488Q天然氣發(fā)動機—總體方案設計和計算
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天然氣
發(fā)動機
總體
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方案設計
以及
計算
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XX設計(XX)開題報告學生姓名：XXXXX學號：XXXXXX學院：機電工程學院專業(yè)：XXXXX設計(論文)題目：488Q天然氣發(fā)動機-總體方案設計和計算指導教師：XXXXXXX年X月XX日1結合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫1500字左右的文獻綜述（包括研究進展，選題依據(jù)、目的、意義）文獻綜述一、天然氣發(fā)動機特點天然氣汽車是以油改天然氣為燃料的一種氣體燃料汽車。天然氣甲烷含量一般在90%以上，是一種很好的汽車發(fā)動機燃料。車用壓縮天然氣的壓力一般在20MPa左右。可將天然氣，經(jīng)過脫水、脫硫凈化處理后，經(jīng)多級加壓制得。其使用時的狀態(tài)為氣體。1、燃燒穩(wěn)定，不會產(chǎn)生爆震，并且冷熱起動方便。2、壓縮天然氣儲運，減壓，燃燒都在嚴格的密封狀態(tài)下進行，不易發(fā)生泄露。另外其儲氣瓶經(jīng)過各種特殊的破壞性試驗，安全可靠。3、壓縮天然氣燃燒安全，積碳少，減少氣阻和爆震，有利于延長發(fā)動機各部件的使用壽命，減少維修保養(yǎng)次數(shù)，大幅度降低維修保養(yǎng)成本。4、可減少發(fā)動機的機油消耗量。5、使用壓縮天然氣與汽油相比，可大幅度降低，一氧化碳，二氧化硫，二氧化碳等的排放。并且沒有苯，鉛等致癌和有毒物質危害人體健康。2、天然氣發(fā)動機業(yè)內(nèi)評價1、天然氣汽車是清潔燃料汽車.天然氣汽車的排放污染大大低于以汽油為燃料的汽車，尾氣中不含硫化物和鉛，一氧化碳降低80%，碳氫化合物降低60%，氮氧化合物降低70%.因此，許多國家已將發(fā)展天然氣汽車作為一種減輕大氣污染的重要手段.2、天然氣汽車有顯著的經(jīng)濟效益.可降低汽車營運成本，天然氣的價格比汽油和柴油低得多，燃料費用一般節(jié)省50%左右，使營運成本大幅降低.由于油氣差價的存在，改車費用可在一年之內(nèi)收回.可節(jié)省維修費用.發(fā)動機使用天然氣做燃料，運行平穩(wěn)、噪音低、不積炭，能延長發(fā)動機使用壽命，不需經(jīng)常更換機油和火花塞，可節(jié)約50%以上的維修費用.3、比汽油汽車更安全首先與汽油相比，壓縮天然氣本身就是比較安全的燃料.這表現(xiàn)在：燃點高.天然氣燃點在650.c以上，比汽油燃點（427.c）高出223.c，所以與汽油相比不易點燃.密度低.與空氣的相對密度為0.48，泄漏氣體很快在空氣中散發(fā)，很難形成遇火燃燒的濃度.辛烷值高.可達130，比目前最好的96號汽車辛烷值高得多，抗爆性能好.爆炸極限窄.僅515%，在自然環(huán)境下，形成這一條件十分困難.釋放過程是一個吸熱過程.當壓縮天然氣從容器或管路中泄出時，泄孔周圍會迅速形成一個低溫區(qū)，使天然氣燃燒困難.其次，壓縮天然氣汽車所用的配件比汽油車要求更高.表現(xiàn)在：國家頒布有嚴格的天然氣汽車技術標準.從加氣站設計、儲氣瓶生產(chǎn)、改車部件制造到安裝調試等，每個環(huán)節(jié)都形成了嚴格的技術標準.設計上考慮了嚴密的安全保障措施.對高壓系統(tǒng)使用的零部件，安全系數(shù)均選用1.5-4以上，在減壓調節(jié)器、儲氣瓶上安裝有安全閥，控制系統(tǒng)中，安裝有緊急斷氣裝置.儲氣瓶出廠前要進行特殊檢驗.氣瓶經(jīng)常規(guī)檢驗后，還需充氣作火燒、爆炸、墜落、槍擊等試驗，合格后,方能出廠使用.中外發(fā)展天然氣60年來，從未出現(xiàn)過因天然氣爆炸、燃燒而導致車毀人亡的事實證明，壓縮天然氣汽車是十分安全可靠的.4、CNG汽車的動力性略有降低.燃用天然氣時，動力性略下降515%.5、改裝一次性投資較大，改裝一輛CNG汽車大約需4000-6000元，隨著日后技術的不斷進步，費用會繼續(xù)降低。三、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.目前國內(nèi)外大多廠家的天然氣發(fā)動機都是由柴油機改裝,天然氣與柴油相比其燃燒特性區(qū)別很大,相應關鍵部件必須重新設計1,主要有:1)氣缸蓋部件設計,加強火花塞周圍的冷卻效果,改進氣道渦流,減少火花塞周圍的渦流2,使缸內(nèi)混合氣體更容易點燃;氣門和座圈的錐面結構改進和選用新型材料,減小由于排溫高和天然氣無潤滑性等因素造成的氣門和座圈磨損。2)凸輪軸設計,減小氣門重疊角,保證較高的充氣效率、減少掃氣帶來的燃料損失及HC排放、降低排氣溫度。3)活塞設計,實現(xiàn)更快和更充分的燃燒、縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x以降低爆震傾向。以上部件優(yōu)劣是影響天然氣發(fā)動機性能的重要因素。2.目前天然氣發(fā)動機大部分采用稀薄燃燒技術,與當量燃燒相比發(fā)動機缸內(nèi)燃燒溫度較低,因此,可以減小熱損失和熱負荷,提高了熱效率、改善了燃料經(jīng)濟性,同時可以減少NOx排放。天然氣動機的燃燒、排放及燃料消耗率隨過量空氣系數(shù)的變化情況,如圖1所示,綜合排放性和經(jīng)濟性考慮,當過量空氣系數(shù)1.5左右時最佳,所以稀薄燃燒技術是天然氣發(fā)動機的最佳選擇3。3.目前天然氣發(fā)動機普遍采用單點噴射稀薄燃燒技術,優(yōu)點是空氣和燃料預混合充分均勻,失火和爆能得到很好控制,但是發(fā)動機的響應速度略顯遲緩;而采用多點噴射技術面臨很多問題,因為目前中等功率以上天然氣發(fā)動機均由柴油機改制而成,原機各缸進氣量的差異約10%15%,加之噴射閥燃氣供給量差異約5%10%,這樣各缸的空燃比總體差異約15%25%。而稀薄燃燒一般失火極限控制在5%10%之間,同時還受到燃氣氣質和環(huán)境等因數(shù)的影響,多點噴射很可能造成發(fā)動機的失火和爆震等非正常燃燒。在多點噴射控制技術不成熟之前,預混合單點精確噴射控制在目前市場占主導地位。4.當量燃燒天然氣發(fā)動機需要點火能量是汽油機的3倍左右,而稀薄燃燒天然氣發(fā)動機需要的點火能量是當量燃燒的1.5倍左右,那么稀薄燃燒天然氣發(fā)動機是汽油機的4.5倍左右,可見天然氣燃料火性能更差。這樣傳統(tǒng)的汽油機點火系統(tǒng)根本不適應于天然氣發(fā)動機。因而需要采用高能量數(shù)字點火技術,計算機芯片來精確控制點火的能量和時間:1)點火能量太小不能滿足發(fā)動機性能要求,點火能量過大又是浪費,而且涉及到相應部件(點火線圈、高壓線和火花塞等)的承受力問題。在現(xiàn)有部件能夠承受的條件下,將點火能量控制到一個能夠滿足需要的合適程度是十分必要的。2)準確的點火時間對發(fā)動機的燃燒效率至關重要,利用計算機技術可以控制點火的時間,其精確度可以達到微秒級。四、研究目的以4G15S為原型，改進研發(fā)出488Q。綜合考核學生四年所學知識掌握程度，以此培養(yǎng)學生對課題的研究等綜合能力。使學生熟悉內(nèi)燃機設計中項目計劃，工作進度安排，查閱相關資料，方案對比和最終方案確定，設計計算，圖紙表達和撰寫設計報告。設計答辯過程，鞏固和提高機械設計，內(nèi)燃機知識，材料知識，工藝知識，計算機繪圖和答辯演講的能力，初步獲得運用所學的基礎知識和專業(yè)知識解決工程實際問題，達到綜合鍛煉的目的。五、研究意義本次發(fā)動機的機體設計，意在對4G15S進行改良升級，考慮我國壓縮天然氣燃料的燃燒特點以及國內(nèi)外天然氣發(fā)動機的發(fā)展現(xiàn)狀制定出改良計劃，設計出具有優(yōu)良動力性能，經(jīng)濟性的實用機型。2本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：一、課題的研究內(nèi)容1.本課題的主要任務以4G15S為模型，要求設計488Q天然氣發(fā)動機，具有特征：直列4缸缸徑88.0mm，自然吸氣，壓縮比12.5，雙頂置凸輪軸搖臂驅動氣門（DOHC），16氣門，多點噴射（MPI）鋁合金機體，干式氣缸套，用于經(jīng)濟型轎車配置。由此可見，此設計關鍵之處是要將機體改為鋁合金，汽缸套為干式，進而優(yōu)化設計，完成488Q天然氣發(fā)動機的的參數(shù)設計。2.本課題解決的問題本課題意在改進4G15S，鋁合金機體能充分減輕整機重量，以及改進之后能達到更好的動力性能和經(jīng)濟性能。二、課題的研究步驟和方法1.查閱相關資料了解內(nèi)燃機特別是車用天然氣發(fā)動機的國內(nèi)外現(xiàn)狀，常規(guī)結構和典型升級技術，先進制造技術工藝技術，汽車對發(fā)動機技術性能的要求，環(huán)保對發(fā)動機排放的要求，發(fā)動機計算和設計方法。重點了解發(fā)動機機體的類型，結構和強度計算。鍛煉能熟練查閱技術文獻，資料，手冊，工具書等的能力。2.拆裝4G15S汽油發(fā)動機了解并分析結構，確定改型方案。重點了解機體總成的結構，冷卻方式，原機型的機體總成參數(shù)和對整機工作的影響。拆裝是要同步拍攝照片，注意方法，確保裝配準確。同時對實驗室同期拆裝的其它發(fā)動機機構進行了解和對比。3確定設計技術方案在方案設計階段，應當對多種方案進行研究和對比，經(jīng)過篩選，留下少數(shù)方案，便于指導老師討論，做出最后的選擇。設計要點和需要考慮的問題：1.壓縮天然氣燃料CNG的燃燒特性和動力性能與汽油燃料的不同特點；2.原機型的機體總成結構和材料，冷卻方式，對整機工作的影響；3.新的機體總成結構，冷卻和潤滑通道，結構參數(shù)，設計理由：（由連桿運動軌跡確定內(nèi)腔空間此存）4.機體為鋁合金，濕式氣缸套結構，如何減輕重量并保證足夠的強度和剛度，耐磨損和耐腐蝕性；汽缸套結構；冷卻水套；潤滑道結構；5.對曲軸的支承結構和油底殼及其他附件的安裝結構；6.機體的加工工藝；三、繪制圖紙采用CAXA或者CAD制圖，要求設計圖紙符合國家標準，結構表達完整，尺寸標注正確，必要的技術要求，標題欄符合規(guī)范。四、編寫設計說明書將方案經(jīng)行全面的分析，論證，將自己在設計中考慮的問題的出發(fā)點，決策依據(jù)，計算和說明予以充分的表達。匯成一本設計說明書。說明設計書應該一邊設計一邊編寫五、準備演講PPT畢業(yè)答辯時需準備好PPT，務必在答辯之前將PPT精心制作完成。參考文獻1車用天然氣發(fā)動機關鍵技術研究與發(fā)展劉凱席躍進上海柴油機股份有限公司,上海2004382陳家瑞汽車構造（上下冊）第五版人民交通出版社，2006年6月3周龍保內(nèi)燃機學M.北京：機械工業(yè)出版社4標準GB18047-2000車用壓縮天然氣5汽車發(fā)動機總成拆裝.華東科技大學出版社，20076朱仙鼎中國內(nèi)燃機工程師手冊上海科學技術出版社2000年9月7王明華內(nèi)燃機節(jié)能手冊化學工業(yè)出版社8劉克銘，黃永波遼寧工程技術大學機械工程學院，遼寧阜新（123000）9徐兀汽車發(fā)動機現(xiàn)代設計北京人民交通出版社1995年8月10工程熱力學沈維道，童鈞耕主編，高等教育出版社11機械設計（第八版），西北
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