二冲程单缸内燃机

-.z.机械原理研究性专题设计报告课程名称：机械原理设计题目：二冲程内燃机设计院系：机械与电子控制工程学院班级：机电****班设计者：******指导教师：***设计时间：201*年*月**日至*月*日机电学院"机械原理"研究性专题任务书姓名：***〔组长〕机电****班***机电****班任务起至日期：201*年*月**日至201*年*月**日题目：二冲程内燃机设计设计要求及主要任务：按照内燃机的运动循环图，研究二冲程内燃机。机器的功能与设计要求：该机器的功能是把化学能转化成机械能。须完成的动作为：活塞的吸气，压缩，做功，排气4个过程，进，排气门的开关与关闭、燃料喷射。先用matlab完成运动分析，再用inventor进展建模，对汽车二冲程内燃机简历模型，完成运动模拟。工作方案安排：①*月**日-*月**日系统总方案的设计。②*月**日-*月**日matlab进展运动分析。③*月*日-*月**日inventor建模，运动模拟。④*月*日-*月**日完善方案，撰写报告。同组设计者及分工：***负责总方案设计，inventor建模，运动仿真，整体方案完善修改。***负责凸轮机构设计，并用matlab进展运动分析，辅助仿真。-.z.二冲程内燃机设计摘要内燃机是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。活塞式内燃机以往复活塞式最为普遍。活塞式内燃机将燃料和空气混合，在其气缸内燃烧，释放出的热能使气缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞作功，再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出，驱动从动机械工作。在机械技术日益成熟的今天，内燃机的设计与优化也显得格外重要。关键词：内燃机，二冲程，压缩，做功，排气，吸气目录摘要...............................................................................................................................................31概述.........................................................................................................................................61.1研究背景...........................................................................................................................61.2内燃机介绍.......................................................................................................................61.2.1曲柄连杆机构...........................................................................................................61.2.2配气机构燃料供应系统...........................................................................................61.2.3燃料供应系统...........................................................................................................71.2.4润滑系统...................................................................................................................71.2.5冷却系统...................................................................................................................71.2.6点火系统...................................................................................................................71.2.7起动系统...................................................................................................................71.3功能要求与原理分析功能要求与原理分析...................................................................81.3.1运动循环图...............................................................................................................81.3.2二冲程内燃机内部构造...........................................................................................101.3.3机构运动关系...........................................................................................................112总体方案设计曲柄滑块机构的选定...........................................................................................122.1曲柄滑块机构的选定.............................................................................................................122.2进气、排气机构的选定.............................................................................................................133机构尺寸综合及电机选型和控制.......................................................................................143.1进气、排气机构的尺寸确定...........................................................................................143.2曲柄滑块机构尺寸确实定.............................................................................................173.3传动齿轮的尺寸确定.....................................................................................................203.4电机选型和控制.............................................................................................................204机构运动分析.......................................................................................................................214.1曲柄滑块机构的运动分析.............................................................................................214.2进气、排气机构的运动分析...........................................................................................264.3凸轮分析...........................................................................................................................325总结.......................................................................................................................................345.1运行结果.........................................................................................................................345.2心得体会.........................................................................................................................35附录一：matlab程序清单...........................................................................................................37附录二:仿真图...........................................................................................................................391.概述1.1研究背景内燃机，是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。从2021年2月下旬我国机械工业行业市场交易情况可以看出，节后出现采购旺季。其中，内燃机以及配附件市场景气度回暖，以18%的市场交易份额位列第二位。分析认为，内燃机及配件制造是汽车、摩托车、船舶制造、工业机械以及农机等行业的配套产品，其产品性能必须满足下游行业的需要，同时这些行业的运行状况及景气程度将直接影响内燃机及配件产品的市场需求，具体分析如下：1、汽车用内燃机前景预测内燃机产品产量按配套使用用途预计，"十二五〞期间，预计车用内燃机年产量到达3000万台。2、摩托车及船舶用内燃机前景预测内燃机产品产量按配套使用用途预计，"十二五〞期间，年摩托车用汽油机到达2600万台。工程机械用内燃机前景预测"十二五〞期间，产品产量按配套使用用途预计，年工程机械用内燃机达100万台。为了加强内燃机的优化，采用凸轮式构造发动机，采用不同角度的效率最优化设计理念，从而保证效率的最高化。1.2内燃机介绍曲柄连杆机构曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。在作功行程中，活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并从曲轴对外输出动力。而在进气、压缩和排气行程中，飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。1.2.2配气机构配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气过程。配气机构大多采用顶置气门式配气机构，一般由气门组、气门传动组和气门驱动组组成。1.2.3燃料供应系统汽油机燃料供应系的功用是根据发动机的要求，配制出一定数量和浓度的混合气，供入气缸，并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中去；柴油机燃料供应系的功用是把柴油和空气分别供入气缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧，最后将燃烧后的废气排出。润滑系统润滑系统的功用是向作相对运动的零件外表输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。并对零件外表进展清洗和冷却。润滑系通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。1.2.5冷却系统冷却系统的功用是将受热零件吸收的局部热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。水冷发动机的冷却系通常由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成。1.2.6点火系统在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系，点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。1.2.7起动系统要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转，工作循环才能自动进展。因此，曲轴在外力作用下开场转动到发动机开场自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置，称为发动机的起动系。汽油机由以上两大机构和五大系统组成，即由曲柄连杆机构，配气机构、燃料供应系、润滑系、冷却系、点火系和起动系组成；柴油机由以上两大机构和四大系统组成，即由曲柄连杆机构、配气机构、燃料供应系、润滑系、冷却系和起动系组成，柴油机是压燃的，不需要点火系。往复活塞式内燃机的组成局部主要有曲柄连杆机构、机体和气缸盖、配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统、起动装置等。气缸是一个圆筒形金属机件。密封的气缸是实现工作循环、产生动力的源地。各个装有气缸套的气缸安装在机体里，它的顶端用气缸盖封闭着。活塞可在气缸套内往复运动，并从气缸下部封闭气缸，从而形成容积作规律变化的密封空间。燃料在此空间内燃烧，产生的燃气动力推动活塞运动。活塞的往复运动经过连杆推动曲轴作旋转运动，曲轴再从飞轮端将动力输出。由活塞组、连杆组、曲轴和飞轮组成的曲柄连杆机构是内燃机传递动力的主要局部。活塞组由活塞、活塞环、活塞销等组成。活塞呈圆柱形，上面装有活塞环，借以在活塞往复运动时密闭气缸。上面的几道活塞环称为气环，用来封闭气缸，防止气缸内的气体漏泄，下面的环称为油环，用来将气缸壁上的多余的润滑油刮下，防止润滑油窜入气缸。活塞销呈圆筒形，它穿入活塞上的销孔和连杆小头中，将活塞和连杆联接起来。连杆大头端分成两半，由连杆螺钉联接起来，它与曲轴的曲柄销相连。连杆工作时，连杆小头端随活塞作往复运动，连杆大头端随曲柄销绕曲轴轴线作旋转运动，连杆大小头间的杆身作复杂的摇摆运动。曲轴的作用是将活塞的往复运动转换为旋转运动，并将膨胀行程所作的功，通过安装在曲轴后端上的飞轮传递出去。飞轮能储存能量，使活塞的其他行程能正常工作，并使曲轴旋转均匀。为了平衡惯性力和减轻内燃机的振动，在曲轴的曲柄上还适当装置平衡质量。1.3功能要求与原理分析1.3.1运动循环过程通过运动循环图我们可以知道，内燃机的工作是由进气、压缩、燃烧膨胀和排气这四个过程来完成的，这四个过程构成了一个工作循环。活塞走过四个过程才能完成一个工作循环的内燃机成为二冲程内燃机。〔1〕吸气冲程此时，活塞被曲轴带动由上止点向下止点移动，同时，进气门开启，排起门关闭。当活塞由上止点向下止点移动时，活塞上方的容积增大，气缸内气体压力下降，形成一定的真空度。由于进气门开启，气缸与进气管相通，混合气被吸入汽缸。当活塞移动到下止点时，汽缸内充满了新鲜混合气以及上一个工作循环未排出的废气。空气由空气滤清器经进气道上的化油器，将汽油吸入并雾化成细小的油粒与空气混合，即形成可燃混合气，而后进入汽缸。〔2〕压缩冲程活塞由下止点移动到上止点，进排气门关闭。曲轴在飞轮惯性力的作用下带动旋转，通过连杆推动活塞向上移动，汽缸内的气体容积逐渐减小，气体被压缩，汽缸内的混合压力与温度随着升高。〔3〕做功冲程此时，进排气门同时关闭，火花塞点火，混合气剧烈燃烧，汽缸内的温度、压力急剧上升，高温、高压气体推动活塞向下移动，通过连杆带动曲轴旋转。在发动机工作的四个过程中，只有这个在行程才实现热能转化为机械能，所以，这个行程又称为作工行程。〔4〕排气冲程排气时，排气门翻开，活塞从下止点移动到上止点，废气随着活塞的上行，被排出气缸。将循环图转化为表格形式，可得：曲柄转过的角度活塞的运动0°～90°上止点到下止点，完成吸气冲程90°～180°下止点到上止点，完成压缩冲程180°～270°上止点到下止点，完成膨胀冲程270°～0°下止点到上止点，完成排气冲程1.3.2二冲程内燃机内部构造活塞连杆曲柄进气凸轮排气凸轮排气连杆气缸盖进气齿轮排气齿轮这是单缸二冲程的内燃机构造图，通过观察内燃机的构造，我们可以得知它主要的活动构件为活塞，连杆，曲柄，齿轮系，进气凸轮，排气凸轮，进气推杆和排气推杆，机架为气缸。其中经过我们的简化，在二冲程的内燃机工作过程中，是由以下几种常用机构共同完成的。对心曲柄滑块机构这个机构是内燃机工作的核心，其中活塞被简化为滑块，在起初的吸气冲程是曲柄带动活塞运动，因此为对心曲柄滑块机构。活塞在气缸中做往复运动。完成对气体的压缩等过程。因此运动形式为往复运动。对心直动滚子推杆盘形凸轮机构〔包括进气和排气〕这两个机构主动件为进气凸轮和排气凸轮，其从动件：进气推杆和排气推杆分别负责进气和排气，由运动图解可知，他们的运动状态是不同的，相差180°的行程角。该机构的运动形式也是往复运动，通过往复运动来完成气门开闭。齿轮齿轮系机构是内燃机正常运转的关键点，起传动作用，它协同前面的对心曲柄滑块机构和对心滚子直动盘形凸轮机构的运动，没有它就没有进气和排气的过程。1.3.3机构运动关系由运动循环图知，当活塞准备由上止点向下止点运动时，此时进气门开启，不久就开场吸气，当活塞运动到下止点时，进气门关闭，活塞又向上运动，开场压缩冲程，压缩过程中所有的气门均关闭。当活塞运动到上止点使，喷油嘴喷出雾状燃料，火花塞放电，点燃燃料，燃料迅速膨胀，使活塞想下止点运动，活塞的运动又带动与曲柄相连的飞轮，这便完成了做功冲程。做功冲程中所有气门也是关闭的。当活塞运动到下止点时，此时排气门翻开，进气门仍保持关闭，活塞再次向上止点运动，使燃烧后的废气排出。如此循环反复便把热能转化成了动能。对心曲柄滑块机构当曲轴在转动0°～90°的过程中，是进气冲程，在这个过程中，活塞由上止点运动到下止点，我们把上‚下止点间的距离叫做一个行程，则在第一个45°的过程中，活塞运动了一个行程。曲柄在转动90°～180°的过程中，是压缩冲程，活塞由下止点运动到上止点，完成第二个行程。曲柄转到180°～270°的过程中，这个过程是膨胀过程，既燃料燃烧后剧烈膨胀，使得活塞再次由上止点运动到下止点，完成了第三个行程。当曲轴转到270°～0°的过程中，此过程完成了排气过程，活塞又一次从下止点运动到上止点，完成第四个行程。曲柄的转动又带动了下一次的循环。对心直动滚子推杆盘形凸轮机构从运动循环图可以得出，进气推杆在排气冲程未完全完毕的时候便进入回程阶段，而在进气冲程完全完毕后再过一会才进入远休止。而排气推杆也是在膨胀冲程未完全完毕的时候便进入回程阶段，在排气冲程完毕后再过一会才关闭。这样做的目的是为了获得更大的进气量，如果活塞在抵达下止点的时候也不关闭进气门，就会有更多的进气量，只要吸气行程依旧存在的话，就让进气气门继续开启。因此，在活塞运行到了底部并再运行约30度曲轴角之后，进气推杆的才到达推程，即进入远休止。因此，排气推杆应更早一些进入回程阶段，即在活塞抵达下止点，还剩30度时曲柄角之前，排气推杆就进入回程阶段。进气推杆则在再次进展半个冲程之前的5-10度就进入回程阶段，从而使更多的油气混合汽进入气缸；同时，在活塞完成了第二个冲程之后，排气推杆应处于推程阶段，从而使活塞在继续旋转了8-10度曲轴角之后再闭合。这样，大约有15-20度曲轴旋转的阶段是进气和排气推杆处于近休止阶段。2总体方案设计2.1曲柄滑块机构的选定1.曲柄滑块机构方案的比拟曲柄滑块机构是我们在机械原理学习中最常见的一种机构。它由曲柄的转动带动滑块的往复运动，曲柄是整周副，而与曲柄相连的另一根杆是一个摆动副，摆动副与滑块相连，整体构成了曲柄滑块机构。对心曲柄滑块机构，同时极位夹角ө=0°,因而不存在急回特性，可以保证稳定的输出。用来完成往复运动的机构有很多，比方凸轮。运动规律最大速度最大加速度最大越度适用场合等速运动1.00低速轻载等加速等减速2.004.00中速轻载余弦加速度1.574.93中低速重载正弦加速度2.006.2839.5中高速重载五次多项式1.885.7760.0高速中载凸轮机构也能够完成往复运动，凸轮机构为一个滚子从动件的凸轮机构，凸轮是一个具有曲线轮廓的构建，它运动时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。而且只要设计出适当的凸轮轮廓，便可以使从动件得到任意的预期运动，并且机构简单、紧凑、设计方便。但是凸轮也有缺乏：1〕凸轮与从动件间为点或线接触，易磨损，只宜用于传力不大的场合；2〕凸轮轮廓加工比拟困难；3〕从动件的行程不能过大，否则会使凸轮变得笨重。2.曲柄滑块机构的选定通过曲柄滑块机构和凸轮机构两者比拟，因为凸轮机构不能适用于行程较大的从动件，且不能受到过大的力，也易磨损。而内燃机的活塞有一定的运动行程，同时当气体被压缩以及膨胀时都给了活塞很大的压力。同时，活塞在气缸中不停的做往复运动，使用凸轮机构很容易使凸轮被磨损，会导致严重的后果。而曲柄滑块机构则克制了这些缺点，它可以经受住很大的力，同时也不会被磨损，也能够保证一定的行程，因而对于曲柄滑块机构，曲柄滑块机构更符合活塞的设计要求。2.2进气、排气机构的选定1.进气、排气机构方案的比拟棘轮和不完整齿轮，它们可以完成间歇运动，但是不能保证往复运动，尤其棘轮易磨损，故不考虑做为气门的机构。槽轮也是可以满足间歇运动，但是不能完成往复运动。因而对于进气、排气机构，我们只能选择凸轮机构。〔1〕凸轮与导杆接触方式的选择凸轮与导杆的常用接触方式有3种：尖底接触，滚子接触，平底接触。尖底从动件，在凸轮与导杆的接触过程中，导杆的尖底易磨损，因而运动速度不能过快，而且尖底从动件在运动过程中压力角可能过大而导致卡住。平底从动件凸轮机构，凸轮轮廓曲线与平底接触处的共法线永远垂直于平底，压力角恒等于零，但是，平底从动件只能与外凸的轮廓曲线相作用，在使用时有一定的局限性。滚子从动件的凸轮机构，结合了两种凸轮构造的优点，同时还能在高的转速下保证好的耐磨性，这正是能够满足内燃机中气门高速反复开闭要求的构造，因此滚子从动件凸轮机构是不二人选。2.进气、排气机构的选定通过上面的比拟，凸轮机构的优点显而易见，凸轮机构能够保证间歇的往复运动并且机构简单、紧凑、设计方便。而且气门的运动行程短，受到的力并不是很大，因而凸轮的磨损也很小。3机构尺寸综合及电机选型和控制3.1进气、排气机构的尺寸确定导杆运动曲线图根据绘制出的导杆运动曲线图，我们选定凸轮基圆半径为30mm，最终将导杆顶起16mm，设计出的凸轮如图最终设计出的凸轮最终设计出的进气/排气推杆推杆的尺寸设计以最后的装配图总体效果为依据，因为在这里并不是要模拟一个进气、排气的过程，重点是在凸轮机构的运动曲线。因此，最后我们决定推杆的长度为99mm左右，滚子为5mm半径的圆。3.2曲柄滑块机构尺寸确实定最终设计出的曲柄曲柄宽15mm,与机架相连的轴直径为10mm最终设计出的连杆连杆长160mm,宽15mm,与曲柄相连的轴直径也为10mm最终设计出的滑块滑块相当于活塞，为于最终的装配图效果配合，最终设计为宽25mm,长30mm中间有10mm的轴与连杆相连。3.3传动齿轮的尺寸确定曲轴转动360°，活塞往复两次，完成两个冲程，伴随着吸气冲程，进气门翻开，其他冲程气门均关闭;伴随着排气冲程，排气门翻开，其他冲程排气门均关闭。排气门和进气门除了在一定的小角度处于同时翻开时，在其他的过程中则不能同时翻开。因而在曲轴转动360°的过程中，凸轮刚好转动半圈，即180°，所以与排气门凸轮相固结的齿轮Z1，与进气门凸轮相固结的齿轮Z2，与曲轴相固结的Z3，他们的齿数关系为Z1=Z2=2Z3，i=Z2/Z3=2通过查找齿轮有关数据，这里我们取Z3=40，Z1=Z2=80，模数m=33.4电机选型和控制对与这方面的运动模仿，由于内燃机内运动较为复杂，不能用电机来驱动，只能模拟多种运动形式来完成运动模拟。运动输入为曲柄与轴的转动副输入，我们会使用多种运动形式来进展运动分析。4机构运动分析4.1曲柄滑块机构的运动分析大小：？√？方向：↑qAB=100rad/s时滑块位移曲线滑块速度曲线滑块加速度曲线=300sin0.2πtrad/s时滑块位移曲线图滑块速度曲线滑块加速度曲线=80trad/s时滑块位移曲线滑块速度曲线滑块加速度曲线4.2进气、排气机构的运动分析=100rad/s时推杆位移曲线推杆速度曲线推杆加速度曲线=300sin0.2πtrad/s时推杆位移曲线推杆速度曲线推杆加速度曲线=80trad/s时推杆位移曲线推杆速度曲线推杆加速度曲线4.3凸轮分析clearh=8;w=2*pi*300/60;d1=pi/2;d2=10/180*pi;d3=pi/2;d4=170/180*pi;d=1:1:360;d0=d/180*pi;fori=1:45s(i)=2*h*d0(i)^2/d1^2;v(i)=4*h*w*d0(i)/d1^2;a(i)=4*h*w^2/d1^2;endfori=46:90s(i)=h-2*h*(d1-d0(i))^2/d1^2;v(i)=4*h*w*(d1-d0(i))/d1^2;a(i)=-4*h*w^2/d1^2;endfori=91:101s(i)=s(i-1);v(i)=0;a(i)=0;endfori=102:146s(i)=h-2*h*d0(i-100)^2/d3^2;v(i)=-4*h*w*d0(i-100)/d3^2;a(i)=-4*h*w^2/d3^2;endfori=147:192s(i)=2*h*(d3-d0(i-100))^2/d3^2;v(i)=-4*h*w*(d3-d0(i-100))/d3^2;a(i)=4*h*w^2/d3^2;endfori=193:360s(i)=s(i-1);v(i)=0;a(i)=0;endr0=30;e0=0;s0=sqrt(r0^2-e0^2);fori=1:1:360*(i)=(s0+s(i))*sin(d0(i))+e0*cos(d0(i));y(i)=(s0+s(i))*cos(d0(i))-e0*sin(d0(i));endsubplot(2,2,1);plot(d,s);title('位移线图S(t)');*label('时间ts');ylabel('位移smm')subplot(2,2,2);plot(d,v);title('速度线图v(t)');*label('时间ts');ylabel('速度vmm/s')subplot(2,2,3);plot(d,a);title('加速度线图a(t)');*label('时间ts');ylabel('加速度amm/s^2')holdon1.凸轮位移曲线2.凸轮速度曲线3.凸轮加速度曲线5总结5.1运行结果机构运动仿真视频截图2.凸轮运动仿真视频截图5.2心得体会通过这次机械原理研究性教学，大大激发了我们小组对机械原理课程的兴趣。同样也更深刻地加深了我们小组对机构设计的深层次了解，对仿真软件的熟悉运用。同时在研究性教学中遇到了很多困难。但都一步一