内燃机课程设计说明书

车用汽油机热力设计 中南大学中南大学 内燃机课程设计内燃机课程设计 说说 明明 书书 课课 题题 车用汽油机热力设计 学学 院院 能源科学与工程学院 学生姓名学生姓名 罗紫英 指导教师指导教师 蒋受宝 专业班级专业班级 热动工程试验 1301 班 学学 号号 2016 年 9 月 9 日 车用汽油机热力设计 目目录录 课课程程设设计计任任务务书书 1 方案选择及总体设计 1 1 1 汽油机主要参数的确定 1 1 1 1 冲程数的选择 四冲程 1 1 1 2 气缸数和布置方式的选择 六缸 直列式 1 1 1 3 行程及其缸径的比值 3 1 1 4 缸径和行程 4 1 1 5 活塞平均速度 4 1 1 6 气缸中心距及其与缸径的比值 4 1 1 7 曲柄半径和连杆长度比 5 1 1 8 燃烧室的选择 6 1 1 9 压缩比 6 1 1 10 发火次序的选择 7 1 2 汽油机的总体布置 8 1 3 本章小结 9 2 热计算与热平衡 10 2 1 热计算 10 2 1 1 燃料燃烧及成分确定 10 2 1 2 周围介质参数和剩余气体 12 2 1 3 进气过程 13 2 1 4 压缩过程 15 2 1 5 燃烧过程 16 2 2 工作循环参数 18 2 2 1 发动机指示指标 18 2 2 2 发动机有效指标 19 2 2 3 发动机的部分重要参数 20 2 3 示功图的绘制 21 2 4 热平衡 23 2 5 外特性计算及曲线绘制 25 2 6 本章小结 28 3 活塞计算 29 3 1 概述 29 3 2 2 活塞铝合金材料 31 3 3 活塞的传热结构与导向结构 31 3 3 1 活塞的传热结构 31 3 3 2 活塞的导向结构 32 3 4 活塞传力结构与活塞销 32 3 4 1 活塞销的刚度及尺寸 32 3 4 2 活塞的传力结构 32 3 4 3 活塞销的结构与材料 33 3 5 活塞的密封结构与活塞环 33 车用汽油机热力设计 4 参考文献 34 车用汽油机热力设计 内内燃燃机机课课程程设设计计任任务务书书 一 题目 一 题目 车用汽油机热力设计车用汽油机热力设计 二 给定参数 二 给定参数 1 发动机排量 3 2L 2 汽油重量成分 C 0 855 H 0 145 O 0 000 3 汽油的低位发热值 Hu 43070kJ kg 三三 设设计计内内容容 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 绘制连杆零件图 A2 四 设计要求四 设计要求 1 编写设计计算说明书一份 1 2 万字左右 20 25 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 车用汽油机热力设计 第 0 页 1 1 方案选择及总体设计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 1 1 汽油机主要参数的确定汽油机主要参数的确定 1 1 11 1 1 冲程数的选择冲程数的选择 四冲程四冲程 二冲程汽油机和四冲程汽油机相比 尽管当二冲程发动机的工作容积和转 速与四冲程发动机相同时 在理论上它的功率应该是四冲程的两倍 且因其做 功频率较高 其工作运转较均匀平稳 并且其构造简单 质量小 使用方便 但同时二冲程相比四冲程有以下主要缺点 1 二冲程汽油机的热负荷比较高 特别是活塞组的热负荷比较高 活塞 顶的平均温度比四冲程汽油机约高 50 60 而且气缸内压力总是大于一个大 气压 使活塞环在环槽中活动性减小 积碳不易排除 容易使活塞环失去工作 能力 由于作用在轴承上的负荷是单向的 这对润滑不利 使二冲程汽油机的 使用可靠性与寿命不如四冲程汽油机 2 二冲程汽油机换气质量差 使燃烧条件变差 同时带动换气泵也需要 消耗一部分功率 且有一部分新鲜可燃混合气随同废气排出 因此其燃油经济 性比较差 3 二冲程汽油机热负荷较高 因而对机油质量要求比四冲程汽油机高 由于机油容易窜入扫气孔和排气孔边缘 随气流进入气缸燃烧或从排气管排出 因此 机油的消耗率较大 4 高压泵与喷油嘴的工作较繁重 寿命较短 此外 二冲程汽油机的噪 音 排气污染都比四冲程汽油机严重 因此 在本设计中选四冲程汽油机 因此 在本设计中选四冲程汽油机 4 车用汽油机热力设计 第 1 页 1 1 21 1 2 气缸数和布置方式的选择气缸数和布置方式的选择 六缸 直列式六缸 直列式 发动机的汽缸数和气缸布置方式 对其外形尺寸 平衡性和制造成本等都 有很大影响 汽车发动机是按发动机排量分等级的 例如 1L 2L 2 5L 等指的 就是发动机的排量 由于发动机排量等于气缸的排量与气缸数的乘积 而气缸 排量又是活塞顶面面积与发动机活塞行程的乘积 所以 在发动机排量相等的 条件下 气缸数越多 每一气缸的尺寸就越小 零件尺寸也小 在给定的功率 要求下 如果平均有效压力和活塞平均速度不变 则内燃机的升功率和缸数的 平方成正比 也就是说多缸发动机比较紧凑轻巧 往复质量平稳性好 转矩匀 称性得到改善 使多缸发动机运转平顺 而且启动容易 加速响应性好 同时 发动机的转速也可以高些 升功率也提高 但是 随着气缸数的增加 发动 机零件数量增加 结构复杂 可靠度下降 质量和尺寸相对增大 制造成本也 相应提高 汽车发动机的气缸数量有 2 缸 3 缸 4 缸 5 缸 6 缸 8 缸 12 缸等 其中 3 4 6 8 缸最多 对汽车发动机来说 一般采用 两种气缸排列方式 一种是单列式 亦称 L 式 其特点是结构简单 可 以使用一个整体式气缸盖 单列式 发动机可以是气缸直列的 即直列 式发动机 也可以是斜置式或水平安置的 图 1 1 直列式 图 1 2 V 形 发动机中气缸直列的和斜置的比较多 另 外一种气缸排列方式是两列气缸成 V 型布置的 V 型发动机 其特点是总体结构比较紧凑 由于发动机的长度和高度 尺寸比较小 在汽车上布置起来比较方便 缺点是机体形状比较复杂 至少需 要使用两个气缸盖 所以制造成本较高 当 V 型夹角为 180 时 则称对置式 发动机 在汽车里用得较少 六缸以下的发动机绝大多数是单列的 其气缸轴线坐在平面与地面垂直或 倾斜的角度 后者是为了降低发动机的总高度多用于小轿车 气缸轴卧式内燃 机 机器总高度大大减小 可以布置在汽车底盘中部的车厢地板下面 有利于 改善汽车面积的利用率 视野性 操作性和机动性好 适用于大型客车和重型 车用汽油机热力设计 第 2 页 货车 排量 1L 以下的轿车发动机绝大多数是 L3 发动机 单列式 3 缸发动机 而排量在 1L 和 2L 且发动机前置并前驱的轿车和轻型货车大多数采用 L4 发动机 L5 发动机常用在发动机前置 而用 L4 发动机长度太小 用 L6 发动机长度又太 长的场合 但 L5 发动机平衡性差 需加上一套比较复杂的平衡机构 所以相对 来说 用的比较少 L6 发动机常用在排量为 2L 3L 的中高级轿车的增压发动机 和中型以上的各种客货载重车的自然吸气和增压发动机上 其平衡性比 4 缸 5 缸都要好 增压时对排气脉冲的利用率也最好 V 型排列 发动机空间利用率高 且很好的降低了工作重心 有利于提高 汽车的操控性 和平衡性 60 夹角的 V 型机是现在比较普遍的 由于夹角比 90 的 V 型机要小 所以曲轴受发动机的剪力要小些 所以曲轴制造相对简单 些 90 的 V 型机 奔驰新 S 级装备的 V6 机 承受的剪力就要大些 但是它 的好处是可以降低发动机的高度 从而降低整个发动机仓的高度 也就有益于 降低整个车身的重心 这对于提高汽车的操控性能是很好的 本次采用本次采用 6 缸 即缸 即 i 6 直列式内燃机 直列式内燃机 1 1 31 1 3 行程及其缸径的比值行程及其缸径的比值 行程 S 及其缸径 D 的比值 S D 是对汽油机结构和性能有重大影响的参数 合理地选择 S D 应考虑以下因素 1 选用较小的 S D 可减小汽油机的高度 宽度和重量 2 S D 减小是 汽油机的转速可增加 提高了汽油机的升功率 但增加了 运动件的惯性力和汽油机的噪声 3 S D 比值过小 特别是对直喷式燃烧室的汽油机 为保持一定的压缩比 以及燃烧室容积与压缩容积比值 必将使活塞与气缸盖之间需要更小的间隙 这就增加制造上的困难 入间隙不能保证 将使发动机各性能指标难以达到 一般汽车用 V 型汽油机大多选用较小的 S D 值 直列式采用较大的 S D 值 即使汽车型号相同时 也可以采用不同的行程 以满足不同用途的需要 目前高速柴油机来说 S D 值在 0 9 1 15 范围内 中速柴油机为 1 1 25 低 速柴油机则为 1 6 2 2 汽油机的 S D 则在 0 8 1 2 范围内 参考文献 1 车用汽油机热力设计 第 3 页 本次采用的是本次采用的是 S D 1 10 1 1 41 1 4 缸径和行程缸径和行程 由 代入 S D 1 10 i 6 V 3 2L 得 SiDV 2 4 1 D 85mm S 94mm 1 1 51 1 5 活塞平均速度活塞平均速度 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 m V 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 活塞平均速度可由公式 Sn 30 求得 m V m V 本设计取 额定转速额定转速 n 5000rpm 可得本设计活塞平均速度为 15 7m s m V 怠速转速怠速转速 n 900rpm 可得本设计活塞平均速度为 2 82m s m V 最大扭矩转速最大扭矩转速 n 2500rpm 可得本设计活塞平均速度为 7 83m s m V 最大功率 速度 工况最大功率 速度 工况 n 6000rpm 可得本设计活塞平均速度为 18 8m s m V 提高活塞平均速度受到下列因素的限制 提高活塞平均速度 使运动件的惯性力增大 同时活塞 气缸和气缸盖的 热负荷也相应增加 提高活塞平均速度使汽油机零件的磨损加快 缩短了汽油机的大修期 活塞平均速度的提高 使摩擦功率损失迅速增加 机械效率降低 燃油消 耗率升高 进 排气阻力随着活塞平均速度的提高而增加 使充气效率降低 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 车用汽油机热力设计 第 4 页 1 1 61 1 6 气缸中心距及其与缸径的比值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 hLLL2 210 式中 为气缸中心距单位 mm 为主轴承长度单位 mm 为曲 0 L 1 L 2 L 柄销长度单位 mm h 为曲柄臂厚度 mm 2 气缸套型式和水套的布置 3 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 目前高速汽油机缸心距有缩小的趋势 目前汽油机 的 D 值 其值一般在 1 16 1 22 之间 参考文献 6 本次设计取 1 20 0 L 故本设计中故本设计中 D 取取 1 20 1 20 85 102mm 0 L 0 L 1 1 71 1 7 曲柄半径和连杆长度比曲柄半径和连杆长度比 曲柄半径和连杆长度比 即 是一项确定连杆长度的重要参数 l R 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 车用汽油机热力设计 第 5 页 小型高速化汽油机值较高 一般在 0 27 0 31 之间 参考文献 6 根据本机特点 根据本机特点 本设计选本设计选值为值为 0 3 由活塞行程 S 可知 曲轴半径 R S 2 94 2 47mm 可知连杆长度 l R 47 0 3 156 67mm 1 1 81 1 8 燃烧室的选择燃烧室的选择 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 车用汽油机的典型燃烧室形状有以下类型 1 楔形燃烧室 这是车用汽油机采用比较广泛的燃烧室 这种燃烧室有 较高的动力性和经济性 但由于混合气过分集中在火花塞处 使初期燃烧速率 和压力升高比大 工作显得粗暴一些 2 浴盆形燃烧室 有挤气面积 但由于燃烧室的形状 挤气的效果比较 差 火焰传播距离比较长 燃烧速率比较低 燃烧时间长 且浴盆形燃烧室的 面容比 F V 较大 对 HC 的排放是不利的 但压力升高比低 工作柔和 NOx 排 放低 3 碗形燃烧室 全部机加工而成 有精确的形状和容积 燃烧室表面光 滑 紧凑 挤流效果好 压缩比可高达 11 4 半球形燃烧室 由于具有弧形气缸盖而特别适合于二冲程汽油机 因 此各种用途的二冲程汽油机都采用半球形燃烧室 5 其他燃烧室类型 综上所述 设计采用综上所述 设计采用半球型燃烧室半球型燃烧室 1 1 91 1 9 压缩比压缩比 压缩比直接影响汽油机的性能 机械负荷 启动性能以及主要零件的结构 尺寸 在一定范围内 汽油机的热效率随压缩比的增加而提高 增大压缩比也 可使汽油机的启动性能得到改善 但压缩比的提高将使气缸最高爆发压力相应 车用汽油机热力设计 第 6 页 上升 机械负荷增加 对汽油机的使用寿命有影响 选择最佳压缩比应综合分析燃烧室的型状 热效率 启动性能和机械负荷 等方面的影响 目前 车用汽油机的压缩比 大多在 6 12 之间 根据国内外市 场上本机型的技术特点 本设计取本设计取值为值为 9 0 1 1 101 1 10 发火次序的选择发火次序的选择 汽油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 随着气缸数目的增加 汽油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 就决定了汽油机的平衡情况 2 扭转振动性能 在不同的共振转速下 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 而相对矢量的大小部分地决定于单缸切向力简谐分量 相对值的大小 并和扭振形式有关 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 根据本机特点 根据本机特点 设计选取的发火次序为 设计选取的发火次序为 1 5 3 6 2 4 现将本设计的方案选择列表如下表 1 1 表 1 方案选择结果 技术参数技术参数选择结果选择结果技术参数技术参数选择结果选择结果 气缸数 i6行程缸径比 S D1 10 活塞平均速度 1 smVm 15 7气缸布置型式单列直列式 冲程数 4气缸中心距 mm102 车用汽油机热力设计 第 7 页 中心距缸径比DL 0 1 20压缩比 9 0 连杆长度与曲柄半径比 0 3发火次序1 5 3 6 2 4 活塞行程 S mm94 1 2 汽油机的总体布置汽油机的总体布置 1 汽油机总体布置的一般要求如下 汽油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 经常需要保养的零部件 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 多种用途汽油机的 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 汽油机的总体布置如下 汽油机的总体布置如下 1 凸轮轴的布置 直列式汽油机凸轮轴的横向位置 在不与曲柄连杆机构相碰的条件下 应 尽可能靠近 气缸中心线 本设计凸轮轴布置在气缸盖上部 直接驱动气门 其 配气结构质量最小 适用于高速汽油机 2 喷油泵的布置 本设计采用一只整体泵 布置在汽油机的侧面 喷油器和喷油泵布置在同 侧 缩短高油管的长度 3 齿轮传动机构的布置 由于传动齿轮布置在自由端的优点是曲轴前轴直径小 齿轮尺寸比较小 拆装方便 便于维护保养 多用于中小功率汽油机 故本设计采用此种布置方 式 4 机油泵的布置 机油泵的布置与其传动方法 机油管路布置以及汽油机的用途有关 本设 车用汽油机热力设计 第 8 页 计中机油泵布置在主轴承盖上 有主动齿轮通过惰齿轮传动 这种布置的优点 是机油泵无需油封机构 轴承润滑条件好 机油泵安装位置较低 汽油机启动 后 瞬时既能吸上机油 5 水泵的布置 本设计采用离心式水泵 为避免水漏人机体导致机油变质 在水泵体上设 有旁泄孔 漏出封水圈的水可有旁泄孔排出 以便及时发现漏水并加以检修 通常将水泵布置在汽油机的外部 1 3 本章小结本章小结 本章通过对汽油机重要参数的选择和总体布置两方面进行确定 并对确定 原因做出了详尽说明 得出了具体参数和发动机放入总体布置方式 汽油机方案为 四冲程水冷 设计行程缸径比为汽油机方案为 四冲程水冷 设计行程缸径比为 S D 1 10S D 1 10 活塞平均速 活塞平均速 度度 15 7m s 15 7m s 气缸布置型式为单列式 压缩比为 气缸布置型式为单列式 压缩比为 9 0 9 0 气缸中心距 气缸中心距Vm 102mm 102mm 曲柄连杆比为 曲柄连杆比为 0 3 0 3 为半球形燃烧室 发火次序为 为半球形燃烧室 发火次序为 1 5 3 6 2 1 5 3 6 2 0 L 4 4 车用汽油机热力设计 第 9 页 2 2 热计算与热平衡热计算与热平衡 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必要的 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 对于车用汽油机的热计算 其主要设计参数为六个气缸 i 6 热计算 用分析法可以有足够的准确程度来确定新设计的发动机的主要参数以及校核现 实工作汽油机实际循环的完善程度 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 数和剩余气体 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 热平衡 汽油机外特性计算等方 面 2 1 热计算热计算 2 1 12 1 1 燃料燃烧及成分确定燃料燃烧及成分确定 燃料的平均元素成分和分子量 C 0 855 H 0 145 O 0 000 燃料低位发热值 43070kJ kg u H 1 工质参数 工质参数 燃烧 1Kg 汽油燃料 理论上所必须的空气量 83 193 1 0 O H C g g g L 1 193 0145 0 3 855 0 0 513kgkmol kgkg ohc ohc 796 14 0145 0 3 855 0 41 34 1612 24 41 34 l0 车用汽油机热力设计 第 10 页 式中 分别为三种元素质量比 C g H g O g 过量空气系数 是燃烧 1kg 燃料时 实际空气量 L 与理论空气量之比 0 L 降低 值是强化发动机工作过程的有效方法之一 对于给定功率的发动机 减小过量空气系数 则可以减小气缸尺寸 但是随着 的降低 会引起燃烧不 完全 恶化了经济性 并增大发动机的热应力 汽油机的 取值范围一般是 0 8 0 96 之间 参考文献 9 本设计取 0 4 怠速 0 85 最大扭矩 0 95 额定工况 0 8 最 大转速 2 新鲜充量 0 513 01 LM kgkmol 3 燃烧产物单独成分数量 0 142 0 071kmol kg 02 208 0 1 1 2 12 L K C MCO 0 142 0 142 kmol kg 0 208 0 1 1 2L K MCO 0 001 0 071 kmol kg 00 208 0 1 1 2 2 2 L K K H MH 0 071 0 071 kmol kg 0 208 0 1 1 2 2 L K KMH 0 406 kmol kg 0 792 0 2 LMN 式中 0 208 为 1kmol 容积的空气中氧气所占的比例 0 792 为 1kmol 容积 的空气中氮气所占的比例 K 为常数 它与燃烧产物中含有的一氧化碳与 氢的 比例有关 汽油 K 0 45 0 5 参考文献 5 取 K 0 50 3 燃烧产物的总量 2222 2NHOHcoco MMMMMM 0 143 0 548 kmol kg 计算结果求得如下表 2 1 车用汽油机热力设计 第 11 页 表 2 1 燃烧产物的成分质量 2 1 22 1 2 周围介质参数和剩余气体周围介质参数和剩余气体 在非增压发动机工作时 参考本机特点及汽油机一般参考资料 选取参数 如下 周围介质压力 周围介质压力 ak MpPP1013 0 0 周围介质温度 周围介质温度 KTTK293 0 剩余气体温度剩余气体温度 KTr1000 残余废气的温度是根据发动机型式 压缩比 转速及过量空气系数等因素残余废气的温度是根据发动机型式 压缩比 转速及过量空气系数等因素 决定的 其值处于下列范围 汽油机决定的 其值处于下列范围 汽油机 900 1000k 这里取 这里取 KTr1000 在确定 Tr 的过程中必须注意到 当压缩比提高和工作混合气加浓时 残 余废气的温度便下降 而发动机曲轴转速升高时则 Tr 值升高 剩余气体压力 Pr 1 05P0 1 05x0 1013 0 106MPa 充气过程开始之前 发动机气缸里总是含有一定数量的残余废气 他们处 于燃烧室容积 V0 之中 剩余气体压力值影响因素有气门数量及气门布置形式 进排气通道的主阻力 配气相位 增压特征 发动机的高速性 负荷情况 冷 却系统及其他许多因素 随着发动机曲轴转速降低 残余废气压力明显地降低 根据一些内燃机教材上的经验 汽油机排气终点压力一般为 Pr 1 05P0 1 05x0 1013 0 106MPa na 0 L 1 M 2 CO M CO M OH M 22 H M 2 N M 2 M 9000 600 0 513 0 310 0 014 0 057 0 044 0 028 0 244 0 472 20000 850 0 513 0 440 0 050 0 021 0 061 0 011 0 345 0 609 50000 950 0 513 0 490 0 064 0 007 0 068 0 004 0 386 0 664 60000 800 0 513 0 410 0 043 0 028 0 058 0 014 0 325 0 581 车用汽油机热力设计 第 12 页 2 1 32 1 3 进气过程进气过程 为得到良好的发动机充气 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 0 20 这里取额定工况 T 20 1 进气的充气密度进气的充气密度 36 g 6 205 1 293287 101013 0 10 mkg TRP KKk 式中 进气充气密度 kg m Rg 为气体常数 Rg 287J kg K 其余符号如前 k 所述 2 进气压力损失进气压力损失 Pa 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 Pa 采用某些假设后可以有伯努利方程求得 MPa KBB 00797 0 2 10205 1 707 2 2 10 Pa 6 2 6 22 现代汽车汽油机在额定工况下 2 5 4 0 及 50 130m s 2 B 2 B 对于进气系统加工过的内表面 可以取 2 7 和 70m s 这是根 2 B 2 B 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 Pa Pk Pa 0 1013 0 00797 0 0933MPa 式中 Pa 为进气终了时压力 单位为 MPa Pa 为进气压力损失 单位 是 MPa 其他符号如前所述 3 剩余气体系数 残余废气系数剩余气体系数 残余废气系数 r 残余废气系数表征了汽油机气缸中燃烧产物的排净程度 值增大 r r 即表示进气过程中进入气缸的新鲜充量减少 若不考虑扫气及过后充气 045 0 106 0 0933 0 0 9 106 0 1000 20293 0 r ra r r PP P T T T 车用汽油机热力设计 第 13 页 式中 T0 为初始温度 单位为 K T 为标定速度工况上温度变化量 K 为压缩比 为剩余废气系数 其余符号如前所述 r 四冲程发动机的值与压缩比 进气终了时的工质参数 转速及其他许 r 多因素有关 随着压缩 及残余废气温度 Tr 增大而减小 随着残余废气压力 r 和转速 n 升高而增大 r 汽油机值处于下列范围之内 0 04 0 10 r 4 进气终了温度进气终了温度 K433 1 TTTT rrrka 式中 Ta 为进气终了温度 单位为 K 其余符号如前所述 Ta 值主要取决于工质的温度 残余废气系数 以及充量被加热的程度 在较 小的程度上也与残余废气的温度有关 现代四冲程发动机的进气终了温度的范 围为 320 400k 5 充量系数充量系数 充量系数是表征进气过程特征的最重要参数 它是进入气缸的实际新鲜充 量的数量 与气缸内温度与压力与周围介质或吸入气缸前的介质温度和压力相 等时 气缸工作容积中可能容纳的充量的数量之比 是衡量内燃机充气性能的 一个重要指标 不考虑扫气和过后充气的四冲程汽油机充量系数为 848 0 106 0 0933 0 0 9 1013 0 1 10 9 1 20293 293 1 1 1 PP PTT T a KK K 式中 为充量系数 其余符号如前所述 充量系数值的大小 主要取决于汽油机的冲程 高速性及配气系统的完善 车用汽油机热力设计 第 14 页 程度 各种型号的汽车发动机 在全负荷工作时其充量系数处于下列范围 之内 汽油机 0 70 0 90 参考文献 7 2 1 42 1 4 压缩过程压缩过程 压缩过程的计算 归结为求解压缩过程的平均多变指数 n1 压缩终了参数 PG 及 TG 以及确定压缩终了时工质的比热 tc tv mc 0 1 压缩绝热指数和多变平均指数压缩绝热指数和多变平均指数 在汽油机的标定工况工作时 可以取压缩多变指数近似的等于绝热指数 在 9 0 Ta 343 条件下 取多变平均指数 n1 1 37 2 压缩终了压力和温度压缩终了压力和温度 压缩终了压力 MPa PP n G 938 10 90933 0 73 1 a 1 式中 PG 为压缩终了压力 单位为 MPa 其余符号如前所述 压缩终了温度 73K7 0 9433 TT 73 0 1 n aG 1 式中 为压缩终了温度 其余符号如前所述 G T 3 压缩终点平均摩尔比热压缩终点平均摩尔比热 1 新鲜混合气体 空气 查文献 7 可知 20 6 2 638 10 3tG tc tv mc 0 20 6 2 638 10 3 773 273 21 92kJ Kmol 式中 为新鲜混合气体平均摩尔比热 单位 KJ Kmol 其余符号 tc tv mc 0 如前所述 2 剩余气体 车用汽油机热力设计 第 15 页 由 0 95 tG 500 查表可知 24 83 kJ Kmol tc tv mc 0 3 工作混合气 按文献 7 工作混合气的平均摩尔比热可按下列方程求解 1 1 0 0 0 ccc t tv t t v t tv mcmcmc Col2 045kJ Km24 832504 0 9221 504 01 1 式中 为工作混合气平均摩尔比热 其余符号如 tc tv mc 0 0 KmolKJC 前所述 2 1 52 1 5 燃烧过程燃烧过程 1 汽油机理论混合气分子变更系数 355 1 49 0 664 0 1 2 0 M M 2 汽油机实际混合气分子变更系数 340 1 504 01 504 0355 1 1 0 3 汽油机工作混合气燃烧的热量 113KJ Kmol84 504 01 49 0 43070 1 1 M H H u cmpa 式中 Hu 为汽油机燃料低热值 Hu 43070KJ kg 其余符号如前所述 4 汽油机燃烧产物平均摩尔比热 z o zz t tvHOH t tvCOCO t tv mcMmcMMmc 1 0 2 220220 0220220 zzZ t tvHN t tvHH t tvCOCO mcMmcMmcM 19 618 0 00165 z t 车用汽油机热力设计 第 16 页 8 315 27 933 0 00165 z 0 p t t mc z 0 t tv mc z t 汽油机发动机在全负荷工作时在 0 8 0 95 范围内变动 取 0 9 汽油 z z 机压力升高比主要取决于燃料循环供给量和燃烧室形状等因素 燃烧最高压力 最高不超过 11 12MPa 汽油机的压力升高比一般在 3 2 4 2 之间 本设计取 3 6 参考文献 7 5 燃烧过程终了温度 燃烧过程终了温度计算公式为 z tz tPG t tVcmpaz tmctmcH 0 0 2270 315 8 c 式中 tz 为燃烧终了温度 K 为实际混合气变更系数 为压力升高比 其 余符号如前所述 代入数据得到 C2497 0016 02 79717 500016 0427 93327 933 2 z t KT zz 2770273t 6 汽油机最高燃烧压力 PZ PG 3 6 1 893 6 81MPa 式中 PZ 为最高燃烧压力 MPa 其余符号如前所述 7 汽油机预胀比 初期膨胀比 331 7736 3 277034 1 G z T T 式中 为汽油机预胀比 其他符号如前所述 2 1 62 1 6 膨胀过程膨胀过程 汽油机过后膨胀比 6 77 33 1 09 汽油机平均膨胀绝热膨胀指数和膨胀多变指数用以下方式选取 在标定工 况下 考虑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 取平 车用汽油机热力设计 第 17 页 均多变系数 25 1 n2 得到汽油机膨胀终了压力和温度 62MPa 0 6 77 6 81 52 1 b 2 n Z P P 式中 Pb 为膨胀终了压力 MPa 其余符号如前所述 汽油机膨胀终了温度 K T T n z b 1717 6 77 2770 1 52 11 2 式中 Tb 为膨胀终了温度 K 其余符号如前所述 取汽油机剩余气体温度校核 K P P T T b b 953 106 0 62 0 7171 33 计算两者误差为 4 93 100 953 1000953 根据资料知道 允许误差为5 所以 误差在允许范围内 2 2 工作循环参数工作循环参数 2 2 12 2 1 发动机指示指标发动机指示指标 1 理论平均指示压力 MPa nn P P nn G i 1 08 0 9 1 1 173 1 1 0 9 1 1 125 1 6 3 0 8 938 1 1 1 1 1 1 1 1 1 173 1125 1 1 1 1 2 12 式中 Pi 为理论平均指示压力 MPa 其余参数如前所述 2 汽油机平均指示压力 取丰满系数 0 97 参考文献 7 则 n 车用汽油机热力设计 第 18 页 0 97 1 08 1 05MPa ii PP n 3 汽油机指示效率 34 0 848 0205 107 43 59 0796 141 05 0 rku i i H lP 式中 为汽油机指示效率 为平均指示压力 MPa 为过量空气系 i n i P 数 l0 为所需理论空气量 其余符号如前所述 4 汽油机指示燃料消耗率 hKWg H g iu i 45 82 34 007 43 36003600 式中 gi 为指示燃料消耗率 g KW h 其余符号如前所述 2 2 22 2 2 发动机有效指标发动机有效指标 1 机械损失的平均压力 mm VP0152 0049 0 MPa882 05 710152 0049 0 式中 Pm 为机械损失平均压力 MPa 其余符号如前所述 2 汽油机平均有效压力和机械效率 平均有效压力 mie PPP 1 05 0 288 0 762MPa 式中 Pe 为平均有效压力 MPa 其余符号如前所述 机械效率 72 6 100 1 05 762 0 i e m P P 式中 为机械效率 其余符号如前所述 m 3 汽油机有效效率和有效燃烧效率 有效效率 24 68 100 0 7260 34 m ie 车用汽油机热力设计 第 19 页 式中 为有效效率 其余符号如前所述 e 有效燃料消耗率 hKWg H g eu e 338 7 2468 007 43 36003600 式中 为有效燃料消耗率 其余符号如前所述 e g g kw h 2 2 32 2 3 发动机的部分重要参数发动机的部分重要参数 1 活塞面积 2 22 5671 625mm 4 853 14 4 D Fn 式中 Fn 为活塞面积 mm2 其余符号如前所述 2 活塞平均速度 sm Sn V 15 7 30 50001049 30 3 m 式中 vm 为活塞平均速度 m s n 为曲轴转速 r min 其余符号如前 所述 3 有效功率 KW nVP N e e 101 6 430 50002 3762 0 30 n 式中 Ne 为有效功率 KW 其余符号如前所述 4 扭矩 mN n N M e e 194 14 500014 3 101 63000030000 式中 Me 为发动机扭矩 N m 其余符号如前所述 5 耗油量 GT Ne ge 101 6 338 7 10 3 34 4kg h 式中 GT 为油耗量 kg h ge 为有效燃料消耗率 g KW h 其余符号如 前所述 6 发动机的升功率 车用汽油机热力设计 第 20 页 LKW V N N n e n 31 75 2 3 101 6 式中 Nn 为发动机升功率 KW L 其余符号如前所述 2 3 示功图的绘制示功图的绘制 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 MS 1 选取压力的比例尺 MP 0 08 示功图上相当于气缸工作容积的长度为 S MS 94mm 示功图上相当于燃烧室容积的长度为 mm M S S 11 75 10 9 49 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 V0 和总 容积 Va 之间的中间容积各点的技术按多变曲线方程 PVn1 常数进行 1 示功图最大高度 点 Z 和 Z 和按纵坐标轴线 Z 点的位置 85mm 08 0 6 81 P Z M P 式中 MP 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 1 n Xaax PP VV 式中 为压缩多变曲线各点容积 mm3 Px 为压缩多变曲线各点压力 X V MPa 在在 1 9 0 之间变化 xa VV 3 膨胀多变曲线各点计算公式 2 n Xbbx PP VV 式中 为压缩多变曲线各点容积 mm3 Px 为压缩多变曲线各点压力 X V MPa 在在 1 9 0 之间变化 xb VV 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 车用汽油机热力设计 第 21 页 将示功图个点计算结果列表 2 1 表 2 2 如下 表 2 1 压缩多变曲线各点 点 0 N 计算点横坐标 mm a x V V 1 n a x V V mm x p P M MPa x P 111 759 020 2923 631 89 213 228 017 2720 131 61 315 117 014 3816 751 34 417 636 011 4413 381 07 521 155 09 0710 630 85 626 444 06 687 750 62 735 253 04 505 250 42 852 882 02 583 000 24 9105 751 011 130 09 表 2 2 膨胀多变曲线各点 点 0 N 计算点横坐标 b x V V 2 n b x V V x p P M x P 111 759 0 15 59120 889 67 213 228 0 13 45104 258 34 315 117 0 11 3988 257 06 417 636 0 9 3972 755 82 521 155 0 7 48584 64 626 444 0 5 6643 8753 51 735 253 0 3 9530 6252 45 852 882 0 2 3818 51 48 9105 751 0 17 750 62 示功图绘制如图 2 1 所示 车用汽油机热力设计 第 22 页 图 2 1 汽油机示功图 2 4 热平衡热平衡 1 加入汽油机的燃料的总热量 sJ GH Q Tu 411558 6 3 34 443070 6 3 0 式中 为燃料总热量 J s 为油耗量 kg h 为汽油燃料低热值 0 Q G u H J kg 2 汽油机单位时间内有效功相当的热量 sJNQ ee 101600101 610001000 式中 Qe 为有效功相当的热量 J kg 其余符号如前所述 3 汽油机传给冷却介质的热量 1 21 mm b nCiDQ 式中 为发动机传给冷却介质的热量 J kg C 为比例系数 查文献 b Q 7 知道 四冲程发动机 C 0 45 0 53 m 为幂指数 四冲程发动机 m 0 6 0 7 其余符号如前所述 取 C 0 5 m 0 65 则可以得到 sJQb 110000 95 0 1 50005 865 0 65 065 021 车用汽油机热力设计 第 23 页 4 废气带走的热量 6 3 00 1 2k t tp t tpr tmCMmCM G Q k r T 式中 为废气带走的热量 J kg 其余符号如前所述 r Q 680273953273 Tt 在时 查表可得 6800 95 T 91 42 0 t tV mc 33 228 3124 91 0 t tP mc 在 时查文献 1 运用插值法得到 0 95 27329327320 kk tT 0 00 22 1776 8 31530 493 k kk t vt tt ptvt mc mcmc SJQ 140473 20493 3049 068022 33664 0 6 3 34 4 5 其它热损失 SJ QQQQQ rbeOCT 59485140473110000101600 411558 0 式中 为其它热损失 J s 其余符号如前所述 OCT Q 对发动机热平衡进行分析 并计算出各部分热量占输入燃料的总热量的百 分比 有助于设计时有针对性的降低热消耗 从而提高发动机的整机热效率 热平衡组成表如下表 2 3 所示 表 2 3 热平衡组成 热平衡组成 Q J s 1 百分比 有效功当量的热量24 69 传给冷却介质26 73 废气带走31 02 其他热损失 59485 34 13 车用汽油机热力设计 第 24 页 发动机燃料 100 2 52 5 外特性计算及曲线绘制外特性计算及曲线绘制 在绘制新设计的发动机外特性时 常常利用热计算的结果 而所进行的热 计算是针对着发动机满负荷工作的一些规范 但是这个速度特性的计算方法只 有按发动机在不该速度工况上工作的一系列参数 在具有足够完整实验数据的 情况下 才能得出可靠结果 按发动机工作的一个工况 最大功率功功率工况进行热计算的结果和利 用经验关系的曲线 可以绘制发动机外特性并具有足够的精确性 进行外特性曲线的绘制 以汽油发动机的不同转速取各个工况点 变化范 围从 nmin 600 1000r min 到 nmax 1 05 1 20nN 最高曲轴转速受限于 工作过程质量历程的条件 零件的热应力及惯性力 的容许值等 最低的 在满负荷时有发动机稳定工作条件确定 1 有效功率曲线的计算点每经过 500 1000r min 按以下经验关系式来确定 1 2 N x N x N xe ex n n n n n nN N 2 有效扭矩曲线的点按以下公式确定 x ex ex n N M 4 103 3 计算点的平均有效压力按以下公式确定 xn ex ex nV N P 30 4 活塞平均速度 x x mx n Sn V0031 0 103 4 5 机械损失平均压力 mxMx VP0152 0 049 0 6 平均指示压力曲线按公式求出 Mxextx PPP 车用汽油机热力设计 第 25 页 7 指示扭矩计算点由公式确定 3 10 zix ix VP M 8 燃料有效油耗率 2 12 1 2 N x N x eNex n n n n gg 9 每小时油耗量 3 10 exexTx NgG 在汽油发动机按速度特性工作时 随着转速的提高值有些变稀 汽油机 x 的过量空气系数一般取 可取值为线性变化 min 0 90 9 0 50 86 nN x 则得到所有计算点用的值 x 10 充量系数 K exxex Vx glP 3600 0 计算各特性点数据整理为表 2 4 表 2 4 外特性曲线各特性点数据 1 min rnxKWNex mNM ex MPaP ex 1 smVmx 11 hKWggex 1 hkgGTx 100023 57225 190 883 10338 707 98 200050 39240 730 946 20298 0615 02 300075 59240 730 949 30284 5121 51 400094 28225 200 8812 40298 0628 10 5000101