中南大學(xué)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計報告

1、課題設(shè)計說明書課 題 內(nèi)燃機(jī)課程設(shè)計 學(xué) 院 能源科學(xué)與工程學(xué)院 姓 名 鄭曉光 學(xué) 號 1006130523 專業(yè)班級 能動1304班 指導(dǎo)教師 蔣受寶 2016年9月8日內(nèi)燃機(jī)課程設(shè)計任務(wù)書1、 題目：柴油機(jī)活塞組設(shè)計二、給定參數(shù)：1活塞排量： 2.8L2柴油重量成分：C0.870 , H=0.126 ,O=0.004 3柴油的低位發(fā)熱值：Hu=42860kJ/kg。三、設(shè)計內(nèi)容1方案選擇及總體設(shè)計（確定主要性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)）。2工作循環(huán)計算（包括最低轉(zhuǎn)速、最大扭矩、最大功率、最高速度工況）與示功圖。3熱平衡計算與熱平衡圖。4外特性計算與外特性曲線圖。5繪制活塞零件圖（A2）。四、設(shè)計要

2、求1編寫設(shè)計計算說明書一份，1.2萬字左右（2025頁）。2用計算機(jī)書寫文本，用AutoCAD繪圖。3公式要有出處，符號要有說明。目錄1方案選擇及總體設(shè)計11.1柴油機(jī)主要參數(shù)的確定21.2柴油機(jī)的總體布置61.3方案選擇結(jié)果82熱計算92.1柴油機(jī)基本過程92.1.1燃料燃燒及成分確定92.1.2周圍介質(zhì)參數(shù)和剩余氣體102.1.3進(jìn)氣過程112.1.4壓縮過程132.1.5燃燒過程142.1.6膨脹過程162.2工作循環(huán)參數(shù)172.2.1發(fā)動機(jī)指示指標(biāo)172.2.2發(fā)動機(jī)有效指標(biāo)182.2.3發(fā)動機(jī)的部分重要參數(shù)192.3示工圖的繪制202.3.1壓縮多變曲線個各點的計算202.4熱平衡2

3、23 外特性計算以及曲線的繪制24本章小結(jié)264 活塞組的設(shè)計265參考資料3440摘要：柴油機(jī)是一類廣泛應(yīng)用的活塞機(jī)械，現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于汽車和船舶等的動力裝備和發(fā)電。本次設(shè)計確定了2.7升柴油機(jī)各缸的基本排列方式等。同時通過對柴油機(jī)的熱平衡，功率等的計算確定了柴油機(jī)的基本設(shè)計參數(shù)和耗油率等基本規(guī)格參數(shù)。關(guān)鍵詞：柴油機(jī)，熱平衡，燃油消耗率，功率一 方案選擇及總體設(shè)計內(nèi)燃機(jī)總體設(shè)計是整個產(chǎn)品開發(fā)工作的第一階段，按照工作次序可分為：產(chǎn)品開發(fā)的戰(zhàn)略決策；產(chǎn)品主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)的論證和選擇；方案計算和總體設(shè)計圖的繪制等幾個階段?？傮w設(shè)計的水平和決策的正確與否，對產(chǎn)品的水平和市場競爭能力將產(chǎn)

4、生決定性的影響。產(chǎn)品總體設(shè)計時要選擇和確定內(nèi)燃機(jī)的主要設(shè)計參數(shù)，完成各項主要工作系統(tǒng)如供油、燃燒、進(jìn)排氣系統(tǒng)的構(gòu)思，繪制活塞組的方案和整體縱橫剖面圖，不同缸數(shù)及典型配套機(jī)型的外形布置圖，編制總體設(shè)計說明書。與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)有如下優(yōu)勢：一、柴油機(jī)壓縮比高，燃料燃燒完全，所以柴油機(jī)的有效熱效率好，經(jīng)濟(jì)性好；二、柴油機(jī)無點火系，所以故障少些，易保養(yǎng)；三、有害氣體的排放優(yōu)于汽油機(jī)。但缺點是體積大，噪聲大，部分零件加工困難。在能源緊張、油價高漲的當(dāng)下，開發(fā)一款新的柴油機(jī)是順應(yīng)時代發(fā)展的，所以初步選定設(shè)計柴油機(jī)。通過對不同方案的優(yōu)缺點進(jìn)行比較，確定所設(shè)計的柴油機(jī)的沖程數(shù)、汽缸數(shù)，氣缸排列方式、發(fā)火次序

5、，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。并由此得到活塞平均速度、缸心距。再對發(fā)動機(jī)的這個布置進(jìn)行總體設(shè)計，包括凸輪軸，水泵，機(jī)油泵，齒輪傳動機(jī)構(gòu)，進(jìn)氣管的布置等。1.1 柴油機(jī)主要參數(shù)的確定（1）沖程數(shù)的選擇目前柴油機(jī)以四沖程為主，四沖程柴油機(jī)與二沖程柴油機(jī)相比，主要有以下優(yōu)缺點：二沖程柴油機(jī)的熱負(fù)荷較高，特別是活塞組的熱負(fù)荷較高（活塞頂?shù)钠骄鶞囟缺人臎_程柴油機(jī)高約50-60），而且氣缸內(nèi)壓力總是大于一個大氣壓，使活塞環(huán)在換槽中活動性較少，積碳不易排除，容易使活塞環(huán)失去工作能力；由于在軸承上的負(fù)荷是單方向的，這對潤滑不利。以上缺陷使得二沖程

6、柴油機(jī)的可靠性與使用壽命不如四沖程柴油機(jī)。換氣質(zhì)量較差，使燃燒條件變差，同時帶動換氣泵也需要消耗一部分功率，因此燃油經(jīng)濟(jì)性比較差。二沖程柴油機(jī)熱負(fù)荷較高，因而對機(jī)油質(zhì)量要求也較高；由于機(jī)油容易串入掃氣孔和排氣孔邊緣，隨氣流進(jìn)入氣缸燃燒或從進(jìn)氣管派出，因此，機(jī)油的消耗率較大。高壓泵和噴油嘴的工作較繁重，壽命較短。此外，二沖程柴油機(jī)的噪聲、排放污染等都比四沖程柴油機(jī)嚴(yán)重。燃油消耗率高，使用壽命較短，升功率也低于四沖程柴油機(jī)。綜合以上優(yōu)缺點，本次設(shè)計選擇目前市場占有率較高的四沖程的設(shè)計方式,即=4 。（2）氣缸數(shù)和布置方式的選擇汽車發(fā)動機(jī)常用缸數(shù)有2、3、4、6、8、12缸等。排量1升以下的發(fā)動機(jī)常

7、用三缸，12.5升一般為四缸發(fā)動機(jī)，3升左右的發(fā)動機(jī)一般為6缸，4升左右為8缸，5.5升以上用12缸發(fā)動機(jī)。一般來說，在同等缸徑下，缸數(shù)越多，排量越大，功率越高；在同等排量下，缸數(shù)越多，缸徑越小，轉(zhuǎn)速可以提高，從而獲得較大的提升功率，而且多缸發(fā)動機(jī)比較緊湊輕巧，往復(fù)質(zhì)量平衡性較好，轉(zhuǎn)矩均勻性得到改善，使多缸發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)平順，而且啟動容易，加速響應(yīng)特性好。由于每增加一個汽缸，相應(yīng)地就要增加氣門數(shù)量，加長曲軸，增加曲軸上的平衡載荷，增加點火和噴油硬件，這些東西的增加都增加了發(fā)動機(jī)的復(fù)雜程度，直接的結(jié)果就是設(shè)計難度提高，制造成本提高，甚至連發(fā)動機(jī)控制軟件也要相應(yīng)地變得更加復(fù)雜。但是在發(fā)動機(jī)用途和性能一

8、般都是設(shè)計階段最早確定下來的參數(shù)，在沖程和缸徑都有一定限制的情況下要增加排氣量得到大馬力只有靠增加汽缸數(shù)量來實現(xiàn)了。經(jīng)綜合考慮，本次設(shè)計采用4缸。對于多缸發(fā)動機(jī)，氣缸的排列形狀決定了發(fā)動機(jī)的外形結(jié)構(gòu)，對于發(fā)動機(jī)氣缸體的剛度和強(qiáng)度也有影響，并關(guān)系到汽車的總體布置情況。汽車發(fā)動機(jī)氣缸排列基本上有以下三種形式：一、單列式（直列式）；二、雙列式（V形發(fā)動機(jī)）；三、對置式發(fā)動機(jī)。直列式多缸發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、加工容易，但發(fā)動機(jī)長度和高度較大，一般6缸以下的發(fā)動機(jī)多采用直列式；與直列式發(fā)動機(jī)相比，V形發(fā)動機(jī)縮短了機(jī)體的長度和高度，增加了剛度，減輕了發(fā)動機(jī)重量；但形狀復(fù)雜，加工困難，一般多用于缸數(shù)多的大功率發(fā)動

9、機(jī)；與前面兩種相比，對置式發(fā)動機(jī)高度小，總體布置方便，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。經(jīng)過以上方案綜合比較，最終決定設(shè)計中采用4缸直列式布置的發(fā)動機(jī)。（3）壓縮比壓縮比是發(fā)動機(jī)的重要參數(shù)之一，直接影響柴油機(jī)的性能、機(jī)械負(fù)荷、啟動性能以及主要零件的結(jié)構(gòu)尺寸。在一定范圍內(nèi)，汽油機(jī)的熱效率隨壓縮比的增加而提高，增大壓縮比也可使柴油機(jī)的啟動性能活得改善。但壓縮比的提高將使氣缸最高爆發(fā)壓力相應(yīng)上升，機(jī)械負(fù)荷增加，對柴油機(jī)的使用壽命有影響。壓縮比是另一個影響燃燒相位較大的因素，改變壓縮比可以改變混合氣體的密度和壓力，從而對其自燃溫度產(chǎn)生影響。改變壓縮比的主要方法是調(diào)整調(diào)整燃燒室容積、工作容積和改變配氣相位。在利用可變壓縮

10、比控制HCCI（均質(zhì)充量壓縮著火）方面，Lund技術(shù)學(xué)院實驗結(jié)果表明，壓縮比對燃燒效率的影響很大，壓縮比增加則熱效率增加，而燃燒效率減小，導(dǎo)致熱效率增加量的減少，研究還發(fā)現(xiàn)，高壓縮比可替代進(jìn)氣預(yù)熱。當(dāng)壓縮比高達(dá)17：1時，絕對有效率上升，NOX排放下降，但是因為反應(yīng)時間縮短，CO排放增加。隨著壓縮比提高，穩(wěn)定HCCI燃燒所需的熱EGR率降低，因此用冷卻EGR配合高壓縮比可以控制燃燒速度，從而擴(kuò)大HCCI運轉(zhuǎn)工況范圍ii,選擇最佳壓縮比應(yīng)綜合分析燃燒室的形式、熱效率、啟動性能和機(jī)械負(fù)荷等各方面的影響。本設(shè)計取壓縮比值為16，并使用渦輪增壓中冷。（4）發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速對柴油機(jī)性能和結(jié)構(gòu)影響很大，

11、且其范圍十分寬廣2000-5000rpm。各種類型柴油機(jī)的使用轉(zhuǎn)速范圍亦不同。轉(zhuǎn)速提高可使柴油機(jī)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，運動件慣性力大，給燃燒過程的組織增加困難，從而影響柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和使用壽命iii。目前車用汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到5000-6000，而車用柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速為2000-5000rpm。本設(shè)計選用的柴油機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3000rpm。（5）行程S及其與缸徑D的比值行程S及其與缸徑D的比值S/D是對柴油機(jī)結(jié)構(gòu)和性能有重大影響的參數(shù)。合理的選擇S/D應(yīng)考慮以下因素：用較小的S/D，可減小柴油機(jī)的高度、寬度和重量。S/D減小時，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速可增加，提高

12、了柴油機(jī)的升功率，但增加了運動件的慣性力和柴油機(jī)的噪聲。S/D比值過小，特別是對直噴式燃燒室的柴油機(jī)，為保持一定的壓縮比以及燃燒室容積與壓縮容積比值，必將使活塞與氣缸蓋的間隙更小，這就增加制造上的困難。如間隙不能保證，發(fā)動機(jī)將難以達(dá)到各項性能指標(biāo)i。一般汽車用型柴油機(jī)大多選用較小的S/D值，直列式采用較大的S/D值；即使柴油機(jī)型號相同時，行程比也有長短，以滿足不同用途的需要。目前，車用汽油機(jī)的S/D值多數(shù)在0.7-1.2之間，而現(xiàn)階段車用柴油機(jī)的S/D值多數(shù)在0.75-1.2之間iii。本次設(shè)計初步選取行程缸徑比S/D1.1。（6）氣缸中心距及其與缸徑的比值氣缸中心距及其與缸徑的比值，是表征柴

13、油機(jī)長度的緊湊性和重量指標(biāo)的重要參數(shù)，它與柴油機(jī)的強(qiáng)化程度、氣缸排列和機(jī)體的剛度有關(guān)。從增加機(jī)體剛度著眼，目前高速柴油機(jī)缸心距有逐漸減小的趨勢。直列式小型高速柴油機(jī)的L0/D ,其值一般在1.161.22之間，最小可取1.14，推薦取1.20，故本設(shè)計初步取L0/D=1.20。（7）缸徑和行程由排量2.8L，而本設(shè)計氣缸數(shù)為4，可知每缸工作容積Vs0.7L；而由S/D1.1得S1.1D。由可計算得D93.23mm，S102.55mm，修正計算后取整得D95mm，S104mm。（8）活塞平均速度活塞平均速度Cm是表征柴油機(jī)高速性和強(qiáng)化程度的一項主要指標(biāo)，對柴油機(jī)總體設(shè)計和主要零件結(jié)構(gòu)形式影響很大

14、。在功率給定以后，若平均有效壓力、活塞行程和缸數(shù)維持不變，提高活塞平均速度可使氣缸直徑減小，柴油機(jī)體積減小、重量輕iv。在活塞行程確定之后，活塞平均速度可由公式求得，設(shè)計活塞平均速度vm10.4m/s。提高活塞平均速度受到下列因素的限制：提高活塞平均速度后，使運動件的慣性力增大，同時活塞、缸套和汽缸蓋的熱負(fù)荷也相應(yīng)增加。提高活塞平均速度使柴油機(jī)零件的磨損加快，縮短了柴油機(jī)的大修期。活塞平均速度的提高，使摩擦功率迅速增加，機(jī)械效率降低，燃油消耗率升高。進(jìn)、排氣阻力隨活塞平均速度的提高而增加，使充氣效率降低。隨著活塞平均速度的提高，柴油機(jī)的平衡、振動和噪聲等問題突出。（9）曲柄半徑與連桿長度比曲柄

15、半徑與連桿長度比，即,是一項確定連桿長度的重要參數(shù)，行程S確定后，選擇值主要考慮一下因素：選擇較大的值，使連桿短、重量輕，往復(fù)和離心質(zhì)量小，有利于柴油機(jī)高速化，并可降低直列式柴油機(jī)的高度，減輕了柴油機(jī)的重量。較大的值，雖縮短了連桿長度，但增加連桿擺角和活塞側(cè)壓力，對缸套磨損不利。在選擇連桿長度時，要保證在上止點時不與曲軸平衡塊相碰，活塞在上止點時曲柄不與缸套相碰iii。小型高速柴油機(jī)值較高，一般為0.20-0.33，以適應(yīng)高速比的需求i。本設(shè)計初步取用的值為0.30。由活塞行程S可知曲柄半徑可知連桿長度（10）發(fā)火次序的選擇柴油機(jī)的發(fā)火次序與柴油機(jī)運轉(zhuǎn)的均勻性、主軸承和連桿軸承的負(fù)荷、軸系的扭

16、振性能有密切關(guān)系。選擇發(fā)火次序時，主要考慮以下因素：使連續(xù)做功的兩缸盡可能遠(yuǎn)，以減輕主軸承的的載荷，同時避免進(jìn)氣行程中可能發(fā)生的搶氣現(xiàn)象。做功間隔應(yīng)力求均勻，也就是說，在發(fā)動機(jī)完成一個工作循環(huán)的曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，每個氣缸都都應(yīng)發(fā)火做功一次，而且各缸的間隔時間應(yīng)力求均勻。本設(shè)計選擇的發(fā)火次序為：1-3-4-2。（11）燃油系統(tǒng)和燃油室的選擇燃燒室的選型不僅關(guān)系到整機(jī)的性能指標(biāo)，而且在很大程度也決定了汽缸蓋和活塞頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)。燃燒室選型的主要依據(jù)是缸徑、轉(zhuǎn)速及使用要求，并充分考慮當(dāng)前的制造和使用維護(hù)水平。不同的燃燒室適用不同的缸徑和轉(zhuǎn)速，只有在它的適用范圍內(nèi)，其優(yōu)點才能充分發(fā)揮出來。直噴式柴油機(jī)具有節(jié)約燃油

17、的突出特點，所以直噴式燃油室在高速柴油機(jī)上應(yīng)用日益廣泛，并逐漸向小排量的方向發(fā)展。本設(shè)計用高壓共軌直噴式有渦流的深坑型燃燒室。1.2柴油機(jī)的總體布置（1）柴油機(jī)總體布置的一般要求：布置緊湊，外形尺寸小，外觀整齊，外接管路盡量較小。經(jīng)常需要保養(yǎng)的零件，如機(jī)油、燃油、空氣的濾清器，以及常用的機(jī)油加油口、放水閥和機(jī)油油尺等。對經(jīng)常檢查調(diào)整的氣門間隙和噴油提前角等有關(guān)零部件應(yīng)考慮到調(diào)整和拆裝方便。應(yīng)滿足用戶對柴油機(jī)配套所提出的各項合理要求。各種用途汽油機(jī)的總體布置，首先應(yīng)滿足主要用途的配套要求，還要考慮到變形機(jī)型的有關(guān)問題。具有良好的加工和裝配工藝性。柴油機(jī)起吊、存放和安裝方便。（2）柴油機(jī)的總體布置

18、：凸輪軸的布置直列式柴油機(jī)凸輪軸的橫向位置，在不與曲柄連桿機(jī)構(gòu)相碰的條件下，應(yīng)盡可能的靠近氣缸中心線，以求得柴油機(jī)的最小寬度。本設(shè)計采用雙頂置式布置方式，凸輪軸在汽缸蓋上部，直接驅(qū)動氣門，其配氣結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小，適用于高速柴油機(jī)。噴油泵的布置本設(shè)計采用一只整體泵，布置在柴油機(jī)的側(cè)面，噴油器和噴油泵布置在同側(cè)，且布置在靠人行道一邊，縮短高壓油管的長度，也便于保養(yǎng)。齒輪傳動機(jī)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(hù)保養(yǎng)，多用于中小功率柴油機(jī)。故本設(shè)計采用此種布置方式。機(jī)油泵的位置機(jī)油泵的布置與其傳動方式、機(jī)油管路布置以及柴油機(jī)的用途有關(guān)。本設(shè)計中機(jī)油泵

19、布置在主軸承蓋上，由主動齒輪通過惰性齒輪傳動，這種布置的優(yōu)點是機(jī)油泵無需油封結(jié)構(gòu)，軸承潤滑條件好，機(jī)油泵安裝位置低，柴油機(jī)啟動后，瞬時既能吸上機(jī)油。水泵的位置本設(shè)計采用離心式水泵。為避免水漏入機(jī)體導(dǎo)致機(jī)油變質(zhì)，在水泵體上設(shè)有旁瀉孔，露出封水圈的水可由旁瀉孔排出，以便及時發(fā)現(xiàn)漏水并加以檢修。通常將水泵布置在柴油機(jī)的外部。進(jìn)排氣管的布置本設(shè)計中將直列式柴油機(jī)的進(jìn)排氣管分別布置在柴油機(jī)的兩側(cè)，有利于汽缸蓋進(jìn)排氣道的設(shè)計，進(jìn)排氣管拆裝也方便。1.3方案選擇結(jié)果技術(shù)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C/ms-110.4汽缸數(shù)i4曲柄半徑與連桿長度比0.3額定轉(zhuǎn)速nN/rpm3000連桿長度

20、l/mm173行程缸徑比S/D1.1氣缸中心距與缸徑比1.20汽缸直徑D/mm95氣缸中心距LO/mm114活塞行程S/mm104發(fā)火次序1-3-4-2下面，將進(jìn)行四個工況的熱力計算：（1）低轉(zhuǎn)速（怠速）工況，nmin=800rpm（2）大扭矩工況，Ntqmax=2000rpm（3）額定工況，nN=3000rpm（4）大功率（速度）工況，umax=3500rpm二 熱計算熱計算將從以下幾個方面來進(jìn)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(jìn)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(jī)有效指標(biāo)、柴油機(jī)示功圖的繪制、熱平衡、柴油機(jī)外特性計算等。2.1柴油機(jī)基本過程2.1

21、.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：Hu=42860kJ/kg工質(zhì)參數(shù)燃燒1kg柴油燃料，理論上所必須的空氣量vi： 過量空氣系數(shù)是燃燒1kg燃料時，實際空氣量L1（或L）與理論必須空氣量L0之比。降低值是強(qiáng)化發(fā)動機(jī)工作過程的有效方法之一。對于給定功率的發(fā)動機(jī)，減小過量空氣系數(shù)，則可以減小氣缸尺寸。但隨著的降低，會引起燃料繞少不完全，惡化了經(jīng)濟(jì)性，并增大了發(fā)動機(jī)的熱應(yīng)力。增壓柴油機(jī)的過量空氣系數(shù)取值范圍為=1.30-2.2,但是增壓柴油機(jī)在=1.6-1.8時，在標(biāo)定工況下沒有嚴(yán)重過熱現(xiàn)象并能穩(wěn)定工作vii。對于增壓柴油機(jī)而

22、言，由于隨負(fù)荷的增大，排氣能量加大，增壓轉(zhuǎn)速上升，從而使增壓壓力變大、進(jìn)氣密度提高，所以在高負(fù)荷時，其過量空氣系數(shù)以及指示熱效率變化不大。本設(shè)計取額定工況=1.6,怠速工況時=1.38，最大扭矩工況時=1.5，最大功率工況時=1.58。新鮮沖量：理論燃燒物的總產(chǎn)量當(dāng)=1時，實際燃燒產(chǎn)物總產(chǎn)量：2.1.2周圍介質(zhì)參數(shù)和剩余氣體在增壓發(fā)動機(jī)工作時，參考本機(jī)特點及柴油機(jī)一般參考資料，選取參數(shù)如下：周圍環(huán)境壓力P0=0.1MPa,周圍環(huán)境溫度T293K周圍介質(zhì)壓力：采用中度增壓，則P1.7P0.17MPa周圍介質(zhì)溫度即壓氣機(jī)空氣后溫度Tk為：式中，nk為氣壓計（增壓器）中空氣的壓縮多變指數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)資

23、料，nk取值范圍1.4-2.0vii。此外nK1.65則有，TK=361K。殘余廢氣壓力Pr殘余廢氣壓力取值為：Pr（0.75-0.98）Pk14，曲軸轉(zhuǎn)速高的發(fā)動機(jī)，Pr取大一些的值。所以本設(shè)計額定工況取值為PrN0.96PK0.960.170.163MPa對于其它轉(zhuǎn)速工況： 式中，PrN為額定工況下的殘余廢氣壓力，單位為MPa；nN為額定工況下的曲軸轉(zhuǎn)速，3000rpm。帶入數(shù)據(jù)得：AP6.6殘余廢氣溫度rTr一般取700-1000K，本設(shè)計取額定工況時Tr=800K。后面環(huán)節(jié)還需進(jìn)行校核驗證，假定的正確性。2.1.3進(jìn)氣過程充氣過程中，因為充氣受到發(fā)動機(jī)熱零件預(yù)熱，所以新鮮充量的溫度稍有

24、提升，為T。對于增壓柴油機(jī)而言，T的取值范圍是0+10K。這里取額定工況時TN=5K。而其它轉(zhuǎn)速工況， 式中，和nN分別為發(fā)動機(jī)在額定工況下的工作時的溫升和轉(zhuǎn)速。其中 進(jìn)氣的充量密度式中：為進(jìn)氣充量密度，Kg/m3；Rg為氣體常數(shù)，Rg287J/kgk；其余符號如前所述，代入得進(jìn)氣壓損失由努伯利方程求得：現(xiàn)代汽車柴油機(jī)在額定工況下，及對于進(jìn)氣系統(tǒng)加工過的內(nèi)表面，可以取這是根據(jù)發(fā)動機(jī)速度工況和增壓柴油機(jī)的進(jìn)氣系數(shù)不大的流體阻力來選取的。這時，v進(jìn)氣終了壓力Pa殘余廢氣系數(shù)殘余廢氣系數(shù)表征了柴油機(jī)汽缸中燃燒產(chǎn)物的排凈度。式中，TK為初始溫度，為標(biāo)定速度工況上的溫度變化量。為壓縮比，為剩余廢棄系數(shù)。

25、為采用增壓時，殘余系數(shù)值降低v。進(jìn)氣終了溫度Ta進(jìn)氣終了溫度范圍為320400Kiv。充量系數(shù)充量系數(shù)是表征進(jìn)氣過程特性的最重要參數(shù)，它是進(jìn)氣缸的實際新鮮的充量,與氣缸內(nèi)溫度和壓力周圍介質(zhì)或吸入氣缸前的介質(zhì)溫度和壓力相等時，氣缸工作容積中可能容納的充量的數(shù)量之比，是衡量內(nèi)燃機(jī)充氣性能的一個重要指標(biāo)。不考慮掃氣及過后充氣的四沖程柴油機(jī)充量系數(shù)為:式中，新鮮充量溫升T，壓氣機(jī)后的空氣溫度Tk，周圍介質(zhì)壓力Pk，進(jìn)氣終了壓力Pa，為壓縮比vii。充量系數(shù)值的大小，主要取決于柴油機(jī)的沖程、高速性及系統(tǒng)的完善程度。計算結(jié)果：進(jìn)氣過程參數(shù)不同工況不同轉(zhuǎn)速n800200030003500殘余廢氣壓力Pr/M

26、Pa0.10770.13000.16320.1848進(jìn)氣壓力損失Pa/MPa0.00130.00830.01860.0253進(jìn)氣終了壓力Pa/MPa0.16870.16170.15140.1447殘余廢氣溫度Tr/K580700800850新鮮充量溫升T/K6.95.95.04.6殘余廢氣系數(shù)0.02640.02770.03310.0373進(jìn)氣終了溫度Ta/K373.47375.97380.00383.11充量系數(shù)（%）99.7194.8487.3982.492.1.4壓縮過程壓縮過程的計算，歸結(jié)為求解壓縮過程的平均多變指數(shù)n1、壓縮終了的參數(shù)(PG和TG)（1）壓縮絕熱指數(shù)和多變平均指數(shù)以及

27、最終確定壓縮終了是工質(zhì)的比熱（）。在柴油機(jī)的標(biāo)定工況工作時，可以取壓縮多變指數(shù)近似的等于絕熱指數(shù)。高速增壓多變指數(shù)在1.35-1.37之間，在本次設(shè)計中取（2）壓縮終了壓力和壓縮終了溫度壓縮終了壓力壓縮終了溫度壓縮過程參數(shù)不同工況不同轉(zhuǎn)速n800200030003500壓縮終了壓力PG/Mpa7.42 7.12 6.66 6.37 壓縮終了溫度TG/K1030.29 1034.32 1045.42 1053.97 2.1.5燃燒過程（1）柴油機(jī)理論混合氣分子變更系數(shù)（2）柴油機(jī)實際混合氣分子變更系數(shù)（3）柴油機(jī)工作混合氣燃燒的熱量其中，為低位發(fā)熱值。（4）燃燒過程終了溫度即式中，為熱量利用系數(shù)

28、，是一個用以反映實際燃燒過程完善程度、通道節(jié)流、高溫分解和傳熱損失程度的一個重要參數(shù)。本次設(shè)計取0.8。tz為燃燒終了溫度，為實際混合氣分子變更系數(shù)；為壓力升高比，本次設(shè)計選擇1.5。則通過假定tz查的相關(guān)數(shù)據(jù)，帶入式子進(jìn)行計算得到新的tz，反復(fù)迭代，直到假設(shè)的tz值與新計算的tz值相等，迭代結(jié)束?？傻茫核裕?）柴油機(jī)最高燃燒壓力式中，為最高燃燒壓力。（6）柴油機(jī)初期膨脹比燃燒過程參數(shù)不同工況不同轉(zhuǎn)速n800200030003500混合氣分子變更系數(shù)01.04781.04401.04131.0418混合氣分子變更系數(shù)1.04671.04281.03991.0403混合氣燃燒的熱量Hp/kJ/

29、kmol52342.752129.151860.551647.8燃燒過程終了溫度Tz/k2056.682041.762056.192056.83最高燃燒壓力Pz/MPa11.13710.6799.9969.553初期膨脹比1.3931.3721.3641.3532.1.6膨脹過程柴油機(jī)過后膨脹比：在標(biāo)定工況下，考慮到足夠大的氣缸尺寸可以取膨脹多變指數(shù)稍小于膨脹絕熱指數(shù)。一般經(jīng)驗值：對于柴油機(jī)n2=1.221.32。本設(shè)計中，取膨脹多變指數(shù)n2=1.25。并由此可以得到柴油機(jī)膨脹終了溫度和壓力：取柴油機(jī)剩余氣體溫度進(jìn)行校核：兩者計算誤差為：誤差在允許范圍內(nèi)。膨脹過程參數(shù)不同工況不同轉(zhuǎn)速n8002

30、00030003500膨脹比11.48611.65911.73411.822膨脹終了溫度Tb/K1117.1851104.9441110.9761109.239膨脹終了壓力Pb/MPa0.5270.4960.4600.436剩余氣體溫度Tr/K658.27707.34786.31833.31誤差/%1.261.041.742.002.2工作循環(huán)參數(shù)2.2.1發(fā)動機(jī)指示指標(biāo)（1）理論平均指示壓力式中，為理論平均指示壓力。（2）柴油機(jī)平均指示壓力查資料知，取豐滿系數(shù)，則（3）柴油機(jī)指示效率（4）柴油機(jī)指示燃油消耗率發(fā)動機(jī)指示參數(shù)不同工況不同轉(zhuǎn)速n800200030003500理論平均指示壓力Pi/

31、MPa1.318 1.230 1.138 1.073 平均指示壓力Pi/MPa1.279 1.194 1.104 1.041 指示效率i0.363 0.387 0.415 0.409 指示燃油消耗率gi/g/kwh231.232 216.811 202.420 205.305 2.2.2發(fā)動機(jī)有效指標(biāo)（1）機(jī)械損失的平均壓力 式中：為機(jī)械損失平均壓力。（2）柴油機(jī)平均有效壓力和機(jī)械效率平均有效壓力： 式中：為平均有效壓力。機(jī)械效率：式中：為機(jī)械效率。（3）柴油機(jī)有效效率和有效燃燒消耗率有效效率：式中：為有效效率。有效燃油消耗率：式中：為有效燃油消耗率。發(fā)動機(jī)有效指標(biāo)不同工況不同轉(zhuǎn)速n80020

32、0030003500平均有效壓力Pe/MPa1.0951.0090.9200.857機(jī)械效率0.8560.8460.8330.823有效效率0.3110.3280.3460.337有效燃油消耗率ge/g/kwh270.161256.397242.964249.4742.2.3發(fā)動機(jī)的部分重要參數(shù)（1） 活塞面積（2） 活塞平均速度（3） 有效功率（4） 扭矩（5） 耗油量（6） 發(fā)動機(jī)的升功率2.3示工圖的繪制內(nèi)燃機(jī)的示工圖可以利用工作過程的計算數(shù)據(jù)來繪制。選取活塞行程比例尺;選取壓力比例尺。示工圖上相當(dāng)于氣缸工作容積的長度為：示工圖上相當(dāng)于燃燒室容積的長度為：壓縮和膨脹多變曲線可以用分析法來

33、繪制，對布置在之間的中間容積各點的計算按多變曲線方程進(jìn)行。（1）示工圖最大高度和按縱坐標(biāo)軸線z點的位置2.3.1壓縮多變曲線個各點的計算壓縮多變曲線各點計算公式式中：為壓縮多變曲線各點壓力，MPa；為壓縮多變曲線各點容積，；其中與的比值范圍為116。2.3.2膨脹多變曲線各點計算式中：為膨脹多變曲線各點壓力，MPa;為膨脹多變曲線各點容積，mm3;在116之間變化。壓縮多變曲線各點N0點計算點橫坐標(biāo)Va/VxVa/Vxn1PxPx/Mp15.9331251644.017338186.6629044883.28630626.3286666671540.305523726.10104712576.

34、2630890636.7807142861436.682993495.55270472469.4088090547.3023076921333.153751345.01848334162.7310417657.9108333331229.722299144.49906442156.2383052668.631126.393744923.99522116949.9402646179.4931023.17394653.50784028243.84800352810.54777778920.069706683.03795150137.97439376911.86625817.089046532.58

35、676897332.334612161013.56142857714.241601342946889941115.82166667611.539220091.74669174521.833646811218.98658.9969240841.36186439917.023304981323.732546.6345563671.00427279712.553409961431.6433333334.479922620.6781258878.4765735881547.46522.5757632590.3898932854.8736660561694.93110.1513

36、71.892125膨脹多變曲線各點N0點計算點橫坐標(biāo)Va/VxVa/Vxn2PxPx/Mp18.094711.7274367821.7022069.994365124.929628.631120.032763169.225548187115.319352339.4931017.78279418.189385687102.3673211410.54777778915.58845727773553883511.86625813.454342646.19603423777.45042797613.56142857711.386035935.24353142565.54414

37、282715.8216666769.390507484.32454467654.05680846818.98657.4767439063.44321253443.04015667923.732545.6568542492.6051114932.563893621031.6433333333.9482220391.81824705822.728088231147.46522.378414231.09531445613.691430711294.93110.4605235.75653752.4熱平衡（1）加入柴油機(jī)的燃料總熱量（2）柴油機(jī)單位時間內(nèi)有效功相當(dāng)?shù)臒崃浚海?）柴油機(jī)給冷卻介質(zhì)的熱量：四

38、沖程發(fā)動機(jī)的C，m，取C=0.5，m=0.65，D=85mm，則可以得到：（4）廢氣帶走的熱量：在=1.6，時，查文獻(xiàn)運用插值法得到：在=1.6，時，用插值法查文獻(xiàn)得到：所以，廢氣帶走的總熱量為：（5）其他熱損失對發(fā)動機(jī)熱平衡進(jìn)行分析，并計算出各部分熱量占輸入燃料的總熱量的百分比，有助于設(shè)計師有針對性的降低熱消耗，從而提高發(fā)動機(jī)的整體熱效率。熱平衡組成表熱平衡組成)百分比/%有效功當(dāng)量的熱量6216325.83傳給冷卻介質(zhì)的熱量53442.622.21廢氣帶走的熱量7867632.69其他的熱損失熱量46338.419.27發(fā)動機(jī)燃料總熱量240650.97100三 外特性計算以及曲線的繪制在

39、繪制新設(shè)計的發(fā)動機(jī)外特性時，常常利用熱計算的結(jié)果，而所進(jìn)行的熱計算是針對著發(fā)動機(jī)滿負(fù)荷工作的一些規(guī)范。但是這個速度特性的計算方法只有按發(fā)動機(jī)在部分速度工況下工作的一系列參數(shù)，在具有足夠完整實驗數(shù)據(jù)得情況下，才能得出可靠結(jié)果。按發(fā)動機(jī)工作的一個工況最大功率工況進(jìn)行熱計算的結(jié)果和利用經(jīng)驗關(guān)系的曲線，可以繪制發(fā)動機(jī)外特性并具有足夠的精確性。進(jìn)行外特性曲線的繪制，以柴油發(fā)動機(jī)的不同轉(zhuǎn)速取各個工況點，變化范圍(r/min)到。最高曲軸轉(zhuǎn)速受限于：工作過程質(zhì)量歷程的條件、零件的熱應(yīng)力以及慣性力的容許值等，最低的在滿負(fù)荷時由發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作條件確定。（1）有效功率曲線的計算點經(jīng)過5004000r/min按以下

40、經(jīng)驗關(guān)系式來確定：nx5001000150020002500300035004000Nex11.799525.325738.851950.651358.99762.16358.42346.0467（2）有效扭矩曲線的點按以下公式確定nx5001000150020002500300035004000Mex225.4674241.965247.4642241.965225.4674197.9713159.4769109.9841（3）燃料有效油耗率按以下公式確定（3-52）nx5001000150020002500300035004000gex250.7213222.261207.3533205.

41、998218.1953243.945283.2473336.102比較所得數(shù)據(jù)和按熱計算的結(jié)果繪制的曲線的基礎(chǔ)上，可以得到以下結(jié)論：(1)發(fā)動機(jī)扭矩隨著轉(zhuǎn)速的提高而逐漸降低，但是降低幅度小;由于設(shè)定值的一些誤差，在轉(zhuǎn)速達(dá)到2000rpm時沒達(dá)到最大值，一直隨著轉(zhuǎn)速的提高而逐漸降低:在發(fā)動機(jī)的整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)扭矩變化平衡，具有良好的操控性能。(2)發(fā)動機(jī)功率隨著轉(zhuǎn)速的提高而逐漸增大，在轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速3000rpm時達(dá)到額定功率;(3)油耗率的變化規(guī)律大致為:隨著轉(zhuǎn)速的提高先降低后升高，高效經(jīng)濟(jì)工作區(qū)寬，在1500-3000rpm工作區(qū)內(nèi)有較經(jīng)濟(jì)的油耗，轉(zhuǎn)速為2200rpm時油耗率達(dá)到最低為210

42、.8769g/kWh。(4)每小時的耗油量基本上和轉(zhuǎn)速成正比。2.6本章小結(jié)由上述不同工況的熱力計算和熱平衡計算，以標(biāo)定工況來綜述得到的計算結(jié)果，熱力計算通過，對進(jìn)氣過程，壓縮過程，膨脹過程，在設(shè)定一些參數(shù)如：各工況轉(zhuǎn)速，過量空氣系數(shù)，殘余廢氣溫度的情況下，根據(jù)一系列參考公式進(jìn)行理論計算，得到了重要的工作循環(huán)參數(shù)指標(biāo)。在標(biāo)定工況下，柴油機(jī)參數(shù)指示：平均指示壓力1.104MPa,指示效率41.5%，有效指標(biāo)：平均有效壓力0.920Mpa，有效燃油消耗率242.964g/kwh,機(jī)械效率83.3%，柴油機(jī)最高燃燒壓力Pz=9.996MPa,活塞平均速度10.4m/s，耗油量15.65kg/h.發(fā)動

43、機(jī)升功率Nn=23kW/L.四 活塞主要尺寸設(shè)計 活塞的主要結(jié)構(gòu)尺寸如下圖，可根據(jù)同類型發(fā)動機(jī)或統(tǒng)計數(shù)據(jù)選取。（1）活塞高度H應(yīng)在保證結(jié)構(gòu)布置合理和所需的承壓面積條件下盡量選擇較小的活塞高度。轉(zhuǎn)速越高，H應(yīng)越小，以盡量減輕活塞重量，從而控制由于轉(zhuǎn)速升高而引起的慣性力增大。中小型高速H/D一般范圍0.95-1.05，取1.0，則（2）壓縮高度H1壓縮高度H1決定活塞銷的位置，在保證氣環(huán)良好工作的條件下，宜縮短，以力求降低整機(jī)的高度尺寸。查資料得：H1=（0.6-0.8）取,所以（3）頂岸高度h1查資料得：h1/D=0.140.2取h1/D=0.15,所以（4）活塞環(huán)數(shù)目及排列活塞環(huán)數(shù)目及排列近代

44、中高速柴油機(jī)采用四道環(huán)，同時還須從活塞及活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)上采取措施，以確保良好的密封性能和防竄油性能。采用3道氣環(huán)，1道油環(huán)。排列方式為從活力岸往下是依次排列氣環(huán)，接下來是油環(huán)。（5）環(huán)槽尺寸h1)活塞環(huán)槽的高度h第一道氣環(huán)槽高度h1= 2.4mm第二道氣環(huán)槽高度h2=2.4 mm第三道氣環(huán)槽高度h3=2.4mm油環(huán)槽高度h4=4.3 mmh=h1+h2+h3+h4=11.5mm2) 活塞環(huán)的徑向厚度 氣環(huán)徑向厚度 t=3.8mm 油環(huán)徑向厚度 t=3.3mm 3）環(huán)槽D氣環(huán)槽 (mm)油環(huán)槽 (mm)式中活塞名義直徑活塞環(huán)的徑向厚度系數(shù)，鋁活塞 k = 0.006環(huán)槽底部的過渡圓角一般為0.20

45、.5mm氣環(huán)槽油環(huán)槽（6）環(huán)岸高度c第一環(huán)岸（第一道氣環(huán)下面的環(huán)岸）溫度較高，承受的氣體壓力最大，又容易受環(huán)的沖擊而斷裂，所以第一環(huán)岸高度c1一般比其余環(huán)岸高度要大一些。查資料得：取第一環(huán)岸c1/D=0.04 ,所以取其余環(huán)岸c1(c2)/D=0.02 ，所以 c=c1+c2+c3=7.6mm環(huán)帶高度h2=h+c=11.5+7.6=19.1mm（7）活塞頂厚度 是根據(jù)活塞頂部應(yīng)力、剛度及散熱要求來決定的，小型高速柴油機(jī)的鋁活塞，如滿足頂部有足夠的傳熱截面，則頂部的機(jī)械強(qiáng)度一般也是足夠的。熱應(yīng)力隨活塞頂厚度增加而增大，活塞頂厚度（特別是鋼頂）只要厚到能承受燃?xì)鈮毫础?的一般范圍列于表3.3。表

46、3.3 活塞頂厚度類 別b/D備 注鋁活塞 小型高速0.07-0.15以0.07-0.12居多 高速大功率0.1-0.2鋼頂組合活塞0.02-0.04參閱7-18，采用薄頂可降低熱應(yīng)力鑄鐵活塞0.06-0.08由表得/D=（0.07-0.15），取/D=0.1，所以（8）裙部高度H2 H2 / D的一般取值范圍為：高速柴油機(jī) 0.650.88上、下裙應(yīng)有恰當(dāng)?shù)谋壤先归L度過小，易產(chǎn)生尖峰負(fù)荷，造成活塞拉毛及擦傷。一般的比例如下：取 ，所以 因而，滿足條件（9）裙部厚度g鋁活塞裙部最小壁厚一般為(0.030.06)D。薄壁裙部對減輕活塞重量有利，但又需要保證裙部有足夠的剛性，可以根據(jù)需要設(shè)置加強(qiáng)筋。（10）活塞銷直徑d和銷座間隔B 由資料得d / D=0.330.4，取0.368，則d=35mm。 ，取0.379 ，則B=36mm。所以得d=35mm ，B=36mm（11）活塞頭部設(shè)計活塞頂形狀主要根據(jù)燃燒系統(tǒng)的要求進(jìn)行設(shè)計，本活塞設(shè)計選擇型燃燒室。鋁活塞的頭部設(shè)計成導(dǎo)熱良好的“熱流型”，即根據(jù)活塞的熱流通路，采用大圓弧過渡，以增加從頂部到裙部的傳熱截面，從而將頭部熱流迅速傳出，使活塞頭部的溫度的到降低。溫度降低的同時有利于消除應(yīng)力集中，這樣即可提高活塞的承載能力。（12）活塞銷設(shè)計活塞銷受燃?xì)鈮毫突钊M往復(fù)慣性力的交變沖擊而產(chǎn)生彎