488Q天然氣發(fā)動機—總體方案設(shè)計和計算
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天然氣
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XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算畢業(yè)設(shè)計說明書學(xué)生姓名：XXXX學(xué)號：XXXXXXXXX學(xué)院：機電工程學(xué)院專業(yè)年級：XXXXX題目：488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算指導(dǎo)教師：XXXXXXX評閱教師：XXXX年XX月XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算摘要隨著汽車動力的發(fā)展，能源問題已經(jīng)迫在眉睫，而能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，能源尤其是石油資源的匱乏、全球環(huán)境的惡化已成為當(dāng)今世界社會發(fā)展的兩大難題。因此，內(nèi)燃機的替代燃料越來越受到重視。而在眾多的的替代燃料中，天然氣因其儲量大，燃燒清潔，對內(nèi)燃機改動小，是最有應(yīng)用前景也是目前使用最多的氣體代用燃料。天然氣的熱值和辛烷值均高于汽油，但又有可比性，因此天然氣發(fā)動機的設(shè)計可參照汽油機的具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)，在其基礎(chǔ)上進行改進，以適應(yīng)天然氣的理化性質(zhì)，保證發(fā)動機能有良好的動力性、經(jīng)濟性和可靠性。本設(shè)計是以三菱4G15S汽油機為原型，通過改型設(shè)計488Q壓縮天然氣發(fā)動機。本設(shè)計說明書包含的內(nèi)容有488Q天然氣發(fā)動機總體方案的選型，熱力計算、動力計算和部分零部件的強度計算等。關(guān)鍵詞：天然氣；4G15S汽油機；改型；488Q總體設(shè)計XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算OverallProgramDesignandCalculationof488QNGEngineAbstract:Energyisanimportantmaterialbaseonwhichhumansurvivalanddevelopment,thelackofenergy,especiallyoilresourcesandthedeteriorationofglobalenvironmenthavebecometwobigproblemsinthewayofhumansocietysdevelopment.Thus,alternativeenergiesgainmoreandmoreattention.NaturalGasisthemostpotentialandwidelyusedalternativefuelofthemanychoices,foritslargescaleofreserves,clean-burningandlessmodificationtointernalcombustionengine.ThecalorificvalueandoctanenumberofNGarehigherthangasoline,buttheyarecomparable,whichallowsustodesignaNGengineconsultingthespecificstructureandparametersofgasolineenginetoadapttothephysicalandchemicalpropertiesofnaturalgas,makingsureitwillhavegoodpowerperformance,fueleconomyandgoodreliability.ThedesignisbasedonMitsubishi4G15Sgasolineenginewhichismodifiedinto488QCNGengine.Thedesignspecificationcontains488QCNGengineoverallschemeselection,thermodynamiccalculation,powercalculationandthestrengthcalculationofsomecomponents.Keywords:NaturalGas;4G15SGasolineEngine;Modification;488QCNGEngine;OverallDesignXXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算第4頁目錄1引言.61.1本畢業(yè)設(shè)計研究的目地和意義.62方案選擇及總體設(shè)計.72.1488Q天然氣發(fā)動機主要參數(shù)的確定.72.1.1行程缸徑比值.72.1.2行程.82.1.3活塞平均速度.82.1.4氣缸中心距及其與缸徑的比值.92.1.5氣缸套壁厚.102.1.6曲柄半徑和連桿長度比.102.1.7燃燒室的選擇.102.1.8發(fā)火次序.112.2488Q天然氣發(fā)動機的總體布置.122.2.1發(fā)動機總體布置的一般要求如下.122.2.2總體布置如下.122.3本章小結(jié).133488Q天然氣發(fā)動機熱力計算.133.1熱計算.143.1.1燃料燃燒及成分確定.143.1.2燃氣過程參數(shù)的確定與計算.153.1.3壓縮終點參數(shù)的確定.163.1.4燃燒過程.173.1.5膨脹過程.183.2工作循環(huán)參數(shù).193.2.1發(fā)動機指示指標(biāo).193.2.2發(fā)動機有效指標(biāo).193.3示功圖的繪制.214運動學(xué)計算.234.1活塞位移.244.2活塞瞬時速度.245動力學(xué)計算.255.1曲軸連桿機構(gòu)中的作用力.255.2機構(gòu)慣性力.266強度計算.276.1曲軸強度計算.276.2連桿強度校核.276.3凸輪軸的強度計算.286.3.1彎曲應(yīng)力的確定.287平衡計算.297.1平衡的基本概念.297.1.1平衡的定義.297.1.2內(nèi)燃機振動的原因.297.1.3不平衡的危害.29XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算第5頁7.1.4研究平衡的目的和采用的方法.307.2旋轉(zhuǎn)慣性力的分析.307.2.1靜平衡和動平衡.307.2.2旋轉(zhuǎn)慣性力平衡分析.317.3單列式內(nèi)燃機往復(fù)慣性力的平衡分析.328進排氣系統(tǒng).338.1概述.338.2進氣系統(tǒng).338.3排氣系統(tǒng).369配氣機構(gòu).379.1.概述.379.2配氣機構(gòu)的特性.379.3設(shè)計步驟.3810潤滑系統(tǒng)的設(shè)計.3810.1發(fā)動機的工況及對冷卻系統(tǒng)的要求.4210.2冷卻系統(tǒng)的總體布置.4311供氣系統(tǒng)的選擇.45結(jié)論.47致謝.47參考文獻.48XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算第6頁1引言隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，對于汽車能源的多樣化同樣是值得關(guān)注的，天然氣成為了汽車能源的一種重要途徑，天然氣發(fā)動機是以天然氣為燃料的一種氣體內(nèi)燃機，天然氣的甲烷含量一般都在90%以上，是一種很好的汽車發(fā)動機燃料。天然氣被世界公認(rèn)為是最為現(xiàn)實和技術(shù)上比較成熟的車用汽油、柴油的代用燃料，天然氣汽車已在世界和我國各省市得到了推廣應(yīng)用。用天然氣代替常規(guī)的汽車燃料具有很多優(yōu)點。最大的好處在于環(huán)保方面，不僅排放性能和壓力優(yōu)異，而且也會降低汽車發(fā)動機的噪音；同時天然氣汽車只需要在原發(fā)動機上加裝天然氣供給系統(tǒng)，改裝方便、成本也會大大降低；相對而言，天然氣汽車安全性能也高。天然氣是一種高燃點的氣體，在通常的溫度和壓力下比汽油或柴油更加安全，并且天然氣本身無毒，無腐蝕性和非致癌的，即使有泄漏也不會造成極大的威脅。據(jù)統(tǒng)計我國天然氣總資源量為54億立方米，可采資源總量相當(dāng)豐富。天然氣總量列世界第五、亞洲第一位，因此在我國開發(fā)天然氣發(fā)動機的前景非常好。就目前我國天然氣發(fā)動機發(fā)展上看，大多數(shù)是在原汽油發(fā)動機的基礎(chǔ)上添加天然氣供氣系統(tǒng)，開發(fā)成汽油-天然氣雙用發(fā)動機天然氣替代率低，同事機械式控制不精確的自身缺陷，實際發(fā)動機排放性改善并不大。鑒于這種情況我們以4G15S發(fā)動機為參考設(shè)計出一臺用于經(jīng)濟型轎車的天然氣發(fā)動機。本次天然氣發(fā)動機的設(shè)計，是站在已有發(fā)動機的基礎(chǔ)上自主研發(fā)的嘗試，通過運用合理的結(jié)構(gòu)知識設(shè)計一臺自主開發(fā)的天然氣發(fā)動機，同時使發(fā)動機得到優(yōu)化，增強發(fā)動機的傳遞能量的能力，使發(fā)動機增強其動力性，從而使整車具有更好的動力性和經(jīng)濟性。1.1本畢業(yè)設(shè)計研究的目地和意義畢業(yè)設(shè)計是對學(xué)生在畢業(yè)前的一次全面訓(xùn)練，以三菱4G15S汽油機為原型，通過改型設(shè)計488Q天然氣發(fā)動機。通過本設(shè)計，熟悉內(nèi)燃機設(shè)計中項目計劃、XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算第7頁工作進度安排、查閱相關(guān)資料、方案對比和最終方案確定、設(shè)計計算、圖紙表達和撰寫設(shè)計報告、設(shè)計答辯等過程，鞏固和提高機械設(shè)計、內(nèi)燃機知識、材料知識、工藝知識、計算機繪圖和答辯演講的能力，初步獲得運用所學(xué)的基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識解決工程實際問題的能力，達到綜合鍛煉的目地。由于設(shè)計項目總體復(fù)雜，有難度，需要小組多成員的共同協(xié)作配合，通過畢業(yè)設(shè)計可以培養(yǎng)團隊協(xié)作精神。1.2本課題研究的任務(wù)和要求（1）要求設(shè)計的488Q天然氣發(fā)動機，具有特征：直列4缸，缸徑88mm，自然吸氣，壓縮比12.5，雙頂置凸輪軸搖臂驅(qū)動氣門，16氣門，多點噴射，鋁合金機體，干式氣缸套，用于經(jīng)濟型轎車配套。（2）充分考慮我國壓縮天然氣燃料的燃燒特點，動力性能，工作特性和對材質(zhì)的要求，設(shè)計出具有優(yōu)良動力性和經(jīng)濟性的實用機型，并減輕整機重量。（3）488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算（熱力計算、動力計算、強度計算）及各部分結(jié)構(gòu)總體設(shè)計，并協(xié)調(diào)各部分結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計。2方案選擇及總體設(shè)計內(nèi)燃機總體設(shè)計和方案選擇是設(shè)計工作的第一階段，在產(chǎn)品總體設(shè)計中要選擇和確定內(nèi)燃機的主要設(shè)計參數(shù)，在進行熱計算和外特性計算及主要零部件設(shè)計前，首先要選擇零部件的類型、布局方式。如：氣缸的布局方式、燃燒室的選擇、缸心距的確定、壓縮比的選取、活塞行程比的選取、曲柄連桿比的選取等。2.1488Q天然氣發(fā)動機主要參數(shù)的確定課題任務(wù)要求中已給定部分參數(shù)，現(xiàn)確定未定參數(shù)。XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算第8頁2.1.1行程缸徑比值行程S及其缸徑D的比值S/D是對發(fā)動機結(jié)構(gòu)和性能有多方面影響的參數(shù)。合理地選擇S/D應(yīng)考慮以下因素：（1）S/D對升功率PL的影響當(dāng)m不變時，S/D減小意味著上升，因而與成正比的PL跟著增大，使vnn內(nèi)燃機更加緊湊輕巧。（2）S/D對燃燒室形狀的影響S/D小的短行程內(nèi)燃機氣缸余隙比較扁平，對壓縮比高的發(fā)動機尤其如此，使燃燒室有效容積比減小，燃燒過程較難組織。對汽油機來說，短行程機的燃燒室也顯得不緊湊，燃燒較慢，且HC排放較高。（3）S/D對散熱的影響在其他相同的條件下，S/D下降使D增大，使得傳到冷卻水套的熱量減少，活塞組零件的溫度上升。（4）S/D對外形尺寸的影響單列式內(nèi)燃機的總長度主要取決于和D，所以S/D小的短行程內(nèi)燃機總長i度較大。雖然它高度較小，但這一優(yōu)點不太明顯。因而，單列式內(nèi)燃機應(yīng)該用較大的S/D。對雙列式內(nèi)燃機來說，總長度一般取決于曲軸的軸向尺寸，氣缸布置比較寬松，所以用短行程結(jié)構(gòu)可以減小內(nèi)燃機的高度和寬度而不犧牲總長度，獲得總體上更好的緊湊性。習(xí)慣上稱S/D=1的內(nèi)燃機為方形內(nèi)燃機，S/D1者為長行程機。目前，車用汽油機S/D=0.91.2，高速柴油機的S/D=1.01.3.V型和其他雙列式內(nèi)燃機的S/D值一般要比直列式略小些，風(fēng)冷機的S/D一般要比液冷式的略大些。本天然氣發(fā)動機取S/D=1.01。2.1.2行程課題要求缸徑D=88mm,已取定S/D=1.01，則行程S=89mm。由此可確定本機工作容積=540，排量為2160。sVmllXXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算第9頁2.1.3活塞平均速度活塞平均速度表征汽油機高速性和強化程度的一項主要指標(biāo)，對汽油機mv總體設(shè)計和主要零件結(jié)構(gòu)形式影響很大。在功率給定以后，若平均有效壓力、活塞行程和缸數(shù)維持不變，提高活塞平均速度可使氣缸直徑減小，汽油機體積小、質(zhì)量輕。在活塞行程確定后，活塞平均溫度可由公式=Sn/30求得。本mvmv設(shè)計取額定轉(zhuǎn)速n=4000rpm，可得本設(shè)計活塞平均速度為=11.9m/s。但的增加受到下列因素的限制：mv1）提高活塞平均速度，摩擦損失增加，機械效率下降，活塞組的熱負(fù)荷m增加，機油溫度升高，機油承載能力下降，發(fā)動機壽命降低。2）慣性力增加，導(dǎo)致機械負(fù)荷和機械振動加劇、機械效率降低、壽命降低。3）進排氣流速增加，導(dǎo)致進氣阻力增加、充氣效率下降。v4）隨著活塞平均速度的提高，汽油機的平衡、振動和噪聲等問題突出。一般汽油機總噪聲強度約與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。一般情況下，值為：mv汽油機17m/s，摩托車發(fā)動機更高一些，可以達到20m/s。柴油機13m/s。mv2.1.4氣缸中心距及其與缸徑的比值氣缸中心距其與缸徑的比值，是表征汽油機長度的緊湊性和重量指標(biāo)的重要參數(shù)，它與汽油機的強化程度、氣缸排列和機體的剛度有關(guān)。選擇氣缸中心距是應(yīng)考慮以下因素：1）確定氣缸中心距的大小。首先考慮曲軸的曲柄臂的厚度和主軸頸、曲柄銷的長度，是主軸承和連連桿軸承有足夠的承壓面積，并保證曲軸有良好的強度和剛度。hL210XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算第10頁式中：為氣缸中心距，mm；為主軸承長度，mm；為曲柄銷長度，0L1L2Lmm；為曲柄臂厚度，mm。h2）氣缸套型式和水套的布置。3）氣缸蓋布置。氣缸蓋的布置。氣缸中心距與氣缸蓋固定螺栓、進排氣道和冷卻水道的布置密切相關(guān)，并將直接影響汽油機的性能、可靠性和壽命，對缸徑較小的多缸汽油機可采用整體式氣缸蓋以縮小氣缸中心距。從增強機體剛度著眼，高速發(fā)動機缸心距有縮小的趨勢。目前汽油機的值：直列式的在DL/01.101.25之間；V型的在1.151.30之間，本天然氣發(fā)動機為直列4缸機，干式氣缸套，取=1.113。DL/02.1.5氣缸套壁厚干式氣缸套的厚度一般為13mm，本機選取缸套壁厚=1mm。2.1.6曲柄半徑和連桿長度比曲柄半徑和連桿長度比，即，曲柄半徑由可得，是一項lR/2/SR確定連桿長度的重要參數(shù)，行程S確定以后，選擇主要考慮以下因素：1）選擇較大的值，使連桿短、重量輕，往復(fù)和離心重量小，有利于汽油機高速化，并可降低直列式汽油機的高度，減輕汽油機重量。2）較大的值，雖縮短了連桿長度，但增加連桿擺角和活塞側(cè)壓力，對缸套磨損不利。3）在選擇連桿長度是，要保證在下止點時不與曲軸平衡塊碰，活塞在上止點時曲柄不與缸套相碰?，F(xiàn)代內(nèi)燃機的值一般在0.250.33之間。小型高速化汽油機值較高，一般在0.270.31之間，本機為天然氣發(fā)動機，參考汽油機，選值為0.30。2.1.7燃燒室的選擇燃燒室設(shè)計直接影響到發(fā)動機的充量系數(shù)，火焰?zhèn)鞑ニ俾始胺艧崧?，傳熱損失及爆燃，從而影響發(fā)動機的性能。XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算第11頁對燃燒室有兩點基本要求：一是結(jié)構(gòu)盡可能緊湊，表面積要小，以減少熱量損失及縮短火焰行程；其次是使混合氣在壓縮終了時具有一定的氣流運動，提高混合氣燃燒速度，保證混合氣得到及時和充分的燃燒。汽油機常用燃燒室形狀有以下幾種：1）楔形燃燒室，其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，在壓縮終了是能形成擠氣渦流；存在較大的激冷面積，對HC排放不利。2）浴盆形燃燒室，其結(jié)構(gòu)較簡單，但不夠緊湊。3)半球形燃燒室，其結(jié)構(gòu)較前兩種更緊湊，但因進、排氣門分別置于缸蓋兩側(cè)，故使配氣機構(gòu)較復(fù)雜。由于其散熱面積小，有利于促進燃料的完全燃燒和減少排氣中的有害氣體，故現(xiàn)代發(fā)動機上用得較多。4)碗形燃燒室，碗形燃燒室是布置在活塞中的一個回轉(zhuǎn)體，采用平底氣缸蓋，工藝性好，但燃燒室在活塞頂內(nèi)使活塞的高度和質(zhì)量增加，同時活塞的散熱也較差。5)蓬形燃燒室，其性能與半球形相似，組織缸內(nèi)氣流進行擠氣運動要比半球形容易，燃燒室也可全部加工。是近年來在在高性能多氣門轎車發(fā)動機上廣泛應(yīng)用的燃燒室。本天然氣發(fā)動機參考汽油機，設(shè)計額定轉(zhuǎn)速為4000rpm，因轉(zhuǎn)速較高，選用蓬型燃燒室。2.1.8發(fā)火次序發(fā)動機的發(fā)火順序與汽油機的運作的均勻性、主軸承和連桿軸承的負(fù)荷、軸系的扭振性能密切的關(guān)系。隨著氣缸書目的增加，發(fā)動機的發(fā)火次序可有更多的方案。選擇發(fā)火次序時，主要考慮以下因素：1)平衡性能和曲柄排列發(fā)火次序和曲柄排列的關(guān)系密切，一定的發(fā)火次序具有相應(yīng)的曲柄排列，曲柄排列確定后，就決定了發(fā)動機的平衡情況。2)扭轉(zhuǎn)振動能在不同的共振轉(zhuǎn)速，扭振振幅的相對值決定于各臨界轉(zhuǎn)速下各缸輸入能量的相對矢量和的大小，并和扭振型式有關(guān)。3）軸承負(fù)荷XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算第12頁為減少軸承負(fù)荷，相鄰兩曲柄間的夾角應(yīng)盡可能大些，相鄰氣缸間發(fā)火間隔角也盡可能大些?？傊谶x擇發(fā)火次序的時候，首先考慮發(fā)動機的平衡和軸系的扭轉(zhuǎn)振動。一般情況下，先按發(fā)動機的平衡性能，選擇曲柄的排列型式，然后按扭振性能、軸承負(fù)荷和排氣管布置來確定發(fā)火次序。本機為直列4缸發(fā)動機，設(shè)計選取的發(fā)火次序為：1-3-4-2表2-1方案選擇結(jié)果技術(shù)參數(shù)選擇結(jié)果技術(shù)參數(shù)選擇結(jié)果氣缸數(shù)4氣缸布置型式直列i活塞直徑D/mm88行程缸徑比1.01DS/活塞行程S/mm89沖程數(shù)4額定轉(zhuǎn)速rpm4000活塞最大平均速度11.91/smv氣缸中心距/mm98中心距缸徑比1.113L0壓縮比12.5連桿長度149l/連桿比0.3發(fā)火次序1-3-4-2氣缸套壁厚1m/2.2488Q天然氣發(fā)動機的總體布置2.2.1發(fā)動機總體布置的一般要求如下（1）布置緊湊，外形尺寸小，外觀整齊，外接管路盡量少。（2）經(jīng)常需要保養(yǎng)得零部件，如機油、燃油、空氣的濾清器，以及常用的機油加油口、放水閥和機油油尺等。對經(jīng)常檢查調(diào)整的氣門間隙和噴油提前角等有關(guān)零部件應(yīng)考慮到調(diào)整和拆裝方便。XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算第13頁（3）應(yīng)滿足用戶對汽油機配套所提出的各項合理要求。多種用途發(fā)動機的總體布置，首先應(yīng)滿足主要用途的配套要求，還要考慮到變型機型的有關(guān)問題。（4）具有良好的加工和裝配工藝性。（5）汽油機起吊、存放和安裝方便。（6）總體布置要認(rèn)真貫徹執(zhí)行產(chǎn)品系列化、零部件通用化和零件標(biāo)準(zhǔn)化。2.2.2總體布置如下（1）凸輪軸的布置。本設(shè)計要求使用雙頂置凸輪軸，配氣結(jié)構(gòu)質(zhì)量小，適用于高速發(fā)動機。（2）齒形帶傳動的布置。因同步齒形帶傳動效率高，節(jié)能效果好，傳動比范圍大，結(jié)構(gòu)緊湊，維護保養(yǎng)方便，運轉(zhuǎn)費用低，惡劣環(huán)境條件下能正常工作等優(yōu)點，本設(shè)計選用齒形帶傳動。（3）機油泵的布置。機油泵的布置與其傳動方法、機油管路布置以及發(fā)動機的用途有關(guān)。本設(shè)計中機油泵總成布置在主軸承端蓋上，由曲軸直接驅(qū)動，機油泵安裝位置較低，發(fā)動機啟動后，瞬時既能吸上機油。（4）水泵的布置。本設(shè)計采用離心式水泵,布置在機體外側(cè)上部，由多楔帶驅(qū)動。2.3本章小結(jié)本章通過對488Q天然氣發(fā)動機機重要參數(shù)的選擇和總體布置兩方面進行確定，并對確定原因做出了必要的說明，得出了具體參數(shù)（主要是尺寸參數(shù)）和發(fā)動機總體布置方式。488Q天然氣發(fā)動機方案為：直列4缸，四沖程水冷，干式氣缸套，設(shè)計行程缸徑比為S/D=1.01，活塞最大平均速度=11.9m/s，壓縮比為=12.5，氣缸mv中心距=98mm，曲柄連桿比為=0.3，為蓬形燃燒室，發(fā)火次序為1-3-4-2。0LXXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算第14頁3488Q天然氣發(fā)動機熱力計算內(nèi)燃機的主要參數(shù)是通過對其進行熱計算而得到的，因此，在設(shè)計發(fā)動機時，首先要選取一些基本參數(shù)并對其進行熱計算，在計算中要引進一些基本原則作為選取原始參數(shù)的依據(jù)，無論是發(fā)動機的熱計算，還是發(fā)動機的后續(xù)計算都可以采用這些參數(shù)。該方法是一種近似的、半經(jīng)驗的估計方法，它是根據(jù)熱力計算公式，對內(nèi)燃機各熱力參數(shù)、指示參數(shù)進行計算，其計算結(jié)果的精確性依賴于大量經(jīng)驗數(shù)據(jù)的選擇是否恰當(dāng)，它對內(nèi)燃機的設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。本章節(jié)將從以下幾個方面來進行計算分析：燃料、工質(zhì)參數(shù)、周圍介質(zhì)參數(shù)和殘余廢氣、進氣過程、壓縮過程、燃燒過程、膨脹過程、工作循環(huán)指示參數(shù)、發(fā)動機有效指標(biāo)、汽油機示功圖的繪制等方面。3.1熱計算3.1.1燃料燃燒及成分確定（1）工質(zhì)參數(shù)天然氣的主要成分為CH4，各組成元素的質(zhì)量比分別為0.750126c12OhCg0.254H0126c12OOh查閱相關(guān)資料，得：壓縮天然氣的化學(xué)計量空燃比：=16.40l壓縮天然氣低熱值：=50000kJ/kguH理論空氣質(zhì)量kmol/kg56.029410lL2）過量空氣系數(shù)：a過量空氣系數(shù)是反映混合器形成、燃燒完善程度及整機性能的一個指標(biāo)。天然氣發(fā)動機大部分采用稀薄燃燒技術(shù)，與當(dāng)量燃燒相比發(fā)動機缸內(nèi)燃燒XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算第15頁溫度較低，可以減小熱損失和熱負(fù)荷，提高熱效率、改善燃燒經(jīng)濟性，同時可以較少NOx排放。綜合排放性和經(jīng)濟性考慮，取過量空氣系數(shù)a13）殘余廢氣系數(shù)r02930.160.364593.rrraTP4）新鮮空氣量1M10*.60./aLkmolg5）理論上完全燃燒時的燃燒產(chǎn)物量2M20.792.36/1chagLkl6）理論分子變化系數(shù)的計算201.63/.51.7M7）實際分子變化系數(shù)的計算0/.3.640.3641rr3.1.2燃氣過程參數(shù)的確定與計算1)進氣終點壓力和溫度的確定apaT為得到良好的發(fā)動機充氣，在標(biāo)定速度工況上，在標(biāo)定速度工況上，對于四沖程汽油機，新鮮充量的預(yù)熱溫度T的數(shù)值如下：（020）。本機參考汽油機，這里取T=20。進氣的充氣密度6310/().28795/sgsPRTkm式中：進氣充氣密度，kg/；為氣體常數(shù)，=287J/kg.K。sggR進氣量M=1.205*2.160=2.6028kgsVXXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算第16頁進氣壓力損失aP由于進氣系統(tǒng)阻力和氣缸中充量運動速度的衰減所引起的壓力損失，aP采用某些假設(shè)后可以有伯努利方程求得：=aP2/10)(622sB=5.70.=0.00797MPa現(xiàn)代汽車汽油機在額定工況下：=2.54.0及)(2B=50130m/s，對于進氣系統(tǒng)加工過的內(nèi)表面，本天然氣發(fā)動機參考汽油機，B可以取=2.7和=70m/s。這是根據(jù)發(fā)動機速度工況和考慮到)(2BB在增壓和非增壓汽油機的進氣系數(shù)不大的流體阻力來選取的。進氣終了壓力：=aPsa=0.1013-0.00797=0.0933MPa式中：為進氣終了時壓力，單位為MPa；為進氣壓力損失，單位是aaPMPa。進氣終點溫度:0/1293.64950.3645aTTK2)排氣終點壓力和溫度的確定p四沖程汽油機，01.5.pT1該機型參考汽油機，排氣終點壓力，溫度取0.5.6PMPaT1100K。3)充氣效率的計算vXXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算第17頁a5.(1)()2.509312.(0.364)084svrPT3.1.3壓縮終點參數(shù)的確定平均多變壓縮指數(shù)主要受工質(zhì)與汽缸壁間熱交換及工質(zhì)泄露情況的影響。1n凡是使缸壁傳熱量及氣缸工質(zhì)泄漏量減少的因素均能使提高。當(dāng)內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速1n提高時，熱交換時間縮短、向缸壁傳熱量及氣缸工質(zhì)泄漏量減少時，則增大；1n當(dāng)負(fù)荷增加、采用空冷、采用大缸徑時，氣缸溫度升高、相對傳熱損失減小，則增大。此外提高和進氣終點溫度，則減小。1n1n一般發(fā)動機=1.0-1.4，該機型平均多變指數(shù)取1.2。1n1n平均平均多變指數(shù)。2.1k（2）壓縮終了壓力和溫度壓縮終了壓力aaMPnpP93.15.2093.1c式中：為壓縮終了壓力，單位為MPa。c壓縮終了溫度811K12.135nTac式中：為壓縮終了溫度，K。3.1.4燃燒過程（1）天然氣發(fā)動機理論混合氣分子變更系數(shù)073.159.063120MXXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算第18頁（2）天然氣發(fā)動機實際混合氣分子變更系數(shù)07.10364.17.10（3）天然氣發(fā)動機工作混合氣燃燒的熱量kJ/kmol81356)064.1(593.0)1(MHucmpa式中：為汽油機燃料低熱值，=50000kJ/kg。uu（4）燃燒過程終了溫度參考汽油機TZ=22002800K，根據(jù)經(jīng)驗，本設(shè)計取Tz=2700K（5）汽油機最高燃燒壓力汽油機的壓力升高比一般在3.24.2之間。考慮到本發(fā)動機設(shè)計壓縮比為12.5，取=3.2。a176.93.2MPPCz式中：為最高燃燒壓力，MPa。zp（6）天然氣發(fā)送機預(yù)脹比891.0810.427czT式中：為發(fā)動機機預(yù)脹比。3.1.5膨脹過程發(fā)動機過后膨脹比：029.1489.052在標(biāo)定工況下，考慮到足夠大的氣缸尺寸可以取膨脹多變指數(shù)稍小于膨脹絕熱指數(shù)。查相關(guān)文獻得：，取，26.1k25.1n得到汽油機膨脹終了壓力和溫度：XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算第19頁a27.0029.14765.12MPPnZb式中：為膨脹終了壓力，MPa。b發(fā)動機膨脹終了溫度：KTnzb139502.1475.2式中：為膨脹終了溫度，K。b取發(fā)動機剩余氣體溫度校核：KpTrb156.02713953計算兩者誤差為：%3.110)5(根據(jù)資料知道，允許誤差為，所以，誤差在允許范圍內(nèi)。3.2工作循環(huán)參數(shù)3.2.1發(fā)動機指示指標(biāo)（1）理論平均指示壓力)1()1(122nncminP)5.12(35.)5.(15.04.193112MPa78式中：為理論平均指示壓力，MPa。mi（2）平均指示壓力XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算第20頁為示功圖豐滿系數(shù)，對于柴油機，其值一般為0.920.98，本設(shè)計參考n上述范圍取豐滿系數(shù)，則：95.0nMPaPminmi93.078（3）指示熱效率29.85.02.15046930csuaiitHl式中：為汽油機指示熱效率；為平均指示壓力，MPa；為過量空氣itmiPa系數(shù)；為化學(xué)計量空燃比。0l（4）指示燃油消耗率)/(3.2489.05163.6hkWgHbitui3.2.2發(fā)動機有效指標(biāo)（1）平均有效壓力mep機械效率是評定內(nèi)燃機指示功率轉(zhuǎn)換為有效功率的程度。一般四沖程車m用發(fā)動機，該機型機械效率取0.82。90.8.m平均有效壓力：amiMPP763.082.93pe（2）有效熱效率e7.082.9emit（3）有效燃油消耗率eb)(7.203)8.5/(16.3)/(106.hkwHbeue(4)有效功率KWniVPsme.543.07.(5)轉(zhuǎn)矩XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算第21頁NmnPTetq3.140595汽車、拖拉機、工程機械和農(nóng)用動力用內(nèi)燃機等除對功率和轉(zhuǎn)速有要求外，還要求具有一定的轉(zhuǎn)矩儲備，以克服短時間的外界阻力。城市用客載汽車更強調(diào)低速轉(zhuǎn)矩特性和低速區(qū)燃油經(jīng)濟性，因為在城市交通環(huán)境中有50%以上的時間運行在低速工況區(qū)。表征轉(zhuǎn)矩儲備的參數(shù)為轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù)，又稱為轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)，表示最大轉(zhuǎn)矩與標(biāo)定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩的比值，即1maxtqT標(biāo)定工況轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速之比稱為轉(zhuǎn)速適應(yīng)性系數(shù)，即1maxtqn汽車汽油機，本設(shè)計取，則25.1m25.=1.25131.3=164.1NmmaxtqT汽車汽油機，本設(shè)計取，則.n.1nrpmtq2675/max(6)耗油量hkgbPBq/1.0.(7)升功率LWiVsL/46.250表3-1488Q天然氣發(fā)動機參數(shù)_技術(shù)參數(shù)參數(shù)值技術(shù)參數(shù)參數(shù)值氣缸直徑D/mm88額定功率Pe/kW55.0活塞行程S/mm89平均有效壓力Pm/MPa0.763行程缸徑比1.01壓縮比12.5DS/排量V/mL2160額定轉(zhuǎn)速n/rpm4000氣缸中心距/mm98最大轉(zhuǎn)矩Me/Nm164.1XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算第22頁中心距缸徑比1.113最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速n/rpm2667DL/0缸套壁厚/mm1活塞平均速度11.91/smv曲柄半徑R/mm44.5升功率25.46LkWP連桿長度l/mm149耗油量11.111/hgB燃燒室形狀蓬型3.3示功圖的繪制內(nèi)燃機的示功圖可以利用工作過程的數(shù)據(jù)來計算。選取活塞行程比例尺；選取壓力的比例尺。1sM1.0pM示功圖上相當(dāng)于氣缸工作容積的長度為：m89S示功圖上相當(dāng)于燃燒室容積的長度為：mMS74.15.289)1(壓縮和膨脹多變曲線可以用分析法來制取，對布置在燃燒室容積和總?cè)輈V積之間的中間容積各點的參數(shù)按多變曲線方程常數(shù)進行。aV1nPV（1）示功圖最大高度（點和Z）和按縱坐標(biāo)軸線Z點的位置mMPpz24.901.式中：為示功圖壓力比例尺；其余符號如前所述。（2）壓縮多變曲線各點計算公式式中：為壓縮多變曲線各點壓力，MPa；為壓縮多變曲線各點容積，xPxV；在112.5之間變化。3mxaV/1)/(nxaxVXXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算第23頁（3）膨脹多變曲線各點計算公式2)/(nxbxVP式中：為壓縮多變曲線各點壓力，MPa；為壓縮多變曲線各點容積，xx；在112.5之間變化。3mxbV/在用分析法繪制示功圖時，可以采用列表的方法確定壓縮和膨脹多變曲線上各計算點的縱坐標(biāo)。示功圖的繪制如圖3-1所示：XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算第24頁圖3-1488Q天然氣發(fā)動機示功圖4運動學(xué)計算基本參數(shù)：1.缸徑D88mm2.沖程S2r=89mm3.曲軸半徑r=S/2=44.5mm4.連桿長L149mm5.連桿比0.36.活塞面積Fh=20.54m2D41107.轉(zhuǎn)速n=4000r/min4.1活塞位移根據(jù)活塞的運動規(guī)律，計算出活塞的位置隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律：其中為曲柄半徑和連桿長度的比，取=0.3CososrX141*XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算第25頁為曲軸半徑，r=44.5mmr經(jīng)過計算后的數(shù)據(jù)和得圖表，X位移-1001020304050607080901000100200300400500600700800轉(zhuǎn)角位移位移圖4-1活塞位移4.2活塞瞬時速度根據(jù)活塞的位移規(guī)律2VrSini對曲軸轉(zhuǎn)角求倒得到活塞的瞬時速度V隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律：經(jīng)過計算后的數(shù)據(jù)和得圖表?；钊俣?40-30-20-100102030400100200300400500600700800轉(zhuǎn)角活塞瞬時速度活塞速度圖4-2活塞速度根據(jù)活塞的瞬時速度規(guī)律，對曲軸轉(zhuǎn)角求倒得到活塞的加速度V隨曲軸XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計和計算第26頁轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律：22Cosrj加速度-15000-10000-500005000100001500020000250000100200300400500600700800轉(zhuǎn)角加速度加速度圖4-3活塞加速度5動XX設(shè)計(XX)開題報告學(xué)生姓名：XXXXX學(xué)號：XXXXXX學(xué)院：機電工程學(xué)院專業(yè)：XXXXX設(shè)計(論文)題目：488Q天然氣發(fā)動機-總體方案設(shè)計和計算指導(dǎo)教師：XXXXXXX年X月XX日1結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫1500字左右的文獻綜述（包括研究進展，選題依據(jù)、目的、意義）文獻綜述一、天然氣發(fā)動機特點天然氣汽車是以油改天然氣為燃料的一種氣體燃料汽車。天然氣甲烷含量一般在90%以上，是一種很好的汽車發(fā)動機燃料。車用壓縮天然氣的壓力一般在20MPa左右。可將天然氣，經(jīng)過脫水、脫硫凈化處理后，經(jīng)多級加壓制得。其使用時的狀態(tài)為氣體。1、燃燒穩(wěn)定，不會產(chǎn)生爆震，并且冷熱起動方便。2、壓縮天然氣儲運，減壓，燃燒都在嚴(yán)格的密封狀態(tài)下進行，不易發(fā)生泄露。另外其儲氣瓶經(jīng)過各種特殊的破壞性試驗，安全可靠。3、壓縮天然氣燃燒安全，積碳少，減少氣阻和爆震，有利于延長發(fā)動機各部件的使用壽命，減少維修保養(yǎng)次數(shù)，大幅度降低維修保養(yǎng)成本。4、可減少發(fā)動機的機油消耗量。5、使用壓縮天然氣與汽油相比，可大幅度降低，一氧化碳，二氧化硫，二氧化碳等的排放。并且沒有苯，鉛等致癌和有毒物質(zhì)危害人體健康。2、天然氣發(fā)動機業(yè)內(nèi)評價1、天然氣汽車是清潔燃料汽車.天然氣汽車的排放污染大大低于以汽油為燃料的汽車，尾氣中不含硫化物和鉛，一氧化碳降低80%，碳氫化合物降低60%，氮氧化合物降低70%.因此，許多國家已將發(fā)展天然氣汽車作為一種減輕大氣污染的重要手段.2、天然氣汽車有顯著的經(jīng)濟效益.可降低汽車營運成本，天然氣的價格比汽油和柴油低得多，燃料費用一般節(jié)省50%左右，使?fàn)I運成本大幅降低.由于油氣差價的存在，改車費用可在一年之內(nèi)收回.可節(jié)省維修費用.發(fā)動機使用天然氣做燃料，運行平穩(wěn)、噪音低、不積炭，能延長發(fā)動機使用壽命，不需經(jīng)常更換機油和火花塞，可節(jié)約50%以上的維修費用.3、比汽油汽車更安全首先與汽油相比，壓縮天然氣本身就是比較安全的燃料.這表現(xiàn)在：燃點高.天然氣燃點在650.c以上，比汽油燃點（427.c）高出223.c，所以與汽油相比不易點燃.密度低.與空氣的相對密度為0.48，泄漏氣體很快在空氣中散發(fā)，很難形成遇火燃燒的濃度.辛烷值高.可達130，比目前最好的96號汽車辛烷值高得多，抗爆性能好.爆炸極限窄.僅515%，在自然環(huán)境下，形成這一條件十分困難.釋放過程是一個吸熱過程.當(dāng)壓縮天然氣從容器或管路中泄出時，泄孔周圍會迅速形成一個低溫區(qū)，使天然氣燃燒困難.其次，壓縮天然氣汽車所用的配件比汽油車要求更高.表現(xiàn)在：國家頒布有嚴(yán)格的天然氣汽車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).從加氣站設(shè)計、儲氣瓶生產(chǎn)、改車部件制造到安裝調(diào)試等，每個環(huán)節(jié)都形成了嚴(yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).設(shè)計上考慮了嚴(yán)密的安全保障措施.對高壓系統(tǒng)使用的零部件，安全系數(shù)均選用1.5-4以上，在減壓調(diào)節(jié)器、儲氣瓶上安裝有安全閥，控制系統(tǒng)中，安裝有緊急斷氣裝置.儲氣瓶出廠前要進行特殊檢驗.氣瓶經(jīng)常規(guī)檢驗后，還需充氣作火燒、爆炸、墜落、槍擊等試驗，合格后,方能出廠使用.中外發(fā)展天然氣60年來，從未出現(xiàn)過因天然氣爆炸、燃燒而導(dǎo)致車毀人亡的事實證明，壓縮天然氣汽車是十分安全可靠的.4、CNG汽車的動力性略有降低.燃用天然氣時，動力性略下降515%.5、改裝一次性投資較大，改裝一輛CNG汽車大約需4000-6000元，隨著日后技術(shù)的不斷進步，費用會繼續(xù)降低。三、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.目前國內(nèi)外大多廠家的天然氣發(fā)動機都是由柴油機改裝,天然氣與柴油相比其燃燒特性區(qū)別很大,相應(yīng)關(guān)鍵部件必須重新設(shè)計1,主要有:1)氣缸蓋部件設(shè)計,加強火花塞周圍的冷卻效果,改進氣道渦流,減少火花塞周圍的渦流2,使缸內(nèi)混合氣體更容易點燃;氣門和座圈的錐面結(jié)構(gòu)改進和選用新型材料,減小由于排溫高和天然氣無潤滑性等因素造成的氣門和座圈磨損。2)凸輪軸設(shè)計,減小氣門重疊角,保證較高的充氣效率、減少掃氣帶來的燃料損失及HC排放、降低排氣溫度。3)活塞設(shè)計,實現(xiàn)更快和更充分的燃燒、縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x以降低爆震傾向。以上部件優(yōu)劣是影響天然氣發(fā)動機性能的重要因素。2.目前天然氣發(fā)動機大部分采用稀薄燃燒技術(shù),與當(dāng)量燃燒相比發(fā)動機缸內(nèi)燃燒溫度較低,因此,可以減小熱損失和熱負(fù)荷,提高了熱效率、改善了燃料經(jīng)濟性,同時可以減少NOx排放。天然氣動機的燃燒、排放及燃料消耗率隨過量空氣系數(shù)的變化情況,如圖1所示,綜合排放性和經(jīng)濟性考慮,當(dāng)過量空氣系數(shù)1.5左右時最佳,所以稀薄燃燒技術(shù)是天然氣發(fā)動機的最佳選擇3。3.目前天然氣發(fā)動機普遍采用單點噴射稀薄燃燒技術(shù),優(yōu)點是空氣和燃料預(yù)混合充分均勻,失火和爆能得到很好控制,但是發(fā)動機的響應(yīng)速度略顯遲緩;而采用多點噴射技術(shù)面臨很多問題,因為目前中等功率以上天然氣發(fā)動機均由柴油機改制而成,原機各缸進氣量的差異約10%15%,加之噴射閥燃氣供給量差異約5%10%,這樣各缸的空燃比總體差異約15%25%。而稀薄燃燒一般失火極限控制在5%10%之間,同時還受到燃氣氣質(zhì)和環(huán)境等因數(shù)的影響,多點噴射很可能造成發(fā)動機的失火和爆震等非正常燃燒。在多點噴射控制技術(shù)不成熟之前,預(yù)混合單點精確噴射控制在目前市場占主導(dǎo)地位。4.當(dāng)量燃燒天然氣發(fā)動機需要點火能量是汽油機的3倍左右,而稀薄燃燒天然氣發(fā)動機需要的點火能量是當(dāng)量燃燒的1.5倍左右,那么稀薄燃燒天然氣發(fā)動機是汽油機的4.5倍左右,可見天然氣燃料火性能更差。這樣傳統(tǒng)的汽油機點火系統(tǒng)根本不適應(yīng)于天然氣發(fā)動機。因而需要采用高能量數(shù)字點火技術(shù),計算機芯片來精確控制點火的能量和時間:1)點火能量太小不能滿足發(fā)動機性能要求,點火能量過大又是浪費,而且涉及到相應(yīng)部件(點火線圈、高壓線和火花塞等)的承受力問題。在現(xiàn)有部件能夠承受的條件下,將點火能量控制到一個能夠滿足需要的合適程度是十分必要的。2)準(zhǔn)確的點火時間對發(fā)動機的燃燒效率至關(guān)重要,利用計算機技術(shù)可以控制點火的時間,其精確度可以達到微秒級。四、研究目的以4G15S為原型，改進研發(fā)出488Q。綜合考核學(xué)生四年所學(xué)知識掌握程度，以此培養(yǎng)學(xué)生對課題的研究等綜合能力。使學(xué)生熟悉內(nèi)燃機設(shè)計中項目計劃，工作進度安排，查閱相關(guān)資料，方案對比和最終方案確定，設(shè)計計算，圖紙表達和撰寫設(shè)計報告。設(shè)計答辯過程，
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