中南大学内燃机设计报告

课设计 课  题内燃机课程设计 学  院能源科学与工程学院 姓名 郑晓光 学    号        1006130523 专业班级能动1304班 指导教师          蒋受宝          2016年9月8日 内燃机课程设计任务书 1、题目：柴油机活塞组设计 二、给定参数： 1．活塞排量： 2.8L 2．柴油重量成分：C＝0.870 ,H=0.126 ,O=0.004 3．柴油的低位发热值：Hu=42860kJ/kg。 三、设计内容 1．选择及总体设计（确定主要性能参数和结构参数）。 2．工作循环计算（包括最低转速、最大扭矩、最大功率、最高速度工况）与示功图。 3．热平衡计算与热平衡图。 4．外特性计算与外特性曲线图。 5．绘制活塞零件图（A2）。 四、设计要求 1．编写设计计算说明书一份，1.2万字左右（20～25页）。 2．用计算机书写文本，用AutoCAD绘图。 3．公式要有出处，符号要有说明。 目录 1方案选择及总体设计    1 1.1柴油机主要参数的确定    2 1.2柴油机的总体布置    6 1.3方案选择结果    8 2热计算    9 2.1柴油机基本过程    9 2.1.1燃料燃烧及成分确定    9 2.1.2周围介质参数和剩余气体    10 2.1.3进气过程    11 2.1.4压缩过程    13 2.1.5燃烧过程    14 2.1.6膨胀过程    16 2.2工作循环参数    17 2.2.1发动机指示指标    17 2.2.2发动机有效指标    18 2.2.3发动机的部分重要参数    19 2.3示工图的绘制    20 2.3.1压缩多变曲线个各点的计算    20 2.4热平衡    22 3 外特性计算以及曲线的绘制    24 本章小结    26 4 活塞组的设计    26 5参考资料    34 摘要：柴油机是一类广泛应用的活塞机械，现阶段广泛应用于汽车和船舶等的动力装备和发电。本次设计确定了2.7升柴油机各缸的基本排列方式等。同时通过对柴油机的热平衡，功率等的计算确定了柴油机的基本设计参数和耗油率等基本规格参数。 关键词：柴油机，热平衡，燃油消耗率，功率 一  方案选择及总体设计 内燃机总体设计是整个产品开发工作的第一阶段，按照工作次序可分为：产品开发的战略决策；产品主要技术经济指标与设计结构参数的论证和选择；方案计算和总体设计图的绘制等几个阶段。总体设计的水平和决策的正确与否，对产品的水平和市场竞争能力将产生决定性的影响。产品总体设计时要选择和确定内燃机的主要设计参数，完成各项主要工作系统如供油、燃烧、进排气系统的构思，绘制活塞组的方案和整体纵横剖面图，不同缸数及典型配套机型的外形布置图，编制总体设计说明书。 与汽油机相比，柴油机有如下优势：一、柴油机压缩比高，燃料燃烧完全，所以柴油机的有效热效率好，经济性好；二、柴油机无点火系，所以故障少些，易保养；三、有害气体的排放优于汽油机。但缺点是体积大，噪声大，部分零件加工困难。在能源紧张、油价高涨的当下，开发一款新的柴油机是顺应时代发展的，所以初步选定设计柴油机。 通过对不同方案的优缺点进行比较，确定所设计的柴油机的冲程数、汽缸数，气缸排列方式、发火次序，压缩比及增压形式、燃烧室形状、燃油喷射系统，设定额定转速、曲柄半径与连杆长度比、缸径、行程。并由此得到活塞平均速度、缸心距。再对发动机的这个布置进行总体设计，包括凸轮轴，水泵，机油泵，齿轮传动机构，进气管的布置等。 1.1柴油机主要参数的确定 （1）冲程数的选择 目前柴油机以四冲程为主，四冲程柴油机与二冲程柴油机相比，主要有以下优缺点： 二冲程柴油机的热负荷较高，特别是活塞组的热负荷较高（活塞顶的平均温度比四冲程柴油机高约50-60℃），而且气缸内压力总是大于一个大气压，使活塞环在换槽中活动性较少，积碳不易排除，容易使活塞环失去工作能力；由于在轴承上的负荷是单方向的，这对润滑不利。以上缺陷使得二冲程柴油机的可靠性与使用寿命不如四冲程柴油机。 换气质量较差，使燃烧条件变差，同时带动换气泵也需要消耗一部分功率，因此燃油经济性比较差。 二冲程柴油机热负荷较高，因而对机油质量要求也较高；由于机油容易串入扫气孔和排气孔边缘，随气流进入气缸燃烧或从进气管派出，因此，机油的消耗率较大。 高压泵和喷油嘴的工作较繁重，寿命较短。 此外，二冲程柴油机的噪声、排放污染等都比四冲程柴油机严重。燃油消耗率高，使用寿命较短，升功率也低于四冲程柴油机。 综合以上优缺点，本次设计选择目前市场占有率较高的四冲程的设计方式,即τ=4 。 （2）气缸数和布置方式的选择 汽车发动机常用缸数有2、3、4、6、8、12缸等。排量1升以下的发动机常用三缸，1～2.5升一般为四缸发动机，3升左右的发动机一般为6缸，4升左右为8缸，5.5升以上用12缸发动机。一般来说，在同等缸径下，缸数越多，排量越大，功率越高；在同等排量下，缸数越多，缸径越小，转速可以提高，从而获得较大的提升功率，而且多缸发动机比较紧凑轻巧，往复质量平衡性较好，转矩均匀性得到改善，使多缸发动机运转平顺，而且启动容易，加速响应特性好。由于每增加一个汽缸，相应地就要增加气门数量，加长曲轴，增加曲轴上的平衡载荷，增加点火和喷油硬件，这些东西的增加都增加了发动机的复杂程度，直接的结果就是设计难度提高，制造成本提高，甚至连发动机控制软件也要相应地变得更加复杂。但是在发动机用途和性能一般都是设计阶段最早确定下来的参数，在冲程和缸径都有一定限制的情况下要增加排气量得到大马力只有靠增加汽缸数量来实现了。经综合考虑，本次设计采用4缸。 对于多缸发动机，气缸的排列形状决定了发动机的外形结构，对于发动机气缸体的刚度和强度也有影响，并关系到汽车的总体布置情况。汽车发动机气缸排列基本上有以下三种形式：一、单列式（直列式）；二、双列式（V形发动机）；三、对置式发动机。直列式多缸发动机结构简单、加工容易，但发动机长度和高度较大，一般6缸以下的发动机多采用直列式；与直列式发动机相比，V形发动机缩短了机体的长度和高度，增加了刚度，减轻了发动机重量；但形状复杂，加工困难，一般多用于缸数多的大功率发动机；与前面两种相比，对置式发动机高度小，总体布置方便，但结构较为复杂。 经过以上方案综合比较，最终决定设计中采用4缸直列式布置的发动机。 （3）压缩比 压缩比是发动机的重要参数之一，直接影响柴油机的性能、机械负荷、启动性能以及主要零件的结构尺寸。在一定范围内，汽油机的热效率随压缩比的增加而提高，增大压缩比也可使柴油机的启动性能活得改善。但压缩比的提高将使气缸最高爆发压力相应上升，机械负荷增加，对柴油机的使用寿命有影响。 压缩比是另一个影响燃烧相位较大的因素，改变压缩比可以改变混合气体的密度和压力，从而对其自燃温度产生影响。改变压缩比的主要方法是调整调整燃烧室容积、工作容积和改变配气相位。在利用可变压缩比控制HCCI（均质充量压缩着火）方面，Lund技术学院实验结果明，压缩比对燃烧效率的影响很大，压缩比增加则热效率增加，而燃烧效率减小，导致热效率增加量的减少，研究还发现，高压缩比可替代进气预热。当压缩比高达17：1时，绝对有效率上升，NOX排放下降，但是因为反应时间缩短，CO排放增加。 随着压缩比提高，稳定HCCI燃烧所需的热EGR率降低，因此用冷却EGR配合高压缩比可以控制燃烧速度，从而扩大HCCI运转工况范围[ii],选择最佳压缩比应综合燃烧室的形式、热效率、启动性能和机械负荷等各方面的影响。本设计取压缩比ε值为16，并使用涡轮增压中冷。 （4）发动机额定转速 转速对柴油机性能和结构影响很大，且其范围十分宽广2000-5000rpm。各种类型柴油机的使用转速范围亦不同。转速提高可使柴油机体积小、重量轻和功率大。但转速提高后，摩擦功率和噪声急剧增加，运动件惯性力大，给燃烧过程的组织增加困难，从而影响柴油机的经济性、可靠性和使用寿命[iii]。 目前车用汽油机的转速达到5000-6000ｒｐｍ，而车用柴油机的转速为2000-5000rpm。本设计选用的柴油机的额定转速为3000rpm。 （5）行程S及其与缸径D的比值 行程S及其与缸径D的比值S/D是对柴油机结构和性能有重大影响的参数。合理的选择S/D应考虑以下因素： ①用较小的S/D，可减小柴油机的高度、宽度和重量。 ②S/D减小时，柴油机的转速可增加，提高了柴油机的升功率，但增加了运动件的惯性力和柴油机的噪声。 ③S/D比值过小，特别是对直喷式燃烧室的柴油机，为保持一定的压缩比以及燃烧室容积与压缩容积比值，必将使活塞与气缸盖的间隙更小，这就增加制造上的困难。如间隙不能保证，发动机将难以达到各项性能指标[i]。 一般汽车用Ｖ型柴油机大多选用较小的S/D值，直列式采用较大的S/D值；即使柴油机型号相同时，行程比也有长短，以满足不同用途的需要。 目前，车用汽油机的S/D值多数在0.7-1.2之间，而现阶段车用柴油机的S/D值多数在0.75-1.2之间[iii]。本次设计初步选取行程缸径比S/D＝1.1。 （6）气缸中心距及其与缸径的比值 气缸中心距及其与缸径的比值，是表征柴油机长度的紧凑性和重量指标的重要参数，它与柴油机的强化程度、气缸排列和机体的刚度有关。 从增加机体刚度着眼，目前高速柴油机缸心距有逐渐减小的趋势。直列式小型高速柴油机的L0/D ,其值一般在1.16～1.22之间，最小可取1.14，推荐取1.20，故本设计初步取L0/D=1.20。 （7）缸径Ｄ和行程Ｓ 由排量2.8L，而本设计气缸数为4，可知每缸工作容积Vs＝0.7L；而由S/D＝1.1得S＝1.1D。由 可计算得D＝93.23mm，S＝102.55mm，修正计算后取整得D＝95mm，S＝104mm。 （8）活塞平均速度 活塞平均速度Cm是表征柴油机高速性和强化程度的一项主要指标，对柴油机总体设计和主要零件结构形式影响很大。在功率给定以后，若平均有效压力、活塞行程和缸数维持不变，提高活塞平均速度可使气缸直径减小，柴油机体积减小、重量轻[iv]。在活塞行程Ｓ确定之后，活塞平均速度Ｃｍ可由公式 求得，设计活塞平均速度vm＝10.4m/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，使运动件的惯性力增大，同时活塞、缸套和汽缸盖的热负荷也相应增加。提高活塞平均速度使柴油机零件的磨损加快，缩短了柴油机的大修期。活塞平均速度的提高，使摩擦功率迅速增加，机械效率降低，燃油消耗率升高。进、排气阻力随活塞平均速度的提高而增加，使充气效率降低。随着活塞平均速度的提高，柴油机的平衡、振动和噪声等问题突出。