488Q天然氣發(fā)動機(jī)—總體方案設(shè)計和計算
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天然氣
發(fā)動機(jī)
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XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計和計算畢業(yè)設(shè)計說明書學(xué)生姓名：XXXX學(xué)號：XXXXXXXXX學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)年級：XXXXX題目：488Q天然氣發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計和計算指導(dǎo)教師：XXXXXXX評閱教師：XXXX年XX月XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計和計算摘要隨著汽車動力的發(fā)展，能源問題已經(jīng)迫在眉睫，而能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，能源尤其是石油資源的匱乏、全球環(huán)境的惡化已成為當(dāng)今世界社會發(fā)展的兩大難題。因此，內(nèi)燃機(jī)的替代燃料越來越受到重視。而在眾多的的替代燃料中，天然氣因其儲量大，燃燒清潔，對內(nèi)燃機(jī)改動小，是最有應(yīng)用前景也是目前使用最多的氣體代用燃料。天然氣的熱值和辛烷值均高于汽油，但又有可比性，因此天然氣發(fā)動機(jī)的設(shè)計可參照汽油機(jī)的具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，以適應(yīng)天然氣的理化性質(zhì)，保證發(fā)動機(jī)能有良好的動力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。本設(shè)計是以三菱4G15S汽油機(jī)為原型，通過改型設(shè)計488Q壓縮天然氣發(fā)動機(jī)。本設(shè)計說明書包含的內(nèi)容有488Q天然氣發(fā)動機(jī)總體方案的選型，熱力計算、動力計算和部分零部件的強(qiáng)度計算等。關(guān)鍵詞：天然氣；4G15S汽油機(jī)；改型；488Q總體設(shè)計XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計和計算OverallProgramDesignandCalculationof488QNGEngineAbstract:Energyisanimportantmaterialbaseonwhichhumansurvivalanddevelopment,thelackofenergy,especiallyoilresourcesandthedeteriorationofglobalenvironmenthavebecometwobigproblemsinthewayofhumansocietysdevelopment.Thus,alternativeenergiesgainmoreandmoreattention.NaturalGasisthemostpotentialandwidelyusedalternativefuelofthemanychoices,foritslargescaleofreserves,clean-burningandlessmodificationtointernalcombustionengine.ThecalorificvalueandoctanenumberofNGarehigherthangasoline,buttheyarecomparable,whichallowsustodesignaNGengineconsultingthespecificstructureandparametersofgasolineenginetoadapttothephysicalandchemicalpropertiesofnaturalgas,makingsureitwillhavegoodpowerperformance,fueleconomyandgoodreliability.ThedesignisbasedonMitsubishi4G15Sgasolineenginewhichismodifiedinto488QCNGengine.Thedesignspecificationcontains488QCNGengineoverallschemeselection,thermodynamiccalculation,powercalculationandthestrengthcalculationofsomecomponents.Keywords:NaturalGas;4G15SGasolineEngine;Modification;488QCNGEngine;OverallDesignXXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計和計算第4頁目錄1引言.61.1本畢業(yè)設(shè)計研究的目地和意義.62方案選擇及總體設(shè)計.72.1488Q天然氣發(fā)動機(jī)主要參數(shù)的確定.72.1.1行程缸徑比值.72.1.2行程.82.1.3活塞平均速度.82.1.4氣缸中心距及其與缸徑的比值.92.1.5氣缸套壁厚.102.1.6曲柄半徑和連桿長度比.102.1.7燃燒室的選擇.102.1.8發(fā)火次序.112.2488Q天然氣發(fā)動機(jī)的總體布置.122.2.1發(fā)動機(jī)總體布置的一般要求如下.122.2.2總體布置如下.122.3本章小結(jié).133488Q天然氣發(fā)動機(jī)熱力計算.133.1熱計算.143.1.1燃料燃燒及成分確定.143.1.2燃?xì)膺^程參數(shù)的確定與計算.153.1.3壓縮終點(diǎn)參數(shù)的確定.163.1.4燃燒過程.173.1.5膨脹過程.183.2工作循環(huán)參數(shù).193.2.1發(fā)動機(jī)指示指標(biāo).193.2.2發(fā)動機(jī)有效指標(biāo).193.3示功圖的繪制.214運(yùn)動學(xué)計算.234.1活塞位移.244.2活塞瞬時速度.245動力學(xué)計算.255.1曲軸連桿機(jī)構(gòu)中的作用力.255.2機(jī)構(gòu)慣性力.266強(qiáng)度計算.276.1曲軸強(qiáng)度計算.276.2連桿強(qiáng)度校核.276.3凸輪軸的強(qiáng)度計算.286.3.1彎曲應(yīng)力的確定.287平衡計算.297.1平衡的基本概念.297.1.1平衡的定義.297.1.2內(nèi)燃機(jī)振動的原因.297.1.3不平衡的危害.29XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計和計算第5頁7.1.4研究平衡的目的和采用的方法.307.2旋轉(zhuǎn)慣性力的分析.307.2.1靜平衡和動平衡.307.2.2旋轉(zhuǎn)慣性力平衡分析.317.3單列式內(nèi)燃機(jī)往復(fù)慣性力的平衡分析.328進(jìn)排氣系統(tǒng).338.1概述.338.2進(jìn)氣系統(tǒng).338.3排氣系統(tǒng).369配氣機(jī)構(gòu).379.1.概述.379.2配氣機(jī)構(gòu)的特性.379.3設(shè)計步驟.3810潤滑系統(tǒng)的設(shè)計.3810.1發(fā)動機(jī)的工況及對冷卻系統(tǒng)的要求.4210.2冷卻系統(tǒng)的總體布置.4311供氣系統(tǒng)的選擇.45結(jié)論.47致謝.47參考文獻(xiàn).48XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計和計算第6頁1引言隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，對于汽車能源的多樣化同樣是值得關(guān)注的，天然氣成為了汽車能源的一種重要途徑，天然氣發(fā)動機(jī)是以天然氣為燃料的一種氣體內(nèi)燃機(jī)，天然氣的甲烷含量一般都在90%以上，是一種很好的汽車發(fā)動機(jī)燃料。天然氣被世界公認(rèn)為是最為現(xiàn)實和技術(shù)上比較成熟的車用汽油、柴油的代用燃料，天然氣汽車已在世界和我國各省市得到了推廣應(yīng)用。用天然氣代替常規(guī)的汽車燃料具有很多優(yōu)點(diǎn)。最大的好處在于環(huán)保方面，不僅排放性能和壓力優(yōu)異，而且也會降低汽車發(fā)動機(jī)的噪音；同時天然氣汽車只需要在原發(fā)動機(jī)上加裝天然氣供給系統(tǒng)，改裝方便、成本也會大大降低；相對而言，天然氣汽車安全性能也高。天然氣是一種高燃點(diǎn)的氣體，在通常的溫度和壓力下比汽油或柴油更加安全，并且天然氣本身無毒，無腐蝕性和非致癌的，即使有泄漏也不會造成極大的威脅。據(jù)統(tǒng)計我國天然氣總資源量為54億立方米，可采資源總量相當(dāng)豐富。天然氣總量列世界第五、亞洲第一位，因此在我國開發(fā)天然氣發(fā)動機(jī)的前景非常好。就目前我國天然氣發(fā)動機(jī)發(fā)展上看，大多數(shù)是在原汽油發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上添加天然氣供氣系統(tǒng)，開發(fā)成汽油-天然氣雙用發(fā)動機(jī)天然氣替代率低，同事機(jī)械式控制不精確的自身缺陷，實際發(fā)動機(jī)排放性改善并不大。鑒于這種情況我們以4G15S發(fā)動機(jī)為參考設(shè)計出一臺用于經(jīng)濟(jì)型轎車的天然氣發(fā)動機(jī)。本次天然氣發(fā)動機(jī)的設(shè)計，是站在已有發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上自主研發(fā)的嘗試，通過運(yùn)用合理的結(jié)構(gòu)知識設(shè)計一臺自主開發(fā)的天然氣發(fā)動機(jī)，同時使發(fā)動機(jī)得到優(yōu)化，增強(qiáng)發(fā)動機(jī)的傳遞能量的能力，使發(fā)動機(jī)增強(qiáng)其動力性，從而使整車具有更好的動力性和經(jīng)濟(jì)性。1.1本畢業(yè)設(shè)計研究的目地和意義畢業(yè)設(shè)計是對學(xué)生在畢業(yè)前的一次全面訓(xùn)練，以三菱4G15S汽油機(jī)為原型，通過改型設(shè)計488Q天然氣發(fā)動機(jī)。通過本設(shè)計，熟悉內(nèi)燃機(jī)設(shè)計中項目計劃、XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計和計算第7頁工作進(jìn)度安排、查閱相關(guān)資料、方案對比和最終方案確定、設(shè)計計算、圖紙表達(dá)和撰寫設(shè)計報告、設(shè)計答辯等過程，鞏固和提高機(jī)械設(shè)計、內(nèi)燃機(jī)知識、材料知識、工藝知識、計算機(jī)繪圖和答辯演講的能力，初步獲得運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識解決工程實際問題的能力，達(dá)到綜合鍛煉的目地。由于設(shè)計項目總體復(fù)雜，有難度，需要小組多成員的共同協(xié)作配合，通過畢業(yè)設(shè)計可以培養(yǎng)團(tuán)隊協(xié)作精神。1.2本課題研究的任務(wù)和要求（1）要求設(shè)計的488Q天然氣發(fā)動機(jī)，具有特征：直列4缸，缸徑88mm，自然吸氣，壓縮比12.5，雙頂置凸輪軸搖臂驅(qū)動氣門，16氣門，多點(diǎn)噴射，鋁合金機(jī)體，干式氣缸套，用于經(jīng)濟(jì)型轎車配套。（2）充分考慮我國壓縮天然氣燃料的燃燒特點(diǎn)，動力性能，工作特性和對材質(zhì)的要求，設(shè)計出具有優(yōu)良動力性和經(jīng)濟(jì)性的實用機(jī)型，并減輕整機(jī)重量。（3）488Q天然氣發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計和計算（熱力計算、動力計算、強(qiáng)度計算）及各部分結(jié)構(gòu)總體設(shè)計，并協(xié)調(diào)各部分結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計。2方案選擇及總體設(shè)計內(nèi)燃機(jī)總體設(shè)計和方案選擇是設(shè)計工作的第一階段，在產(chǎn)品總體設(shè)計中要選擇和確定內(nèi)燃機(jī)的主要設(shè)計參數(shù)，在進(jìn)行熱計算和外特性計算及主要零部件設(shè)計前，首先要選擇零部件的類型、布局方式。如：氣缸的布局方式、燃燒室的選擇、缸心距的確定、壓縮比的選取、活塞行程比的選取、曲柄連桿比的選取等。2.1488Q天然氣發(fā)動機(jī)主要參數(shù)的確定課題任務(wù)要求中已給定部分參數(shù)，現(xiàn)確定未定參數(shù)。XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計和計算第8頁2.1.1行程缸徑比值行程S及其缸徑D的比值S/D是對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)和性能有多方面影響的參數(shù)。合理地選擇S/D應(yīng)考慮以下因素：（1）S/D對升功率PL的影響當(dāng)m不變時，S/D減小意味著上升，因而與成正比的PL跟著增大，使vnn內(nèi)燃機(jī)更加緊湊輕巧。（2）S/D對燃燒室形狀的影響S/D小的短行程內(nèi)燃機(jī)氣缸余隙比較扁平，對壓縮比高的發(fā)動機(jī)尤其如此，使燃燒室有效容積比減小，燃燒過程較難組織。對汽油機(jī)來說，短行程機(jī)的燃燒室也顯得不緊湊，燃燒較慢，且HC排放較高。（3）S/D對散熱的影響在其他相同的條件下，S/D下降使D增大，使得傳到冷卻水套的熱量減少，活塞組零件的溫度上升。（4）S/D對外形尺寸的影響單列式內(nèi)燃機(jī)的總長度主要取決于和D，所以S/D小的短行程內(nèi)燃機(jī)總長i度較大。雖然它高度較小，但這一優(yōu)點(diǎn)不太明顯。因而，單列式內(nèi)燃機(jī)應(yīng)該用較大的S/D。對雙列式內(nèi)燃機(jī)來說，總長度一般取決于曲軸的軸向尺寸，氣缸布置比較寬松，所以用短行程結(jié)構(gòu)可以減小內(nèi)燃機(jī)的高度和寬度而不犧牲總長度，獲得總體上更好的緊湊性。習(xí)慣上稱S/D=1的內(nèi)燃機(jī)為方形內(nèi)燃機(jī)，S/D1者為長行程機(jī)。目前，車用汽油機(jī)S/D=0.91.2，高速柴油機(jī)的S/D=1.01.3.V型和其他雙列式內(nèi)燃機(jī)的S/D值一般要比直列式略小些，風(fēng)冷機(jī)的S/D一般要比液冷式的略大些。本天然氣發(fā)動機(jī)取S/D=1.01。2.1.2行程課題要求缸徑D=88mm,已取定S/D=1.01，則行程S=89mm。由此可確定本機(jī)工作容積=540，排量為2160。sVmllXXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計和計算第9頁2.1.3活塞平均速度活塞平均速度表征汽油機(jī)高速性和強(qiáng)化程度的一項主要指標(biāo)，對汽油機(jī)mv總體設(shè)計和主要零件結(jié)構(gòu)形式影響很大。在功率給定以后，若平均有效壓力、活塞行程和缸數(shù)維持不變，提高活塞平均速度可使氣缸直徑減小，汽油機(jī)體積小、質(zhì)量輕。在活塞行程確定后，活塞平均溫度可由公式=Sn/30求得。本mvmv設(shè)計取額定轉(zhuǎn)速n=4000rpm，可得本設(shè)計活塞平均速度為=11.9m/s。但的增加受到下列因素的限制：mv1）提高活塞平均速度，摩擦損失增加，機(jī)械效率下降，活塞組的熱負(fù)荷m增加，機(jī)油溫度升高，機(jī)油承載能力下降，發(fā)動機(jī)壽命降低。2）慣性力增加，導(dǎo)致機(jī)械負(fù)荷和機(jī)械振動加劇、機(jī)械效率降低、壽命降低。3）進(jìn)排氣流速增加，導(dǎo)致進(jìn)氣阻力增加、充氣效率下降。v4）隨著活塞平均速度的提高，汽油機(jī)的平衡、振動和噪聲等問題突出。一般汽油機(jī)總噪聲強(qiáng)度約與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。一般情況下，值為：mv汽油機(jī)17m/s，摩托車發(fā)動機(jī)更高一些，可以達(dá)到20m/s。柴油機(jī)13m/s。mv2.1.4氣缸中心距及其與缸徑的比值氣缸中心距其與缸徑的比值，是表征汽油機(jī)長度的緊湊性和重量指標(biāo)的重要參數(shù)，它與汽油機(jī)的強(qiáng)化程度、氣缸排列和機(jī)體的剛度有關(guān)。選擇氣缸中心距是應(yīng)考慮以下因素：1）確定氣缸中心距的大小。首先考慮曲軸的曲柄臂的厚度和主軸頸、曲柄銷的長度，是主軸承和連連桿軸承有足夠的承壓面積，并保證曲軸有良好的強(qiáng)度和剛度。hL210XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計和計算第10頁式中：為氣缸中心距，mm；為主軸承長度，mm；為曲柄銷長度，0L1L2Lmm；為曲柄臂厚度，mm。h2）氣缸套型式和水套的布置。3）氣缸蓋布置。氣缸蓋的布置。氣缸中心距與氣缸蓋固定螺栓、進(jìn)排氣道和冷卻水道的布置密切相關(guān)，并將直接影響汽油機(jī)的性能、可靠性和壽命，對缸徑較小的多缸汽油機(jī)可采用整體式氣缸蓋以縮小氣缸中心距。從增強(qiáng)機(jī)體剛度著眼，高速發(fā)動機(jī)缸心距有縮小的趨勢。目前汽油機(jī)的值：直列式的在DL/01.101.25之間；V型的在1.151.30之間，本天然氣發(fā)動機(jī)為直列4缸機(jī)，干式氣缸套，取=1.113。DL/02.1.5氣缸套壁厚干式氣缸套的厚度一般為13mm，本機(jī)選取缸套壁厚=1mm。2.1.6曲柄半徑和連桿長度比曲柄半徑和連桿長度比，即，曲柄半徑由可得，是一項lR/2/SR確定連桿長度的重要參數(shù)，行程S確定以后，選擇主要考慮以下因素：1）選擇較大的值，使連桿短、重量輕，往復(fù)和離心重量小，有利于汽油機(jī)高速化，并可降低直列式汽油機(jī)的高度，減輕汽油機(jī)重量。2）較大的值，雖縮短了連桿長度，但增加連桿擺角和活塞側(cè)壓力，對缸套磨損不利。3）在選擇連桿長度是，要保證在下止點(diǎn)時不與曲軸平衡塊碰，活塞在上止點(diǎn)時曲柄不與缸套相碰?，F(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的值一般在0.250.33之間。小型高速化汽油機(jī)值較高，一般在0.270.31之間，本機(jī)為天然氣發(fā)動機(jī)，參考汽油機(jī)，選值為0.30。2.1.7燃燒室的選擇燃燒室設(shè)計直接影響到發(fā)動機(jī)的充量系數(shù)，火焰?zhèn)鞑ニ俾始胺艧崧?，傳熱損失及爆燃，從而影響發(fā)動機(jī)的性能。XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計和計算第11頁對燃燒室有兩點(diǎn)基本要求：一是結(jié)構(gòu)盡可能緊湊，表面積要小，以減少熱量損失及縮短火焰行程；其次是使混合氣在壓縮終了時具有一定的氣流運(yùn)動，提高混合氣燃燒速度，保證混合氣得到及時和充分的燃燒。汽油機(jī)常用燃燒室形狀有以下幾種：1）楔形燃燒室，其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，在壓縮終了是能形成擠氣渦流；存在較大的激冷面積，對HC排放不利。2）浴盆形燃燒室，其結(jié)構(gòu)較簡單，但不夠緊湊。3)半球形燃燒室，其結(jié)構(gòu)較前兩種更緊湊，但因進(jìn)、排氣門分別置于缸蓋兩側(cè)，故使配氣機(jī)構(gòu)較復(fù)雜。由于其散熱面積小，有利于促進(jìn)燃料的完全燃燒和減少排氣中的有害氣體，故現(xiàn)代發(fā)動機(jī)上用得較多。4)碗形燃燒室，碗形燃燒室是布置在活塞中的一個回轉(zhuǎn)體，采用平底氣缸蓋，工藝性好，但燃燒室在活塞頂內(nèi)使活塞的高度和質(zhì)量增加，同時活塞的散熱也較差。5)蓬形燃燒室，其性能與半球形相似，組織缸內(nèi)氣流進(jìn)行擠氣運(yùn)動要比半球形容易，燃燒室也可全部加工。是近年來在在高性能多氣門轎車發(fā)動機(jī)上廣泛應(yīng)用的燃燒室。本天然氣發(fā)動機(jī)參考汽油機(jī)，設(shè)計額定轉(zhuǎn)速為4000rpm，因轉(zhuǎn)速較高，選用蓬型燃燒室。2.1.8發(fā)火次序發(fā)動機(jī)的發(fā)火順序與汽油機(jī)的運(yùn)作的均勻性、主軸承和連桿軸承的負(fù)荷、軸系的扭振性能密切的關(guān)系。隨著氣缸書目的增加，發(fā)動機(jī)的發(fā)火次序可有更多的方案。選擇發(fā)火次序時，主要考慮以下因素：1)平衡性能和曲柄排列發(fā)火次序和曲柄排列的關(guān)系密切，一定的發(fā)火次序具有相應(yīng)的曲柄排列，曲柄排列確定后，就決定了發(fā)動機(jī)的平衡情況。2)扭轉(zhuǎn)振動能在不同的共振轉(zhuǎn)速，扭振振幅的相對值決定于各臨界轉(zhuǎn)速下各缸輸入能量的相對矢量和的大小，并和扭振型式有關(guān)。3）軸承負(fù)荷XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計和計算第12頁為減少軸承負(fù)荷，相鄰兩曲柄間的夾角應(yīng)盡可能大些，相鄰氣缸間發(fā)火間隔角也盡可能大些。總之在選擇發(fā)火次序的時候，首先考慮發(fā)動機(jī)的平衡和軸系的扭轉(zhuǎn)振動。一般情況下，先按發(fā)動機(jī)的平衡性能，選擇曲柄的排列型式，然后按扭振性能、軸承負(fù)荷和排氣管布置來確定發(fā)火次序。本機(jī)為直列4缸發(fā)動機(jī)，設(shè)計選取的發(fā)火次序為：1-3-4-2表2-1方案選擇結(jié)果技術(shù)參數(shù)選擇結(jié)果技術(shù)參數(shù)選擇結(jié)果氣缸數(shù)4氣缸布置型式直列i活塞直徑D/mm88行程缸徑比1.01DS/活塞行程S/mm89沖程數(shù)4額定轉(zhuǎn)速rpm4000活塞最大平均速度11.91/smv氣缸中心距/mm98中心距缸徑比1.113L0壓縮比12.5連桿長度149l/連桿比0.3發(fā)火次序1-3-4-2氣缸套壁厚1m/2.2488Q天然氣發(fā)動機(jī)的總體布置2.2.1發(fā)動機(jī)總體布置的一般要求如下（1）布置緊湊，外形尺寸小，外觀整齊，外接管路盡量少。（2）經(jīng)常需要保養(yǎng)得零部件，如機(jī)油、燃油、空氣的濾清器，以及常用的機(jī)油加油口、放水閥和機(jī)油油尺等。對經(jīng)常檢查調(diào)整的氣門間隙和噴油提前角等有關(guān)零部件應(yīng)考慮到調(diào)整和拆裝方便。XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計和計算第13頁（3）應(yīng)滿足用戶對汽油機(jī)配套所提出的各項合理要求。多種用途發(fā)動機(jī)的總體布置，首先應(yīng)滿足主要用途的配套要求，還要考慮到變型機(jī)型的有關(guān)問題。（4）具有良好的加工和裝配工藝性。（5）汽油機(jī)起吊、存放和安裝方便。（6）總體布置要認(rèn)真貫徹執(zhí)行產(chǎn)品系列化、零部件通用化和零件標(biāo)準(zhǔn)化。2.2.2總體布置如下（1）凸輪軸的布置。本設(shè)計要求使用雙頂置凸輪軸，配氣結(jié)構(gòu)質(zhì)量小，適用于高速發(fā)動機(jī)。（2）齒形帶傳動的布置。因同步齒形帶傳動效率高，節(jié)能效果好，傳動比范圍大，結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)保養(yǎng)方便，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低，惡劣環(huán)境條件下能正常工作等優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計選用齒形帶傳動。（3）機(jī)油泵的布置。機(jī)油泵的布置與其傳動方法、機(jī)油管路布置以及發(fā)動機(jī)的用途有關(guān)。本設(shè)計中機(jī)油泵總成布置在主軸承端蓋上，由曲軸直接驅(qū)動，機(jī)油泵安裝位置較低，發(fā)動機(jī)啟動后，瞬時既能吸上機(jī)油。（4）水泵的布置。本設(shè)計采用離心式水泵,布置在機(jī)體外側(cè)上部，由多楔帶驅(qū)動。2.3本章小結(jié)本章通過對488Q天然氣發(fā)動機(jī)機(jī)重要參數(shù)的選擇和總體布置兩方面進(jìn)行確定，并對確定原因做出了必要的說明，得出了具體參數(shù)（主要是尺寸參數(shù)）和發(fā)動機(jī)總體布置方式。488Q天然氣發(fā)動機(jī)方案為：直列4缸，四沖程水冷，干式氣缸套，設(shè)計行程缸徑比為S/D=1.01，活塞最大平均速度=11.9m/s，壓縮比為=12.5，氣缸mv中心距=98mm，曲柄連桿比為=0.3，為蓬形燃燒室，發(fā)火次序為1-3-4-2。0LXXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計和計算第14頁3488Q天然氣發(fā)動機(jī)熱力計算內(nèi)燃機(jī)的主要參數(shù)是通過對其進(jìn)行熱計算而得到的，因此，在設(shè)計發(fā)動機(jī)時，首先要選取一些基本參數(shù)并對其進(jìn)行熱計算，在計算中要引進(jìn)一些基本原則作為選取原始參數(shù)的依據(jù)，無論是發(fā)動機(jī)的熱計算，還是發(fā)動機(jī)的后續(xù)計算都可以采用這些參數(shù)。該方法是一種近似的、半經(jīng)驗的估計方法，它是根據(jù)熱力計算公式，對內(nèi)燃機(jī)各熱力參數(shù)、指示參數(shù)進(jìn)行計算，其計算結(jié)果的精確性依賴于大量經(jīng)驗數(shù)據(jù)的選擇是否恰當(dāng)，它對內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。本章節(jié)將從以下幾個方面來進(jìn)行計算分析：燃料、工質(zhì)參數(shù)、周圍介質(zhì)參數(shù)和殘余廢氣、進(jìn)氣過程、壓縮過程、燃燒過程、膨脹過程、工作循環(huán)指示參數(shù)、發(fā)動機(jī)有效指標(biāo)、汽油機(jī)示功圖的繪制等方面。3.1熱計算3.1.1燃料燃燒及成分確定（1）工質(zhì)參數(shù)天然氣的主要成分為CH4，各組成元素的質(zhì)量比分別為0.750126c12OhCg0.254H0126c12OOh查閱相關(guān)資料，得：壓縮天然氣的化學(xué)計量空燃比：=16.40l壓縮天然氣低熱值：=50000kJ/kguH理論空氣質(zhì)量kmol/kg56.029410lL2）過量空氣系數(shù)：a過量空氣系數(shù)是反映混合器形成、燃燒完善程度及整機(jī)性能的一個指標(biāo)。天然氣發(fā)動機(jī)大部分采用稀薄燃燒技術(shù)，與當(dāng)量燃燒相比發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計和計算第15頁溫度較低，可以減小熱損失和熱負(fù)荷，提高熱效率、改善燃燒經(jīng)濟(jì)性，同時可以較少NOx排放。綜合排放性和經(jīng)濟(jì)性考慮，取過量空氣系數(shù)a13）殘余廢氣系數(shù)r02930.160.364593.rrraTP4）新鮮空氣量1M10*.60./aLkmolg5）理論上完全燃燒時的燃燒產(chǎn)物量2M20.792.36/1chagLkl6）理論分子變化系數(shù)的計算201.63/.51.7M7）實際分子變化系數(shù)的計算0/.3.640.3641rr3.1.2燃?xì)膺^程參數(shù)的確定與計算1)進(jìn)氣終點(diǎn)壓力和溫度的確定apaT為得到良好的發(fā)動機(jī)充氣，在標(biāo)定速度工況上，在標(biāo)定速度工況上，對于四沖程汽油機(jī)，新鮮充量的預(yù)熱溫度T的數(shù)值如下：（020）。本機(jī)參考汽油機(jī)，這里取T=20。進(jìn)氣的充氣密度6310/().28795/sgsPRTkm式中：進(jìn)氣充氣密度，kg/；為氣體常數(shù)，=287J/kg.K。sggR進(jìn)氣量M=1.205*2.160=2.6028kgsVXXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計和計算第16頁進(jìn)氣壓力損失aP由于進(jìn)氣系統(tǒng)阻力和氣缸中充量運(yùn)動速度的衰減所引起的壓力損失，aP采用某些假設(shè)后可以有伯努利方程求得：=aP2/10)(622sB=5.70.=0.00797MPa現(xiàn)代汽車汽油機(jī)在額定工況下：=2.54.0及)(2B=50130m/s，對于進(jìn)氣系統(tǒng)加工過的內(nèi)表面，本天然氣發(fā)動機(jī)參考汽油機(jī)，B可以取=2.7和=70m/s。這是根據(jù)發(fā)動機(jī)速度工況和考慮到)(2BB在增壓和非增壓汽油機(jī)的進(jìn)氣系數(shù)不大的流體阻力來選取的。進(jìn)氣終了壓力：=aPsa=0.1013-0.00797=0.0933MPa式中：為進(jìn)氣終了時壓力，單位為MPa；為進(jìn)氣壓力損失，單位是aaPMPa。進(jìn)氣終點(diǎn)溫度:0/1293.64950.3645aTTK2)排氣終點(diǎn)壓力和溫度的確定p四沖程汽油機(jī)，01.5.pT1該機(jī)型參考汽油機(jī)，排氣終點(diǎn)壓力，溫度取0.5.6PMPaT1100K。3)充氣效率的計算vXXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計和計算第17頁a5.(1)()2.509312.(0.364)084svrPT3.1.3壓縮終點(diǎn)參數(shù)的確定平均多變壓縮指數(shù)主要受工質(zhì)與汽缸壁間熱交換及工質(zhì)泄露情況的影響。1n凡是使缸壁傳熱量及氣缸工質(zhì)泄漏量減少的因素均能使提高。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速1n提高時，熱交換時間縮短、向缸壁傳熱量及氣缸工質(zhì)泄漏量減少時，則增大；1n當(dāng)負(fù)荷增加、采用空冷、采用大缸徑時，氣缸溫度升高、相對傳熱損失減小，則增大。此外提高和進(jìn)氣終點(diǎn)溫度，則減小。1n1n一般發(fā)動機(jī)=1.0-1.4，該機(jī)型平均多變指數(shù)取1.2。1n1n平均平均多變指數(shù)。2.1k（2）壓縮終了壓力和溫度壓縮終了壓力aaMPnpP93.15.2093.1c式中：為壓縮終了壓力，單位為MPa。c壓縮終了溫度811K12.135nTac式中：為壓縮終了溫度，K。3.1.4燃燒過程（1）天然氣發(fā)動機(jī)理論混合氣分子變更系數(shù)073.159.063120MXXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計和計算第18頁（2）天然氣發(fā)動機(jī)實際混合氣分子變更系數(shù)07.10364.17.10（3）天然氣發(fā)動機(jī)工作混合氣燃燒的熱量kJ/kmol81356)064.1(593.0)1(MHucmpa式中：為汽油機(jī)燃料低熱值，=50000kJ/kg。uu（4）燃燒過程終了溫度參考汽油機(jī)TZ=22002800K，根據(jù)經(jīng)驗，本設(shè)計取Tz=2700K（5）汽油機(jī)最高燃燒壓力汽油機(jī)的壓力升高比一般在3.24.2之間?？紤]到本發(fā)動機(jī)設(shè)計壓縮比為12.5，取=3.2。a176.93.2MPPCz式中：為最高燃燒壓力，MPa。zp（6）天然氣發(fā)送機(jī)預(yù)脹比891.0810.427czT式中：為發(fā)動機(jī)機(jī)預(yù)脹比。3.1.5膨脹過程發(fā)動機(jī)過后膨脹比：029.1489.052在標(biāo)定工況下，考慮到足夠大的氣缸尺寸可以取膨脹多變指數(shù)稍小于膨脹絕熱指數(shù)。查相關(guān)文獻(xiàn)得：，取，26.1k25.1n得到汽油機(jī)膨脹終了壓力和溫度：XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計和計算第19頁a27.0029.14765.12MPPnZb式中：為膨脹終了壓力，MPa。b發(fā)動機(jī)膨脹終了溫度：KTnzb139502.1475.2式中：為膨脹終了溫度，K。b取發(fā)動機(jī)剩余氣體溫度校核：KpTrb156.02713953計算兩者誤差為：%3.110)5(根據(jù)資料知道，允許誤差為，所以，誤差在允許范圍內(nèi)。3.2工作循環(huán)參數(shù)3.2.1發(fā)動機(jī)指示指標(biāo)（1）理論平均指示壓力)1()1(122nncminP)5.12(35.)5.(15.04.193112MPa78式中：為理論平均指示壓力，MPa。mi（2）平均指示壓力XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計和計算第20頁為示功圖豐滿系數(shù)，對于柴油機(jī)，其值一般為0.920.98，本設(shè)計參考n上述范圍取豐滿系數(shù)，則：95.0nMPaPminmi93.078（3）指示熱效率29.85.02.15046930csuaiitHl式中：為汽油機(jī)指示熱效率；為平均指示壓力，MPa；為過量空氣itmiPa系數(shù)；為化學(xué)計量空燃比。0l（4）指示燃油消耗率)/(3.2489.05163.6hkWgHbitui3.2.2發(fā)動機(jī)有效指標(biāo)（1）平均有效壓力mep機(jī)械效率是評定內(nèi)燃機(jī)指示功率轉(zhuǎn)換為有效功率的程度。一般四沖程車m用發(fā)動機(jī)，該機(jī)型機(jī)械效率取0.82。90.8.m平均有效壓力：amiMPP763.082.93pe（2）有效熱效率e7.082.9emit（3）有效燃油消耗率eb)(7.203)8.5/(16.3)/(106.hkwHbeue(4)有效功率KWniVPsme.543.07.(5)轉(zhuǎn)矩XXXXXXXXX488Q天然氣發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計和計算第21頁NmnPTetq3.140595汽車、拖拉機(jī)、工程機(jī)械和農(nóng)用動力用內(nèi)燃機(jī)等除對功率和轉(zhuǎn)速有要求外，還要求具有一定的轉(zhuǎn)矩儲備，以克服短時間的外界阻力。城市用客載汽車更強(qiáng)調(diào)低速轉(zhuǎn)矩特性和低速區(qū)燃油經(jīng)濟(jì)性，因為在城市交通環(huán)境中有50%以上的時間運(yùn)行在低速工況區(qū)。表征轉(zhuǎn)矩儲備的參數(shù)為轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù)，又稱為轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)，表示最大轉(zhuǎn)矩與標(biāo)定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩的比值，即1maxtqT標(biāo)定工況轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速之比稱為轉(zhuǎn)速適應(yīng)性系數(shù)，即1maxtqn汽車汽油機(jī)，本設(shè)計取，則25.1m25.=1.25131.3=164.1NmmaxtqT汽車汽油機(jī)，本設(shè)計取，則.n.1nrpmtq2675/max(6)耗油量hkgbPBq/1.0.(7)升功率LWiVsL/46.250表3-1488Q天然氣發(fā)動機(jī)參數(shù)_技術(shù)參數(shù)參數(shù)值技術(shù)參數(shù)參數(shù)值氣缸直徑D/mm88額定功率Pe/kW55.0活塞行程S/mm89平均有效壓力Pm/MPa0.763行程缸徑比1.01壓縮比12.5DS/排量V/mL2160額定轉(zhuǎn)速n/rpm4000氣缸中心距/mm98最大轉(zhuǎn)矩Me/Nm164.1XXXXXXXXX488Q天然
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