汽油机热力计算

（课程设计）用纸

摘要

通常由于汽油机具有转速高、重量轻、噪音小、易启动、造价低等特点。因此它在小客车、中小型货车和军用越野车及小型农用动力（喷粉、喷雾、插秧机）等方面广泛应用。

通过本课题的设计，是学生掌握内燃机设计的一般方法和步骤；掌握汽油机三大计算（热力计算，动力计算和零件强度计算）的方法和步骤；初步训练学生应用三大计算的结果，分析内燃机动力性、经济性、零件强度及零件机构工艺性的能力。

关键词NJ70Q汽油机；热力计算；动力计算

毕业论文（设计）用纸

目录

摘要I

第 1 章绪论 (2)

1.1本课程设计研究的意义和目的 (2)

1.2本课题研究的任务 (2)

第 2 章汽油机热力计算 (3)

2.1汽油机实际循环热力计算 (3)

2.1.1 热力计算的目的 (3)

2.1.2 热力计算的方法 (3)

2.1.2.1 确定汽油机的结构形式 (3)

2.1.2.2 原始参数的选择 (4)

2.1.2.3 燃料的燃烧化学计算 (8)

2.1.2.4 燃气过程参数的确定与计算 (8)

2.1.2.5 压缩终点参数的确定 (9)

2.1.2.6 燃烧过程终点参数的确定 (9)

2.1.2.7 膨胀过程终点参数的确定 (10)

2.1.2.8 指示性能指标的计算 (10)

2.1.2.9 有效指标的计算 (11)

2.1.2.10 确定汽缸直径D和冲程S (11)

2.1.2.11 绘制示功图 (12)

2.1.2.12 绘制实际示功图 (14)

第 3 章NJ70Q汽油机动力学计算............................................... 错误！未定义书签。

3.1曲轴连杆机构中的作用力......................................................... 错误！未定义书签。

3.1.1 机构惯性力............................................................................................. 错误！未定义书签。

3.2绘制各负荷的曲线图................................................................. 错误！未定义书签。

3.2.1绘制合成力P=f(α)的曲线图.............................................................. 错误！未定义书签。

3.2.2绘制P N＝f(α),P L=f(α),T=f(α),K=f(α)图................................ 错误！未定义书签。

3.2.3绘制主轴颈和曲柄销的积累扭矩图..................................................... 错误！未定义书签。

3.2.4绘制曲柄销负荷极坐标图..................................................................... 错误！未定义书签。

3.2.5绘制曲柄销预磨损图............................................................................. 错误！未定义书签。参考文献............................................................................................ 错误！未定义书签。致谢.......................................................................................... 错误！未定义书签。

第 1 章绪论

1.1 本课程设计研究的意义和目的

通常由于汽油机具有转速高、重量轻、噪音小、易启动，造价低等特点。因此它在小客车、中小型货车和军用越野车及小型农用动力（喷粉、喷雾、插秧机）等方面广泛应用。通过本课题的设计，是学生掌握内燃机设计的一般方法和步骤：掌握汽油机三大计算（热力计算，动力计算和零件强度计算）的方法和步骤：初步训练学生应用三大计算的结果，分析内燃机动力性、经济性、零件强度及零件机构工艺性的能力。

1.2 本课题研究的任务

1．选取适当的参数值，校核有效功率；

2．对所选机型进行热力和动力计算；

3．整理并编写课程设计说明书。

第 2 章汽油机热力计算

2.1 汽油机实际循环热力计算

2.1.1 热力计算的目的

该方法是一种近似的、半经验的估计方法，它是根据热力计算公式，对内燃机各热力参数、指示参数进行计算，其计算结果的精确性依赖于大量经验数据的选择是否恰当，它对内燃机的设计有一定的指导意义。

2.1.2 热力计算的方法

标定功率：[P e]=51.5 KW

标定转速：[n]=2800r/min

工况选择：标定工况

根据GB1105—74陆用内燃机

大气条件为：

大气压力：P0=100KPa

环境温度：T0=298K

相对湿度φ0=60%

2.1.2.1 确定汽油机的结构形式

1．选择汽油机

汽油机具有转速高、重量轻、噪音小、易启动、造价低等特点。因此它在小客车、中小型货车和军用越野车及小型农用动力（喷粉、喷雾、插秧机）等方面广泛应用。

2．冲程数τ的选择

内燃机按冲程分二冲程和四冲程内燃机,二冲程内燃机在单位时间内工作循环比四冲程内燃机多一倍,实际输出功率是四冲程内燃机的功率的1.5－1.8倍；二冲程必须组织扫气过程；运转较平稳、结构紧凑、轻巧。在汽油机上用二冲程，由于扫气的影响，使得经济性较差，因此仅在小型汽油机上有应用（如摩托车、摩托艇、喷雾机、割草机等）汽车上很少使用。本课题汽油机选择四冲程。

3．冷却方式的选择

通常内燃机有两种冷却方式：水冷式和风冷式（空气冷却）系统．由于水冷系统冷却

均匀，冷却强度高，运转噪音小，因此得到了广泛运用。在农用、汽车发动机上大多是水冷系统．而风冷系统具有结构简单，内燃机重量较轻，不用冷却水，使用维修方便，制造成本低；对环境适应性强；热惯性小，暖机时间短，易起动等优点。但最大的缺点是热负荷高，工作噪音大，它仅在一些小型汽油机和摩托车上被广泛使用。在军用车辆和高原干旱地区使用的动力中也有应用。

因此NJ70Q汽油机冷却方式选用水冷系统。

4．气缸布置型式的选择

常见的气缸布置型式主要有立式、卧式和V型三种。

单列式发动机结构简单、工作可靠、成本低使用维修方便，能满足一般要求，V型双列式发动机可缩短内燃机的长度，降低重心，有利于提高转速。

一般单列卧式发动机常用于农用内燃机，特别是单缸内燃机：单列立式常用于六缸以下的内燃机；V型双列式常用于八缸以上的内燃机；卧式对置式常用于大型客车和重型载重汽车。

根据设计要求和以上原因汽油机选择立式4缸布置型式。

5．燃烧室型式的选择

燃烧室的形式不仅关系到整机性能指标，而且在很大程度上决定了气缸盖和活塞顶的结构，其选型的主要依据是气缸直径，转速和使用要求。

对柴油机燃烧室的型式主要有直喷式（浅盆型、深坑型、球型）和分隔式、涡流室、预燃室）两大类五种型式。

对汽油机燃烧室的型式主要有侧置气门燃烧室（L型）（已趋于淘汰）和顶置气门燃烧室（楔形、浴盆形、碗形、半球形）。目前车用汽油机中几乎全部是采用顶置气门燃烧室。

根据该机型的设计要求汽油机选用半球形燃烧室。

2.1.2.2 原始参数的选择

根据NJ70Q汽油机的结构特点、用途、标定工况、使用环境等可选择某些原始参数。其具体选择步骤如下：

1．压缩比ε

压缩比ε是影响内燃机性能指标的重要结构参数，提高压缩比可以提高内燃机的功率和经济性。

对汽油机ε的提高主要受爆燃的影响。表现为燃料的辛烷值、燃烧室形状及排放的限制，可以按下面的经验数据选择。 汽油机的辛烷值90-97

侧置气门燃烧室ε=6.2-7.0 顶置形燃烧室ε=8.0-9.0 小客车有汽油机ε=6.0-10 载重车用汽油机ε=6.5-8.0 预燃室燃烧室ε=18-22 该机型压缩比ε取8.0。 2．过量空气系数a ?

过量空气系数a ?是反映混合气形成和燃烧完善程度及整机性能的一个指标。 对柴油机a ?大于1，在柴油机吸入气缸空气量一定条件下，a ?越小意味着气缸内混合气越浓，空气的利用率越高，发出的功率越大。应尽量减小a ?。在小型高速柴油机中a ?，的减小主要受燃烧完善程度的限制，在大型机增压柴

预燃室燃烧室a ?=1.2—1.6

油机主要受热负荷的限制。通常柴油机在标定工况时α的取值范围如下：

低速柴油机a ?=1.8—2.0 高速柴油机a ?=1.2—1.5 增压柴油机a ?=1.7—2.2

a ?值（在全负荷时）也可根据燃烧室的形状进行选择；

浅盆形燃烧室a ?=1.6—2.2 深坑形燃烧室a ?=1.4—1.7 球形燃烧室a ? =1.3—1.5 涡流室燃烧室a ?=1.3—1.6

对于汽油机整个运行过程中，可遇到a ?<1和a ?>1的所有情况,在全负荷时a ?的取值范围: a ?=0.85-1.1.通常选定标定工况时a ?<1和a ?>1. 该机型过量空气系数a ?=0.9。 3．残余废气系数φr

残余废气系数φr 值的的大小，反映气缸中残余废气量的多少。其值主要与压缩比、排气终点参数（Pr ，Tr ）、气门重叠角及是否扫气有关。当Pr/Tr 比值增大φr 减小时，废气的

密度和燃烧室所占容积比例都增加，φr值便随之增大；组织扫气与不组织扫气相比，φr值降低；气门重叠角增大时，φr值降低。

通常汽油机压缩比小,气门重叠角较小,且不组织扫气;

四冲程汽油机：φr=0.06～0.16，

该机型残余废气系数φr取0.09。

4．进气温升ΔT

新鲜充量在进入气缸的过程中，受到高温零件加热和充量动能转化为热能的影响。使新鲜冲量得到ΔT的温升，引起进气温度的提高。

四冲程汽油机：ΔT=0～40℃，

该机型进气温升ΔT取10℃。

5．热量利用系数ζZ

热量利用系数ζZ是Z点（显著燃烧终点）时刻的燃料燃烧放出热量的利用系数。它是用以反映实际燃烧过程中燃烧不完善、通道节流、高温分解和传热等损失程度大小的一个重要参数，它的数值主要受到内燃机燃烧品质的影响。凡是能改善燃烧过程、减少传热损失的因素一般都有利于ζZ的提高。如转速的提高，促使过后燃烧增强，ζZ减小；采用分隔式燃烧室的柴油机，具有较大的传热损失，ζZ比直喷式柴油机的小；增压后，燃烧产物的高温分解现象减少，ζZ可提高。

汽油机：ζZ=0.85～0.95，

该机型热量利用系数ζZ取0.9。

6．示功图丰满系数

i

φ是把实际循环中的时间损失和部分换气损失在理论循环中给予考虑。此值越小，表i

φ的数值与转速、排气提前角、供油提前角、点火提前角等示时间损失和换气损失越大。

i

φ越小。

因素有关。上述因素的数值越大，则

i

φ=0.92～0.97，

示功图丰满系数范围：

i

φ取0.95。

该机型示功图丰满系数

i

7．机械效率ηm

机械效率ηm是评定内燃机指示功率转换为有效功率的有效程度。

: 四冲程车用汽油机ηm=0.80～0.90，

该机型机械效率ηm取0.80。

8．平均多变压缩指数n'

平均多变压缩指数n'主要受工质与气缸壁间热交换及工质泄漏情况的影响。凡是使缸壁传热量及气缸工质泄漏量减少的因素均使n'提高。

当内燃机转速提高时、热交换的时间缩短、向缸壁传热量及气缸工质泄漏量减少，则n'增大。当负荷增加、采用空冷、采用大气缸直径时、气缸温度升高、相对传热量损失减小、则n'增大。此外提高ε和进气终点温度，则n'减小。

汽油机：n'=1.32～1.38，

该机型平均多变压缩指数n'取1.34。

9．平均多变膨胀指数n"

平均多变膨胀指数n"主要取决于后燃的多少、工质与气缸壁间的热交换及泄漏情况。凡是使后燃增加、传热损失减小、漏气量减小的因素均使n"减小。通常保持n"较高值可提高循环效率和内燃机工作可靠性。

当转速增加时，后燃增加、传热损失和漏气量减小，则n"减小；负荷增大时，后燃增加，则n"减小；气缸尺寸增大时，传热损失和漏气量减小，则n"减小。

汽油机：n"=1.20～1.28，

该机型平均多变膨胀指数n"取1.24。

2.1.2.3 燃料的燃烧化学计算

表2－1 选择燃料的有关参数

1．理论空气量L 0的计算21.0/)32

4

12

(0

0g g g L H

c

-

+= 0L =2.0/)04/145.012/8555.0(-+ 1

=0.512 kmol /kg （2-1） 2．理论分子变化系数μ0的计算

μ0=()[])

/1./(/14/121.0100r a r h a m l m g l +-+-+??

(2-2)

=1+)11015121.09.0/(}11014145.0512.01.021.0{÷+?÷-÷+?? =2.203

3．实际分子变化系数μ的计算

0()/(1)r r μμφφ=++ (2-3)

=(2.203+0.09)/(1+0.09)

=1.046

4 不完全燃烧而引起的热量损失Hu ?计算 )1(61100a u H ?-=?=6110 2.1.2.4 燃气过程参数的确定与计算 1．进气终点压力P a 的确定

四冲程车用汽油机：P a =（0.80～0.90）P 0， 该机型进气终点压力P a 取0.90P 0。

2．排气终点压力P r 和温度T r 的确定

四冲程汽油机：P r =（1.05～1.15）P 0，T r =900～1100K ， 该机型排气终点压力P r 取1.05P 0 =105KP a 温度T r 取900K 。 3．进气终温度T a 的计算

()/(1)

a s r r r T T T T φφ=+?++ (2-5)

=（298+10+0.09×900）/（1+0.09） =357K

四冲程车用汽油机：T a =340～380K ， 所以计算结果合适。 4．充气效率ηv 的计算

(1)(1)a s

a s r P T T P νεηεφ=

-+

(2-6)

=0.788

四冲程汽油机（顶置气门）：ηv =0.75～0.85， 所以计算结果合适。 2.1.2.5 压缩终点参数的确定

'

n c a P P ε= (2-7)

=1.46MPa

11

n c a T T ε-= (2-8)

=723.576K

车用汽油机：P c =0.8～2MP a ，T c =600～750K ， 所有计算结果基本合适。 2.1.2.6 燃烧过程终点参数的确定 1．终点压力P Z 及压力升高比λ确定 汽油机选取λ值

汽油机的λ=2.0～4.0取λ=4.0在由下式计算P Z

c z P P λ= (2-9)

=1.46×4.0

=5.84MP a

汽油机：P z =3～6.5MP a ，λ=2.0~4.0 所以计算结果合适。 2．终点温度T Z 的确定

T Z =2200K (2-10)

一般汽油机T Z =2200～2800K 符合要求。

3．初期膨胀比的计算

汽油机1//===C Z c z T T V V λμρ 2.1.2.7 膨胀过程终点参数的确定 1．后期膨胀比δ的计算

ρεδ==z

b V V =8.0 (2-10)

2．膨胀终点压力P b 温度T b 的计算性能指标的计算

P b =P z /δn"=0.443M P a (2-13)

T b =T z /δn"= 1335.76K (2-14)

汽油机P b =0.3～0.6MP a T b =1200～1400K 上述结果符合要求。 2.1.2.8 指示性能指标的计算 1．平均指示压力P i

()()"1'1111'1111"1'1c i n n P P n n λρλρεδε--??

????=

-+--- ? ???---?????

?

(2-15)

=0.712MPa

P i =P'i i φ=0.677MP a (2-16)

P'i 理论平均指示压力

2．指示热效率ηi

08.314

a s

i mi u s v

l T P H P φηη= (2-17)

=0.33

63.610/()i u i b H η=?? (2-18)

=247.93 g/(kw·h)

四冲程汽油机：i b =344～218 g/(kw.h)， 所以计算结果合适。

2.1.2.9 有效指标的计算 1．平均有效压力me P

me mi m P P η= (2-19)

=0.802MP a

四冲程小客车用汽油机：me P =0.65～1.20MP a ， 所以计算结果合适。 2．有效热效率ηe

.

08.044.0=?==m

i e ηηη (2-20)

=0.246 3．有效燃油消耗率e b

6

3.610/()e u e b H η=?? (2-21)

=309.92(g/kw·h) 四冲程汽油机b e =270～410g/(kw.h)， 所以计算结果合适。

2.1.2.10 确定汽缸直径D 和冲程S

1．由设计任务书给定的标定功率求单缸排量V h

'30

/()h e m e V P i n P τ=?? (2-22) =0.459L

2．选取冲程缸径比S/D

汽车用汽油机：S/D 在0.75～1.2之间 m C =8.5～12.5， 该机型冲程缸径比S/D 取1.19 m C =10。

3．确定缸径D 和冲程S

[

]

[]

mm

D S V D h

110)1.114.3/(15.14)

//(43

131''

=??=?=π (2-23)

=89.7mm

经圆整D=90mm

S=D·S/D=72mm (2-24) 4．按实际D 和S 求单缸排量V h

D S V h 15

.14/11.014.3121.04

/2

2=??=??=π (2-25)

=0.458L

5．校核有效功率e P

/(30)e h me P V i P n τ=?? (2-26)

=51.4KW

|[]|

e e e

P P P - (2-27) =0.178%<1%

所以以上计算结果正确。 2.1.2.11 绘制示功图

1．计算单缸排量V h 及各终点容积：V a 、V c 、V z 、V b

V h =0.458L

V V h c 07

.0)

117/(15.1)1/(=-=-=ε (2-28)

=0.0654L

V V V c

b a 22

.107.017=?===ε (2-29)

=0.5232L V V b z 08

.05

.15/22.1/===δ (2-30)

=0.5232/8

=0.0654 L

2．计算压缩线ac 上任意x 点的气缸容积V cx 和压力P cx

方法一： '

)/(n cx a a cx V V p p = Va 为0点 (2-31)

表2－2 压缩线上取点

3．计算膨胀线zb 上任意x 点的气缸容积V bx 和压力P bx

"

)/(n bx z z b V V p p = Vz 为0点 (2-32)

表2-3 膨胀线上取点

圆滑理论示功图，并根据P r 、Vc画出进、排气过程曲线，得到实际示功图[8]。

此次在NJ70Q汽车汽油机的结构设计过程中，使我熟悉了内燃机设计的一般方法和步骤，也遇到了课堂上没有遇到和忽视的问题时，当无法理解时，得到了刘老师，吴老师，马老师的悉心指导我。经过；刘老师的指导和与同学的探讨，加深了对知识点的理解，熟悉了内燃机设计的方法和步骤。