для питания аппаратов электродуговой сварки на постоянном токе применяют сварочные машины (преобразователи, сварочные агрегаты с приводом от двигателя внутреннего сгорания, так называемые «сварочные агрегаты»). Сварочные агрегаты АСБ- АСД и АСДМ смонтированы на рамах без колес. Для применения таких аппаратов в полевых условиях их устанавливают на одноосных прицепах, а АСДП — на двухосных прицепах.

Таким образом, актуальность и значимость рассмотрения проблемы заключается в совершенствовании системы питания автомобильного двигателя, работающего в стационарных условиях, для улучшения его эксплуатационных и конструктивных показателей при снижении эксплуатационных затрат.

Объектом исследования дипломного проекта является бензиновый двига-тель внутреннего сгорания ЗАЗ-320.

Целью дипломного проекта является повышение мощности двигателя ЗАЗ-320 – составной части сварочного агрегата АСБ-300-7, и снижение удельного расхода топлива.

Для решения этой цели в проекте рассмотрены вопросы особенности конструкции систем питания, дана их сравнительная характеристика, поставлены и решены задачи по разработке оптимальной системы для двигателя ЗАЗ-320, и проведены расчёты на прочность основных деталей кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Особое внимание в проекте уделено экологическим и технико-экономическим вопросам применения проектируемой системы.

Благоприятными результатами, получаемыми в результате выполнения проекта, являются снижение токсичности выхлопных газов, оптимизация расхода топлива, снижение трудоёмкости обслуживания, при одновременной автоматизации процесса питания бензинового двигателя внутреннего сгорания топливом.

Методологической основой исследования являются инструктивные мате-риалы, монографии, статьи отечественных и зарубежных авторов, учебники и учебные пособия.

Работа выполнена с помощью программных продуктов WORD, EXCEL и KOMPAS – 3D V8.

Выдержка из текста работы

Непосредственный впрыск, схема которого показана на рисунке 1.2, практического применения в проектируемой системе не находит из-за неблагоприятных условий работы форсунки, трудности ее размещения в камере сгорания, высокого давления впрыска (3…5 МПа), а также несущественным различием в мощностных и экономических показателях работы двигателя при впрыскивании топлива в зону впускных клапанов [4].

Непосредственный впрыск как очередное и эффективное средство в деле оп-тимизации сгорания смеси и повышения коэффициента полезного действия (КПД) бензинового двигателя реализует простые принципы. А именно: более тщательно распыляет топливо, лучше перемешивает с воздухом и грамотней распоряжается готовой смесью на разных режимах работы двигателя. В итоге двигатели с непосредственным впрыском потребляют меньше топлива, чем обычные «впрысковые» моторы (в особенности при спокойной езде на невысокой скорости); при одинаковом рабочем объеме они обеспечивают более интенсивное ускорение автомобиля; у них чище выхлоп; они гарантируют более высокую литровую мощность за счет большей степени сжатия и эффекта охлаждения воздуха при испарении топлива в цилиндрах. В то же время они нуждаются в качественном бензине с низким содержанием серы и механических примесей, чтобы обеспечить нормальную работу топливной аппаратуры [6].

Первой применила двигатель с непосредственным впрыском на серийном автомобиле компания Mitsubishi. Поэтому рассмотрим устройство и принципы действия непосредственного впрыска на примере двигателя GDI (Gasoline Direct Injection). Двигатель GDI может работать в режиме сгорания сверхобедненной топливовоздушной смеси: соотношение воздуха и топлива по массе до 30-40:1. Максимально возможное для традиционных инжекторных двигателей с распределенным впрыском соотношение равно 20-24:1 (стоит напомнить, что оптимальный, так называемый стехиометрический, состав - 14,7:1) - если избыток воздуха будет больше, переобедненная смесь просто не воспламенится. На двигателе GDI распыленное топливо находится в цилиндре в виде облака, сосредоточенного в районе свечи зажигания. Поэтому, хотя в целом смесь переобедненная, у свечи зажигания она близка к стехиометрическому составу и легко воспламеняется. В то же время, обедненная смесь в остальном объеме имеет намного меньшую склонность к детонации, чем стехиометрическая. Последнее обстоятельство позволяет повысить степень сжатия, а значит увеличить и мощность, и крутящий момент. За счет того, что при впрыскивании и испарении в цилиндр топлива, воздушный заряд охлаждается - несколько улучшается наполнение цилиндров, а также снова снижается вероятность возникновения детонации.

Основные конструктивные отличия GDI от обычного впрыска показаны на рисунке 1.3 и заключаются в следующем:

а) механический насос, подобный топливному насосу высокого давления (ТНВД) дизельного двигателя, развивает давление в 50 бар (у инжекторного двигателя электронасос в баке создает в магистрали давление около 3-3,5 бар);

б) форсунки высокого давления с вихревыми распылителями создают форму топливного факела, в соответствии с режимом работы двигателя. На мощностном режиме работы впрыск происходит на режиме впуска и образуется конический топливовоздушный факел. На режиме работы на сверхбедных смесях впрыск происходит в конце такта сжатия и формируется компактный топливовоздушный факел, который вогнутое днище поршня направляет прямо к свече зажигания;

в) в днище пошня особой формы сделана выемка, при помощи которой топливо-воздушная смесь направляется в район свечи зажигания;

г) на двигателе GDI применены вертикальные впускные каналы, которые обеспечивают формирование в цилиндре так на «обратного вихря», направляя топливовоздушную смесь к свече и улучшая наполнение цилиндров воздухом (у обычного двигателя вихрь в цилиндре закручен в противоположную сторону).

Всего предусмотрено три режима работы двигателя GDI:

а) режим сгорания сверхбедной смеси (впрыск топлива на такте сжатия);

б) мощностной режим (впрыск на такте впуска);

в) двухстадийный режим (впрыск на тактах впуска и сжатия) (применяется на евромодификациях).

Режим сгорания сверхбедной смеси (впрыск топлива на такте сжатия). Этот режим используется при малых нагрузках: при спокойной городской езде и при движении за городом с постоянной скоростью (до 120 км/ч). Топливо впрыскивается компактным факелом в конце такта сжатия в направлении поршня, отражается от него, смешивается с воздухом и испаряется, направляясь в зону свечи зажигания. Хотя в основном объеме камеры сгорания смесь чрезвычайно обеднена, заряд в районе свечи достаточно обогащен, чтобы воспламениться от искры и поджечь остальную смесь. В результате двигатель устойчиво работает даже при общем соотношении воздуха и топлива в цилиндре 40:1.

Работа двигателя на сильнообедненной смеси поставила новую проблему - нейтрализацию отработавших газов. Дело в том, что при этом режиме основную их долю составляют оксиды азота, и поэтому обычный каталитический нейтрализатор становится малоэффективным. Для решения этой задачи была применена рециркуляция отработавших газов (EGR-Exhaust Gas Recirculation), которая резко снижает количество образующихся оксидов азота и установлен дополнительный NO-катализатор.

Заключение

В соответствии с предложенной темой дипломного проекта «Улучшение эксплуатационных и конструктивных показателей автомобильных двигателей, применяемых для электросиловых установок» с целью повышения их технико-экономических показателей и снижения токсичных отходов в выхлопных газах была спроектирована система питания бензинового двигателя ЗАЗ-320 с учётом современных технологий в двигателестроении и показана возможность его установки на силовую установку АСБ-300-7.

По результатам проделанного анализа, расчета и подбора основных функциональных узлов и элементов системы, оценки технико-экономических показателей можно сделать следующие выводы:

1. Наиболее оптимальной, с точки зрения денежных затрат и улучшения показателей работы двигателя, является система питания с распределенным фазированным впрыском легкового топлива, с адаттивно-программным управлением, по критерию максимальной топливной экономичности с учетом токсичности;

2. Для надежного и успешного функционирования системы, часть датчиков и отдельных узлов придется закупать у немецкой фирмы «Bosch», но в России сейчас ведутся разработки таких же датчиков. Так что в скором будущем на внутреннем ранке страны появятся необходимые узлы и датчики, что еще удешевит данную конструкцию;

3. При покупке Вооруженными Силами России подобной системы (уже выпускаемой на Заволжском моторном заводе) появится возможность экономии средств на содержание автомобиля и покупку топлива, за счет того, что при установке данной системы повышается ресурс работы двигателя и уменьшаются затраты на техническое обслуживание и ремонт. Так же в данной системе важную роль играет блок управления, выпускаемый фирмой ЭЛКАР. При заключении контракта ВС РФ с данной фирмой возможна будет поставка деталей, а также диагностического оборудования для данной системы по более низким ценам.

4. При постановке разработанной системы на серийно выпускаемый двигатель возрастет спрос на последний.

5. Данная система питания обеспечивает выполнение норм токсичности Евро-1, которые введены в Российской Федерации с 01.00.2011 года с большим запасом, что позволит ее использовать долгое время без существенных изменений.

На сегоднящний день инжекторый (впрысковый) двигатель практически полностью заменил устаревшую карбюраторную систему. Инжекторный двига-тель существенно улучшает эксплуатационные и мощностные показатели автомобиля (динамика разгона, экологические характеристики, расход топлива).

Инжекторные системы подачи топлива имеют перед карбюраторными сле-дующие основные преимущества:

- точное дозирование топлива и, следовательно, более экономный его расход.

- снижение токсичности выхлопных газов. Достигается за счет оптимальности топливно-воздушной смеси и применения датчиков параметров выхлопных газов.

- увеличение мощности двигателя примерно на 7-10%. Происходит за счет улучшения наполнения цилиндров, оптимальной установки угла опережения зажигания, соответствующего рабочему режиму двигателя.

- улучшение динамических свойств автомобиля. Система впрыска незамедлительно реагирует на любые изменения нагрузки, корректируя параметры топливно-воздушной смеси.

- легкость пуска независимо от погодных условий.

Принципиальной особенностью проектируемой системы питания двигателя ЗМЗ–320 является отсутствие в ней карбюратора, совмещающего функции смесеобразования и дозирования подачи топливовоздушной смеси в цилиндры двигателя. В системе распределенного впрыска, установленной на данном двигателе, эти функции разделены — форсунки осуществляют дозированный впрыск топлива во впускную трубу, а подача необходимого в каждый момент работы двигателя воздуха осуществляется системой, состоящей из дросселя и регулятора холостого хода.

Управление системой впрыска топлива и системой зажигания осуществля-ется электронным блоком управления двигателем, непрерывно контролирующим с помощью соответствующих датчиков величину нагрузки двигателя, тепловое состояние двигателя и окружающей среды, оптимальность процесса сгорания в цилиндрах двигателя. Такой способ управления дает возможность обеспечивать оптимальный состав горючей смеси в каждый конкретный момент работы двигателя, что позволяет получить максимальную мощность при минимально возможном расходе топлива и низкой токсичности отработавших газов.

При выходе из строя какого-либо из датчиков блок управления двигателем включает резервную программу, обеспечивающую работу двигателя с несколько ухудшившимися, но приемлемыми мощностными и расходными характеристиками. При этом в комбинации приборов загорается контрольная лампа.

Применение данной системы питания двигателя ЗАЗ-320 позволит снизить расход топлива, вредные выбросы в атмосферу продуктов сгорания топлива, улучшить мощностные характеристики работы двигателя в стационарных условиях.

Список литературы

1. Автомобильные и тракторные двигатели. (Теория, системы питания, конструкции и расчет)/ Под ред. И. М. Ленина. М.: Высш. шк., 1969

2. Автомобильные и тракторные двигатели: В 2 ч. Конструкция и расчет двигателей / Под ред. И. М. Ленина. 2-е изд., доп. и перераб. М.: Высш. шк., 1976.

3. Аппаратура впрыска легкового топлива автомобильных двигателей. Под редакцией Будыко Ю.И. – Л: Машиностроение, 2000 г.

4. Архангельский В. М. Автомобильные двигатели / В. М. Архангельский. М.: Машиностроение, 1973.

5. Ахметов Л.А., Корнев Е.В., Смитаев Г.З. Автомобильный транспорт и охрана окружающей среды. – Ташкент: Манеж, 2002 г.

6. Вырубов Д. Н. Двигатели внутреннего сгорания: теория поршневых и комбинированных двигателей / Д. Н. Вырубов и др. М.: Машиностроение, 1983.

7. Гутаревич Ю.Ф. Охрана окружающей среды от загрязнения выбросами двигателей. – Киев: 2000 г.

8. Двигатели внутреннего сгорания / Под ред. д-ра техн. наук проф. В. Н. Луканина. М.: Высш. школа, 1985.

9. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1980.

10. Дмитриевский А.В., Шатров Е.В. Топливная экономичность бензиновых двигателей. – М.: Машиностроение, 2000 г.

11. Иванов В.Н., Сторлевус В.К. Экономия и автомобилизация. – Киев: Будивэльник, 2000 г.

12. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. – М.: Высшая школа, 2000 г.

13. Конспект лекций по двигателям автомобильной техники.

14. Конспект лекций по эксплуатации военной автомобильной техники.

15. Морозов К.А., Матюхин Л.М. Системы питания современных бензиновых двигателей. – М.: МАДИ, 2001 г.

16. Покровский Г.Л. Электроника в системах подачи топлива автомобильных двигателей. – М.: Машиностроение, 2000 г.

17. Росс Твег. Системы впрыска бензина. Устройство, обслуживание, ре-монт: Практ. пособие / Росс Твег. М.: Издательство “За рулем", 1998.

18. Сига Х., Мидзутани С. Введение в автомобильную электронику. – М.: МИР, 2000 г.

19. Топливная экономичность автомобиля с бензиновым двигателем. Под редакцией Хилларда Д. – М.: Машиностроение, 2000 г.

20. Хачиян А. С. Двигатели внутреннего сгорания / А. С. Хачиян и др. М.: Высш. шк., 1985.

21. Холзунов Д.Г. Основы расчета пневматических приводов. – М.: Машиностроение, 2000 г.

22. Хрущев Ю.З., Блаженов Е.И. Электронное управление работой бензинового двигателя. – Ярославль: АПИ, 2000 г.

23. Щетина В.А., Беляева В.Б., Архипов С.В. Экологические аспекты автомобильного транспорта. – Красноярск: Издательство Красноярского университета, 2000 г.

Примечания

Чертежи в программе "Компас" на формате А1

1. Классификация способов впрыска топлива

2. График двидения расхода топлива

3. Корпус коллектора топливного

4. Поршень

5. Размещение приборов системы питания на двигателе ЗМЗ-320

6. Модернизация системы питания

7. Сварочный агрегат АСБ-300-7

8. Схема распределения впрыска