371型車用汽油機的熱力學(xué)、動力學(xué)設(shè)計計算與分析

華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文題目：371型車用汽油機的熱力學(xué)、動力學(xué)設(shè)計計算與分析目錄摘要····················································2關(guān)鍵詞··················································2Abstract················································3Keywords···············································3前言····················································41．本文主要研究內(nèi)容與方法································51.1研究內(nèi)容·········································51.2研究方法·········································52.熱力學(xué)、動力學(xué)設(shè)計計算································52.1內(nèi)燃機的熱力學(xué)計算·······························52.2內(nèi)燃機的運動學(xué)計算·······························62.3內(nèi)燃機的動力學(xué)計算······························102.4計算結(jié)果分析····································142.5改進(jìn)方案········································15參考文獻(xiàn)···············································16附錄··················································17致謝··················································28371型車用汽油機的熱力學(xué)、動力學(xué)設(shè)計計算與分析摘要本文簡要介紹了汽油機的熱力學(xué)、動力學(xué)設(shè)計計算與分析，根據(jù)內(nèi)燃機原理和內(nèi)燃機機構(gòu)運動學(xué)、動力學(xué)知識，建立設(shè)計計算數(shù)學(xué)模型。并且完成全部設(shè)計計算，繪制發(fā)動機的熱力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)曲線；并對結(jié)果進(jìn)行實事求是的分析、評估和提出改進(jìn)方案。關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機；熱力學(xué)；動力學(xué)；運動學(xué)；設(shè)計計算與分析。Type371gasolineengineforvehicledynamicsandthermodynamics,thedesigncalculationandanalysisAbstractThispaperbrieflyintroducesthegasolineenginethermodynamic,kineticdesignandanalysis,accordingtotheprinciplesofinternalcombustionengineandinternalcombustionenginemechanismkinematics,dynamics,establishesthemathematicalmodelfordesignandcalculation.Andcompletethedesigncalculation,renderingenginethermodynamics,dynamicsandkinematicscurves;andtheresultsofseektruthfromfactsanalysis,assessmentandputforwardtheimprovementscheme.KeyWords:Internalcombustionengine;thermodynamics;kinetics;kinematics;designcalculationandanalysis.前言隨著人類環(huán)保意識的不斷增強,對車輛動力的排放要求也越來越嚴(yán)格。這種發(fā)展趨勢勢必要求發(fā)動機研制、生產(chǎn)單位開發(fā)出排放更清潔、效率更高的動力裝置,才能迎接未來更加激烈的市場競爭。綜合評述了發(fā)動機系統(tǒng)的熱力學(xué)模擬發(fā)展和現(xiàn)狀。在熱力學(xué)第一定律和第二定律的基礎(chǔ)上,展示了國外在增壓和非增壓汽油機、帶有催化轉(zhuǎn)換器的汽油機以及渦輪增壓柴油機在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下所建立的分析模型,并介紹了研究發(fā)動機氣缸缸內(nèi)調(diào)諧和暖機特性的模擬模型，但是,實現(xiàn)上述目標(biāo)需要在發(fā)動機的整個開發(fā)過程中實行多學(xué)科的共同努力。所以選擇對車用汽油機的熱力學(xué)計算分析后對汽油機的經(jīng)濟效益以及環(huán)保問題有益。由于近年來歐美遇到了經(jīng)濟危機，汽車工業(yè)發(fā)展逐漸衰退；而我國在新世紀(jì)進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，人民生活水平不斷提高，購買力增強，對汽車的需求明顯提高，我國汽車工業(yè)迎來了一個發(fā)展的春天。工信部裝備工業(yè)司預(yù)計，到2020年我國汽車保有量將超過2億輛，這意味著屆時我國將真正成為汽車超級大國。綜上所述，針對于我國汽車工業(yè)的發(fā)展環(huán)境，當(dāng)前和今后很長一段時間內(nèi)，提高車用汽油機的性能，改善燃油經(jīng)濟性，降低汽車所引起的污染物和溫室氣體排放是解決當(dāng)前所有問題的關(guān)鍵。而要實現(xiàn)這幾點，就需要找到適合于我國具體國情的車用汽油機產(chǎn)品類型。我國的車用汽油機事業(yè)值得期待。主要研究方案：1.根據(jù)內(nèi)燃機原理和內(nèi)燃機機構(gòu)運動學(xué)，動力學(xué)知識，建立設(shè)計計算數(shù)學(xué)模型；2.運用C預(yù)言編制設(shè)計計算程序，然后，根據(jù)計算結(jié)果對數(shù)學(xué)模型和計算程序進(jìn)行多次調(diào)試，光順，以求得出接近實際情況的曲線形態(tài)；3.在此基礎(chǔ)上，確定計算程序是適用的，進(jìn)而完成全部設(shè)計計算；4.選用適用，有效的數(shù)據(jù)處理工具，繪制發(fā)動機的熱力學(xué)，運動學(xué)和動力學(xué)曲線；5.最后，輸出設(shè)計計算的結(jié)果，并進(jìn)行實事求是的分析，評估和提出改進(jìn)方案；6.用“AutoCAD”繪制該機型的《活塞—連桿—曲柄機構(gòu)》的部件工程圖。1本文主要研究內(nèi)容及研究方法1.1研究內(nèi)容根據(jù)內(nèi)燃機原理和內(nèi)燃機機構(gòu)運動學(xué)、動力學(xué)知識、建立設(shè)計計算數(shù)學(xué)模型，以便計算與分析。1.2研究方法運用C語言編制設(shè)計計算程序，然后，根據(jù)計算結(jié)果對數(shù)學(xué)模型和計算程序進(jìn)行多次調(diào)試，光順，以求得出接近實際情況的曲線形態(tài)；在此基礎(chǔ)上，確定計算程序是適用的，進(jìn)而完成全部設(shè)計計算；選用適用，有效的數(shù)據(jù)處理工具，繪制發(fā)動機的熱力學(xué)，運動學(xué)和動力學(xué)曲線；最后，輸出設(shè)計計算的結(jié)果，并進(jìn)行實事求是的分析，評估和提出改進(jìn)方案；用“AutoCAD”繪制該機型的《活塞—連桿—曲柄機構(gòu)》的部件工程圖。2熱力學(xué)、動力學(xué)設(shè)計計算2.1內(nèi)燃機的熱力學(xué)計算所介紹的熱力學(xué)計算，其考慮的影響因素是最基本的，沒有AVL的BOOST那么全面，其功能非常有限。因此，只能適于對主要技術(shù)指標(biāo)及相關(guān)參數(shù)作粗略的估算，運行程序后的結(jié)果如下：TheCalculationResultsof371CMforNormalEngine~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~PetrolEngineType:SQR371CMRatedPower:51.0kW/6000r/minBoreDiameter:71mm,Crankthrow:41.95mm,Displacement:0.9965LED=0.008mm,SS=83.9721mm,TD=2.506deg,BD=184.633degCP=1.280,HP=6.748,nc=1.379,ne=1.096Pa=0.096MPa,Pc=1.880MPa,Pz=5.828MPa,Pb=0.718MPaTa=325.6K,Tc=737.9K,Tz=2749.3K,Tb=2312.2KVs=0.9974L,El=10.500,Ee=8.641,AF=0.8458Mi=109.266N.m,Me=81.290N.m,Nm=17.58kW,Ne=51.08kWhm=0.7440ge=265.9g/kW.h,Pe=1.024MPa,he=0.3080注意：由于氣缸中心線正向偏置8毫米，導(dǎo)致活塞的位移曲線不對稱，且最大位移為84.0485mm、并出現(xiàn)在下止點前2°CA處；實際排量為0.9983L。2.2內(nèi)燃機的運動學(xué)計算運動學(xué)計算主要是求解活塞的運動位移、速度和加速度，為熱力學(xué)、動力學(xué)和性能指標(biāo)的計算奠定基礎(chǔ)。從圖中幾何關(guān)系可以得出：影響內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)的一個重要特性參數(shù)?，F(xiàn)代內(nèi)燃機的連桿比值一般在(即0.26一0.31)之間。采用較大連桿比優(yōu)點：可使機體高度減小，重量減輕，缺點：使活塞加速度和連桿擺角有所增大，慣性力增加2.2.1活塞的位移將上式按二項式定理展開后，忽略高階項可得近似公式活塞的位移隨連桿比的變化2.2.2活塞的速度整理，得：活塞的速度活塞的速度在曲柄旋轉(zhuǎn)一周中，時快時慢地變化著，他的平均速度可以表示為：Cm=sn/30(m/s)式中，s—活塞行程，單位為m；n—曲軸轉(zhuǎn)速，單位為r/min?；钊骄俣菴m雖然只能粗略地估計活塞運動的快慢，但是它是表征內(nèi)燃機性能指標(biāo)的重要參數(shù)之一。2.2.3活塞的加速度λ值越大，活塞速度最大值也越大，相應(yīng)達(dá)到活塞最大值的曲柄轉(zhuǎn)角α越小。其三種圖形均不對稱。2.3內(nèi)燃機的動力學(xué)計算在運動學(xué)、熱力學(xué)計算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行動力學(xué)計算。2.3.1動力計算是分析發(fā)動機各主要部件的受力情況，為強度計算提供數(shù)據(jù)。其內(nèi)容如下：1、曲柄連桿機構(gòu)運動質(zhì)量的確定初步設(shè)計時常用經(jīng)驗數(shù)據(jù)來粗略估算。連桿的質(zhì)量還需要通過連桿重心的確定，再用雙質(zhì)量系統(tǒng)替代之。從而求出往復(fù)質(zhì)量和迥轉(zhuǎn)不平衡質(zhì)量。2、P-φ示功圖的求取將熱計算得的P-V示功圖，用發(fā)動機運動學(xué)公式將其展開，即得P-φ示功圖。將活塞的位移轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角，以α代表曲柄轉(zhuǎn)角，由此可得各曲柄轉(zhuǎn)角α下的氣體力值Pg（α），單位為MPa。3、往復(fù)慣性力Pj（α）計算（MPa）或（MPa）式中：mj—往復(fù)運動質(zhì)量，kg；R—曲柄半徑，mm；D—氣缸直徑，mm；ω—曲軸旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；β—連桿擺角，rad。4、總作用力P（α）式中：Pβ—活塞底部氣體壓力，。5、活塞側(cè)推力PH（α）（MPa）6、連桿力PC（α）（MPa）7、法向力PN（α）（MPa）8、切向力PT（α）（MPa）9、總切向力對四沖程曲柄均勻排列的情況：（MPa）式中：z—氣缸數(shù)。最后求出平均切力(Σpr)cr，其單位為：MPa。10、曲柄銷負(fù)荷RB（α）計算水平分量RΒh(α)=PT(α)(MPa)垂直分量RBv(α)=PN(α)-Prβ(MPa)合力(MPa)式中：(MPa)mB—連桿組則算到大端的質(zhì)量，kg。在完成動力計算后，應(yīng)繪出Pg(α)、Pj(α)、PH(α)、PN(α)、PT(α)、ΣPT(α)、RB(α)各曲線圖。最后按總切力曲線作準(zhǔn)確性校核：由總切力得到的指示功率：（kW）式中，—平均切力，MPa；Fp—活塞面積，mm2；R—曲柄半徑，mm；ω—曲軸角速度，rad/s，；n—曲軸轉(zhuǎn)速度，r/min。將Ni與熱計算得的Ni比較：誤差：△應(yīng)小于5%2.3.2作用于曲柄連桿機構(gòu)中的力和力矩2.3.3活塞與活塞銷的相互作用力（Mi—109.266N.m指平均指示扭矩，波浪狀為瞬時指示扭矩）2.3.4活塞與連桿小頭\連桿大頭與曲柄銷之間的相互作用力2.4計算結(jié)果分析由以上結(jié)果數(shù)據(jù)可知，基于當(dāng)今汽油機的燃料燃燒技術(shù)，燃燒效率ηc可達(dá)98％左右。以SQR371為例，若其有效效率ηe＝0.3081、機械效率ηm＝0.7440。根據(jù)以上分析，即使SQR371的循環(huán)熱效率ηt為0.4224，其有效效率（總效率）僅為0.3080。因此，在平常的口頭交流中，不能將熱效率ηt與有效效率（總效率）ηe混為一談，以免引起誤解。2.5改進(jìn)方案在發(fā)動機的機械損失中，活塞組的摩擦損失占據(jù)40～50%。當(dāng)發(fā)動機的機械效率為50%時，若活塞組的摩擦損失減少25%，燃油消耗率則可以降低9%。常用的低轉(zhuǎn)速工況下，其機械損失扭矩可達(dá)全負(fù)荷扭矩的10％左右；在高速工況下，則可達(dá)最大扭矩的20％以上。發(fā)動機的機械損失隨著轉(zhuǎn)速的提高而增加；而負(fù)荷的變化對機械損失影響不大。因此，發(fā)動機的負(fù)荷率越低，其機械效率相對也越低。進(jìn)氣閥關(guān)幾何壓縮比實際壓縮比機械效率有效扭矩標(biāo)定功率耗油率指示壓力有效效率℃AN.MkWg/Kw.hMPa23910.58.6340.744081.29051.08265.91.0240.308025010.57.9210.750284.26552.95235.31.0620.3480根據(jù)內(nèi)燃機原理的基本公式，由熱力學(xué)、動力學(xué)的計算結(jié)果，很容易算出標(biāo)定工況下的功率、扭矩、燃油消耗率、平均有效壓力及發(fā)動機的總效率（有效效率）ηe等主要指標(biāo)。眾所周知：配氣凸輪的型線及配氣相位對發(fā)動機的性能指標(biāo)影響很大。如前所述，實際壓縮比直接與進(jìn)氣終點所對應(yīng)的活塞位置（構(gòu)成的氣缸容積Va）有關(guān)。若SQR371按米勒循環(huán)的做法、使進(jìn)氣終點設(shè)定在下止點后70（原為59）°CA，當(dāng)不改變其它條件時，其主要性能指標(biāo)的變化如下表所列：可見，若進(jìn)氣閥比原設(shè)計推遲11℃A關(guān)閉，可是發(fā)動機的有效效率提高四個百分點。參考文獻(xiàn)1.周建立《發(fā)動機原理實驗教程》中國電力出版社出版社2.周建立《發(fā)動機原理實驗教程》中國電力出版社出版社3.楊有安等.《C語言》.人民郵電出版社.2009年2月第1版4.朱建元等《船舶內(nèi)燃機》.人民交通出版社.2008年9月第1版5.王元慶TCR發(fā)動機運動學(xué)、熱力學(xué)和動力學(xué)的分析計算華中科技大學(xué)6.長春汽車研究所《汽車實驗技術(shù)手冊》吉林科學(xué)出版社7.吳克剛《發(fā)動機測試技術(shù)》人民交通出版社附錄一：《活塞—連桿—曲柄機構(gòu)》的部件工程圖曲軸部件圖活塞部件圖附錄二：C語言程序如下：/*TheThermodynamicsandMechanicsCalculationfortheEccentricI.C.Engine*/#include"math.h"#include"conio.h"#include"stdio.h"#include"graphics.h"FILE*c71,*ydx,*dlx,*mbc,*zcs;main(){inti,jz,ig,nv,ec,ic,kr,kz,kp,eo,io,ib;floatpe,ge,ee,ui,ue,tq,bt,tne;floatpy=3.14159265,rd=.01745329,hs[721],hv[721],ha[721],pg[721],pj[721];floatpp[721],pd[721],ph[721],po[721],prn[721],pt[721],rph[721],rpv[721];floatrkh[721],rkv[721],pob[721],ptb[721],tqi[721],nhi[721],tb,pb,ss,net;floatcm=.87,hm=.126,om=.004,hl=43961.,zc=1.11,yn=1.36,fi=.9462,zt=2108.;floatez=.7,pn=1.28,gr=.02,eb=.85,db,rs,cr,ed,rl,el,wp,wc,ws,wk,ej,pz,pk;floattk,dp,dt,tr,af,em,otq,oei,one,pf,snf,fh,tc,pc,gl,gs,bl,bs,xz,bz,br;floatog,pl,td,bd,rt,sa,sb,sc,pa,ta,es,ev,cn,ys,bo,cb,wj,wl,fp,prl,ei,gi;floatsalf,calf,sbet,cbet,be,tqt,tqm,hit,snh,nht,pr,ri,cz,tz,hu,cp,hp,en;floatpit,pet,git,get,het,hmt,prk,pi,tqe,nm,vs;c71=fopen("c:\\my_files\\c71.inp","r");fscanf(c71,"%d,%d,%d,%d,%d,%d,%d,%d,%d,%d,%f,%f,%f,%f,%f,%f," "%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f", &jz,&ig,&nv,&ec,&ic,&kr,&kz,&kp,&eo,&io,&db,&rs,&cr,&wp,&wc, &ws,&wk,&ej,&pz,&pk,&tk,&dp,&dt,&tr,&af,&pf,&snf,&fh,&ed);fclose(c71);rl=rs/cr;el=ed/cr;og=nv*py/30;td=atan(el/sqrt((1+rl)*(1+rl)-el*el))/rd;/*"+"reversal*/bd=atan(el/sqrt((1-rl)*(1-rl)-el*el))/rd+180;/*"+"reversal*/bt=bd-td;rt=rd*td;ydx=fopen("c:\\my_files\\ydx.c71","w");/*c-e*/for(i=0;i<721;i++)/*721*/{ri=rd*i;salf=sin(ri-rt);calf=cos(ri-rt);sbet=rl*salf+el;cbet=sqrt(1-sbet*sbet);hs[i]=1e3*(cr*(sqrt((1+rl)*(1+rl)-el*el)-cbet)-rs*calf);if(hs[i]>hs[i-1])ss=hs[i];hv[i]=rs*og*(salf+(rl*salf+el)*calf/cbet);ha[i]=rs*og*og*(calf+(rl*(calf*calf-salf*salf)-el*salf)/cbet+(rl* 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