吉林大学毕业生毕业设计热能与动力工程发动机四缸汽油机及活塞设计.docx
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吉林大学毕业生毕业设计热能与动力工程发动机四缸汽油机及活塞设计
摘要
汽车行业自诞生起到现在100多年间,汽车工业从无到有,发展速度惊人,相关技术不断创新发展,逐渐走向成熟。
到目前为止,汽车动力性和排放性是各国关注的焦点。
而发动机作为汽车的心脏,是汽车中最重要的组成部分,改进发动机结构或者使用新型燃料是目前汽车改善其动力性和排放性的主要方向。
所以充分熟悉发动机构造特点,进行改进设计是研究开发发动机必不可少的环节。
本设计以1987年中国第一汽车集团从美国克莱斯勒公司引进、由第一汽车集团生产的CA488系列发动机为例进行缩小缸径的改进设计,将CA488缩小缸径改进成CA485。
通过对CA485发动机两大机构和四大系统的全面介绍,能够进一步了解汽油机的工作原理及其特点,从而对汽油机的内部构造进行全面的熟知。
除此之外,本文还总结了国内外车用发动机发展现状,汽油机技术的发展趋势和汽车排放法规等内容。
CA485为直列四缸、四冲程、火花点火式发动机,并采用顶置凸轮轴和齿形带正时等技术。
关键词:
汽油机,曲轴,连杆,飞轮,设计,活塞
Abstract
Theautomotiveindustrysinceitsbirthuntilthepresent100years,theautoindustryfromscratch,developingatanalarmingrate,relatedtechnologyinnovationanddevelopment,andgraduallymature.Sofar,vehiclepowerandemissionsisthefocusofnationalattention.Theengineastheheartofthecar,thecaristhemostimportantpartofimprovingthestructureoftheengineortheuseofnewfueliscurrentlythemaindirectionofthecartoimproveitspowerandemissionlines.Sofullyfamiliarwiththeinternalstructureoftheengine,theengineimprovementsisanessentialstepinresearch.
Inthispaper,in1987ChinaFirstAutomobileGroupfromtheUnitedStatesChryslerintroducedbytheFirstAutomobileGroupproductionofCA488seriesengine,forexampletoforsmallerdiameterdesignimprovements,willCA488smallerdiameterimproveintoca485.throughthetwoinstitutionsandthefourengineCA485systematicandcomprehensiveintroductiontofurtherunderstandtheworkingprincipleofgasolineitscharacteristics,andthustheinternalstructureofthegasolineenginetoconductacomprehensiveknown.Inaddition,thepaperalsosummarizesthecurrentsituationofdomesticandforeignautomotiveenginedevelopment,thedevelopmenttrendofautomobilegasolineenginetechnologiesandemissionregulationsandsoon.
CA485fortheinlinefour-cylinder,four-stroke,spark-ignitionengine,andtheuseofoverheadcamshaftandtoothedtimingbelttechnology.
Keywords:
gasolineengine,crankshaft,connectingrod,flywheel,design,piston
第一章绪论
1.1国内外车用发动机发展现状
汽油机体积小、重量轻、起动方便、运转平稳、转速快,主要用于轿车和轻型车上。
近年来,随着科学技术的迅速发展,国外的汽车发动机技术有了很大的发展。
在汽油机方面的主要先进技术有缸内直喷技术,多气门技术,涡轮增压,双顶置凸轮轴,可变气门,停缸技术等。
总的发展特点就是寿命长、燃油消耗低、污染低。
目前,汽油机主要朝着节能减排的方向发展。
我国从1956年开始发展汽车工业,到目前为止,已经取得了很大的进步。
但从整体上而言,国内的技术还不太完善,与国外有一定的差距。
国内大部分机型都采用了国外的一些先进技术,例如北京现代等企业引进的多气门、双顶置凸轮轴技术和可变气门技术。
在引进国外先进技术的基础上,国内也开发出了一部分的自主品牌,例如吉利开发出了带可变技术的自主品牌。
但也有些技术在国内尚未达到批量生产的水平,例如汽油机直喷技术,停缸技术,可变压缩比等技术。
从总的发展趋势上看,我国汽油机的技术水平与国际先进水平相比仍有差距,并且在品种方面也有缺档情况,但我国已朝着国际先进水平发展。
1.2汽车排放法规简介
汽车排放法规指的是国家通过立法来限制机动车尾气排放物的排放量。
在汽车行业发展的100多年间,汽车排放法规也逐渐成形。
世界排放法规逐渐形成以美国、日本和欧洲为代表的三大主要体系。
大部分国家在一定程度上借鉴美国和欧洲的排放法规,来形成符合本国国情的排放法规。
目前,由于汽车尾气污染的严重化,排放法规也逐渐严格化。
1.2.1美国的汽车排放法规
美国的汽车排放法规有两种,分别是加利福尼亚排放法规与联邦排放法规,加州排放法规比联邦法规先进1-2年,而且加州是世界上排放法规最严格的地区。
美国加州1960年立法控制汽车排放法规,到目前为止,加利福尼亚实行的加州LEVⅢ是全球最严格的排放标准,LEVⅢ要求PM不能高于0.01g/km,HCHO(甲醛)不能高于4mg/km,CO(一氧化碳)不能高于4.2g/km,NMOG(非甲烷有机气体)+NOX不能高于0.16g/km。
1.2.2欧洲的汽车排放法规
欧洲排放是由欧洲经济委员会的排放法规和欧盟的排放指令共同加以实现的。
欧洲从1992年起开始实施欧Ⅰ,1996年起开始实施欧Ⅱ,2000年起开始实施欧Ⅲ,2005年起开始实施欧Ⅳ,2008年起开始实施欧Ⅴ,2014年开始实施欧Ⅵ标准的第一阶段,预计2017年开始实施第二阶段。
欧Ⅴ标准要求最大颗粒排放为0.005g/km,氮氧化合物排放量为0.2g/km,而欧Ⅵ标准相比于欧Ⅵ标准将颗粒排放和氮氧化合物排放分别降低66%和80%。
欧六排放法规中,对汽油机NOX排放的限制不变,而对柴油机NOX的排放降为80mg/km。
1.2.3日本的汽车排放法规
日本的汽车排放法规是从1966年起开始实施的,其法规规定CO排放不能超过3%,1969年降低到2.5%,1971年规定小型车CO排放不能超过1.5%,轻型车CO排放不能超过3%。
日本于2009年10月开始实施限制氮氧化物和颗粒物排放更为严格的标准,颗粒物排放减少为原来的三分之一,氮氧化物减少至0.08g/km,汽油车的氮氧化物排放量为0.06g/km。
1.2.4中国的排放法规
1983年我国颁布了GB3842-83、GB3843-83和GB3844-83三个车用的发动机废气排放标。
1991年,北京市开始实施国家一第阶段机动车污染物排放标准。
2004年7月,全国范围内开始实施国二排放标准。
2005年12月,北京市针对车用发动机废气排放实施国三排放标准,2007年7月,全国范围内针对车用发动机废气排放实施国三排放标准。
国三的排放标准相当于欧三的排放标准。
2013年全国范围内实施国四排放标准,国四标准要求汽油车CO排放量减少为1g/km,HC排放量减少为0.08g/km;柴油车CO排放减少为0.5g/km,NOX排放减少为0.25g/km,颗粒物减少为0.025g/km。
2013年9月,环保局发布国五排放标准,北京市率先实施轻型车国五排放标准,2017年1月起,全国将全面实施国家第五阶段机动车污染物排放标准。
相比于国四的标准,国五的标准轻型车氮氧化物排放可以降低25%,重型车氮氧化物排放可以降低43%。
我国先后制定了国一到国四排放标准,都是借用了欧洲排放体系。
从国一到国四,每提高一次标准,单车污染减少30%-50%。
北京市争取在2016年实施京六排放标准,而京六标准将借鉴美国体系。
1.3汽油机技术的发展趋势
现在,发动机技术的不断发展和排放法规的愈加严格,要求汽车向着高功率、大转矩、低油耗和低排放的方向发展。
近年来,汽油机技术出现了以下几个新的发展趋势。
1.3.1机械增压和涡轮增压相结合的双增压技术
机械增压是利用发动机曲轴直接驱动压气机,压气机压缩进气来提高进气压力的一种增压方式。
这种增压方式能够极大的提高发动机功率,匹配性较好,结构较紧凑,在低速情况下,增压效果比高速时好。
发动机转速较高时涡轮增压效果明显,而瞬态响应特性较差,低速加速性较差。
机械增压和涡轮增压相结合的双增压技术实现了这两种不同类型增压系统的优势互补。
转速较低时,起主要作用的是机械增压,绝大部分的压力由机械增压提供;随着转速的不断增加,涡轮增压起到的作用不断提高,增压压力由机械增压和涡轮增压共同提供;转速较高时,涡轮增压成为主要增压方式。
当发动机转速超过3500r/min时,全部的增压压力由涡轮增压提供,机械增压停止工作。
1.3.2缸内直喷技术
传统汽油机的汽油和空气是在进气歧管内混合,只有二者混合后达到理论空燃比时,发动机才能有良好的动力性和经济性。
但事实上要实现理论空燃比很难,也就无法获得理想的发动机性能。
缸内直喷技术是通过CPU控制喷油器,把燃料在合适的时机喷入燃烧室内,同时合理设计燃烧室形状,使混合气在燃烧室内产生涡流,促进空气和汽油的充分混合,并且形成混合气在火花塞附近浓度较高,远离火花塞的区域浓度较低的局面。
这样可以保证顺利点火并且最大程度上的实现稀薄燃烧。
这种技术对于汽油机来说,极大的提高了燃油经济性和功率。
1.3.3HCCI技术
传统的汽油机采用火花塞点火,这种发动机在火焰传播过程中,燃烧混合气的温度比未燃混合气高很多,所以,气缸内的温度分布极不均匀,在高温区域会产生大量的NOX,影响发动机的排放性和性能。
HCCI技术是指均质混合压燃技术,即在气缸内形成空气和汽油的均匀混合气,活塞直接压缩混合气使混合气自行燃烧。
在发动机压缩行程快结束时,将汽油喷入气缸内,汽油雾化成小油滴,在气缸内与空气充分均匀的混合;同时,活塞继续上行,压缩混合气,使混合气温度升高到一定程度时发生自燃。
HCCI技术使气缸内所有的混合气同时燃烧,改善了火花塞点火式发动机温度不均的现象,同时,提高了发动机的燃油经济性,减少了热损失,避免出现局部高温的情况,降低了氮氧化物的产生。
1.3.4可变气门升程技术
传统的汽油机其气门升程是固定不变的,在高速和低速时气门升程是一样的。
而可变气门升程技术是指发动机在高速和低速时气门升程是不同的,即在转速较低时,气门升程较短,产生较大的进气负压力;在转速较高时,气门升程较长,进气量多,提高充气效率。
这种可变气门技术可以改善发动机低转速时的低转矩情况,同时,降低油耗,提高功率,减少污染。
1.3.5自动启停技术
发动机自动启停技术是指在车辆正常行驶过程中需要临时停车时发动机自动熄火,当需要继续前进时,自动重启发动机的一套系统。
这种技术适用于比较拥堵的路况。
自动控制发动机的熄火和起动,能够有效的减少发动机怠速空转的时间,同时,能够极大的提高燃油经济性,降低排放。
1.4本次设计课题
主要任务:
1、对CA488进行缩小缸径改进设计改成CA485,缸径由87.5mm缩小到85mm,行程不变,压缩比由8.1:
1增加到9:
1。
2、CA485发动机的整机设计。
3、CA485发动机的曲轴、连杆、活塞和飞轮的结构设计。
任务量:
1、绘制发动机横纵剖整机图和曲轴、活塞的零件图。
2、编写毕业设计说明书一份。
3、外文文献翻译一份。
第二章CA485发动机设计思想、主要特征和技术参数
2.1设计思想
CA488系列发动机是一汽集团从美国克莱斯勒引进的2.2L发动机,主要应用于轻型车而且大量生产,通用化程度高。
为了提高发动机效率、改善燃油经济性,本设计对CA488进行缩小缸径、提高压缩比的改进、将CA488改成CA485,所以CA485大体的结构及设计思路与CA488是相同的。
设计时要求该发动机结构合理、体积小、质量轻、噪声低,具有较高的动力性和良好的经济性。
2.2主要特征
CA485是直列四缸汽油机机,水冷式,四冲程发动机,凸轮轴结构顶置,配气正时是由齿形带传动。
气门单行排列,带有自动间隙调节器和进气恒温装置。
为了方便汽油机的维护和保养,化油器或节气门体之后到气缸盖进气道之前的进气管路与分电器等附件都安置于异侧,为了依次驱动机油泵、汽油泵和分电器在机体内设置了中间轴。
水泵和电动机之间,风扇和电动机之间都是由三角带传动的。
两根三角带都绷紧的。
空气滤清器及化油器位于发动机上方,为了减少发动机高度,气缸周线向右倾斜,与竖直方向呈12°角。
该发动机采用的是顶置凸轮轴结构是由齿形带传动的。
配气机构采用的摇臂是滚轮式摇臂,气门间隙调节器为液压间隙调节器,较好的降低了噪声,并且大大的改善了怠速时的经济性。
进气管的预热方式为水预热,可使进气温度保持在一定范围内,燃烧稳定,排放符合新标准。
气缸盖的材料为铸铝,可以降低发动机重量并提高传热性能。
气门呈直线布置,此发动机采用的快速燃烧室可以增加进气量,从而提高发动机动力性,还可以改善排放和整车性能。
曲轴的材料为球墨铸铁,并且在各轴颈圆角进行沉割式圆角滚压工艺,以提高其的疲劳强度。
该发动机的冷却系统为封闭压力式,安装有电机驱动风扇,可降低燃油消耗。
该发动机采用从德国引进的PIERBURG2E3化油器,具有良好的经济性能和排放性能。
其缺点是:
因为中间轴的安置,使得汽油机的传动和缸体的结构变得复杂,铸造的工艺性差,并且在结构上,液压气门间隙调节器会带来一些不可避免的机械功的损失。
皮带轮的安装方式采用的是绷紧式会使得皮带在需要调节的时候不方便操作。
CA485汽油机的横纵剖面图如图1所示。
图1:
CA485汽油机横纵剖面图
2.3主要技术参数
型式
四行程直列水冷顶置凸轮轴化油器式汽油机
气缸数
4
缸径×行程(mm)
85×92
排量
2.09L
压缩比
9
最大功率/转速
(Kw/r/min)
65/4500
最大扭矩/转速
(N·m/r/min)
157/2800
最低燃油消耗
(g/Kw·h)
292
气缸压力(KPa)
不低于896
气缸点火顺序
1-3-4-2
配气相位
进气门开启,上止点前0°
进气门关闭,下止点后56°
排气门开启,下止点前44°
排气门关闭,上止点后8°
气门重叠角
8°
进气门开启延续角
236°
排气门开启延续角
232°
发动机安装角
右倾12°,前倾1°
供油方式
化油器式
总质量(kg)
145
外形尺寸
(长×宽×高)(mm)
508×597×660
燃油标号
含铅量不超过0.005g/L的90号优质无铅汽油SH0041
润滑油标号
SF10W/30GB11121
第三章CA485型发动机的总体布置
3.1机体组
机体组是构成发动机的支架,是内燃机所有的零件和附件的装配基体。
机体组应该包括气缸盖、气缸体、曲轴箱、油底壳等部分。
在实际的工作中,机体承受着比较复杂的载荷气缸盖所受到的气压力通过螺栓作用给机体,使其受到拉伸力的作用;作用在活塞上的气压力通过曲轴连杆组使机体受到翻到力矩的作用;此外机体内还存在不平衡力偶,使机体受到弯曲力的作用。
3.1.1气缸体
(1)概述
基于结构紧凑、刚度及强度均满足要求、轻量化的设计原则,气缸采用的是无缸套式的气缸,气缸与气缸之间采用的是没有水套的连体方式。
这样的结构设计使得气缸体的机械加工性能比较好。
缸径为85mm,缸心距为96mm。
(2)材料
铸造缸体的材料是低合金铸铁,这种材料的主要成分是含Cr0.25%~0.40%,Mn0.60%~0.90%。
硬度HB170~229,这种材料的铸造性能和流动性比较好,充模比较简单。
铸造成型后的机械加工性能好,并且刚度和强度能够满足设计的要求,而且成本比较低。
(3)结构
该发动机采用无缸套气缸大幅的减小发动机的纵向长度,其气缸为气缸间无水套连体式的气缸。
因为气缸中没有缸套,所以在缸筒内壁附有耐磨合金层解决其与活塞间的耐磨性问题。
缸体里面有面积较大的水套的进水口,使气缸具有良好的铸造工艺性。
气缸体右侧装有一个驱动附件的中间轴,并且是由齿形带来驱动中间轴的正时齿轮。
汽油泵、机油泵和分电器都是由中间轴来驱动的,机油泵固定在缸体的曲轴箱内的平面上,机油泵是由与其配合的斜齿轮驱动,斜齿轮是由中间轴驱动,分电器是安装在缸体的左侧上方,汽油泵、机油滤清器、水泵法兰都铸在缸体的侧面。
为了缩短整机长度,在缸体的前、后端面上采用固定整体式的曲轴油封座。
为了保证活塞、连杆工作平顺和增加曲轴刚度,曲轴采用的支撑方式是全支撑。
气缸体的结构如图2所示
图2:
缸体的结构
3.1.2气缸盖
(1)材料
气缸盖是用铝合金材料压铸而成,硬度为HB80。
铝合金材料可以实现轻量化的设计要求和提高气缸盖的传热性能。
此外,铝合金的流动性能比较好,充模比较容易。
(2)结构
该汽油机采用的是整体式气缸盖,顶置凸轮轴的5个轴承座与缸盖铸成一体。
进、排气门呈直线布置,其截面积分别为9.1cm2和8.52cm2。
火花塞位于气缸盖左侧。
缸盖上钻有纵贯全长的主油道和与主油道相通的分油道,为了润滑气门间隙调节器和凸轮轴轴承。
CA485的燃烧室是由浴盆形燃烧室改进而来的,这个燃烧室是由气缸盖的下平面上的四个凹坑和活塞顶部构成的。
火花塞布置在燃烧室中心,可以缩短火焰传播距离,同时,混合气沿切线进入燃烧室,减少进气损失,降低爆震倾向。
图3.1:
缸盖快速燃烧室
图3.2:
燃烧室的大致形状
为保证缸体密封,在气缸盖与缸体之间放上有弹性的气缸垫,并用高精度缸盖螺栓连接缸盖和缸体,此外,缸盖螺栓必须严格按照规定的顺序和扭矩拧紧。
气缸盖外安装有气缸盖罩,冲压而成,为了减少由于曲轴箱通风而带走机油,在气缸盖罩内装有挡油罩。
压缩比ε=
=
=
=9
3.1.3油底壳
油底壳是用来贮存机油并且在内部加隔板防止机油震荡产生泡沫。
油底壳是由2mm钢板冲压而成的,减轻质量但噪声比较大。
油底壳的前部的底端焊有放油塞,总体结构是前深后浅。
油尺位于机油盘的左侧,可以用来查看机油量。
3.2曲柄连杆机构的设计
曲柄连杆机构的主要作用是把作用在活塞上的气压力转变成曲轴的转矩,从而实现了汽油机机械能的输出。
曲柄连杆机构是由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组组成的。
曲柄连杆机构是在高温、高压、高速和化学腐蚀的环境下工作的。
所以,曲轴连杆机构的设计必须保证曲柄连杆机构工作稳定性和可靠性。
3.2.1活塞连杆组的设计
活塞连杆组的作用是将活塞的上下运动转变为曲轴的旋转运动,并且作用在活塞上的力和曲轴的对外输出转矩之间的转换也是通过活塞连杆组实现的。
活塞、活塞环、活塞销、连杆等部件构成了活塞连杆组。
活塞连杆组结构如图4所示。
1、活塞组的设计
(1)概述
活塞主要的作用是传力、导向、密封传热和配气。
活塞组主要由活塞、活塞销、活塞环三部分组成。
(2)设计的要求
a、保证气缸的密封性(活塞环结构,活塞与气缸壁之间的间隙设计要符合要求);
b、保证活塞组工作的可靠性(材料选用,温差小,防止变形,结构合理,
润滑良好);
c、在满足强度和刚度的条件下,尽可能的减小质量,以减小往复惯性力;
d、保证尽可能小的摩擦损失和磨损;
e、易于制造,成本低
图4:
活塞连杆结构图
(3)材料
为了使发动机能够良好的运行,要求活塞的材料密度小、加工性能好、热膨胀系数小、耐磨性好、热传导性能好和力学性能好。
为此,活塞采用亚共晶铝硅合金材料。
铝合金的比重小,重量轻,惯性小,适合于高速发动机;另外铝合金导热性能好,可以降低活塞的温度,使汽油机的充气系数提高,还可以防止润滑油变质,改善工作环境。
此外,铝合金热膨胀系数小,使活塞在热态时与缸套贴合较好。
对于汽油机来说,采用铝合金铸造而成的活塞还可以提高压缩比,改善发动机的性能。
(4)活塞结构
图5:
活塞结构剖视图
a、活塞顶部
燃烧室的选择与设计决定了活塞顶部的形状,而活塞的直径、发动机的转速、功率、动力性、经济性、可靠性以及排放等又决定了燃烧室的选择。
b、活塞头部
活塞的头部是活塞环槽以上的部分主要包括活塞顶,火力岸和活塞环带三部分。
活塞头部要安装活塞环所以壁厚应该厚一些且有利于热传导。
本设计中活塞的火力岸的高度为10.176~10.426mm,该尺寸可以保证第一环的温度不至于过高。
c、活塞裙部
我们通常把自油环槽的下端面起至活塞底面的部分叫做活塞裙部。
活塞裙部设计,要求保证活塞正常工作时,裙部和气缸壁之间有足够小并且适当的比压,还有裙部保持正确的圆柱形形状。
活塞工作时,裙部会产生三种变形:
(1)气缸壁作用给裙部的侧压力,使裙部有被压扁的倾向,销孔方向尺寸会伸长。
(2)燃气压力作用在气缸顶部,还有往复惯性力的作用,也使销孔方向裙部尺寸变大。
(3)高温引起活塞的膨胀,因销座位置的壁厚、材料多,所以热变形要更严重些。
三种变形均使得裙部沿销轴方向尺寸变大。
。
本设计采用了两种方法来解决这一问题:
(1)在活塞销孔的两端铸出凹陷面,减小销孔方向的金属堆积。
(2)在活塞中镶铸比铝合金的热膨胀系数小得多的材料,使镶片的中间小部分铸入销座,大部分内贴铝层表面,以阻碍活塞裙部的热变形,并且利用钢铝双金属作用减小推力面上的尺寸胀大。
镶片材料选用含镍35%的恒范钢。
由于活塞中温度分布不均匀,顶部温度高,裙部温度相对较低,所以将活塞设计成下大上小的锥台型。
这种结构有利于活塞外表面与气缸套之间形成双向楔形油膜,有助于提高润滑能力和承载能力。
本设计中还对活塞裙部使用砂轮加工出规则的凹凸轮廓,凸处容易磨去,可以加快磨合过程,凹处可以存储润滑油,有利于减小摩擦阻力并提高抗咬合性能。
为了避免曲轴平衡块和裙部相撞,在销孔轴线方向将裙部铣去两块,这样既有助于轻量化,又避免了干涉,还不会影响活塞的导向。
还需要对裙部外表面进行磷化处理,改善其耐磨性。
d、活塞环
活塞环有五种性能要求:
密封性、磨合性、刮油性、抗擦伤性和减磨性。
为了减少摩擦所作的功,提高密封性能,本设计采用两道压缩气环和一道钢片组合式油环构成活塞环带。
气环:
气环的主要作用是密封和导热。
要正确的选择环和
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