2.7T車用柴油機熱力計算及高壓共軌供油系統(tǒng)設(shè)計1

1、central south university本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）題 目 2.7t車用柴油機熱力計算及高 壓共軌供油系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 學(xué) 院 專業(yè)班級 完成時間 年 月 日 中南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 摘要 2.7t車用柴油機熱力計算及高壓共軌系統(tǒng)設(shè)計摘 要：設(shè)計簡要介紹了車用柴油機的組成，并詳細(xì)進行了2.7t車用柴油機的參數(shù)及熱力計算。采用四沖程，直列六缸，渦輪增壓中冷，直噴燃燒室，壓縮比為10.8。標(biāo)準(zhǔn)工況下，熱計算和熱平衡結(jié)果為有效功相當(dāng)?shù)臒崃空既剂峡偀崃康?8%。外特性參數(shù)結(jié)果為有效功率81.7kw,有效扭矩236.41nm，。燃料有效油耗176.8g/kwh。并且隨著轉(zhuǎn)速的提

2、高油耗率先降低后升高，在2000rpm時有最小值157.03g/kwh，每小時耗油量和機械損失壓力隨著轉(zhuǎn)速的提高而增加。而后進行了高壓共軌供油系統(tǒng)設(shè)計，其中噴油泵采用的是用負(fù)荷彈簧和旋轉(zhuǎn)軸凸輪使柱塞運動的滑閥式噴油泵。噴油器選擇4孔長型噴油嘴,出油閥選擇等容式出油閥，輸油泵選擇活塞式輸油泵，與國內(nèi)外主流車型相比，在燃油經(jīng)濟性方面具有較大優(yōu)勢，排放能達(dá)到歐iii標(biāo)準(zhǔn)，零部件的設(shè)計加工比較容易，整車性能較穩(wěn)定。理論結(jié)果表明，所設(shè)計的供油系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：車用柴油機；高壓共軌；供油系統(tǒng)；噴油量i 中南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 abstract 2.7 t automotive diesel en

3、gine thermodynamic calculation and the high pressure common rail system designabstract:this paper introduces the composition of vehicle diesel engine briefly,and march the parameter and thermodynamic calculation of the 2.7 turbo automotive vehicle diesel engine in detail,the system use four cycle ,s

4、traight-four and turbo charging with inter-cooling,straight spray combustion chamber engines,the ratio of compression is .when standard conditions the parameter and thermodynamic calculation result is effective work considerable heat accounted for 47.2%of the total fuel heat.external characteristic

5、parameter results are the effective power is 80.4kw,effective torque is 233nm,effective fuel consumption rate is 179.6g/kwh.and as the rotational speed increases fuel consumption first decreased and then increased,when rotational speed is2000rpm,has minimum value 158.35g/kwh,per hour fuel consumptio

6、n and mechanical losses pressure increases as the rotational speed increases,then this paper designs of high pressure common rail fuel injection system.the injection pump is slide-valve fuel injection pump which causes the plunger movement by used load spring and the rotation axis of the cam,when st

7、andard conditions,injector select 4-hole long style,outlet valve choice constant volume type ,oil pump choice piston type,when compares with the domestic and foreign mainstream vehicle type has a large advantage in fuel economy,and emissions can reach euro iii standards,parts easy to design and proc

8、essing .the entire vehicle performance is stable .theoretical results show that the design of the fuel supply system can meet the design requirements.key words：vehicle diesel engine;high pressure common rail;fuel system;fuel injection volumeii 中南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 目錄 目 錄摘要及關(guān)鍵詞i absractii符號說明v1 緒論11.1 柴油機國外發(fā)展現(xiàn)

9、狀11.2 柴油機國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀21.3 國內(nèi)外典型車型數(shù)據(jù)對比22 方案選擇及總體設(shè)計42.1 柴油機主要參數(shù)的確定42.1.1 沖程數(shù)的選擇42.1.2 汽缸數(shù)和布置方式的選擇42.1.3 壓縮比確定62.1.4 發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速62.1.5 行程及其與缸徑的比值62.1.6 缸徑和行程72.1.7 活塞平均速度82.1.8 曲柄半徑與連桿長度比92.1.9 汽缸中心距及其缸徑比確定92.1.10 發(fā)火次序的選擇92.1.11 燃燒室的選擇102.2 柴油機的總體布置102.2.1 柴油機總體布置的一般要求112.2.2 柴油機總體布置的選擇112.3 本章小結(jié)123 熱計算與熱平衡133.1

10、 熱計算133.1.1 燃料燃燒及成分確定133.1.2 周圍介質(zhì)參數(shù)和剩余氣體143.1.3 進氣過程153.1.4 壓縮過程17 iii 中南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 目錄 3.1.5 燃燒過程193.1.6 膨脹過程213.2 工作循環(huán)參數(shù)223.2.1 發(fā)動機指示參數(shù)223.2.2 發(fā)動機有效指標(biāo)233.2.3 發(fā)動機重要參數(shù)243.3 示功圖的繪制263.4 熱平衡303.5 外特性計算及曲線繪制323.6 本章小結(jié)364 高壓共軌供油系統(tǒng)設(shè)計354.1 共軌噴油系統(tǒng)354.1.1 主要特點354.1.2 功能354.2 選型與計算374.2.1 噴油泵的選型與計算374.2.2 噴油器的選

11、型與計算394.2.3 出油閥的選型424.2.4 輸油泵選型424.3 本章小結(jié)435 總結(jié)與結(jié)論44參考文獻46 i 中南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 符號說明 符號說明沖程數(shù)i氣缸數(shù)壓縮比n轉(zhuǎn)速，rpmcm活塞速度，m/s過量空氣系數(shù)pa進氣終了壓力，mpapc壓縮終了壓力，mpat溫度，ki指示效率ge有效燃料消耗率，g/kwhk膨脹絕熱指數(shù)過后膨脹比ne有效功率，kwmey有效扭矩，nmg耗油量，g/hnn升功率，kw/hqo燃料的總熱量，j/svn循環(huán)供油量，mm3/循環(huán)fc噴油器噴嘴孔面積，j/kg噴油速度，m/s下標(biāo)a進氣過程c壓縮過程z燃燒過程b膨脹過程 中南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 緒論

12、1 緒論1.1 柴油機國外發(fā)展現(xiàn)狀日趨嚴(yán)重的能源危機，成為全世界內(nèi)燃機行業(yè)關(guān)注的焦點，也使柴油機越來越受到用戶青睞。柴油機被廣泛應(yīng)用于船舶動力、發(fā)電、灌溉、車輛動力等廣闊的領(lǐng)域，尤其在車用動力方面的優(yōu)勢最為明顯，全球車用動力柴油化趨勢業(yè)已形成。在美國、日本以及歐洲100%的重型汽車使用柴油機為動力。 在歐洲，90%的商用車及33%的轎車為柴油車。在美國，90%的商用車為柴油車。在日本，38%的商用車為柴油車，9.2%的轎車為柴油車。由bosch公司進行的一項柴油車產(chǎn)量調(diào)查顯示12年美國產(chǎn)量接近180萬輛，西歐930萬輛，東歐120萬輛，日本90萬輛，中國170萬輛均呈現(xiàn)上升趨勢。與汽油機相比柴

13、油機有很多優(yōu)勢：能減少20%25%的co2廢氣排放，車速較低時的加速性能更有優(yōu)勢，平均燃油消耗低25%30%，能提供更多的駕駛樂趣。因此，專家預(yù)測，在今后20年，甚至更長的時間內(nèi)柴油機將成為世界車用動力的主流。世界汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家政府對柴油機發(fā)展也給予了高度重視，從稅收、燃料供應(yīng)等方面采取措施促進柴油機的普及與發(fā)展。 但是，與汽油機相比，柴油機的排放控制又是一個難點。為滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，柴油機渦輪增壓和高壓共軌技術(shù)成為業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點1。近20年來，渦輪增壓技術(shù)不斷普及，深入，有關(guān)渦輪增壓的新技術(shù)，新理念，新應(yīng)用不斷應(yīng)用，這是由于排放和噪音法規(guī)的大量出臺和人們對渦輪增壓技術(shù)的更高要求，車用渦輪增

14、壓技術(shù)迎來了黃金時代。渦輪增壓的最大優(yōu)點是它可以在不增加發(fā)動機排量的基 礎(chǔ)上，大幅度提高發(fā)動機的功率和扭矩。一臺發(fā)動機裝上渦輪增壓器后，其輸出的最大功率與未裝增壓器相比，可增加大約40%甚至更多。此外，渦輪增壓發(fā)動機 的油耗也要低于同等動力輸出的自然進氣式發(fā)動機，這兩方面的優(yōu)點注定了渦輪增壓發(fā)動機受到越來越多人青睞，不過比起自然進氣式發(fā)動機，渦輪增壓發(fā)動機顯得更矯情一些，對工作環(huán)境和保養(yǎng)維護要求要更苛刻，如果沒有正確使用和保養(yǎng)，不但不能很好的發(fā)揮渦輪增壓的效果，反而會提高渦輪增壓器的故障率。目前世界上主要有三大公司在研發(fā)和生產(chǎn)柴油機高壓共軌系統(tǒng)，日本電裝、德國博世和美國福特。共軌系統(tǒng)將燃油壓力

15、產(chǎn)生和燃油噴射分離開來，如果把單體泵柴油噴射技術(shù)比做柴油技術(shù)的革命的話，那共軌就可以稱作反叛了，因為它背離了傳統(tǒng)的柴油系統(tǒng)而近似于順序汽油噴射系統(tǒng)。共軌系統(tǒng)開辟了降低柴油發(fā)動機排放和噪音的新途徑2 。除此之外國外柴油機應(yīng)用的一些先進技術(shù)還有共軌與四氣門技術(shù)，國外柴油機目前一般采用共軌新技術(shù)、四氣門技術(shù)和渦輪增壓中冷技術(shù)相結(jié)合， 使發(fā)動機在性能和排放限值方面取得較好的成效，能滿足歐3排放限值法規(guī)的要求。1.2 柴油機國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀我國柴油機產(chǎn)業(yè)自20世紀(jì)80年代以來有了較快的發(fā)展， 隨著一批先進機型和技術(shù)的引進，我國柴油機總體技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到國外80年代末90年代初水平， 一些國外柴油機近幾年開始

16、采用的排放控制技術(shù)在少數(shù)國產(chǎn)柴油機上也有應(yīng)用。最新開發(fā)投產(chǎn)的柴油機產(chǎn)品的排放水平已經(jīng)達(dá)到歐1排放限值要求，一些甚至可以達(dá)到歐2排放限值要求。但我國柴油機產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展仍然面臨著許多問題。 我國重型柴油車的產(chǎn)量在逐年增加，中型、輕型車柴油化步伐也在加快，但在微型汽車、轎車領(lǐng)域，柴油車所占比例仍然非常低。以前柴油機行業(yè)投入不足，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)工藝水平、規(guī)模發(fā)展和自主開發(fā)能力的提高。但是近年來國內(nèi)一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的柴油機企業(yè)如濰柴、玉柴都正在快速發(fā)展，三一重工也正在籌劃建立具有自主研發(fā)生產(chǎn)能力的柴油發(fā)動機事業(yè)部。以往柴油機車輛使用過程中維修保養(yǎng)措施不力，導(dǎo)致低性能、高排放柴油車在使用中對城市環(huán)境

17、和大氣質(zhì)量造成不良影響，使社會產(chǎn)生厭柴心理。也是急需改進的地方3。前些年，高壓共軌技術(shù)是外資一統(tǒng)天下，現(xiàn)在這種局面被打破了。 國內(nèi)排放標(biāo)準(zhǔn)的提升促進了柴油機技術(shù)的發(fā)展和進步，部分企業(yè)在進行自主研發(fā)，如中國一汽無錫油泵油嘴研究所、成都威特，在更嚴(yán)格排放標(biāo)準(zhǔn)要求下，除電控燃油系統(tǒng)外，發(fā)動機整機也引進了許多新技術(shù)。世界著名的汽車研發(fā)機構(gòu)ricardo公司推薦在各排放階段的發(fā)動機技術(shù)要求，從中可見共軌系統(tǒng)由于其獨特的優(yōu)勢，是最具繼承性和可持續(xù)發(fā)展的燃油噴射系統(tǒng)之一4。1.3 國內(nèi)外典型車型數(shù)據(jù)對比幾十年前，人們曾一度放棄了柴油車，那種體積大、噪聲高、發(fā)出難聞氣味的柴油機形象至今還留在許多人的記憶中。經(jīng)

18、過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)代的柴油機已成為一種排放清潔、節(jié)省能源的動力，是一種可行的過渡性技術(shù)解決方案。近年來，市面上涌現(xiàn)了許多使用柴油發(fā)動機的車型，在歐洲，柴油車銷量已占汽車總銷量的40%，美國市場的柴油車銷售量也在逐漸增加。本文選取了一些國內(nèi)外具有代表性的主流柴油機車型，并對他們的性能參數(shù)進行對比，表1-1為一些典型國內(nèi)外車用柴油機性能參數(shù)：表1-1 典型車型參數(shù)對比典型車型奧迪a6l路虎發(fā)現(xiàn)者4陸風(fēng)x9動力類型2.7l v型6缸2.7l v型6缸2.8l 直列4缸增壓類型渦輪增壓渦輪增壓渦輪增壓排量(mm3)269827202771氣門總數(shù)442壓縮比10.81818.2缸體材料鋁合金鋁/鐵鋁/

19、鐵排放標(biāo)準(zhǔn)歐iv歐iv歐ii最大功率kwrpm-1140（190）/3300140/400062/3600最大扭矩nm350/1400-3500440/1900200/20000-100kwh-1加速時間s8.812.713.8供油方式高壓共軌直噴高壓共軌直噴高壓共軌直噴百公里油耗l6.810.47最高時速kmh-1222180135從上表中可看出，市面上主流柴油機車型一般采用廢氣渦輪增壓系統(tǒng)，高壓共軌缸內(nèi)直噴燃油供給方式，本文中的設(shè)計也延續(xù)這一選擇，國外的車型排放均已達(dá)到歐iv標(biāo)準(zhǔn)，而國內(nèi)的只打到了歐ii標(biāo)準(zhǔn)，在排放方面還有很大的進步和提升空間，在油耗方面國內(nèi)汽車也有一定優(yōu)勢，適合一般家用，

20、經(jīng)濟實惠。本文設(shè)計參照奧迪a6 2.7t壓縮比進行設(shè)計。缸體材料使用鋁鐵合金，為加工方便每缸氣門數(shù)選擇兩個為宜，氣缸數(shù)選擇直列六缸為宜。 4 中南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 方案選擇及總體設(shè)計 2 方案選擇及總體設(shè)計方案選擇及總體設(shè)計是柴油機設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，它決定新設(shè)計的柴油機的生命力和前途；關(guān)系到新設(shè)計的柴油機是否能很好地滿足設(shè)計任務(wù)書的要求。方案選擇及總體設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)不同方案優(yōu)缺點的比較，確定所設(shè)計柴油機的沖程數(shù)、氣缸數(shù)，氣缸排列方式、發(fā)火次序，壓縮比及增壓形式、燃燒室形狀、燃油噴射系統(tǒng)，設(shè)定額定轉(zhuǎn)速、曲柄半徑與連桿長度比、缸徑、行程，因此得到活塞平均速度、缸心距。再對發(fā)動機的這個布置進行總

21、體設(shè)計，包括凸輪軸，水泵，機油泵，齒輪傳動機構(gòu)，進排氣管布置5。2.1 柴油機主要參數(shù)的確定2.1.1 沖程數(shù)的選擇在量大面廣的中、小功率高速內(nèi)燃機中，占優(yōu)勢的是四沖程內(nèi)燃機，因為它與二沖程內(nèi)燃機相比燃料經(jīng)濟性好，功率強化潛力大。二沖程內(nèi)燃機的燃料和潤滑油消耗較大，hc排放嚴(yán)重，怠速和小負(fù)荷工況運轉(zhuǎn)不夠穩(wěn)定，活塞組和氣缸熱負(fù)荷較大，氣缸上的氣口影響工作可靠性和耐久性。二沖程機如用掃氣泵導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，噪聲較大；如用回流掃氣則很難保證良好的掃氣效率。但是，二沖程機在同樣轉(zhuǎn)速下作功頻率比四沖程機高一倍，摩擦損失又小，升功率可高出5070，而且輸出轉(zhuǎn)矩變化較平順。中、小功率高速柴油機寧可通過增壓提高比

22、功率，也幾乎沒有二沖程機的立足之地。因此，在本設(shè)計中選取四沖程柴油機（）。2.1.2 汽缸數(shù)和布置方式的選擇內(nèi)燃機的氣缸數(shù)和氣缸布置方式，對其結(jié)構(gòu)緊湊性、外形尺寸比例、平衡性、單機功率、制造和使用成本等都有很大影響。在平均有效壓力，和活塞平均速度 不變的前提下，缸數(shù)越多(氣缸尺寸越小)，升功率就越高。也就是說，多缸內(nèi)燃機比較緊湊輕巧。同時，多缸機平衡性好，輸出轉(zhuǎn)矩均勻，飛輪尺寸較小，運轉(zhuǎn)平順，起動容易，瞬態(tài)響應(yīng)快速。目前，除了摩托車類型的小排量柴油機和小功率農(nóng)用柴油機采用單缸機外，絕大多數(shù)內(nèi)燃機都用多缸結(jié)構(gòu)。小轎車和輕型車除最小排量的車型用2缸或3缸外，絕大多數(shù)用4缸機，少數(shù)高級轎車用6缸機，

23、極少數(shù)豪華轎車用8缸機。重型汽車則絕大多數(shù)為6缸柴油機，少數(shù)超重型汽車用8缸或12缸機。工程機械和農(nóng)業(yè)機械用柴油機常用14缸結(jié)構(gòu)，大功率者用6缸結(jié)構(gòu)。內(nèi)燃機車或艦艇等大功率高速柴油機多為12缸或16缸機?？偠灾?，在內(nèi)燃機大家庭中，除了數(shù)量眾多但總功率不大的單缸機外，4缸機和6缸機占壓倒多數(shù)，因為它們具有明顯的綜合優(yōu)勢。至于氣缸布置，不超過6缸的內(nèi)燃機絕大多數(shù)是單列的，其各氣缸軸線所在平面與地面垂直居多，稱為直列式內(nèi)燃，或者為降低機器總高度而傾斜某一角度，稱為斜置式內(nèi)燃機，多用于高度限制較大的小轎車。少數(shù)單列式內(nèi)燃機，其氣缸軸線平面呈水平，或接近水平，稱為臥式內(nèi)燃機。這時機器總高度大大減小，可

24、以布置在汽車底盤中部車箱底板下面，有利于改善汽車面積的利用率、操縱性(車軸負(fù)荷分布比較合理)和機動性，適用于大型客車，但它的保養(yǎng)和檢修比較困難。重型車用6缸柴油機基本上都是直列式的，具有最好的平衡性和轉(zhuǎn)矩均勻性，某些高級小轎車用的6缸柴油機多是v型的，v6機長度短，特別適于在轎車機罩內(nèi)橫置，與整車匹配十分緊湊，但其平衡性不如直列6缸機。重型車用柴油機，通過加大單缸工作容積，加上高增壓加中冷，直列6缸結(jié)構(gòu)一般都已足夠，很少用v8柴油機6。對置氣缸式(雙列臥式)內(nèi)燃機雖具有長度短、高度低的優(yōu)點，但因?qū)挾冗^大、結(jié)構(gòu)剛度差而很少應(yīng)用（1）直列式 （2）v型式圖2-1 汽缸布置方式本次設(shè)計采用6缸，直列

25、式（）。2.1.3 壓縮比確定壓縮比是汽缸的總?cè)莘e與燃燒室容積的比值。壓縮比的大小表示了活塞由下止點運動到上止點時，氣缸內(nèi)的氣體被壓縮的程度。壓縮比越大，壓縮終了時氣缸內(nèi)氣體的壓力和溫度就越高。壓縮比的大致范圍是：汽油機的壓縮比=7-11；柴油機的壓縮比=14-22。由于汽油和柴油的物理和化學(xué)特性不同，汽油的自燃點要比柴油高，柴油的蒸發(fā)性要比汽油差得多。根據(jù)燃油的性質(zhì)，汽油的燃燒選擇點燃，柴油的燃燒選擇壓燃。壓縮比對這兩種燃燒方式都起著至關(guān)重要的作用。隨著壓縮比的增大，會使燃燒的熱效率提高，也可以使進氣效率提高，發(fā)動機的功率、扭矩增大，有效燃油消耗率降低。同時也會增加未燃混合氣自燃的傾向，容易

26、纏身爆炸；壓縮比過大，熱效率提高程度減慢，發(fā)動機燃燒粗暴，導(dǎo)致機件的機械負(fù)荷過大，排放污染嚴(yán)重。 發(fā)動機的壓縮比的增大為發(fā)動機的性能的提高增加了可能。 壓縮比的提高會對發(fā)動機的強度產(chǎn)生影響。適當(dāng)?shù)奶岣邏嚎s比，采用高辛烷值的燃料，可以提高發(fā)動機的性能。過多的改變壓縮比，會產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象，對發(fā)動機產(chǎn)生較大的傷害，發(fā)動機的壽命會急劇縮短。本次課程設(shè)計采用壓縮比，渦輪增壓中冷。2.1.4 發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速對柴油機性能和結(jié)構(gòu)影響很大，且其范圍十分寬廣（10006000rpm）。各種類型柴油機的使用轉(zhuǎn)速范圍亦不同。轉(zhuǎn)速提高可使柴油機體積小、重量輕和功率大。但轉(zhuǎn)速提高后，摩擦功率和噪聲急劇增加，運動件慣性力

27、大，給燃燒過程的組織增加困難，從而影響柴油機的經(jīng)濟性、可靠性和使用壽命。本設(shè)計選用的柴油機額定轉(zhuǎn)速為=3300rpm。2.1.5 行程及其與缸徑的比值對一定的來說，當(dāng)i、等已選定時，必須根據(jù)n和確定d和s，或根據(jù)vm和d確定n和s，在前一種情況下，要校核vm是否合適；在后一種情況下，要校核n是否符合使用要求。在這里涉及活塞式內(nèi)燃機的一個重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，即行程缸徑比s/d。s/d對內(nèi)燃機有多方面的影響：s/d對升功率的影響：當(dāng)不變時，s/d減小意味著上升，因而與成正比的跟著增大，使內(nèi)燃機更加緊湊輕巧。但當(dāng)不是受限于而受限于其他因素不能隨s/d的下降而升高時，上述結(jié)論便不能成立。例如，柴油機的燃燒過

28、程往往受制約，而與無關(guān)，所以柴油機往往不利用減小s/d進行強化。s/d對燃燒室形狀的影響：s/d小的短行程內(nèi)燃機氣缸余隙比較扁平，對壓縮比高的柴油機尤其如此，使燃燒室有效容積比減小，燃燒過程較難組織。對汽油機來說，短行程機的燃燒室也顯得不緊湊，燃燒較慢，且hc排放較高。s/d對散熱的影響：在其他相同的條件下，s/d下降使增大，使得傳到氣缸冷卻水套的熱量減少，活塞組零件的溫度上升。風(fēng)冷柴油機的研究表明，當(dāng)時，總散熱量的2/3由氣缸蓋傳出，1/3由氣缸筒傳出；而當(dāng)s/d=1.5時恰恰相反。在氣缸筒上布置足夠的散熱片不難，但在氣缸蓋上則要困難得多，所以，風(fēng)冷內(nèi)燃機尤其不宜采用短行程結(jié)構(gòu)。s/d對外形

29、尺寸的影響：單列式內(nèi)燃機的總長度主要決定于和，所以s/d小的短行程內(nèi)燃機總長度較大。雖然它高度較小，但這一優(yōu)點不太明顯。因此，單列式內(nèi)燃機應(yīng)該用較大的s/d。對雙列式內(nèi)燃機來說，總長度一般決定于曲軸的軸向尺寸，氣缸布置比較寬松，所以用短行程結(jié)構(gòu)可以減小內(nèi)燃機的高度和寬度而不犧牲總長度，獲得總體上更好的緊湊性。習(xí)慣上稱s/d=1的內(nèi)燃機為方形內(nèi)燃機，s/d1者為長行程機。目前，車用汽油機的s/d=0.91.2。v形和其他雙列式內(nèi)燃機的s/d值一般要比單列式略小些，風(fēng)冷機的s/d值一般要比液冷式略大些。本次設(shè)計選取行程缸徑比s/d=1.06。2.1.6 缸徑和行程由排量2.7l，而本設(shè)計氣缸數(shù)i=

30、6，由公式代入s/d=1.06，v=2.7l，得出:d=81mm，s=86mm，圓整得d=81mm，s=86mm。本次設(shè)計d=81mm，s=86mm。2.1.7 活塞平均速度是表征活塞式內(nèi)燃機工作強度的重要參數(shù)。內(nèi)燃機一般按高低分為高速、中速與低速三類。習(xí)慣上指9m/s的為高速內(nèi)燃機，=69m/s的為中速內(nèi)燃機，6m/s的為低速內(nèi)燃機。對內(nèi)燃機性能、工作可靠性和使用壽命有很大關(guān)系，現(xiàn)簡述如下:(1) 對性能的影響：當(dāng)其他參數(shù)不變時與內(nèi)燃機功率成正比。但是當(dāng)內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)不變時，進排氣阻力與成正比，在內(nèi)燃機摩擦損失中占最大份額的活塞組的摩擦損失平均壓力與成正比。因此，的提高導(dǎo)致下降。(2) 對機械應(yīng)

31、力的影響：內(nèi)燃機曲柄連桿機構(gòu)由慣性力引起的機械應(yīng)力近似與成正比。因為旋轉(zhuǎn)慣性力和最大往復(fù)慣性力均與成正比，而受力面積與成正比，所以應(yīng)力與，即成正比，后者與成正比。稱為慣性負(fù)荷系數(shù)。對于行程缸徑比相同的內(nèi)燃機來說，應(yīng)力與成正比。(3) 對熱負(fù)荷的影響：內(nèi)燃機氣缸內(nèi)單位時間所發(fā)散的熱量與功率成正比，因而與成正比。所以，氣缸的熱負(fù)荷，即單位時間、單位面積發(fā)散的熱量與成正比。(4) 對磨損和壽命的影響：內(nèi)燃機氣缸活塞組的由氣壓力引起的磨損速率(指單位時間磨損體積)可認(rèn)為與摩擦功率成正比，后者與氣體作用力與的乘積成正比，因而與成正比。由慣性力引起的磨損速率則與成正比。綜合起來，單位時間、單位面積的線性磨

32、損量可認(rèn)為與成正比，而與此成反比的使用壽命則與 (=13)成正比。也就是說，隨著的提高，內(nèi)燃機的壽命可能急劇下降?？傊?，選擇新開發(fā)的內(nèi)燃機的必須極其慎重，要以工作可靠耐久的現(xiàn)有產(chǎn)品的數(shù)據(jù)為依據(jù)。企圖用提高來強化內(nèi)燃機時，必須對結(jié)構(gòu)作相應(yīng)的改進，例如增大氣門的有效流通面積，減小進排氣系統(tǒng)的流動阻力，開發(fā)在熱負(fù)荷方面更可靠而且結(jié)構(gòu)更輕巧、摩擦損失更小的活塞組，要改進材料的強度和耐磨品質(zhì)，規(guī)定更高的加工精度，采取耐磨、耐腐蝕的表面處理等。在內(nèi)燃機一百多年的發(fā)展史中，雖也逐年提高，但總的來說提高幅度很有限，說明提高這一參數(shù)背后隱藏著很多苦衷。目前，自然吸氣高速車用汽油機的最大可達(dá)18m/s，而增壓汽油

33、機則限于15m/s 輕型自然吸氣柴油機上限為14m/s，而重型大功率高速增壓柴油機的一般限制在12m/s以下7。在活塞行程確定之后，活塞平均速度可由公式（m/s），求得，設(shè)計活塞平均速度為9.46m/s。本次設(shè)計活塞平均速度為=9.46m/s。2.1.8 曲柄半徑與連桿長度比連桿長度是內(nèi)燃機最重要的尺寸參數(shù)之一，它不僅影響連桿本身的設(shè)計，而且影響內(nèi)燃機的總體設(shè)計。從連桿本身的角度看，當(dāng)然是越短越好，這樣不僅增加連桿的結(jié)構(gòu)剛度，而且縮小內(nèi)燃機的總高度，減輕總質(zhì)量。但l減小使二階慣性力增大，活塞側(cè)向力增大，增加活塞的摩擦損失和磨損。短連桿結(jié)構(gòu)可能造成連桿與氣缸下端干涉，曲軸平衡塊與活塞裙相碰。目前

34、，最短的連桿對應(yīng)曲柄連桿比左右。短行程內(nèi)燃機的相對較小，v形發(fā)動機由于平衡塊很大，也較小。最小的左右，也就是說，連桿長度一般不超過活塞行程的2倍。本次課程設(shè)計的值取為0.30。由活塞行程可知曲柄半徑=43mm，可知連桿長度=144mm。2.1.9 汽缸中心距及其缸徑比確定l0/d大小意味著發(fā)動機長度方向的緊湊性，它與柴油機的強化程度、汽缸排列和機體的剛度有關(guān)。缸心距的取值大小受以下幾個因素的影響：（1）缸蓋固定螺栓是否容易布置，如果缸心距選擇較小，只能在相鄰缸蓋之間采用共同用的螺栓布置；（2）曲軸的曲柄臂的厚度和主軸頸、曲軸銷的長度使主軸承有足夠的承壓面積，并保證曲軸有良好的強度和剛度，這些都

35、和缸心距的大小有關(guān)；缸心距主軸頸長度+曲柄銷長度+2曲柄臂厚度 （單位：mm）（3）汽缸套型式和水套的型式。從增加機體剛度著眼，目前高速汽油機缸心距有逐漸減小的趨勢。小型高速柴油機的一般在1.16-1.22之間，最小可取1.14。本次課程設(shè)計采用=1.17，。2.1.10 發(fā)火次序的選擇柴油機的發(fā)火次序與柴油機的運轉(zhuǎn)均勻性、主軸承和連桿軸承的負(fù)荷、軸系的扭振性能有密切的關(guān)系。隨著汽缸數(shù)目的增加，柴油機發(fā)火次序可有更多的方案，選擇發(fā)火次序時，主要考慮以下因素：（1）平衡性能和曲柄排列：發(fā)火次序和曲柄排列的關(guān)系密切，一定的發(fā)火次序具有相應(yīng)的曲柄排列，曲柄排列確定后就決定了汽油機的平衡情況。（2）扭

36、轉(zhuǎn)振動性能：在不同的共振轉(zhuǎn)速，扭振振幅的相對值決定于各臨界轉(zhuǎn)速下各缸輸入能量的相對矢量的大小，而相對矢量和的大小部分地決定于單缸切向力簡諧分量相對值的大小，并和扭振型式有關(guān)。（3）軸承負(fù)荷為減小軸承負(fù)荷，相鄰兩曲柄間的夾角應(yīng)盡可能大些，相鄰汽缸間發(fā)貨間隔角也盡可能大些?？傊谶x擇發(fā)火次序的時候，首先考慮發(fā)動機的平衡和軸系的扭轉(zhuǎn)振動，一般情況下，先按發(fā)動機的平衡性能，選擇曲柄的排列型式，然后按扭振性能、軸承負(fù)荷和排氣管布置來確定發(fā)火次序。根據(jù)本機特點，設(shè)計選取的發(fā)火次序為：1-5-3-6-2-4。2.1.11 燃燒室的選擇燃燒室設(shè)計直接影響到發(fā)動機的充量系數(shù)，火焰?zhèn)鞑ニ俾始胺艧崧剩瑐鳠釗p失及爆燃

37、，從而影響發(fā)動機的性能。燃燒室基本要求：（1）結(jié)構(gòu)盡可能緊湊，充氣效率要高，以減小熱量損失及縮短火焰行程。（2）使混合氣在終了時有一定渦流運動，以提高混合器燃燒速度，保證混合氣得到及時和充分燃燒。（3）表面要光滑，不易結(jié)炭。選直接噴射式燃燒室，因為直接噴射式燃燒室的燃油消耗率比分開燃燒室低5%-10%左右故本次設(shè)計采用直接噴射燃燒室8。2.2 柴油機的總體布置對車用柴油機來說，尤其轎車發(fā)動機，結(jié)構(gòu)緊湊，自身質(zhì)量輕十分重要。發(fā)動機高度決定轎車發(fā)動機罩的高度，因而影響車身外形的流線性和駕車者的視野。發(fā)動機的長度影響汽車的有效長度利用率。當(dāng)發(fā)動機在汽車前部橫置時，其長度還受輪距的限制。柴油機本身的質(zhì)

38、量，關(guān)系到原材料的消耗，在大量生產(chǎn)條件下對制造成本影響很大。對車用內(nèi)燃機來說，減輕發(fā)動機質(zhì)量同時減輕汽車底盤和車身質(zhì)量，增大汽車的有效負(fù)荷，可以改善整車的動力性和經(jīng)濟性。同時，輕巧的動力裝置為優(yōu)化汽車軸間負(fù)荷分配提供方便，有利于汽車的通過性和操縱性。2.2.1 柴油機總體布置的一般要求柴油機的總布置設(shè)計要繪制一系列總圖，即縱橫剖視圖、各向視圖和重要的局部剖視圖、局部視圖。在這些圖中應(yīng)能顯示內(nèi)燃機的主要零部件，如活塞連桿組、曲軸飛輪組、機體和氣缸蓋等；顯示所有輔助系統(tǒng)和附件，如供油、潤滑、冷卻、起動系部件，進排氣管等，以及由汽油機驅(qū)動的液壓泵、真空泵、空壓機、發(fā)電機等?？倛D的最終繪制和主要零部件

39、的細(xì)化設(shè)計往往需要平行地交互地進行，各自經(jīng)過多次反復(fù)后才能完成。各附件的布置對柴油機的外形尺寸和工作可靠性、使用方便性都有很大影響。應(yīng)在保證拆裝、維修方便的前提下，盡可能直接可靠地固定在機體和氣缸蓋上，并且不使任何附件過于突出。要盡量減少傳動齒輪、傳動帶和帶輪以及鏈條和鏈輪的數(shù)目。盡量不用外接的機油管和冷卻液管，而采用在零件上開通道代替，以減少泄漏的可能。盡量用o形密封圈代替密封襯墊。減少零件數(shù)不僅改善可靠性，而且有利于降低成本。2.2.2 柴油機總體布置的選擇（1） 凸輪軸的布置：直列式汽油機凸輪軸的橫向位置，在不與曲柄連桿機構(gòu)相碰的條件下，應(yīng)盡可能靠近汽缸的中心線。本設(shè)計凸輪軸布置在汽缸蓋

40、上部，直接驅(qū)動氣門，其配氣結(jié)構(gòu)質(zhì)量小，適用于高速汽油機。（2）噴油泵的布置：本設(shè)計采用一只整體泵，布置在汽油機側(cè)面，噴油器和噴油泵布置在同側(cè)，縮短高壓油管的長度。（3）齒輪傳動機構(gòu)的布置：由于傳動齒輪布置在自由端的優(yōu)點是曲軸前軸直徑小，齒輪尺寸也較小，拆裝方便，便于維護保養(yǎng)，且多用于汽油機。（4）機油泵的布置：機油泵的布置與其傳動方法、機油管路布置及其汽油機的用途有關(guān)。本設(shè)計中機油泵布置在主軸承蓋上，有主動齒輪通過惰齒輪傳動，這種布置的優(yōu)點是機油泵無需油封結(jié)構(gòu)，軸承潤滑條件好，機油泵安裝位置較低，汽油機起動后，瞬時即能吸上機油。（5）水泵的布置：本設(shè)計采用離心式水泵。為避免水漏入機體導(dǎo)致機油變

41、質(zhì)，在水泵體上設(shè)有旁泄孔，漏出封水圈的水可由旁泄孔排出，以便及時發(fā)現(xiàn)漏水并加以檢修。通常將水泵布置在汽油機的外部。（6）進排氣管的布置：本設(shè)計中將直列式汽油機的進排氣管分別布置在汽油機的兩側(cè)，它有利于汽缸蓋進排氣管道的流通，進排氣管拆裝也方便9。2.3 本章小結(jié)本章主要介紹了車用柴油機總體方案的設(shè)計方法。其中包括氣缸數(shù)、壓縮比、額定轉(zhuǎn)速、活塞平均速度、氣缸直徑等參數(shù)的的具體設(shè)計和計算方法。這一章里把沖程數(shù)、體積流量、等參數(shù)作為初始已知數(shù)據(jù)，經(jīng)過給定的方法，計算出活塞行程氣缸直徑曲柄半徑等初始數(shù)據(jù)，本設(shè)計采用渦輪增壓中冷，選擇直接噴射燃燒室，一些參數(shù)選擇結(jié)果如表2-1。表2-1 方案選擇結(jié)果技術(shù)

42、參數(shù)選擇結(jié)果技術(shù)參數(shù)選擇結(jié)果沖程數(shù)4活塞平均速度cm/(ms-1)9.46氣缸數(shù)i6曲柄半徑與連桿長度比0.3壓縮比10.8曲柄半徑43額定轉(zhuǎn)速n/(rpm)3300連桿長度l/(mm)144行程缸徑比s/d1.06氣缸中心距與缸徑比1.17氣缸直徑d/(mm)81氣缸中心距l(xiāng)o/(mm)95活塞行程s/(mm)86發(fā)火次序1-5-3-6-2-4 9 中南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3熱計算及熱平衡 3 熱計算與熱平衡柴油機的主要參數(shù)是通過對其進行熱計算而得到的，因此，在設(shè)計發(fā)動機時，首先要選取一些基本參數(shù)并對其進行熱計算，在計算中要引進一些必要的基本原則作為選取原始參數(shù)的依據(jù)，無論是柴油機的熱計算，還

43、是柴油機的后續(xù)計算都可以采用這些參數(shù)。對于車用柴油機的熱計算，其主要設(shè)計參數(shù)為四個氣缸，熱計算用分析法可以有足夠的準(zhǔn)確程度來確定新設(shè)計的柴油機的主要參數(shù)以及校核現(xiàn)實工作柴油機實際循環(huán)的完善程度。本章節(jié)將從以下幾個方面來進行技術(shù)分析：燃料、工質(zhì)參數(shù)、周圍介質(zhì)參數(shù)和剩余氣體、進氣過程、壓縮過程、燃燒過程、膨脹過程、工作循環(huán)指示參數(shù)、發(fā)動機有效指標(biāo)、柴油機示功圖的繪制、熱平衡、柴油機外特性計算等。3.1 熱計算3.1.1 燃料燃燒及成分確定燃料的平均元素成分和分子量：c=0.870 h=0.126 o=0.004燃料低熱值：=42860j/kg（1）工質(zhì)參數(shù)燃料1kg柴油燃料，理論上所必須的空氣量

44、(3-1) (3-2)過量空氣系數(shù)是燃燒1kg燃料時，實際空氣量與理論必需空氣量lo之比。降低值是強化發(fā)動機工作過程的有效方法之一。對于給定功率的發(fā)動機，減小過量空氣系數(shù)，則可以減小氣缸尺寸。但是隨著的降低，會引起燃料燃燒不完全，惡化了經(jīng)濟性，并增大了發(fā)動機的熱應(yīng)力?？芍?，增壓柴油機的取值范圍一般是1.61.8之間。本設(shè)計中=1.7。（2）可燃混合氣新鮮充量在=1.7 ，=0.85 kmol/kg (3-3)（3）燃燒產(chǎn)物單獨成分?jǐn)?shù)量 =0.0725 kmol/kg kmol/kg =0.728 kmol/kg =0.6732 kmol/kg式中：0.208為1kmol容積的空氣中氧氣所占的比

45、例；0.792為1kmol容積的空氣中氮氣所占的比例。（4） 燃燒產(chǎn)物的總量 =0.8815 kmol/kg (3-4)表3-1 燃燒產(chǎn)物的成分質(zhì)量 n8001.460.50.730.0480.5780.07250.0630.761520001.460.50.80.0620.6340.07250.0630.831533001.70.50.850.7280.6730.07250.0630.881535001.670.50.840.0620.6610.07250.0630.85923.1.2 周圍介質(zhì)參數(shù)和剩余氣體在增壓發(fā)動機工作時，參考本機特點及柴油機一般參考資料，選取參數(shù)如下：（1）周圍環(huán)境壓

46、力：=0.1mpa，周圍環(huán)境溫度：=293k（2）周維介質(zhì)壓力：采用中度增壓，則（3）周圍介質(zhì)溫度即壓氣機后的空氣溫度為：h (3-5)式中，為壓氣機（增壓器）中空氣的壓縮多變指數(shù)，根據(jù)文獻資料，取值范圍為1.42.0。此處取，則有，k。（4）剩余氣體壓力：由文獻知道，對廢氣渦輪增壓的汽車柴油機來說，其殘余廢氣壓力為: ，曲軸轉(zhuǎn)速高的發(fā)動機取大些。這里取=0.960.17=0.163mpa。對于其他轉(zhuǎn)速工況， (3-6)式中，為額定工況下的殘余廢氣壓力mpa；為額定工況下的曲軸轉(zhuǎn)速，rpm，帶入數(shù)據(jù)，得=4.12。（5）殘余廢氣溫度殘余廢氣的溫度是根據(jù)發(fā)動機型式、壓縮比、轉(zhuǎn)速及過量空氣系數(shù)等因

47、素決定的，其值處于下列范圍：柴油機600900k。在確定的過程中必須注意到，當(dāng)壓縮比提高和工作混合氣加濃時，殘余廢氣的溫度便下降，而發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速升高時則值升高。本設(shè)計取值額定工況=750k。3.1.3 進氣過程充氣過程中，因為充量收到發(fā)動及熱零件的預(yù)熱，所以新鮮充量的溫度稍有升高。為得到良好的發(fā)動機充氣，在標(biāo)定速度工況上，對于增壓柴油機，新鮮充量的預(yù)熱溫度t的數(shù)值一般為-5+10。這里取額定工況時t=6。而其他轉(zhuǎn)速工況， (3-7) 式中，和分別為發(fā)動機在額定工況下的工作時的溫升和轉(zhuǎn)速。（1）進氣的充量密度 (3-8) 式中：為進氣充量密度，；為氣體常數(shù)，=287j/kgk;其余符號如前所述，代入得：（2）進氣壓力損失由于進氣系數(shù)阻力和氣缸中充量運動速度的衰減所引起的壓力損失，采用某些假設(shè)后可以由伯努利方程求得： (3-9)現(xiàn)代汽車柴油機在額定工況下：=2.54.0及=50130m/s，對于進氣系統(tǒng)加工過的內(nèi)表面，可以=2.7和=70m/s計算得=0.011mpa。這是根據(jù)發(fā)動機速度工況和考慮到在增壓和非增壓柴油機的進氣系數(shù)不大的流體阻力來選取的。