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毕业设计（论文）-节能汽车设计-发动机设计节能汽车设计-发动机设计 1.绪论 1.1概述 1.1.1 当前世界的能源形势 能源是世界人类社会经济发展的重要物质基础，是生产力发展的主要动力。世界经济发展历史充分表明:能源的增长速度与GDP同步增长，呈正相关。战后50,70年代世界费本主义经济大发展与充足的廉价能源供给，特别是石油供给密切相关。为此(能源供给引起世界的普遍关注。能源是人类社会发展的重要基础瓷源。但由于世界能源资源产地与能源消费中心相距较远，特别是随着世界经济的发展、世界人口的尉增和人民生活水平的不断提高，世界能源需求量持续增大，由此导致对能源资源的争夺日趋激烈、环境污染加重和环保压力加大。由此可以断定,在未来生活中,节能减排这个话题将不会减弱,相反的,反而会被越来越多的人所关注,而节能减排最终会成为一个永久的话题被人们所认识和对待. 1.1.2节能汽车概况 节能汽车指的是低能耗、低污染、新能源、新动力汽车。节能汽车的宗旨就是在满足需求的前提下尽可能少的耗费能源，同时减少污染气体的产生。由于能源危机和环境问题的日益严重性,越来越多的汽车厂家开始研制节能型汽车,不仅从汽车整体结构入手,节能型发动机的研究更是其中的重中之重。目前世界上的节能型汽车主要有三种类型，一是纯电动汽车。二是混合动力汽车，三是燃料电池汽车。 1.2论文选题的背景及意义 自从发动机的发明产生以来，石油的危机和温室气体的排放问题愈演愈烈，不断威胁着人类的生存和发展，越来越多的汽车在给人们带来方便快捷的同时也不断的耗费能源和排放废气。在世界石油资源的日益衰竭的危机下，节能型发动机的研究成为人类研究的课题。各国政府对此十分重视，每年都不断的有更新更好的节能车型在出现，高效率的节能车势必给整个世界带来巨大的经济和社会效益。越是排量小，耗油少的车就越是受欢迎，这已成为当代汽车设计的主流理念。 对于参加节能竞技大赛的车辆而言，赛车需要在一定时间内完成规定行驶的里程，耗油量最少的车队获胜，即对车辆的速度，耗油量都有要求。发动机是为节能1 节能汽车设计-发动机设计 车提供动力的装置，发动机的改造成功与否，直接影响着比赛的成绩。同时该项比赛集思广益，利用大众的智慧来思考发动机的节能改造方案，激起大众对节能的认识和兴趣，可以说是一种行之有效的方法，对于全世界的节能减排必将产生积极的推动作用。 1.3 论文研究的主要内容 (1)根据实际应用情况，做详细的调研，并在此基础上确定合理的方案。 )设计合理的发动机内部结构改造方案及控制系统方案。 (2(3)对系统进行必要的运动参数计算，对汽车的控制系统进行探讨。 (4)绘制车体的设计图，发动机的改造方案。 (5)部件图其零件图。 (6)编写设计说明书 在发动机改造方面，我综合了赛道的条件和比赛要求对发动机进行调整，计划对以下部分进行改进:拆除发动机不必要的部分，减小发动机汽缸体积，精调化油器。 2.发动机 2.1发动机发展简史 发动机，又称为引擎，是一种能够把一种形式的能转化为另一种更有用的能的机器，通常是把化学能转化为机械能。发动机最早诞生在英国, 回顾发动机产生和发展的历史，它经历了外燃机和内燃机两个发展阶段。所谓外燃机，就是燃料在发动机的外部燃烧，发动机将这种燃烧产生的热能转化成动能的机器。内燃机就是燃料在发动机的内部燃烧，同时将这种燃烧产生的热能转化成动能。18世纪中叶，瓦特发明蒸汽机标志着发动机的产生，蒸汽机这种外燃机是当时哪个时代最主要的代表。1886年，奔驰一号的发明代表着内燃机开始进入我们的生活。虽然当初的发动机动力小，效率低，但是随着时代的发展，发送机也有了巨大的改变，由最初的外燃机发展到内燃机，再由1892年发明化油器而产生的化油器发动机，再到1967年电喷技术的出现而产生的电喷发动机，然后就是近几年的缸内直喷技术发展起来的缸内直喷发动机。无一不是发动机跨时代的进步。 2.3 当代发动机节能新技术 2 节能汽车设计-发动机设计 通过查阅资料，当代发动机先进技术主要有以下几点: 一:CBR(可控燃烧速率)技术。该技术是通过控制进气气流的组织形式(涡流和滚流)来改善燃烧，以达到降低排放，提高燃油经济性的新技术。主要有两种形式蝶阀式和滑板式。优点是:1.具有良好的燃油。2.不需要特别的低硫燃油。3.不需要成本较高的高压燃油系统。4.提高废气排放标准。 二:TCI(涡轮增压中冷)技术。该技术是利用专门的压气机将气体在进入汽缸前预先进行压缩，提高进气压力，从而提高进入汽缸的气体密度，减小体积，由此，单位体积内气体质量增加，满足燃烧需要又可提高发动机的体积比功率和重量比功率、提高机械效率、减少有害废气的排放和降低噪声。增压方式主要有三种:涡轮增压、机械增压和气波增压。TCI的优点是在不增加排量的基础上大幅度提高功率和扭矩，同时提高燃油经济性和降低尾气排放。 三:DGI(汽油直喷)技术。该技术是通过电控系统的控制直接将汽油直接喷射在燃烧室内，同通过气门进入的空气进行混合从而形成可燃混合气进行燃烧。优点是:1.提高发动机的压缩比，同时发动机具有更高的热效率，燃料热充分利用。利用该技术的发动机动力比普通的高40%。2.卓越的燃油经济性，油耗量低，升功率大。3.能有效降低HC、NO和CO等有害废气污染物的排放。 四:VVT(可变气门)技术。由于发动机运转速度不同，所需要的气门叠开角不同，而通常的发动机气门都是固定的，无法控制气门的叠开角，为节省燃油，出现了VVT技术。该技术是通过对某种特定的转速/负荷运行模式进行优化来降低油耗和有害物质的排放。该技术的运用，使得高速功率和低速扭矩有了较大的提高怠速性能更趋于优化，解决了常用的固定气门和节油之间的矛盾。 2.4 我国发动机研发现状 我国发动机研发主要有三种形式:一是企业自行研发，主要是一些独立的发动机生产企业。二是委托或与国外技术公司合作研发，主要对象是自主品牌的整车企业或者发动机企业。三是引进国外先进技术，笑话、吸收和改进，主要是一些合资企业。 我国车用能源消耗日益紧迫，从2000年至今，我国汽车保有量以年均10%以上的速度递增，车用燃油消费占石油消耗的比例逐年增加，2007年末达到34.12%。我3 节能汽车设计-发动机设计 国汽车发动机的质量及可靠性在最近的二十年虽然取得了较大的进步，但是发动机的节能减排技术远低于国外先进水平，平均油耗高于国外发动机10%以上。汽车发动机节能减排技术的研发也是国内汽车企业参与国际竞争、走向国际市场的需要。这些紧迫的形势在逼迫我们加快节能发动机技术的研发，但是，在这方面我们国家还存在很多的问题。 一:我国汽车及发动机企业对节能汽车发动机的研发还没有形成有效的开发模式，相应的经验积累也较少。二:由于我国汽车发动机新的节能减排技术研发滞后，每到新的节能减排标准实施时，自主品牌企业不得不依靠国外技术，并因此支付过多的费用。三:对先进、前沿的节能减排技术，国内企业由于能力限制，目前只能是模仿。四:政策层面缺少行之有效的支持措施。 为促进我国节能发动机的研发，国家制订了一系列的政策措施。技术方面:将节能与新能源汽车的关键技术和零部件研发列入国家科技计划，给予重点支持。建立节能与新能源汽车产业联盟，集中力量攻克关键技术，促进产业化发展建立符合中国实际的行驶工况以及特定地区、特定车型的行驶工况，促进燃料经济性水平提高。尽快制定和完善节能与新能源汽车技术标准和法规。财税方面:国家采取补贴和税费优惠政策，推动纯电动汽车、混合动力汽车等新能源汽车发展。建立以汽车燃料经济性标准为依据的财税奖罚机制。对达到国家标准的汽车产品，纳税人执行标准的纳税税率;对优于国家标准的汽车产品，按等级调减纳税税率;对低于国家标准的汽车产品，按等级提高纳税税率。建立与车辆燃料经济性挂钩的惩罚性特别目的税:对不达标的车辆给予惩罚性的税收，在交纳了相应的罚款后准予生产和进口，以及上牌和注册使用。建立这种目的税是为了在不增加国家财政支出的情况下，很好地解决节能降耗目标实现与市场需求间的一些难以协调的矛盾。 3.本田125发动机结构及改装 3.1 发动机机体组 3.1.1机体组组成 发动机机体组主要由气缸盖、气缸体、曲轴箱、油底壳和汽缸垫组成的。是发动机各机构、各系统装配基体，也是发动机最主要的部分，其他部分分别是配气机4 节能汽车设计-发动机设计 构、供油系统、活塞连杆杆机构、启动系统、冷却系统和润滑系统组成。 图3.1.1汽缸体 图3.1.2活塞连杆机构 3.1.2 机体组改装操作 3.1.2.1气缸改造 (1)对汽缸盖上汽缸接触面进行面磨削及研磨，同时，通过使用薄汽缸垫能提高压缩比。 (2)优化进气岐管的长度，提高惯性吸气充填效果。 (3)将排气管直管化并调节其长度，提高惯性排气量。 (4)发动机油为比赛期间的消耗品，采取自然落下式，卸下既有的润滑系统减轻重量。 (5)通过研磨吸气?排气口内部，减低供气排气摩擦阻力。 (6)由于发动机的驱动时间较少，为保温可去掉冷却风扇，这样也可减轻重量。 (7)使用填隙料密封吸气部的各个接合部提高气密性。 具体操作是: ?在汽缸体内加焊一个本田70发动机的汽缸套。 ?依照汽缸体内加焊的汽缸套的长度切除部分汽缸体，加工研磨汽缸体垫片2接触的汽缸体面。 5 节能汽车设计-发动机设计 图3.1.2.1汽缸装配体3D图 3.1.2.2 曲轴箱改造 变速系统是为了获得不同转速下的不同车速和扭矩。同时将曲轴连杆活塞的上下往复运动转换成曲轴的旋转运动。 离合器是位于变速系统与传动系统之间，起一个柔和地传递动力(切断动力)的作用的装置。变速器就是根据这一原理来设计的:小齿轮(或小带轮)为主动轮传动大齿轮(或大带轮)，则转速降低扭矩增加;大齿轮(或大带轮)为主动轮传动小齿轮(或小带轮)，则转速增高扭矩降低。当发动机转速增高时，3个蹄块产生离心力，当离心力超过拉簧的预拉力并达到一定数值时(发动机转速增高至2200转以上时)，蹄块与外沿的摩托盘贴合，产生磨擦力，进而构成一个力矩传递到变速箱主轴。当发动机转速下降(至1500转时)，蹄块所产生的离心力不足以克服拉簧拉力，就不能与磨擦盘贴合，离合器6 节能汽车设计-发动机设计 就处于分离状态，此时传递到后轮的动力被切断。 在变速和传动系统部分，动力的传递路线是:曲轴-皮带轮无级变速-(1次变速传动)-离合器-末级齿轮组件-(2次减速传动)-后轮轮毂。 为了减轻发动机的自身重量，我们可以去掉变速齿轮的部分。由于变速箱内齿轮变速机构变速过程复杂，若由变速箱来变速，会导致能量的损失。所以，将变速机构直接改为发动机外部的曲轴动力输出端与节能车动力轮之间的简单齿轮变速机构。而切去发动机本身变速机构，同时还可以减轻车体重量，所以，将变速机构直接改为发动机外部的曲轴动力输出端与节能车动力轮之间的简单齿轮变速机构。 具体改造方案: ?首先拆除变速箱内部结构 ，然后将多余的机体外壳切除，但要保证曲轴空间。输出功率固定为4速档，省略变速器，减轻发动机本身的重量。为了车辆能够行驶并发挥出最高速度，通过与安装在车轮上的链轮齿轮比来控制车速。 ?拆除档位开关连接器。焊死档位开关连接器在左曲轴箱上的开孔。根据汽缸体和汽缸头的长度调节双头螺栓的长度。 7 节能汽车设计-发动机设计 图3.1.2.2曲轴箱3D视图 3.1.2.3 换挡鼓改造 图3.18换挡鼓爆炸视图 表3.1.2换挡鼓零件目录 数号码 零件名称 数量 号码 零件名称 量 8 节能汽车设计-发动机设计 1 右拨叉 1 11 变档臂弹簧 1 2 左拨叉 1 12 变档回位弹簧 1 3 拨叉轴 1 13 回位弹簧销 1 4 变速鼓 1 14 档位开关帽 1 5 定位板组合 1 15 档位开关弹簧 1 6 变速鼓保持架 1 16 销轴(变档轴摇臂回位弹簧) 1 7 压板组合 1 17 垫圈6.1mm 1 8 压板弹簧 1 18 滚子3X8.5 2 9 变速轴组合 1 19 滚柱4X10.8 5 10 变档臂组合 1 20 螺栓 1 由于采用多变速齿轮变速，变速箱拆除，换挡鼓已经不再需要，所以要拆除换挡及相关部件。 3.2 活塞连杆机构 3.2.1 活塞连杆机构简介 活塞连杆机构包括活塞、连杆、带飞轮齿圈曲轴。此机构将活塞的往复直线运动转变为曲轴旋转运动而给发动机输出动力。 混和气燃烧时，活塞在气缸内做上下往复运动，曲轴连杆将活塞的上下往复运动转变成曲轴的旋转运动，曲轴再将动力传递给变速机构，驱动后轮旋转。 曲轴连杆安装在曲轴箱中。在曲轴箱里，曲轴左面安装有正时链条，曲轴右面安装机油泵总成、磁电机总成。曲轴的旋转运动为 正时链条、机油泵总成、磁电机总成提供能量。磁电机总成里面的飞轮(即转子)旋转切割磁力线发电，机油泵工作将润滑油压到各个零件表面及缸头，正时链条驱动气门打开与关闭。整个内燃机系统开始运转。 3.2.2 曲轴连杆改造 由于原发动机为本田125排量的发动机，而比赛是动力输出不需要这么大，因而将汽缸换成本田70的汽缸桶及活塞，同时更换相关活塞环套件、活塞销、活塞销挡圈等。然后讲曲轴内的正时链轮去掉。如图:3.2.2 9 节能汽车设计-发动机设计 图3.2.2活塞3D图 3.3发动机配气机构 3.3.1发动机配气机构的组成、功能及工作形式 配气机构组成:由气门组和气门传动组组成。 配气机构功能:配气机构是进、排气管道的控制机构，它要按照发动机的做功次序和每一缸的工作循环的要求，适时地开闭进、排气门、向气缸供给可燃混合气并及时排出废气。燃烧是内燃机工作的核心，最佳状态的燃烧必须要满足以下两个条件:合适的地点、合适的时间。因此只有当油正时、火正时通俗些说就是进气、排气动作与火花塞点火的时间两者都最佳的时候，才能使进入汽缸的汽油最大限度的燃烧。配气机构的作用就是完成控制气门在合适的时间打开和关闭。 配气机构形式:按不同的气门布置方式可分将配气机构分成侧置式和气门顶置式。大多数汽车发动机采用的是顶置气门式配气机构。主要由挺柱、推杆、摇臂、凸轮、气门和气门弹簧等零件组成。 顶置式配气机构按凸轮轴的置形式又分成凸轮轴下置式、凸轮轴中置式、凸轮轴上置式;按曲轴和凸轮轴的传动方式能分为齿轮传动式、链条传动式和齿形10 节能汽车设计-发动机设计 带式。按照每只气缸的气门数目可以分成两气门式和四气门式两种。 3.3.2 气门的改造 配气相位:配气相位就是用环形图表示曲轴转角表示的进、排气门的开启时刻和开启延续时间，也叫配气相位图。 为了能使汽缸进气充足，排气干净，除了从结构上进行改进外(如增大进、排气管道)，还可以从配气相位上想点办法，气门能否早开晚闭，延长进、排气时间呢, ? 气门早开晚闭 活塞到达进气下止点时，由于进气吸力的存在，气缸内气体压力仍然低于大气压，在大气压的作用下仍能进气;另外，此时进气流还有较大的惯性。由此可见，进气门晚关可以增加进气量。 进气门早开，可使进气一开始就有一个较大的通道面积，可增加进气量。 在作功行程快要结束时，排气门打开，可以利用作功的余压使废气高速冲出气缸，排气量约占总排量的50%。排气门早开，虽然会造成功率的损失，但因气压较低，损失并不大，而早开同时可以减少排气所消耗的功，又有利于废气的排出，所以总功率仍是提高的。 进气门早开:增大了进气行程开始时气门的开启高度，减小进气阻力，增加进气量。进气门晚关:延长了进气时间，在大气压和气体惯性力的作用下，增加进气量。排气门早开:借助气缸内的高压自行排气，大大减小了排气阻力，使排气干净。排气门晚关:延长了排气时间，在废气压力和废气惯性力的作用下，使排气干净。由此在理论上可以得出，气门的早开晚闭对于燃料的充分燃烧是有作用的，问题的关键在于如何做到准确控制气门的关闭。 ? 气门重叠 由于进气门早开，排气门晚关，势必造成在同一时间内两个气门同时开启。把两个气门同时开启时间相当的曲轴转角叫作气门重叠角。在这段时间内，可燃混合气和废气在理论上可能会混合，但是实际上是不会的，首先， 进、排气流各自有自己的流动方向和流动惯性，而重叠时间又很短，不至于达到混合的程度，11 节能汽车设计-发动机设计 吸入的可燃混合气不会随同废气排出，废气也不会经进气门倒流入进气管。其次， 进气门附近有降压作用，有利于进气，废气无法从排气口到达进气口。 ?气门的实际开闭时刻和延续时间的控制 实际进气时刻和延续时间:在排气行程接近终了时，活塞到达上止点前，即曲轴转到离上止点还差一个角度，进气门便开始开启，进气行程直到活塞越过下止点后时，进气门才关闭。整个进气过程延续时间相当于曲轴转角180?+。 +- 进气提前角 一般=10?,30? - 进气延迟角 一般=40?,80? 所以进气过程曲轴转角为230?,290? 实际排气时刻和延续时间:同样，做功行程接近终了时，活塞在下止点前排气门便开始开启，提前开启的角度一般为40?,80?，活塞越过下止点后角排气门关闭，一般为10?,30?，整个排气过程相当曲轴转角180?+。 - 排气提前角 一般=40?,80? - 排气延迟角 一般=10?,30? 所以排气过程曲轴转角为230?,290? 气门重叠角+=20?,60? 经分析，我们可以看出实际配气相位和理论上的配气相位相差很大，实际配气相位，气门要早开晚关，主要是为了满足进气充足，排气干净的要求。 具体操作步骤: ?拆除气门调整孔盖配合进行气门进行改造。 ?研磨汽缸头垫接触面，减小半球形燃烧室容积，增加压缩比。 ?3火花塞改用高电压白金V火花塞 ?4研磨吸气?排气口内部，减低供气排气摩擦阻力 其中步骤?3换用高电压白金火花塞的目的在于提高点火效率和准确度。 12 节能汽车设计-发动机设计 图3.3.2.1汽缸头改装3D图 与此同时将气门和凸轮轴进行改装:?拆除气门摇臂组合及相关组件，完成气门改造。 ?依照设计图加工、安装电子气门。气门凸轮轴如图: 13 节能汽车设计-发动机设计 图3.3.2.2气门凸轮轴3D图 3.4 燃料供给系统 3.4.1 燃料系统组成 燃料供给系统组成有汽油箱、汽油泵、汽油滤清器、化油器、进气歧管、排气歧管、排气消声器等。它们的作用是向汽缸供入具有一定数量和浓度的可燃性混合气，并将燃烧之后的废气排出发动机的装置。 3.4.2 燃料系统改造 由于这次比赛是按照行驶固定距离测定燃油消耗，主办方同意分发汽油的情况，所以汽油箱要放置在外部且是可视状态。因而将原有油箱去除。 3.5 点火系统 点火系统包括点火开关、点火线圈、分电器总成、火花塞等，其作用是产生高压电火花，点燃汽缸内的混合气。 3.5.1 发动机电气系统 磁电机由飞轮组件和定子组成，是给发动机提供电能的装置。发电的原理是密闭导线切割磁感线产生电流。飞轮旋转时，磁电机线圈切割磁力线产生交流电，为全车提供所有用电部件的电能。磁电机也是点火系统能量的来源也是磁电机提供的。磁电机线圈共有三组独立的线圈:第一组给CDI点火器中的储能元件(电容)充电，称为低压点火线圈。第二组是给蓄电池充电，给大灯照明，是充电照明线圈。第三组是触发线圈，主要控制CDI中电容放电。 五14 节能汽车设计-发动机设计 羊本田125发动机采用电容放电点火，英文缩写。CDI内部由一个构造简单的电路板组成，电路板上有三个基本元件:一个电容C、一个可控硅SCR,一个二级管D，电路板用环氧树脂固封。火花塞放电是通过高压点火线圈将CDI中输出的脉冲电压放大，产生高压，然后通过高压线，到高压帽，使火花塞放电。通常使的火花塞放电电压要求在8KV以上-13KV。 3.5.2 CDI的工作过程: 发动机运转时，磁电机也随着转动产生电流，电流通过硅二极管整流向电容 器充电，此时可控硅处于截止状态，电流无法通过可控硅。当脉冲转子转到点火位置时，脉冲发生器发出电信号，这个电信号加在可控硅的控制极上，触发可控硅导通，于是电容器的电能通过可控硅进入点火线圈。当脉冲转子转过点火位置时，脉冲发生器停止发出电信号，可控硅立即截止，点火线圈的电流被断开，这时点火线圈就会立即产生自耦高压电，使火花塞迸发火花点火。 图3.5.1磁电机爆炸视图 表3.5.1磁电机零件目录 号码 零件名称 数量 号码 零件名称 数量 1 飞轮 1 5 法兰螺母12mm 1 2 定子组合 1 6 法兰面螺母M6X14 2 3 磁电机线夹 1 7 螺栓6X22 2 4 平垫24X12X2.3 1 15 节能汽车设计-发动机设计 3.5.3 点火系统改造 为减轻发动机的重量，拆除磁电机及其组件，改用外电瓶电源给发动机供电。 3.6 发动机冷却和润滑系统改造 给工作中的发动机散热，让发动机保持最佳的工作温度。 润滑系由油底壳、机油集滤器、机油泵、润滑油道及油管等组成。润滑系主要是将润滑油不断供给给作相对运动的零件以减少它们之间的摩擦阻力，减少机磨损，冷却部分摩擦零件，还能达到清洗摩擦表面的作用。 件四冲程发动机的润滑，采用的是压力与飞溅相结合的方式。机油泵将曲轴箱中的机油加压后，输送到曲轴、凸轮轴、轴承等高速高负荷的零件表面。在气缸、气缸头中，有相关的油道以通过润滑油。对于难于实现压力润滑的部位，则利用曲轴、齿轮等旋转飞溅起来的、或者是重力下落的机油来润滑，如气缸壁、正时齿轮等。 由于大量的齿轮、轴被拆除，机油泵作用变小，因此可以拆除机油泵来减轻发动机重量。 16 节能汽车设计-发动机设计 图3.1.5油泵3D图 3.7发动机启动系统电启动机构 图3.8.1启动继电器 图3.8.2启动电机 电启动机构由启动开关、启动继电器、启动电机、单向启动离合器、蓄电池组成。它的工作过程是:用钥匙将电锁开关转至ON的位置，蓄电池电源接通，按下启动开关-启动继电器工作(触点回路接通)-启动电机运转(齿轮轴旋转并带动齿轮组合)-单向启动离合器动作-磁电机转子运转-曲轴旋转-活塞上下运动压缩-点火成功。 3.8发动机启动系统人工动力启动机构(反冲启动轴) 17 节能汽车设计-发动机设计 图3.8.1反冲启动轴组爆炸视图 表3.8.1反冲启动轴组零件目录 号码 零件名称 数量 号码 零件名称 数量 1 反起启动齿轮 1 7 反冲起动回位弹簧 1 2 反起启动棘轮 1 8 衬套 1 3 反冲起动轴 1 9 垫圈25X20.2X1 1 4 弹簧保持架 1 10 止推垫圈15.5mm 1 5 衬套 1 11 卡环20mm 2 6 弹簧 1 12 脚启动组件 1 ? 由于需要减轻发动机整体质量，因而完全采用电启动，拆除脚启动装置及拆除反冲启动轴的相关零部件。 图2.1.5大赛提供五羊本田125cc发动机图及内部结构图 18 节能汽车设计-发动机设计 4.节能汽车发动机改装相关计算 4.1发动机的热计算 4.1.1 换气过程计算: 进气终点的压力值为 Pa = 0.85P= 85KPa 0 进气终点温度 T，,T，rT298，4，0.04，930or T,326.2Ka1，r1，0.04充气效率 ,PT111852981a0,，,0.821 ,1PT1，r11,1100326.21，0.04a04.1.2 燃料燃烧化学计算过程 燃烧1Kg 燃料所需的理论空气量 1CHO10.8550.145,L,，,，,0.512Kmol空气/Kg燃料 ,00.21124320.21124,L28.96L14.828Kg空气/K燃料,g00 ，式中28.96为空气的平巨额分子量燃料燃烧前工质的摩尔数: 11aLM,，,0.82，0.512，,0.4285Kmol/Kg 10m115r燃料燃烧后工质的摩尔数: CH0.8550.145M,，0.79aL,，0.79，0.82，0.512,0.4754Kmol/Kg 20122122理论分子更变系数: M0.482,1.12 0M0.43119 节能汽车设计-发动机设计 实际分子更变系数: ，r,1.090 ,1.05,1，r1.04汽油发动机机每小时的吸气量: 在标准大气状态下的空气比重: 5P1030 ,1.169Kg/M0RT287.1，2980所以汽油机的吸气量为: ,3G,iV,30,n,0.82，0.2493，1.169，30，10500，10,75.3Kg/h bvh0g,325g/Kw,h设油耗比 0G,N,g,19，0.325,6.175Kg/h则汽油发动机的耗油量为: T00故过量空气系数 G75.3b,0.82 6.175，14.828G,L0c4.1.3 汽油压缩过程计算 汽油压缩过程中任意点的压力为: 1.321.32,VVaa,P,P,85， cxa,VVcxcx,(式中Vcx 为任意点的气缸容积) 汽油压缩终点压力: n1.321P,P,85，11,2014KP caa汽油压缩终点温度: n,10.321T,T,326.2，11.0,703K,ca :t,T,273,430ccc20 节能汽车设计-发动机设计 4.1.4 汽油燃烧过程计算 由于汽油不完全燃烧而损失的热量为: ，,H,580001,58000，0.10,5800KJ/Kg燃料 u汽油机的燃烧方程为: ,H,HC,t，2uuvc，,C,tvs1，r,M,，,1:t,430Cc :c,5.754K/Kmol,cvcal，0.9，44100,1044024.2，430故C,t,，,70914.3KJ/Kmolvz1.04，0.4285，1.1051.105由查燃烧产物平均定压摩尔比热表，可得: C,30.514KJ/Kmol,:cvt,2323:c zT,2597Kz压力升高比值 T2597Z,1.105，,4.08 T703c最高爆发压力 P,P,4.08，2014,8221.3KPzca 4.1.5 膨胀过程计算 已知Vbx为任意点的汽缸容积 则膨胀过程中气缸内任意点的压力为: n1.232,VVzz,P,P,8221.3， bxz,VVbxbx,膨胀终点压力为: P8221.3zp,430.6KP ban1.232,11.021 节能汽车设计-发动机设计 膨胀终点温度 T2597z T,1496.1Kbn,11.232,11.04.1.6 技术指标计算 理论平均指示压力 ，,，P111,;cP,1,1,i,n1n121,1n,1n,1,，21，20144.08111, ,1,1,0.230.32100.230.3211.011.0,，,1177.3KPa实际平均指示压力 P,P,1177.3，0.94,1106.7KP iiai指示功率 ,3P,iV,n1106.7，0.249，10，10500inN,24.1Kw i12001200指示热效率 M,P,T0.4285，1106.7，283lis,8.314,8.314，,31.45%tH,P44100，0.821，98, uvs，式中P,98KP,T,283K为进气管内充量压力及温度sas指示比油耗 663.6，103.6，10 g,259.5g/Kw,hi,H,44100，0.3145ui平均有效压力为 P,P,1106.7，0.8,885.4KP aima有效热效率为 ,0.3145，0.8,25.2% aim有效功率 22 节能汽车设计-发动机设计 N,N,24.1，0.8,19.3Kw aim有效耗油比为 g259.5ig,324.5g/kg,h a,0.8m4.1.7已知条件: 气缸直径:D = 47mm 活塞行程:S = 44.1mm 气缸数:i = 1 排量:iV h = 72 mL 压缩比: = 11 曲柄半径与连杆长度比:R l = 22.05/102.2 最大转速:n=10500r/min (曲轴转速) 最大功率:N e = 19Kw (曲轴输出功率) 最大扭矩:Me max = 19 N?M 最大扭矩对应转速:nMeMax = 5500?500r/min 标准大气状态:P0 = 100KPa ;T0 = 298K 混合气体燃料平均重量成份:C = 0.855; H = 0.145; mT = 115 燃料低热值:Hu = 44100 KJ/Kg(燃料) 4.1.8额定工况计算用系数及参数的选择 过量空气系数: = 0.82 :C进气温升:T = 4 残余废气系数:r = 0.04 残余废气温度:T r = 930K 膨胀多变指数:n2 = 1.23 压缩多变指数:n = 1.32 示功图丰满系数:i = 0.94 热量利用系数:z = 0. 90 23 节能汽车设计-发动机设计 传动效率:i = 0.92 机械效率:m = 0.80 4.2 发动机动力计算 4.2.1已知条件: 气缸直径:D = 47mm 活塞行程:S = 44.1mm 气缸数:i = 1 排量:iV = 72 ml/h 压缩比: = 11 曲柄半径与连杆长度比:R l = 22.05/102.2 曲轴最大转速:n =10500r/min 曲轴输出最大功率:N e = 19Kw 缸内气体作用力Pg(见热计算) 4.2.2气缸运动速度 加速度 活塞位移(如图所示) 设活塞处于上止点时，活塞销中心处于x 坐标原点，则 ,x,L，R,R,L()(cos)cosR已知,arcsin(sin,)L简化后可得: 24 节能汽车设计-发动机设计 ,，,，x,R(1,cos)，1,cos2,4， R22.05已知:,0.216L102.2活塞运动速度为: ,v,x,R(sin，sin2)2 ,n，10500,1其中，,1099.56s,3030活塞的运动的平均速度为: ,3S,n44.1，10，10500C,15.44m/s m3030活塞运动的最大速度为: 2,32 V,R,1，,22.05，10，1099.56，1，0.216,24.8m/smax活塞的加速度 2,a,v,x,R(cos，cos2) 22,32R,22.05，924.5，10,2669.2m/s:,0当时，最大加速度为: 22,R,(1，,),26659.2，(1，0.216),32417.5m/smax 4.2.3 曲柄连杆机构的质量换算 连杆组的质量换算:用双质量替代系统对连杆组的质量进行换算，即用两个假想的集中于连杆大小头中心的质量代替连杆组实际的分布质量，根据实测，可得出如下结果: 连杆的总质量 G,215g c其中分配在小头上作往复运动的质量 G,40g cp25 节能汽车设计-发动机设计 其中分配在大头上作旋转运动的质量 G,175g cc连杆大头轴瓦质量 G,20g n作往复运动的活塞组总质量 G,180g p曲轴旋转质量换算 m,566.5g rB往复运动质量 m,G，G,220g jcpP做旋转运动的总质量 m,2，m，m,176.5g rrArB连杆组大头的质量 m,G，G,195g rAccn4.2.4 曲柄连杆机构运动的惯性力 活塞面积: ,2632 F,，D,，44.1，10,2.827，10mp44往复惯性力Pj: m,a,220,aj P,77.8,aKpaj,3F2.827，10p离心惯性力: 22,6m,R,2，0.195，22.05，1099.56，10rA P,3677.8KParA,3F2.827，10p曲拐不平衡质量产生的离心惯性力: 22,6m,R,0.566，22.05，1099.56，10rB P,5342.2KParB,3F2.827，10p26 节能汽车设计-发动机设计 离心惯性力之和Pr P,P，P,3677.8,5342.2,1664.4KPa rrArB4.3发动机主要零部件强度校核 4.3.1曲轴强度计算 曲轴已知数据如图所示，对曲轴各部分进行受力分析如图所示: 图中，Kb 为各曲柄不平衡重的离心力，其值为: k,m,R,365.8，26659.2,9511.4N b1b1k,m,R,372.4，26659.2,9927.9N b2b2Cm 为曲柄销、连杆轴瓦、连杆大头的离心力合力: ,3，C,175，20，185.3，26659.2，10,10138.5N M额定工况下，曲拐受最大切向力时 27 节能汽车设计-发动机设计 由动力计算可知，曲拐受到的最大切向力为: a,380:P,2745.2KPa,当时，即t,2,3P,2745.2，60，10,7760.7N t4P,7340.9Nra曲柄销 F1引起的弯曲应力 F,162038.9，161, ,9.5MPab1,3323，,d,10，33,1013232引起的弯曲应力 K1K,165657，161, ,26.4MPab2,3323，,d,10，33,1013232T1 引起的扭转应力 T,r7761.9，22.051, ,24.9MPa33,，16,d,10231，33,1016合成应力 222222,，,9.5，26.4，24.9,37.5MPa0b1b2 由于40C的,80100MPa,故安全。r0额定工况下，曲拐受最大法向力时 由动力计算可知，曲拐受到的最大法向力 当=360?时，Pra=5850.2KPa，即3 ,2,3P,5850.2，60，10,16538.5Nra 4P,3170.5Nt引起轴瓦支承反力 ，P,C,l，16538.5,10138.5，4318raMZ,3200N 1l862128 节能汽车设计-发动机设计 ，P,C,l，16538.5,10138.5，4317raMZ,3200N 2l8621P,l3170.5，43t18T,1585.3N1l8621 P,l3170.5，43t17T,1585.3N2l8621曲柄销圆角度处的支反力为: ，P,C,l，16538.5,10138.5，