可变压缩比活塞结构设计与试验研究

论文摘要

随着排放法规和燃油经济性要求的提高,低能耗、高性能、低污染、高寿命、多样化、新结构成为当今发动机的特点。尽管如此,发动机在部分负荷工况、怠速工况及启动工况整体性能差的问题始终得不到很好的解决,尤其是经济性能和排放性能方面。因此,开发低能耗、低排放的发动机成为当今发动机研究的热点。本研究在柴油机活塞内部加装VCR机构,提出了一种VCR发动机(Variable Compression Ratio可变压缩比)的技术方案。完成了VCR机构的方案选型、计算设计和零部件加工。采用静态模拟试验和动态模拟试验,验证了VCR活塞的技术可行性。VCR活塞由活塞头部、活塞裙部和安装在活塞头和活塞部之间的VCR机构组成。所提出的VCR发动机采用预先提高压缩比,使得VCR发动机在部分负荷工况以较高压缩比工作,提高发动机经济性和动力性、降低排放。在高负荷工况时,VCR活塞控制缸内爆压,保证发动机的可靠性。VCR机构的设计包含了弹性元件的选型、变力臂位移机构和辅助机构的设计；从理论上分析了VCR机构的受力情况,初步确定了变力臂机构各零部件的位置关系和几何尺寸；进行了弹性元件的计算、比较,选择碟簧类型和组合方式；确定辅助机构的基本尺寸,并进行了核算；绘制出了全部活塞VCR机构零部件图纸,提出了VCR机构的零部件机加工和热处理的要求。对VCR活塞进行了多方案的试验研究,在液压式万能试验机上进行静态力学模拟试验,考察了活塞VCR机构方案的合理性及零部件的可靠性；在MTS试验机上进行动态模拟试验,考察了VCR机构在动态加载下的变形情况以及机构的稳定性。试验研究表明：所提出的VCR活塞的技术方案基本合理可行,能够实现预先设定的VCR控制策略；活塞VCR机构基本稳定、可靠,零部件设计满足要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究方案
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 技术路线
• 第2章 VCR活塞方案设计
• 2.0 发动机可变压缩比技术
• 2.1 压缩比对发动机性能的影响
• 2.1.1 提高压缩比对发动机性能的贡献
• 2.1.2 压缩比提高的局限性
• 2.2 VCR活塞的设计思想
• 2.2.1 135型柴油机介绍
• 2.2.2 VCR活塞设计思想
• 2.2.3 VCR活塞变形曲线
• 2.4 VCR活塞结构方案设计
• 2.4.1 VCR活塞基本特点
• 2.4.2 常见设计方案及比较
• 2.4.3 VCR活塞方案的确定
• 2.5 本章小结
• 第3章 VCR活塞结构设计与计算
• 3.1 结构组成和工作原理
• 3.1.1 基本组成
• 3.1.2 工作原理
• 3.2 变力臂位移机构的设计
• 3.2.1 VCR机构受力分析
• 3.3.2 VCR机构元件设计
• 3.3 弹性元件的设计
• 3.3.1 对弹性元件的要求
• 3.3.2 弹性元件的选型
• 3.4 辅助机构的设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 VCR活塞静态力学试验研究
• 4.1 静态试验系统介绍
• 4.2 试验目的及内容
• 4.2.1 试验目的
• 4.2.2 试验内容
• 4.3 试验方法及加载方案
• 4.3.1 装配与定位
• 4.3.2 预紧力的调节
• 4.3.3 试验加载方案
• 4.4 弹性元件理论分析与试验研究
• 4.4.1 验证标准碟簧的特性曲线
• 4.4.2 热处理对碟簧特性的影响
• 4.4.3 变力臂对碟簧特性的影响
• 4.4.4 变厚度对碟簧特性的影响
• 4.5 VCR机构的理论分析与试验研究
• 4.5.1 影响VCR机构变形的因素
• 4.5.2 实现VCR机构变形的措施
• 4.5.3 VCR机构特性试验曲线及分析
• 4.6 VCR机构零件强度分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 VCR活塞动态模拟试验研究
• 5.1 动态试验机介绍
• 5.2 动态试验目的
• 5.3 动态实验内容及加载方案
• 5.4 试验结果及分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文