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汽油机热力计算.doc

1、(课 程 设 计)用 纸摘 要通常由于汽油机具有转速高、重量轻、噪音小、易启动、造价低等特点。因此它在小客车、中小型货车和军用越野车及小型农用动力(喷粉、喷雾、插秧机)等方面广泛应用。通过本课题的设计,是学生掌握内燃机设计的一般方法和步骤;掌握汽油机三大计算(热力计算,动力计算和零件强度计算)的方法和步骤;初步训练学生应用三大计算的结果,分析内燃机动力性、经济性、零件强度及零件机构工艺性的能力。关键词 NJ70Q 汽油机;热力计算;动力计算毕 业 论 文(设 计)用 纸佳木斯大学教务处 第 1 页目 录摘 要 II第 1 章 绪论.21.1 本课程设计研究的意义和目的21.2 本课题研究的任务

2、2第 2 章 汽油机热力计算.32.1 汽油机实际循环热力计算32.1.1 热力计算的目的 32.1.2 热力计算的方法 32.1.2.1 确定汽油机的结构形式32.1.2.2 原始参数的选择42.1.2.3 燃料的燃烧化学计算72.1.2.4 燃气过程参数的确定与计算82.1.2.5 压缩终点参数的确定92.1.2.6 燃烧过程终点参数的确定92.1.2.7 膨胀过程终点参数的确定102.1.2.8 指示性能指标的计算102.1.2.9 有效指标的计算102.1.2.10 确定汽缸直径 D 和冲程 S .112.1.2.11 绘制示功图122.1.2.12 绘制实际示功图14第 3 章 NJ

3、70Q 汽油机动力学计算153.1 曲轴连杆机构中的作用力153.1.1 机构惯性力 153.2 绘制各负荷的曲线图163.2.1绘制合成力 P=f()的曲线图 .163.2.2绘制 PNf( ),PL=f( ),T=f( ),K=f()图 163.2.3绘制主轴颈和曲柄销的积累扭矩图 173.2.4绘制曲柄销负荷极坐标图 173.2.5绘制曲柄销预磨损图 17参考文献 .20致 谢 21(课 程 设 计)用 纸佳木斯大学教务处 第 2 页第 1 章 绪论1.1 本课程设计研究的意义和目的通常由于汽油机具有转速高、重量轻、噪音小、易启动,造价低等特点。因此它在小客车、中小型货车和军用越野车及小

4、型农用动力(喷粉、喷雾、插秧机)等方面广泛应用。通过本课题的设计,是学生掌握内燃机设计的一般方法和步骤:掌握汽油机三大计算(热力计算,动力计算和零件强度计算)的方法和步骤:初步训练学生应用三大计算的结果,分析内燃机动力性、经济性、零件强度及零件机构工艺性的能力。1.2 本课题研究的任务1选取适当的参数值,校核有效功率; 2对所选机型进行热力和动力计算;3整理并编写课程设计说明书。(课 程 设 计)用 纸佳木斯大学教务处 第 3 页第 2 章 汽油机热力计算2.1 汽油机实际循环热力计算2.1.1 热力计算的目的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

5、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。2.1.2 热力计算的方法标定功率:P e=51.5 KW标定转速:n=2800r/min工况选择:标定工况根据 GB110574 陆用内燃机大气条件为:大气压力:P 0=100KPa环境温度:T 0=298K相对湿度 0=60%2.1.2.1 确定汽油机的结构形式1选择汽油机汽油机具有转速高、重量轻、噪音小、易启动、造价低等特点。因此它在小客车、中小型货车和军用越野车及小型农用动力(喷粉、喷雾、插秧机)等方面广泛应用。2冲程数 的选择内燃机按冲程分二冲程和四冲程内燃机,二冲程内燃机在单位时间内

6、工作循环比四冲程内燃机多一倍,实际输出功率是四冲程内燃机的功率的 1.51.8 倍;二冲程必须组织扫气过程;运转较平稳、结构紧凑、轻巧。在汽油机上用二冲程,由于扫气的影响,使得经济性较差,因此仅在小型汽油机上有应用(如摩托车、摩托艇、喷雾机、割草机等)汽车上很少使用。本课题汽油机选择四冲程。3冷却方式的选择通常内燃机有两种冷却方式:水冷式和风冷式(空气冷却)系统由于水冷系统冷(课 程 设 计)用 纸佳木斯大学教务处 第 4 页却均匀,冷却强度高,运转噪音小,因此得到了广泛运用。在农用、汽车发动机上大多是水冷系统而风冷系统具有结构简单,内燃机重量较轻,不用冷却水,使用维修方便,制造成本低;对环境

7、适应性强;热惯性小,暖机时间短,易起动等优点。但最大的缺点是热负荷高,工作噪音大,它仅在一些小型汽油机和摩托车上被广泛使用。在军用车辆和高原干旱地区使用的动力中也有应用。因此 NJ70Q 汽油机冷却方式选用水冷系统。4气缸布置型式的选择常见的气缸布置型式主要有立式、卧式和 V 型三种。单列式发动机结构简单、工作可靠、成本低使用维修方便,能满足一般要求,V 型双列式发动机可缩短内燃机的长度,降低重心,有利于提高转速。一般单列卧式发动机常用于农用内燃机,特别是单缸内燃机:单列立式常用于六缸以下的内燃机;V 型双列式常用于八缸以上的内燃机;卧式对置式常用于大型客车和重型载重汽车。根据设计要求和以上原

8、因汽油机选择立式 4 缸布置型式。5燃烧室型式的选择燃烧室的形式不仅关系到整机性能指标,而且在很大程度上决定了气缸盖和活塞顶的结构,其选型的主要依据是气缸直径,转速和使用要求。对柴油机燃烧室的型式主要有直喷式(浅盆型、深坑型、球型)和分隔式、涡流室、预燃室)两大类五种型式。对汽油机燃烧室的型式主要有侧置气门燃烧室(L 型) (已趋于淘汰)和顶置气门燃烧室(楔形、浴盆形、碗形、半球形) 。目前车用汽油机中几乎全部是采用顶置气门燃烧室。根据该机型的设计要求汽油机选用半球形燃烧室。2.1.2.2 原始参数的选择根据 NJ70Q 汽油机的结构特点、用途、标定工况、使用环境等可选择某些原始参数。其具体选

9、择步骤如下:1压缩比 压缩比 是影响内燃机性能指标的重要结构参数,提高压缩比可以提高内燃机的功率和经济性。(课 程 设 计)用 纸佳木斯大学教务处 第 5 页对汽油机 的提高主要受爆燃的影响。表现为燃料的辛烷值、燃烧室形状及排放的限制,可以按下面的经验数据选择。汽油机的辛烷值 90-97侧置气门燃烧室 =6.2-7.0 顶置形燃烧室 =8.0-9.0小客车有汽油机 =6.0-10 载重车用汽油机 =6.5-8.0预燃室燃烧室 =18-22该机型压缩比 取 8.0。2过量空气系数 a过量空气系数 是反映混合气形成和燃烧完善程度及整机性能的一个指标。对柴油机 大于 1,在柴油机吸入气缸空气量一定条

10、件下, 越小意味着气缸内混合气a a越浓,空气的利用率越高,发出的功率越大。应尽量减小 。在小型高速柴油机中 ,a的减小主要受燃烧完善程度的限制,在大型机增压柴预燃室燃烧室 =1.21.6a油机主要受热负荷的限制。通常柴油机在标定工况时 的取值范围如下:低速柴油机 =1.82.0a高速柴油机 =1.21.5增压柴油机 =1.72.2a值(在全负荷时)也可根据燃烧室的形状进行选择;a浅盆形燃烧室 =1.62.2 深坑形燃烧室 =1.41.7aa球形燃烧室 =1.31.5 涡流室燃烧室 =1.31.6对于汽油机整个运行过程中,可遇到 1 的所有情况,在全负荷时 的aa a取值范围: =0.85-1

11、.1.通常选定标定工况时 1.a该机型过量空气系数 =0.9。a3残余废气系数 r残余废气系数 r 值的的大小,反映气缸中残余废气量的多少。其值主要与压缩比、排气终点参数(Pr,Tr) 、气门重叠角及是否扫气有关。当 Pr/Tr 比值增大 r 减小时,废(课 程 设 计)用 纸佳木斯大学教务处 第 6 页气的密度和燃烧室所占容积比例都增加, r 值便随之增大;组织扫气与不组织扫气相比,r 值降低;气门重叠角增大时, r 值降低。通常汽油机压缩比小,气门重叠角较小,且不组织扫气;四冲程汽油机: r=0.060.16,该机型残余废气系数 r 取 0.09。4进气温升 T新鲜充量在进入气缸的过程中,

12、受到高温零件加热和充量动能转化为热能的影响。使新鲜冲量得到 T的温升,引起进气温度的提高。四冲程汽油机:T=0 40,该机型进气温升 T取 10。5热量利用系数 Z热量利用系数 Z 是 Z 点(显著燃烧终点)时刻的燃料燃烧放出热量的利用系数。它是用以反映实际燃烧过程中燃烧不完善、通道节流、高温分解和传热等损失程度大小的一个重要参数,它的数值主要受到内燃机燃烧品质的影响。凡是能改善燃烧过程、减少传热损失的因素一般都有利于 Z 的提高。如转速的提高,促使过后燃烧增强, Z 减小;采用分隔式燃烧室的柴油机,具有较大的传热损失, Z 比直喷式柴油机的小;增压后,燃烧产物的高温分解现象减少, Z 可提高

13、。汽油机: Z=0.850.95,该机型热量利用系数 Z 取 0.9。6示功图丰满系数 i是把实际循环中的时间损失和部分换气损失在理论循环中给予考虑。此值越小,表i(课 程 设 计)用 纸佳木斯大学教务处 第 7 页示时间损失和换气损失越大。 的数值与转速、排气提前角、供油提前角、点火提前角等i因素有关。上述因素的数值越大,则 越小。i示功图丰满系数范围: =0.920.97,i该机型示功图丰满系数 取 0.95。i7机械效率 m机械效率 m 是评定内燃机指示功率转换为有效功率的有效程度。: 四冲程车用汽油机 m=0.800.90,该机型机械效率 m 取 0.80。8平均多变压缩指数 n平均多

14、变压缩指数 n主要受工质与气缸壁间热交换及工质泄漏情况的影响。凡是使缸壁传热量及气缸工质泄漏量减少的因素均使 n提高。当内燃机转速提高时、热交换的时间缩短、向缸壁传热量及气缸工质泄漏量减少,则 n增大。当负荷增加、采用空冷、采用大气缸直径时、气缸温度升高、相对传热量损失减小、则 n增大。此外提高 和进气终点温度,则 n减小。汽油机:n=1.321.38,该机型平均多变压缩指数 n取 1.34。9平均多变膨胀指数 n“平均多变膨胀指数 n“主要取决于后燃的多少、工质与气缸壁间的热交换及泄漏情况。凡是使后燃增加、传热损失减小、漏气量减小的因素均使 n“减小。通常保持 n“较高值可提高循环效率和内燃

15、机工作可靠性。当转速增加时,后燃增加、传热损失和漏气量减小,则 n“减小;负荷增大时,后燃增加,则 n“减小;气缸尺寸增大时,传热损失和漏气量减小,则 n“减小。汽油机:n“=1.201.28,该机型平均多变膨胀指数 n“取 1.24。(课 程 设 计)用 纸佳木斯大学教务处 第 8 页2.1.2.3 燃料的燃烧化学计算表 21 选择燃料的有关参数元素成分(重量%)燃料沸点()碳原子数目 gc gh go分子量 低热值 应用范围汽油 200 C5-C11 0.85550.145 0 95120 4417143961航空,汽车用汽油机1理论空气量 L0 的计算 21.0/)3412(0ggHc=

16、 15./85.=0.512 kmol/kg (2-1) 2理论分子变化系数 0 的计算 0= (2-2)/1./(14/12. 0rarha mlgl =1+ )1052.95 =2.2033实际分子变化系数 的计算(2-3)0()/(1rr=(2.203+0.09)/(1+0.09)=1.0464 不完全燃烧而引起的热量损失 计算Hu=6110)1(60au2.1.2.4 燃气过程参数的确定与计算1进气终点压力 Pa 的确定四冲程车用汽油机:P a=(0.800.90)P 0,该机型进气终点压力 Pa 取 0.90P0。2排气终点压力 Pr 和温度 Tr 的确定 四冲程汽油机:P r=(1

17、.051.15)P 0,T r=9001100K,该机型排气终点压力 Pr 取 1.05P0 =105KPa 温度 Tr 取 900K。(课 程 设 计)用 纸佳木斯大学教务处 第 9 页3进气终温度 Ta 的计算(2-5)()/(1asrrT=(298+10+0.09900)/ (1+0.09)=357K四冲程车用汽油机:T a=340380K,所以计算结果合适。4充气效率 v 的计算(2-6)(1)()asrPT=0.788四冲程汽油机(顶置气门): v =0.750.85, 所以计算结果合适。2.1.2.5 压缩终点参数的确定(2-7)ncaP=1.46MPa(2-8)1ncaT=723

18、.576K 车用汽油机:P c=0.82MP a,T c=600750K,所有计算结果基本合适。2.1.2.6 燃烧过程终点参数的确定1终点压力 PZ 及压力升高比 确定汽油机选取 值汽油机的 =2.04.0 取 =4.0在由下式计算 PZ(2-9) cz=1.464.0=5.84MPa汽油机:P z=36.5MP a, =2.04.0 所以计算结果合适。(课 程 设 计)用 纸佳木斯大学教务处 第 10 页2终点温度 TZ 的确定TZ =2200K (2-10) 一般汽油机 TZ =22002800K 符合要求。3初期膨胀比的计算汽油机 1/CZczTV2.1.2.7 膨胀过程终点参数的确定

19、1后期膨胀比 的计算=8.0 (2-10)zb2膨胀终点压力 Pb 温度 Tb 的计算性能指标的计算Pb=Pz/n“=0.443M Pa (2-13)Tb=Tz/n“= 1335.76K (2-14)汽油机 Pb =0.30.6MP a Tb =12001400K 上述结果符合要求。2.1.2.8 指示性能指标的计算1平均指示压力 Pi(2-15)“11 1ci nn =0.712MPa Pi=Pi =0.677MPa (2-16)Pi 理论平均指示压力2指示热效率 i(2-17)08.314asi miuvlTPH=0.33(2-18)63.10/()i uib=247.93 g/(kwh)

20、 四冲程汽油机: =344218 g/(kw.h) ,i(课 程 设 计)用 纸佳木斯大学教务处 第 11 页所以计算结果合适。2.1.2.9 有效指标的计算1平均有效压力 meP(2-19)meiP=0.802MPa四冲程小客车用汽油机: =0.651.20MP a,me所以计算结果合适。2有效热效率 e352.084mie (2-20)=0.2463有效燃油消耗率 eb(2-21)6.1/()euebH=309.92(g/kwh)四冲程汽油机 be=270410g/(kw.h),所以计算结果合适。2.1.2.10 确定汽缸直径 D 和冲程 S1由设计任务书给定的标定功率求单缸排量 Vh(2

21、-22)30/()hemeVPin=0.459L2选取冲程缸径比 S/D汽车用汽油机:S/D 在 0.751.2 之间 =8.512.5,mC该机型冲程缸径比 S/D 取 1.19 =10。3确定缸径 D 和冲程 SmDSVh10)1.43/(5.3(2-23)=89.7mm(课 程 设 计)用 纸佳木斯大学教务处 第 12 页经圆整 D=90mmS=DS/D=72mm (2-24)4按实际 D 和 S 求单缸排量 VhLDS15.4/1.0320/2 (2-25)=0.458L5校核有效功率 eP(2-26)/(30)ehmePVin=51.4KW (2-27)|e=0.178%1%所以以上

22、计算结果正确。2.1.2.11 绘制示功图1计算单缸排量 Vh 及各终点容积:V a、V c、V z、 VbVh=0.458LLc07.)1/(5 (2-28)=0.0654LVcba2.1 (2-29)=0.5232LLbz08.5/ (2-30)=0.5232/8=0.0654 L2计算压缩线 ac 上任意 x 点的气缸容积 Vcx 和压力 Pcx方法一: Va 为 0 点 (2-31)/(ncxacp表 22 压缩线上取点序号 Vcx Pcx(课 程 设 计)用 纸佳木斯大学教务处 第 13 页1 0.065 1.4602 0.1.03 0.7903 0.141 0.5204 0.179

23、 0.3785 0.217 0.2926 0.255 0.2377 0.293 0.1958 0.331 0.1789 0.369 0.14310 0.407 0.12611 0.445 0.11212 0.483 0.10013 0.523 0.9003计算膨胀线 zb 上任意 x 点的气缸容积 Vbx 和压力 PbxVz 为 0 点 (2-32)“)/(nbxzbp表 2-3 膨胀线上取点序号 Vbx Pbx1 0.065 5.842 0.103 3.313 0.141 2.244 0.179 1.675 0.217 1.326 0.255 1.087 0.293 0.918 0.331 0.789 0.369 0.68(课 程 设 计)用 纸佳木斯大学教务处 第 14 页10 0.407 0.6011 0.445. 0.5412 0.483 0.4913 0.523 0.442.1.2.12 绘制实际示功图圆滑理论示功图,并根据 Pr 、Vc 画出进、排气过程曲线,得到实际示功图 8。此次在 NJ70Q 汽车汽油机的结构设计过程中,使我熟悉了内燃机设计的一般方法和步骤,也遇到了课堂上没有遇到和忽视的问题时,当无法理解时,得到了刘老师,吴老师,马老师的悉心指导我。经过;刘老师的指导和与同学的探讨,加深了对知识点的理解,熟悉了内燃机设计的方法和步骤。

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