4105型柴油机进排气管设计说明书毕业论文 目 录第一章 概述 31.1 设计依据 31.2 设计内容 41.3 设计思路 61.4 设计意义 7第二章 设计方案及原理 92.1材料的选择要求 92.2进排气管类型选择及基本尺寸 9第三章 进排气管设计的优化 123.1 模拟计算工具 123.2 一维气体流动模拟:有限差分 123.3计算进气和排气系统元件 133.3.1油门计算 153.3.2管路口计 163.4 缸体过程的计算:燃烧模型 163.5 三维流动模拟 173.5.1 数学框架 173.5.2 数值求解过程 193.6 引擎计算,一维发动机模型 193.7 比较测量和计算 203.8 进排气管对发动机性能的影响 203.8.1 进气管长度对发动机性能的影响的影响 213.8.2 排气管直径对发动机性能的影响 213.8.3 排气管长度对发动机性能的影响 223.8.4 连结阀几何尺寸对发动机性能的影响:一维模拟 233.8.5 管连接阀几何尺寸对发动机性能的影响:三维模拟 243.9 阀门对发动机性能的影响 283.9.1 配气相位对发动机性能的影响 293.9.2 气门升程对发动机性能的影响 323.9.3 排气阀直径对发动机性能的影响 34第四章 设计计算书 344.1 进排气管的核算 344.2 排气管的核算 35第五章 设计小结 355.1主要设计成果 355.2存在的不足及改进意见 36致 谢 37参考资料 38第一章 概述1.1 设计依据 提升发动机功率最简单的方法就是增大气缸工作容积,也就是提高排量。
一般而言,增大工作容积就会增大发动机体积,重量也会随之增加,这种方法对于追求结构紧凑,追求行驶经济性的现代乘用车设计者来说是难以接受的因此,在同体积或者更小体积的前提下,通过改进发动机结构和采用新材料来追求更高的输出功率,是当前厂商的追求目标 提高发动机的升功率,也就是每升气缸工作容积所发出的有效功率,是实现这个目标的方法要提高发动机的升功率,加大进气量是一种解决方案有些发动机采用强制吸气法的方式,用增大气体密度来提高进气量,例如采用涡轮增压(Turbo)但是,在日益严格的废气排放法例的管制及制造成本的限制下,多数汽车的发动机还是倾向采用自然吸气法方式 采用自然吸气法,又要提高进气量,设计者就把注意力放在了进排气的速度方面,也就是千方百计提高气体的流动速度来提高单位时间内的进排气量,在提高换气效率上做文章换气是汽车发动机最基本的功能通过换气,排出废旧气体,发动机工作循环回复到循环初始状态,吸纳新鲜气体来提供燃料所需的氧气用一句成语形容,就是“吐故纳新”,只有“吐故纳新”畅顺,发动机才能正常工作 良好的发动机进气通道设计是提高进气量的重要保证一些汽车运动者在传统发动机改装上,采用了大通量的空气滤清器,大口径或多支排气管,目的就是改善气体的流速以提升发动机功率。
更进一步,改装深入到结构内部及材料的选用,例如打磨进气歧管内壁,使用不锈钢排气管等,以增高管壁的光滑程度来减少与气体之间的摩擦,提高气体的流动速度不锈钢进气管 不锈钢排 图1-1进排气管 发动机进排气管过去都是用铸铁材料铸造出来的发动机进排气管道改用不锈钢或铝合金材料,既可以降低管道内的气流阻力,同时也可以降低重量,因为不锈钢和铝合金比铸铁质量小得多,可谓是一举两得因此,现在许多发动机都选用不锈钢材或铝合金材料做进排气管据最新资料,德国拜耳专门开发了一种新型的Durethan材料,用于制造具有更精确内部几何形状的进气歧管,其焊接性能、加工可靠性、气密性、经济型等都表现良好 从形状上看,传统发动机进排气管多用方形,这是因为方形断面表面面积大,有利于进气管内油膜的蒸发,同时从铸造工艺上考虑,方形也比圆形更简单一些但由于园形断面对气流的阻力小,同时多点电喷发动机的喷油位置就在进气门处,进气管道不易形成油膜,为了得到更高的气流速度,一些发动机进排气管就采用了圆形断面 从安装上看,传统发动机进排气管多安装在气缸的同一侧,进气管依赖排气管加热它们用铸铁铸成一体或者分别铸成,再用螺栓连接在一起。
现在高转速发动杌由于结构上的需要,进排气管多分置在气缸的两侧,进气管的加热靠冷却水或电热装置这里要指出的是,因受废气温度的影响,排气管的冷热温度是急剧变化的,巨大的热应力可使排气管产生裂纹,为保证一定的热胀冷缩,排气歧管的安装形式与进气管有所不同,一般发动机排气管是一缸一歧管,以减少排气管的热负荷 ?按照空气动力学原理,气管的流通性应以最小截面处的流动情况为依据,而发动机整个进排气道系统中最小截面处位于气门阀隙处,这也就是现代发动机采用多气门或者尽量增大气门头直径的原因同时,也要考虑到进排气管尺寸、形状、材料、弯曲半径、安装位置等因素对气流速度的影响,只有各种因素配合良好,发动机才能发挥最佳性能1.2 设计内容 进排气管的结构形状繁多,一般按柴油机的用途、要求和安装特点而设计大体上有车用、船用和一般用途的结构常见进排气管结构形式如下图所示 图1-2常见进排气管 为了避免排气管受高温膨胀的影响,一些柴油机排气管在任何两缸之间,考虑有允许轴向自由伸长的连接结构,如下图所示下图中右侧的结构方案较好 图1-3常见进排气管 4缸柴油机排气管的通常形式如下图: 图1-4常见进排气管1.3 设计思路1进行4105型进排气管设计时主要需要考虑以下因素:1. 进、排气管应设计成流线型,管内不应有急剧转弯和突变截面。
设计成圆形截面阻力较小 2.进气管道应尽可能远离排气管,以免降低充气效率3.排气管内背压,一般不宜超过600mm水柱,车用柴油机背压较低通常中型中速柴油机排气背压增加10mm水柱,燃油消耗率上升0.5g?ps?h,排气温度增加1.7~2℃排气管内壁要光滑平整 4.大型多缸柴油机,受热膨胀变形,可考虑成分段管道的结构5.船用和机车用排气管,应设计有冷却水套,或排气管包有石棉层,以免工作人员烫伤,并可降机舱温度6.进、排气管材料,一般采用普通铸铁为进一步减轻重量,进排气管可用铝合金材料,也可用薄钢板焊接而成,但其噪音较大2进行进排气管的计算时主要需要注意一下参数: 1.进气管长度; 2.排气管直径; 3.连结阀几何尺寸; 4.进排气管直径与缸体连接处开口的比例;1.4 设计意义 进排气管,安装于发动机排气岐管和消声器之间,使整个排气系统呈挠性联接,从而起到减振降噪、方便安装和延长排气消声系统寿命的作用 我们先来看,世界及我国汽车发展的历史,19世纪末20世纪初,欧美一些主要资本主义国家相继完成了工业革命随着生产力的大幅度提高,要求交通运输工具也要有相应的发展汽车虽然诞生于欧洲,但美国依靠优越的资源和自然条件以及宽松的政策,又利用欧洲遭受第一次世界大战破坏的时机,使汽车工业迅速崛起,并超过了欧洲。
从20世纪初至70年代的几十年间,美国的汽车工业一直遥遥领先日本汽车工业在第二次世界大战前规模较小,但在20世纪60?70年代,依靠引进国外的先进技术和科学的经营管理方法,使汽车工业迅猛发展,后来者居上,先后逐个超过意大利,英国,法国,德国等一些老牌的汽车工业国家,并曾于1980-1993年期间,汽车年产量超过美国而跃居世界第一位目前,全世界汽车量超过5500万辆,总保有量超过了6.5亿辆据资料介绍,1997年产量最多的国家是依次是美国、日本、德国、法国、韩国、加拿大、西班牙、巴西、英国、意大利、中国、墨西哥、俄罗斯、瑞典、澳大利亚等 对于我国建国初期,我国汽车工业在国家计划经济的指导下发展,集中资金建成了第一,第二汽车制造厂两个中型货车生产基地20世纪80年代初期,我国汽车行业以各大型骨干厂为主,联合一批相关的中小型企业建立了企业集团1994年国家计划经济委员会颁布了《汽车工业产业政策》,作为我国汽车工业发展的纲领我国汽车工业的目标是到2010年汽车产量达600万辆,成为国民经济的支柱产业自从加入WTO以来,我国正在逐步对我国的经济结构进行相应的调整和改革据中国汽车工业协会最新统计资料显示,由于国内汽车热的持续升温,2003年我国的汽车产量达到了创纪录的201.89万辆,比2002年净增加了91.71万辆。
轿车产量的大幅度增长,带动了我国汽车年产量突破四百万量,达到444.37万辆,其中汽车年产量为119.52万辆,货车年产量为122.96万辆随着轿车产量的迅猛增加,我国的汽车车型结构不断优化,2003年轿车产量占汽车总产量的45%,客车和货车各占27%和28%,但是,与国外汽车大国轿车产量占70%的比例相比,还有很大的差距! 汽车界权威人士预计,2004年我国汽车产量将比上年增长20%产销总量各将超过500万辆,其中轿车产量可望达到260万辆以上今后10多年期间也是我国汽车工业飞越发展的重要阶段,届时,我国将步入汽车工业强国行列!近年来,随着汽车排放控制法规及即节能或控制CO2要求的不断严格,对现生产的车用发动机采取一系列排放控制技术,力图排放量控制在最低限度的同时,开发研究出一些其他类型的发动机形成了现代的发动机,他们主要是转子发动机,燃气轮机等… 柴油机排放的颗粒物中,有相当一部分来自馏分较重的机油的燃烧 为了满足日益严格的柴油机(车)排放限值标准的要求,必须把来自机油的燃烧降至最低限度, 即在保证发动机正常运转的前提下,最大限度地减少机油的消耗为了降低柴油机的机油消耗, 柴油机的的优化设计和制造及缸套间的科学配置非常重要。
所以对于我国汽车业来说,还有很长的路要走,怎样才能创造出属于我们自己的世界名车,对于汽车来说,良好的进排气系统,对发动机的性能至关重要,所以在本文中我们着重讨论发动机进排气管设计的问题,以期为我国的汽车自主品牌的创造做出一定的贡献第二章 设计方案及原理 1)取材容易,价格低廉,适宜大量生产,有良好的耐热强度、铸造性以及导热性和耐磨性热膨胀小,变形小,能承受交变热应力 2)目前高速、大功率、机车和增压柴油机气缸盖,多采用不锈钢材料,并添加Mo、Cr、Cu、Ni等合金元素,以增强材料耐高温强度和耐磨性 3)铸铁的热强度较高,焊接性好缺点是浇铸流动性差,成本较高,铸锻焊接进排气管,成本高 4)铝合金有良好的导热性和浇铸性,重量比钢和铁气缸盖轻一半其缺点是热强度低,变形大,成本稍贵,不适于制造进排气管4105型柴油机的参数如下表所示: 4105型柴油机由柴油机的命名规则: (1)4: 柴油机为四缸顺排; (2)105:柴油机的气缸直径D为105毫米; (3)冷却方式:水冷图2-1进气管进气管:内径58外径75长度372图2-2排气管排气管:内径50外径60长度372下表中给出了进排气管的相关参数:柴油机型号 进气管参数 排气管参数总管直径 mm 总管截 面积() 缸径与总管直径之比 总管直径mm 总管截 面积() 缸径与总管直径之比 冷却水套宽度(mm)165 25 490 2.6 24 452 2.7 ?175 30 706 2.5 29 660 2.59 ?S195 44 1520 1.93 ? ? ? ? ?495 52 2120 1.83 40×52 1994 1.78 ?6100 60 2820 1.66 60 2820 1.66 ?4110 68 3620 1.6 。