毕业设计（论文）-488Q天然气发动机总体方案设计和计算.doc

中南林业科技大学本科毕业设计 488Q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： 学 号： 学 院： 机电工程学院 专业年级： 2011级热能与动力工程 2班 题 目： 488Q天然气发动机总体方案设计和计算 指导教师： 评阅教师： 2015年5月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总体设计全套图纸加扣 3012250582 Overall Program Design and Calculation of 488Q NG EngineAbstract:Energy is an important material base on which human survival and development,the lack of energy, especially oil resources and the deterioration of global environment have become two big problems in the way of human societys development.Thus,alternative energies gain more and more attention.Natural Gas is the most potential and widely used alternative fuel of the many choices,for its large scale of reserves,clean-burning and less modification to internal combustion engine. The calorific value and octane number of NG are higher than gasoline,but they are comparable,which allows us to design a NG engine consulting the specific structure and parameters of gasoline engine to adapt to the physical and chemical properties of natural gas,making sure it will have good power performance,fuel economy and good reliability.The design is based on Mitsubishi 4G15S gasoline engine which is modified into 488Q CNG engine.The design specification contains 488Q CNG engine overall scheme selection, thermodynamic calculation, power calculation and the strength calculation of some components.Keywords: Natural Gas; 4G15S Gasoline Engine; Modification; 488Q CNG Engine; Overall Design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72.1 488Q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112.2 488Q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133 488Q 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297.1.4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481 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、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。2.1 488Q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。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/D 1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。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：1）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。4）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：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。2.1.4 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。式中：为气缸中心距，mm；为主轴承长度，mm；为曲柄销长度，mm；为曲柄臂厚度，mm。2）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1.101.25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。2.1.5 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。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4000 rpm ，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 直列活塞直径D/mm 88 行程缸径比 1.01活塞行程S/mm 89 冲程数 4 额定转速 rpm 4000 活塞最大平均速度 11.9 气缸中心距/mm 98 中心距缸径比 1.113压缩比 12.5 连杆长度 149 连杆比 0.3 发火次序 1-3-4-2气缸套壁厚 1 2.2 488Q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。（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。3 488Q 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0.750.250查阅相关资料，得：压缩天然气的化学计量空燃比：=16.4 压缩天然气低热值：= 50000 kJ/kg 理论空气质量 kmol/kg2）过量空气系数：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3）残余废气系数4）新鲜空气量 5）理论上完全燃烧时的燃烧产物量6）理论分子变化系数的计算 7）实际分子变化系数的计算3.1.2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 式中：进气充气密度，kg/；为气体常数，=287J/kg.K。 进气量M=1.205*2.160=2.6028kg进气压力损失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，采用某些假设后可以有伯努利方程求得：= = =0.00797MPa现代汽车汽油机在额定工况下：=2.54.0及=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，可以取=2.7和=70m/s。这是根据发动机速度工况和考虑到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： = =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MPa。进气终点温度: 2) 排气终点压力和温度的确定四冲程汽油机，该机型参考汽油机，排气终点压力，温度取1100K。3) 充气效率的计算 3.1.3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。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；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。一般发动机=1.0-1.4，该机型平均多变指数取1.2。平均平均多变指数。（2）压缩终了压力和温度 压缩终了压力 式中：为压缩终了压力，单位为MPa。压缩终了温度 811K 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 （2）天然气发动机实际混合气分子变更系数 （3）天然气发动机工作混合气燃烧的热量 kJ/kmol式中：为汽油机燃料低热值，=50000kJ/kg 。 （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。 式中：为最高燃烧压力，MPa。 （6）天然气发送机预胀比 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： 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，得到汽油机膨胀终了压力和温度： 式中：为膨胀终了压力，MPa。 发动机膨胀终了温度： 式中：为膨胀终了温度，K。 取发动机剩余气体温度校核： 计算两者误差为： 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 式中：为理论平均指示压力，MPa。（2） 平均指示压力 为示功图丰满系数，对于柴油机，其值一般为0.920.98，本设计参考上述范围取丰满系数，则：（3） 指示热效率 式中：为汽油机指示热效率；为平均指示压力，MPa；为过量空气系数；为化学计量空燃比。（4）指示燃油消耗率3.2.2 发动机有效指标（1）平均有效压力 机械效率是评定内燃机指示功率转换为有效功率的程度。一般四冲程车用发动机，该机型机械效率取0.82。平均有效压力：（2）有效热效率 （3）有效燃油消耗率 (4)有效功率 (5)转矩汽车、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 标定工况转速和最大转矩转速之比称为转速适应性系数，即汽车汽油机，本设计取，则= 1.25131.3= 164.1Nm汽车汽油机，本设计取，则 (6)耗油量(7)升功率表3-1 488Q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/mm 88 额定功率Pe/kW 55.0活塞行程S/mm 89 平均有效压力Pm/MPa 0.763行程缸径比 1.01 压缩比 12.5排量V/mL 2160 额定转速n/rpm 4000气缸中心距/mm 98 最大转矩Me/Nm 164.1中心距缸径比 1.113 最大转矩转速n/rpm 2667缸套壁厚 /mm 1 活塞平均速度 11.9曲柄半径 R/mm 44.5 升功率 25.46连杆长度l/mm 149 耗油量 11.11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。示功图上相当于气缸工作容积的长度为： 示功图上相当于燃烧室容积的长度为： 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积之间的中间容积各点的参数按多变曲线方程 常数 进行。 （1）示功图最大高度（点和Z）和按纵坐标轴线Z点的位置式中：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，；在112.5之间变化。 （3）膨胀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，；在112.5之间变化。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：图3-1 488Q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=44.5mm 4.连杆长L149mm 5.连杆比6.活塞面积Fh=20.54m2 7.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=0.3为曲轴半径，r=44.5mm 经过计算后的数据和得图表，图4-1 活塞位移4.2活塞瞬时速度根据活塞的位移规律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。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随曲轴转角的变化规律：图4-3 活塞加速度5 动力学计算5.1曲轴连杆机构中的作用力机构主要受力：燃气力Pg，机构质量惯性力Pj基本参数：1.缸径D88mm2.冲程S2r=89mm3.曲轴半径 r=S/2=44.5mm 4.连杆长L149mm 5.连杆比6.活塞面积Fh=20.54m2 7.转速 n=4000r/min5.2机构惯性力1机构运动质量换算由于机构质量分布很复杂，为了便于计算，一般将机构分两个质量系统，往复质量mj=+m1,旋转质量mr=mk+m2 式中为活塞组件尺寸，m1为连杆组件小头尺寸，mk为一个曲拐质量，m2为连杆组件大头尺寸。根据条件选共晶铝合金活塞组：884g，连杆组：m=1464g，连杆小头等效质量m1=694g，连杆大头等效质量m2=770g曲拐选铸件：mk=1774gmj=+m1=1578g，mr=mK+ m2=2544g。2机构惯性力计算：用公式即可以计算出活塞连杆小头的往复惯性力随曲轴转角的变化规律。图5-1 往复惯性力6 强度计算6.1曲轴强度计算随着设计分析技术的进步，传统分段计算法已让位于连续梁法和有限元分析法。（1）连续梁法简介多缸机曲轴是静不定的多支撑空间连续梁，曲轴的应力状态与支座弯矩有关，并受支座弹性和轴承孔不同轴度的影响。因此，用连续梁法计算曲轴强度较为合理。（2）曲轴的有限元分析应根据不同的分析目的，结合曲轴的结构与受载特点，相应选择二维变厚度模型或三维模型。 (3) 曲轴系统扭转振动计算曲轴扭转振动计算步骤：a) 当量系统换算b) 自由振动计算c) 强迫振动计算6.2连杆强度校核目前，对连杆进行有限元计算已经成为在设计阶段验证其强度和刚度的一种常用手段。在进行有限元计算时，可以根据连杆的工作及受力状况，将连杆简化为已知外载的力学模型。计算载荷就是连杆的最大拉伸载荷Pj和压缩载荷Pe.式中：Pz-缸内最高燃烧压力；Fh-活塞面积；mh-活塞组质量；mL-计算截面以上部分连杆质量。因为发动机工作时连杆各个部位的具体载荷其实是不同的，为了反映出连杆各部位应力的真实情况，应在不同部位加上该处的实际载荷，然后再根据该部位的应变量和材料的弹性模量E计算出应力，再校核强度6.3凸轮轴的强度计算6.3.1弯曲应力的确定弯曲应力按下式计算：式中凸轮上的作用力（） 换算到挺柱端的气门弹簧力（）换算到挺柱端的配气机构总惯性力（）换算到挺柱端的汽缸中气体压力与进排气管中气体的压力差与气门头部面积的乘积（）两支点之间的距离（mm）（如图6-1所示）、由两支点到凸轮之间的距离（mm）凸轮轴最小直径（mm）空心凸轮轴的内径（mm）。 图6-1 计算凸轮轴弯曲、扭转应力与挠度用图凸轮上的作用力P是随着凸轮的旋转而变化的。作出组成作用力P的各分力随凸轮转角而变的力矩图便可选定轴端最危险的计算位置（此时作用力P最大）。这位置一般总在最大正加速度附近的地方，对于增压发动机来说，则在排气门刚开启的附近。被截下轴段的最危险断面是通过凸轮中央的断面。在每一轴段上有着几个 ，其上力的作用方向通常是不同的。作为计算断面可以选择其上作用力最大的或是离开轴承最远的凸轮的最危险断面。如果凸轮轴上具有驱动喷油泵的凸轮，则这一凸轮的中央断面将是最危险的，因为它所受的载荷最大，并且通常离开轴承也是最远的。由其它平面上作用力而引起的附加弯曲应力不需计及，可以由许用应力值统一考虑。求得许用弯曲应力180，所以凸轮轴的弯曲强度符合要求。7 平衡计算7.1 平衡的基本概念 7.1.1平衡的定义 当内燃机在稳定工况运转时如果传给支承的作用力的大小和方向均不随时间而变化，则我们就称比内燃机是平衡的。实际上这种情况不存在。7.1.2内燃机振动的原因工作过程的周期性：发动机扭矩是周期性变化的。机件运动的周期性：旋转惯性力、往复惯性力是周期性变化的。 7.1.3不平衡的危害引起车辆的振动，影响乘员的舒适性、驾驶的平顺性。固定式内燃机的振动，会缩短基础或建筑物的寿命。产生振动噪音、消耗能量、降低机器的总效率。引起紧固连接件的松动或过载、引起相关仪器和设备的异常损坏。 7.1.4研究平衡的目的和采用的方法通过内燃机平衡性的分析，为分析和选型提供依据。寻求改善平衡性的措施，这些措施一般包括：采用适当的气缸数、气缸排列和曲拐布置；加适当的平衡重；用适当的平衡机构。 方法主要包括：1解析法任取一个坐标系，求各力和力矩在该坐标系中的投影之和。若P0，M0，则该力系是平衡的，反之不平衡。2图解法作力和力矩多边形，如多边形封闭则力系是平衡，反之不平衡。 7.2 旋转惯性力的分析旋转质量 旋转惯性力 7.2.1静平衡和动平衡静平衡 质心在旋转轴上 动平衡 C7.2.2旋转惯性力平衡分析 1. 三拐曲轴（132，四冲程或二冲程) 作曲柄侧视图及轴侧图 图解法 aa123对三个缸作离心力的矢量图 是静平衡对O点（最后一拐中心）取矩，作力矩矢量图 整体平衡法7.3 单列式内燃机往复惯性力的平衡分析 几个基本概念1.往复惯性力可以用旋转矢量表示为2.往复惯性力始终沿气缸轴线作用，大小和方向按简谐规律变化，力矩总是作用在气缸中心线与曲轴中心线组成的平面内。12312330O3.和都是不平衡的自由力，如果不采取平衡措施，就会传到支承上，引起纵单列式三缸机（132）作曲柄图和轴侧图 三拐曲轴一、二阶曲柄图和轴侧图作惯性力矢量图 一阶惯性力 二阶惯性力得到 作力矩图 在水平轴投影后，出现在一缸上止点后求整体平衡法平衡重质径积，平衡重布置如前图8 进排气系统8.1概述把空气或混合气导入发动机气缸的零部件集合体称为发动机进气系统,主要包括空气滤清器、节气门体和进气歧管等，进气系统的作用是将可燃混合气引入气缸，对多缸机还要保证各缸进气量均匀一致。把气缸内燃烧的废气导出的零部件集合体称为发动机排气系统，主要包括排气歧管、催化转换器及消声器等，其作用是将汇集各气缸的废气，从排气消声器排出。 图7-1 空气滤清器8.2 进气系统1） 空气滤清器(1) 空气滤清器的作用a) 除掉吸入空气的灰尘，防止发动机磨损；b) 起消声降噪的作用；c) 连同进气管路一起，利用谐振原理起到增压效果，以提高充量系数。(2) 空气滤清器的结构和种类空气滤清器由滤芯和壳体等零件组成。滤芯采用干式滤芯,纸质滤芯目前被广泛采用，有各种规格，可滤出不同大小颗粒的灰尘，须定期进行清理或更换。空气滤清器采用桶式结构，用于多点喷射式汽油机和柴油机上，空滤器多安装在车体上，通过管路与节气门体或进气歧管相连，安装应牢固可靠并便于装拆和清理。(3) 空气滤清器设计空气滤清器滤芯孔径及过滤面积取决于发动机排量、使用环境、更换周期及进气阻力等因素。空滤器的安装尺寸及壳体形状取决于整车布置要求，但也应注意降噪和谐振增压。空滤器壳体和连通管路的设计应尽量避免气流产生急转弯，并使气体通过滤芯全面积。设计时还应注意降噪和进气阻力与管路直径、长度的关系，在管路和滤清器上设置谐振器是降噪的有效方法。现代中小型汽车空气滤清器多采用质纸滤芯，为节省空间增加过滤面积，其质纸滤芯被折叠成各种各样的形状，以增大过滤面积。2） 节气门体 图7-2 节气门(1) 节气门体的功能是控制发动机工作时的进气量，它是电喷系统与驾驶员最基本的对话渠道。节气门体由阀体、阀门、油门拉杆机构、节气门位置传感器、怠速控制阀等构成。 (2) 有的节流阀体下部有一条冷却管路，当发动机在寒冷的低温下工作，经过发动机加热的冷却液通过管路可以防止阀板区域的结冰。3) 进气歧管 图7-3 进气岐管(1) 进气歧管的作用：把空气、燃料、曲轴箱通风的油气和EGR 的废气均匀地分配给各缸；利用进气歧管和稳压箱的形状和长度提高冲量系数。(2) 进气歧管的设计要点：主要是进排气歧管断面尺寸、形状、长度以及布置形式等，为了获得良好的各缸进气均匀性，设计进气管时应考虑有合理的进气顺序、适宜的进气重叠角及各缸的位置关系。各缸的进气流方向和管路阻力应尽量一致，如把进气歧管的入口布置在对称中心，并注意各缸支管的直径、长度、弯曲半径等尽量保持相等。a) 为了减少流动损失，适当地加大了转弯处圆弧半径，同时加大断面尺寸，进气管断面积按下列经验公式确定 :表示进气管断面的相对值,一般为1.11.4;进气管断面积;:进气门最大通过面积。d是进气门直径,:气门最大升高值进气管断面积也可用下面的经验公式来确定:Fp: 活塞面积 Lm: 活塞平均速度 Vj: 进气管内平均气流速度当发动机利用惯性充气时,一般Vj=40-60m/s,发动机的充气效率较高。b) 进气管的垂直段通常用圆形断面，可以减小流动阻力，水平段常采用矩形断面或上凸下平龙门式断面，可以使沉积在管底的燃料增加蒸发面积，改善混合气质量及各缸分配。c) 气流速度增加气流速度，有利于混合气的均匀分配，气流速度的增加，最终将导致的下降，影响发动机功率的提高，因此空气气流速度不宜超过40-50m/s。d) 设计