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488Q天然气发动机—总体方案设计和计算

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A0-488Q天然气发动机总体最终版.exb
A2-气缸盖罩.exb
A3-供气系统示意图.exb
A3-包络线.exb
A3-排气歧管.exb
A3-排气管罩.exb
A3-进气歧管.exb
A4-488Q气缸套.exb
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天然气 发动机 总体 整体 方案设计 以及 计算
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XXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算毕业设计说明书学生姓名:XXXX学号:XXXXXXXXX学院:机电工程学院专业年级:XXXXX题目:488Q天然气发动机总体方案设计和计算指导教师:XXXXXXX评阅教师:XXXX年XX月XXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算摘要随着汽车动力的发展,能源问题已经迫在眉睫,而能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础,能源尤其是石油资源的匮乏、全球环境的恶化已成为当今世界社会发展的两大难题。因此,内燃机的替代燃料越来越受到重视。而在众多的的替代燃料中,天然气因其储量大,燃烧清洁,对内燃机改动小,是最有应用前景也是目前使用最多的气体代用燃料。天然气的热值和辛烷值均高于汽油,但又有可比性,因此天然气发动机的设计可参照汽油机的具体结构和参数,在其基础上進行改進,以适应天然气的理化性质,保证发动机能有良好的动力性、经济性和可靠性。本设计是以三菱4G15S汽油机为原型,通过改型设计488Q压缩天然气发动机。本设计说明书包含的内容有488Q天然气发动机总体方案的选型,热力计算、动力计算和部分零部件的强度计算等。关键词:天然气;4G15S汽油机;改型;488Q总体设计XXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算OverallProgramDesignandCalculationof488QNGEngineAbstract:Energyisanimportantmaterialbaseonwhichhumansurvivalanddevelopment,thelackofenergy,especiallyoilresourcesandthedeteriorationofglobalenvironmenthavebecometwobigproblemsinthewayofhumansocietysdevelopment.Thus,alternativeenergiesgainmoreandmoreattention.NaturalGasisthemostpotentialandwidelyusedalternativefuelofthemanychoices,foritslargescaleofreserves,clean-burningandlessmodificationtointernalcombustionengine.ThecalorificvalueandoctanenumberofNGarehigherthangasoline,buttheyarecomparable,whichallowsustodesignaNGengineconsultingthespecificstructureandparametersofgasolineenginetoadapttothephysicalandchemicalpropertiesofnaturalgas,makingsureitwillhavegoodpowerperformance,fueleconomyandgoodreliability.ThedesignisbasedonMitsubishi4G15Sgasolineenginewhichismodifiedinto488QCNGengine.Thedesignspecificationcontains488QCNGengineoverallschemeselection,thermodynamiccalculation,powercalculationandthestrengthcalculationofsomecomponents.Keywords:NaturalGas;4G15SGasolineEngine;Modification;488QCNGEngine;OverallDesignXXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算第4页目录1引言.61.1本毕业设计研究的目地和意义.62方案选择及总体设计.72.1488Q天然气发动机主要参数的确定.72.1.1行程缸径比值.72.1.2行程.82.1.3活塞平均速度.82.1.4气缸中心距及其与缸径的比值.92.1.5气缸套壁厚.102.1.6曲柄半径和连杆长度比.102.1.7燃烧室的选择.102.1.8发火次序.112.2488Q天然气发动机的总体布置.122.2.1发动机总体布置的一般要求如下.122.2.2总体布置如下.122.3本章小结.133488Q天然气发动机热力计算.133.1热计算.143.1.1燃料燃烧及成分确定.143.1.2燃气过程参数的确定与计算.153.1.3压缩终点参数的确定.163.1.4燃烧过程.173.1.5膨胀过程.183.2工作循环参数.193.2.1发动机指示指标.193.2.2发动机有效指标.193.3示功图的绘制.214运动学计算.234.1活塞位移.244.2活塞瞬时速度.245动力学计算.255.1曲轴连杆机构中的作用力.255.2机构惯性力.266强度计算.276.1曲轴强度计算.276.2连杆强度校核.276.3凸轮轴的强度计算.286.3.1弯曲应力的确定.287平衡计算.297.1平衡的基本概念.297.1.1平衡的定义.297.1.2内燃机振动的原因.297.1.3不平衡的危害.29XXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算第5页7.1.4研究平衡的目的和采用的方法.307.2旋转惯性力的分析.307.2.1静平衡和动平衡.307.2.2旋转惯性力平衡分析.317.3单列式内燃机往复惯性力的平衡分析.328进排气系统.338.1概述.338.2进气系统.338.3排气系统.369配气机构.379.1.概述.379.2配气机构的特性.379.3设计步骤.3810润滑系统的设计.3810.1发动机的工况及对冷却系统的要求.4210.2冷却系统的总体布置.4311供气系统的选择.45结论.47致谢.47参考文献.48XXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算第6页1引言随着汽车行业的发展,对于汽车能源的多样化同样是值得关注的,天然气成为了汽车能源的一种重要途径,天然气发动机是以天然气为燃料的一种气体内燃机,天然气的甲烷含量一般都在90%以上,是一种很好的汽车发动机燃料。天然气被世界公认为是最为现实和技术上比较成熟的车用汽油、柴油的代用燃料,天然气汽车已在世界和我国各省市得到了推广应用。用天然气代替常规的汽车燃料具有很多优点。最大的好处在于环保方面,不仅排放性能和压力优异,而且也会降低汽车发动机的噪音;同时天然气汽车只需要在原发动机上加装天然气供给系统,改装方便、成本也会大大降低;相对而言,天然气汽车安全性能也高。天然气是一种高燃点的气体,在通常的温度和压力下比汽油或柴油更加安全,并且天然气本身无毒,无腐蚀性和非致癌的,即使有泄漏也不会造成极大的威胁。据统计我国天然气总资源量为54亿立方米,可采资源总量相当丰富。天然气总量列世界第五、亚洲第一位,因此在我国开发天然气发动机的前景非常好。就目前我国天然气发动机发展上看,大多数是在原汽油发动机的基础上添加天然气供气系统,开发成汽油-天然气双用发动机天然气替代率低,同事机械式控制不精确的自身缺陷,实际发动机排放性改善并不大。鉴于这种情况我们以4G15S发动机为参考设计出一台用于经济型轿车的天然气发动机。本次天然气发动机的设计,是站在已有发动机的基础上自主研发的尝试,通过运用合理的结构知识设计一台自主开发的天然气发动机,同时使发动机得到优化,增强发动机的传递能量的能力,使发动机增强其动力性,从而使整车具有更好的动力性和经济性。1.1本毕业设计研究的目地和意义毕业设计是对学生在毕业前的一次全面训练,以三菱4G15S汽油机为原型,通过改型设计488Q天然气发动机。通过本设计,熟悉内燃机设计中项目计划、XXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算第7页工作进度安排、查阅相关资料、方案对比和最终方案确定、设计计算、图纸表达和撰写设计报告、设计答辩等过程,巩固和提高机械设计、内燃机知识、材料知识、工艺知识、计算机绘图和答辩演讲的能力,初步获得运用所学的基础知识和专业知识解决工程实际问题的能力,达到综合锻炼的目地。由于设计项目总体复杂,有难度,需要小组多成员的共同协作配合,通过毕业设计可以培养团队协作精神。1.2本课题研究的任务和要求(1)要求设计的488Q天然气发动机,具有特征:直列4缸,缸径88mm,自然吸气,压缩比12.5,双顶置凸轮轴摇臂驱动气门,16气门,多点喷射,铝合金机体,干式气缸套,用于经济型轿车配套。(2)充分考虑我国压缩天然气燃料的燃烧特点,动力性能,工作特性和对材质的要求,设计出具有优良动力性和经济性的实用机型,并减轻整机重量。(3)488Q天然气发动机总体方案设计和计算(热力计算、动力计算、强度计算)及各部分结构总体设计,并协调各部分结构的具体设计。2方案选择及总体设计内燃机总体设计和方案选择是设计工作的第一阶段,在产品总体设计中要选择和确定内燃机的主要设计参数,在进行热计算和外特性计算及主要零部件设计前,首先要选择零部件的类型、布局方式。如:气缸的布局方式、燃烧室的选择、缸心距的确定、压缩比的选取、活塞行程比的选取、曲柄连杆比的选取等。2.1488Q天然气发动机主要参数的确定课题任务要求中已给定部分参数,现确定未定参数。XXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算第8页2.1.1行程缸径比值行程S及其缸径D的比值S/D是对发动机结构和性能有多方面影响的参数。合理地选择S/D应考虑以下因素:(1)S/D对升功率PL的影响当m不变时,S/D减小意味着上升,因而与成正比的PL跟着增大,使vnn内燃机更加紧凑轻巧。(2)S/D对燃烧室形状的影响S/D小的短行程内燃机气缸余隙比较扁平,对压缩比高的发动机尤其如此,使燃烧室有效容积比减小,燃烧过程较难组织。对汽油机来说,短行程机的燃烧室也显得不紧凑,燃烧较慢,且HC排放较高。(3)S/D对散热的影响在其他相同的条件下,S/D下降使D增大,使得传到冷却水套的热量减少,活塞组零件的温度上升。(4)S/D对外形尺寸的影响单列式内燃机的总长度主要取决于和D,所以S/D小的短行程内燃机总长i度较大。虽然它高度较小,但这一优点不太明显。因而,单列式内燃机应该用较大的S/D。对双列式内燃机来说,总长度一般取决于曲轴的轴向尺寸,气缸布置比较宽松,所以用短行程结构可以减小内燃机的高度和宽度而不牺牲总长度,获得总体上更好的紧凑性。习惯上称S/D=1的内燃机为方形内燃机,S/D1者为长行程机。目前,车用汽油机S/D=0.91.2,高速柴油机的S/D=1.01.3.V型和其他双列式内燃机的S/D值一般要比直列式略小些,风冷机的S/D一般要比液冷式的略大些。本天然气发动机取S/D=1.01。2.1.2行程课题要求缸径D=88mm,已取定S/D=1.01,则行程S=89mm。由此可确定本机工作容积=540,排量为2160。sVmllXXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算第9页2.1.3活塞平均速度活塞平均速度表征汽油机高速性和强化程度的一项主要指标,对汽油机mv总体设计和主要零件结构形式影响很大。在功率给定以后,若平均有效压力、活塞行程和缸数维持不变,提高活塞平均速度可使气缸直径减小,汽油机体积小、质量轻。在活塞行程确定后,活塞平均温度可由公式=Sn/30求得。本mvmv设计取额定转速n=4000rpm,可得本设计活塞平均速度为=11.9m/s。但的增加受到下列因素的限制:mv1)提高活塞平均速度,摩擦损失增加,机械效率下降,活塞组的热负荷m增加,机油温度升高,机油承载能力下降,发动机寿命降低。2)惯性力增加,导致机械负荷和机械振动加剧、机械效率降低、寿命降低。3)进排气流速增加,导致进气阻力增加、充气效率下降。v4)随着活塞平均速度的提高,汽油机的平衡、振动和噪声等问题突出。一般汽油机总噪声强度约与转速的三次方成正比。一般情况下,值为:mv汽油机17m/s,摩托车发动机更高一些,可以达到20m/s。柴油机13m/s。mv2.1.4气缸中心距及其与缸径的比值气缸中心距其与缸径的比值,是表征汽油机长度的紧凑性和重量指标的重要参数,它与汽油机的强化程度、气缸排列和机体的刚度有关。选择气缸中心距是应考虑以下因素:1)确定气缸中心距的大小。首先考虑曲轴的曲柄臂的厚度和主轴颈、曲柄销的长度,是主轴承和连连杆轴承有足够的承压面积,并保证曲轴有良好的强度和刚度。hL210XXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算第10页式中:为气缸中心距,mm;为主轴承长度,mm;为曲柄销长度,0L1L2Lmm;为曲柄臂厚度,mm。h2)气缸套型式和水套的布置。3)气缸盖布置。气缸盖的布置。气缸中心距与气缸盖固定螺栓、进排气道和冷却水道的布置密切相关,并将直接影响汽油机的性能、可靠性和寿命,对缸径较小的多缸汽油机可采用整体式气缸盖以缩小气缸中心距。从增强机体刚度着眼,高速发动机缸心距有缩小的趋势。目前汽油机的值:直列式的在DL/01.101.25之间;V型的在1.151.30之间,本天然气发动机为直列4缸机,干式气缸套,取=1.113。DL/02.1.5气缸套壁厚干式气缸套的厚度一般为13mm,本机选取缸套壁厚=1mm。2.1.6曲柄半径和连杆长度比曲柄半径和连杆长度比,即,曲柄半径由可得,是一项lR/2/SR确定连杆长度的重要参数,行程S确定以后,选择主要考虑以下因素:1)选择较大的值,使连杆短、重量轻,往复和离心重量小,有利于汽油机高速化,并可降低直列式汽油机的高度,减轻汽油机重量。2)较大的值,虽缩短了连杆长度,但增加连杆摆角和活塞侧压力,对缸套磨损不利。3)在选择连杆长度是,要保证在下止点时不与曲轴平衡块碰,活塞在上止点时曲柄不与缸套相碰。现代内燃机的值一般在0.250.33之间。小型高速化汽油机值较高,一般在0.270.31之间,本机为天然气发动机,参考汽油机,选值为0.30。2.1.7燃烧室的选择燃烧室设计直接影响到发动机的充量系数,火焰传播速率及放热率,传热损失及爆燃,从而影响发动机的性能。XXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算第11页对燃烧室有两点基本要求:一是结构尽可能紧凑,表面积要小,以减少热量损失及缩短火焰行程;其次是使混合气在压缩终了时具有一定的气流运动,提高混合气燃烧速度,保证混合气得到及时和充分的燃烧。汽油机常用燃烧室形状有以下几种:1)楔形燃烧室,其结构简单、紧凑,在压缩终了是能形成挤气涡流;存在较大的激冷面积,对HC排放不利。2)浴盆形燃烧室,其结构较简单,但不够紧凑。3)半球形燃烧室,其结构较前两种更紧凑,但因进、排气门分别置于缸盖两侧,故使配气机构较复杂。由于其散热面积小,有利于促进燃料的完全燃烧和减少排气中的有害气体,故现代发动机上用得较多。4)碗形燃烧室,碗形燃烧室是布置在活塞中的一个回转体,采用平底气缸盖,工艺性好,但燃烧室在活塞顶内使活塞的高度和质量增加,同时活塞的散热也较差。5)蓬形燃烧室,其性能与半球形相似,组织缸内气流进行挤气运动要比半球形容易,燃烧室也可全部加工。是近年来在在高性能多气门轿车发动机上广泛应用的燃烧室。本天然气发动机参考汽油机,设计额定转速为4000rpm,因转速较高,选用蓬型燃烧室。2.1.8发火次序发动机的发火顺序与汽油机的运作的均匀性、主轴承和连杆轴承的负荷、轴系的扭振性能密切的关系。随着气缸书目的增加,发动机的发火次序可有更多的方案。选择发火次序时,主要考虑以下因素:1)平衡性能和曲柄排列发火次序和曲柄排列的关系密切,一定的发火次序具有相应的曲柄排列,曲柄排列确定后,就决定了发动机的平衡情况。2)扭转振动能在不同的共振转速,扭振振幅的相对值决定于各临界转速下各缸输入能量的相对矢量和的大小,并和扭振型式有关。3)轴承负荷XXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算第12页为减少轴承负荷,相邻两曲柄间的夹角应尽可能大些,相邻气缸间发火间隔角也尽可能大些。总之在选择发火次序的时候,首先考虑发动机的平衡和轴系的扭转振动。一般情况下,先按发动机的平衡性能,选择曲柄的排列型式,然后按扭振性能、轴承负荷和排气管布置来确定发火次序。本机为直列4缸发动机,设计选取的发火次序为:1-3-4-2表2-1方案选择结果技术参数选择结果技术参数选择结果气缸数4气缸布置型式直列i活塞直径D/mm88行程缸径比1.01DS/活塞行程S/mm89冲程数4额定转速rpm4000活塞最大平均速度11.91/smv气缸中心距/mm98中心距缸径比1.113L0压缩比12.5连杆长度149l/连杆比0.3发火次序1-3-4-2气缸套壁厚1m/2.2488Q天然气发动机的总体布置2.2.1发动机总体布置的一般要求如下(1)布置紧凑,外形尺寸小,外观整齐,外接管路尽量少。(2)经常需要保养得零部件,如机油、燃油、空气的滤清器,以及常用的机油加油口、放水阀和机油油尺等。对经常检查调整的气门间隙和喷油提前角等有关零部件应考虑到调整和拆装方便。XXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算第13页(3)应满足用户对汽油机配套所提出的各项合理要求。多种用途发动机的总体布置,首先应满足主要用途的配套要求,还要考虑到变型机型的有关问题。(4)具有良好的加工和装配工艺性。(5)汽油机起吊、存放和安装方便。(6)总体布置要认真贯彻执行产品系列化、零部件通用化和零件标准化。2.2.2总体布置如下(1)凸轮轴的布置。本设计要求使用双顶置凸轮轴,配气结构质量小,适用于高速发动机。(2)齿形带传动的布置。因同步齿形带传动效率高,节能效果好,传动比范围大,结构紧凑,维护保养方便,运转费用低,恶劣环境条件下能正常工作等优点,本设计选用齿形带传动。(3)机油泵的布置。机油泵的布置与其传动方法、机油管路布置以及发动机的用途有关。本设计中机油泵总成布置在主轴承端盖上,由曲轴直接驱动,机油泵安装位置较低,发动机启动后,瞬时既能吸上机油。(4)水泵的布置。本设计采用离心式水泵,布置在机体外侧上部,由多楔带驱动。2.3本章小结本章通过对488Q天然气发动机机重要参数的选择和总体布置两方面进行确定,并对确定原因做出了必要的说明,得出了具体参数(主要是尺寸参数)和发动机总体布置方式。488Q天然气发动机方案为:直列4缸,四冲程水冷,干式气缸套,设计行程缸径比为S/D=1.01,活塞最大平均速度=11.9m/s,压缩比为=12.5,气缸mv中心距=98mm,曲柄连杆比为=0.3,为蓬形燃烧室,发火次序为1-3-4-2。0LXXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算第14页3488Q天然气发动机热力计算内燃机的主要参数是通过对其进行热计算而得到的,因此,在设计发动机时,首先要选取一些基本参数并对其进行热计算,在计算中要引进一些基本原则作为选取原始参数的依据,无论是发动机的热计算,还是发动机的后续计算都可以采用这些参数。该方法是一种近似的、半经验的估计方法,它是根据热力计算公式,对内燃机各热力参数、指示参数进行计算,其计算结果的精确性依赖于大量经验数据的选择是否恰当,它对内燃机的设计有一定的指导意义。本章节将从以下几个方面来进行计算分析:燃料、工质参数、周围介质参数和残余废气、进气过程、压缩过程、燃烧过程、膨胀过程、工作循环指示参数、发动机有效指标、汽油机示功图的绘制等方面。3.1热计算3.1.1燃料燃烧及成分确定(1)工质参数天然气的主要成分为CH4,各组成元素的质量比分别为0.750126c12OhCg0.254H0126c12OOh查阅相关资料,得:压缩天然气的化学计量空燃比:=16.40l压缩天然气低热值:=50000kJ/kguH理论空气质量kmol/kg56.029410lL2)过量空气系数:a过量空气系数是反映混合器形成、燃烧完善程度及整机性能的一个指标。天然气发动机大部分采用稀薄燃烧技术,与当量燃烧相比发动机缸内燃烧XXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算第15页温度较低,可以减小热损失和热负荷,提高热效率、改善燃烧经济性,同时可以较少NOx排放。综合排放性和经济性考虑,取过量空气系数a13)残余废气系数r02930.160.364593.rrraTP4)新鲜空气量1M10*.60./aLkmolg5)理论上完全燃烧时的燃烧产物量2M20.792.36/1chagLkl6)理论分子变化系数的计算201.63/.51.7M7)实际分子变化系数的计算0/.3.640.3641rr3.1.2燃气过程参数的确定与计算1)进气终点压力和温度的确定apaT为得到良好的发动机充气,在标定速度工况上,在标定速度工况上,对于四冲程汽油机,新鲜充量的预热温度T的数值如下:(020)。本机参考汽油机,这里取T=20。进气的充气密度6310/().28795/sgsPRTkm式中:进气充气密度,kg/;为气体常数,=287J/kg.K。sggR进气量M=1.205*2.160=2.6028kgsVXXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算第16页进气压力损失aP由于进气系统阻力和气缸中充量运动速度的衰减所引起的压力损失,aP采用某些假设后可以有伯努利方程求得:=aP2/10)(622sB=5.70.=0.00797MPa现代汽车汽油机在额定工况下:=2.54.0及)(2B=50130m/s,对于进气系统加工过的内表面,本天然气发动机参考汽油机,B可以取=2.7和=70m/s。这是根据发动机速度工况和考虑到)(2BB在增压和非增压汽油机的进气系数不大的流体阻力来选取的。进气终了压力:=aPsa=0.1013-0.00797=0.0933MPa式中:为进气终了时压力,单位为MPa;为进气压力损失,单位是aaPMPa。进气终点温度:0/1293.64950.3645aTTK2)排气终点压力和温度的确定p四冲程汽油机,01.5.pT1该机型参考汽油机,排气终点压力,温度取0.5.6PMPaT1100K。3)充气效率的计算vXXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算第17页a5.(1)()2.509312.(0.364)084svrPT3.1.3压缩终点参数的确定平均多变压缩指数主要受工质与汽缸壁间热交换及工质泄露情况的影响。1n凡是使缸壁传热量及气缸工质泄漏量减少的因素均能使提高。当内燃机转速1n提高时,热交换时间缩短、向缸壁传热量及气缸工质泄漏量减少时,则增大;1n当负荷增加、采用空冷、采用大缸径时,气缸温度升高、相对传热损失减小,则增大。此外提高和进气终点温度,则减小。1n1n一般发动机=1.0-1.4,该机型平均多变指数取1.2。1n1n平均平均多变指数。2.1k(2)压缩终了压力和温度压缩终了压力aaMPnpP93.15.2093.1c式中:为压缩终了压力,单位为MPa。c压缩终了温度811K12.135nTac式中:为压缩终了温度,K。3.1.4燃烧过程(1)天然气发动机理论混合气分子变更系数073.159.063120MXXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算第18页(2)天然气发动机实际混合气分子变更系数07.10364.17.10(3)天然气发动机工作混合气燃烧的热量kJ/kmol81356)064.1(593.0)1(MHucmpa式中:为汽油机燃料低热值,=50000kJ/kg。uu(4)燃烧过程终了温度参考汽油机TZ=22002800K,根据经验,本设计取Tz=2700K(5)汽油机最高燃烧压力汽油机的压力升高比一般在3.24.2之间。考虑到本发动机设计压缩比为12.5,取=3.2。a176.93.2MPPCz式中:为最高燃烧压力,MPa。zp(6)天然气发送机预胀比891.0810.427czT式中:为发动机机预胀比。3.1.5膨胀过程发动机过后膨胀比:029.1489.052在标定工况下,考虑到足够大的气缸尺寸可以取膨胀多变指数稍小于膨胀绝热指数。查相关文献得:,取,26.1k25.1n得到汽油机膨胀终了压力和温度:XXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算第19页a27.0029.14765.12MPPnZb式中:为膨胀终了压力,MPa。b发动机膨胀终了温度:KTnzb139502.1475.2式中:为膨胀终了温度,K。b取发动机剩余气体温度校核:KpTrb156.02713953计算两者误差为:%3.110)5(根据资料知道,允许误差为,所以,误差在允许范围内。3.2工作循环参数3.2.1发动机指示指标(1)理论平均指示压力)1()1(122nncminP)5.12(35.)5.(15.04.193112MPa78式中:为理论平均指示压力,MPa。mi(2)平均指示压力XXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算第20页为示功图丰满系数,对于柴油机,其值一般为0.920.98,本设计参考n上述范围取丰满系数,则:95.0nMPaPminmi93.078(3)指示热效率29.85.02.15046930csuaiitHl式中:为汽油机指示热效率;为平均指示压力,MPa;为过量空气itmiPa系数;为化学计量空燃比。0l(4)指示燃油消耗率)/(3.2489.05163.6hkWgHbitui3.2.2发动机有效指标(1)平均有效压力mep机械效率是评定内燃机指示功率转换为有效功率的程度。一般四冲程车m用发动机,该机型机械效率取0.82。90.8.m平均有效压力:amiMPP763.082.93pe(2)有效热效率e7.082.9emit(3)有效燃油消耗率eb)(7.203)8.5/(16.3)/(106.hkwHbeue(4)有效功率KWniVPsme.543.07.(5)转矩XXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算第21页NmnPTetq3.140595汽车、拖拉机、工程机械和农用动力用内燃机等除对功率和转速有要求外,还要求具有一定的转矩储备,以克服短时间的外界阻力。城市用客载汽车更强调低速转矩特性和低速区燃油经济性,因为在城市交通环境中有50%以上的时间运行在低速工况区。表征转矩储备的参数为转矩储备系数,又称为转矩适应性系数,表示最大转矩与标定转速下转矩的比值,即1maxtqT标定工况转速和最大转矩转速之比称为转速适应性系数,即1maxtqn汽车汽油机,本设计取,则25.1m25.=1.25131.3=164.1NmmaxtqT汽车汽油机,本设计取,则.n.1nrpmtq2675/max(6)耗油量hkgbPBq/1.0.(7)升功率LWiVsL/46.250表3-1488Q天然气发动机参数_技术参数参数值技术参数参数值气缸直径D/mm88额定功率Pe/kW55.0活塞行程S/mm89平均有效压力Pm/MPa0.763行程缸径比1.01压缩比12.5DS/排量V/mL2160额定转速n/rpm4000气缸中心距/mm98最大转矩Me/Nm164.1XXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算第22页中心距缸径比1.113最大转矩转速n/rpm2667DL/0缸套壁厚/mm1活塞平均速度11.91/smv曲柄半径R/mm44.5升功率25.46LkWP连杆长度l/mm149耗油量11.111/hgB燃烧室形状蓬型3.3示功图的绘制内燃机的示功图可以利用工作过程的数据来计算。选取活塞行程比例尺;选取压力的比例尺。1sM1.0pM示功图上相当于气缸工作容积的长度为:m89S示功图上相当于燃烧室容积的长度为:mMS74.15.289)1(压缩和膨胀多变曲线可以用分析法来制取,对布置在燃烧室容积和总容cV积之间的中间容积各点的参数按多变曲线方程常数进行。aV1nPV(1)示功图最大高度(点和Z)和按纵坐标轴线Z点的位置mMPpz24.901.式中:为示功图压力比例尺;其余符号如前所述。(2)压缩多变曲线各点计算公式式中:为压缩多变曲线各点压力,MPa;为压缩多变曲线各点容积,xPxV;在112.5之间变化。3mxaV/1)/(nxaxVXXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算第23页(3)膨胀多变曲线各点计算公式2)/(nxbxVP式中:为压缩多变曲线各点压力,MPa;为压缩多变曲线各点容积,xx;在112.5之间变化。3mxbV/在用分析法绘制示功图时,可以采用列表的方法确定压缩和膨胀多变曲线上各计算点的纵坐标。示功图的绘制如图3-1所示:XXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算第24页图3-1488Q天然气发动机示功图4运动学计算基本参数:1.缸径D88mm2.冲程S2r=89mm3.曲轴半径r=S/2=44.5mm4.连杆长L149mm5.连杆比0.36.活塞面积Fh=20.54m2D41107.转速n=4000r/min4.1活塞位移根据活塞的运动规律,计算出活塞的位置随曲轴转角的变化规律:其中为曲柄半径和连杆长度的比,取=0.3CososrX141*XXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算第25页为曲轴半径,r=44.5mmr经过计算后的数据和得图表,X位移-1001020304050607080901000100200300400500600700800转角位移位移图4-1活塞位移4.2活塞瞬时速度根据活塞的位移规律2VrSini对曲轴转角求倒得到活塞的瞬时速度V随曲轴转角的变化规律:经过计算后的数据和得图表。活塞速度-40-30-20-100102030400100200300400500600700800转角活塞瞬时速度活塞速度图4-2活塞速度根据活塞的瞬时速度规律,对曲轴转角求倒得到活塞的加速度V随曲轴XXXXXXXXX488Q天然气发动机总体方案设计和计算第26页转角的变化规律:22Cosrj加速度-15000-10000-500005000100001500020000250000100200300400500600700800转角加速度加速度图4-3活塞加速度5动XX设计(XX)开题报告学生姓名:XXXXX学号:XXXXXX学院:机电工程学院专业:XXXXX设计(论文)题目:488Q天然气发动机-总体方案设计和计算指导教师:XXXXXXX年X月XX日1结合毕业设计(论文)课题情况,根据所查阅的文献资料,每人撰写1500字左右的文献综述(包括研究进展,选题依据、目的、意义)文献综述一、天然气发动机特点天然气汽车是以油改天然气为燃料的一种气体燃料汽车。天然气甲烷含量一般在90%以上,是一种很好的汽车发动机燃料。车用压缩天然气的压力一般在20MPa左右。可将天然气,经过脱水、脱硫净化处理后,经多级加压制得。其使用时的状态为气体。1、燃烧稳定,不会产生爆震,并且冷热起动方便。2、压缩天然气储运,减压,燃烧都在严格的密封状态下进行,不易发生泄露。另外其储气瓶经过各种特殊的破坏性试验,安全可靠。3、压缩天然气燃烧安全,积碳少,减少气阻和爆震,有利于延长发动机各部件的使用寿命,减少维修保养次数,大幅度降低维修保养成本。4、可减少发动机的机油消耗量。5、使用压缩天然气与汽油相比,可大幅度降低,一氧化碳,二氧化硫,二氧化碳等的排放。并且没有苯,铅等致癌和有毒物质危害人体健康。2、天然气发动机业内评价1、天然气汽车是清洁燃料汽车.天然气汽车的排放污染大大低于以汽油为燃料的汽车,尾气中不含硫化物和铅,一氧化碳降低80%,碳氢化合物降低60%,氮氧化合物降低70%.因此,许多国家已将发展天然气汽车作为一种减轻大气污染的重要手段.2、天然气汽车有显著的经济效益.可降低汽车营运成本,天然气的价格比汽油和柴油低得多,燃料费用一般节省50%左右,使营运成本大幅降低.由于油气差价的存在,改车费用可在一年之内收回.可节省维修费用.发动机使用天然气做燃料,运行平稳、噪音低、不积炭,能延长发动机使用寿命,不需经常更换机油和火花塞,可节约50%以上的维修费用.3、比汽油汽车更安全首先与汽油相比,压缩天然气本身就是比较安全的燃料.这表现在:燃点高.天然气燃点在650.c以上,比汽油燃点(427.c)高出223.c,所以与汽油相比不易点燃.密度低.与空气的相对密度为0.48,泄漏气体很快在空气中散发,很难形成遇火燃烧的浓度.辛烷值高.可达130,比目前最好的96号汽车辛烷值高得多,抗爆性能好.爆炸极限窄.仅515%,在自然环境下,形成这一条件十分困难.释放过程是一个吸热过程.当压缩天然气从容器或管路中泄出时,泄孔周围会迅速形成一个低温区,使天然气燃烧困难.其次,压缩天然气汽车所用的配件比汽油车要求更高.表现在:国家颁布有严格的天然气汽车技术标准.从加气站设计、储气瓶生产、改车部件制造到安装调试等,每个环节都形成了严格的技术标准.设计上考虑了严密的安全保障措施.对高压系统使用的零部件,安全系数均选用1.5-4以上,在减压调节器、储气瓶上安装有安全阀,控制系统中,安装有紧急断气装置.储气瓶出厂前要进行特殊检验.气瓶经常规检验后,还需充气作火烧、爆炸、坠落、枪击等试验,合格后,方能出厂使用.中外发展天然气60年来,从未出现过因天然气爆炸、燃烧而导致车毁人亡的事实证明,压缩天然气汽车是十分安全可靠的.4、CNG汽车的动力性略有降低.燃用天然气时,动力性略下降515%.5、改装一次性投资较大,改装一辆CNG汽车大约需4000-6000元,随着日后技术的不断进步,费用会继续降低。三、国内外研究现状1.目前国内外大多厂家的天然气发动机都是由柴油机改装,天然气与柴油相比其燃烧特性区别很大,相应关键部件必须重新设计1,主要有:1)气缸盖部件设计,加强火花塞周围的冷却效果,改进气道涡流,减少火花塞周围的涡流2,使缸内混合气体更容易点燃;气门和座圈的锥面结构改进和选用新型材料,减小由于排温高和天然气无润滑性等因素造成的气门和座圈磨损。2)凸轮轴设计,减小气门重叠角,保证较高的充气效率、减少扫气带来的燃料损失及HC排放、降低排气温度。3)活塞设计,实现更快和更充分的燃烧、缩短火焰传播距离以降低爆震倾向。以上部件优劣是影响天然气发动机性能的重要因素。2.目前天然气发动机大部分采用稀薄燃烧技术,与当量燃烧相比发动机缸内燃烧温度较低,因此,可以减小热损失和热负荷,提高了热效率、改善了燃料经济性,同时可以减少NOx排放。天然气动机的燃烧、排放及燃料消耗率随过量空气系数的变化情况,如图1所示,综合排放性和经济性考虑,当过量空气系数1.5左右时最佳,所以稀薄燃烧技术是天然气发动机的最佳选择3。3.目前天然气发动机普遍采用单点喷射稀薄燃烧技术,优点是空气和燃料预混合充分均匀,失火和爆能得到很好控制,但是发动机的响应速度略显迟缓;而采用多点喷射技术面临很多问题,因为目前中等功率以上天然气发动机均由柴油机改制而成,原机各缸进气量的差异约10%15%,加之喷射阀燃气供给量差异约5%10%,这样各缸的空燃比总体差异约15%25%。而稀薄燃烧一般失火极限控制在5%10%之间,同时还受到燃气气质和环境等因数的影响,多点喷射很可能造成发动机的失火和爆震等非正常燃烧。在多点喷射控制技术不成熟之前,预混合单点精确喷射控制在目前市场占主导地位。4.当量燃烧天然气发动机需要点火能量是汽油机的3倍左右,而稀薄燃烧天然气发动机需要的点火能量是当量燃烧的1.5倍左右,那么稀薄燃烧天然气发动机是汽油机的4.5倍左右,可见天然气燃料火性能更差。这样传统的汽油机点火系统根本不适应于天然气发动机。因而需要采用高能量数字点火技术,计算机芯片来精确控制点火的能量和时间:1)点火能量太小不能满足发动机性能要求,点火能量过大又是浪费,而且涉及到相应部件(点火线圈、高压线和火花塞等)的承受力问题。在现有部件能够承受的条件下,将点火能量控制到一个能够满足需要的合适程度是十分必要的。2)准确的点火时间对发动机的燃烧效率至关重要,利用计算机技术可以控制点火的时间,其精确度可以达到微秒级。四、研究目的以4G15S为原型,改进研发出488Q。综合考核学生四年所学知识掌握程度,以此培养学生对课题的研究等综合能力。使学生熟悉内燃机设计中项目计划,工作进度安排,查阅相关资料,方案对比和最终方案确定,设计计算,图纸表达和撰写设计报告。设计答辩过程,
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