柴油机活塞课程毕业论文.doc

目 录 1 柴油机基本参数选定 1 1 1 柴油机设计指示 1 1 2 柴油机基本结构参数选用 1 2 近似热计算 4 2 1 燃料燃烧热化学计算 4 2 2 换气过程计算 5 2 3 压缩过程计算 5 2 4 燃烧过程计算 6 2 5 膨胀过程计算 8 2 6 示功图绘制 9 2 7 柴油机性能指标计算 10 2 8 三维建模 11 3 动力计算 13 3 1 活塞位移 速度 加速度 13 3 2 活塞连杆作用力分析 14 3 3 曲柄销载荷和连杆轴承载荷 16 参考文献 18 附表 19 1 柴油机基本参数选定 1 1 柴油机设计指示 设计一台新的四冲程非增压柴油机 必须提出设计指标 1 1 1 功率 Pe 有效功率是柴油机基本性能指标 Pe 由柴油机的用途选定 任务书已经指定所需 柴油机有效功率 Pe Pe 29 4Kw 1 1 2 转速 n 转速的选用既要考虑被柴油机驱动的工作机械的需要 也要考虑转速对柴油机自 身工作的影响 n 2000r min 1 1 3 冲程数 本设计中的车用柴油机都采用四冲程 即 4 1 1 4 平均有效压力 Pem 平均有效压力 Pem 表示每一工作循环中单位气缸工作容积所做的有效功 是柴油机的 强化指标之一 Pem 0 63MPa 1 1 5 有效燃油消耗率 be 这是柴油机最重要的经济性指标 影响柴油机经济性的因素很多 在设计中要仔 细分析 四冲程非增压柴油机 215 g kw h 285 g kw h 1 1 6 可靠性和寿命 可靠性和寿命是车用柴油机的基本要求之一 设计时必须提出具体指标 但本课 程设计从略 此外 设计指标还可能包括造价 排污 噪声等方面的因素 1 2 柴油机基本结构参数选用 由有效功率计算公式 1 1 30 e nViP P sem 可知由于 Pe Pem n 已选定 则柴油机的总排量也已选定 下一步设 s Vi 计应选定柴油机的基本结构参数 气缸直径 d 活塞行程 S 缸数 i 及其它一些参数 1 2 1 气缸直径 d 气缸直径 d 的选取影响柴油机的尺寸和重量 还影响柴油机的机械负荷和热负荷 任务书规定了车用柴油机的气缸直径 d qd 90mm 1 2 2 活塞行程 S 增大活塞行程 S 使活塞平均速度 Vm S n 30 提高 机械负荷加大 一般车用柴 油机的 Vm 14 米 秒 同时 S 也是柴油机基本结构指标 S d 的决定因素 车用柴油机 的 S d 1 0 1 3 估取 mm Vm s d 1 2108 s 307 2 14 nm sm s 2 0 687 4 s d VSL 1 2 3 气缸数 i 及气缸排列方式 由于设计任务书已指明 d 和 S 的值 因而满足功率要求可通过改变气缸数 i 实现 取 i 4 30 2 8 e em P i VsL Pn 2 8 4 07 s L i V 则 2 8 V0 7 4 s L L 2 110mm 110 901 22 4 s VS S dd 符合要求 301102000 307 3 14 m VSnm sm s 排列方式为直列四缸 1 2 4 连杆长度 L 与曲柄连杆比 R L 连杆长度加大 会使柴油机总高度增加 虽然连杆摆角减小 侧压力减小 但效 果不明显 而且连杆重量加大 往复运动质量惯性力加大 因而尽量采用短连杆 一 般 值在 1 3 1 5 之间 取 L 200mm 则 符合要求 R55 0 0 2750 2 SR mm L 11 35 1 2 5 气缸中心距 l0及其与气缸直径之比 l0 d l0 d 影响柴油机的长度尺寸和重量指标 设计时力求缩小 l0 d 的值 l0 d 值的影响 因素可从曲轴中心线方向的尺寸分配和气缸上部的尺寸分配两方面分析 一般其值为 1 2 1 6 取 I0 136mm I0 d 136 90 1 511 在 1 2 1 6 之间 1 2 6 压缩比 c 选用压缩比 c也就是选用燃烧室容积 选用压缩比时要考虑柴油机的经济性能 工作可靠性 冷启动性能等 任务书给定车用柴油机的 c在 18 23 选取 c 18 2 近似热计算 柴油机工作过程热计算是对柴油机各工作过程中工质的状态参数 主要性能指标 进行计算 并绘出示功图 通过热计算可以分析各工作过程的影响因素 找出提高动 力性和经济性的途径 又为动力计算 结构设计提供数据 柴油机实际循环热力计算 有近似热计算 简单计算法 和模拟热计算 电算法 二种 本设计要求进行近似热 计算 2 1 燃料燃烧热化学计算 2 1 1 理论空气量 L0 千摩尔 千克柴油 2 1 3241221 0 1 0 OHc ggg L 燃料采用轻柴油 则 L0 0 4946 kmol kg 87 0 c g126 0 H g004 0 o g 轻柴油低热值 Hu 41860 千焦 千克 2 1 2 新鲜空气量 M1 千摩尔 千克 2 2 0a1 LM 其中 过量空气系数 自选 a 8 12 1 a 取 则 M1 0 7419 kmol kg 1 5 a 2 1 3 燃烧产物 M2 千摩尔 千克 2 3 324 g 12 oH g MM 则 M2 0 7735 kmol kg 2 1 4 理论分子变更系数 0 2 4 1 2 0 M M 则 0 1 043 2 1 5 实际分子变更系数 1 2 5 r r 1 0 1 其中 r 残余废气系数 自选 r 0 03 0 06 取 则 0 04 r 1 1 041 2 2 换气过程计算 2 2 1 排气压力 气缸内废气压力 Pd Mpa 取 Pd 0 35MPa 0 3 0 4 d P 2 2 2 气缸内排气温度 残余废气温度 Tr Td 970 1170 K 取 Td 1000K 2 2 3 进气终点压力 Pa Mpa 取 Pa 0 090MPa095 0 075 0 a P 2 2 4 进气终点温度 Ta K 取 Ta 320K350 320 a T 2 2 5 充量系数 充气效率 c 2 6 ra d d a c c c T T P P 1 1 1 其中 之间 在 0 8 0 9 之间 9 0 8 0 a d d a T T P P0 090 1000 0 8036 0 35 320 ad da PT PT 9 08 0 c 在 0 8 0 9 之间 181 0 80360 8184 18110 04 c 2 3 压缩过程计算 2 3 1 平均多变压缩指数 n1 n1 1 34 1 39 取 n1 1 36 2 3 2 压缩过程中任意曲轴转角时的压力 画示功图时用 cx cx P MPa 2 7 1 n cx ca acx V V PP 其中 Vca 进气终点气缸容积 m3 2 8 c cc ca ca Sd V V 1 4 1 2 m3 2 4 0 090 110 4 187 410 10 181 ca V Vcx 对应于时的气缸容积 cx m3 2 9 ccxcxcx VRdV sin 2 cos1 4 22 式中 R 曲柄半径 R S 2 m 曲柄连杆比 R L 43 180 4118 10 sc c c VV Vm V Pcx 及 Vcx 见附表 3 1 2 3 3 压缩终点充量的状态参数 压力 MPa Pcb 4 586MPa 1n cacb PP 温度 K Tcb 905 8K 11 n cacb TT 2 4 燃烧过程计算 2 4 1 热量利用系数 Z 热量利用系数 Z表示燃烧热量被工质吸收多少的程度 由于不完全燃烧 传热 损失 高温分解 节流损失等因素 燃料燃烧所发出的热量中只有一部分被工质吸收 燃烧终点的热量利用系数 Z在此范围内选取 Z 0 80 0 88 选取0 85 z 2 4 2 燃烧最高压力 PZ 按结构强度及寿命要求选取 本设计中5 9MPa 自选 Z P 选取 7 z PMPa 2 4 3 压力升高比 2 10 Z cb P P 本设计中 在 1 4 1 8 之间 8 1 4 1 7 1 526 4 586 2 4 4 燃烧最高温度 Z T 1 工质的平均等容摩尔热容和平均等压摩尔热容间有如下关系 mv C kJ kmol K 2 12 313 8 mvmp CC 工质的平均等压摩尔热容 mp C 2 燃烧方程 2 13 ZmpZcbmpcb ra z TCTC L H 1 313 8 1 1 0 其中 压缩终点新鲜空气和残余废气混合气的平均等压摩尔热容 mpcb C 按下列方法进行计算 313 8 mvcbmpcb CC 2 14 r mvrmv mvcb CC C 1 式中 在温度下 空气的平均等容摩尔热容 可按 求出 mv C cb T a 再由 求出 mp C 313 8 mpmv CC 30 515 得 905 8K cb T mp C 30 5158 31322 202 v c 在温度下 残余废气的平均等容摩尔热容 可按值求出 mv C cb T a 再由 求出 mp C 313 8 mvmv CC 1 5 905 8K 得 a cb T 33 291 pm c 32 2918 31323 978 vm c 在温度下燃烧产物的平均等压摩尔热容 mpZ C Z T 22 2020 01 23 978 22 270 110 04 vmrvm vcbm r CC C 8 313 30 583 pcbmvcbm CC 3 燃烧最高温度的计算 Z T 由于与有关 而又是待定值 因而采用试凑法求解 即先假设一个 mpZ C Z T Z T 由过量空气系数求出 然后代入燃烧方程 反复试算 直到方程两边的值 Z T mpZ C 相差在 5 以内 假设 2073K 则 Z T 0 8 313 1 1 z pcbmcb ar H CT L 4 0 8541860 30 5838 3131 5261905 8 7 778 10 1 5 0 4946 1 04 4 1 1 041 2073 35 925 7 753 10 pZmZ CT 符合要求 44 4 7 778 107 753 10 a0 32 5 7 778 10 2 4 5 燃烧终点的体积和初期膨胀比 Z V 初期膨胀比 2 15 1 Z cb T T 燃烧终点容积 2 16 cZ VV 一般 7 1 1 1 在 1 1 1 7 之间 1 0412073 1 561 1 526905 8 m3 44 0 4118 101 5610 6428 10 z V 2 5 膨胀过程计算 2 5 1 平均多变膨胀指数30 1 25 1 2 n 取 n2 1 28 2 5 2 膨胀过程中任意曲轴转角时的气体压力 供画示功图时用 bx bx P 2 17 n V V PP bx Z Zbx 2 的计算方法与压缩过程中的类似 bx V cx V 2 5 3 后期膨胀比 2 18 c Z b V V 18 11 53 1 561 2 5 4 膨胀过程终点状态参数 压力 MPa n P P Z b 2 1 28 7 P0 3062 11 53 b 温度 1 2 n T T Z b 1 28 1 2073 1045 11 53 b TK 2 6 示功图绘制 2 6 1 理论示功图绘制 根据各过程计算结果可以绘制出柴油机实际循环的理论示功图 其中 燃烧过程 按等容 等压过程绘制 理论示功图的理论循环指示功按下式计算 1 L 2 19 s c c ca V n n n n n P L 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 12 1 1 36 1 28 11 36 1 0 090 181 526 1 561111 L1 526 1 561 1 110 7 1811 28111 531 36118 i 0 6186 按示功图上纵横坐标比例 压力值 格 容积值 格 可以算出对应的方格数 1 L o S 2 6 2 实际施工图绘制 理论示功图没有考虑下列因素的影响 因而必须进行修正得到实际的示功图 1 没有考虑进排气过程 虽然泵气损失并入机械损失 不计入指示功 但为了示 功图完整 根据进气终点压力和排气压力近似画出进排气过程线 a P r P 2 点火提前 喷油提前的影响 压力急剧升高应该从上止点前就开始 3 燃烧规律的影响 燃烧过程压力线应连续 圆滑 燃烧最高压力应出现在上止 点后 10 左右 4 排气阀提前开启的影响 在下止点前压力就开始下降 即压力线圆滑过渡到排 气线 整个过程的换气也应修圆 取进气提前角 30 进气迟闭角 40 喷油提前角 16 着火落后期 8 排气提前角 50 排气迟闭角 20 修圆后实际示功图的循环指示功比理论示功图小 计算因修圆而减少的方格数 1 S 即可求出示功图的丰满系数 f 2 20 0 10 S SS f 一般 99 0 92 0 f S0 156 S1 6 在 0 92 0 99 之间 f 1566 0 96 156 2 6 3 示功图的绘制 P 由示功图转换成示功图 VP P 1 计算法转换 对于任意曲轴转角 有气缸容积 V 2 21 c VR d V sin 2 cos1 4 2 2 2 作图法转换 按下图所示方法进行转换 图中 偏移量 2 1 R 24 d V m3 33 24 13 14 0 275055 10 90 10 0 4809 10 24 V A 画出的图应圆滑 压力升高率不应过大 否则重新修圆示功图 再 P ddP 转换成图 P 2 6 4 气体压力列表 按曲轴转角 5 间隔 列出气体压力随曲轴转角的变化表格 可合并在动力计 g P 算中列出 见附表 2 2 7 柴油机性能指标计算 2 7 1 平均指示压力 im P 2 22 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 12 1 n n n n n P V L P c c ca f s i fim Pim 0 8484MPa 2 7 2 指示功 指示热效率和指示耗油率 i P i i b kW Pi 39 59Kw 30 niVP P sim i cdu imda i PH PTL 0 313 8 0 4364 i g kW h bi 197 07 g Kw h ui i H b 3 103600 2 7 3 机械效率 m 的选取是热计算的关键 四冲程非增压柴油机的之间 计算中 m 85 0 78 0 m 不要偏离太远 2 7 4 有效功率 有效热效率 平均有效压力及有效油耗率 e P e em P e b 取 0 78 m Kw 30 88 eim PP 30 8829 4 a100 4 79 5 30 88 Kw 0 6617 emimm PP 0 66180 63 100 4 79 5 0 6618 a 在 0 3 0 4 之间 0 3464 eim g Kw h 在 215 285 之间 252 65 eim bb 2 8 三维建模 活塞建模简略过程 2 8 1 活塞整体建模 图 2 1 活塞整体建模 2 8 2 活塞销座建模 图 2 2 活塞销座建模 2 8 3 活塞裙部的建模 图 2 3 活塞裙部的建模 3 动力计算 课程设计中进行动力计算的目的 掌握柴油机动力计算的方法 确定有关零件的 运动 受力情况和轴承载荷情况 要求按曲轴 5 间隔计算 由计算结果画曲线图 注 意 一律以力的实际值计算 不要用单位活塞面积作用力 3 1 活塞位移 速度 加速度 对于活塞位移 速度和加速度的计算 由于周期性 只计算 0 360 度即可 若采 用手算 用近似公式计算 2 sin 2 cos1Rx 2sin 2 sin Rv 2coscos 2 Ra 其中 30 n l R 2 S R 计算可以列表进行 sin cos 2sin 2cos xva 若采用电子表格算 则应该用精确公式计算 cos1 1 cos1Rx cos sin Rv 3 2 2 cos cos cos cos Ra 其中 注意 加速度曲线应有四个极值点 sinarcsin 4 1 见附表 3 图 3 1 位移曲线 图 3 2 速度曲线 图 3 3 加速度曲线 3 2 活塞连杆作用力分析 3 2 1 计算公式 基本作用力 气体力 3 1 4 2 d PPP gg 其中 取自然计算结果 即修正后的实际缸内压力值 也就是图中的压 P P 力值 每个 5 度曲轴转角取一个 为曲轴箱内的气体压力 近似取 100 千帕 g P 运动零件惯性力 活塞组换算质量 实际质量 0 742Kg p m 连杆组换算质量 按两质量系统考虑 mc 0 981Kg lb 149 77mm 小头换算质量 mc 0 7346Kg c b ca m l l m 大头换算质量 mcb 0 2464Kg c a cb m l l m 和在零部件设计过程中已经求出 ca m cb m 往复运动惯性力 3 2 ammamP capjj 是活塞运动的加速度 a 连杆大头离心惯性力 2 RmP cbrc 连杆作用力 设 则有 ammPPPP capgjg 连杆小头气缸中心线方向作用力 amP pg 垂直气缸中心线方向 侧压力 其中 tgPPN sinarcsin 连杆大头曲柄旋转方向 切向力 cos sin PT 曲柄法向 法向力 3 3 2 cos cos RmKPPZ cbrc 习惯上令 3 4 cos cos PK 计算可以列表进行 g P j P P rc P N P sin T cos KZ 见附表 4 2 根据计算结果画出 T K 随的变化曲线 j P N P 图 3 4 T K 随的变化曲线 j P N P 3 3 曲柄销载荷和连杆轴承载荷 3 3 1 曲柄销载荷 曲柄销上作用有切向力和法向力 由作图法画出曲柄销载荷图 TZ rc PKZ 注意 作图时用 直接画出曲线图 并标出 同时必须在曲线上画出曲 TK rc P 柄形状及转向 标出曲轴转角 最大作用力及示意的表示出力的作用点等 此外 T K Prc 的作图比例必须相同 否则无法正确表示作用力方向 如下图所示 图 3 4 曲柄销载荷 3 3 2 连杆轴承载荷 用坐标变换法计算 3 5 cos sin ZTZ 3 6 sin cos ZTT 列表计算如下 sin cos TZ T Z 见附表 4 3 根据计算结果画出连杆轴承载荷图 参见下图的载荷形状示意图 同样要求在图 上画出连杆外形 标出曲轴转角 曲柄转向及力作用点的位置 图 3 5 连杆轴承载荷 参考文献 1 周龙保 内燃机学 2 版 北京 机械工业出版社 2005 2 袁兆成 内燃机设计 1 版 北京 机械工业出版社 2008 3 吴兆汉 内燃机设计 1 版 北京 北京理工大学出版社 1990 4 柴油机设计手册编写委员会 柴油机设计手册上册 1 版 北京 中国农业机械出版 社 1984 5 许锋 满长忠 内燃机制造工艺教程 1 版 大连 大连理工大学出版社 2006 附表 附表 1 压缩过程 角度容积 m 压缩压力 Mpa 180 0 00074097 0 0900 185 0 00074001 0 0902 190 0 00073711 0 0906 195 0 00073227 0 0915 200 0 00072550 0 0926 205 0 00071678 0 0942 210 0 00070612 0 0961 215 0 00069352 0 0985 220 0 00067899 0 1014 225 0 00066254 0 1048 230 0 00064421 0 1089 235 0 00062405 0 1137 240 0 00060210 0 1194 245 0 00057846 0 1260 250 0 00055323 0 1339 255 0 00052652 0 1432 260 0 00049849 0 1543 265 0 00046931 0 1675 270 0 00043918 0 1833 275 0 00040832 0 2024 280 0 00037697 0 2256 285 0 00034540 0 2541 290 0 00031388 0 2895 295 0 00028272 0 3337 300 0 00025221 0 3898 305 0 00022266 0 4617 310 0 00019440 0 5554 315 0 00016771 0 6789 320 0 00014291 0 8439 325 0 00012028 1 0669 330 0 00010008 1 3700 335 0 00008255 1 7802 340 0 00006791 2 3215 345 0 00005632 2 9943 350 0 00004795 3 7267 355 0 00004288 4 3384 360 0 00004118 4 5838 附表 2 膨胀过程 角度容积 m 膨胀压力 Mpa 365 0 00004288 11 75 370 0 00004795 10 19 375 0 00005633 8 29 380 0 00006791 6 52 385 0 00008256 5 08 390 0 00010009 3 97 395 0 00012029 3 14 400 0 00014292 2 52 405 0 00016772 2 05 410 0 00019440 1 70 415 0 00022267 1 43 420 0 00025222 1 22 425 0 00028273 1 05 430 0 00031389 0 92 435 0 00034541 0 81 440 0 00037698 0 73 445 0 00040833 0 66 450 0 00043919 0 60 455 0 00046932 0 55 460 0 00049850 0 51 465 0 00052653 0 47 470 0 00055324 0 45 475 0 00057847 0 42 480 0 00060211 0 40 485 0 00062406 0 38 490 0 00064422 0 37 495 0 00066255 0 35 500 0 00067899 0 34 505 0 00069352 0 33 510 0 00070612 0 33 515 0 00071678 0 32 520 0 00072550 0 31 525 0 00073227 0 31 530 0 00073711 0 31 535 0 00074001 0 31 540 0 00074097 0 31 附表 3 位移 速度 加速度 角度sin cos2 sin2 cos2 x m v m s a m s 00 00 1 00 0 00 1 00 0 0000 0 0000 3076 04 50 09 1 00 0 17 0 98 0 0003 1 2792 3057 35 100 17 0 98 0 34 0 94 0 0011 2 5425 3001 56 150 26 0 97 0 50 0 87 0 0024 3 7753 2909 54 200 34 0 94 0 64 0 77 0 0042 4 9624 2782 85 250 42 0 91 0 77 0 64 0 0065 6 0898 2623 42 300 50 0 87 0 87 0 50 0 0093 7 1444 2433 92 350 57 0 82 0 94 0 34 0 0124 8 1144 2217 61 400 64 0 77 0 98 0 17 0 0160 8 9892 1977 90 450 71 0 71 1 00 0 00 0 0199 9 7600 1719 24 500 77 0 64 0 98 0 17 0 0241 10 4198 1445 98 550 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