Разработка электродинамической форсунки системы питания дизеля Д 245 автомобиля Валдай

Состав чертежей

1. Чертеж поперечного разреза ДВС (формат А1)
2. Чертеж продольного разреза ДВС (формат А1)
3. Деталь поршень (формат А3)
4. Рабочий чертеж шатун (формат А3)
5. Чертеж электродинамической форсунки (формат А4)
6. Чертеж колеса зубчатого (формат А3)
7. Лист технологических наладок (формат 3хА3)

Описание

 Проект дизельного двигателя для грузового автомобиля грузоподъёмностью до 3.5 тонн с разработкой системы питания
Данная тема обусловлена требованиями, предъявляющими к современным двигателям. Это повышение эффективности ДВС, удельной мощности, удельного расхода топлива, повышение экологической безопасности, повышение теплового КПД.
Развитие современных ДВС характеризуется повышением экономической эффективности и снижением токсичности выхлопных газов ,в этой связи большое внимание уделяется своевременному и качественному сгоранию ТВС. Одним из элементов обеспечения сгорания является качественная подготовка ТВС. В этой связи предусматривается различные конструкции форсунок, которые обеспечивают качественное распыливание топливной смеси, но не обеспечивают поляризации компонентов топлива и их ионизацию, которая способствовала более качественному. В этой связи в дипломной работе рассматривается задача проектирования двигателя с разработкой системы питания, где предусмотрено в форсунке плазменная подача топлива.

В дипломе описано назначение потребителя мощности, его технологический цикл, условия работы, требования к проектируемому двигателю. Осуществлен подбор аналогов.

В первом патенте рассматриваеться вариант форсунки для дизельно двигателя Целю создания данного изобретения являеться умешьшение удельного расхода топлива, что достиглось путём изменения хода запирающей иглы, при помощи электропривода, недостатком являеться сильное усложнение конструкции, и его повышенная цена.
Второй патент под название ФДД обусловлен упрощенной конструкцие и уменьшенной стоимостью, цель была достигнута за счёт изменения принципа работы в целом. Из недостатков данной форсунки являеться невозможность регулирования подачи топлива и низкая надёжность конструкции
В 3 патенте рассматриваеться «название» целью создания данной форсунки послужило улучшение показателей данного типа устройста.
Цель была достигнута за счёт двух ступенчтого регулирования подачи топлива.
При достаточном количестве плюсов эта форсунка имеет сложную конструкцию и большую трудоемкость регулировочных операций и малопригодна для массового производства.
Вывод: Все 3 данных патента направлены на улучшение и упрощение конструкции форсунки, что не даёт явных преимуществ при создании смесеобразования.

Исходя из анализа патентных данных, а так же из рассмотрения конструкции аналогового двигателя было принято решение об усовершенствовании системы питания двигателя. Предлагается ввести в конструкцию двигателя электродинамическую форсунку, которая содержащая корпус, распылитель, нагружающее приспособление, запирающую иглу, выполненную в виде стержня с внутренней полостью и запирающей поверхностью, отличающийся тем, что на корпус распылителя надето изолирующее кольцо и изолирующая втулка, а на нее цилиндрический электрод тока высокой частоты.

Приведено обоснование выбора исходной конструкции. Выявлены технико-экономические резервы. Проведен анализ патентной документации. Рассмотрен предлагаемый вариант решения задания. Представлены исходные данные для расчета. Выполнен расчет тепловой, а именно рассчитаны: процесс впуска, процесс сжатия, процесс сгорания, процесс расширения, индикаторные параметры рабочего цикла, параметры основные цилиндра и двигателя. Составлен тепловой баланс Приведен кинематический расчет механизма.

Для динамического расчета двигателя рассчитали следующее: силы давления газов; массы частей механизма кривошипно-шатунного; силы инерции полные и удельные; удельные силы суммарные; силы, действующие на шатунные шейки вала коленчатого; силы, действующие на коренные шейки вала коленчатого. Выполнен прочностной расчет основных деталей двигателя: поршень, поршневые кольца и поршневой палец. Определена шатунная группа: поршневая головка шатуна, кривошипная головка шатуна, стержень шатуна и болтов шатунных. Определен корпус двигателя и система топливная.

На чертеже изображен общий вид электродинамической форсунки. Форсунка содержит корпус 4, с распылителем 1, запирающую иглу 2, штангу 5, пружины 6, в котором дополнительно установлены изолирующее кольцо 7 и изолирующая втулка 8 на которой закреплен высокочастотный цилиндрический электрод 9 соединенный с высокочастотной шиной 10.
Работа форсунки состоит в следующем. Топливо из насосачерез трубопровод поступает в канал корпуса, откуда оно покольцевой канавке на верхнем торце распылителя поступает потрем сверленым каналам в полость распылителя. Когда давление топлива достигает необходимого значения, игла форсункиподнимается и топливо впрыскивается в камеру сгорания. При впрыскивании распыливаемое топливо проходит через высокочастотный разряд, образуемый внутри высокочастотного цилиндрического электрода. В результате образуется плазменный мешок с топливом на границе которого частички топлива возгораются, а внутри происходит диссоциация молекул топлива, которые попадая в камеру сгорания активно вступают в окислительные реакции с кислородом так обеспечивается быстрое и полное сгорание топлива.

Представлена общая схема топливной системы дизельного двигателя на которой указаны основные узлы.

За прототип в дипломной работе был выбран двигатель Д 245 установленный на шасси автомобиля «Валдай»
Полученые результаты расчётов мы представляем в виде индикаторной диаграммы работы двигателя.
Кинематический расчёт дал возможность построить графики перемещения , скорости и ускорения поршня
За чем следует динамический расчёт , результаты которого мы наблюдаем в виде графиков: Сумарных сил, складывающихся из сил давления газов и Силы инерции возвратно-поступательных движущихся масс, нормально силы и силы действующей вдоль оси шатуна, силы действующей по радиусу кривошипа и тангенсальной силы, суммарный крутящий моментю
Диграма нагрузки на шатунную шейку и на коренную шейку в прямоугольных координатах, полярную диаграмму сил действующую на шатунную и коренную шейку коленчатого вала.
Выполнены продольный и поперечный разрезы двигателя.
В сравнительно характеристике мы видим что у проэктируемого двигателя большая мощность крутящий момент относительно аналога, это достигаеться за счёт повышения частоты вращения двигателя, расход топлива уменьшился за счёт доработанной системы питания.
В технологическом разделе спроэктированна технология обработки зубчатого колеса. В которую входят токарная операция , зубофрезерная операция и зубошлифовальная.

В ВКР дана оценка технологичности конструкции. Разработан процесс технологический обработки зубчатого колеса. Определен тип производства. Проведен анализ точности детали. Выбраны технологические базы и назначены технологические переходы обработки детали, на основании чего спроектирован технологический маршрут обработки детали. Разработан маршрутный технологический процесс, в ходе которого выбрано оборудование и инструменты для обработки детали. Сделаны соответствующие выводы. Приведен расчет себестоимости проектируемого устройства. Рассчитана отпускная цена устройства. Определен экономический эффект. Произведен расчет точки безубыточности проекта. Дана оценка эффективности проекта.

В разделе безопасности жизнедеятельности приведены требования основные, требования к персоналу перед началом работы и требования к персоналу во время работы. Рассмотрена техника безопасности в ситуациях аварийных.
В части графической данного дипломного проекта представлены следующие чертежи: продольного и поперечного разрезов двигателя, деталей шатун и поршень, форсунки, колеса зубчатого, наладок технологических.

В экономической части подсчитывается себестоимость двигателя и его экономическое обосновани. Свободная отпускная цена двигателя составляет 97629,33 руб., цена ближайшего сходного по характеристикам двигателя составляет 110000 руб., разница получается за счёт уменьшения металлоемкости конструкции, уменьшения её габаритных размеров и более эффективного использования внутренних сил в двигателе внутреннего сгорания. По результату проведенной работы мы можем сделать вывод что проектируемый двигатель будет обладать лучшими параметрами по сравнению с аналогом и может быть рекомендован для серийного производства.

Отрывок из дипломной работы:

1.1 Назначение потребителя мощности, его технологический цикл, условия работы, требования к проектируемому двигателю.

Проектируемый двигатель предназначен для установки на колесный трактор, грузовые автомобили. Планируется использование автомобилей в различных климатических районах: с умеренным, теплым и жарким климатом. В связи с этим должны быть применены высокие требования к проектируемому двигателю. Механизмы двигателя должны надежно противостоять износу и нагрузкам. Кривошипно-шатунный механизм должен быть спроектирован таким образом, чтобы нагрузки в нем были сведены к минимуму. От газораспределительного механизма требуется своевременное наполнение и очистка цилиндра. Не меньшая стабильность требуется и от систем двигателя. Система смазывания должна обеспечить надежное смазывание трущихся пар и от деталей КШМ. Система охлаждения не должна допустить перегрева двигателя, особенно при активном его использовании, а также поддерживать температурный режим двигателя. Планируемый ресурс двигателя – 650000 км. до первого капитального ремонта. Техническое обслуживание должно проводиться через каждые 10000 км, замена масла в двигателе через 8000 км.

1.2 Выбор аналогов

В процессе проектирования двигателя были выбраны два аналога данного двигателя. Российский аналог, двигатель Д – 245, и зарубежный аналог, двигатель QS 4115 T. Подбор аналогов, прежде всего, производился исходя из размеров цилиндро-поршневой группы, мощностных показателей и скоростных характеристик.  Таким образом, было решено проектировать двигатель со следующими параметрами – диаметр цилиндра: 110-120 мм, ход поршня: 120-130 мм,  и объемом двигателя не менее 4 л, мощностью примерно 110 кВт.

  Таблица 1.1 – Сравнительные характеристики аналогов

Предлагаемый вариант решения задания

Исходя из анализа патентных данных, а так же из рассмотрения конструкции аналогового двигателя было принято решение об усовершенствовании системы питания двигателя. Предлагается ввести в конструкцию двигателя электродинамическую форсунку, которая содержащая корпус, распылитель, нагружающее приспособление, запирающую иглу, выполненную в виде стержня с внутренней полостью и запирающей поверхностью, отличающийся тем, что на корпус распылителя надето изолирующее кольцо и изолирующая втулка, а на нее цилиндрический электрод тока высокой частоты. Рисунок 1.4 - Электродинамическая форсунка

На рисунке изображен общий вид форсунки. Форсунка содержит корпус 4, с распылителем 1, запирающую иглу 2, штангу 5, пружины 6, в котором дополнительно установлены изолирующее кольцо 7 и изолирующая втулка 8 на которой закреплен высокочастотный цилиндрический электрод 9 соединенный с высокочастотной шиной 10.

Работа форсунки состоит в следующем. Топливо из насосачерез трубопровод поступает в канал корпуса, откуда оно покольцевой канавке на верхнем торце распылителя поступает потрем сверленым каналам в полость распылителя. Когда давление топлива достигает необходимого значения, игла форсункиподнимается и топливо впрыскивается в камеру сгорания. При
впрыскивании распыливаемое топливо проходит через высокочастотный разряд, образуемый внутри высокочастотного цилиндрического электрода.. В результате образуется плазменный мешок с топливом на границе которого частички топлива возгораются, а внутри происходит диссоциация молекул топлива, которые попадая в камеру сгорания активно вступают в окислительные реакции с кислородом так обеспечивается быстрое и полное сгорание топлива.

1.7 Исходные данные для расчета

Мощность N_e=90 Квт;
Степень сжатия ε=17;
Частота вращения коленвала n=2600 〖мин〗^(-1);
Количество цилиндров i=4;
Расположение цилиндров Рядное;
Тактность τ=4.
Элементарный состав жидкого топлива:
- топливо дизельное;
- углеродС=0,870;
- водородH=0,126;
- кислородО=0,004;
- сера S = 0;
- давление окружающей средыp_0=0,1 МПа;
- температура окружающей средыТ_0=293 К.
- мощность двигателяN_e=110 кВт.

4 Расчет двигателя динамический
4.1 Силы давления газов

Сила давления газов, действующие на площадь поршня, для упрощения динамического расчета заменяют одной силой, направленной по оси поршневого пальца. Ее определяют для каждого момента времени по действительной индикаторной диаграмме, снятой с двигателя, или по индикаторной диаграмме, построенной на основе теплового расчета. Рисунок 1.8 – Развёрнутая индикаторная диаграмма

4.2 Определение масс частей механизма кривошипно-шатунного

По характеру движения массы деталей двигателя кривошипно-шатунного механизма можно разделить на движущиеся возвратно-поступательно поршневая группа и верхняя головка шатуна; совершающие вращательное движение коленчатый вал и нижняя головка шатуна и совершающие сложное плоскопараллельное движение стержень шатуна.
Для упрощения динамического расчета действительный кривошипно-шатунный механизм заменяют динамически эквивалентной системой сосредоточенных масс.
Удельная масса поршневой группы m_п^'=250 кг/м^2;
Удельная масса шатуна m_ш^'=300 кг/м^2;
Удельная масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов: m_к^'=300 кг/м^2;
Площадь поршня:
F_п=π∙D^2⋅〖10〗^(-6)/4=3,14∙110∙〖10〗^(-6)/4=0,0095 м^2 . (1.73)
Масса поршневой группы:
m_п=m_п^'∙F_п=250∙0,0095=2,376 кг . (1.73)
Масса шатуна:
m_ш=m_ш^'∙F_п=300∙0,0095=2,851 кг . (1.74)
Масса неуравновешенных частей коленчатого вала:
m_к=m_к^'∙F_п=300∙0,0095=2,851 кг . (1.75)
Масса шатуна сосредоточенная на оси поршневого пальца:
m_(ш.п.)=〖0,275∙m〗_ш=0,275∙2,851=0,784 кг . (1.76)
Масса шатуна сосредоточенная на оси кривошипа:
m_(ш.к.)=0,725∙m_ш=0,725∙2,851=2,067 кг . (1.77)
Массы, совершающие возвратно-поступательное движение:
m_j=m_п+m_(ш.п.)=2,376+0,784=3,160 кг . (1.78)
Массы, совершающие вращательное движение:
m_R=〖m_k+m〗_(ш.к.)=2,851+2,067=4,918 кг . (1.79)
4.3 Силы инерции полные и удельные

Суммарные силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме, определяют алгебраическим сложением сил давления газов и сил возвратно- поступательных движущихся масс.
При проведении динамического расчета целесообразно пользоваться не полными, а удельными силами, отнесенными к единице площади поршня.
Силы инерции возвратно-поступательных движущихся масс:
P_j=-j_П∙m_j; (1.80)
Центробежная сила инерции вращающихся масс кривошипа и масс шатуна:
K_R=-m_R∙R∙〖10〗^(-6)∙ω^2=-4,918∙62,5∙〖10〗^(-6)∙〖230〗^2=-22,786 кН . (1.81)
Центробежная сила инерции вращающихся масс шатуна:
K_Rш=-m_шк∙R∙〖10〗^(-6)∙ω^2=-2,067∙62,5∙〖10〗^(-6)∙〖230〗^2=9,577 кН . (1.82)
Центробежная сила инерции вращающейся массы кривошипа:
K_Rк=〖-m〗_к∙R∙〖10〗^(-6)∙ω^2=-2,851∙62,5∙〖10〗^(-6)∙〖230〗^2=-13,209 кН .(1.83)

4.4 Удельные силы суммарные
Удельная сила, сосредоточенная на оси поршневого пальца:
P=Pг+P_j . (1.84)

Рисунок 1.9 – Диаграмма Р, PJ, ΔPr

Удельная нормальная сила:
N=P∙tan⁡〖(β),〗 (1.85)
Удельная сила, действующая вдоль шатуна:
S=P∙1/cos⁡(β) , (1.86)
Результаты расчета приведены в таблице 2.
Рисунок 1.10 – Диаграмма сил N, S
Удельная сила, действующая по радиусу кривошипа:
K=P∙cos⁡[φ+β]/cos⁡(β) , (1.87)
Полная тангенциальная сила:
T=P∙sin⁡[φ+β]/cos⁡(β) , (1.88)
Результаты расчета приведены в таблице 3.
Рисунок 1.11 – Диаграмма сил K и T
Среднее значение полной тангенциальной силы, по данным теплового расчета:
T_ср=(2∙p_i∙F_п)/(τ∙π)=(2∙1,208∙0,011)/(4∙3,14)=2031 Н. (1.89)
Крутящий момент от одного цилиндра:
φ=0,1..180
M_крц=T∙R, (1.90)
Суммарный крутящий момент:
M_кр=M_крц1+M_крц2+M_крц3+M_крц4 (1.91)
Результаты расчета приведены в таблице 3.
Рисунок 1.12 – Суммарный крутящий момент

4.5 Силы, действующие на шатунные шейки вала коленчатого
Полярную диаграмму силы действующей на шатунную шейку, строят графическим сложением векторов сил К и Т.

Суммарная сила, действующая на шатунную шейку по радиусу кривошипа:
P_к=K+K_Rш, (1.92)
Результирующая сила, действующая на шатунную шейку:
R_шш=√(T^2+〖P_к〗^2 ), (1.93)
Результаты расчета приведены в таблице 4.
Рисунок 1.13 – Развернутая диаграмма нагрузки на шатунную шейку

Рисунок 1.19 – Полярная диаграмма сил действующих на шатунную шейку

4.6 Силы, действующие на коренные шейки вала коленчатого

Результирующая сила, действующая на коренную шейку, определяется геометрическим сложением сил, равных, но противоположных по направлениям силам, передающимся от двух смежных колен:
Сила, действующая на колено вала по кривошипу:
K_рк=P_к+K_R, (1.94)
Результирующая сила, действующая на колено вала:
R_к=√(T^2+〖K_рк〗^2,) (1.95)
Суммарная сила, действующая на коренную шейку:
P_к1=P_к+K_Rш, (1.96)
Результаты расчета приведены в таблице 4.
Рисунок 1.15 – Развернутая диаграмма нагрузки на коренную шейку

Рисунок 1.16– Полярная диаграмма сил действующих на коренную шейку

5 Прочностной расчет деталей основных двигателя

Наиболее напряженным элементом поршневой группы является поршень, воспринимающий высокие газовые, инерционные и тепловые нагрузки. Его основными функциями является уплотнение внутрицилиндрового пространства и передача газовых сил давления с наименьшими потерями кривошипно-шатунному механизму.

Поршень представляет собой достаточно сложную деталь, как в отношении самой конструкции, так и в отношении технологии и подбора материала при его изготовлении.
Его рассчитывают на прочность без учета переменных нагрузок, которые возникают в цилиндре от давления в период работы двигателя. Учитывают только нагрузки от максимального давления газов (p_(z max) ) в цилиндре. Расчетными элементами являются: днище, стенки головки, верхняя кольцевая перемычка, опорная поверхность, юбка.
Высота верхней части поршня над поршневым пальцем определяется количеством, геометрическими размерами, расположением компрессионных и маслосъемных колец и прочностью перемычек между ними.

5.1 Расчет поршня

Основные данные для расчетов:
диаметр поршня: D=110 мм;
ход поршня: S=125 мм;
максимальное давление сгорания: P_z=11,286 МПа;
площадь поршня: F_п=0,0095 м^2;
масса поршневой группы: m_п=2,376 кг;
наибольшая удельная нормальная сила: N_max=0,083 МН;
Максимальная частота вращения на холостом ходу n_xxmax=200 〖мин〗^(-1) В соответствии с существующими аналогичными двигателями и с учетом соотношений принимаем:
высоту кольца: a=4;
высоту поршня: H=110 мм;
высоту юбки поршня: h_ю=77 мм;

радиальную толщину кольца: t=4,4 мм;
радиальный зазор в канавке по диаметру: ∆t=0,75 мм;
толщину стенки головки поршня: s=11 мм;
величину верхней кольцевой перемычки: h_п=4,4 мм;
число масляных каналов: n_m=8;
диаметр масляных каналов: d_m=2 мм;
материал поршня – алюминиевый сплав: α_п=22∙〖10〗^(-6) K^(-1);
материал гильзы цилиндра – серый чугун: α_ц=11∙〖10〗^(-6) K^(-1);
Напряжение сжатия в сечении х – х.

Заключение

В данной дипломной работе был спроектирован двигатель внутреннего сгорания разработкой системы питания. В ходе проектирования был проведен патентный обзор, а также произведен подбор аналогов. Произведенные в ходе проектирования тепловой, кинематический и динамический расчеты, позволили определить с основные размеры рабочих деталей двигателя, а также нагрузки, действующие в них. В технологическом разделе спроектирована технология обработки зубчатого колеса. В экономическом разделе подсчитана прибыль от реализации данного двигателя. В разделе БЖД рассматривался вопрос о безопасном ремонте дизельного двигателя.
Таким образом, проведенные расчеты позволили определить, что в данном двигателе:
- данная разработка позволит сократить расходы на топливе, что повысит экономические и экологические характеристики;
- производство шестерни будет массовым и составит 56000 шатунов в год, а основные операции по обработке займут не более 45 минут;
- свободная отпускная цена составляет 97629 рублей, что практически на 15000 рублей меньше цены его ближайшего аналога;

и продолжение....