Проектирование бензинового двигателя 80 кВт для дипломной работы — структура, расчеты и примеры

Введение, где мы определяем цели и актуальность проекта

Современная автомобильная промышленность продолжает динамично развиваться, что подтверждается устойчивым ростом мирового парка легковых автомобилей. Несмотря на активное внедрение альтернативных силовых установок, двигатели внутреннего сгорания (ДВС) остаются основой транспортной системы, и их совершенствование не теряет своей актуальности. Разработка новых, более эффективных и экологичных моторов — ключевая задача для инженеров.

В этом контексте разработка современного бензинового двигателя мощностью 80 кВт представляет собой актуальную и комплексную инженерную задачу. Такой двигатель идеально подходит для широкого спектра легковых автомобилей, требуя от конструктора нахождения оптимального баланса между производительностью, топливной экономичностью и соответствием строгим экологическим нормам.

Таким образом, целью данной дипломной работы является проектирование четырехтактного бензинового двигателя мощностью 80 кВт. Для достижения этой цели необходимо решить следующие ключевые задачи:

• Провести аналитический обзор существующих двигателей-аналогов и выбрать обоснованный прототип.
• Выполнить полный термодинамический расчет рабочего цикла.
• Провести кинематический и динамический анализ кривошипно-шатунного механизма.
• Осуществить конструкторскую проработку и расчет на прочность основных узлов и деталей.
• Спроектировать вспомогательные системы двигателя.
• Оценить экологичность и экономическую целесообразность проекта.

Последовательное решение этих задач позволит создать проект, полностью отвечающий современным требованиям, предъявляемым к двигателям внутреннего сгорания.

Глава 1. Аналитический обзор, или Как выбрать правильный прототип

Проектирование сложного технического устройства, такого как двигатель, никогда не начинается «с чистого листа». Отправной точкой всегда служит анализ существующих конструкций, что позволяет использовать накопленный опыт и избежать ошибок. Выбор двигателя-прототипа — это фундаментальный этап, определяющий базовые характеристики и направление дальнейшей работы. Для проектируемого двигателя мощностью 80 кВт логично рассматривать аналоги с рабочим объемом в диапазоне 1.6-2.0 литров.

Сравнительный анализ проводится по ключевым техническим и эксплуатационным показателям. Необходимо оценить несколько существующих моделей двигателей, чтобы сделать обоснованный выбор. Основные критерии для сравнения включают:

• Технические характеристики: эффективная мощность, максимальный крутящий момент, рабочий объем, степень сжатия.
• Конструктивные особенности: материалы основных деталей (например, использование алюминиевых сплавов для блока цилиндров), тип системы впрыска топлива.
• Показатели эффективности: удельная мощность (кВт/л) и топливная экономичность.

Предположим, мы сравнили три двигателя-аналога. Результаты анализа удобно представить в табличной форме для наглядности.

Сравнительный анализ двигателей-аналогов

Параметр	Двигатель А	Двигатель Б	Двигатель В
Рабочий объем, л	1.6	1.8	2.0
Степень сжатия	10.5	11.0	10.0
Макс. крутящий момент, Нм	155	175	190
Материал блока	Алюминиевый сплав	Алюминиевый сплав	Чугун

На основе такого анализа можно сделать вывод. Например, Двигатель Б выбирается в качестве прототипа, поскольку он обладает наилучшим сочетанием высокой степени сжатия для экономичности, хорошим показателем крутящего момента и использует легкий алюминиевый сплав, что соответствует современным тенденциям двигателестроения.

Глава 2. Термодинамический расчет как сердце всего проекта

Тепловой, или термодинамический, расчет является теоретическим ядром всей дипломной работы. Именно на этом этапе определяются фундаментальные параметры, которые лягут в основу конструкции и будут характеризовать ее эффективность. Цель расчета — определить индикаторные и эффективные показатели двигателя, работающего по заданному циклу, для достижения целевой мощности в 80 кВт. Это обязательный и наиболее ответственный этап проектирования.

Процесс расчета включает в себя несколько ключевых шагов:

1. Определение параметров рабочего тела: Расчет состава и свойств топливовоздушной смеси и продуктов сгорания.
2. Расчет процесса впуска: Определение давления и температуры в конце такта впуска с учетом потерь.
3. Расчет процесса сжатия: Определение параметров рабочего тела в конце сжатия, перед зажиганием.
4. Расчет процесса сгорания: Моделирование процесса выделения теплоты и расчет максимального давления и температуры цикла. Это ключевой момент, влияющий на прочность будущих деталей.
5. Расчет процесса расширения: Определение параметров в конце рабочего хода.
6. Расчет процесса выпуска: Моделирование очистки цилиндра от отработавших газов.

По результатам этих вычислений строятся важнейшие графические зависимости. В первую очередь, это индикаторная диаграмма — график зависимости давления в цилиндре от объема. Она наглядно показывает работу, совершаемую газами за цикл. На основе этих данных и с учетом механических потерь рассчитываются эффективные показатели (мощность, крутящий момент, расход топлива) и строится внешняя скоростная характеристика двигателя. Именно она показывает, как будут меняться мощность и крутящий момент в зависимости от оборотов коленчатого вала, что является итоговым результатом термодинамического расчета.

Глава 3. Кинематика и динамика, или Как оживить механизм

Если термодинамический расчет определяет «энергетический потенциал» двигателя, то кинематический и динамический анализы связывают эту теорию с реальной механикой. В этой главе мы превращаем идеализированные процессы в движение конкретных деталей и анализируем силы, которые на них действуют. Основой здесь является расчет кривошипно-шатунного механизма (КШМ).

Первый этап — кинематический анализ. Его задача — определить траектории движения, скорости и ускорения ключевых точек механизма, в первую очередь поршня. Рассчитываются зависимости перемещения, скорости и ускорения поршня от угла поворота коленчатого вала. Эти данные критически важны для дальнейшего динамического анализа и проектирования системы газораспределения.

Второй и более сложный этап — динамический анализ. Здесь мы рассчитываем силы, действующие в КШМ на всех тактах рабочего цикла. Эти силы можно разделить на две основные группы:

• Силы давления газов: Определяются напрямую из результатов термодинамического расчета (индикаторной диаграммы).
• Силы инерции: Возникают из-за возвратно-поступательного движения поршневой группы и сложного движения шатуна. Их величина зависит от масс деталей и ускорений, рассчитанных на этапе кинематического анализа.

На основе этих сил производится расчет на прочность всех нагруженных деталей КШМ — поршня, поршневого пальца, шатуна и коленчатого вала. Без этого анализа невозможно создать надежную конструкцию.

Результатом сложения сил давления газов и сил инерции является суммарная сила, действующая на шатунную шейку коленвала. Она, в свою очередь, создает крутящий момент. Поскольку этот момент сильно пульсирует в течение цикла, проводится расчет маховика, который необходим для сглаживания этих пульсаций и обеспечения равномерного вращения коленчатого вала.

Глава 4. Конструкторская проработка ключевых узлов двигателя

Этот раздел является практическим воплощением всех предыдущих расчетов. Здесь теоретические силы, давления и температуры превращаются в чертежи и конкретные конструктивные решения. Задача — спроектировать основные детали двигателя так, чтобы они могли выдерживать расчетные нагрузки, обеспечивая надежность и долговечность. Проработка ведется последовательно для самых нагруженных узлов.

1. Поршневая группа. Проектирование поршня — одна из самых сложных задач. Необходимо рассчитать его на прочность под действием давления газов и инерционных сил. Не менее важен и тепловой расчет, так как поршень работает в условиях высоких температур. Материалом для поршней современных бензиновых двигателей, как правило, служат легкие и теплопроводные алюминиевые сплавы.
2. Шатунная группа. Шатун испытывает сложные знакопеременные нагрузки на растяжение-сжатие и изгиб. Проводится его расчет на прочность по нескольким критическим сечениям. В качестве материала для шатунов используются высокопрочные легированные стали.
3. Коленчатый вал. Это самая дорогая и ответственная деталь двигателя. На основе динамического анализа проводится его проверочный расчет на прочность, а также на жесткость (прогибы и кручение). Материалом служат высокопрочные стали или чугуны, а шейки вала подвергаются поверхностной закалке для повышения износостойкости.

Для каждого из этих узлов выбор материала является критически важным компромиссом между прочностью, весом, теплопроводностью и стоимостью. Именно поэтому в современном двигателестроении так широко применяются алюминиевые сплавы для корпусных деталей и головок блоков и высокопрочные стали для тяжелонагруженных элементов КШМ. Этот этап подтверждает, что спроектированная конструкция работоспособна «в металле».

Глава 5. Проектирование систем, обеспечивающих работу мотора

Двигатель — это не только поршни и коленвал. Его стабильная и эффективная работа невозможна без комплекса вспомогательных систем. В данной главе кратко, но емко рассматривается проектирование ключевых систем, обеспечивающих жизнедеятельность мотора.

• Система питания. Для достижения современного уровня мощности, экономичности и экологичности безальтернативным выбором является система с электронным управлением впрыском топлива. В проекте целесообразно использовать систему непосредственного впрыска, которая подает топливо прямо в камеру сгорания. Это позволяет точнее дозировать смесь и улучшает показатели двигателя во всех режимах работы.
• Система охлаждения. Ее задача — поддерживать оптимальный тепловой режим двигателя, отводя излишки тепла. Расчет системы охлаждения (выбор производительности насоса, площади радиатора) напрямую базируется на результатах теплового расчета, определившего количество теплоты, которое необходимо отвести.
• Система смазки. Обеспечивает подачу масла к трущимся поверхностям для снижения износа и дополнительного охлаждения деталей (например, днища поршня). Проектирование включает выбор схемы (чаще всего комбинированная) и основных ее элементов, таких как масляный насос и фильтр.

Координирующую роль во всей этой сложной системе играет электронный блок управления (ECU). Он в режиме реального времени обрабатывает данные с десятков датчиков и управляет работой системы впрыска, зажигания и других механизмов, обеспечивая оптимальный баланс всех характеристик двигателя.

Глава 6. Экологичность и безопасность как требования времени

Проектирование современного двигателя — это всегда поиск компромисса между мощностью, экономичностью и экологической безопасностью. Требования к чистоте выхлопных газов сегодня являются одним из главных факторов, определяющих конструкцию мотора. Данный проект должен соответствовать актуальным экологическим стандартам, таким как Евро 6.

Достижение норм Евро 6 невозможно без применения целого комплекса решений. В рамках разработанного проекта это обеспечивается за счет:

• Точного электронного управления. Современный ECU и система непосредственного впрыска позволяют создавать оптимальную топливовоздушную смесь и минимизировать образование вредных веществ непосредственно в цилиндре.
• Системы нейтрализации отработавших газов. Обязательным элементом является установка в выпускной системе трехкомпонентного каталитического нейтрализатора. Он химически преобразует оксиды азота (NOx), угарный газ (CO) и несгоревшие углеводороды (CH) в безвредные азот, углекислый газ и воду.

Помимо экологичности, кратко затрагиваются и вопросы пассивной безопасности конструкции. Это включает в себя, например, продуманное расположение двигателя и его креплений в моторном отсеке, чтобы при фронтальном столкновении он не смещался в салон автомобиля. Таким образом, проект доказывает свою состоятельность не только с технической, но и с социально-ответственной точки зрения.

Глава 7. Экономическое обоснование проекта

Любое инженерное решение, даже самое передовое, имеет смысл только в том случае, если оно экономически целесообразно. Эта глава дипломной работы призвана доказать, что спроектированный двигатель не только эффективен технически, но и оправдан с финансовой точки зрения. Расчет экономической эффективности является обязательной частью проекта.

Структура экономического обоснования включает несколько ключевых блоков. В первую очередь, это расчет себестоимости производства одного двигателя. Он складывается из следующих основных компонентов:

• Стоимость материалов: Расчет затрат на закупку всех необходимых материалов (высокопрочная сталь, алюминиевые сплавы, пластики и т.д.) на основе конструкторской документации.
• Затраты на производство: Включают стоимость механической обработки деталей, литья, а также амортизацию оборудования.
• Затраты на сборку и испытания: Учитывают трудовые затраты и стоимость стендовых испытаний готового изделия.

Кроме себестоимости, проводится краткий анализ эксплуатационных расходов, где спроектированный двигатель сравнивается с аналогами по показателям топливной экономичности и предполагаемой стоимости технического обслуживания. Итоговый вывод должен подтверждать, что предложенная конструкция, благодаря современным решениям, обладает конкурентоспособной себестоимостью и обеспечивает приемлемые затраты для конечного потребителя.

Заключение, где мы подводим итоги проделанной работы

В ходе выполнения дипломной работы была успешно решена поставленная комплексная задача: спроектирован современный бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Главная цель — создание конструкции, отвечающей заданным параметрам мощности и современным требованиям, — полностью достигнута.

В процессе работы были выполнены все необходимые этапы проектирования. Был проведен аналитический обзор и выбран прототип, на основе которого выполнены детальные термодинамический, кинематический и динамический расчеты. Эти расчеты легли в основу конструкторской проработки ключевых узлов, таких как поршневая группа, шатун и коленчатый вал, с расчетом их на прочность. Также были спроектированы основные обеспечивающие системы и интегрированы решения для соответствия экологическому стандарту Евро 6.

Итогом работы стал проект двигателя со следующими ключевыми характеристиками:

Эффективная мощность: 80 кВт
Топливная система: Непосредственный впрыск с электронным управлением
Экологический стандарт: Евро 6

Все задачи, сформулированные во введении, были полностью решены. Разработанный проект является технически состоятельным, экологически безопасным и экономически обоснованным. В качестве возможного направления для дальнейшего совершенствования конструкции можно рассмотреть внедрение системы умеренного гибрида (MHEV) для дальнейшего повышения топливной экономичности.

Список литературы

1. 1. Румянцев В.В. Конструкция и расчет двигателей внутреннего сгорания: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2004. – 277 с.
2. 2. Дьяченко Н.Х., Харитонов Б.А., Петров В.М. и др. Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания: Учебник для вузов под ред. Дьяченко Н.Х. – Л: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1979. – 392 с.
3. 3. Алексеев В.П., Иващенко Н.А., Ивин В.И. и др. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей: Учебник для студентов втузов, обучающихся по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» под ред. Орлина А.С., Круглова М.Г. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 288 с.
4. 4. Батурин С.А., Синицин В.А. Уравновешенность ДВС в примерах и задачах: Учебное пособие / Алт. политехн. ин-т им Ползунова И.И. / – Барнаул: Б., 1990. – 88 с.
5. 5. Исаков Ю.Н., Костин А.К., Ларионов В.В. Расчет рабочего цикла и газообмена в поршневых ДВС: Пособие по курсовому проектированию под ред. Дьяченко Н.Х.– Л.: Изд-во ЛПИ имени Калинина М.И., 1977. – 81 с.
6. 6. Дьяченко Н.Х. Теория двигателей внутреннего сгорания. Рабочие процессы. – Л.: Машиностроение, 1974. – 551 с.
7. 7. Организационно-экономическая часть дипломных проектов конструкторского профиля. — М.: МГТУ, 1991.
8. 8. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования. Официальное издание. — М.: 1994.
9. 9. Начисление амортизации (износа). — М.: «Приор», 1996.
10. 10. Методические указания по экономической оценке новой тракторной техники. Разделы 1, 2 и 3. — М.: НАТИ, 1982.
11. 11. Методика определения оптовых цена на новые тракторы и двигатели. — М.: ОНТИ-НАТИ, 1974.