1、柴油发动机及其曲柄连杆机构动力分析1目录目录 .1第 1 章 绪 论 .31.1 研究意义 .31.2 发展现状 .31.3 研究方法与内容 .4第 2 章 柴油机的热力学分析 .52.1 柴油机的理论热循环 .52.2 柴油机的实际热循环 .82.3 热力学计算即求平均指示压力 .92.4 小结 .11第 3 章 柴油机的动力性和经济性分析 .123.1 柴油机的指示参数 .123.1.1 平均指示压力 .123.1.2 指示功率 .133.1.3 指示热效率与指示燃油油耗 .143.2 柴油机的有效指标 .153.2.1 有效功率和机械效率 .153.2.2 平均有效压力和升功率 .163
2、.2.3 有效热效率和有效燃油消耗率 .183.2.4 根据吸入空气量计算平均有效压力 .193.3 标志柴油机整机性能的其他参数 .213.3.1 活塞的平均速度 .213.3.2 强化系数 .213.3.3 比质量 .223.4 提高柴油机动力性能和经济性能的主要措施 .223.5 小结 .23第 4 章 曲柄连杆机构的运动与受力分析 .244.1 曲柄连杆机构的运动分析 .244.1.1 活塞的位移 .244.1.2 活塞速度 .254.1.3 活塞加速度 .264.2 曲柄连杆机构的受力分析 .264.2.1 气体压力的作用 .274.2.2 惯性力的作用 .274.2.3 作用在活塞
3、上的合力及其分解 .294.3 小结 .32柴油发动机及其曲柄连杆机构动力分析2第 5 章 结论 .33谢 辞 .34参考文献 .35柴油发动机及其曲柄连杆机构动力分析3第 1 章 绪 论1.1 研究意义柴油机具备高扭矩、高寿命、低油耗、低排放、热效率高、功率范围广、起动迅速、运行安全、维修方便、使用寿命较长等特点，成为解决工程机械能源问题最现实和最可靠的手段。因此柴油机的使用范围越来越广，数量越来越多，同时对柴油机的动力性能、经济性能、控制废气排放和噪声污染的要求也越来越高。柴油机发动机的工作过程研究是应用的基础。WD175 型柴油机是单缸、卧式、四冲程水冷柴油机，该机重量轻、体积小、马力大
4、、耗油省，工作可靠、性能稳定、操作维护方便，适应多种用途，可作为小型发电、排灌、喷灌、收割、脱粒、手扶拖拉机、小型船舶、机动三轮车等方面的配套动力，具有广阔的应用领域。所以进行柴油发动机的工作过程建模与动力分析，改进其参数和结构，以使其更好的服务于应用，具有明显的实际意义。1.2 发展现状柴油机虽然已经有了百余年的发展历史，其技术也日趋完善，但是他仍然在不断地发展和改进之中。当前大功率柴油机（包括低速、中速和高速机）研究和发展的主要趋势是：降低柴油机燃油和润滑油的消耗；研究在柴油机上使用非石油产品的代用燃料，以保证石油供应枯竭时，柴油机仍能依靠代用燃料工作；提高柴油机的可靠性和耐久性；提高柴油
5、机单机功率或单缸功率，降低单位功率的重量；采用普通材料，降低生产成本；减少机型，加强通用化、系列化和标准化工作；简化维护和维修工作；加强自动监护和遥控操纵研究；降低噪音、振动、冒烟及排气中有毒物质的排放；加强某些理论的研究工作，例如对燃油雾化、着火过程及反应动力学的研究，对气缸内燃油分布与气流运动的研究，气缸内传热问题的研究，气缸内燃烧问题数学模拟的研究等。在电子计算机用于内燃机研究以前，为了定性估计内燃机性能，并进行有限的定量估算，不得不对内燃机的实际热力循环给出一些简化的假定，其中认为内燃机的正常运行工况一般是稳态的，将工质的状态参数看成是一个循环的算术平均值等。而在设计中则根据经验和类比
6、，在大量选取参数的基础上，对热力循环中的几个特征点进行计算，以便给出数量上的估计。这种简单的热力计算虽然能够得出比较直观的、可作定性或初步定量分析的数据，但却十分粗略，不能全面地反映内燃机燃烧放热过程、缸内工质的流动及传热过程、进排气系统中热力学和气体动力学过程以及与涡轮增压器的配合性能等，更不能对变化的工况性能进行预算。随着内燃机性能的不断提高，产品更新的周期不断柴油发动机及其曲柄连杆机构动力分析4缩短，采用常规热力计算进行这种经验设计，已远远满足不了现代高性能内燃机研制工作的需要。事实上，内燃机实际运行工况每瞬时并不是稳态的。随着大容量电子计算机和数据处理系统在内燃机研究中的应用，加上试验
7、技术和测量仪器以及测试装备的改进，使内燃机在试验和理论研究上有了一个较大的发展，使内燃机热力循环模拟成为可能，使内燃机设计由过去比较粗糙的经验、半经验设计向着模拟计算、优化设计和内燃机 CAD 方面过渡，并取得了令人耳目一新的进展。那些由内燃机运行状态所决定的内部过程，如燃烧过程、气体流动过程、热交换过程以及进排气系统与涡轮增压器匹配的气动过程等，有可能在计算中予以考虑，能够建立起比较符合实际的物理模型，通过数学模拟予以表达，求得各热力参数随时间变化的规律，用以分析内燃机的性能及其影响因素；也能系统地模拟结构参数、燃烧规律、配气相位、进排气系统中的流动阻力、中冷器特性以及涡轮增压器特性等与内燃
8、机性能间的相互关系，并进行参数优化，寻求最佳的方案组合，为内燃机的设计、试验和性能改进提供理论依据，因而使现代内燃机的理论研究建立在一个全新的基础上 1。内燃机热力循环模拟，不仅可以计算设计工况点，而且也可以计算非设计工况和变工况点，估计环境参数变化对内燃机性能的影响，不仅可以计算内燃机的稳态过程，而且也可以计算瞬态过程；研究各结构参数及性能参数与瞬态响应特性的关系，探求改善瞬态特性的技术措施；不仅在内燃机设计阶段通过计算模拟可以进行方案的比较，而且在内燃机调试阶段与测试相结合，可以指明调整的参数及其值的大小；同时，在热力循环模拟的基础上还可以进行热力循环模拟优化，使内燃机热力循环模拟研究向优
9、化设计推进一步 2。用于内燃机研究的软件有很多，例如：VB、VC、FORTRAN、MATLAB 等等，但目前应用最广泛的是 MATLAB 语言。因为 MATLAB 的语法规则与结构化高基编程语言如C 语言等大同小异，而且使用更为简便，具有一般语言基础的用户很快就可以掌握。使用MATLAB 编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，犹如在演算纸上排列出公式与求解问题。本文的所有程序均是由 MATLAB 语言编写的，最后的结果也是在MATLAB 中运行得出的。1.3 研究方法与内容先采用实测法获取现有柴油发动机的数据，然后通过简单的常规热力学模拟各工况下燃烧室内燃料燃烧的热力学过程，再分析
10、柴油发动机的运动和受力，最后编制软件对发动机的性能进行仿真。主要研究内容有：(1) 柴油发动机的热力学分析；(2) 柴油发动机运动学与动力学分析，建立发动机工作过程的具有气、固耦合的动力学模型；柴油发动机及其曲柄连杆机构动力分析5(3) 用 MATLAB 语言编制仿真软件，对柴油发动机工作过程建模与动力分析，提出改进建议。第 2 章 柴油机的热力学分析2.1 柴油机的理论热循环柴油机是热力发动机，燃料的化学能先通过燃烧变为热能，然后再通过工质的状态变化使热能变为机械能。柴油机的实际循环是由一系列非常复杂的物理化学变化过程所组成的。为了掌握内燃机热功转换的主要规律，需要对实际循环作某些简化和假定
11、，抽象成为理论循环，这样才有利于分析和研究。这些假定条件是：(1) 以空气作为循环的工质，其比热容为常数，不随温度变化；(2) 研究的体系是封闭的。以热源的传热代替燃料燃烧的放热，以向冷源传热代替排气过程向大气放热，工质的质量和成份自始至终都保持不变；(3) 构成循环的各个过程均是可逆的 3。理论循环和实际循环虽然存在一定的差别，但这种从实际到理论的抽象、概括和简化是合理的，并接近实际，这样对理论循环的分析和计算结果不仅具有一般的理论指导意义，而且也具有一定的精确性。通过对内燃机理论循环的研究，可以确定出最大可能的热量利用率（循环热效率）和气缸容积利用程度（循环平均压力） ，由此可以分析出来影
12、响内燃机工作循环的经济性和动力性的主要因素，从而找到提高内燃机性能指标的基本途径。在内燃机的理论循环中，工质的放热过程一般在等容积方式下进行，而吸热过程则有三种不同的方式：一是先在等容后在等压方式下进行；二是在等容积方式下进行；三是在等压方式下进行 4。因此，在内燃机理论循环中有三种不同循环可供考虑，即混合循环、等容循环和等压循环。图 2-1 理论循环示功图图 2-1(a)表示混合循环的燃料在气缸中的变化情况，这是将燃料压力容积的变化画在P-V 坐标纸上，称为 P-V 示功图。在压缩过程中燃料的容积变化以压缩比表示，即柴油发动机及其曲柄连杆机构动力分析6cscaV式中， 为全压缩行程中活塞排量
13、容积， 为燃烧室容积。sV在压缩行程后，燃料先以等容积方式沿 cy 线自热源吸入热量 ，之燃料气体压力达1Q到 值；然后燃料以等压方式自热源吸入另一部分热量 ，这一吸热过程是沿 zy 线进行zp 1的。 即循环从热源吸入的总热量。沿 cy 等容线的压力升高以压力升高比表示，11Q即 ；而沿 yz 线的容积变化以初膨胀比 表示，即 。cz/ czV/当活塞自 z 点继续向外运动时，燃料沿 zb 线膨胀至 b 点。这一膨胀过程可用方程式表示，膨胀的容积比叫做后膨胀比，以 表示，即 。 与 及 的关系CpVk zb/如下式所示： zcbzV在膨胀行程的终了，燃料中的热量 排出至冷源，燃料的压力沿等容
14、积线 ba 变化。2Q比值 、 、 及 是与循环性能有关的主要参数。循环所做的功以 表示，若示功图按照一定的比例绘制时，则面积 acyzba 表示 。tW tW循环所做功的热当量等于吸入热量与排出热量之差，即 21At式中，A单位功的热当量，A=1/427 千卡/公斤.米。循环的热效率以 表示，即t(2-1)121QAWtt 循环热效率表示在一个理想发动机中热量转换为功的完善程度。在工程热力学课程中已知混合循环的热效率用下式表示：(2-2)1(1kkt式中，K 为绝热指数, ； 为气体在等压下的比热； 为气体在等容下的比热。vpCk/p vC公式（2-2 ）为理想的燃料（比热不随温度变化的气体
15、）在一个理想发动机混合循环柴油发动机及其曲柄连杆机构动力分析7所达到的热效率。等容循环的示功图如图 2-1（b） 所示。图中所示的热力过程说明如下：ac 线气体等温压缩， ；CpVkcz 线 气体在等容下由热源吸入热量 ；1Qzb 线气体等温膨胀， ；kba 线气体在等容下排出热量 至冷源。2等容循环与混合循环的差别仅在于吸入热量 的规律不同。在等容循环中，因为1所以初膨胀比为czV czV其后膨胀比为 cbz即循环压缩比 等于膨胀比 。将 代入式（2-2）中，可得等容循环的热效率为1（2-3）1kt等压循环的示功图如图 2-1(c)所示，图中所示的热力过程说明如下：ac 线气体等温压缩， ；
16、CpVkcz 线 气体在等压下由热源吸入热量 ；1Qzb 线气体等温膨胀， ；kba 线气体在等容下排出热量 至冷源。2等压循环与混合循环的差别仅在于吸入热量 的规律不同。在等压循环中，由于热1Q量 加入时压力不变，即 ，因此其压力升高比为：1Qczp1czp将 代入式（2-2） ，可得等压循环的热效率为1（2-4）)1(1kt对上述三种理论循环的热效率进行比较得知，在当压缩比相同时，等容循环的热效柴油发动机及其曲柄连杆机构动力分析8率大于等压循环的，而混合循环的热效率界于两者之间，即 等 压混 合等 容 ttt 如果三种理论循环在最大压力相同、加入热量相同而不同进行比较，则等压循环的热效率将
17、大于等容循环的，而混合循环的热效率居两者之间，即 等 容混 合等 压 ttt这是由于在温度不变的情况下等压循环的最大而等容循环的最小的缘故 5。2.2 柴油机的实际热循环内燃机理论循环的分析是以各种假定条件为前提的，但在实际的内燃机循环中不可避免的有许多方面的损失，使其不能达到理论循环的指标。为了改善内燃机的实际循环，必须分析比较实际循环和理论循环之间的差距，以及引起各种差距的原因 6。(1) 工质变化的影响在理论循环中，假定工质为空气，而在实际循环中，燃烧前的工质是新鲜空气与上一循环残留废气的混合物，燃烧后的工质变为燃烧产物废气。在理论循环中，假定工质的比热容为定值，而在实际上空气和燃气具有
18、其比热容随温度的上升而增大的性质，其结果是使循环热效率和平均压力有所降低。(2) 换气损失理论循环假定研究的体系是封闭的，以向冷源定容放热代替排气过程，即不考虑进气和排气过程，无需进行工质的替换。但事实上，燃烧废气的排出和新鲜空气的吸入是维持实际循环得以周而复始地进行所必不可少的。在换气过程中，排气门必须提前打开，让废气在下止点前便利用本身的压力排出，这将使有用功面积有所减少；接下去进行排气和进气过程时，由于进排气系统的流动阻力，又需要消耗一部分功，这俩者之和就是实际循环的换气损失。(3) 传热损失在理论循环中，假定构成循环的各过程是可逆的，即假定燃料与气缸盖、活塞顶、气缸壁、进排气阀等受热件
19、完全没有热交换。但在实际循环中，汽缸壁（包括汽缸套、汽缸盖、活塞、活塞环、气门、喷油嘴等）和工质之间始终存在着热量的交换，特别是在燃烧和膨胀期间具有强烈的传热损失，减少了有用功的面积；另一方面，在压缩过程初期，由于汽缸壁温度较高而使工质加热，而在压缩过程后期，随着工质温度超过汽缸壁温度便发生了从工质向汽缸壁相反的热量传递。此外，由于工质比热容的变化以及工质与汽缸壁之间的热量交换，是实际的压缩过程和膨胀过程不是绝热的，而是按照平均多变指数进行。(4) 燃烧损失燃烧损失包括时间损失和后燃及不完全燃烧损失两项：(a)时间损失在时间概念上，理论循环假定活塞以无限缓慢的速度运动，以保持汽缸内的工质始终处
20、于平衡状态，并且假定由热源向工质进行等容加热的速度极快，是瞬时完成的。在等压加热时，加热的速度又能与活塞的速度密切配合，以实现等压加热。但是，实际柴油机的活塞都具有相当高的运动速度，而且燃料着火至完全燃烧需要一定的时间。为了使整个燃烧过程能在上止点后不久即结束，以保证燃料输入的热量能充分的膨胀而有效利用，实际上总是将燃料提前喷入汽缸，以使着火能在上止点以前开始，其结果增加了柴油发动机及其曲柄连杆机构动力分析9压缩消耗功；此外，由于燃烧期间存在着传热损失，活塞的高速运动以及不完全燃烧现象，使循环最高压力和初期膨胀比有所降低，减少了膨胀有用功。(b) 后燃及不完全燃烧损失在理论循环中，全部热量是在
21、 Z 点以前输入完毕，然后转入绝热膨胀过程。但是在实际循环中，当接近 Z 点时，由于氧气浓度的降低而引起燃烧速度下降，因而直到膨胀线以前还在继续燃烧着，这就是所谓的后燃现象。后燃期间热功转换的效率，由于膨胀比小和传热损失大而大大下降，造成了燃烧中的后燃损失，使燃烧膨胀线位置下移。此外，由于空气不足，或者混合气形成不良多引起的不完全燃烧，使燃料的热值未得到充分利用，这也促使燃烧膨胀线下移，产生不完全燃烧损失。(5) 气流运动及泄露损失活塞的高速运动使工质在汽缸内产生涡流而造成压力损失。当采用分开式燃烧室时，工质在主、副燃烧室之间的流入和喷出将引起强烈的节流损失。但这些损失由于气流运动对混合气形成
22、和燃烧的改善可以部分地弥补过来 7。活塞环在往复运动中不可避免地会造成少量工质的泄露，而产生泄露损失。以上各项损失中，除了工质影响这一项人们很难加以改变外，使实际循环遭受较大损失的是传热损失和燃烧损失。因此，对四冲程的柴油机来说，理论循环的热效率一般可达 60%左右，但是，由于各项损失的存在，使实际循环的的热效率一般仅为 40%左右，即实际循环的热效率约为理论循环的 70%左右。2.3 热力学计算即求平均指示压力在进行柴油机的热计算时，常用分析法求出平均指示压力 2。因为，进行设计柴油机的热力计算时，柴油机还没有制造出来，当然无法量取示功图。有时连计算的示功图也没有画出来，这时分析方法就显得方
23、便些。平均指示压力 的计算分为两步：第一mip步先求出理论示功图的平均指示压力的值 ；第二步再将理论平均指示压力的值 乘mip mip以示功图的丰满系数 ，得出近似实际值 8。i图 2-2 理论示功图(1) 值的计算mip柴油发动机及其曲柄连杆机构动力分析10在图 2-2 的理论示功图上，一个循环的理论指示功 为iW（2-5）aczbyi 由热力学知 )1()1(cczczzy VppVpW式中， 为前膨胀比czzcVp; )1()(1212 22 ncnbzzzb Vpnp式中， 为后膨胀比。zbV )1()(1121 ncnaccac VpnVpW式中 为压缩比。caV将上列 、 及 的式子代入式（2-5）中得yzbac（2-6）nmKgnnVpWnci /)1()1()1( 12 2 上式等号两层各以 相除并以 代 ，得ssckg/m2 （2-7）)1()1()1( 12 2 nnesimipV 式（2-7 ）为四冲程等容- 等压混合循环的理论平均指示压力 的计算式。这一式子mip对增压柴油机和非增压柴油机都是适用的。上述的 计算式是以气缸的单位工作容积为准，而与气缸的几何尺寸无关，所以mip是便于作为各种气缸尺寸的柴油机相互间进行比较的依据 9。mi(2) 示功图的丰满系数 及 值mip
