柴油机可变压缩比机构毕业设计

1目 录摘要 .2Abstract .31 绪论 .41.1 可变压缩比概念 .41.2 国内外的研究现状 .51.3 可变压缩比的优点 .61.4 本文研究主要内容 .82 机构设计 .92.1 可变压缩比实现方案及优缺点 .92.2 可变压缩比机构选择和确定 .122.3 可变压缩比机构设计 .133 主要零部件设计 .143.1 上连杆设计 .143.2 下连杆设计 .153.3 连杆销设计 .164 机构校核 .174.1 机构运动轨迹验算 .174.2 连杆销校核 .185 结论与展望 .295.1 结论 .295.2 展望 .30总结与体会 .31谢辞 .32参考文献 .332S195 柴油机改可变压缩比机构设计摘 要近年来，可变压缩比技术和可变配气机构得到了迅猛的发展，可变压缩比(VCR)对汽车的节能减排有重要作用,是改善汽车动力性、经济性及排放性能的重要技术之一。本文从理论上分析了可变压缩比在汽车上应用的必要性,介绍了可变压缩比技术的意义、优点、国内外研究现状，以及几类可实现可变压缩比的方法。本文研究了一款多连杆单缸发动机，在原机模型上设计了一套可变压缩比机构，相对原机来说，新机可以实现压缩比的连续可调。在本文中，还对这套机构进行了绘制，对主要零部件尺寸进行了设计，保证该机构的压缩比可变，并对机构各杆之间的运动关系进行了验算，保证几个连杆之间运动不会发生干涉现象，并利用 ANSYS14.0 的 Workbench 平台对连杆销进行校核，经校核，连杆销的尺寸设计和选材方面满足连杆销的工作要求。关键词：可变压缩比（VCR） 、多连杆、机构设计、校核。3Design of a multi-link variable compression ratio mechanism for S195 diesel engineAbstractIn recent years, variable compression ratio (VCR) and variable valve mechanism developed rapidly. Variable compression ratio (VCR) is an important role for car to saving energy, which is one of important technologies to improve vehicle power, economy and emissions performance. This paper analyzed the necessity of variable compression ratio on the vehicle, and introduced the meaning of technology, advantage, research status of the variable compression ratio, and several types of variable compression ratio can be achieved. This paper studied a single cylinder engine, and designed a VCR mechanism basis on the prototype. Compared with the prototype, the new engine could adjust the compression ratio continuously. In this paper, this design drew the organization chart，and design the size of the main parts, it ensure that the compression ratio can be variable among the rods. And checking the link pin through ANSYS14.0 Workbench, after checking, the size design and the material choice of the rod pin can meet the work requirements.Key words：Variable compression ratio (VCR)、Multi-link、Institutional design、Check.41 绪论近年来，能源危机和排放法规的日益严格对发动机的性能提出了更高的要求，为了适应这些新要求，同时使发动机拥有更好的动力性、燃油经济性和排放性，可变压缩比技术更加受到重视。严峻的能源形势和日益严格的排放法规使传统发动机，尤其是传统的车用发动机面临着严峻的生存挑战。一直以来，既有良好的动力性能又有良好的燃油经济性和排放性能是发动机所追求的目标，然而这些性能在一般的发动机上又没法同时获得。为了解决这个矛盾，一些新技术如可变技术应运而生，其中像可变气门正时、可变气门行程、可变进气歧管、可变喷油及可变增压等技术都为人熟知并已在许多车型上使用。可变压缩比技术也是其中很有潜力的一种，能够很好地改善发动机热效率、燃油经济性和排放性能，但由于种种原因发展相对滞后。一般情况下，发动机的压缩比越高，活塞作功行程的距离就越长，做功就越多，输出功率也越大。但是，汽油机中过大的压缩比会导致不可控制的燃烧，从而损坏发动机，且在负荷比较大时容易发生爆振；柴油机中过大的压缩比使柴油机气缸压力过高，导致振动噪声加剧，运动部件所要承受的冲击负荷增大，从而影响柴油机的工作可靠性和使用寿命。因此，根据发动机负荷的变化，采用可变压缩比技术是非常必要的。1.1 可变压缩比概念可变技术是内燃机相关系统的结构或参数随着使用要求和工况的变化而变化，使内燃机在各种工况下都达到理想的工作效果，综合性能指标得到大幅提高，并能够避免不正常燃烧及超负荷工作等发生的一种技术。我们知道，发动机从设计制造好之后，其很多参数如配气相位、压缩比等就是固定不变的，这些参数只是综合各种工况下最好状态后的折中，这使发动机不能完全发挥其性能。发动机研究者们一直致力于提高发动机的各种性能，如果将一个个不可变的结构及参数变成可随相应工况和需要灵活可变的，则能在很大程度上改善发动机的综合性能。可变技术就是基于这种想法而出现的，其在解决较大转速和负荷范围内的动力性与经济性及排放性的矛盾显示出独特的优势。压缩比是气缸总容积与燃烧室容积的比值，其表示活塞由下止点运动到上止5点时气缸内气体被压缩的程度，是衡量发动机性能的重要参数，是影响发动机效率最重要的因素之一。一般来说，压缩比越高，发动机的性能就越好。对于传统的发动机，一经设计好其压缩比是固定不变的，因为燃烧室容积及气缸工作容积都是固定的参数。现代汽车发动机的压缩比汽油机一般为 812，柴油机一般为1222。可变压缩比技术主要是针对增压发动机的一种技术。固定的压缩比不能充分发挥发动机的性能，事实上在小负荷、低速运转时，发动机的热效率低，相应地综合性能比较差，这时可以用较大的压缩比，而在大负荷、高转速运转时，若压缩比过高，则很容易发生爆震并产生很大的热负荷和机械负荷，这时可以用较小的压缩比。随着负荷的变化连续调节压缩比，可以最大限度地挖掘发动机的潜力，使其在整个工况区域内有效提高热效率，进而提高发动机的综合性能。1.2 国内外的研究现状关于可变压缩比技术的研究起步较早，最早主要是在压燃式发动机方面研究。英国内燃机研究所（BICERI）于 1952 年就开始了可变压缩比活塞的研究，后来其将高压涡轮增压技术推广到了中速压燃式发动机上，获得了很高的动力性又不使气缸压力超过限度。美国大陆公司于 1961 年开始研究的用于坦克动力的AVCR1360-2 可变压缩比柴油机，压缩比可高达 9：116：1。其突出特点是,为了克服过高的热负荷和机械负荷,达到尽可能高的强化程度以及改善起动性能和低速工作性能等采用了变压缩比活塞。我国西安交大的王志达先生于 20 世纪 70 年代末研制成可变压缩比摆盘柴油机，这种柴油机将摆盘设计成可以沿轴向移动的结构，通过控制摆盘的轴向位置来改变活塞的上下止点位置，使摆盘柴油机的压缩比成为可变的和可以调节控制的。其结构紧凑，质量轻，不仅像低压缩比柴油机那样能实现高增压,而且在起动性能和低负荷性能方面也表现优越。前苏联在 20世纪 80 年代就由拖拉机研究所车拉宾斯克分所做了可变压缩比柴油机的试验研究，其达到了在相同的增压条件下提高功率，提高部分负荷的经济性,并降低发动机零部件热应力和机械应力的目的。近数十年来，随着日益严峻的能源问题和越来越严格的排放限制，可变压缩比技术的研究在点燃式发动机上进展迅速，出现了很多相关的新技术和专利，几种优秀的可变压缩比发动机也已经问世，如瑞典绅宝（SAAB）汽车公司于 20006年开发的 1.6L 可变压缩比发动机 SVC，压缩比可在 8：114：1 之间变化，其最大功率为 168kW，达到了 3.0LV6 发动机的水平，最大扭矩为 305Nm，CO，HC排放值平均可降低 30%，百公里耗油为 8.3L，性能很好。法国的 MCE-5Development 公司开发的 MCE-5 可变压缩比发动机，压缩比可以从 7：120：1无级地变化，压缩比控制的过程非常快，是一种一体化的发动机组,综合了功率传输和压缩比控制功能，采用了长寿命的齿轮和滚珠轴承系统导向的活塞，燃烧热效率可以提高 20%，燃油消耗可降低 30%。德国的 FEV 公司研发的 1.8L 可变压缩比汽油机，压缩比可在 8：116：1 之间进行调节，其扭矩达 300Nm，功率达165kW，升功率超过 90kW/L，且相对于固定压缩比的原型车油耗降低了 7.8%，也满足欧排放要求。日本的日产公司于 2005 年研制的 VCR 发动机，压缩比可在 8：114：1 之间变化，在 100km/h 定速行驶时，其燃油消耗可降低 13%，且在高压缩比时燃烧性能良好，即使在大量废气再循环的工况下燃烧性能仍然稳定。我国对可变压缩比技术的研究起步较早，但由于种种原因尚没有理想的产品问世，国内对 VCR 发动机的研究基本还处在理论研究阶段。很多相关的专利技术如四川王季高工的内燃机智能燃烧室 、广东陈晨的自适应可变压缩比发动机、贵州罗兴祥的充气式可变压缩比发动机等都是我国在这领域的研究成就。尤其值得一提的是王季先生于 2002 年提出并获得专利的内燃机智能燃烧室技术，其扩大和提高了可变压缩比的作用，获得了很好的应用效果。1.3 可变压缩比的优点传统的发动机压缩比是固定不变的，从而使中小负荷时废弃率比例过高，且压缩终了压力过低，因此做功效率低。在小负荷工况下，发动机的热效率低、综合性能差，这时可以采用比较大的压缩比；在大负荷工况下，由于过高压缩比容易产生爆燃和很大的机械负荷，应该采用较小的压缩比。A、提高了发动机的热效率，很大程度上改善了发动机的燃油经济性。这是可变压缩比技术对发动机最大的好处。采用 VCR 后，无论是何种工况，发动机总在爆震限制条件下工作，获得最佳热效率。B、有利于降低排放。为了使催化转化过程能够顺利地进行，三效催化转化器必须达到 400左右的工作温度。冷发动机起动后需要经历一段所谓的“起燃时7间”才能达到这一温度，大约是 1 至 2 分钟。在起燃时间尚未结束之前，三效催化转化器对排放的净化转化作用十分有限。采用可变压缩比汽油机概念，与推迟点火一样，能够降低热效率进而提高单位排量的废气热流量，迅速地加热三效催化转化器，就可以缩短起燃时间，明显地降低冷起动和暖机阶段排放。在部分负荷工况，针对 HC 随着压缩比增大而升高的现象，一方面，由于本概念可以接受较大的排气再循环率，因而能够更多地降低 NOX 排放；另一方面，在较高负荷下通过提高压缩比能够提高热效率，增大扭矩，可以部分地替代混合气加浓的程度，因而降低对混合气加浓的要求，这样就可以扩大闭环控制的工况范围，进一步降低有害物质 CO 和 HC 的排放。 C、具有良好的燃料适应性。可变压缩比使得汽油机在所用燃料种类方面非常机动灵活，因为可变压缩比汽油机总是以最适合于所选用的燃料的压缩比工作。如果可变压缩比汽油机采用其辛烷值超过汽油的燃料工作，那么上述优点就会变得更大。例如，甲醇是一种经常被用来代替汽油的代用燃料，其马达法辛烷值为88，而研究法辛烷值为 108。因此，在高转速下，甲醇达到了实际上跟汽油相同的抗爆震性；而在低转速下则相反，它的抗爆震性远远超过汽油。可变压缩比汽油机概念能够充分利用这种高抗爆震性，更好地利用燃料的能量。 D、相同输出功率的情况下结构可以更紧凑，达到小排量大功率、大扭矩。E、兼顾部分负荷时的燃油经济性和大负荷时的动力性，改善发动机低速动力性能的同时还避免了燃烧过程中的爆震风险，使发动机的动力性、经济性和排放性得到了较好的统一。F、一定程度上能提高运行稳定性，降低噪声。传统的固定压缩比汽油机在冷机怠速阶段为了加热三效催化转化器，要大幅度地减小点火提前角以降低热效率。这样一来就会明显地降低扭矩，有可能使得发动机运行不稳定。在全负荷工况为了减少增压汽油机的爆震倾向性也要依靠减小点火提前角。但是，过多地减小点火提前角会导致扭矩过多地下降，使得发动机运行不稳定。可变压缩比汽油机可以先通过减小压缩比在一定程度上降低热效率，然后根据实际的转速变动情况在较小范围内调节点火提前角，使得发动机在冷机怠速和全负荷时平稳地运行。另外，通过提高压缩比可以提高扭矩，抵消高的排气再循环率给发动机运行带来的负面效应。81.4 本文研究主要内容本论文研究的主要是款新型多连杆单缸机。在原机设计的基础上重新考虑了变压缩比机构的设计，以及对机构构成零件的设计和连杆销的校核。最重要的是对机构的设计和零部件的设计。主要内容包括：A、可变压缩比现有方案的分析与比较。阐述可变压缩比的优点，介绍现有的一些可变压缩比技术方案，对其各自的优缺点进行分析与比较，最后归纳总结出可变压缩比技术方案的基本要求。B、