发动机课程设计汇总

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

一目的与要求 (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 F g-?、F j-?、F-?曲线图 (13)

附录 C F N-?、F L-?、F t-?、F k-?、R B-?曲线图 (14)

附录 D 发动机合成扭矩∑M k-?曲线图 (15)

一目的与要求

1.目的

发动机课程设计是《发动机现代设计》课程的后续教学环节，旨在对刚学习过的发动机设计课程以及发动机原理课程的知识进行综合运用，加深对专业知识的理解。在课程设计环节，通过总体性能计算（工作过程模拟计算与动力学计算）将发动机的结构参数与性能参数结合起来，弄清结构与性能之间的内在联系；通过发动机总体布置图设计，对发动机的总体结构有一个全面而具体的了解，并深化对发动机各主要零件的作用和设计要求的理解。

2.要求

对提供的教学参考资料要认真分析，在理解的基础上借鉴，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（计算说明书与图纸）时必须通过指导教师的考核，不得代交。计算说明书应包括：计算目的、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A VL_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的参数主要参考YC6M-3400和YC6M-3500，只有气缸的参数需做部分调整。根据设计任务所给出的缸径（110 mm）、行程（125 mm）、压缩比（17）及连杆长度（210 mm）对气缸的基本参数进行输入，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

cycle g cycle h kW g

h /1065217.04)2

2300()(210601

kW 140=????

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、排气门的参数进行输入，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

在循环供油量保持与标定工况点相同的情况下，分别取标定工况点、最大扭矩点、最低转速的外特性点、最大扭矩点左右各取一到两个外特性工况点进行计算，用这几个点计算出的相关数据绘制出发动机的外特性曲线。计算得到的数据如表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P

e

转矩M 有效油耗率g

e （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中的数据，绘制出发动机的外特性曲线如附录A所示。

四 动力学计算

1. 4110柴油机的平衡

1.1 旋转惯性力的平衡

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F r a 的内弯矩，而且中间主轴承承受较大的离心负荷。因此，为了减轻曲轴的内弯矩和轴承负荷，还是要在曲轴上布置如图8所示的四个平衡块。设平衡块的质量为m p ，质心距曲轴轴心r p ，则有

22ωωr m F r m r r p p ==

故有， mm kg r m r m r p p ?==25.186 取r p =40mm ，则m p =4.6kg 。

1.1 往复惯性力的平衡

经分析发现，四拐平面曲轴的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，随着取矩点的不同，二阶往复惯性力的合力矩结果也不同，故其二阶往复惯性力的平衡不予考虑。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柴油机的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F g 可由工作过程模拟计算得出的气体压力p g 求得：

12010110414

.3)01.1()(-???

-=?-=g g g p A p p F

往复惯性力：

)

2cos 2976.0(cos 73.2400625.0)704.0088.058.032.1()

2cos (cos 2

221αααλαω+???+++-=+-=+=r m F F F j j j j

其中，s rad s rad n /73.240/60

2300

14.32602=??=?=

πω， 2976.0210

5

.62===

l r λ。 合成力j g F F F +=

据此计算并绘出F g -α、F j -α、F-α图如附录B 所示。

计算出合成力F 后，则侧向力F N 和连杆力F L 为

βtan F F N =， β

cos F

F L =

其中，)sin 2976.0arcsin()sin arcsin(ααλβ==。

如图10所示，连杆力F L 在曲柄销处又分解为垂直于曲柄半径的切向力F t 和沿曲柄作用的径向力F k ：

)sin(βα+=L t F F ， )c o s (βα+=L k F F

离心惯性力：

N N r m m r m F k r r 8.1079373.2400625.0)98.11()(2222=??+=+==ωω由于m k 未知，为方便计算，这里将取其为1kg 。

故，r k k F F F -='

，从而进一步计算出曲柄销处作用力合力

2

2

'+=

k t B F F R

据此计算并绘出F N -α、F L -α、F t -α、F k -α、R B -α图如附录C 所示。

2. 发动机输出扭矩的计算

4110柴油机的点火顺序为1-3-4-2，每一缸转矩都是一样的，是均匀的，仅仅是工作时刻即相位不同。其中第一缸的转矩为r F M t =)(1α，所以第二缸的转矩为)180()(12?+=ααM M ，第三缸)540()(13?+=ααM M ，第四缸

)360()(14?+=ααM M 。故，

第一主轴颈所受转矩 01,0=M 第二主轴颈所受转矩 )(12,1αM M =

第三主轴颈所受转矩 )180(12,13,2?++=αM M M 第四主轴颈所受转矩 )540(13,24,3?++=αM M M 第五主轴颈所受转矩 ∑=?++=k M M M M )360(14,35,4α

据此计算并绘出合成扭矩∑M k -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] A VL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 F g -α、F j -α、F -α曲线图

附录C F N -α、F L -α、F t -α、F k -α、R B -α曲线图

附录D 发动机合成扭矩∑M k -α曲线图