内燃机课程设计指导书.docx

内燃机课程设计指导书 1 柴油机基本参数选定 1.1 内燃机设计的基本要求 1、功率Pe 有效功率是柴油机基本性能指标。任务书已指定有效功率Pe=88kw 。 2、转速n 一般车用柴油机转速为2000r/min 4000r/min ，任务书已指定所需转速n=2800r/min 。 3、冲程数 本设计中的车用柴油机都采用四冲程，即=4 4、平均有效压力Pem 平均有效压力Pem 表示每一工作循环中单位气缸工作容积所做的有效功，一般车用柴油机的平均有效压力为0.55Mpa 1.0 Mpa ，任务书已经指定平均有效压力Pem=0.71Mpa 。 5、有效燃油消耗率be 这是柴油机最重要的经济性指标。四冲程非增压柴油机215g/(kw·h )285g/(kw·h )。 6、可靠性和寿命 可靠性和寿命是车用柴油机的基本要求之一，设计时必须提出具体指标，但本课程设计从略。 1.2 柴油机基本参数选用 由有效功率计算公式：30e n V i P P s em ?= 可知由于Pe 、Pem 、n 、已选定，则柴油机的总排量s V i ?也已选定，下一步设计应选定柴油机的基本结构参数：气缸直径d 、活塞行程S 、缸数i 及其它一些参数。 1、气缸直径d 气缸直径d 的选取影响柴油机的尺寸和重量，还影响柴油机的机械负荷和热负荷。因为设计的是120系列柴油机，所以气缸直径d=120mm 。 2、活塞行程S 车用柴油机的S/d=1.01.3，任务书规定了活塞行程S=118mm ，S/d=0.9833在允许范围内。 3、气缸数i 及气缸排列方式 由有效功率计算公式：P 30em s e P i V n ?= 得出 4i =。 排列方式为直列式。 4、连杆长度L 与曲柄连杆比=R/L 连杆长度加大，会使柴油机总高度增加；虽然连杆摆角减小，侧压力减小，但效果不明显；而且连杆重量加大，往复运动质量惯性力加大。因而尽量采用短连杆，一般值在1/31/5之间。因为所设计柴油机为120系列，所以连杆长l=263mm,连杆比=R/l=0.224,在允许范围内。 5、气缸中心距l 0及其与气缸直径之比l 0/d 因为所设计柴油机为120系列，所以所选气缸中心距0l =166mm,0/ 1.383l d =,在1.21.6的允许范围内。6、压缩比c 选用压缩比 c 也就是选用燃烧室容积。任务书给定车用柴油机的c 在 1823。取c =20 2 柴油机的近似热计算 柴油机工作过程热计算是对柴油机各工作过程中工质的状态参数、主要性能指标进行计算，并绘出示功图。通过热计算可以分析各工作过程的影响因素，找出提高动力性和经济性的途径，又为动力计算、结构设计提供数据。柴油机实际循环热力计算有近似热计算（简单计算法）和模拟热计算（电算法）二 种。本设计要求进行近似热计算。 2.1 燃料燃烧热化学计算 1、理论空气量L 0 ? ? ?-+= 3241221.010O H c g g g L (千摩尔/千克柴油) 燃料采用轻柴油87.0=c g ，126.0=H g ，004.0o =g 计算得 0L =0.495 （千摩尔/千克柴油） 2、新鲜空气量M 1 0a 1L M ?= (千摩尔/千克) a ?过量空气系数， 1.21.8a ?=，取 1.6a ?= 计算得 1M =0.742（千摩尔/千克） 3、燃烧产物M 2 32 4g 12o H g M M + = (千摩尔/千克) 轻柴油低热值 41860u H =千焦/千克 计算得 2M =0.774（千摩尔/千克） 4、理论分子变更系数0 2 01 1.043M M = = 5、实际分子变更系数1 01 1.043+0.045 =1.04111+0.045 r r += =+ 其中，r 残余废气系数，r =0.030.06，取0.045r =。 二、换气过程计算 1、排气压力（气缸内废气压力）P r 0.1030.108()r P Mpa = 取0.1055r P Mpa = 2、气缸内排气温度（残余废气温度）T r T r = 9701170（K ） 取1070r T K = 3、进气终点压力P a 095.0075.0=a P （Mpa ） 取0.085Mpa a P = 4、进气终点温度T a 350320=a T （K ） 取335K a T = 5、充量系数（充气效率）c ? 1 =0.85611c a d c c d a r P T P T = -+ 其中: 9.08.0=a d d a T T P P 之间，取0.85a a d d P T P T =。 计算得0.856c ?=，在0.80.9内。 2.3 压缩过程计算 1、平均多变压缩指数n 1 n 1=1.341.39， 取1 1.365n = 2、进气终点气缸容积ca V 234()11 s c ca c c c d s V V m = =?-=1.404L 式中：R 曲柄半径，R=S/2(m )； 曲柄连杆比，=R/L 。 对应于cx ?时的气缸容积cx V 22(1cos sin )4 2 cx cx cx c V d R V ?= -+ +（3m ） 燃烧室容积c V =0.07021 s c V L =- 曲柄半径 S R=0.059m 2 连杆比 R = =0.224L 对应于cx ?时的压力cx P （看附录EXCEL 表格） 1 )( n cx ca a cx V V P P =（MPa ） 3、压缩终点充量的状态参数 压力P cb 1 P 5.07 4n c b a c P = Mpa 温度 T cb 11 T 999.8n cb a c T -= K 2.4 燃烧过程计算 1、热量利用系数Z 热量利用系数Z 表示燃烧热量被工质吸收多少的程度。燃烧终点的热量利用系数Z 在此范围内选 取：Z =0.850.95，取=0.9z . 2、燃烧最高压力P Z 按结构强度及寿命要求选取，本设计中=Z P 59Mpa ，取8z P Mpa =。 3、压力升高比' 8=1.5775.074Z cb P P '= 位于' 1.41.8=内。 4、燃烧最高温度Z T 1）工质的平均等容摩尔热容m v C )(和平均等压摩尔热容间有如下关系： 313.8)()(+=m v m p C C kJ /(kmol· K ) 工质的平均等压摩尔热容m p C )(按下列方法计算： （1）查图法：由下图按过量空气系数查出。 （2）查表插值计算法：（摘自柴油机设计手册（上） a ? T （K ） 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.2 2.6 3.0 673 32.100 31.736 31.472 31.284 31.112 30.886 30.723 30.601 29.797 873 32.963 32.565 32.272 32.050 31.862 31.577 31.401 31.275 30.413 1073 33.838 33.419 33.063 32.845 32.649 32.364 32.176 32.021 31.037 1273 34.625 34.135 33.854 33.595 33.365 33.034 32.825 32.678 31.606 1473 35.341 34.843 34.466 34.194 33.959 33.645 33.419 33.239 34.121 1673 35.977 35.441 35.077 34.813 34.541 34.198 33.963 33.787 32.586 1873 36.547 35.981 35.567 35.261 35.023 34.667 34.399 34.231 32.988 2073 37.045 36.463 36.082 35.768 35.462 35.094 34.813 34.646 33.344 2273 37.408 36.870 36.467 36.103 35.852 35.454 35.178 34.981 33.658 2）燃烧方程 Z m pZ cb m pcb r a z T C T C L H )()1(313.8)() 1(10?=-'+ 式中：m v C )('在cb T 温度下，空气的平均等容摩尔热容。从方法二中通过插值法，计算出在 cb T =999.8K 、a ?=时'p m C =30.809（），可知''V m C ()8.31322.496p m C =-=（）。 m v C )(''在cb T 温度下，残余废气的平均等容摩尔热容。从方法二中通过插值法，计算出 在cb T =999.8K 、 1.5a ?=时''p m C =32.664（），可知''''V m C ()8.31324.351p m C =-=（） 。 ()()()=22.576 1v m r v m vcb m r C C C '''+=+ m pcb C )(压缩终点新鲜空气和残余废气混合气的平均等压摩尔热容， ()()8.313=30.889pcb m vcb m C C =+ m pZ C )(在Z T 温度下燃烧产物的平均等压摩尔热容。 3）燃烧最高温度Z T 的计算 由于m pZ C )(与Z T 有关，而Z T 又是待定值，因而采用试凑法求解，即先假设一个Z T ，由过量空气系数求出m pZ C )(，然后代入燃烧方程，反复试算，直到方程两边的值相差在5%以内。最后求得 T 2235z K =，方程两边误差0.035%，符合要求。 5、燃烧终点的体积Z V 和初期膨胀比 初期膨胀比： 1=1.4756Z cb T T = 燃烧终点容积： =0.1036L Z c V V = 在1.11.7内，符合要求。 2.5 膨胀过程计算 1、平均多变膨胀指数 2 1.251.3n = 取2 1.275n = 2、膨胀过程中任意曲轴转角bx ?时的气缸容积bx V （具体值见附录EXCEL 表格） 22(1cos sin )4 2 cx cx cx c V d R V ?=-+ + 膨胀过程中任意曲轴转角bx ?时的气体压力bx P （具体值见附录EXCEL 表格） n V V P P bx Z Z bx 2 )(= 3、后期膨胀比 =13.554b c Z V V = = 4、膨胀过程终点状态参数 压力：2=0.2882Mpa Z b P P n = 温度：2 1=1091.34K Z b T T n -= 2.6 示功图绘制 1、理论示功图绘制 根据各过程计算结果可以绘制出柴油机实际循环的理论示功图，其中，燃烧过程按等容等压过程绘制。 理论示功图的理论循环指示功1 L '按下式计算： 12111121111(1)(1)(1)=1160.66J 111a c s c c n P L V n n n n -? '''=-+-?-? 按示功图上纵横坐标比例：压力值/格，容积值/格，可以算出1 L '对应的方格数o S 。 2、实际施工图绘制 理论示功图没有考虑下列因素的影响，因而必须进行修正得到实际的示功图： 1）没有考虑进排气过程。虽然泵气损失并入机械损失，不计入指示功，但为了示功图完整，根据进气终点压力a P 和排气压力r P 近似画出进排气过程线。 2）点火提前，喷油提前的影响：压力急剧升高应该从上止点前就开始。 3）燃烧规律的影响：燃烧过程压力线应连续、圆滑，燃烧最高压力应出现在上止点后10°左右。 4）排气阀提前开启的影响：在下止点前压力就开始下降，即压力线圆滑过渡到排气线。整个过程的换气也应修圆。 修圆后实际示功图的循环指示功比理论示功图小。计算因修圆而减少的方格数1S ，即可求出示功图的丰满系数f ?。 1 0S S S f -= ? 一般，99.092.0=f ?，取f =0.96?。 3、?-P 示功图的绘制 由V P -示功图转换成?-P 示功图。 1）计算法转换：对于任意曲轴转角?，有气缸容积V c V R d V + -?= sin 2 )cos 1(4 22? 2）作图法转换：按下图所示方法进行转换。 图中：偏移量4 212 d r V ?=? 画出的?-P 图应圆滑，压力升高率?d dP -不应过大，否则重新修圆示功图，再转换成?-P 图。 4、气体压力列表 按曲轴转角5°间隔，列出气体压力g P 随曲轴转角?的变化表格，可合并在动力计算中列出。 2.7 柴油机性能指标计算 1、平均指示压力im P 121f 1121111(1)(1)(1)=0.8716=0.836736Mpa 111i a c im f f s c c n L P P n n V n n ?-?''=-+-?-? 2、指示功i P 、指示热效率i 和指示耗油率i b im =P 124.51=104.179KJ 30im s i P V i n P ?= ?（kW ） 0im 8.313 =0.5771P =0.48288a d im i u d c L T P H P =? 336001086=178.1/()i i u i b g kw h H ?=?g /(kW·h ) 3、机械效率m 四冲程非增压柴油机的85.078.0=m 之间，取0.815m =。 4、有效功率e P 、有效热效率e 、平均有效压力em P 及有效油耗率e b e P =P 104.1790.81584.9059i m Kw ?=?= em im m P =P =0.68194Mpa ? e i =0.482880.8150.3935m ?=?= e b =b /218.53/() i m g kw h = 3 活塞的设计 3.1 活塞的工作条件 1、高温导致热负荷大，燃气的最高温度可达20002500，因而活塞顶的温度也很高，并且活 塞的温度分布很不均匀。 2、高压冲击性的高机械负荷 1）活塞组在工作中受周期性变化的气压力直接作用。 2）活塞组在气缸李做高速往复运动，产生很大的往复惯性力。 3、高速滑动。随着活塞在气缸中的高速滑动，在侧压力的作用下，活塞组与气缸内表面间产生强烈的摩擦，并且此处润滑较差，因此磨损情况严重。 4、交变的侧压力。由于活塞上下形成时要改变压力面，因而侧向力是不断变化方向的。 3.2活塞的设计要求 1、选用热强度好，散热性好，膨胀系数小，耐磨、有良好的减摩性和工艺性的材料。 2、形状和壁厚合理，吸热少、散热好，强度、刚度符合要求，尽量避免应力集中，与缸套有最佳的配合间隙。 3、密封性好，摩擦损失小。 4、质量小。 3.3. 活塞的材料 常用的活塞材料有如下几种： 1、灰铸铁。 优点：耐磨性、耐蚀性、耐热性好，热强度较好，膨胀系数小，成本低，公益性好。 缺点：材料密度大，相同结构尺寸下活塞的质量较大，不利于高速机。铸铁导热性差，不利于向外界传热，活塞的热负荷较大。 现只少量应用于大型、低速柴油机上。 2、铝基合金。 与灰铸铁正好相反，现广泛应用于中高速内燃机上。 3.4 活塞主要尺寸设计 活塞的主要结构尺寸（图3.1）可根据同类型发动机或统计数据选取。 图3.1 活塞的主要尺寸 (1)活塞高度H 应在保证结构布置合理和所需的承压面积条件下尽量选择较小的活塞高度。 表3.2 活塞高度H 与缸径D 之比的范围 机 型 H/D 说 明 一般范围 推荐值 中小型高速 1.0-1.3 1.1左右 转速越高，H 应越小，以尽量减轻活塞重量，从而控制由于转速升高而引起的惯性力增大 高速大功率 1.0-1.36 1.2左右 中速机 1.45-1.80 1.5左右 要求活塞使用寿命长，H 选得较大些 特殊用途 0.74-0.80 往往牺牲活塞使用寿命，选择最小的H ，以满足整机高度尺寸严格限制的要求 由表3.2取 11H /D .= , 所以12022132H .mm =?= (2)压缩高度1H 压缩高度H1决定活塞销的位置，在保证气环良好工作的条件下，宜缩短1H ，以力求降低整机的高度尺寸。 查资料得：1H /0.60.8D = 取 10.7H /D =,所以11200.784mm H =?= (3)顶岸高度h 查资料得：h/D=0.140.2 取h/D=0.15,所以12022518h .mm =?= (4)活塞环数目及排列 活塞环数目及排列近代中高速柴油机采用四道环，同时还须从活塞及活塞环的结构上采取措施，以 确保良好的密封性能和防窜油性能。 采用3道气环，1道油环。 排列方式为从活力岸往下是依次排列气环，接下来是油环。 (5)环槽尺寸 1)活塞环槽的高度h 第一道气环槽高度 3 mm 第二道气环槽高度 3 mm 第三道气环槽高度 3 mm 油环槽高度 5.5 mm 2)活塞环的径向厚度 气环径向厚度 t=4.8mm 油环径向厚度 t=4.2mm 3）环槽D 气环槽 0 25.05.0)2(+-+-='KD t D D (mm) 油环槽 0 25.15.1)2(+-+-='KD t D D (mm) 式中 D 活塞名义直径 t 活塞环的径向厚度 k 系数，铝活塞0060.k =， 环槽底部的过渡圆角一般为0.20.5mm 气环槽0 0.250.25120(2 4.80.006120)0.5110.18D +-'=-?+?+= (mm) 油环槽00 1.25-1.25120(2 4.20.006120) 1.511 2.38D +-'=-?+?+= (mm) (6)环岸高度 第一环岸（第一道气环下面的环岸）温度较高，承受的气体压力最大，又容易受环的冲击而断裂，所以第一环岸高度1h 一般比其余环岸高度要大一些。 查资料得： 取第一环岸 1007h /D . =,所以 10071207.2h . mm =?= 取其余环岸 错误！未找到引用源。(3h )/D=0.04 ，所以 错误！未找到引用源。 230004120 4.8h h . mm =?= (7)活塞顶厚度 是根据活塞顶部应力、刚度及散热要求来决定的，小型高速柴油机的铝活塞，如满足顶部有足够的传热截面，则顶部的机械强度一般也是足够的。热应力随活塞顶厚度增加而增大，活塞顶厚度（特别是钢顶）只要厚到能承受燃气压力即。的一般范围列于表3.3。 表3.3 活塞顶厚度 类 别 b/D 备 注 铝活塞 小型高速 0.07-0.15 以0.07-0.12居多 高速大功率 0.1-0.2 钢顶组合活塞 0.02-0.04 参阅7-18，采用薄顶可降低热应力 铸铁活塞 0.06-0.08 /D=0.083，所以008312022.mm =?= (8)裙部长度2H /D H 2/D 的一般取值范围为： 高速柴油机 0.650.88错误！未找到引用源。 上、下裙应有恰当的比例，上裙长度4H 过小，易产生尖峰负荷，造成活塞拉毛及擦伤。一般的比例如下： 错误！未找到引用源。（参阅文献13） 取错误！未找到引用源。 ，所以 20689212082.7H .=?= 因3113282.749.3H H H mm =-=-= 而3249.380.7061106075H /H /.(.)=，满足条件 (9)裙部厚度g 错误！未找到引用源。 铝活塞裙部最小壁厚一般为)D .(060030。薄壁裙部对减轻活塞重量有利，但又需要保证裙部有足够的刚性，可以根据需要设置加强筋。 003331204g . mm =?= (10)活塞销直径d 和销座间隔B 由资料得 0330.4d /D .=,取0.35，则d=42mm 。 0350.42B /D .=，取0.383 ，则B=46mm 。 所以得 42d mm =，46B mm = (11)活塞头部设计 活塞顶形状主要根据燃烧系统的要求进行设计，本活塞设计选择型燃烧室。铝活塞的头部设计成导热良好的“热流型”，即根据活塞的热流通路，采用大圆弧过渡，以增加从顶部到裙部的传热截面，从而将头部热流迅速传出，使活塞头部的温度的到降低。温度降低的同时有利于消除应力集中，这样即可提高活塞的承载能力。 (12)活塞销设计 活塞销受燃气压力和活塞组往复惯性力的交变冲击而产生弯曲变形和椭圆变形，在相应与销座和连杆小头轴承边缘处承受剪切力，表面遭到强烈的磨损，因此要求活塞销有一定的强度和刚度表面有很高的硬度，但芯部应坚韧。 为了提高活塞销的抗弯能力，增强刚度、减小变形，防止活塞销和销座的局部边缘接触而引起活塞裙部裂纹、活塞变形、甚至活塞销卡死，增加活塞销的外径是有利的。增大外径还能提高销座与连杆小头衬套的承载能力。但过大的活塞销外径使活塞的高度和重量都增加，惯性力有较大的增长。 在结构上，活塞销外径的增大受到气缸直径和活塞销长度的限制，往往为了保证销座和活塞销有足够的长度，外径不宜过大。 为了减轻活塞组的重量，应尽量加大销的内孔直径；但当外径一定时，内孔直径过大会降低销的强度和刚度。 活塞销的外径 d 42 mm =