柴油发动机及其曲柄连杆机构动力分析

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动力分析

目录

目录 ........................................................................ 1 第1章 绪 论 .............................................................. 3 1.1 研究意义 ............................................................. 3 1.2 发展现状 ............................................................. 3 1.3 研究方法与内容 ....................................................... 4 第2章 柴油机的热力学分析 .................................................. 5 2.1 柴油机的理论热循环 ................................................... 5 2.2 柴油机的实际热循环 ................................................... 8 2.3 热力学计算即求平均指示压力 ........................................... 9 2.4 小结 ................................................................ 11 第3章 柴油机的动力性和经济性分析 ......................................... 12 3.1 柴油机的指示参数 .................................................... 12 3.1.1 平均指示压力 .................................................... 12 3.1.2 指示功率 ........................................................ 13 3.1.3 指示热效率与指示燃油油耗 ........................................ 14 3.2 柴油机的有效指标 .................................................... 15 3.2.1 有效功率和机械效率 .............................................. 15 3.2.2 平均有效压力和升功率 ............................................ 16 3.2.3 有效热效率和有效燃油消耗率 ...................................... 18 3.2.4 根据吸入空气量计算平均有效压力 .................................. 19 3.3 标志柴油机整机性能的其他参数 ........................................ 21 3.3.1 活塞的平均速度 .................................................. 21 3.3.2 强化系数 ........................................................ 22 3.3.3 比质量 .......................................................... 22 3.4 提高柴油机动力性能和经济性能的主要措施 .............................. 22 3.5 小结 ................................................................. 24 第4章 曲柄连杆机构的运动与受力分析 ....................................... 25 4.1 曲柄连杆机构的运动分析 .............................................. 25

4.1.1 活塞的位移 ...................................................... 25 4.1.2 活塞速度 ........................................................ 26 4.1.3 活塞加速度 ...................................................... 27 4.2 曲柄连杆机构的受力分析 .............................................. 27 4.2.1 气体压力的作用 .................................................. 28 4.2.2 惯性力的作用 .................................................... 28 4.2.3 作用在活塞上的合力及其分解 ...................................... 30 4.3 小结 ................................................................. 33

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第5章 结论 ............................................................... 33 谢 辞 ...................................................................... 34 参考文献 ................................................................... 35

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第1章 绪 论

1.1 研究意义

柴油机具备高扭矩、高寿命、低油耗、低排放、热效率高、功率范围广、起动迅速、运行安全、维修方便、使用寿命较长等特点，成为解决工程机械能源问题最现实和最可靠的手段。因此柴油机的使用范围越来越广，数量越来越多，同时对柴油机的动力性能、经济性能、控制废气排放和噪声污染的要求也越来越高。

柴油机发动机的工作过程研究是应用的基础。WD175型柴油机是单缸、卧式、四冲程水冷柴油机，该机重量轻、体积小、马力大、耗油省，工作可靠、性能稳定、操作维护方便，适应多种用途，可作为小型发电、排灌、喷灌、收割、脱粒、手扶拖拉机、小型船舶、机动三轮车等方面的配套动力，具有广阔的应用领域。所以进行柴油发动机的工作过程建模与动力分析，改进其参数和结构，以使其更好的服务于应用，具有明显的实际意义。

1.2 发展现状

柴油机虽然已经有了百余年的发展历史，其技术也日趋完善，但是他仍然在不断地发展和改进之中。当前大功率柴油机（包括低速、中速和高速机）研究和发展的主要趋势是：降低柴油机燃油和润滑油的消耗；研究在柴油机上使用非石油产品的代用燃料，以保证石油供应枯竭时，柴油机仍能依靠代用燃料工作；提高柴油机的可靠性和耐久性；提高柴油机单机功率或单缸功率，降低单位功率的重量；采用普通材料，降低生产成本；减少机型，加强通用化、系列化和标准化工作；简化维护和维修工作；加强自动监护和遥控操纵研究；降低噪音、振动、冒烟及排气中有毒物质的排放；加强某些理论的研究工作，例如对燃油雾化、着火过程及反应动力学的研究，对气缸内燃油分布与气流运动的研究，气缸内传热问题的研究，气缸内燃烧问题数学模拟的研究等。

在电子计算机用于内燃机研究以前，为了定性估计内燃机性能，并进行有限的定量估算，不得不对内燃机的实际热力循环给出一些简化的假定，其中认为内燃机的正常运行工况一般是稳态的，将工质的状态参数看成是一个循环的算术平均值等。而在设计中则根据经验和类比，在大量选取参数的基础上，对热力循环中的几个特征点进行计算，以便给出数量上的估计。这种简单的热力计算虽然能够得出比较直观的、可作定性或初步定量分析的数据，但却十分粗略，不能全面地反映内燃机燃烧放热过程、缸内工质的流动及传热过程、进排气系统中热力学和气体动力学过程以及与涡轮增压器的配合性能等，更不能对变化的工况性能进行预算。随着内燃机性能的不断提高，产品更新的周期不断缩短，采用常规热力计算进行这种经验设计，已远远满足不了现代高性能内燃机研制工作的需要。事实上，内燃机实际运行工况每瞬时并不是稳态的。

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随着大容量电子计算机和数据处理系统在内燃机研究中的应用，加上试验技术和测量仪器以及测试装备的改进，使内燃机在试验和理论研究上有了一个较大的发展，使内燃机热力循环模拟成为可能，使内燃机设计由过去比较粗糙的经验、半经验设计向着模拟计算、优化设计和内燃机CAD方面过渡，并取得了令人耳目一新的进展。那些由内燃机运行状态所决定的内部过程，如燃烧过程、气体流动过程、热交换过程以及进排气系统与涡轮增压器匹配的气动过程等，有可能在计算中予以考虑，能够建立起比较符合实际的物理模型，通过数学模拟予以表达，求得各热力参数随时间变化的规律，用以分析内燃机的性能及其影响因素；也能系统地模拟结构参数、燃烧规律、配气相位、进排气系统中的流动阻力、中冷器特性以及涡轮增压器特性等与内燃机性能间的相互关系，并进行参数优化，寻求最佳的方案组合，为内燃机的设计、试验和性能改进提供理论依据，因而使现代内燃机的理论研究建立在一个全新的基础上[1]。

内燃机热力循环模拟，不仅可以计算设计工况点，而且也可以计算非设计工况和变工况点，估计环境参数变化对内燃机性能的影响，不仅可以计算内燃机的稳态过程，而且也可以计算瞬态过程；研究各结构参数及性能参数与瞬态响应特性的关系，探求改善瞬态特性的技术措施；不仅在内燃机设计阶段通过计算模拟可以进行方案的比较，而且在内燃机调试阶段与测试相结合，可以指明调整的参数及其值的大小；同时，在热力循环模拟的基础上还可以进行热力循环模拟优化，使内燃机热力循环模拟研究向优化设计推进一步[2]。

用于内燃机研究的软件有很多，例如：VB、VC、FORTRAN、MATLAB等等，但目前应用最广泛的是MATLAB语言。因为MATLAB的语法规则与结构化高基编程语言如C语言等大同小异，而且使用更为简便，具有一般语言基础的用户很快就可以掌握。使用MATLAB编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，犹如在演算纸上排列出公式与求解问题。本文的所有程序均是由MATLAB语言编写的，最后的结果也是在MATLAB中运行得出的。

1.3 研究方法与内容

先采用实测法获取现有柴油发动机的数据，然后通过简单的常规热力学模拟各工况下燃烧室内燃料燃烧的热力学过程，再分析柴油发动机的运动和受力，最后编制软件对发动机的性能进行仿真。

主要研究内容有：

(1) 柴油发动机的热力学分析；

(2) 柴油发动机运动学与动力学分析，建立发动机工作过程的具有气、固耦合的动力学模型；

(3) 用MATLAB语言编制仿真软件，对柴油发动机工作过程建模与动力分析，提出改进建议。

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第2章 柴油机的热力学分析

2.1 柴油机的理论热循环

柴油机是热力发动机，燃料的化学能先通过燃烧变为热能，然后再通过工质的状态变化使热能变为机械能。

柴油机的实际循环是由一系列非常复杂的物理化学变化过程所组成的。为了掌握内燃机热功转换的主要规律，需要对实际循环作某些简化和假定，抽象成为理论循环，这样才有利于分析和研究。这些假定条件是：

(1) 以空气作为循环的工质，其比热容为常数，不随温度变化；

(2) 研究的体系是封闭的。以热源的传热代替燃料燃烧的放热，以向冷源传热代替排气过程向大气放热，工质的质量和成份自始至终都保持不变；

(3) 构成循环的各个过程均是可逆的[3]。

理论循环和实际循环虽然存在一定的差别，但这种从实际到理论的抽象、概括和简化是合理的，并接近实际，这样对理论循环的分析和计算结果不仅具有一般的理论指导意义，而且也具有一定的精确性。通过对内燃机理论循环的研究，可以确定出最大可能的热量利用率（循环热效率）和气缸容积利用程度（循环平均压力），由此可以分析出来影响内燃机工作循环的经济性和动力性的主要因素，从而找到提高内燃机性能指标的基本途径。在内燃机的理论循环中，工质的放热过程一般在等容积方式下进行，而吸热过程则有三种不同的方式：一是先在等容后在等压方式下进行；二是在等容积方式下进行；三是在等压方式下进行[4]。

因此，在内燃机理论循环中有三种不同循环可供考虑，即混合循环、等容循环和等压循环。

图2-1

理论循环示功图

图2-1(a)表示混合循环的燃料在气缸中的变化情况，这是将燃料压力容积的变化画在

P-V坐标纸上，称为P-V示功图。在压缩过程中燃料的容积变化以压缩比表示，即

??VaVs?Vc? VcVc式中，Vs为全压缩行程中活塞排量容积，Vc为燃烧室容积。

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