發(fā)動機課程設計

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1、河北工程大學裝備制造學院 機械設計基礎課程設計 目錄 第一章緒論 3 1.1 選題的初衷 3 1.2 研究內燃機的目的和意義 3 13內燃機簡介 4 1.4 內燃機的分類 4 1.5 單缸內燃機介紹 5 第二章內燃機的結構及工作原理 6 2.1 單缸內燃機構造及工作原理 6 第三章內燃機部分參數的確定 8 3. 1選擇甲醇機 8 3.2 內燃機沖程數的選擇 8 3.3 冷卻方式的選擇 9 3.4 汽缸數和布置方式的選擇 9 3.5 燃燒室型式的選擇 9 3.6 原始參數的選擇 10 第四章熱計算 12 4.1 燃料的燃燒化學計算 12 4.2 燃氣過程

2、參數的確定與計算 13 4.3 壓縮終點參數的確定 14 4.4 燃燒過程終點參數的確定 14 4.5 膨脹過程終點參數的確定 15 4.6 指示性能指標的計算 15 4.7 有效指標的計算 16 第五章主要部件的設計 16 5.1 氣缸 16 5.2 汽缸蓋 19 5.3 活塞 20 5.4 曲軸 21 5.5 連桿 23 5.6 潤滑 23 5.7 汽化器 23 第六章連桿強度計算 24 6.1 給定條件 24 6.2 連桿體幾何參數 24 6.3 起動工況時連桿體強度校核 25 6.4 額定工況時的強度校核 25 第七章活塞銷強度的計算 26 7.

3、1 已知條件 26 7.2 彎曲應力計算 27 7.3 最大剪應力計算 28 7.4 活塞銷的橢圓變形及應力分布 28 第八章、設計小結 29 附錄（Solidworks建模圖片） 30 參考文獻 33 5 摘要 內燃機是我國機械發(fā)展跨行業(yè)、跨部門最多的行業(yè)，可廣泛應用于包括汽車、 工程機械、農業(yè)機械、船舶、內燃機車、內燃機發(fā)動設備、地質石油鉆機、軍用 各種機械等產品，是上述各種產品的心臟，因此，內燃機行業(yè)的發(fā)展對我國工業(yè)、 交通運輸、農業(yè)、國防建設以及人民生活都有十分重大影響。但由于內燃機分類 較多，結構復雜，加上技術與條件的限制，所以本設計主要以結構簡單，制造成 本

4、低廉的航模二沖程單缸發(fā)動機為模型，對其主要零部件建立基于Solidworks 的三維數字化虛擬模型，并對各零部件進行了數字化虛擬裝配。 關鍵詞：內燃機；Solidworks；三維建模；運動分析 第一章緒論 1.1 選題的初衷 內燃機是我國機械發(fā)展跨行業(yè)、跨部門最多的行業(yè)，可以廣泛應用于包括汽 車、工程機械、農業(yè)機械、船舶、內燃機車、內燃機發(fā)動設備、地質石油鉆機、 軍用各種機械等產品上，是上述各種產品的心臟，因此，內燃機行業(yè)的發(fā)展對我 國工業(yè)、交通運輸、農業(yè)、國防建設以及人民生活都有重大影響。 1.2 研究內燃機的目的和意義 在競爭激烈的21世紀，內燃機面臨著更多方面的挑戰(zhàn)，在節(jié)約能

5、源、燃料多 樣化、提高功率、延長壽命、提高可靠性、降低排放和噪聲、減輕質量、縮小體 積、降低成本、簡化維護保養(yǎng)等方向上對內燃機工藝要求越來越高。天然氣、醇 類、植物油及氫等新型燃料將為內燃機增添新活力，而內燃機電子控制技術在提高 品質同時也延長了內燃機行業(yè)的“生命”。新材料與工藝技術革命，為21世紀內 燃機發(fā)展產生了新推動力。21世紀的內燃機，將會在經濟發(fā)展和社會進步上發(fā)揮 更重要的作用。因此，研究該課題對內燃機行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。 1.3 內燃機簡介 內燃機，是一種動力機械，它是通過燃料在機器內燃燒，并將其釋放出來的 熱能直接轉化為動力的熱力發(fā)動機。 廣義上的內燃機不僅僅包括往復

6、活塞式內燃機、旋轉活塞式發(fā)動機與自由活 塞式發(fā)動機，還包括旋轉葉輪式燃氣輪機、噴氣式發(fā)動機等，但通常所說的內燃 機是活塞式內燃機。 活塞式內燃機以往復活塞式最普遍?；钊絻热紮C將燃料和空氣混合，在氣 缸內燃燒，釋放出的熱能使氣缸內產生高溫高壓的燃氣。燃氣膨脹推動活塞做功, 再通過曲柄連桿機構將機械能輸出，驅動機械工作。 1.4 內燃機的分類 內燃機的分類方法很多，按照不同的分類方法可以把內燃機分成不同的類型, 下面讓我們來看看內燃機是怎樣分類的。 L4.1按照所用燃料分類 內燃機按照所使用燃料的不同可分為汽油機和柴油機。使用汽油為燃料的內 燃機稱為汽油機；使用柴油機為燃料的內燃機稱為

7、柴油機。汽油機與柴油機比較 各有特點；汽油機轉速高，質量小，噪音小，起動容易，制造成本低；柴油機壓 縮比大，熱效率高，經濟性能和排放性能都比汽油機好。近年來乂成功發(fā)展起來 一系列的甲醇航模發(fā)動機。 1.4.2 按照行程分類 內燃機按照完成一個工作循環(huán)所需的行程數可分為四行程內燃機和二行程內 燃機。把曲軸轉兩圈(720 ),活塞在氣缸內上下往復運動四個行程，完成一個工 作循環(huán)的內燃機稱為四行程內燃機；而把曲軸轉一圈(360 ),活塞在氣缸內上下 往復運動兩個行程，完成一個工作循環(huán)的內燃機稱為二行程內燃機。汽車發(fā)動機 廣泛使用四行程內燃機。 L4.3按照冷卻方式分類 內燃機按照冷卻方式不同

8、可以分為水冷發(fā)動機和風冷發(fā)動機。水冷發(fā)動機是 利用在氣缸體和氣缸蓋冷卻水套中進行循環(huán)的冷卻液作為冷卻介質進行冷卻的； 而風冷發(fā)動機是利用流動于氣缸體與氣缸蓋外表面散熱片之間的空氣作為冷卻介 質進行冷卻的。水冷發(fā)動機冷卻均勻，工作可靠，冷卻效果好，被廣泛地應用于 現代車用發(fā)動機。 L4.4按照氣缸數目分類 內燃機按照氣缸數目不同可以分為單缸發(fā)動機和多缸發(fā)動機。僅有一個氣缸 的發(fā)動機稱為單缸發(fā)動機；有兩個以上氣缸的發(fā)動機稱為多缸發(fā)動機。如雙缸、 三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸等都是多缸發(fā)動機。航模發(fā)動機多采用 單缸發(fā)動機。 L4.5按氣缸排列方式分類 內燃機按照氣缸排列方式不同可以分

9、為單列式和雙列式。單列式發(fā)動機的各 個氣缸排成一列，一般是垂直布置的，但為了降低高度，有時也把氣缸布置成傾 斜的甚至水平的；雙列式發(fā)動機把氣缸排成兩列，兩列之間的夾角＜180 （一般為 90 ）稱為V型發(fā)動機，若兩列之間的夾角二1800稱為對置式發(fā)動機。 1.4.6 按照進氣系統(tǒng)是否采用增壓方式分類 內燃機按照進氣系統(tǒng)是否采用增壓方式可以分為自然吸氣（非增壓）式發(fā)動機 和強制進氣（增壓式）發(fā)動機。汽油機常采用自然吸氣式；柴油機為了提高功率有 采用增壓式的。 1.5 單缸內燃機介名 1.5.1 單缸內燃機簡介 單缸內燃機是所有內燃機中最簡單的一種，只有一個氣缸，是發(fā)動機的基本形 式。

10、 單缸發(fā)動機工作時，曲軸每轉過一圈（二沖程）或者兩圈（四沖程），氣缸內 部的混合氣體點火燃燒一次，從聲音和振動上能明顯感覺到發(fā)動機的工作時斷續(xù) 的。 如果從工作的連貫性來看，單缸發(fā)動機工作不平衡，轉速波動比較大，容易熄 河北工程大學裝備制造學院 機械設計基礎課程設計 火。但是它的結構簡單，制造成本低，維護容易，是航模用發(fā)動機的首選 1.5.2 單缸發(fā)動機特點 量的多缸發(fā)動機相比，單缸發(fā)動機工作時只有一套機件在運轉，因此致使運 動件的慣性力得不到抵消，所以振動較大。轉速越高，振動越明顯。還有，單缸 發(fā)動機運動件的尺寸較大，不利于發(fā)動機提高轉速，并且隨著發(fā)動機的排量增加 而更加明顯。

11、因此單缸發(fā)動機排量越大，升功率越小。 單缸發(fā)動機結構較簡單，與同排量的多缸發(fā)動機相比，具有重量輕，結構尺 寸小的特點，使用單缸發(fā)動機有利于減輕重量，所以提高了操控的靈活性。 由于單缸發(fā)動機有以上特點，所以，250CC以上的越野摩托車多采用單缸 發(fā)動機，此外超級運動摩托車大都也裝用單缸發(fā)動機。在普通的摩托車中， 一般125CC以下小型摩托車大都采用單缸發(fā)動機,在航模中一般多采用15CC 以下單缸發(fā)動機。 第二章內燃機的結構及工作原理 2.1 單缸內燃機構造及工作原理 2.1.1 單缸內燃機的構造 發(fā)動機是一種由許多機構和系統(tǒng)組成復雜機器。無論是汽油機、甲醇機，還 是柴油機；無論是四行

12、程發(fā)動機，還是二行程發(fā)動機；無論是單缸發(fā)動機，還是 多缸發(fā)動機。要完成能量轉換，實現工作循環(huán)，保證長時間連續(xù)正常工作，都必 須具備以下一些機構系統(tǒng)。 1) .曲柄連桿機構 曲柄連桿機構是發(fā)動機實現工作循環(huán)，完成能量轉換的主要運動零件。它由 機體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組等組成。在作功行程中，活塞承受燃氣壓力在 氣缸內作直線運動，通過連桿轉換成曲軸的旋轉運動，并從曲軸對外輸出動力。 而在進氣、壓縮和排氣行程中，飛輪釋放能量乂把曲軸的旋轉運動轉化成活塞的 直線運動。 2) .配氣機構 配氣機構的功用是根據發(fā)動機的工作順序和工作過程，定時開啟和關閉進氣 門和排氣門，使可燃混合氣或空氣進入氣缸

13、，并使廢氣從氣缸內排出，實現換氣 過程。配氣機構大多采用頂置氣門式配氣機構，一般由氣門組、氣門傳動組和氣 門驅動組組成。 3) .燃料供給系統(tǒng) 汽油機燃料供給系的功用是根據發(fā)動機的要求，配制出一定數量和濃度的混 合氣，供入氣缸，并將燃燒后的廢氣從氣缸內排出到大氣中去；柴油機燃料供給 系的功用是把柴油和空氣分別供入氣缸，在燃燒室內形成混合氣并燃燒，最后將 燃燒后的廢氣排出。 4) .潤滑系統(tǒng) 潤滑系的功用是向作相對運動的零件表面輸送定量的清潔潤滑油，以實現液 體摩擦，減小摩擦阻力，減輕機件的磨損。并對零件表面進行清洗和冷卻。潤滑 系通常由潤滑油道、機油泵、機油濾清器和一些閥門等組成。

14、5) .冷卻系統(tǒng) 冷卻系的功用是將受熱零件吸收的部分熱量及時散發(fā)出去，保證發(fā)動機在最 適宜的溫度狀態(tài)下工作。水冷發(fā)動機的冷卻系通常由冷卻水套、水泵、風扇、水 箱、節(jié)溫器等組成。風冷主要靠其散熱片與外界進行熱量的交換。 6) .起動系統(tǒng) 要使發(fā)動機由靜止狀態(tài)過渡到工作狀態(tài)，必須先用外力轉動發(fā)動機的曲軸， 使活塞作往復運動，氣缸內的可燃混合氣燃燒膨脹作功，推動活塞向下運動使曲 軸旋轉。發(fā)動機才能自行運轉，工作循環(huán)才能自動進行。因此，曲軸在外力作用 下開始轉動到發(fā)動機開始自動地怠速運轉的全過程，稱為發(fā)動機的起動。完成起 動過程所需的裝置，稱為發(fā)動機的起動系。 甲醇機由以上兩大機構和四大系統(tǒng)組

15、成，即由曲柄連桿機構、配氣機構、燃 料供給系、潤滑系、冷卻系和起動系組成，甲醇機是壓燃的，不需要點火系。汽 油機由以上兩大機構和五大系統(tǒng)組成，即由曲柄連桿機構，配氣機構、燃料供給 系、潤滑系、冷卻系、點火系和起動系組成。 2.1.2 二沖程發(fā)動機工作原理 二沖汽油程發(fā)動機的工作循環(huán)包括進氣、壓縮、做功、排氣四個過程，不過 這些過程的完成僅需要活塞兩個行程或者說曲軸旋轉一周。二沖程汽油機工作循 環(huán)，其進、排氣均由活塞控制。 第一行程 在曲軸的帶動下，活塞由下止點向上止點運動，當活塞將換氣孔、 排氣孔、進氣孔都關閉了時，活塞開始壓縮進入氣缸的混合氣體，同時在活塞下 方的曲軸箱內形成了一定的真

16、空度，因此當進氣孔開啟時，化油器供應的混合氣 被吸入曲軸箱內，直到活塞到達上止點，完成壓縮和進氣行程。 第二行程 當活塞接近上止點的時候，火花塞產生電火花，點燃混合氣，燃 燒后形成高溫、高壓的氣體，推動活塞向下止點運動并做功。當活塞下行到關閉 進氣孔后，活塞下方曲軸箱內可燃混合氣被預壓。當活塞下行至排氣孔開啟的時 候，廢氣靠自身壓力經排氣孔而排出，緊接著換氣孔開啟了，曲軸箱內預壓的混 合氣經換氣孔進入氣缸，并掃除氣缸內的廢氣，這一過程為做功和排氣行程。 第三章內燃機部分參數的確定 3.1 選擇甲醇機 甲醇機具有轉速高、重量輕、噪音小、易啟動、造價低等特點。因此它在模型用發(fā)動機 等方面廣

17、泛應用。 因此，本設計采用甲醇機。 3.2 內燃機沖程數的選擇 二沖程發(fā)動機的優(yōu)點： 1) .二沖程發(fā)動機沒有閥，大大的簡化的其結構，并且減輕了自身的重量。 2) .二沖程發(fā)動機每一回轉就會點火一次，二四沖程發(fā)動機每隔一次回轉才 點火一次。這付與二沖程發(fā)動機重要的動力基礎。 3) .二沖程發(fā)動機可以在任何方位運轉，這個在某些設備，如鏈鋸上就很重 要。標準的四沖程發(fā)動機可能在油料晃動時候發(fā)生故障，除非是直立著的。解決 這個問題就可以很大程度增加發(fā)動機的靈活性。 這些優(yōu)點使二沖程的發(fā)動機更加輕便，簡易，制造成本更低廉。二沖程 發(fā)動機另外還有將雙倍的動力裝進同一空間內的潛力，因為它每一

18、回轉就有 雙倍的動力沖程。輕便和雙倍動力的結合使它與許多四沖程發(fā)動機相比具有 更好的“推重比”。 因此，本設計采用二沖程發(fā)動機為模板。 3.3 冷卻方式的選擇 通常內燃機有兩種冷卻方式：水冷式和風冷式（空氣冷卻）系統(tǒng).由于水冷 系統(tǒng)冷卻均勻，冷卻強度高，運轉噪音小，因此得到了廣泛運用。在農用、汽車 發(fā)動機上大多是水冷系統(tǒng).而風冷系統(tǒng)具有結構簡單，內燃機重量較輕，不用冷 卻水，使用維修方便，制造成本低；對環(huán)境適應性強；熱慣性小，暖機時間短， 易起動等優(yōu)點。但最大的缺點是熱負荷高，工作噪音大，它僅在一些小型汽油機 和摩托車上被廣泛使用。在軍用車輛和高原干旱地區(qū)使用的動力中也有應用。在 航模領

19、域則廣泛使用甲醇發(fā)動機。 因此選用風冷系統(tǒng)。 3.4 汽缸數和布置方式的選擇 和同排量的多缸發(fā)動機相比，單缸發(fā)動機工作時只有一套機件在運轉，因此 致使運動件的慣性力得不到抵消，所以振動較大。轉速越高，振動越明顯。還有, 單缸發(fā)動機運動件的尺寸較大，不利于發(fā)動機提高轉速，并且隨著發(fā)動機的排量 增加而更加明顯。因此單缸發(fā)動機排量越大，升功率越小。 由于單缸發(fā)動機結構較簡單，與同排量的多缸發(fā)動機相比，具有重量輕，結 構尺寸小的特點，使用單缸發(fā)動機有利于減輕重量，所以提高了操控的靈活性及 推重比。 因此本設計采用單缸，直列式。 3.5 燃燒室型式的選擇 燃燒室的形式不僅關系到整機性能指標

20、，而且在很大程度上決定了氣缸蓋和 活塞頂的結構，其選型的主要依據是氣缸直徑，轉速和使用要求。 對柴油機燃燒室的型式主要有直噴式（淺盆型、深坑型、球型）和分隔式、 渦流室、預燃室）兩大類五種型式。 對汽油機燃燒室的型式主要有側置氣門燃燒室（L型）和頂置氣門燃燒室（楔 形、浴盆形、碗形、半球形）。目前航模用甲醇機中幾乎全部是采用側置氣門燃燒 室。 根據該機型的設計要求汽油機選用L型燃燒室。 3.6 原始參數的選擇 1 .壓縮比？ 壓縮比S是影響內燃機性能指標的重要結構參數，提高壓縮比可以提高內燃 機的功率和經濟性。 對汽油機的提高主要受爆燃的影響。表現為燃料的辛烷值、燃燒室形狀及 排

21、放的限制，可以按下面的經驗數據選擇。 甲醇機的辛烷值100-107 側置氣門燃燒室 =6. 2-7. 0頂置形燃燒室e =8. 0-9. 0 小客車有汽油機e =6. 0-10 載重車用汽油機 =6. 5-8. 0 預燃室燃燒室 =18-22 該機型壓縮比s取6.5。 2 .過量空氣系數以 過量空氣系數%是反映混合氣形成和燃燒完善程度及整機性能的一個指標。 對于汽油機整個運行過程中，可遇到% <1和% >1的所有情況,在全負荷 時痣的取值范圍：%=0.85-1.1.通常選定標定工況時％<1和%>1. 該機型過量空氣系數%=0.9。 3 .殘余廢氣系數％ 殘余廢氣系數S值

22、的的大小，反映氣缸中殘余廢氣量的多少。其值主要與壓 縮比、排氣終點參數（Pi, T1）.氣門重疊角及是否掃氣有關。當Pi7T［比值增大 僅減小時，廢氣的密度和燃燒室所占容積比例都增加，伙值便隨之增大；組織掃 氣與不組織掃氣相比，S值降低；氣門重疊角增大時，⑺值降低。 通常四沖程甲醇機：5=0.06?0.16,二沖程在其上增加20?30%。 該機型殘余廢氣系數僅取0.2。 4 .進氣溫升AT 新鮮充量在進入氣缸的過程中，受到高溫零件加熱和充量動能轉化為熱能的 影響。使新鮮沖量得到AT的溫升，引起進氣溫度的提高。 二沖程汽油機：ATR?30℃, 該機型進氣溫升AT取10℃。 5 .熱

23、量利用系數Q 熱量利用系數白是Z點（顯著燃燒終點）時刻的燃料燃燒放出熱量的利用系 數。它是用以反映實際燃燒過程中燃燒不完善、通道節(jié)流、高溫分解和傳熱等損 失程度大小的一個重要參數，它的數值主要受到內燃機燃燒品質的影響。凡是能 改善燃燒過程、減少傳熱損失的因素一般都有利于Q的提高。如轉速的提高，促 使過后燃燒增強，殳減小；采用分隔式燃燒室的柴油機，具有較大的傳熱損失，殳 比直噴式柴油機的??；增壓后，燃燒產物的高溫分解現象減少，殳可提高。 甲醇機：立=0.85?0.95, 該機型熱量利用系數立取0.9。 6 .示功圖豐滿系數4 4是把實際循環(huán)中的時間損失和部分換氣損失在理論循環(huán)中給予考慮

24、。此值越 小，表示時間損失和換氣損失越大。族的數值與轉速、排氣提前角、供油提前角、 點火提前角等因素有關。上述因素的數值越大，則4越小。 示功圖豐滿系數范圍：@=0.92~0.97, 該機型示功圖豐滿系數。取0.95。 7 .機械效率 機械效率M是評定內燃機指示功率轉換為有效功率的有效程度。 二沖程汽油機］仙=0.50?0.60, 該機型機械效率取0.50o 8 .平均多變壓縮指數以 平均多變壓縮指數H主要受工質與氣缸壁間熱交換及工質泄漏情況的影響。 凡是使缸壁傳熱量及氣缸工質泄漏量減少的因素均使1提高。 11 河北工程大學裝備制造學院 機械設計基礎課程設計 當內

25、燃機轉速提高時、熱交換的時間縮短、向缸壁傳熱量及氣缸工質泄漏量 減少，則1增大。當負荷增加、采用空冷、采用大氣缸直徑時、氣缸溫度升高、 相對傳熱量損失減小、則1增大。此外提高？和進氣終點溫度，則a減小。 甲醇機：ii=L32?1.38, 該機型平均多變壓縮指數儀取1.34。 9 .平均多變膨脹指數n” 平均多變膨脹指數n”主要取決于后燃的多少、工質與氣缸壁間的熱交換及泄 漏情況。凡是使后燃增加、傳熱損失減小、漏氣量減小的因素均使n”減小。通常 保持n”較高值可提高循環(huán)效率和內燃機工作可靠性。 當轉速增加時，后燃增加、傳熱損失和漏氣量減小，則n”減?。回摵稍龃髸r, 后燃增加，則n”減小

26、；氣缸尺寸增大時，傳熱損失和漏氣量減小，則n”減小。 甲醇機：n”=L20?1.28, 該機型平均多變膨脹指數n" 1.24O 第四章熱計算 該方法是一種近似的、半經驗的估計方法，它是根據熱力計算公式，對內燃 機各熱力參數、指示參數進行計算，其計算結果的精確性依賴于大量經驗數據的 選擇是否恰當，它對內燃機的設計有一定的指導意義。 工況選擇：標定工況 根據GB1105—74陸用內燃機 大氣條件為： 大氣壓力：Po=lOOKPa 環(huán)境溫度：To=298K 相對濕度q)o=6O% 4.1燃料的燃燒化學計算 表2 — 1選擇燃料的有關參數 燃料 沸點 (℃) 碳原子數

27、 目 元素成分(重量%) 分子量 低熱值 應用范圍 & &> 甲醇 <200 C5-C11 0.855 5 0.145 0 95-120 44171-43 961 航模用甲醇 1.理論空氣量Lo的計算-s^/0.2l =0.8555/12 + 0.145/4-0)/0.2 1 =0.512 (2-1) 2 .理論分子變化系數四的計算 Ro=l + [0.21(1 -(pa X + gh / 4 - l//nr ]/((pa 1。+1/叫) (2_2) =1+{0.21x0.1x0.512 + 0.145-4-1-110}/(0.9x 0

28、.5121+1-110) =2.203 3 .實際分子變化系數Ji的計算 〃 =(〃。+4)/(1 +。，) (2-3) =(2.203+0.09)/(1+0.09) =1.046 4不完全燃燒而引起的熱量損失兇〃計算 =61100 (1-^,)=6110 4.2 燃氣過程參數的確定與計算 1 .進氣終點壓力E的確定 航模用甲醇機：Pa= (0.80?0.90) Po, 該機型進氣終點壓力Pa取0.90P。。 2 .排氣終點壓力Pr和溫度Tr的確定 甲醇機：P產(1.05?1.15) Po，Tr=900-HOOK, 該機型排氣終點壓力Pr取LO5Po=lO5KPa溫度

29、Tr取900Ko 3 .進氣終溫度Ta的計算 Ta=83 + Mr)心 (2-5) =(298+10+0.09x900) / (1+0.09) =357K航模用機：Ta=340?380K, 所以計算結果合適。 (2-6) 4 .充氣效率下的計算 (—)*(1+0) =0.788 甲醇機：i]v =0.75-0.85, 所以計算結果合適。 4.3 壓縮終點參數的確定 33 (2-7) =1.46MPa (2-8) =723.576K 航模用甲醇機：Pc=0.8?2MPa，k=600?750K, 所有計算結果基本合適。

30、 4.4 燃燒過程終點參數的確定 1 .終點壓力Pz及壓力升高比入確定 甲醇機選取入值 甲醇機的入=2.0?4.0取入=4.0在由下式計算Pz P： = APC (2-9) =1.46x4.0 =5.84MPa 甲醇機：Pz=3?6.5MP。，2=2.0?4.0 所以計算結果合適。 2 .終點溫度Tz的確定 (2-10) Tz =2200K 一般甲醇機Tz =2200?2800K符合要求。 3 .初期膨脹比的計算 甲醇機O = K/V = //rz /ATc = 1 4.5 膨脹過程終點參數的確定 1 .后期膨脹比5的計算 (2-10) b = %=%=

31、8.0 2 .膨脹終點壓力Pb溫度Tb的計算性能指標的計算 (2-13) (2-14) Pb=Pz/on，，=0.443M Pa Tb=Tz/on= 1335.76K 甲醇機Pb=0.3?0.6MP。Tb=1200?1400K上述結果符合要求。 4.6 指示性能指標的計算 =0.712MPa (2-15) P 尸 Pi@=0.677MPa (2-16) 2.指示熱效率小 (2-17) 〃 =8.314-^任 =0.33 (2-18) 2 = 3.6x106/(”“?7) =247.93 g/(kw

32、h) 甲醇機：〃 =344?218 g/(kw.h), 所以計算結果合適。 4.7有效指標的計算 1 .平均有效壓力匕， =0.802MPa 甲醇機：生，=0.65?1.20MPa， 所以計算結果合適。 2 .有效熱效率中 % =— =0.246 3 .有效燃油消耗率" 〃 =3.6x106/（”“〃） =309.92（g/kwh） 甲醇機 bc=270-410g/（kw.h）, 所以計算結果合適。 (2-19) (2-20) (2-21)

33、 第五章主要部件的設計 注：以下數據參照原型機得到，型號TOKI-JAPAN. 5.1氣缸 設計二沖程發(fā)動機時，排氣口，掃氣口，進氣口的尺寸和開關上時間，是影響發(fā)動機 性能的重要因素。 各氣I ?的開11面積依發(fā)動機的大小和轉速而定，即以z值表示氣缸容枳為1立方米時 的（時間）* （面積）。可用這個數值計算各氣口的大小，其計算公式如下： （1）氣口開口面積z 通常所能使用的z值如下： 排氣 Ze=50"90 （厘米。秒/米3 ） 暫取62 掃氣 Zs=33"55 （厘米，少/米3）暫取38 進氣 Zi=50"100

34、 （厘米,秒/米3）暫取69 （2）氣口開關時間夕 一般進氣口時間范圍如下： 排氣 下死點前后65~80暫取70 掃氣 下死點前后52、65暫取62 進氣 下死點前后55~70暫取60 （3）根據氣口開口面積Z計算開口大小 排氣I I和掃氣口靠活塞上邊緣開關，進氣I I靠活塞裙部開關。 （4）排氣口和掃氣口的大小 1排氣II和掃氣口的高度H 圖中： 「連桿長度（厘米）、 b曲柄半徑（厘米） K=r/1 S-行程（厘米） 自下死點起曲軸轉角 工-活塞距下死點位置（厘米） a = a/y2 — r2 sin2 0 x = a + r（l - cos 0）-1 =S.T

35、 V1 - K2 sin2 e - K cose + K -1 2K 式中：T 若氣口開關時，6 = % x = H則: H=S.T 根據不同的K值及相對于下死點的掃，排氣II開關時間夕。計算T值時，用圖解法比 較方便（參看圖3）。 2排氣口的掃氣I I的寬度L 7T 式中：A-氣口面積 4-氣口開啟時間（弧度） a -氣口關閉時間（弧度） F-曲軸轉角為。時的氣口開關面積（厘米,），因為是活塞控制式，故4,仇 是對稱的。 設氣口開關時間為a，則： ,360 A =—— 71 圖1中活塞位移X的氣II面積F為： 尸=Mx。- x） 360 z I C

36、”一心/久 r J J： m 久 貝1J： 氣口寬度L為: —K cos O^dO — 10 + cos 60d6 L =, D 1 B =——「 =r 360 Ql - K2 sin2 0O - K cos 6J - &a） + 4 sin 練 根據K,為，計算B,用圖解法比較方便（見圖3）。另外，A和Z有下列關系： 月=6 ? % ? N ? Z 式中：%-排量（米S） N-轉速（轉/分） 陽3 日匚排氣口開美時回 （5）進氣口的大小 1進氣口的高度Hi 進氣II由活塞裙部開關，計算方法同上: Hi = s , Ti \ + k — K cos

37、0 - - K? sin，8 2K Ti = 進I的寬度Li 計算方法同上： Li =—— Bi Bi = 1 360 EMd) + K sin 61 - (>/l - K2 sin2 Oi + K cos 0i)0i 貝|J： 加? = 6 ?匕? N ? Zi 「6?匕友 采用以上方法，便能算出各氣口的尺寸，但對掃氣II來說，不僅要計算大小，而且還 要選擇掃氣方向，這樣才能得到最佳掃氣效率。 圖4所示為通常采用的各種氣口形狀以及掃氣方向。 圖4氣口影狀和掃氣方向 氣缸參數表 氣口而枳 進氣口 62 mnf 排氣口 38 mnf 掃氣口 69

38、 mm- 缸徑 氣缸高度 15. 5mm 30. 34mm 5.2汽缸蓋 （1）燃燒室 燃燒室的形狀根據活塞頂的形狀，火花塞位置和混合氣體的完全燃燒而定，此外，尚應考 慮充量系數。 提高壓縮比可增加功率，減少油耗和提高熱效率，但是由于爆震，壓縮比的增加有一定限 度。為了避免爆震，除提高燃油辛烷值外，還要提高機械辛烷值，即燃燒室的形狀要設計的 理想。 1縮小燃燒室的表面積和燃燒室容積之比，以縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x。 2使混合氣體產生渦流并有適當的紊流，以增加燃燒速度。 3增大末端氣體處的表面積和容積之比，以防止溫度上升。以末端氣體處稱為冷卻區(qū)。 （2）燃燒室的種類 圖8

39、實際燃燒室的示例。 陽8 燃燒室示例 （3）壓縮比的計算 二沖程發(fā)動機的壓縮比，通常按下式計算，他稱為實際壓縮比。 V + V 壓縮比（實際）=上廠工 式中：Vc-活塞在上死點時的燃燒室容積（厘米3） V丁從排氣口關閉到上死點的工作容積（厘米3） 為了能使發(fā)動機具有更好的工作性能與適應性能，故將發(fā)動機的燃燒室設計為可變容積的燃 燒室。 5.3活塞 （1）形狀 活塞頂為球面或平面，活塞厚度最近趨向于頂部厚，裙部薄?；钊N座內側與連桿小頭應 有間隙，并承受連桿（經活塞銷）的推力。防止活塞的撞擊聲，采用活塞銷孔向推力側偏移 的結構，它已用于四輪車。 （2）結構 如圖1

40、0所示，幾乎所有的活塞都采用橢圓形結構，橢圓度為0.08?0」2左右。 活塞和氣缸內徑的間隙，根據各種發(fā)動機的形式而定。缸徑為20亳米的風冷鑄鐵氣缸，其 間隙是0.07?0.1亳米，銀格鋁氣缸間隙為0.03?0.05。 （3）材料 使用TP2.（磷脫氧銅）。 活塞參數表 活塞尺寸 一 直徑：15min 高度：12nun 面積：176.71nmr 活塞形狀：活塞頂為球面，活塞銷孔向推力側偏移。 活塞結構：采用橢圓形結構，橢圓度為0.08?0.12左右 材料：TP2.（磷脫氧銅） 5.4曲軸 曲軸諸元素 發(fā)動機 低速 高速 缸心距Lo 四沖程 二沖程 （在個別情況下達2

41、.0D） (1.13-1.4)D (1.35-1.8)D 曲軸銷直徑dp （0.6~0.75）D （在個別情況下達L00以上） (0.57-0.85) 曲柄銷空心孔徑dp。 (0.4-0.5)dp (0.45 ?0.6)dp 主軸頸直徑4 （0.6~0.75）D （在個別情況下達L0D以上） (0.6 ?1.0)D 主曲軸頸空心孔徑dJ0 (0.4~0.5)dj (0.45-0.6)dj 曲臂厚h (0.3~0.35)D 或(0.38~0.62)dp (016~0.3)D 或(0.2~0.4)dp 曲臂寬b (0.9 ?L1)D 或(L5~2)dp

42、 (0.9 ?1.5)D 或(L3~2.5)dp 套合式曲軸軸臂套合孔徑向厚t (0.4~0.45)d — 過渡圓角半徑r (0.05-0.07)d 或(01~0.22)h 注：表中D一氣缸直徑 曲軸是發(fā)動機的重要部件，它必須具有足夠的剛度和強度。 如圖13所示，二沖程發(fā)動機的曲軸多是將主軸頸，曲柄銷分別壓入曲柄臂。 圖13曲油結構 （1）強度計算 這里只介紹曲柄銷壓配部分的計算公式。 1空心曲柄銷 八-曲柄銷內徑（亳米） 公曲柄銷外徑（亳米） 曲柄臂外徑（亳米） 5-壓配過盈量（亳米） 萬-縱彈性系數（公斤/亳米2） 八竿（*+中）

43、E "7； 4 - 7： 2實心曲柄銷 小竿（1 + R） E Y；-Y： 3受到內壓力Pm時曲柄臂的最大應力即曲柄臂的拉伸應力為： p _ 匕 W + /） rtw ~ - 彳7； 4受到外壓力Pm時曲柄銷的最大應力b，即曲柄銷外徑的壓縮應力為: 。二X 中 7； -/； 實際采用的5,《，%p值如下： 5=0.06~0.1亳米 P =15?30公斤/亳米2 B! <7 =250~42公斤/亳米2 tsi （7 =30?60公斤/亳米2 tp 5壓配部分的傳動扭矩 T-傳動扭矩（公斤.亳米） L壓配長度（亳米） //-摩擦系數x 0. 12 T=2y/l〃

44、P= ⑵材料 使用TP2.（磷脫氧銅）。 曲軸參數表 曲軸尺寸 曲軸銷直徑dp 主軸頸直徑dj 曲臂厚h 偏心距 4.5nun 7nmi 2.5nun 6.75nun 材料:TP2 （磷脫氧銅） 5.5連桿 曲柄銷壓配時的連桿大頭為整式。大頭和小頭均使用滾針軸承，其數值如下: 單缸 排 大 — 頭 小 頭 該針直程X長度 米 負投容址 公 斤 滾計力:徑x長度 * 負我容位 公 斤 ”。亳升左右 G3 X11 900 @2 x 10 580 J5Q , 中 4 X13 1600 x 18 1200

45、200 ， 6 4 x 15 2100 。2?5、19 1500 250 ， 04 X16 2100 <>2.5x19 1500 300 ? 05 xl6 2700 62.5x19 1500 400 ， 。5 X16 2700 02.5x21 1800 因大頭歪斜而產生的連桿軸向力，可用和活塞銷座的配合寬度來限制，即所謂小頭限制方 式。 連桿比=連桿長度/偏心距=0.281 材料用便面滲碳（SCM22）,大小頭內孔要進行滲碳處理。 5.6 潤滑 （1）混合潤滑 以前，二沖程大都采用這種方式，即予先將汽油和潤滑油按一定比例（通

46、常為20~25： 1） 混合，并使用這種混合潤滑油潤滑。但I960年以后，在摩托車和四輪車上便這種如潤滑方式 了。然而，由于這種潤滑方式結構簡單，使用方便，在通用發(fā)動機上仍采用這種方式。 （2）分離潤滑 裝有潤滑油箱和乳化油泵，發(fā)動機各部件，如主軸承，連桿大頭，氣缸壁燈總是由新油潤 滑，而隨后混合氣體燃燒。 該設計選用混合潤滑。 5.7 汽化器 （1）汽化器的種類和選擇 汽化器在必要的時間向發(fā)動機供給必要量的空氣燃油混合氣。這種混合氣必須是: 1混合比恰當 2燃油霧化良好 3數量恰當 汽化器的形式可根據發(fā)動機的用途來選擇，但是由于性能要求和安裝上的問題，還需要對 其細節(jié)進

47、行研究。汽化器大致可分為： 1節(jié)氣門式 2阿瑪爾柱塞式 3可變喉管式 4膜片式 在每一種形式中又分為平吸式，上吸式，下吸式及斜吸式。 此外，四沖程和二沖程汽化器的結構也不同。按用途大致可分為： 汽車用：節(jié)氣門式，可變喉管式 摩托車用：阿瑪爾柱塞式 通用：節(jié)氣門式，膜片式 航模用：節(jié)氣門式 此設計選用節(jié)氣門式。 第六章連桿強度計算 6.1 給定條件 最大爆發(fā)壓力：p二二7. 5KN 活塞面枳：FP=176. 625 （cm：） 最大氣體作用力P二二6. 8KN 連桿長度：L=24. 05 （cm2） L 尸L 一（& + d）/2 活塞組估算重量：G, 機

48、器最高轉速："6000 （rpm） 連桿比：X =0.25 連桿材料（推薦）：TP2, ■之981MPa,。2785MPa O -1=0. 25（。b+。。+50 。-ip— （0. 7 0. 8） 。 -1 6.2 連桿體幾何參數 連桿體總截面面積F,連桿油道截面力 慣性矩（為計算方便并偏于安全，R20過渡部分忽略不計），（見圖） 4=部"一 例一（親4 + “力 = 白府一/?（8 —匕力―親4 慣性半徑 L_ 柔度 L 柔度應小于50o 6.3 起動工況時連桿體強度校核 單純壓縮 P. （J =—— Fmm （注） 壓縮與彎曲的

49、聯合作用（應用朗肯公式） 乙(5 +0.000526：) %=啜 + 0.000526余） （注：根據西安交大編“內燃機設計”一書推薦，此強度校核的許用應力，只有當采 用模鍛而成的合金鋼連桿體，才大于216MPa。） 6.4 額定工況時的強度校核 所受最大壓力 G +G . 連桿體所受最大應力（壓縮與彎曲的聯合作用） 。皿* =。皿（* + 0000526分 1 1} %皿=九式三+ 0000526才） 連桿體所受最小應力（受拉） bmin = P3 平均應力 5心=^（bimax + bmg） %"*3+喂） 2 應力幅 Gax = /（qma

50、x-bmJ 5八=<9、皿、_噎） 2 安全系數 b-lp ,取獷。=0?15 n = s+WR心 第七章活塞銷強度的計算 7.1已知條件 氣缸直徑：D=15.5mm 2 =- 曲柄半徑與連桿長度比： 4 活塞頂面所受的總的最高氣體壓力=7. 5KN： 最大慣性力：Pj=6.85KN 活塞銷強度驗算（見圖） Pz/2 Pz/2 dl lid1, ■ , ;一 :瓜 2mt 7.2彎曲應力計算 活塞銷中央截面的彎矩: ="+ 2 3 /1-/ I- m =— 2 活塞銷抗彎截面模數： =2 44-> “ 32、 & >

51、 活塞銷的彎曲應力： 5,=必 叫

52、 l-a 修正系數: K = L5 —15（?！?0.4）31.5 — 15（0.454 - 0.4）3 許用應力］=127~245MPa 最大拉應力發(fā)生在（2）處，其值為： P （1 + 2。）（1 +。） 0.636 =a[0i74x 許用應力[b]=127"245MPa 活塞銷的橢圓變形量： 0.09p 1 3 △d = - ( ) x K l.E 1-a 鋼：E=200000MPa 連桿小端襯套與活塞銷間隙以及活塞銷與銷座工作間隙值均應當大于活塞銷的橢圓 變形量才能保證工作可靠。 第八章、設計小結 經過了近一個月的努力，反亞的在原型機的基礎上改進，不斷的提

53、出改進的方案，并在 姚貴英老師的幫助下，我們成功的設計出了這臺發(fā)動機，雖然有很多地方不夠完善，且受條 件限制，一些參數是靠原型機估計出來的，設計上存在很大的誤差，在未來的一段時間內我 們將繼續(xù)在此基礎上提出更加準確的設計方案、設計過程及設計思路，爭取得到性能更加好 的發(fā)動機。 附錄 （Solidworks建模圖片） （1）缸套 為期I理?必??柒?夕? （2）后蓋 縊.電試?留?0?酎?。塞?勺? 叵/一喳2匣得一

54、 ?霉彼* （3）活塞 河北工程大學裝備制造學院 機械設計基礎課程設計 37 雙I II電? ,?案? 3? 0 口今次 (4)連桿 〈畿*?③GBHoB注 (5)連接銷 5^-on (7)曲軸箱 ②,，苜尉絹■?復,白? (8)散熱器 ?心*>?

55、 參考文獻 [1]周龍保等，內燃機學，機械工業(yè)出版社，1996 [2]施興之等，內燃機課程設計指導書，武漢交通科技大學資料，1998 [3]黎蘇等，內燃機原理，水利水電出版社，2010 [4]袁兆成等，內燃機設計，機械工業(yè)出版社，2008 [5]雷艷等，現代內燃機設計技術，北京工業(yè)大學出版社有限責任公司，2011 [6]侯林沖等，A1SH2CU3N12Mgi活塞合金擠壓鑄造性能研究，2007