内燃机课程设计

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1.热计算......................................................................................................................... 1 1.1. 热计算表格 ...................................................................................................... 1 1.1.1 热计算结果 ............................................................................................... 1 1.1.2

热计算一般参数范围 (4)

1.2. 示功图绘制 ...................................................................................................... 8 2. 动力计算 ................................................................................................................ 9 2.1. 往复惯性力P J （Α） ....................................................................................... 9 2.2. 总作用力P （Α） .......................................................................................... 10 2.3. 活塞侧推力PH （Α） ................................................................................... 10 2.4. 连杆力PC （Α） ........................................................................................... 10 2.5. 法向力PN （Α） ........................................................................................... 10 2.6. 切向力PT （Α） ............................................................................................ 11 2.7. 总切向力)

(α∑

T p (12)

2.8. 曲柄销负荷RB （Α）计算 ........................................................................... 12 2.9. 准确性校核 .................................................................................................... 13

3. 附录....................................................................................................................... 14 3.1. 热计算过程见E XCEL 表 ............................................................................... 14 3.2. 示功图—MATLAB 程序 .............................................................................. 14 3.2.1. P-V 图 ..................................................................................................... 14 3.2.2.

P-φ图 (15)

3.3. 动力计算—MATLAB 程序 .......................................................................... 15 3.4. 准确性校核 . (17)

1.热计算

热计算是用来校验设计中所选择的性能参数是否合适，所要求的主要性能指标能否达到。通过热计算，也可为合理地组织气缸内的工作过程指明方向和途径。本文选取6DK20柴油机进行计算，其中，6DK20柴油机的部分参数如下：四冲程六缸、废气涡轮增压、不可逆式、直接喷射、压缩空气启动。

额定功率与额定转速：kW

n=。

720r

Pe770

/

=P、min

气缸数与气缸直径：6

=。

D200

=

i、mm

冲程长度与连杆长度：mm

=。

L550

S300

=、mm

发火顺序：1-5-3-6-2-4

增压压力选取P k=0.28Ma,压缩比ε=14，机械效率ηm=0.85,压缩复热指数n1=1.37,膨胀复热指数n2=1.26，Z点利用系数ξz=0.88，燃烧过量空气系数选取α=1.7，中冷器出水温度t=?

25。行程失效系数可取约0.083。

1.1. 热计算表格

1.1.1热计算结果

表1.1热计算结果

1.1.2热计算一般参数范围

表1.2 热计算一般参数范围

1)(

n x a a x v v p p =，膨胀线上各点

2

)(n x b b x v v p p =，式中a 为压缩始点，b 为膨胀终点，该两点的参数p 及 v 均已算得，故可用以求得线上其它点的参数。

1.2. 示功图绘制

采取计算机编程绘图的方式绘制示功图。

图1 P-V 图

图2 P-φ图

2. 动力计算

额定功率与额定转速：kW Pe 770=P 、min /720r n =。 气缸数与气缸直径：6=i 、mm D 200=。 冲程长度与连杆长度：mm S 300=、mm L 550=。

活塞组质量：18.6kg ；活塞销质量：6.8kg ；连杆小头质量：15.3kg ；连杆大头质量：30.6kg ；往复运动质量（活塞与小端+连杆组+大端）：73kg ；连杆旋转质量、总质量：46kg.

2.1. 往复惯性力Pj （α）

322

10)2cos (cos 4

)

(-+-

=a a R D

m a p j

j λωπ（MPa ） 式中：Pj(a) —往复惯性力，MPa

mj —往复运动质量，kg ；

R —曲柄半径，mm ；D —气缸直径，mm ； ω—曲轴旋转角速度，rad/s ；β—连杆摆角，rad 。

图3往复惯性力随曲柄转角的变化关系

2.2. 总作用力P （α）

)()()()(MPa a p p a p a p j B g +-=

式中：Pβ—活塞底部气体压力，。

2.3. 活塞侧推力PH （α）

)()()(MPa tg a p a p H β=

图4活塞侧推力随曲柄转角的变化关系

2.4. 连杆力PC （α）

(MPa)cos /)()(β

a p a p C =

2.5. 法向力PN （α）

)()cos()()(MPa a p a p C N βα+=

图5法向力随曲柄转角的变化关系

2.6. 切向力PT （α）

)()sin()()(MPa a p a p C T βα+=

图6切向力随曲柄转角的变化关系

2.7. 总切向力)(α∑T p

对四冲程曲柄均匀排列的情况：

)()/720()(1

MPa z i p p z

i T T ?+=∑∑=α

α

图7总切向力随曲柄转角的变化关系

式中：z —气缸数。

最后求出平均切力(Σpr)cr ，其单位为：MPa 。

2.8. 曲柄销负荷RB （α）计算

水平分量RΒh(α)=PT(α) (MPa) 垂直分量RBv(α)=PN(α) -Prβ (MPa)

合力)()()(2

2αααBV BH B R R R += (MPa)

式中：)

4/(22D R m P B r π

ωβ= (MPa)

mB —连杆组则算到大端的质量，kg 。

图8曲柄销负荷随曲柄转角的变化关系

2.9. 准确性校核

最后按总切力曲线作准确性校核 由总切力得到的指示功率：

6

10)(ω

R F p N p cp T i ∑=

（kW ）

在附录3.2中已求得平均切力为2.45MPa 以及Ni= 868.98Kw 式中，

cp

T p )(∑—平均切力，MPa ；

Fp —活塞面积，mm2； R —曲柄半径，mm ； ω—曲轴角速度，rad/s ，；30

n

πω=

n —曲轴转速度，r/min 。 将Ni 与热计算得的Ni 比较：

误差：(%)'i

i i N N N '

-=?热计算中求得Ni 1= 845.38kW

%8.238

.84538.84598.868=-=

? 小于5%

3.附录

3.1. 热计算过程见Excel表

3.2. 示功图—MATLAB程序

3.2.1.P-V图

clc;

clear all;

va=10.15;%压缩始点体积

vb=va;%膨胀终点体积

pa=0.297;%压缩始点压力

n1=1.37;%平均复热压缩指数

s=pi;

r=1.5;%曲柄半径

b=150/550;%曲柄连杆比

a=180:0.01:360;

e=a/180*pi;

vx=s*r*((1-cos(e)+b/4*(1-cos(2*e))))+0.725;%气缸体积变化px1=pa*(va./vx).^n1;

plot(vx,px1);%压缩线

hold on

pb=1.094;%膨胀终点压力

n2=1.26;%平均复热膨胀指数

c=360:0.01:540;

f=c/180*pi;

vx=s*r*((1-cos(f)+b/4*(1-cos(2*f))))+0.725;%气缸体积变化px2=pb*(va./vx).^n2;

plot(vx,px2);%膨胀线

hold on

plot([0.725 0.725],[11.04 30.419]);

hold on

plot([10.15,10.15],[0.297 1.094]);

xlabel('气缸体积Vx(L)');

ylabel('气缸压力Pg(\alpha)(MPa)');

title('气缸压力随体积的变化(MPa)');

3.2.2.P-φ图

clc;

clear all;

va=10.15;%压缩始点体积

vb=va;%膨胀终点体积

pa=0.264;%压缩始点压力

n1=1.37;%平均复热压缩指数

s=pi;

r=1.5;%曲柄半径

b=150/550;%曲柄连杆比

a=180:0.01:360;

vx=s*r*((1-cos(a/180*pi)+b/4*(1-cos(2*a/180*pi))))+0.725;%气缸体积变化px1=pa*(va./vx).^n1;

plot(a,px1);%压缩线

hold on

pb=0.994;%膨胀终点压力

n2=1.26;%平均复热膨胀指数

c=360:0.01:540;

vx=s*r*((1-cos(c/180*pi)+b/4*(1-cos(2*c/180*pi))))+0.725;%气缸体积变化px2=pb*(vb./vx).^n2;

plot(c,px2);%膨胀线

hold on

plot([360 360],[9.813 27.638]);

xlabel('曲柄转角\alpha/deg');

ylabel('气缸压力Pg(\alpha)(MPa)');

title('气缸压力随曲柄转角的变化关系(MPa)');

xlim([180 540]);set(gca,'XTick',0:60:720);

3.3. 动力计算—MATLAB程序

%曲柄转角a和缸内压力p的数据见文本文档

clc;

clear all;

%往复惯性力

mj=73;%往复运动质量

d=200;%气缸直径

r=150;%曲柄半径

w=75.396;%曲轴旋转角速度

f=150/550;%曲柄连杆比

a=load('C:\Users\ldh\Desktop\φ.txt');%曲柄转角

b=a/180*pi;

pja=-mj*4/pi/d^2*r*w^2*(cos(b)+f*cos(2*b))*10^(-3);%往复惯性力

subplot(2,3,1);

plot(a,pja);

xlabel('曲柄转角\alpha/deg');

ylabel('往复惯性力Pj(\alpha)/MPa');

title('往复惯性力随曲柄转角的关系(MPa)'); xlim([0 720]);set(gca,'XTick',0:60:720);

%活塞侧推力

p=load('C:\Users\ldh\Desktop\p.txt');%缸压k=p/10+pja-0.1;%总作用力

e=asin(f*sin(b));%连杆摆角

pha=k.*tan(e);%活塞侧推力

subplot(2,3,2);

plot(a,pha);

xlabel('曲柄转角\alpha/deg');

ylabel('活塞侧推力Ph(\alpha)/MPa');

title('活塞侧推力随曲柄转角的关系/MPa'); xlim([0 720]);set(gca,'XTick',0:60:720);

%法向力

h=k./cos(e);%连杆力

pna=h.*cos(b+e);%法向力

subplot(2,3,3);

plot(a,pna);

xlabel('曲柄转角\alpha/deg');

ylabel('法向力Pn(\alpha)/MPa');

title('法向力随曲柄转角的关系/MPa');

xlim([0 720]);set(gca,'XTick',0:60:720);

%切向力

pta=h.*sin(b+e);%切向力

subplot(2,3,4)

plot(a,pta);

xlabel('曲柄转角\alpha/deg');

ylabel('切向力Pt(\alpha)/MPa');

title('切向力随曲柄转角的关系(MPa)'); xlim([0 720]);set(gca,'XTick',0:60:720);

%总切向力MPa

pta1=[pta(343:2049);pta(1:342)];

pta2=[pta1(343:2049);pta1(1:342)];

pta3=[pta2(343:2049);pta2(1:342)];

pta4=[pta3(343:2049);pta3(1:342)];

pta5=[pta4(343:2049);pta4(1:342)];

sumpta=pta+pta1+pta2+pta3+pta4+pta5; subplot(2,3,5);

plot(a,sumpta);

xlabel('曲柄转角\alpha/deg');

ylabel('总切向力Pt(\alpha)/MPa');

title('总切向力随曲柄转角的关系(MPa)'); xlim([0 720]);set(gca,'XTick',0:60:720); mean(sumpta)

%曲柄销负荷

rbha=pta;%水平分量

mb=46;%连杆组则算到大端的质量

prb=mb*r*w^2*4/pi/(d^2)/1000;

rbva=pna-prb;%垂直分量

rba=(rbha.^2+rbva.^2).^0.5;%曲柄销负荷subplot(2,3,6)

plot(a,rba);

xlabel('曲柄转角\alpha/deg');

ylabel('曲柄销负荷RB(\alpha)/MPa');

title('曲柄销负荷随曲柄转角的关系(MPa)'); xlim([0 720]);set(gca,'XTick',0:60:720);

3.4. 准确性校核

fp=pi*100^2;%活塞面积

r=150;%曲柄直径

w=75.396;%曲轴角速度

ptcp=2.4458;%平均切力

ni=fp*r*w*ptcp/10^6%指示功率

a=(ni-845.38)/ni%误差计算