371型车用汽油机的热力学、动力学设计计算与分析

华中科技大学文华学院毕业设计论文题目：371型车用汽油机的热力学、动力学设计计算与分析目录摘要····················································2关键词··················································2Abstract················································3Keywords···············································3前言····················································41．本文主要研究内容与方法································51.1研究内容·········································51.2研究方法·········································52.热力学、动力学设计计算································52.1内燃机的热力学计算·······························52.2内燃机的运动学计算·······························62.3内燃机的动力学计算······························102.4计算结果分析····································142.5改进方案········································15参考文献···············································16附录··················································17致谢··················································28371型车用汽油机的热力学、动力学设计计算与分析摘要本文简要介绍了汽油机的热力学、动力学设计计算与分析，根据内燃机原理和内燃机机构运动学、动力学知识，建立设计计算数学模型。并且完成全部设计计算，绘制发动机的热力学、运动学和动力学曲线；并对结果进行实事求是的分析、评估和提出改进方案。关键词：内燃机；热力学；动力学；运动学；设计计算与分析。Type371gasolineengineforvehicledynamicsandthermodynamics,thedesigncalculationandanalysisAbstractThispaperbrieflyintroducesthegasolineenginethermodynamic,kineticdesignandanalysis,accordingtotheprinciplesofinternalcombustionengineandinternalcombustionenginemechanismkinematics,dynamics,establishesthemathematicalmodelfordesignandcalculation.Andcompletethedesigncalculation,renderingenginethermodynamics,dynamicsandkinematicscurves;andtheresultsofseektruthfromfactsanalysis,assessmentandputforwardtheimprovementscheme.KeyWords:Internalcombustionengine;thermodynamics;kinetics;kinematics;designcalculationandanalysis.前言随着人类环保意识的不断增强,对车辆动力的排放要求也越来越严格。这种发展趋势势必要求发动机研制、生产单位开发出排放更清洁、效率更高的动力装置,才能迎接未来更加激烈的市场竞争。综合评述了发动机系统的热力学模拟发展和现状。在热力学第一定律和第二定律的基础上,展示了国外在增压和非增压汽油机、带有催化转换器的汽油机以及涡轮增压柴油机在稳态和瞬态工况下所建立的分析模型,并介绍了研究发动机气缸缸内调谐和暖机特性的模拟模型，但是,实现上述目标需要在发动机的整个开发过程中实行多学科的共同努力。所以选择对车用汽油机的热力学计算分析后对汽油机的经济效益以及环保问题有益。由于近年来欧美遇到了经济危机，汽车工业发展逐渐衰退；而我国在新世纪进行了产业结构调整，人民生活水平不断提高，购买力增强，对汽车的需求明显提高，我国汽车工业迎来了一个发展的春天。工信部装备工业司预计，到2020年我国汽车保有量将超过2亿辆，这意味着届时我国将真正成为汽车超级大国。综上所述，针对于我国汽车工业的发展环境，当前和今后很长一段时间内，提高车用汽油机的性能，改善燃油经济性，降低汽车所引起的污染物和温室气体排放是解决当前所有问题的关键。而要实现这几点，就需要找到适合于我国具体国情的车用汽油机产品类型。我国的车用汽油机事业值得期待。主要研究方案：1.根据内燃机原理和内燃机机构运动学，动力学知识，建立设计计算数学模型；2.运用C预言编制设计计算程序，然后，根据计算结果对数学模型和计算程序进行多次调试，光顺，以求得出接近实际情况的曲线形态；3.在此基础上，确定计算程序是适用的，进而完成全部设计计算；4.选用适用，有效的数据处理工具，绘制发动机的热力学，运动学和动力学曲线；5.最后，输出设计计算的结果，并进行实事求是的分析，评估和提出改进方案；6.用“AutoCAD”绘制该机型的《活塞—连杆—曲柄机构》的部件工程图。1本文主要研究内容及研究方法1.1研究内容根据内燃机原理和内燃机机构运动学、动力学知识、建立设计计算数学模型，以便计算与分析。1.2研究方法运用C语言编制设计计算程序，然后，根据计算结果对数学模型和计算程序进行多次调试，光顺，以求得出接近实际情况的曲线形态；在此基础上，确定计算程序是适用的，进而完成全部设计计算；选用适用，有效的数据处理工具，绘制发动机的热力学，运动学和动力学曲线；最后，输出设计计算的结果，并进行实事求是的分析，评估和提出改进方案；用“AutoCAD”绘制该机型的《活塞—连杆—曲柄机构》的部件工程图。2热力学、动力学设计计算2.1内燃机的热力学计算所介绍的热力学计算，其考虑的影响因素是最基本的，没有AVL的BOOST那么全面，其功能非常有限。因此，只能适于对主要技术指标及相关参数作粗略的估算，运行程序后的结果如下：TheCalculationResultsof371CMforNormalEngine~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~PetrolEngineType:SQR371CMRatedPower:51.0kW/6000r/minBoreDiameter:71mm,Crankthrow:41.95mm,Displacement:0.9965LED=0.008mm,SS=83.9721mm,TD=2.506deg,BD=184.633degCP=1.280,HP=6.748,nc=1.379,ne=1.096Pa=0.096MPa,Pc=1.880MPa,Pz=5.828MPa,Pb=0.718MPaTa=325.6K,Tc=737.9K,Tz=2749.3K,Tb=2312.2KVs=0.9974L,El=10.500,Ee=8.641,AF=0.8458Mi=109.266N.m,Me=81.290N.m,Nm=17.58kW,Ne=51.08kWhm=0.7440ge=265.9g/kW.h,Pe=1.024MPa,he=0.3080注意：由于气缸中心线正向偏置8毫米，导致活塞的位移曲线不对称，且最大位移为84.0485mm、并出现在下止点前2°CA处；实际排量为0.9983L。2.2内燃机的运动学计算运动学计算主要是求解活塞的运动位移、速度和加速度，为热力学、动力学和性能指标的计算奠定基础。从图中几何关系可以得出：影响内燃机结构的一个重要特性参数。现代内燃机的连杆比值一般在(即0.26一0.31)之间。采用较大连杆比优点：可使机体高度减小，重量减轻，缺点：使活塞加速度和连杆摆角有所增大，惯性力增加2.2.1活塞的位移将上式按二项式定理展开后，忽略高阶项可得近似公式活塞的位移随连杆比的变化2.2.2活塞的速度整理，得：活塞的速度活塞的速度在曲柄旋转一周中，时快时慢地变化着，他的平均速度可以表示为：Cm=sn/30(m/s)式中，s—活塞行程，单位为m；n—曲轴转速，单位为r/min。活塞平均速度Cm虽然只能粗略地估计活塞运动的快慢，但是它是表征内燃机性能指标的重要参数之一。2.2.3活塞的加速度λ值越大，活塞速度最大值也越大，相应达到活塞最大值的曲柄转角α越小。其三种图形均不对称。2.3内燃机的动力学计算在运动学、热力学计算的基础上，进行动力学计算。2.3.1动力计算是分析发动机各主要部件的受力情况，为强度计算提供数据。其内容如下：1、曲柄连杆机构运动质量的确定初步设计时常用经验数据来粗略估算。连杆的质量还需要通过连杆重心的确定，再用双质量系统替代之。从而求出往复质量和迥转不平衡质量。2、P-φ示功图的求取将热计算得的P-V示功图，用发动机运动学公式将其展开，即得P-φ示功图。将活塞的位移转换成对应的曲柄转角，以α代表曲柄转角，由此可得各曲柄转角α下的气体力值Pg（α），单位为MPa。3、往复惯性力Pj（α）计算（MPa）或（MPa）式中：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。4、总作用力P（α）式中：Pβ—活塞底部气体压力，。5、活塞侧推力PH（α）（MPa）6、连杆力PC（α）（MPa）7、法向力PN（α）（MPa）8、切向力PT（α）（MPa）9、总切向力对四冲程曲柄均匀排列的情况：（MPa）式中：z—气缸数。最后求出平均切力(Σpr)cr，其单位为：MPa。10、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(MPa)式中：(MPa)mB—连杆组则算到大端的质量，kg。在完成动力计算后，应绘出Pg(α)、Pj(α)、PH(α)、PN(α)、PT(α)、ΣPT(α)、RB(α)各曲线图。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：（kW）式中，—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，；n—曲轴转速度，r/min。将Ni与热计算得的Ni比较：误差：△应小于5%2.3.2作用于曲柄连杆机构中的力和力矩2.3.3活塞与活塞销的相互作用力（Mi—109.266N.m指平均指示扭矩，波浪状为瞬时指示扭矩）2.3.4活塞与连杆小头\连杆大头与曲柄销之间的相互作用力2.4计算结果分析由以上结果数据可知，基于当今汽油机的燃料燃烧技术，燃烧效率ηc可达98％左右。以SQR371为例，若其有效效率ηe＝0.3081、机械效率ηm＝0.7440。根据以上分析，即使SQR371的循环热效率ηt为0.4224，其有效效率（总效率）仅为0.3080。因此，在平常的口头交流中，不能将热效率ηt与有效效率（总效率）ηe混为一谈，以免引起误解。2.5改进方案在发动机的机械损失中，活塞组的摩擦损失占据40～50%。当发动机的机械效率为50%时，若活塞组的摩擦损失减少25%，燃油消耗率则可以降低9%。常用的低转速工况下，其机械损失扭矩可达全负荷扭矩的10％左右；在高速工况下，则可达最大扭矩的20％以上。发动机的机械损失随着转速的提高而增加；而负荷的变化对机械损失影响不大。因此，发动机的负荷率越低，其机械效率相对也越低。进气阀关几何压缩比实际压缩比机械效率有效扭矩标定功率耗油率指示压力有效效率℃AN.MkWg/Kw.hMPa23910.58.6340.744081.29051.08265.91.0240.308025010.57.9210.750284.26552.95235.31.0620.3480根据内燃机原理的基本公式，由热力学、动力学的计算结果，很容易算出标定工况下的功率、扭矩、燃油消耗率、平均有效压力及发动机的总效率（有效效率）ηe等主要指标。众所周知：配气凸轮的型线及配气相位对发动机的性能指标影响很大。如前所述，实际压缩比直接与进气终点所对应的活塞位置（构成的气缸容积Va）有关。若SQR371按米勒循环的做法、使进气终点设定在下止点后70（原为59）°CA，当不改变其它条件时，其主要性能指标的变化如下表所列：可见，若进气阀比原设计推迟11℃A关闭，可是发动机的有效效率提高四个百分点。参考文献1.周建立《发动机原理实验教程》中国电力出版社出版社2.周建立《发动机原理实验教程》中国电力出版社出版社3.杨有安等.《C语言》.人民邮电出版社.2009年2月第1版4.朱建元等《船舶内燃机》.人民交通出版社.2008年9月第1版5.王元庆TCR发动机运动学、热力学和动力学的分析计算华中科技大学6.长春汽车研究所《汽车实验技术手册》吉林科学出版社7.吴克刚《发动机测试技术》人民交通出版社附录一：《活塞—连杆—曲柄机构》的部件工程图曲轴部件图活塞部件图附录二：C语言程序如下：/*TheThermodynamicsandMechanicsCalculationfortheEccentricI.C.Engine*/#include"math.h"#include"conio.h"#include"stdio.h"#include"graphics.h"FILE*c71,*ydx,*dlx,*mbc,*zcs;main(){inti,jz,ig,nv,ec,ic,kr,kz,kp,eo,io,ib;floatpe,ge,ee,ui,ue,tq,bt,tne;floatpy=3.14159265,rd=.01745329,hs[721],hv[721],ha[721],pg[721],pj[721];floatpp[721],pd[721],ph[721],po[721],prn[721],pt[721],rph[721],rpv[721];floatrkh[721],rkv[721],pob[721],ptb[721],tqi[721],nhi[721],tb,pb,ss,net;floatcm=.87,hm=.126,om=.004,hl=43961.,zc=1.11,yn=1.36,fi=.9462,zt=2108.;floatez=.7,pn=1.28,gr=.02,eb=.85,db,rs,cr,ed,rl,el,wp,wc,ws,wk,ej,pz,pk;floattk,dp,dt,tr,af,em,otq,oei,one,pf,snf,fh,tc,pc,gl,gs,bl,bs,xz,bz,br;floatog,pl,td,bd,rt,sa,sb,sc,pa,ta,es,ev,cn,ys,bo,cb,wj,wl,fp,prl,ei,gi;floatsalf,calf,sbet,cbet,be,tqt,tqm,hit,snh,nht,pr,ri,cz,tz,hu,cp,hp,en;floatpit,pet,git,get,het,hmt,prk,pi,tqe,nm,vs;c71=fopen("c:\\my_files\\c71.inp","r");fscanf(c71,"%d,%d,%d,%d,%d,%d,%d,%d,%d,%d,%f,%f,%f,%f,%f,%f," "%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f", &jz,&ig,&nv,&ec,&ic,&kr,&kz,&kp,&eo,&io,&db,&rs,&cr,&wp,&wc, &ws,&wk,&ej,&pz,&pk,&tk,&dp,&dt,&tr,&af,&pf,&snf,&fh,&ed);fclose(c71);rl=rs/cr;el=ed/cr;og=nv*py/30;td=atan(el/sqrt((1+rl)*(1+rl)-el*el))/rd;/*"+"reversal*/bd=atan(el/sqrt((1-rl)*(1-rl)-el*el))/rd+180;/*"+"reversal*/bt=bd-td;rt=rd*td;ydx=fopen("c:\\my_files\\ydx.c71","w");/*c-e*/for(i=0;i<721;i++)/*721*/{ri=rd*i;salf=sin(ri-rt);calf=cos(ri-rt);sbet=rl*salf+el;cbet=sqrt(1-sbet*sbet);hs[i]=1e3*(cr*(sqrt((1+rl)*(1+rl)-el*el)-cbet)-rs*calf);if(hs[i]>hs[i-1])ss=hs[i];hv[i]=rs*og*(salf+(rl*salf+el)*calf/cbet);ha[i]=rs*og*og*(calf+(rl*(calf*calf-salf*salf)-el*salf)/cbet+(rl* salf*calf+el*calf)*(rl*rl*salf*calf+el*rl*calf)/pow(cbet,3));fprintf(ydx,"%4d%9.4f%8.4f%9.2f\n",i,hs[i],hv[i],ha[i]);printf("%4d%9.4f%8.4f%9.2f\n",i,hs[i],hv[i],ha[i]);}fclose(ydx);ib=(int)bt;if((bt-ib)>=.5)ib+=1;if(hs[ib]!=ss)ss=ss;sa=hs[ic];sb=hs[eo];sc=ss/(ej-1);es=(sa+sc)/sc;vs=db*db*py*ig*ss/4;for(i=0;i<=ic;i++){pg[i]=pk-dp*(i+720-io)/(ic+720-io);}pa=pk-dp;ta=(tk+dt+zc*gr*tr)/(1+gr);for(cn=1+8.315/(19.259+.0025*ta*(1+pow(es,(yn-1))));fabs(cn-yn)/cn>.001;yn=.5*(cn+yn),cn=1+8.315/(19.259+.0025*ta*(1+pow(es,(yn-1)))));tc=ta*pow(es,(cn-1));pc=pa*pow(es,cn);gl=(cm/12+hm/4-om/32)/.21;gs=af*gl;bl=(gs+hm/4+om/32)/(gs+(1./286.));bs=(bl+gr)/(1+gr);xz=ez/eb;bz=1+(bl-1)*xz/(1+gr);for(i=ic+1;i<=kr;i++){pg[i]=pa*pow((hs[ic]+sc)/(hs[i]+sc),cn);}ys=pz/pc;bo=1.67*tr;key_1:cb=((1.064+gr)*(20.47+.0036*bo)+(af-1)*(1-gr)*(19.259+.0025*bo))/(af*(1+gr)+.064);hu=hl+gs*(1+gr)*(bs*cb-(19.259+.0025*bo))*tk;key_2:cz=((1.064*xz+gr)*(20.47+0.0036*zt)+(af*(1+gr)-(xz+gr))*(19.259+.0025*zt))/(af*(1+gr)+.064*xz);tz=(ez*hu/gs+(19.259+.0025*zt+8.315*ys)*tc+gr*(cb+8.315*ys)*tc)/bz/(1+gr)/(cz+8.315);zt=.5*(tz+zt);if(fabs(tz-zt)>.5){zt=.5*(tz+zt);gotokey_2;}cp=bs*tz/ys/tc;hp=es/cp;key_3:br=tz*bs/bz/pow(hp,(pn-1));if(fabs(br-bo)>1.){bo=.5*(bo+br);gotokey_1;}key_4:en=1+6.528*(bz*tz/(bz+.0002)-br)/(hu*(eb-ez)/(gs*(1+gr)*bs)+bz*cz*tz/(bz+.0002)-cb*br);if((fabs(en-pn)/pn)>.001){pn=.5*(en+pn);gotokey_3;}tb=tz*bs/bz/pow(hp,(en-1));if(fabs(tb-br)>1.){br=.5*(br+tb);gotokey_4;}pb=pz/pow(hp,en);for(i=kr+1;i<=kz;i++){pg[i]=pz-.00176*pow((kz-i),2.598);}for(i=kz;i<=kp+17;i++){pg[i]=pg[kz]-.00118*pow((i-kz),2.356);}for(i=kp+18;i<=kp+25;i++){pg[i]=pg[396]*pow((hs[396]+sc)/(hs[i]+sc+.218),(1.528));}for(i=kp+26;i<=eo;i++){pg[i]=pb*pow((hs[eo]+sc)/(hs[i]+sc),en);}for(i=(eo+1);i<=(eo+22);i++){pg[i]=pg[eo]-pow((i-eo),1.48)*(pg[eo]-pa)/(io-eo);}for(i=(eo+23);i<=(eo+48);i++){pg[i]=pg[eo+22]-.0098*pow((i-eo-22),.668);}for(i=(eo+49);i<=io;i++){pg[i]=pg[eo+48]-(i-eo-48)*(pg[eo+48]-pa)/(io-eo-48);}for(i=(io+1);i<721;i++){pg[i]=pk-dp*(i-io)/(ic+720-io);}pl=pc*(ys*(cp-1)+cp*ys*(1-1/pow(hp,(en-1)))/(en-1)-(1-1/pow(es,(cn-1)))/(cn-1))/(es-1);pi=fi*(pl*(es-1)+(pb-pa)*(ej-es))/(ej-1);ev=es*tk*pa/(ej-1)/ta/pk/(1+gr);gi=433283.4*ev*pk/gs/tk/pi;ei=3.6e6/gi/hl;pe=pi*em;ge=gi/em;ee=ei*em;ui=pi*ig*nv*py*ss*db*db/120/jz;ue=ui*em;tq=3e4*ue/nv/py;wj=wp+ws;wl=wc-ws;fp=py*db*db/4;prl=wl*rs*og*og/fp/1e6;prk=wk*rs*og*og/fp/1e6;pr=prl+prk;dlx=fopen("c:\\my_files\\dlx.c71","w");/*c-e*/tqt=0.;nht=0.;for(i=0;i<721;i++)/*721*/{ri=rd*i;salf=sin(ri-rt);calf=cos(ri-rt);sbet=rl*salf+el;cbet=sqrt(1-sbet*sbet);be=atan(sbet/cbet);pj[i]=-wj*ha[i]/fp/1e6;pp[i]=pg[i]+pj[i]-pf;ph[i]=pp[i]*sbet/cbet;nhi[i]=1e3*fh*fp*fabs(ph[i]*hv[i]);pd[i]=pp[i]/cbet;po[i]=pd[i]*cos(ri-rt+be);pt[i]=pd[i]*sin(ri-rt+be);prn[i]=po[i]-prl;tqi[i]=pt[i]*rs*fp*1e6;rph[i]=prl*sin(ri-rt+be);rpv[i]=pd[i]-prl*cos(ri-rt+be);rkh[i]=(pd[i]*sin(be)+pr*salf)/2;rkv[i]=(pd[i]*cos(be)-pr*calf)/2;pob[i]=(po[i]-pr)/2;ptb[i]=pt[i]/2;tqt+=tqi[i];tqt=tqt-tqi[0];nht+=nhi[i];nht=nht-nhi[0];fprintf(dlx,"%4d%7.4f%8.4f%7.4f%7.4f%7.4f%7.4f%7.4f%7.4f%8.3f\n", 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