Краткая техническая характеристика

Таблица 1 - Краткая техническая характеристика двигателя

№ п/п	Наименование показателя	Условные обозначения	Единицы измерения	Значения
	Тип двигателя	–	–
	Число и расположение цилиндров	i	–	Р4
	Номинальная мощность	Nе	кВт
	Номинальная частота вращения коленчатого вала		мин ˉ¹
	Максимальный крутящий момент	Мmax	Н×н
	Частота вращения коленчатого вала, соответствующая максимальному крутящему моменту		мин ˉ¹
	Ход поршня	S	мм
	Диаметр цилиндра	D	мм
	Литраж	Vл	дм ³
	Степень сжатия	ε	–

1.2 Общее устройство двигателя

Корпусные детали двигателя

Двигатель состоит из механизмов – кривошипно-шатунного и газораспределительного, а также систем - смазывания, охлаждения, топливоподачи (питания), вентиляции, впуска воздуха или рабочей смеси, выпуска отработавших газов, рециркуляции отработавших газов (СРОГ), электрического и электронного оборудования, включающего комплексную микропроцессорную систему управления двигателем (КМСУД).

Кривошипно-шатунный механизм

Двигатель состоит из механизмов – кривошипно-шатунного и газораспределительного, а также систем - смазывания, охлаждения, топливоподачи (питания), вентиляции картера, впуска воздуха или рабочей смеси, выпуска отработавших газов, рециркуляции отработавших газов (СРОГ), электрического и электронного оборудования, включающего комплексную микропроцессорную систему управления двигателем (КМСУД).

Блок цилиндров представляет собой монолитную отливку из серого чугуна, легированного небольшими количествами хрома, никеля, меди и олова. Отливку подвергают термической обработке, после которой она приобретает твердость НВ 170 ... 241, механические свойства, соответствующие чугуну СЧ24 по ГОСТ 1412-85, и микроструктуру, обеспечивающую цилиндрам высокую износостойкость. Необходимую жесткость блоку придают поперечные и продольные перегородки и оребрение стенок. Для этой же цели нижняя плоскость блока цилиндров расположена на 60 мм ниже оси коленчатого вала. Передняя и задняя стенки, вертикальные поперечные перегородки разделяют блок цилиндров на четыре отсека.

В передней стенке блока цилиндров имеется отверстие с подшипником, в котором вращается промежуточный вал, одним из назначений которого является приведение в движение масляного насоса. Вал привода насоса размещается в приливе с правой стороны блока цилиндров. Средняя часть промежуточного вала закрыта запрессованной в блок трубой, служащей защитным кожухом.

В блоке цилиндров располагаются: каналы системы смазывания, фланцы и бобышки для крепления масляного насоса, фильтра очистки масла, генератора, стартера, различных штуцеров и других деталей.

Головка цилиндров представляет собой механически обработанную сложную отливку из алюминиевого сплава АК9ч ГОСТ 1583-89. Она снабжена внутренними полостями для циркуляции охлаждающей жидкости, каналами для подачи бензовоздушной смеси и отвода отработавших газов. Фланец для крепления впускной трубы расположен с правой, а выпускного коллектора - с левой стороны головки.

В нижней части головки находятся камеры сгорания. В каждой из них расположены отверстия для двух впускных и двух выпускных клапанов. В гнездах этих отверстий запрессованы седла клапанов из жаропрочного чугуна. Фаски седел обрабатываются с высокой точностью под углом 45°±5', и с биением не более 0,05 мм относительно отверстия во втулке клапана. Направляющие втулки изготавливаются из легированного серого чугуна. Стержни клапанов имеют наклон к продольной вертикальной плоскости головки цилиндров: впускные - 17°, выпускные - 18°.

Отверстия под свечи зажигания находятся в центре камер сгорания.

Головка цилиндров крепится к блоку десятью болтами, под головки которых поставлены плоские стальные термоупрочненные шайбы.

В верхней части головки цилиндров расположены два ряда опор под шейки распределительных валов, управляющих впускными и выпускными клапанами; в каждом ряду по пять опор.

Крышки опор растачиваются в сборе с головкой, и поэтому при ремонте их надо устанавливать на свои места.

Объем камеры сгорания при поставленных на место клапанах и ввернутой свече зажигания составляет 57 ± 0,75 см³. Разница между объемами камер сгорания одной головки не более 1 см³. В верхней части головок находятся 16 приливов с наклонными отверстиями, которые служат направляющими для толкателей. В головке выполнена система каналов, служащих для подвода смазочного масла к трущимся деталям.

Головка крепится к блоку цилиндров через уплотняющую прокладку, изготовленную из композиционного материал ПА-2. Толщина прокладки 1,5 мм. У двигателей ЗМЗ-406 на передней крышке имеется прилив с механически обработанным фланцем, к которому крепится бензиновый насос.

Поршень двигателя находится под воздействием больших механических и тепловых нагрузок.

Поршень получают литьем из высококремнистого алюминиевого сплава АК12ММгН, обладающего повышенной прочностью и термостойкостью.

Юбка поршня имеет сложную форму: в поперечном сечении она имеет форму овала, большая ось которого находится в плоскости, перпендикулярной оси отверстий под поршневой палец. В продольном сечении профиль юбки имеет бочкообразную форму.

Поршни устанавливаются в цилиндры одинаковой размерной группы с зазором 0,024...0,048 мм. Для обеспечения требуемого зазора поршни и цилиндры блоков разделены (по диаметру) на пять групп, обозначенных соответствующей буквой (А, Б, В, Г, Д), которая выбивается на днище поршня и наносится краской на наружной поверхности в верхней части блока, с левой стороны.

Ниже канавок под поршневые кольца имеются две бобышки, в отверстия которых вставляется поршневой палец, ось которого смещена относительно поршня на 1,5 мм влево, если смотреть со стороны надписи "ПЕРЕД".

Чтобы поршни работали правильно, они должны быть установлены в цилиндры в строго определенном положении. Для этого на стенке у одной из бобышек под поршневой палец имеется отлитая надпись "ПЕРЕД". В соответствии с этой надписью поршень указанной стороной должен быть обращен к передней части двигателя.

Поршневой палецслужит для шарнирного соединения поршня с шатуном. Он представляет собой пустотелый цилиндр, изготовленный из стали 12ХН3А ГОСТ 10702-78. Наружная поверхность пальца подвергается углеродоазотированию на глубину 1...1,5 мм и закалке токами высокой частоты до твердости HRC 59...66. От продольных перемещений палец удерживается в поршне двумя стопорными кольцами из проволоки диаметром 1,5 мм. При работе палец может поворачиваться как в бобышках поршня, так и во втулке шатуна (палец плавающего типа). Наружный диаметр пальца 22 мм.

Компрессионные поршневые кольца имеют своим главным назначением уплотнение рабочего пространства цилиндра. Кольца изготавливают из специального чугуна. Поверхность верхнего кольца, прилегающая к цилиндру, имеет выпуклую (бочкообразную) форму. Ее покрывают хромом, наружную часть которого делают в процессе покрытия пористой. Второе кольцо с этой же целью покрывают оловом. На внутренней поверхности этого кольца имеется выточка. При установке в поршень выточка должна быть обращена к днищу поршня, в противном случае увеличивается расход масла и нагарообразование.

Маслосъемное кольцо состоит из трех деталей: двух стальных дисков и вставляемого между ними расширителя. Кольца, снимая излишек масла со стенок цилиндра, отводят его в отверстия, имеющиеся в канавке поршня, откуда по внутренней поверхности поршня масло стекает в масляный картер.

Шатун изготавливают из стали 45ХН ГОСТ 4543-71 и подвергают термообработке, обеспечивая твердость НВ 228...269. Шатун состоит из верхней (поршневой) головки, стержня двутаврового сечения и нижней (кривошипной) головки. В верхнюю головку запрессовывают втулку из бронзы Бр ОЦС 4-4-2,5 ГОСТ 15885-77, которая служит подшипником поршневого пальца. В стержне шатуна имеется продольное сверление диаметром 5 мм, через которое подается смазка к поршневому пальцу. Это сверление имеет продолжение: в верхней головке его диаметр 3,5 мм. Масло, выбрызгиваемое через него, попадает на внутреннюю поверхность днища поршня и охлаждает поршень. Нижняя головка разъемная.

Так как поршни подбираются к цилиндрам в соответствии с разбивкой на соответствующие размерные группы, то собранный комплект деталей поршень - палец - кольца - шатун маркируется номером того цилиндра, для которого он подобран, и при переборках должен устанавливаться на свое место. Номер цилиндра, куда должен устанавливаться этот комплект, маркируется на шатуне и на его крышке на их боковой поверхности.

Шатуны, как и поршни, проходят подгонку по массе. Для этого на верхней головке сверху, а на нижней снизу имёются выступы, с которых срезается излишек металла.

Шатунные вкладыши - биметаллические, т.е. состоящие из двух слоев металла: стальной основы, на которую нанесен антифрикционный сплав АМО-1-20, состоящий из 1% меди, 20% олова, остальное - алюминий.

Коленчатый вал изготовлен из высокопрочного чугуна марки ВЧ 60 ГОСТ 7293-85. Твердость отливки НВ 229...302. Повышение износостойкости шеек вала достигается закалкой токами высокой частоты на глубину 1,0...2,5 мм до твердости не менее HRC 51. Вал имеет пять коренных шеек и является таким образом полноопорным: каждый кривошип, на котором монтируется шатунно-поршневой комплект деталей, находится между двумя опорами. Вал снабжен восемью противовесами, разгружающими опоры от центробежных инерционных сил.

Маховик представляет собой массивную отливку из серого чугуна. Маховик, подвергается балансировке с точностью 15 г·см. Маховик фиксируется на посадочном выступе коленчатого вала и запрессованным во фланец вала штифтом.

В гнездо маховика, расположенное в его центре, устанавливается распорная втулка и подшипник первичного вала коробки передач.

Коренные вкладыши (подшипники) коленчатого вала аналогичны по конструкции и материалу шатунным вкладышам.

Верхний вкладыш имеет отверстие, через которое из масляного канала в блоке цилиндров поступает масло для смазки подшипника.

Газораспределительный механизм

Распределительные валы отлиты из серого чугуна СЧ 21 ГОСТ 1412-85. На двигатель устанавливаются два распределительных вала -отдельно для привода впускных и выпускных клапанов. Профили кулачков обоих распределительных валов одинаковые. Для достижения высокой износостойкости рабочая поверхность кулачков отбелена в процессе отливки распределительного вала. Твердость кулачков HRC 49 min. Каждый вал имеет пять опорных шеек.

От осевых перемещений каждый распределительный вал удерживается упорным стальным термоупрочненным или пластмассовым фланцем, представляющим собой полукольцо, который входит в выточку крышки передней опоры и в проточку на передней опорной шейке распределительного вала.

Привод распределительных валов - цепной, двухступенчатый. Первая ступень - от коленчатого вала на промежуточный вал, вторая ступень - от промежуточного вала на распределительные валы.

Приводная цепь первой ступени (нижняя) имеет 70 звеньев, второй ступени (верхняя) - 90 звеньев. Цепь втулочная, двухрядная с шагом 9,525 мм.

Распределительные валы вращаются в два раза медленнее коленчатого.

Гидронатяжитель предназначен для создания постоянного натяжения и гашения колебаний цепей привода распределительных валов. Он состоит из корпуса, и плунжера, подобранных на заводе-изготовителе с зазором 0,025...0,030 мм.

Гидронатяжитель устанавливается на двигатель в «заряженном» состоянии, когда плунжер удерживается в корпусе с помощью стопорного кольца.

Промежуточный вал предназначен для передачи движении распределительным валам через промежуточные звездочки, нижнюю и верхнюю цепи. Кроме того, он служи для привода масляного насоса.

Вал изготавливается из стали 20Х ГОСТ 4543-71. Наружная поверхность вала углеродоазотирована на глубину 0,2...0,7 мм и термообработана.

Впускной клапан изготовлен из стали 40Х9С2 ГОСТ 5632-72. Твердость материала HRC 32...42. Конец стержня подвергается закалке до твердости не менее HRC 51 на глубину 1,5...3 мм. Поверхность стержня для повышения износостойкости покрывается твердым хромом или подвергается карбонитрации. Наружный диаметр тарелки клапана равен 37 мм, угол фаски на тарелке равен 45º30´. На конце стержня имеются три канавки, в которые входят выступы двух сухарей, удерживающих на клапане тарелку пружины.

Выпускной клапан, работающий по сравнению со впускным клапаном в более тяжелых условиях из-за высокой тем температуры и агрессивного воздействия отработавших газов изготавливается из стали 55Х20Г9АН4 ГОСТ 5632-72. К стержню клапана приваривается наконечник из стали 40Х9С2 (или 40Х10С2М), обладающий большей твердостью по сравнению с остальной частью клапана. Для повышение надежности на рабочей фаске тарелки клапана сделана на плавка жаростойким хромоникелевым сплавом ЭП-616А ТУ 37.308.024-81, а стержень клапана покрывается твердым хромом или подвергается карбонитрации. Диаметр тарелки выпускного клапана равен 31,5 мм.

На каждый клапан устанавливается по две пружины: наружная с правой навивкой и внутренняя – с левой. Пружины изготовлены из термически обработанной высокопрочной стальной проволоки 70ХГФА и подвергнуты дробеструйной обработке.

Гидротолкательстальной, его корпус выполнен в виде цилиндрического стакана, внутри которого размещен компенсатор с обратным шариковым клапаном. На наружной поверхности корпуса выполнена канавка и отверстие для подвода масла внутрь толкателя из магистрали в головке цилиндров. Для повышения износостойкости наружной поверхность и торец корпуса толкателя нитроцементированы.

Гидротолкатели автоматически обеспечивают беззазорный контакт в цепочке кулачок - толкатель - клапан, компенсируя износы сопрягаемых деталей: кулачков, торцев корпуса гидротолкателя, корпуса компенсатора, клапана, фасок седел и тарелок клапанов.

2 Тепловой расчёт двигателя

2.1 Общие сведения

Тепловой расчет позволяет с достаточной степенью точности аналитическим путем определить основные параметры вновь проектируемого двигателя, а также проверить степень совершенства действительного цикла реально работающего двигателя.

Отношение действительного количества воздуха, участвующего в сгорании 1 кг топлива, к теоретически необходимому количеству воздуха называется коэффициентом избытка воздуха ( ).

Относительное изменение объема при сгорании характеризуется величиной химического коэффициента молекулярного изменения горючей смеси ( ), который представляет собой отношение количества молей продуктов сгорания к количеству молей горючей смеси.

Действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси ( ) представляет собой отношение общего количества молей газов в цилиндре после сгорания к числу молей до сгорания.

Коэффициент дозорядки ( ) характеризует дополнительное наполнение цилиндра после прохода поршня н.м.т.

Коэффициент остаточных газов ( ) характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания.

Коэффициент наполнения ( ) представляет собой отношение действите-льного количества свежего заряда, поступившего в цилиндр, к тому количеству, которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при условии, что температура и давление в нем равны температуре и давлению среды, из которой поступает свежий заряд.

Индикаторная мощность двигателя ( ) – работа, совершаемая газами внутри цилиндра в единицу времени.

Индикаторный КПД ( ) – характеризует степень использования в действительном цикле теплоты топлива для получения полезной работы и представляет собой отношение теплоты, эквивалентной индикаторной работе цикла, ко всему количеству теплоты, внесенной в цилиндр с топливом.

Среднее эффективное давление ( ) представляет собой отношение эффективной работы на валу двигателя к единице рабочего объема цилиндра.

Отношение среднего эффективного давления к индикаторному называется механическим КПД двигателя ( ).

Полезная работа, получаемая на валу двигателя в единицу времени, называется эффективной мощностью ( ).

Отношение количества теплоты, эквивалентной полезной работе на валу двигателя, к общему количеству теплоты, внесенной в двигатель с топливом, называется эффективным КПД ( ).

2.2 Выбор топлива

В соответствие с заданной степенью сжатия 9,2 можно использовать бензин марки АИ-95.

2.2.1 Средней элементарный состав и молекулярная масса бензина

С=0,855; Н=0,145 и m_T=115 кг/кмоль.

2.2.2 Низшая теплота сгорания топлива

, [1,c.55] (1)

где W – количество водяных паров в продуктах сгорания массовой или объемной единицы топлива.

2.3 Параметры рабочего тела

2.3.1 Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

, [1,c.48] (2)

где L₀ – теоретически необходимое количество воздуха в кмоль для сгорания 1 кг топлива, кг возд./кг топл

[1,c.48] (3)

где l₀ - теоретически необходимое количество воздуха в кг для сгорания 1 кг топлива, кг возд./кг топл.

2.3.2 Коэффициент избытка воздуха

Обеспечивает наиболее экономичный режим работы двигателя с меньшей токсичностью продуктов сгорания ,0

2.3.3 Количество горючей смеси

, [1,c.49] (4)

где L₀–теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кг возд./кг топл;

m_Т - молекулярная масса паров топлива, кг/кмоль;

- коэффициент избытка воздуха.

2.3.4 Количество отдельных компонентов продуктов сгорания при К=0,5 и принятых скоростных режимах. В продуктах сгорания находятся следующие компоненты:

СО – окись углерода

H₂O - вода

CO₂ – углекислый газ

N₂ - азот

H₂ – водород

а) Количество углекислого газа

[1,с.51] (5)