1、 1西华大学毕业设计说明书毕业设计说明书题 目:2100T 二甲醚发动机的活塞 设计学院(直属系 ): 交通与汽车工程学院 2西华大学毕业设计说明书目 录摘 要 .3Abstract .31 绪论 .41.1 车用新型燃料概述 .41.2 二甲醚作为代用燃料的优势 .51.3 本课题选题意义及目的 .91.4 设计的主要内容及工作 .92 发动机工作过程计算 .112.1 本课题 2100T 二甲醚发动机原始参数 .112.2 二甲醚发动机工作过程计算 .113 活塞组设计 .143.1 活塞材料选择 .143.2 活塞结构设计 .153.2.1 活塞头部设计 .153.2.2 活塞裙部设计
2、.163.2.3 活塞与气缸配合间隙 .173.3 活塞环的设计 .173.3.1 气环的设计 .173.3.2 油环的设计 .193.4 活塞销的设计 .194 活塞热分析 .204.1 活塞热负荷概述 .204.2 有限元模型的建立 .204.2.1 活塞主要参数 .204.2.2 三维几何模型的建立 .214.3 活塞温度场边界条件 .224.4 活塞温度场有限元分析 .233西华大学毕业设计说明书4.5 本章小结 .265 活塞机械负荷分析 .275.1 活塞的热负荷 .275.1.1 活塞热应力有限元分析 .275.2 活塞的机械负荷 .295.2.1 活塞受力分析 .295.2.2
3、 活塞顶气体压力 .295.2.3 活塞往复惯性力 .305.2.4 活塞裙部法向压力的确定 .315.3 机械应力边界条件 .325.4 活塞和机械负荷综合有限元分析 .325.5 本章小结 .346 总结 .35总结和体会 .37致 谢 .38参考文献 .394西华大学毕业设计说明书2100T 二甲醚发动机活塞设计摘 要本文分析了柴油机使用二甲醚代用燃料的现状和优势，并根据二甲醚燃料的特殊理化性质，对二甲醚发动机的活塞进行了设计，并用 ANSYS 有限元软件对活塞的热负荷和机械负荷进行耦合分析，为 2100T 二甲醚发动机活塞的耐久性和可靠性提供科学依据。分析结果显示，活塞的温度分布很不均
4、匀，最大的温差达到了将近 100K，这导致了活塞内部具有很大的热应力，通过 ANSYS 软件，分析出了活塞内腔顶部、第一环槽、第四道活塞环槽下沿和活塞销座上方外侧的热应力较大；活塞顶部热膨胀最严重。同时对活塞进行了热力耦合分析，分析结果表明设计出的活塞，符合热力要求。关键词:二甲醚 活塞 热力耦合 有限元The design of 2100T DME engine piston AbstractThis paper analyzed the use of DME engine status and benefits of alternative fuels , DME engine pisto
5、n designed under the DME fuel special physical and chemical properties, and piston thermal and mechanical loads are coupled analysis by using ANSYS finite element software . Providing a scientific basis of 2100T DME engine piston durability and reliability. The results showed that the pistons temper
6、ature distribution is uniform , the maximum temperature reached nearly 100K, which led inside the piston has a great thermal stress . Analysis of maximum thermal stress of the piston cavity in the top of the piston by ANSYS software . Also conducted a piston coupled thermal analysis and the results
7、found in this design for the 2100T piston , which meeting the strength requirements.Keywords:DME Piston Thermal coupling FEM5西华大学毕业设计说明书1 绪论能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础之一，化石能源（主要指石油、煤、天然气）仍是当今世界的主要能源。20世纪50年代以后，全世界经历了三次重大的石油危机，由于石油危机的爆发，对世界经济造成巨大影响，国际舆论开始关注起世界能源危机问题。许多人甚至预言：世界石油资源将要枯竭，能源危机将是不可避免的。如果不做出重大努力去利
8、用和开发各种能源资源，那么人类在不久的未来将会面临能源短缺的严重问题 。所以现在人类迫切的需要找到代用燃料，来缓解石油资源匮乏和需求之间的矛盾。1995年以来, 丹麦技大学、AVL 等公司对二甲醚用于柴油机进行了研究。在我国 , 1997年西安交大开始进行直喷式柴油机燃用二甲醚性能研究, 成功改造了高速二甲醚发动机并获自主知识产权,并于2000年9月成功研制出我国第一台二甲醚城市中巴车;2005年6月,上汽集团、上海交大联合上柴股份和上海焦化成功开发了我国首辆无黑烟二甲醚公交客车; 2005年9月西安交大和山东久泰联合开发了我国第一台油、二甲醚混合燃料客车 1。所以我们可看出柴油机改用二甲醚为
9、燃料越来越受人们所关注。首先我们知道活塞是内燃机的核心部件之一，它与活塞销、活塞环一起组成活塞组在气缸里作往复运动。它在高温、高压，高速、润滑困难，同时承受交变载荷的恶劣条件下工作。发动机故障大部分出现在活塞上，特别是强化程度越来越高的柴油机，活塞出现的故障约占整个柴油机故障的半数以上 2。综上所述，要对内燃机的燃料进行更改，考虑活塞的重新设计与强化，是必不可少的。1.1 车用新型燃料概述由图1-1 可见,柴油机的燃油可以分为来自于石油产品的轻柴油，重柴油，船用燃料油以及天然气(LNG,CNG),液化石油气(LPG),醇类燃料(甲醇,乙醇),二甲醚(DME) ,生物柴油, 乳化燃料等代用燃料
10、3。6西华大学毕业设计说明书图1-1车用燃料及来源图为了保障我国经济社会的可持续发展,缓解我国能源危机和环境污染的力。在对现有能源采取更有效地省油措施之外,还需要积极主动的研究和发展新型清洁代用能源。政府部门及其内燃机相关行业正在大力对这一有着重大意义的课题开展研究。因此开展该领域课题的研究,对社会实践和理论都有着重大的意义。目前在柴油机上使用的代用燃料主要有:天然气(LNG,CNG)，液化石油气(LPG) ，醇类燃料(甲醇,乙醇)，二甲醚(DME)，生物柴油，乳化燃料等。1.2 二甲醚作为代用燃料的优势人类对能源的需求与利用能源而造成环境污染之间的矛盾一直困绕着世界各国。汽车作为一个流动的污
11、染源，在入口密集的城市和交通发达的工矿地区，石油汽油机 含氧燃料发动机 LPG,CNG,沼气发动机裂解器+燃料电池燃料电池汽油 柴油柴油机碳酸二甲酯甲烷 氢气天然气，煤 生物质能 太阳能甲醇，乙醇生物柴油二甲醚7西华大学毕业设计说明书到处散发着大量废气，严重威胁着居民的身心健康，破坏着生态平衡，成为大气污染的“罪魁祸首” 。由于世界石油资源日趋减少，同时为解决发动机的排放问题，在内燃机领域中对清洁代用燃料的研究已成为前沿课题。随着人们对环境污染重视程度的提高，世界各国对发动机排放的限制也日益严格。美曰欧各国既是世界汽车工业的先驱，同时也在控制汽车排放方面居世界领先地位。美国自从本世纪40年代加
12、州的洛杉矶光化学烟雾事件以后，首先认识到汽车内燃机是城市空气污染的主要来源。1960年加州通过了“汽车污染物控制法令” ，限制CO、HC 的排放量。1963年美国联邦政府以此为依据制定了“大气净化法” 。此后限制标准逐年严格：1970年后采用排放率标准；1971年又增加了NO x的排放限制。日本受美国排放限制的影响，早在1965年就着手调查本国的大气污染情况，并逐步制定出排放标准和检测方法，并于1966年7月制定了汽车排放污染物标准，对CO进行了限制；1970年起又增加了HC的限制；1973年又增加了NO x的限制；80年代中期与美国相对应日本亦公布了重型车辆严格的微粒和NO x排放标准。19
13、70年，欧共体(EEC)定了限制卡车排放的标准。1989年起对柴油轿车的微粒也作了限制 4。表1-1为欧洲重型车用柴油机排放限值。表1-1 欧洲重型车用柴油机排放限值排放标准 欧洲1 欧洲2 欧洲3 1) 欧洲3测试循环 ECE R49 ECE R49 ESC ETC生效日期 1992年 1996年 2000年 2000年CO 4.5 4.0 2.1 5.45HC 1.1 1.1 0.66 -NMHC - - - 0.78CH4 - - - 1.6NOx 8.0 7.0 5.0 5.0PT 0.36/0.612) 0.15/0.253) 0.10/0.133) 0.213)1）还有动态烟度限值
14、0.8m -1；2）适用于额定功率不大于85kW的柴油机；3）适用于单缸工作容积小于0.7L，额定转速大于3000r/min的柴油机。8西华大学毕业设计说明书我国于1981年起开始制定汽车排放标准，从1983年起陆续颁布了一系列有关汽车和摩托车用内燃机的排气污染物排放标准和对应的测量方法。在机动车排放污染防治技术政策中规定我国轿车的排放控制水平，2000年达到相当于欧I 水平，最大总质量不大于3.5T的其他轻型汽车 (包括柴油车)型式认证产品的排放控制水平；2000年以后达到相当于欧I水平；所有轻型汽车(含轿车)的排放控制水平，应于2004年前后达到相当于欧II水平，且10年前后争取与国际排放
15、控制水平接轨；重型汽车(最大总质量大于3.5T) 与摩托车的排放控制水平，2001年前后达到相当于欧I水平，2005年前后柴油车达到相当于欧II水平，2010年前后争取与国际排放控制水平接轨。按热值计算，二甲醚热值仅为柴油热值的64.7% ，但同时二甲醚液体的密度只有柴油密度的78.5% 。按这个数据计算，在车辆使用二甲醚时，要达到原柴油机的动力性，二甲醚供给量应达到柴油的1.9倍。现在，二甲醚的市场价格为4100元/t左右，0号柴油市场价格在山东省达到了 8200元/t 左右，其他市场是8400元/t8600元/t。因此，即便行驶相同里程，二甲醚汽车的燃料成本是柴油汽车燃油成本的2倍也是合算
16、的 5。根据我国自然条件和能源资源特色，如何在后石油时代，逐步改变汽车能源结构，发展汽车清洁代用燃料，在发动机上实现高效、低污染的燃烧，控制汽车发动机有害排放对我国城市大气质量带来的日趋严重的影响，已成为我国能源与环境研究中的一个十分重大和紧迫的研究课题。二甲醚(DME)具有燃料的主要性质，其热值约为64.686 kJm 3，且其自身含氧，能够充分燃烧，不析碳、无残液，是最简单的醚类化合物，常温下为气态中压下为液态。液态时，无色无毒，对皮肤有轻微刺激，不致癌，腐蚀小；在大气中很快分解为水和CO 2；二甲醚和柴油都是高十六烷值类燃料，但因二甲醚分子组成中含氧且具有高挥发性，导致了二甲醚具有较好的
17、减烟素质。如表1-2二甲醚和柴油、丙烷、丁烷、甲醇理化性质的对比 6。9西华大学毕业设计说明书表1-2 二甲醚和其他燃料理化性质的对比特性 二甲醚 柴油 丙烷 丁烷 甲醇分子式 CH3OCH3 CXH1.8X C3H8 C4H10 CH3OH分子量 46.07 19360 44.11 58.13 32.04沸点/ -24.9 18360 -42 -0.5 65蒸汽压/kPa，20 5.1 - 8.4 2.1 0.32液态密度/g.cm -1 0.668 0.84 0.501 0.61 0.79液态粘度/10 4Pa.s-1 0.15 5.356.28 0.1 0.18 0.768低热值/MJ.
18、kg -1 28.43 42.5 46.36 45.74 19.5爆炸极限/%，空气中 3.417 0.66.5 2.19.4 1.98.4 636.5着火温度/ 235 250 470 365 450十六烷值 5560 4055 5理论空燃比/ kg.kg-1 9.0 14.6 15.66 15.45 6.5汽化潜热/kJ.kg -1,-20 410 250 370 358 1110碳含量/% 52.2 86 81.8 82.8 12.5氧含量/% 34.8 0 0 0 50氢含量/% 13 14 18.2 17.2 5从表1-2 中可以看出，二甲醚作为柴油机燃料有如下优点 7：（1）二甲醚
19、分子结构只有C-H和C-O键，没有C-C键。含氧比例达到（34.8%） ，可以实现无烟燃烧，同时它可以使用更大的废气再循环(EGR)，降低NOx排放。10西华大学毕业设计说明书（2）二甲醚的十六烷值比柴油高，远高于其它代用燃料，因此在柴油机上燃用二甲醚不像甲醇、乙醇、液化石油气和天然气那样需要助燃措施。而且高的十六烷值可缩短着火滞燃期，减少预混合燃烧量，降低NO X排放。（3)二甲醚汽化潜热（460KJ/Kg）几乎是柴油(250KJ/kg)的两倍，可以大幅降低最高燃烧温度，NO x的排放。(4)二甲醚的沸点温度(-24 )低，喷入气缸后的雾化速度比柴油快的多，燃烧品质也好的多。(5)二甲醚低热
20、值（27.6MJ/kg）比柴油的（43MJ/kg)低（36%） ，但理论混合气热值（3.71MJ/m 3）与柴油的（ 3.83MJ/m3）接近，所以需要较小的空燃比。1.3 本课题选题意义及目的本课题，利用现有的活塞设计参考资料，对 2100T 二甲醚发动机的活塞进行了设计，然后利用有限元软件对设计出的活塞的热负荷和机械负荷承受情况进行分析，为 2100T 二甲醚发动机活塞工作的可靠性和耐久性的评价提供科学依据。我们知道二甲醚在发动机上面的应用分为压燃式和点燃式，其中压燃式分为纯二甲醚缸内直喷压燃式和二甲醚/柴油双燃料压燃式；而点燃式只要应用于预混和点燃发动机。众所周知，活塞、活塞销和活塞环等在气缸里作往复运动的零件，它们是活塞式发动机中工作条件最严酷的组件。所以要求设计出的活塞，满足活塞设计的技术要求：(1)使用热强度好、耐磨比重小、热膨胀系数小、导热性好、工艺性好的材料；(2)有合理的形状和壁厚，保证散热良好，强度、刚度符合要求，重量轻，避免应力集中；(3)保证燃烧室气密性好，窜气、窜油少；(4)在不同工况下保持活塞与缸套的最佳配合间隙；(5)减少活塞从燃气中吸收热量，而已吸收的热量能顺利地散走；(6)在较低的机油油耗条件下，应该保证滑动面上有足够的润滑油 8 。
