《内燃机设计》课程设计说明书

发动机课程设计计算说明书华中科技大学能源与动力工程学院动力机械及工程系-0-目录一目的与要求……………………………………………………1二设计任务…………………………………………………2三工作过程模拟计算……………………………………………3四动力学计算…………………………………………………7五设计感想……………………………………………………10参考文献……………………………………………………11附录A发动机外特性曲线……………………………………12附录BFg-ϕ、Fj-ϕ、F-ϕ曲线图……………………………13附录CFN-ϕ、FL-ϕ、Ft-ϕ、Fk-ϕ、RB-ϕ曲线图…………14附录D发动机合成扭矩∑Mk-ϕ曲线图……………………15发动机课程设计计算说明书华中科技大学能源与动力工程学院动力机械及工程系-1-一目的与要求1.目的发动机课程设计是《发动机现代设计》课程的后续教学环节，旨在对刚学习过的发动机设计课程以及发动机原理课程的知识进行综合运用，加深对专业知识的理解。在课程设计环节，通过总体性能计算（工作过程模拟计算与动力学计算）将发动机的结构参数与性能参数结合起来，弄清结构与性能之间的内在联系；通过发动机总体布置图设计，对发动机的总体结构有一个全面而具体的了解，并深化对发动机各主要零件的作用和设计要求的理解。2.要求对提供的教学参考资料要认真分析，在理解的基础上借鉴，不要盲目照搬照抄。独立完成，可以讨论，不许抄袭；按时完成，不得延期。交课程设计材料（计算说明书与图纸）时必须通过指导教师的考核，不得代交。计算说明书应包括：计算目的、已知条件、变量说明、计算结果及说明（分析）等，其中动力学计算应有受力分析图，曲线图应标明坐标及单位。所绘图纸应符合工程图纸规范要求。发动机课程设计计算说明书华中科技大学能源与动力工程学院动力机械及工程系-2-二设计任务4110柴油机设计1.技术参数机型：立式，直列，水冷，四冲程，废气涡轮增压、中冷燃烧室型式：直喷式气缸直径：110mm活塞行程：125mm（曲柄半径：62.5mm）缸数：4发火顺序：1-3-4-2压缩比：17标定功率(kW)/转速(r/min)：155/2600最大扭矩（N.m）/转速（r/min）：635/1500~1600外特性最低燃油耗率（g/kW.h）：200标定工况燃油耗率（g/kW.h）：210机油耗率（g/kW.h）：≤1.0调速率：≤8%怠速（r/min）：750曲轴旋转方向（从前端看）：顺时针气门间隙（冷态）：进气门0.3～0.4，排气门0.4～0.5冷却方式：强制水冷润滑方式：压力、飞溅复合式启动方式：电启动配气定时：进气门开，上止点前20ºＣＡ；进气门关，下止点后43ºＣＡ排气门开，下止点前60ºＣＡ；排气门关，上止点后20ºＣＡ供油提前角：上止点前18±2ºＣＡ2.其他参数活塞质量：1.32kg活塞销质量：0.58kg活塞环总质量：0.088kg连杆大头质量（直开口/斜开口,kg）：1.89/1.98连杆小头质量(kg)：0.704连杆长度L(mm)：210曲柄销直径：70mm曲柄销长度：40mm主轴颈直径：85mm主轴颈长度（非止推挡）：36mm曲柄臂厚度：28mm曲柄臂宽度：126mm发动机课程设计计算说明书华中科技大学能源与动力工程学院动力机械及工程系-3-三工作过程模拟计算发动机工作过程模拟计算采用AVL_BOOST软件进行，其计算过程及计算结果如下。1.建立计算模型根据发动机机型参数在BOOST中建立4110柴油机计算模型，如图1所示。图1.4110柴油机计算模型2.数据输入计算模型中相关元件的参数主要参考YC6M-3400和YC6M-3500，只有气缸的参数需做部分调整。根据设计任务所给出的缸径（110mm）、行程（125mm）、压缩比（17）及连杆长度（210mm）对气缸的基本参数进行输入，如图2所示：图2.气缸基本参数输入发动机课程设计计算说明书华中科技大学能源与动力工程学院动力机械及工程系-4-燃烧模型采用vibe模型，燃烧始点及燃烧持续期参数均参照YC6M-3400，标定工况下循环喷油量为cyclegcyclehkWgh/104327.04)22600()(210601kW150输入后如图3所示：图3.燃烧参数输入进气门在上止点前20°CA打开，在下止点后43°CA关闭，冷态气门间隙取0.4mm，气门直径取37mm；排气门在下止点前60°CA打开，在上止点后20°CA关闭，冷态气门间隙取0.5mm，气门直径取34mm。据此分别对进、排气门的参数进行输入，并对气门升程曲线进行调整，使其如图4所示。图4.气门参数输入（左为进气门，右为排气门）发动机课程设计计算说明书华中科技大学能源与动力工程学院动力机械及工程系-5-3.计算结果数据输入完成后就可以进行计算了。在总体参数设置中输入标定工况转速2600r/min，设定每1°CA记录一次数据，计算30个工作循环。计算结束后，查看结果发现，在30个工作循环内计算结果已经收敛，说明计算结果符合要求。计算结果显示：标定工况下，发动机指示功率为185.56kW，有效功率为158.79kW，平均有效转矩为583.21N•m，指示油耗率175.4150g/kWh，有效油耗率204.9848g/kWh，涡轮前排气温度786.3K，涡轮后排气温度715.5K。其缸内气体压力曲线、发动机示功图以及发动机瞬时输出转矩变化曲线分别如图5、图6、图7所示。图5.缸内气体压力曲线图（第四缸）图6.发动机工作循环示功图（第四缸）发动机课程设计计算说明书华中科技大学能源与动力工程学院动力机械及工程系-6-图7.发动机瞬时输出转矩变化曲线图在循环供油量保持与标定工况点相同的情况下，分别取标定工况点、最大扭矩点、最低转速的外特性点、最大扭矩点左右各取一到两个外特性工况点进行计算，用这几个点计算出的相关数据绘制出发动机的外特性曲线。计算得到的数据如表1所示。表1.发动机外特性计算所得数据编号转速n（r/min）转矩M（N•m）有效功率Pe（kW）有效油耗率ge（g/kWh）1750603.2347.38198.183521000620.5164.98192.664731300627.8585.47190.411141550630.18102.29189.706751800628.06118.39190.347262200610.93140.75195.684672600583.21158.79204.9848根据表1中的数据，绘制出发动机的外特性曲线如附录A所示。发动机课程设计计算说明书华中科技大学能源与动力工程学院动力机械及工程系-7-四动力学计算1.4110柴油机的平衡1.1旋转惯性力的平衡4110柴油机采用四拐平面曲轴，点火顺序为1-3-4-2，点火间隔为180°，经分析可知，其离心惯性力合力为零，离心惯性力矩也是零，其离心力平衡性很好。但曲轴本身承受有最大达Fra的内弯矩，而且中间主轴承承受较大的离心负荷。因此，为了减轻曲轴的内弯矩和轴承负荷，还是要在曲轴上布置如图8所示的四个平衡块。设平衡块的质量为mp，质心距曲轴轴心rp，则有22rmFrmrrpp故有，mmkgrmrmrpp25.186取rp=40mm，则mp=4.6kg。图8.4110柴油机平衡块布置方案1.2往复惯性力的平衡经分析发现，四拐平面曲轴的一阶往复惯性力及一阶往复惯性力矩均为零，无需外加其它平衡装置。由于其二阶往复惯性力不平衡，随着取矩点的不同，二阶往复惯性力的合力矩结果也不同，故其二阶往复惯性力的平衡不予考虑。当发动机转速较高时，可考虑使用双轴平衡机构加以平衡。2.曲柄连杆机构受力分析4110柴油机的曲柄连杆机构受力图如图9所示。发动机课程设计计算说明书华中科技大学能源与动力工程学院动力机械及工程系-8-图9.曲柄连杆机构受力图以第一缸为计算对象，其气体力Fg可由工作过程模拟计算得出的气体压力pg求得：12010110414.3)01.1()(gggpAppF往复惯性力：)2cos2976.0(cos27.2720625.0)704.0088.058.032.1()2cos(cos2221rmFFFjjjj其中，sradsradn/27.272/60260014.32602，2976.02105.62lr。合成力jgFFF据此计算并绘出Fg-ϕ、Fj-ϕ、F-ϕ图如附录B所示。发动机课程设计计算说明书华中科技大学能源与动力工程学院动力机械及工程系-9-计算出合成力F后，则侧向力FN和连杆力FL为tanFFN，cosFFL其中，)sin2976.0arcsin()sinarcsin(。如图10所示，连杆力FL在曲柄销处又分解为垂直于曲柄半径的切向力Ft和沿曲柄作用的径向力Fk：)sin(LtFF，)cos(LkFF离心惯性力：NNrmmrmFkrr9.1380627.2720625.0)98.11()(222由于mk未知，为方便计算，这里将取其为1kg。故，rkkFFF，从而进一步计算出曲柄销处作用力合力22ktBFFR据此计算并绘出FN-ϕ、FL-ϕ、Ft-ϕ、Fk-ϕ、RB-ϕ图如附录C所示。3.发动机输出扭矩的计算4110柴油机的点火顺序为1-3-4-2，每一缸转矩都是一样的，是均匀的，仅仅是工作时刻即相位不同。其中第一缸的转矩为rFMt)(1，所以第二缸的转矩为)180()(12MM，第三缸)540()(13MM，第四缸)360()(14MM。故，第一主轴颈所受转矩01,0M第二主轴颈所受转矩)(12,1MM第三主轴颈所受转矩)180(12,13,2MMM第四主轴颈所受转矩)540(13,24,3MMM第五主轴颈所受转矩kMMMM)360(14,35,4据此计算并绘出合成扭矩∑Mk-ϕ图如附录D所示。发动机课程设计计算说明书华中科技大学能源与动力工程学院动力机械及工程系-10-五设计感想为期四个星期的课程设计终于结束了，在确认自己已经完成本次课程设计所要求的所有任务后，我再次坐到电脑前写下这篇感想，与老师们分享我在本次课程设计中的所感、所悟。在刚接到课程设计任务书时，我心中惶恐不已，因为我发现自己对其中的很多任务和要求都有点陌生，很多东西都感到无从下手，完全找不到突破口。经过刘老师的讲解和王老师对BOOST软件的培训，我总算了解了本次课程设计的工作流程，对BOOST软件也有了基本的掌握。我开始踌躇满志地进行工作过程模拟计算。我非常顺利地完成了系统建模和参数输入，兴奋异常地按下“RUN”并满怀激动地等待计算结果，然而等到的却是“ERROR”。面对这个结果，我很失落，但我并没有因此而放弃。我开始认真地检查各个元件的参数输入，经过整整一天的努力，在我确信自己已经排除所有错误之后，我再次按下了“RUN”。这一次，计算成功，我得到了我期盼已久的计算结果。然而，细看之后却发现，计算出来的标定功率及最大扭矩等均与设计要求不符。我仔细分析原因，不断修改个元件的参数设置，不断的运算，不断的检验。经过很多次的重复计算后，我终于得到了符合设计要求的计算结果。正是在这不断重复的过程中，我摸清了各个参数对发动机性能的影响。更重要的是，通过这个过程，我明白了一个非常重要的道理：模拟不是目的，而是手段。我们是想通过模拟对发动机进行优化，得出发动机各个零部件的最佳参数，使发动机在不升级配置的情况下达到最优的性能。工作过程模拟计算完成后，我开始动力学计算和绘图。动力学计算使我对发动机受力情况有了很深入的了解，对excel的操作也更加熟练。而在绘图的过程中，我更是收获颇丰。在课程设计之前，虽然我们上过发动机设计的课，对发动机构造有一定的了解，但对发动机的很多辅助装置如启动机、发电机等并不了解。在绘图过程中，我不断地观察发