内燃机课程设计-车用汽油机、柴油机热力设计.doc

内燃机课程设计 指导老师： 班级： 热动0605姓名： 目录内燃机课程设计任务书设计概述总体设计选型热计算实际工作循环计算发动机的性能指标计算热平衡计算发动机的外特性计算发动机的曲轴设计计算设计报告总结参考文献内燃机课程设计任务书一、 题目车用汽油机/柴油机热力设计二、给定参数1活塞排量： 1.3、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.5、2.7、3.0、3.5L。2汽油重量成分：0.855 ，H=0.145， O=0.000。3汽油的低位发热值：Hu=43960kJ/kg。4柴油重量成分：0.870， H=0.126，O=0.004。5柴油的低位发热值：Hu=42860kJ/kg。三、设计内容1方案选择及总体设计（确定主要性能参数和结构参数）。2工作循环计算（包括最低转速、最大扭矩、最大功率、最高速度工况）与示功图。3热平衡计算与热平衡图。4外特性计算与外特性曲线图。5绘制曲轴零件图（A1）。四、设计要求1编写设计计算说明书一份，1.2万字左右（2025页）。2用计算机书写文本，用AutoCAD绘图。3公式要有出处，符号要有说明。五、课程设计进度安排1.101.11讲授课程设计有关内容知识，调研收集资料。1.121.17设计计算、数据整理及结果分析。1.181.21编写设计说明书，绘制工程图纸。1.221.23答辩、成绩评定。设计概述内燃机学课程设计，是热能动力工程专业学生在学完了内燃机学等专业课程后的一次综合性设计实践和基本训练。1、内燃机学课程设计的目的巩固加深过去的有关课程的理论知识，学会联系实际来综合运用这些知识，培养正确的实践思路辨证地分析问题、解决问题的思想方法。通过设计实践，培养从事设计工作的独立工作能力。熟悉与内燃机设计有关的规范、标准。接受有关柴油机设计的基本功训练，如设计计算训练，计算机应用的训练；用设计图纸表达设计思想的训练；机械制图的基本训练；编写设计计算说明书及技术文件的训练；进行选型论证、撰写论证文章以及进行答辩的基本训练等。2、内燃机学课程设计的内容a.总体设计总体设计选型论证：包括总体选型，主要参数的确定以及主要零件的选型。工作过程计算：主要是热计算，即对所设计的内燃机的各热力参数、指示参数、有效参数进行计算，以便绘制出计算示功图，作为总体选型的依据。b.主要零部件设计主要零部件的设计计算：在课程设计的范围内，主要部件是指曲轴、连杆、活塞、汽缸盖、机身、机座。由于课程设计时间的限制，可以选择其中几个典型部件作为设计计算的内容即计算它们的工作能力和结构强度。动力计算：目的是求得作用在发动机上的力以及其变化规律，为主要零件的设计提供依据。零件工作图设计：绘零件图，完成施工图纸。通常只绘制一个零件的工作图，如活塞，连杆，或曲轴的零件（组件）图，以接受绘制施工图纸的训练。3、编写设计说明书这是课程设计的总结，以技术文件的形式，把设计的全部内容简练、清晰的写出，与横剖面总图或零件工作图一起，构成课程设计的全部成果。4、答辩是每一项设计的必经程序，也是评定课程设计成绩的最后一个环节。所完成的设计可行与否、质量如何、有何问题、有何优点，只有通过答辩才能确定。答辩与总图或零件图以及设计计算说明书一起构成确定课程设计成绩的依据。总体设计选型总体设计是柴油机设计的重要环节，它决定新设计的柴油机的生命力和前途；关系到新设计的柴油机是否能很好地满足设计任务书的要求。总体设计的任务是根据设计任务书的要求，选择确定一种各方面都较完善和柴油机结构型式；选择确定柴油机的主要性能参数和主要结构参数；对各主要零件和系统元件的结构型式和主要尺度进行选择和估算。具体来说，总体设计包括以下几项工作。1、母型发动机的选择选择母型发动机是根据以下各方面来考虑的。（1）发动机型式相同，如冲程数相同；都为十字头式或筒状活塞式发动机；都为直列式或V型发动机等等；且发动机几何相似（或接近相似）。（2）转速比较近或发动机用途相近。（3）单缸功率比较接近；强载程度相近。（4）增压度相近。（5）对二冲程发动机，还有换气型式相近等等。根据上述几个方面，在已经大量投入使用，并有较好使用效果的发动机中选择一台或二台与设计任务相近的发动机作为母型。有了母型发动机，在选择新设计发动机的主要参数和结构型式乃至总体布置等方面，都可有所借鉴和比较。应该仔细的分析和研究母型发动机的优缺点，在设计发动机中应该扬长避短，着眼于创新，而决不要被母型机牵着鼻子走，照搬照抄。2、选择确定发动机的主要参数发动机的主要参数，有的是设计任务书提出的要求，有的可参照型发动机来选择。主要参数包括：主要性能参数、平均有效压力Pme、转速n、活塞平均速度Cm、压缩比、最大爆发压力PZ、气缸数i、气缸直径D、活塞行程S、行程缸径比S/D、气缸中心距LO、曲轴半径连杆长度比、燃油消耗率等。发动机的主要参数表明了它的先进性。在选择主要参数时，既要追求先进，又要不脱离我实际内燃机的存在现实。否则就成为夸夸其谈。3、选择确定所设计发动机的总体布置结构型式这项工作实际上是与选择母型发动机同时进行的，在选择母型机时，对总体布置和总体结构必然是已进行了基本的构思。此时，只不过是进一步具体化而已。例如，要确定增压器布置在何处，喷油泵喷油器如何布置、凸轮轴如何布置、怎样传动，调整器如何布置，操纵台设置在何处等，总体布置既要紧凑、美观，又要便于拆装和操作管理以及满足设计任务书的要求。4、选择确定发动机主要零件的结构形式及尺寸这项工作主要是把发动机的主要零件的结构形式和大体尺度确定下来，例如曲轴采用何种结构形式、何种材料，是锻钢曲轴还是球墨铸铁造曲轴，主要结构尺寸应为多少，活塞是整体式还是组合式、冷却还是非冷却式、机体零件上采用机座的结构还是倒挂式主轴承结构，它们的主要尺度应定为多少等等。完成了上述各项工作，发动机的总设计就基本就绪了。紧接着就是绘制总图，初步布置一下，看有无问题，详细绘制总图的要求见后。在基本上完成了总体设计后，为了初步验证所选择的参数和指标是否合理。能否达到，各主要零部件的结构尺寸是否安全可靠，接下去应进行柴油机热的计算、动力计算和主要零部件的设计计算。5原机型有关参数这次课程设计以德国费丽曼公司的41A/41E型号为原型机进行计算的。具体参数如下：配置形式4缸排量2716 cc缸径行程98mm x 90 mm功率 （KW/r/min）8.48/2500最大扭矩（N.m/r/min）14.4/2400燃油消耗率（g/（kw。H）300平均有效压力（kpa）498净质量（kg）37比质量（kg/kw）8.54进气方式增压 / 中冷气缸体铸铁气缸盖整体式，铝缸盖排放装置催化转换器， 排气再循环装置冷却方式水冷燃油喷射系统电控共轨气门机构双顶置凸轮轴，4气门 / 气缸实际工作循环计算选取参数表格柴油燃料成分（重柴油）C=0.870H=0.126O=0.004柴油低发热值Hu=42860KJ/Kg行程缸径比S/D=1.0外界压力Po=0.1MPa外界温度To=300K压缩比c=17.5压缩始点温度Ta=320K空气进入气缸的温度升高ta=6K充气系数v=0.9燃烧过量空气系数=1.7增压器增压比k=2.5压力升高比=1.5示功图丰满系数=0.98平均压缩多变指数n1=1.36平均膨胀多变指数n2=1.2机械效率m=0.9残余废气系数r=0.04发动机参数确定气缸容积：V=2.7L 缸数：n =4 冲程数：=4 行程缸径比：S/D=1.0 由公式V=D24sn得： 行程：S =94.67mm95mm 缸径：D=95mm曲柄半径：R=S2=47.5mm连杆长度：L= =0.3一、进气过程为了是发动机连续运转，必须不断吸入新鲜工质，既是进气过程。此时进气门开启，排气门关闭，活塞由上止点向下止点移动。首先是上一循环留在气缸中的残余废气膨胀，压力由排气重点的压力Pr下降到小雨大气压力，然后新鲜工质才能被吸入气缸。由于进气系统的阻力，进气终点压力Pde一般小于环境压力，用来克服进气系统阻力。因为气流受到发动机高温零件及残余废气的加热，进气终点温度总是高于大气温度。进气过程中进气终点的压力Pde范围为0.0800.095MPa和温度Tde的范围300340K增压压力：Pk=1.8=1.80.1=0.18MPa增压器出口温度：Tk=ToPkPonk-1nk=300（0.180.1）1.4-11.4=355K进气箱压力：Ps=Pk-Pac=0.18-0.02=0.16MPa进气箱温度：Ts=Tk-Tac=355-40=315K进气终点压力：Pde=1.1Ps=1.10.16=0.176MPa进气终点温度：Tde=Ts+Ta+rTr1+r=315+10+0.048001+0.04=343K充量系数：ve=cc-1PdePsTsTde11+r=17.517.5-11.131534311+0.04=1.03二、压缩过程 压缩过程中进气门排气门均关闭，活塞由下止点向上止点移动，缸内工质受到压缩，温度、压力不断上升，工质收压缩的程度用压缩比c表示。压缩过程的作用是增大做功过程的温差，获得最大限度的膨胀比，提高热工转换效率，同事也为燃烧过程创造条件。在柴油机中，压缩后气体的高温还是保证燃料着火的必要条件。工程热力学中，满足方程常数的过程统称为多变过程。发动机的压缩过程实际上是一个富达的多变过程。压缩开始时，新鲜工质的温度较低，受汽缸壁加热，n1，随着工质温度上升，某一水间与气缸壁温度相同，n1=，此后由于工质温度高于气缸壁温度，向缸壁传热，n1。因此在压缩过程中，多变指数n1是不断变化的。但在实际的近似计算中，常用一个不变的、平均的多变指数n1来代替n1，只要以这个指数n1计算而得的多变过程，其始点和终点的工质状态与实际压缩过程的初、终状态相符合即可。n1称为平均压缩多变指数。n1主要受工质与缸壁间的热交换及工质泄漏情况的影响。增压柴油机n1的范围为1.351.37压缩终了的压力和温度可用下式计算：取 n1=1.36Pco=Pdecn1=0.17617.51.36=8.63MPaTco=Tdecn1-1=34317.51.36-1=961K式中，Pco是压缩终了的压力（KPa）； Pde是进气终了的压力（KPa）； c是压缩比； Tco是压缩终了的温度(K)； Tde是进气终了的温度(K); n1是平均压缩多变指数。压缩过程P和V计算如下：气缸容积（L）气缸压力（MPa）0.6560.1760.640.160.570.1850.450.250.30.440.151.120.0494.770.0328.63三、燃烧过程燃烧过程中进、排气门均关闭，活塞处在上止点前后。燃烧过程的作用是将燃料的化学能转化为热能，使工质的压力、温度升高。燃烧放出的热量越多，放热时越靠近上止点，热效率越高。燃烧过程中，柴油机应在上止点前就开始喷油，喷进气缸中的柴油迅速蒸发而与空气混合，并进驻与气缸中被压缩的具有很高内能的空气的热量而自燃。开始燃烧速度很快，而气缸容积变化很小，所以工质的压力、温度剧增，接近于等容过程，接着一面喷油，一面燃烧，燃烧速度缓慢下来，且随着活塞向下止点移动，气缸容积增大，气缸压力基本不变，而温度继续上升，该过程接近于等压过程。燃烧的最高爆发压力Pmax取值范围4.514.0（mpa）及最高温度Tmax取值范围18002200（K）燃烧爆发压力：Pz=Pco=1.58.63=12.95MPa理论空气量：L0=10.21C12+H4-O32=10.210.8712+0.1264+0.0432=0.4946(kmol/kg燃料)实际空气量：L=L0=1.70.4946=0.84(kmol/kg燃料)理论分子变化系数：0=1+8H+O32L=1+80.145+0.004320.84=1.043分子变化系数：=0+r1+r=1.043+0.041+0.04=1.041燃烧方程常数项：A=HuL01+r+cv）ma+8.3143Tco空气的定容比热：（cv）ma=19.259+0.0025Tco=19.259+0.0025961=21.662（kJ/kmolk）燃烧终点爆发温度：Tz=2000K 燃烧产物定容比热：（cv）mr=20.470+19.259-1+36+25-1104Tz=20.470+19.2591.7-11.7+36+251.7-11.71042000=26.264初期膨胀比：=TzTco=1.0411.52000961=1.44四、膨胀过程膨胀过程时，进、排气门均关闭，高温高压的工质推动活塞，由上止点移动而膨胀做功，气体的压力、温度也随即迅速降低。膨胀过程中有热交换损失、漏气损失和补燃现象，因此膨胀过程也是一个多变过程，多变指数n2是不断变化的。膨胀过程初期，由于补燃，n2。不过，如同压缩过程，为了简便起见，在计算中用一个不变的平均膨胀多变指数n2代替n2，只要以这个指数n2计算的多变过程，其始点与终点的状态与实际膨胀过程始、终状态向痛即可。柴油机n2的范围为1.151.28取n2=1.2后膨胀比：=c=17.51.44=12.15膨胀终点的压力和温度可用下式计算：Pex=Pzn2=12.9512.151.2=0.647MPaTex=Tzn2-1=200012.151.2-1=1212K式中，Pex是膨胀终点的压力（MPa）； Pz是最高爆发压力（MPa）； Tex是膨胀终点温度（K）； Tz是最高爆发压力时对应点的温度（K）; n2是平均膨胀多变指数。膨胀过程P和V计算如下：气缸容积（L）气缸压力（MPa）0.03212.950.0497.7670.152.0280.30.9830.450.7430.570.7090.640.6560.6560.6470.6750.643根据压缩过程以及膨胀过程计算数据绘制P-V示功图如下：五、排气过程当膨胀过程接近终了时，排气门打开，废气开始靠自身压力自由排气，膨胀过程结束时，活塞由下止点返回上止点移动，将气缸内的废气排除。排其过程中，由于排气系统有阻力，排气终了的压力Pr大于环境压力Pa，压力差Pr-Pa用来克服排气系统的阻力。排气系统阻力越大，排气终了的压力Pr越大，残留在气缸中的废气就越多。排气终了的压力Pr（MPa）范围为0.1030.108，温度Tr（K）范围700900排气终了压力：Pr=0.105MPa排气终了温度：Tr=800K发动机的实际性能指标计算1、发动机的指示性能指标以工质对活塞所作之功为计算基准的指标成为指示性指标，简称指示指标。指示指标不受动力输出过程中机械摩擦和附件消耗等各种外来因素的影响，直接反映由燃烧到热工转换的工作循环进行的好坏，在工作工程的分析中得到广泛的应用。指示功和平均指示压力指示功是指气缸内完成一个工作循环所得到的有用功Wi。指示功的大小可以由P-V图中封闭曲线所占有的面积求得。平均指示压力是指单位气缸容积一个循环所作的指示功，可以理解为一个假想的平均不变的压力，以这个压力作用在活塞顶上，使活塞移动一个冲程S所作的功，即为循环的指示功Wi。循环指示功和平均指示压力可用下式计算：Pmi=Pcoc-1-1+n2-11-1n2-1-1n1-11-1cn1-1=8.6317.51.51.44-1+1.51.441.2-11-112.151.2-1-11.36-11-117.51.36-1=1.278MPaPmi=Pmi=1.2780.98=2.252MPaWi=Fiab106=PmiD2S4=1.252式中，Fi是示功图面积（cm2）； a是示功图纵坐标比例尺（Pa/cm）; b是示功图横坐标比例尺（cm3/cm）;D和S 分别为气缸直径和活塞行程（mm）。指示功率发动机单位时间内所做的指示功称为指示功率Pi。由公式Pi=PmiVsni120计算式中，Pmi为平均指示压力； i为汽缸数； n为发动机转速。指示热效率和指示燃油消耗率指示效率it是发动机实际循环指示功与所消耗的燃料热量的比值，指示燃油消耗率biKJ/(kWh)是指单位指示功的消耗量，由下面公式计算得：B=21.5kg/h； it=WiQ1=3.6103PiBHu=0.409式中，B为每小时发动机的耗油量（kg/h）； bi为发动机燃油消耗率g/(kWh)； Hu为所用燃料的低热值（kJ/kg）。有效功和有效功率每循环曲轴输出的单缸功量We则是循环功的有效指标，有效功率可由式计算：Pe=Pi-Pm=Ttqn9550式中，Ttq为发动机输出转矩（Nm）； Pm是机械损失功率（kW）； n是发动机的转速（r/min）。平均有效压力平均有效压力Pme（MPa）是发动机单位气缸工作容积输出的有效功。可以看做是一个假想的、平均不变的压力作用在活塞顶上，是活塞移动一个冲程所作的功等于每循环所做的有效功。可由下式计算得：Pme=mPmi=0.91.252=1.127MPa 有效热效率与有效燃油消耗率 有效热效率是实际循环的有效功与为得到此有效功所消耗的热量的比值，有效燃油消耗率是每小时单位有效功率消耗的燃料量，是衡量发动机工况的重要指标。可由下式计算得出：et=mit=0.90.409=0.368式中，et是有效热效率； be是有效燃油消耗率g/(kWh)。一般发动机标况下的et、 be值列表如下：发动机类型be/g/(kWh)et低速柴油机1902250.380.45中速柴油机1952400.360.43高速柴油机2152850.300.40发动机的升功率升功率是发动机每升工作容积发出的有效功率，是发动机有效功率的角度对其气缸工作容积的利用率的总评价，是评定发动机整机性能和强化程度的重要指标之一。升功率越大，发动机的强化水平越高，发出一定有效功率的发动机尺寸越小。现今，不断提高Pme和n的水平已获得更强化、更轻巧、更紧凑的发动机一直是发动机工作者致力以求得奋斗目标。升功率由以下公式计算得出：发动机性能指标名称符号单位数值备注平均指示压力PmiMPa1.252平均有效压力PmeMPa1.127指示耗油率big/(kWh)169有效耗油率beg/(kWh)211指示效率it0.409有效效率et0.368指示功率PiKW16.9n=2400有效功率PeKW15.21n=2400升功率PLKW45热平衡计算热平衡是表示热量分配情况。热平衡计算是用来校验设计中所选择的性能参数是否合适，所要求的主要性能指标能否达到。通过热计算，也可为合理地组织气缸内的工作过程指明方向和途径。只有了解热量损失所在，才能进一步去减少它或者设法利用它。发动机热平衡通常按下列方法由实验确定。一、发动机所消耗燃油的热量QT(KJ/h)在发动机中,热量是有燃料燃烧而产生的，假设燃料完全燃烧，则每小时所发出的热量为QT=BH=21.542860=9214901490(kJ/h）式中，是发动机所耗燃油的热量(kJ/h）;B是发动机每小时的耗油量（Kg/h）； 是燃料低热值（kJ/Kg）.二、转化为有效功的热量QE（kJ/h）由发动机的有效功率可以计算的出:1KWh=3.6三、传递给冷却介质的热量QS（kJ/h）这部分热量包括实际循环中工质与气缸壁的传热损失，废气通过排气道时传给冷却介质的热量，活塞与气缸壁摩擦产生又传给冷却介质的热量以及润滑油传给冷却介质的热量等。冷却系统中，t1=68;t2=93;GS=Gs=2800Kg/h； cS=4.2kJ/(kg);QS=GScSt2-t1=254.22600=2730003000（kJ/h）上式中，Gs是发动机冷却介质每小时的流量（Kg/h）； Cs是冷却介质的比热容KJ/(Kgc); t1、t2是冷却介质的入口和出口温度。四、废气带走的热量QR（kJ/h）废气带走的热量是相当大的一部分，一般直接排入大气即污染空气又造成热量损失，非常可惜，现在一般采用涡轮增压技术进行二次利用。QR=B+GKcprt2-cpkt1=262256.1（kJ/h）式中， Gk是每小时消耗的燃料量和空气量（Kg/h）; Cpr、Cpk是废弃和空气的定压比热容KJ/(KgC) T1是进气管入口处工质的温度 T2是靠近排气门处的废气温度五、燃料不完全燃烧热损失QB（kJ/h）在柴油机中，因为空气和燃料的混合不均匀，将会产生不完全燃烧。r=97.4%可近似计算为：Qb=QT1-r=24235.235.2（kJ/h）式中，是燃烧效率。六、其他热量损失QL（kJ/h）其他热量损失包括所有未计算的热损失。由于不能分别给出他们准确的计算，所以一般只用下面差法确定其总值：热平衡常以燃料总热的百分数表示，即： 七、热平衡表名称符号百分比转化为有效功热量qe 36.77%传递给冷却介质热量qs29.63%废气带走热量qr28.46%不完全燃烧热损失qb2.63%其他热量损失ql统计100% 发动机的外特性计算内燃机的特性是内燃机综合性能的反映，当内燃机的性能指标随运转情况而变化时，称为内燃机的性能特性如速度特性、载荷特性、调速特性及万有特性。内燃机在某一时刻的运行情况简称工况，内燃机的工况以该时刻内燃机输出的功率或转矩及其相应的曲轴转速来表示。在车用工况中，其转速可在最低转速和最高转速之间变化，它们之间的关系如下：Pe=0.104710-3Ttqn内燃机的速度特性是指内燃机在油量调节机构保持不变的情况下，转矩、功率、油耗及排气温度等主要性能指标随内燃机转速的变化关系。速度特性是在内燃机实验台架上测出的。测量时，将油量调节机构位置固定不动，调整测功器的载荷，转速便相应地发生变化，然后记录下油管数据并整理绘出曲线。当油量调节机构固定在标定位置时，测得的特性为全载荷速度特性，简称外特性。其反应了内燃机所能达到的最高动力性能，确定了最大功率、最大转矩及相应的转速，在评价内燃机中这一数据是非常重要的。发动机特性：2.7L四缸四冲程柴油发动机，平均有效压力Pe=1.127MPa。首先根据公式Pe=PmeVsni30由平均有效压力Pme与一个工作转速工况n计算出有效功率，然后根据公式Pe=Ttqn9550由有效功率及工作转速工况n计算出该工况下的扭矩Ttq。现计算表格如下：转速(n/min)功率(KW)扭矩(Nm)燃油消耗率100040.5224.4238.6150046.4281.1219.7200071.2340.9210.6250080.8325.4215.7300091.3310.3223.6350097.6299.7238.94000104.3270.6254.2外特性曲线图转速工况下的功率及扭矩图：转速工况下的功率及燃油消耗率图： 从外特性曲线图来看，柴油发动机在较低的转速下就有很高的扭矩输出，很适合机械做功用，但是转速比汽油机要小很多，这在一定程度上限制了柴油发动机的功率输出，这也是至今汽车以汽油发动机为主流，机械用车以柴油发动机为主流的原因，随着柴油机新技术的发展，柴油发动机将会是解决能源危机的一种途径。关于内燃机的新技术将在我的设计报告总结中有简单介绍。 发动机曲轴设计计算曲轴组由曲轴、飞轮、平衡块、减震器以及传动齿轮等组成。曲轴的工作情况是非常复杂的，它是在周期变化的燃气作用力、往复运动和旋转运动惯性力以及它们的力矩作用下工作的，因此承受着扭转和弯曲的复杂应力。首先，曲轴箱主轴承的不同心度会影响到曲轴的受力状况，其次，由于曲轴弯曲与扭转振动而产生附加应力，再加上曲轴形状复杂，结构变化急剧，产生了严重的应力集中。此外，曲轴主轴颈与曲柄销是在高比压下进行高速转动的，因而还会产生强烈的磨损。因此曲轴的设计应满足以下要求：1、具有足够的疲劳强度。尽量减少应力集中现象，克服薄弱环节，保持曲轴可靠