发动机课程设计汇总.doc

课程设计说明书

设计题目
院（系） 专业 班
学 生 姓 名
完 成 日 期
指导教师（签字）

华 中 科 技 大 学

目 录

一 目及要求……………………………………………………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B Fg-ϕ、Fj-ϕ、F-ϕ曲线图……………………………13
附录C FN-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

一 目及要求
1.目
发动机课程设计是《发动机现代设计》课程后续教学环节，旨在对刚学习过发动机设计课程以及发动机原理课程知识进行综合运用，加深对专业知识理解。在课程设计环节，通过总体性能计算（工作过程模拟计算及动力学计算）将发动机结构参数及性能参数结合起来，弄清结构及性能之间内在联系；通过发动机总体布置图设计，对发动机总体结构有一个全面而具体了解，并深化对发动机各主要零件作用和设计要求理解。
2.要求
对提供教学参考资料要认真分析，在理解基础上借鉴，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（计算说明书及图纸）时必须通过指导教师考核，不得代交。计算说明书应包括：计算目、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。

二 设计任务
4110柴油机总体方案设计
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)： 140/2300
最大扭矩（N.m）/转速（r/min）： 640/1450~1550
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±2ºＣＡ
2. 其他有关数据

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
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参数主要参考YC6M-3400和YC6M-3500，只有气缸参数需做部分调整。根据设计任务所给出缸径（110 mm）、行程（125 mm）、压缩比（17）及连杆长度（210 mm）对气缸基本参数进行输入，如图2所示：

图2. 气缸基本参数输入
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

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0.4 mm，气门直径取37 mm；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0.5 mm，气门直径取34 mm。据此分别对进、排气门参数进行输入，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）
3. 计算结果
数据输入完成后进行计算。在总体参数设置中输入标定工况转速2300 r/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154.64 kW，有效功率为132.33 kW，平均有效转矩为549.429N•m，指示油耗率175.4150 g/kWh，有效油耗率222.864g/kWh，涡轮前排气温度786.3 K，涡轮后排气温度715.5 K。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）

图7. 发动机瞬时输出转矩变化曲线图
在循环供油量保持及标定工况点相同情况下，分别取标定工况点、最大扭矩点、最低转速外特性点、最大扭矩点左右各取一到两个外特性工况点进行计算，用这几个点计算出相关数据绘制出发动机外特性曲线。计算得到数据如表1所示。
表1. 发动机外特性计算所得数据
编号
转速n
有效功率Pe
转矩M
有效油耗率ge
（r/min）
（kW）
（N•m）
（g/kWh）
1
800
46.05
549.659
222.07
2
1200
74.17
590.222
206.808
3
1500
92.45
588.535
207.401
4
1800
107.51
570.337
214.019
5
2100
123.63
562.17
217.128
6
2300
132.33
549.429
222.864
7
2400
136.45
542.93
224.823
8
2600
144.88
532.126
229.387
根据表1中数据，绘制出发动机外特性曲线如附录A所示。

四 动力学计算
1. 4110柴油机平衡
1.1 旋转惯性力平衡
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内弯矩，而且中间主轴承承受较大离心负荷。因此，为了减轻曲轴内弯矩和轴承负荷，还是要在曲轴上布置如图8所示四个平衡块。设平衡块质量为mp，质心距曲轴轴心rp，则有

故有，
取rp=40mm，则mp=4.6kg。

1.1 往复惯性力平衡
经分析发现，四拐平面曲轴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，随着取矩点不同，二阶往复惯性力合力矩结果也不同，故其二阶往复惯性力平衡不予考虑。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柴油机曲柄连杆机构受力图如图9所示。

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气体压力pg求得：

往复惯性力：
其中，，
。
合成力
据此计算并绘出Fg-α、Fj-α、F-α图如附录B所示。
计算出合成力F后，则侧向力FN和连杆力FL为
，
其中，。
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切向力Ft和沿曲柄作用径向力Fk：
，
离心惯性力：
由于mk未知，为方便计算，这里将取其为1kg。
故，，从而进一步计算出曲柄销处作用力合力

据此计算并绘出FN-α、FL-α、Ft-α、Fk-α、RB-α图如附录C所示。

2. 发动机输出扭矩计算
4110柴油机点火顺序为1-3-4-2，每一缸转矩都是一样，是均匀，仅仅是工作时刻即相位不同。其中第一缸转矩为，所以第二缸转矩为，第三缸，第四缸。故，
第一主轴颈所受转矩
第二主轴颈所受转矩
第三主轴颈所受转矩
第四主轴颈所受转矩
第五主轴颈所受转矩
据此计算并绘出合成扭矩∑Mk-α图如附录D所示。

参考文献
[1] 柴油机BOOST基础培训.PDF
[2] BOOST数据处理教程.PDF
[3] AVL全部软件技术描述.PDF . 上海：李斯特技术中心（上海）有限公司
[4] 袁兆成 . 内燃机设计 [M] . 北京：机械工业出版社，2008.7
[5] 钟家麒，钟晓颖 . 工程图学 [M] . 北京：高等教育出版社，2006.7
[6] 刘永长 . 内燃机原理 [M] . 武汉：华中科技大学出版社，2001
[7] 王建昕，帅石金 . 汽车发动机原理[M] . 北京：清华大学出版社，2011.3

附录A 发动机外特性曲线

附录B Fg-α、Fj-α、F-α曲线图

附录C FN-α、FL-α、Ft-α、Fk-α、RB-α曲线图

附录D 发动机合成扭矩∑Mk-α曲线图

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