2100T二甲醚发动机的活塞设计说明书

毕业设计说明书

题目:2100T二甲醚发动机的活塞

设计

学院(直属系):交通与汽车工程学院

目录

摘要 (3)

Abstract (3)

1 绪论 (4)

1.1 车用新型燃料概述 (4)

1.2 二甲醚作为代用燃料的优势 (5)

1.3 本课题选题意义及目的 (9)

1.4 设计的主要容及工作 (9)

2 发动机工作过程计算 (11)

2.1 本课题2100T二甲醚发动机原始参数 (11)

2.2 二甲醚发动机工作过程计算 (11)

3 活塞组设计 (14)

3.1 活塞材料选择 (14)

3.2 活塞结构设计 (15)

3.2.1 活塞头部设计 (15)

3.2.2 活塞裙部设计 (16)

3.2.3 活塞与气缸配合间隙 (17)

3.3 活塞环的设计 (17)

3.3.1 气环的设计 (17)

3.3.2 油环的设计 (19)

3.4 活塞销的设计 (19)

4 活塞热分析 (20)

4.1活塞热负荷概述 (20)

4.2 有限元模型的建立 (20)

4.2.1 活塞主要参数 (20)

4.2.2 三维几何模型的建立 (21)

4.3 活塞温度场边界条件 (22)

4.4 活塞温度场有限元分析 (23)

4.5 本章小结 (26)

5 活塞机械负荷分析 (27)

5.1 活塞的热负荷 (27)

5.1.1 活塞热应力有限元分析 (27)

5.2 活塞的机械负荷 (29)

5.2.1活塞受力分析 (29)

5.2.2 活塞顶气体压力 (29)

5.2.3 活塞往复惯性力 (30)

5.2.4 活塞裙部法向压力的确定 (31)

5.3 机械应力边界条件 (32)

5.4 活塞和机械负荷综合有限元分析 (32)

5.5 本章小结 (34)

6 总结 (35)

总结和体会 (37)

致 (38)

参考文献 (39)

2100T二甲醚发动机活塞设计

摘要

本文分析了柴油机使用二甲醚代用燃料的现状和优势，并根据二甲醚燃料的特殊理化性质，对二甲醚发动机的活塞进行了设计，并用ANSYS有限元软件对活塞的热负荷和机械负荷进行耦合分析，为2100T二甲醚发动机活塞的耐久性和可靠性提供科学依据。分析结果显示，活塞的温度分布很不均匀，最大的温差达到了将近100K，这导致了活塞部具有很大的热应力，通过ANSYS软件，分析出了活塞腔顶部、第一环槽、第四道活塞环槽下沿和活塞销座上方外侧的热应力较大；活塞顶部热膨胀最严重。同时对活塞进行了热力耦合分析，分析结果表明设计出的活塞，符合热力要求。

关键词:二甲醚活塞热力耦合有限元

The design of 2100T DME engine piston

Abstract

This paper analyzed the use of DME engine status and benefits of alternative fuels , DME engine piston designed under the DME fuel special physical and chemical properties, and piston thermal and mechanical loads are coupled analysis by using ANSYS finite element software . Providing a scientific basis of 2100T DME engine piston durability and reliability. The results showed that the piston’s temperature distribution is uniform , the maximum temperature reached nearly 100K, which led inside the piston

has a great thermal stress . Analysis of maximum thermal stress of the piston cavity in the top of the piston by ANSYS software . Also conducted a piston coupled thermal analysis and the results found in this design for the 2100T piston , which meeting the strength requirements.

Keywords:DME Piston Thermal coupling FEM

1 绪论

能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础之一，化石能源（主要指石油、煤、天然气）仍是当今世界的主要能源。20世纪50年代以后，全世界经历了三次重大的石油危机，由于石油危机的爆发，对世界经济造成巨大影响，国际舆论开始关注起世界能源危机问题。许多人甚至预言：世界石油资源将要枯竭，能源危机将是不可避免的。如果不做出重大努力去利用和开发各种能源资源，那么人类在不久的未来将会面临能源短缺的严重问题。所以现在人类迫切的需要找到代用燃料，来缓解石油资源匮乏和需求之间的矛盾。1995年以来, 丹麦技大学、AVL 等公司对二甲醚用于柴油机进行了研究。在我国, 1997年交大开始进行直喷式柴油机燃用二甲醚性能研究, 成功改造了高速二甲醚发动机并获自主知识产权,并于2000年9月成功研制出我国第一台二甲醚城市中巴车;2005年6月,上汽集团、交大联合上柴股份和焦化成功开发了我国首辆无黑烟二甲醚公交客车; 2005年9月交大和久泰联合开发了我国第一台油、二甲醚混合燃料客车[1]。所以我们可看出柴油机改用二甲醚为燃料越来越受人们所关注。

首先我们知道活塞是燃机的核心部件之一，它与活塞销、活塞环一起组成活塞组在气缸里作往复运动。它在高温、高压，高速、润滑困难，同时承受交变载荷的恶劣条件下工作。发动机故障大部分出现在活塞上，特别是强化程度越来越高的柴油机，活塞出现的故障约占整个柴油机故障的半数以上[2]。综上所述，要对燃机的燃料进行更改，考虑活塞的重新设计与强化，是必不可少的。