【正文】 車輛與動(dòng)力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 1 第一章 前 言 內(nèi)燃機(jī)以其熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)著稱于世界。 柴油機(jī)的發(fā)展已有一百多年的歷史，通過這一長(zhǎng)時(shí)期的不斷改進(jìn)和提高，已經(jīng)發(fā)展到了比較完善的程度。 目前世界上內(nèi)燃機(jī)的擁有量大大超過了任何其它的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有相當(dāng)重要的地位?，F(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)更是成為了當(dāng)今用量最大、用途最廣、無一與之匹敵的最重要的熱能機(jī)械。而柴油機(jī)是目前產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的各種動(dòng)力機(jī)械中熱效率最高、能量利用率最好、最節(jié)能的機(jī)型，它已經(jīng)成為汽車、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械、船舶、內(nèi)燃機(jī)車、地質(zhì)和石油鉆機(jī)、軍用、通用設(shè)備、移 動(dòng)和備用電站等裝備的主要配套動(dòng)力。 小型柴油機(jī)比汽油機(jī)節(jié)油 15%～ 30%，二氧化碳各種廢氣的排放也比汽油機(jī)的要低。其應(yīng)用范圍越來越廣。 隨著強(qiáng)化程度的提高，柴油機(jī)單位功率的重量也顯著降低。為了節(jié)能，各國(guó)都在注重改善燃燒過程，研究燃用低質(zhì)燃油和非石油制品燃料。此外，降低摩擦 損失、廣泛采用廢氣渦輪增壓并提高進(jìn)氣量、進(jìn)一步輕量化、高速化、低油耗、低噪聲和低污染，都是柴油機(jī)的重要發(fā)展方向。 隨著柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展，加上柴油汽車在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和大修期等方面比汽油車占優(yōu)勢(shì)，汽車柴油化的趨勢(shì)越來越明顯。交通部門專家預(yù)測(cè)：由 于清潔燃料汽車（電動(dòng)車、太陽能車、燃?xì)淦嚨龋┙陔y以實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的突破，還無法達(dá)到實(shí)用普及， 21 世紀(jì)將是柴油機(jī)大行其道的時(shí)代 。 167。1. 1 柴油機(jī)技術(shù)概述及發(fā)展趨勢(shì) 167。 概述 1882 年德國(guó)人狄賽爾（ Rudolf Diesel）提出了柴油機(jī)工作原理，1896 年制成了第一臺(tái)四沖程柴油機(jī)。一百多年來，柴油機(jī)技術(shù)得以全面的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。大量研究成果表明，柴油機(jī)是目前被產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的各種動(dòng)力機(jī)械中熱效率最高、能量利用率最好、最 車輛與動(dòng)力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2 節(jié) 能 的 機(jī) 型 。 裝 備 了 最 先 進(jìn) 技 術(shù) 的 柴 油 機(jī) ， 升 功 率 可 達(dá) 到 30～50kW/l， 扭 矩 儲(chǔ) 備 系 數(shù) 可 達(dá) 到 以 上 ， 最 低 燃 油 耗 可 達(dá) 到198g/kW h，標(biāo)定功率油耗可達(dá)到 204g/kW h；出于對(duì)能源和環(huán)保因素的考慮，汽車柴油化已經(jīng)成為一種國(guó)際潮流。以美、日、歐柴油車的發(fā)展勢(shì)頭足以說明這一點(diǎn)：在美國(guó)，汽油最便宜，只相當(dāng)于歐洲的 1/3 至 1/4，可是美國(guó)的商用車大部分仍使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，歐洲有20%的轎車和 90%的商用車采用柴油機(jī)，日本 %的轎車和 38%的商用車采用柴油機(jī)，并且這一比例還在逐年上升。 柴油機(jī)被廣泛應(yīng)用于船舶動(dòng)力、發(fā)電、灌溉、車輛動(dòng)力等廣闊的領(lǐng)域，尤其在車用動(dòng)力方面的優(yōu)勢(shì)最為 明顯，全球車用動(dòng)力“柴油化”趨勢(shì)業(yè)已形成。據(jù)專家預(yù)測(cè)，在今后 20 年，甚至更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)柴油機(jī)將成為世界車用動(dòng)力的主流。世界汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家政府對(duì)柴油機(jī)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(jìn)柴油機(jī)的普及與發(fā)展。 167。 柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)代柴油 機(jī) 車無論是在動(dòng)力性、環(huán)保性還是在舒適性、可靠性方面都已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，甚至已經(jīng)超過了很多汽油 機(jī) 車 。 人們?cè)絹碓桨l(fā)現(xiàn)柴油機(jī)的無窮魅力：高扭矩、高壽命、低油耗、低排放 。尤其是在能源危機(jī)的今天， 柴油機(jī) 已 成為解決汽車能源問題最現(xiàn)實(shí)和最可靠的手 段 之一 ，現(xiàn)在 100%的重型車和近 30%的乘用車都在使用。大量研究成果表明，柴油機(jī)是目前被產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的各種動(dòng)力機(jī)械中熱效率最高、能量利用率最好、最節(jié)能的機(jī)型。 現(xiàn)在，科技的發(fā)展日新月異，柴油機(jī)新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用所需要的時(shí)間也越來越短，尤其是現(xiàn)代，隨著柴油機(jī)電控噴射和高壓共軌噴射，增壓中冷及后處理技術(shù)，以及排氣再循環(huán)（ EGR）技術(shù)等相關(guān)新技術(shù)的不斷應(yīng)用，柴油機(jī)的設(shè)計(jì)和制造已經(jīng)發(fā)生了革命性的變化 。 今后， 內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展將著重于改進(jìn)燃燒過程，提高機(jī)械效率，減少散熱損失，降低燃料消耗率；開發(fā)和利用非石油制品燃料、擴(kuò)大燃料資源；減少排氣中有害成分，降低噪聲和振動(dòng)，減輕對(duì)環(huán)境的污染；采用高增壓技術(shù)，進(jìn)一步強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)，提高單機(jī)功率；研制復(fù)合式發(fā) 車輛與動(dòng)力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 動(dòng)機(jī)、絕熱式渦輪復(fù)合式發(fā)動(dòng)機(jī)等；采用微處理機(jī)控制內(nèi)燃機(jī)，使之在最佳工況下運(yùn)轉(zhuǎn)；加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究，以提高工作可靠性和壽命，不斷創(chuàng)制新型內(nèi)燃機(jī) 。 167。 我國(guó)柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展 我國(guó)柴油機(jī)產(chǎn)業(yè)起步相對(duì)較晚，但是自 20 世紀(jì) 80 年代以來有了較快的發(fā)展。隨著一批先進(jìn)機(jī)型和技術(shù)的引進(jìn)，我國(guó)柴油機(jī)總體技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到國(guó)外 80 年代末 90 年代初水平，一些國(guó)外柴油機(jī)近幾年開始采用的排放 控制技術(shù)在少數(shù)國(guó)產(chǎn)柴油機(jī)上也有應(yīng)用。最新開發(fā)投產(chǎn)的柴油機(jī)產(chǎn)品的排放水平已經(jīng)達(dá)到歐Ⅲ排放限值要求，一些甚至可以達(dá)到歐Ⅳ排放限值要求。但我國(guó)柴油機(jī)產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展仍然面臨著許多問題，與國(guó)外柴油機(jī)相比還有一定的差距。 我國(guó)柴油機(jī)產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展面臨著許多問題：（ 1）柴油機(jī)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；（ 2）柴油品質(zhì)差、柴油標(biāo)準(zhǔn)的修訂嚴(yán)重滯后于汽車工業(yè)發(fā)展的需要，對(duì)柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展及各種新技術(shù)、改善柴油機(jī)排放措施的應(yīng)用造成障礙；（ 3）我國(guó)柴油機(jī)技術(shù)的落后、產(chǎn)品質(zhì)量差以及車輛使用中維 修保養(yǎng)措施不力，導(dǎo)致低性能高排放柴油機(jī)在使用中對(duì)城市環(huán)境和大氣質(zhì)量造成不良的影響。 隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，光靠增壓中冷技術(shù)已不能滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，這就需要更新的柴油機(jī)電控噴射技術(shù)來支持?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)的柴油機(jī)電控噴射系統(tǒng)正處在開發(fā)階段。比如上海內(nèi)燃機(jī)研究所、無錫油泵油嘴研究所等正在積極研究之中。無錫油泵油嘴研究所已把部分成果應(yīng)用到雙燃料機(jī)上實(shí)現(xiàn)了天然氣和液化石油氣的電控化，目前正進(jìn)行匹配試驗(yàn)。 根據(jù)目前我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀況，提高我國(guó)柴油機(jī)技術(shù)水平急需解決下列的關(guān)鍵技術(shù)： 關(guān)鍵零部件技術(shù)：如油泵油嘴和增壓 中冷。 燃油品質(zhì)：優(yōu)質(zhì)低硫的柴油是柴油機(jī)滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)的前提。 車輛與動(dòng)力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 4 電控技術(shù)：柴油機(jī)電控技術(shù)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能的優(yōu)化和提高至關(guān)重要。 排放后處理關(guān)鍵技術(shù)：如廢氣再循環(huán)技術(shù)（ EGR），微粒捕集技術(shù)以及 NOx 催化轉(zhuǎn)化技術(shù)。 整機(jī)開發(fā)及匹配技術(shù)：如柴油機(jī)燃油、進(jìn)氣及燃燒系統(tǒng)的匹配與優(yōu)化技術(shù)，重型車用及轎車用柴油機(jī)技術(shù)。 柴油機(jī)的制造、工藝及材質(zhì)等技術(shù)。 隨著中國(guó)機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，特別是制造工藝水平的提高，相信中國(guó)的內(nèi)燃機(jī)工業(yè)也會(huì)有一個(gè)很大的提高。 車輛與動(dòng)力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 第二章 整體設(shè)計(jì) 167。 柴油機(jī)的設(shè)計(jì)要求 柴油機(jī) 的總 體設(shè) 計(jì)是 在注 重節(jié) 約能 源的 同時(shí) 又加 強(qiáng)了對(duì) 排放 性的要求，提高了產(chǎn)品的適用性。根據(jù)柴油機(jī)的設(shè)計(jì)要求對(duì)其主要參數(shù)進(jìn)行選擇。 167。 480 高速柴油機(jī)的設(shè)計(jì)要求 高速柴油機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列基本要求： 最佳的環(huán)保性能 目的在于減少有害物質(zhì)的排放。日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)對(duì)柴油機(jī)的廢氣排放提出了更高的要求。因此在設(shè)計(jì)階段，在燃燒過程的組織、排放后處理等方面，應(yīng)考慮采取相應(yīng)的措施。 最佳的使用性能 包括最佳的動(dòng)力性能、最小的外形尺寸、最輕的總質(zhì)量，并能滿足各 種特定用途對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的要求。 最佳的經(jīng)濟(jì)性能 主要可以概括為下列三方面： （ 1）最佳的使用經(jīng)濟(jì)性 包括完善的工作過程，特別是組織良好的燃燒過程，以降低燃油消耗；精心設(shè)計(jì)潤(rùn)滑系統(tǒng)，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)獲得良好潤(rùn)滑的前提下降低潤(rùn)滑油消耗量。 （ 2）最佳的制造經(jīng)濟(jì)性 包括優(yōu)化設(shè)計(jì)，使整機(jī)及零部件具有良好的加工工藝性；選用價(jià)廉適用的制造材料；降低不必要的加工精度。 （ 3）最好的可靠性和最長(zhǎng)的使用壽命 首先在結(jié)構(gòu)上要保證發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的剛度，在各種工況下工作時(shí)，各零部件不允許發(fā)生不正常的變形和振動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)的各 易磨損件要有必要的壽命，所有摩擦副在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮減摩措施和材料的配對(duì)等 167。 480 柴油機(jī)作為載重車用柴油機(jī)的要求 作為載重車用柴油機(jī)，其主要在部分負(fù)荷和轉(zhuǎn)速下工作，且經(jīng)常變速變負(fù)荷，需能經(jīng)受高原、嚴(yán)寒，高溫、酷暑和風(fēng)沙泥濘等惡劣環(huán)境的長(zhǎng)期考驗(yàn)，其設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求： 車輛與動(dòng)力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 柴油機(jī)要能夠適應(yīng)風(fēng)沙泥濘等惡劣條件，因此柴油機(jī)需有良好的過濾空氣、燃料、機(jī)油的濾清器。柴油機(jī)外部零件應(yīng)能防水防塵。 要求外形尺寸小、重量輕，這能提高汽車駕駛員視野和便于在汽車上布置。 為保證柴油機(jī)的 可靠性和壽命，柴油機(jī)應(yīng)具有在超速、超負(fù)荷和超高溫的條件下工作的能力。 柴油機(jī)要平衡性好，振動(dòng)小。這樣可以延長(zhǎng)機(jī)器的壽命。 設(shè)計(jì)排氣管時(shí)，留有安排排氣制動(dòng)裝置的位置。 要具有很好的動(dòng)力性能，以滿足頻繁的變速變負(fù)荷，并具有良好的啟動(dòng)加速性能，標(biāo)定功率和轉(zhuǎn)速要盡可能定的高些。 一般采用兩級(jí)調(diào)速 器。 167。 480 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 內(nèi)燃機(jī)的主要參數(shù)包括：平均有效壓力 mep 、活塞平均速度 mC 、缸徑 D 和缸數(shù) i。 高速柴油機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)有如下眾所周知的關(guān)系 ?30 smee niVpP ? （ 2— 1） 式中 ， eP 為有 效功 率 （ KW）； mep 為 平均 有 效壓 力（ MPa）； n 為轉(zhuǎn) 速（ r/min）； i 為氣缸數(shù)； sV 為每缸活塞排量（ L）；τ為沖程數(shù)。 對(duì)上述參數(shù)的正確選擇是設(shè)計(jì)一臺(tái)較為實(shí)用發(fā)動(dòng)機(jī)的前提。 在本次的柴油機(jī)的設(shè)計(jì)中，任務(wù)書中已經(jīng)給定缸數(shù)為四缸，缸徑為 80mm。十五分鐘功率為 32KW，轉(zhuǎn)速為 3400 r/min。所以只是需要對(duì)平均 有效壓 力 mep ，活塞的 平均速 度 mC ,行程與缸徑的 比值 以及氣缸中心距等的確定。 167。 行程缸徑比的確定 行程缸徑比也是柴油機(jī)的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)。目前，為了適應(yīng)高速的要求，內(nèi)燃機(jī)在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了不斷降低行程缸徑比的趨勢(shì)，但是對(duì)于柴油機(jī)來說不宜太低，因?yàn)椴焕谌紵蛼邭獾?。因此，的選擇應(yīng)視 車輛與動(dòng)力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 具體設(shè)計(jì)要求而定。選擇時(shí) ,應(yīng)考慮以下因素： 選取較小的，可減小柴油機(jī)的高度和寬度而不犧牲總長(zhǎng)度，從而獲得總體上更好的緊湊性； 小的可以縮小行程，加大曲軸的連桿軸徑和主軸徑重疊度，提高曲軸的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度，以及疲勞強(qiáng)度； 減小意味著轉(zhuǎn)速上升（當(dāng)不變時(shí)），因而與成正比例的升功率跟著增大，使發(fā)動(dòng)機(jī)更加緊湊輕巧； 但是，短行程發(fā)動(dòng)機(jī)同樣存在一定缺點(diǎn)：?jiǎn)瘟惺桨l(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度主要取決于氣缸直徑，因而短行程發(fā)動(dòng)機(jī)就較長(zhǎng)較重；隨著減小，由于減小了燃燒室的高度，使燃燒室有效容積比減小，燃燒過程較難組織，而使工作粗暴；此外，短行程發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋熱負(fù)荷也有所增加； 對(duì)于高速柴油機(jī)來說，的值在 ～ 范圍內(nèi)，中速柴油機(jī)在 1～ 范圍內(nèi)，低速柴油機(jī)在 ～ 范圍內(nèi)。 經(jīng) 過 綜 合 考 慮 此 次 設(shè) 計(jì) 取 的 值 為 ， 進(jìn) 而 算 出 行 程 為S=106mm。 167。 平均有效壓力 mep 的確定 mep 是標(biāo)志柴油機(jī)整個(gè)循環(huán)過程的有效性及內(nèi)燃機(jī)制造完善性的指標(biāo)之一，是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的重要指標(biāo)， mep 值的不斷提高是內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志。平均有效壓力 mep 與混合氣形成方法、燃料的種類、燃燒和換氣過程的質(zhì)量、進(jìn)氣壓力和溫度以及機(jī)械效率等有關(guān)。 mep 越高，發(fā)動(dòng)機(jī)功率也越大。根據(jù)sasuetcme Tl pHp04 ???? （摘自《內(nèi)燃機(jī)原理》公式 220） 可知，合理組織燃燒過程，提高循環(huán)有效熱效率 et? ；改善換氣過程，提高氣缸的沖量系數(shù) c? ；提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；減小機(jī)械損失等均可達(dá)到提高 mep 的目的。但是，選擇較大的 mep值必須獲得更加完善的結(jié)構(gòu)、材料、工藝的支持。因此，設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)要慎重選擇。 目前，對(duì)柴油 機(jī)來說， 自然吸氣 機(jī)型 MPapme ~? ,增壓機(jī)型M Papme ~? ,