168F汽油机进排气系统设计及供油系统匹配毕业论文Word文档格式.docx

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教授

摘要本文主要论述了168F小型汽油机进排气系统和供油系统的优化及两者的匹配。

通过对进排气系统和供油系统的优化及匹配，可以使168F汽油机的动力性、经济性和排放均有较大的改善。

通用小型汽油机性能的主要影响因素有：

过量空气系数（或空燃比）、燃烧室及混合气形成质量、点火正时与点火能量、进排气的质量、润滑油品质和汽油机工作温度等,而过量空气系数是最主要的影响因素之一。

一方面，本文通过增加空气滤清器进气孔的直径，优化进排气道结构，达到增加进气量和减小进气阻力的目的，从而增大了充量系数，优化了进气系统。

并在气道试验台上测量出空气滤清器优化前后流量的变化，找到了增大充量系数的最优直径。

另一方面，目前绝大多数通用小型汽油机采用化油器来形成混合气，其空气量孔、喉口直径和主供油量孔等参数影响着混合气的品质。

本文通过增大喉口直径来降低喉口处的阻力，并匹配进气系统，同时增大进排气道最小截面面积减小进排气阻力，达到增大进气量的目的。

然后通过调整主供油量孔的尺寸来调整进入气缸混合气的浓度，与进气系统相匹配，使168F汽油机的性能得到了显著的改善。

最后运用DEWE800燃烧分析仪和五气分析仪分别采集示功图和测试排放，验证了上述优化的效果。

关键词：

空气滤清器化油器168F汽油机进气量

Abstract:

Thispapermainlydiscusses 

the 

optimizationoftheintakeandexhaustsystem 

andthematchingoffueldelivery 

system 

of168F 

smallgeneralS.I. 

engine.Wecanimprovethepowerandcontroltheemissionsof168FsmallgeneralS.I. 

enginebytheoptimizationofintakeandexhaustsystemandthematchingoffueldeliverysystem.Themainfactors 

of 

theperformanceofsmallgeneralS.I. 

engineareexcessairratioorair-fuelratio,combustionchamberandthequalityofthemixture,ignitiontimingandignitionenergy,thequalityoftheintakeandexhaust,oilqualityandtheoperatingtemperatureofthegasolineengine.Fromaboveall,excessairratio 

is 

one 

mostimportantfactors.Ontheonehand,wecanincreasetheintakeairandreducetheintakeresistancebyincreasingthediameteroftheairfilterandimprovethestructureoftheinletandexhaustports,sowecanincreasingthecoefficientofchargeandoptimizetheintakesystem.Andthenwemeasurethechangesoftheairfilterintheairwaytofindtheoptimaldiametertoincreasethecoefficientofcharge.Ontheotherhand,carburetorisusedtoformamixturebymostofsmallgeneralS.I. 

engines.Itsamountofairholes,thepipediameterandtheparameterofthemainsupplyoilholeaffectsthequalityofthemixture.Wereducetheresistanceofthepipesandmatchtheintakeandexhaustsystembyincreasingthepipediametertoachievethepurposeofincreasingtheintakeair.Atthesametime,weadjustthesizeofthemainsupplyoilholetoadjustthemixtureandmatchtheintakeandexhaustsystemtoimproveperformanceofthe168Fgasolineengine.Finally,weuseDEWE800combustionanalyzerandfive-gasanalyzertocollecttheindicatordiagramandtheemissionstoverifytheoptimizationresultsabove.

KeyWordairfiltercarburetor168Fgasolineengineintakeflowrate

第一章引言

1.1概述

目前，发动机的发展趋势是高动力输出、低排放、良好的燃油经济性及高可靠性。

本毕业设计所选样机168F通用小型汽油机（如图1-1），广泛应用在草坪机械、水泵、电力机组等设备上。

通用小型汽油机的动力性、经济性、排放性能和可靠性与进气、供油及油气量匹配有很大关系，目前小型汽油机充气效率普遍较低，提供进气量并保证油气比例匹配合理优化综合性能是研究的主要目标。

本次毕业设计的主要内容是在168F通用小型汽油机的基础上优化设计进气系统，优化空气滤清器结构、设计大直径喉口化油器，增加进气量。

核心思路是：

加大化油器喉口直径，分析供油规律变化和发动机性能变化。

图1-1168F汽油机

1.2168F汽油机主要参数

表1-1168F汽油机主要结构参数

发动机型号

168汽油机

型式

四冲程、风冷、顶置气门

起动方式

手拉式

缸径×

行程/㎜×

㎜

68×

54

总排量/ml

196

压缩比

8.5：

1

标定功率及转速/kW/r·

min-1

4.0/3600

1.3国内外通用小型汽油机的发展近况

1.3.1国内的发展情况

世界上通用小型汽油机的生产以北美、日本、西欧为最大，以草坪修剪机、植保机械和其他农田作业机械等为最多，工业用居其次，年产量为4000万台以上，美国每年销售这类发动机在2000万～2500万台，通用小型汽油机在欧、美等国家已广泛进入家庭，市场潜力非常大。

2003年，我国出口通用小型汽油机比2002年增加2.2倍，其中欧、美市场约占总出口量的57%；

出口产品中发电机组和园林机械最多，园林机械主要出口欧、美国家，发电机组主要出口东南亚、中东地区。

加入世贸组织后，我国的机械制造加工业具有独特的优势，国外公司特别是美国和日本处于经济效益的考虑，向我国转移生产场地，利用我国廉价劳动力为本国赚取更大利益。

而对我国来说，通过引进国外先进技术和管理模式，促进了我国通用小型汽油机技术发展，同时扩大了出口，拉动了国内通用小型汽油机生产。

2004年，通用小汽油机行业中有多家生产企业通过了美国EPA认证，2004年下半年到2005年上半年，国内已有23家企业89个系列发动机取得了美国EPA环保认证证书，为产品出口欧美市场取得了通行证，这说明我国小汽油机产品质量水平已得到较大提高，正在逐步向国际水平靠拢。

1.3.2国内与国外技术水平上的差距

目前，我国现生产的通用小型汽油机绝大多数是参照国外产品开发设计的，技术上只相当于20世纪80年代的水平，产品性能普遍低于国外同类产品。

随着这几年我国通用小型汽油机行业引进国外先进技术、先进工艺、先进设备，通用小型汽油机的技术水平、产品质量在逐年提高，已形成了较完整的生产体系，拥现出了一批有较高知名度的企业，尤其是中小排量发动机水平提高较快，工艺设备已基本接近国外发达国家水平，产品生产基本上能满足国内配套需求，但国产发动机的技术指标与日本等发达国家先进水平相比仍处于中等水平，其差距主要在以下几个方面。

a）体积功率：

体积功率是衡量发动机动力性能的一个重要指标，国内除个别合资企业和新引进的技术品种外，大多数企业产品都处于中等水平，随着产品出口量的逐年增加，产品性能也有明显的提高，与国外的差距正在逐步缩小。

b）压缩比与活塞平均速度：

压缩比与活塞平均速度是衡量发动机强化程度的重要参考指标，除个别机型外，我国通用小型汽油机的强化程度略低于日本和欧洲水平。

c）平均有效压力：

平均有效压力是发动机工作过程和结构优化水平的集中反映，和前2个指标一样，我国通用小型汽油机的平均有效压力比国外先进水平要低一些，其中二冲程发动机更差一些。

d）节能与净化指标：

由于能源问题日趋激化，环保呼声与日俱增，这就要求通用小型汽油机在保证产品性能及节约能源的同时最大限度地降低排放量。

目前，国外对通用小型汽油机已制定了严格的排放标准要求，而我国在这方面才刚刚开始。

e）产品性能和可靠性差：

尽管我国现有的小排量通用小型汽油机性能指标与国外同类产品相差不多，但产品一致性和可靠性较差，与发达国家相比存在着较大差距，主要是一些企业设计能力差，加工工艺不完善，原材料质量不稳定，特别是检测手段不齐全，操作人员素质不高，质量监督管理不到位等原因造成。

f）产品外观质量有待提高：

虽然近几年来我国通用小型汽油机的外观质量都有了不同程度的改善和提高，但总体上外观质量还难与日本、欧洲等发达国家媲美。

g）目前，我国生产的通用小型汽油机还不能达到很多国家在质量、安全、排放、电磁干扰、振动、噪声等方面的质量标准要求，这对通用小型汽油机产品出口带来很大制约。

1.4研究方法

1.4.1进、排气系统的试验研究方法

目前，稳流试验方法仍广泛地应用于内燃机气道研究中。

稳流试验方法包括等压差法、等体积流量法，模拟气缸轴向流速法和非稳定流动的逐点模拟法等.

（a）等压差法

在保持气道压降不变的情况下，模拟内燃机进气过程，从上止点到下止点（或从下止点到上止点）每隔一定的气门升程，测定孔板前后的压差⊿H和风速仪转速nD（或涡流动量矩力矩M）,测量结果经计算机处理为无因次量。

若气道试验压降⊿p在250-700mmH20内选取，则对无因次参数影响不大。

（b）等流量法

以通过模拟气缸的体积流量等于通过内燃机气缸的体积流量的四倍作为模拟条件，以气道的压力降如和风速仪转速

（或涡流动量矩M）为评价参数。

由于模拟气缸中气体密度在试验时事先不知道，试验时难于操纵和调节，因此往往略去气缸到孔板流量计这段管路的压降，忽略密度差异，用通过孔板流量计的体积流量作为气缸模拟流量来控制。

（c）模拟气缸轴向流速法

以活塞平均速度作为模拟条件，以风速仪转速。

〔或涡流动量矩力矩M）和气道阻力压降⊿p作为评价气道性能的参数。

该方法与等气缸体积流量法一致。

因为对同一气缸来说，体积流量相等时，气流在气缸内的轴向流速也必相等。

所以气道压降也必然受到大气条件的影响。

若是采用无因次涡流比和气缸内外体积重率比作为评价参数将更加合适，重率比在某种意义上表征了流量系数。

试验是在不同气门升程下改变气体流量进行测量的。

（d）非稳定流动的逐点模拟法

该方法是以活塞从上止点到下止点的进气过程内，按一定曲轴转角间隔确定一组模拟点，根据相应气门升程和活塞瞬时速度进行稳流模拟，可以近似地测取内燃机进气终点气缸内涡流比和流量系数。

当内燃机转速改变时，相应模拟点的活塞速度也随之变化，则可以测到相应转速下的涡流比和流量系数，从而能画出流量系数和涡流比随转速变化的曲线。

但是，试验及数据处理相当复杂，加之模拟方法本身也是一种近似方法，脱离不了模拟试验台结构对数据的影响，因此应用不多。

本次毕业设计主要选用的进气系统的试验方法是等压差法。

通过稳流试验台的试验，验证设计猜想，进行进气系统的优化设计。

1.4.2供油系统的试验研究方法

供油系统的试验研究方法主要是化油器匹配。

本文选用的化油器为168F汽油机原装的P19、P19-1和P23化油器。

主量孔型号主要为66#、69#、70#、73#、75#、77#、78#。

通过运用DEWE800燃烧分析仪，电涡流测功机（9.6kW），OTC公司生产的STARGAS898型五气分析仪测得发动机的动力性、经济性和排放性各项指标，选择最优化油器与主量孔。

通过进、排气系统和供油系统的匹配试验的同时，还要参考168F进、排气系统与供油系统图纸，完成优化后的进、排气系统与供油系统图纸绘制。

1.5设计目的

通过完成168F汽油机进、排气系统设计及供油系统匹配，掌握一般的设计方法和思路，培养CAD绘图能力、查询文献能力及独立思考能力，最终达到一个内燃机工程设计人员所必备的基本能力要求。

1.6预期结果和意义

进行优化后的进、排气系统和供油系统能使得整机的动力性、经济性和排放性各项指标都能得到较明显的提升。

通过设计优化168F汽油机的进、排气系统和供油系统，可以学习到一般的设计方法、思路和流程，锻炼知识的联通、整合能力，培养独立思考能力等，从而初步达到一个工程设计人员必备的能力。

1.7工作任务

1）完成3万英文字符的专业论文翻译。

要求翻译正确、通畅，特别是专业术语要规范；

2）完成不少于3000汉字的调研报告。

要求通过大量参考文献的阅读，对所做内容的背景意义，所使用的研究、设计方法有深入的理解，据此可以选择合适的研究、设计方法，制定研究、设计计划；

3）试验研究影响168F汽油机进气量的主要因素，如空气滤清器试验和优化设计、化油器喉口直径优化试验及与供油量孔匹配，重点是合理确定改变喉口直径对供油规律的变化；

4）绘制所设计空气滤清器总成部件、化油器总成及零件、试验所需装置的的AutoCAD工程图纸；

要求工程图纸符合绘图规范，图面整洁、能达到工程应用的要求；

5）撰写毕业设计论文，包括试验研究的分析报告。

第二章进、排气系统的优化

2.1空气滤清器

2.1.1空气滤清器的作用

发动机在工作过程中要吸进大量的空气，如果空气不经过滤清，空气中悬浮的尘埃被吸入气缸中，就会加速活塞组及气缸的磨损。

较大的颗粒进入活塞与气缸之间，会造成严重的“拉缸”现象，这在干燥多沙的工作环境中尤为严重。

空气滤清器装在化油器或进气管的前方，起到滤除空气中灰尘、砂粒的作用，保证气缸中进入足量、清洁的空气。

2.1.2空气滤清器的结构

空气滤清器的主要组成部分是滤芯和机壳，其中滤芯是主要的过滤部分，承担着气体的过滤工作，而机壳是为滤芯提供必要保护的外部结构（如图2-1）。

如果在使用过程中，长时间不给维护保养，空气滤清器的滤芯就会粘满空气中的灰尘，这不但使过滤能力下降，而且还会妨碍空气的流通，导致混合气过浓而使发动机工作不正常。

图2-1空气滤清器

2.1.3空气滤清器对进气量的影响

空气滤清器的状态和结构会对进气量造成一定的影响。

一般情况下，当干式滤芯浸入油液或水分时，滤清阻力就会急剧增大，而从进气口进入的空气量是一定的，随着滤清阻力的增大，进入发动机进气道的空气量就将相应的减少，导致进气量不足的情况出现。

同时，当滤清器的结构设计的不合理时，气流不能顺畅的流通，也会导致进气阻力变大，进气量不足的情况出现。

2.2空气滤清器的优化方案

本次所选用的188F通用小型汽油机空气滤清器的进气孔直径为4×

φ14mm，进气孔长为76mm。

若增大进气孔直径，从进气孔进入空气滤清器的空气量就会增加，而滤清阻力是不变的，因此，进入发动机进气道的空气量也会相应增加，使得发动机的进气量充足，性能得以提高。

因此空气滤清器的优化主要是增加进气孔直径，增加进入空气滤清器的空气质量，以达到增加进气量提高发动机性能和降低排放的目的。

2.3进、排气道的优化方案

2.3.1进气道的优化

原进气道的水平方向向垂直方向过渡的最小截面处存在着截面积太小，而且几乎为直角，没有圆弧过渡，导致截流系数相当大的问题，使流通截面的突然变化引起“收缩断面”，使气体流动的阻力增大。

所以我们要使气道的过渡处尽量平滑，使得气道的截面面积变化规律最大程度上与合理的变化规律相符合。

我们通过将进气道的水平方向向垂直方向过渡处打磨成圆角，增加最小截面处面积来优化。

经过优化处理前后的进气道剖面图如下：

a.优化前的进气道剖面图b.优化前的进气道剖面图

图2-2优化前后进气道对比图

2.3.2排气道的优化

原排气道的水平方向向垂直方向过渡的最小截面处也存在着截面积太小，而且几乎为直角，没有圆弧过渡，导致截流系数相当大的问题，使流通截面的突然变化引起“收缩断面”，使气体流动的阻力增大。

其次排气道的水平方向锥度过大，也不利于排气。

我们也通过将排气道的水平方向向垂直方向过渡处打磨成圆角，增加最小截面处面积来优化。

相对进气道，我们还适当加大了排气道出口处的截面积，并将水平进气道的锥度减小，加大其流通系数。

我们用锉刀、砂纸将排气道打磨成我们需要的形状。

经过优化处理前后的排气道剖面图如下：

b.优化后的排气道剖面图

a.优化前的排气道剖面图

图2-3优化前后排气道对比图

2.4试验仪器

图2-4是智能型气道试验台的总体布置图。

气道试验台用叶片风速仪测量涡流转速，只要定期对叶片风速仪的轴承保养维护即可，方便可行。

试验中，可用涡流动量矩仪来测量涡流动量矩，然后用公式将涡流动量矩换算为当量叶片转速即可进行计算分析。

气门升程、压差、温度、流量、涡流转速等信号可用二次仪表直接数字显示，人工读数记录分析，也可经A/D转换由计算机测量分析。

用计算机采样分析可直接打印出试验记录和计算结果，并给出涡流比、流通系数随无因次气门升程的变化曲线，最后计算出Ricado、FEV、AVL涡流比和平均流量系数。

考虑到内燃机气缸直径变化较大，所以使用大、小流量计分别测量大、小缸径内燃机的进气流量，罗茨泵采用两级消声器来降低气体噪声。

气道试验台还有工作平台、气缸盖压紧装置、气门升程调节装置和气缸盖对中装置等，只要一次装夹即可。

换气缸盖时，只要更换模拟缸套。

叶片轴承座可取出，使更换叶片更容易。

1.气门升程传感器2.气门3.气缸盖4.模拟气缸5.叶片6.磁电式传感器7.压力传感器8.涡流动量矩仪安装接口9.稳压桶10.温度传器11.大流量计阀门12.大流量计13.小流量计14.小流量计阀门15.智能转速表16.气门升程显示仪表17.压力显示仪表18.温度显示仪表19.大流量显示仪表20.小流量显示仪表21.稳压桶22.A/D接线盒23.计算机24.打印机25.旁通阀26.泵27.流量调节阀

图2-4智能型气道稳流试验台示意图

2.5试验方法

2.5.1空气滤清器试验

将空气滤清器安装在气道稳流试验台上，按图2-4连接好试验仪器，分别进行如下两组试验：

方案一：

在空气滤清器进气孔直径一定的情况下，通过测量不同的进气孔长度下的体积流量，找出进气孔长度对进气量的影响。

方案二：

在空气滤清器进气孔长度一定的情况下，通过改变进气孔的直径，测量出不同的进气孔直径时的体积流量，找出进气孔直径对进气量的影响。

通过两组试验，选择一个最佳的空气滤清器进气孔长度和进气孔直径。

2.5.2进、排气道试验

将气缸盖安装在气道稳流试验台上，按图2-4连接好试验仪器，分别进行如下两组试验：

用优化前气缸盖，测量其进、排气道流通系数。

用优化后气缸盖，测量其进、排气道流通系数。

2.6试验结果及分析

2.6.1空气滤清器试验结果分析

空气滤清器气道试验方案一的结果如图2-5所示：

图2-5方案一

由图可知，进气孔长度对进气量的影响并不大。

经查阅相关资料可以得知，进气孔的设置是为了降低进气噪声，对进气量的影响并不大。

空气滤清器气道试验方案二的结果如图2-6所示：

图2-6方案二

由图可知，开孔后的体积流量有所增加，这是因为进气孔面积增加，从进气孔进入空气滤清器的空气体积便有所增加。

当开孔由11mm增加至12.8mm时，体积流量又有所增加，原因同上。

由此可知，当进气孔的直径变大以后，进入空气滤清器的空气量便有所增加，而滤清器的流阻值是一定的，因此发动机的进气量也会有所增加，发动机的动力性会得到一定的提高。

2.6.2进、排气道试验结果分析

对比方案一及方案二的试验数据，我们可以得到图2-7、图2-8：

图2-7优化前后的进气道流通系数

图2-8优化前后的排气道流通系数

由图2-7、图2-8可知，优化后的进、排气道流通系数有了较明显的提高。

因为优化后的进、排气道水平方向向垂直方向过渡处变成了圆角，气道的过渡处相对平滑，最小截面处面积有所增加，使得气道的截面面积变化规律最大程度上与合理的变化规律相符合。

因此气体流动的阻力相比优化前的进、排气道有所降低，优化后的进、排气道流通系数有了较明显的提高。

第三章供油系统的优化

3.1化油器

3.1.1化油器的作用

化油器的主要作用是燃料汽化的准备以及使燃料和空气按某种比例混合，以使发动机正常运转。

如果没有足够的燃料与空气混合，那么发动机将在“贫油”状态下运转，这将使发动机停止运转，也可能会损坏发动机。

如果有过量的燃料与空气混合，发动机将在“富油”状态下运转，这也将使发动机停止运转（化油器溢油），或者运转时产生大量的烟，甚至出现恶劣的运转状况（发动机停转），同时还会增加发动机的燃油消耗量。

3.1.2化油器的构造及工作原理

3.1.2.1化油器的主要构造

化油器由上中下三部分组成，上部分有进气口和浮子室，中间部分有喉口、量孔和喷管，下部分有节气门等。

在化油器进气口还接有空气滤清器，因为空气中含有尘粒，为了防