【正文】 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 2 第一章 前 言 內燃機以其熱效率高、結構緊湊，機動性強，運行維護簡便的優(yōu)點著稱于世界。而柴油機是目前產(chǎn)業(yè)化應用的各種動力機械中熱效率最高、能量利用率最好、最節(jié)能的機型，它已經(jīng)成為汽車、農(nóng)業(yè)機械、工程機械、船舶、內 燃機車、地質和石油鉆機、軍用、通用設備、移動和備用電站等裝備的主要配套動力。為了節(jié)能，各國都在注重改善燃燒過程，研究燃用低質燃油和非石油制品燃料。 167。大量研究成果表明，柴油機是目前被產(chǎn)業(yè)化應用的各種動力機械中熱效率最高、能量利用率最好、最節(jié) 能 的 機 型 。以美、日、歐柴油車的發(fā)展勢頭足以說明這一點：在美國，汽油最便宜，只相當于歐洲的 1/3 至 1/4，可是美國的商用車大部分仍使用柴油發(fā)動機，歐洲有20%的轎車和 90%的商用車采用柴油機，日本 %的轎車和 38%的商用車采用柴油機，并且這一比例還在逐年上升。 167。大量研究成果表明，柴油機是目前被產(chǎn)業(yè)化應用的各種動力機械中熱效率最高、能量利用率最好、最節(jié)能的機型。 我國柴油機技術的發(fā)展 我國柴油機產(chǎn)業(yè)起步相對較晚，但是自 20 世紀 80 年代以來有了較快的發(fā)展。 我國柴油機產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展面臨著許多問題：（ 1）柴油機行業(yè)投入不足，嚴重制約了生產(chǎn)工藝水平、規(guī)模發(fā)展和自主開發(fā)能力的提高；（ 2）柴油品質差、柴油標準的修訂嚴重滯后于汽車工業(yè)發(fā)展的需要，對柴油機技術的發(fā)展及各種新技術、改善柴油機排放措施的應用造成障礙；（ 3）我國柴 油機技術的落后、產(chǎn)品質量差以及車輛使用中維修保養(yǎng)措施不力，導致低性能高排放柴油機在使用中對城市環(huán)境和大氣質量造成不良的影響。無錫油泵油嘴研究所已把部分成果應用到雙燃料機上實現(xiàn)了天然氣和液化石油氣的電控化，目前正進行匹配試驗。 排放后處理關鍵技術：如廢氣再循環(huán)技術（ E GR），微粒捕集技術以及 NO x 催化轉化技術。 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 6 第二章 整體設計 167。 480 高速 柴油機的設計要求 高速柴油機設計應滿足下列基本要求： 最佳的環(huán)保性能 目的在于減少有害物質的排放。 最佳的經(jīng)濟性能 主要可以概括為下列三方面： （ 1）最佳的使用經(jīng)濟性 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；精心設計潤滑系統(tǒng)，在保證發(fā)動機獲得良好潤滑的前提下降低潤滑油消耗量。 480 柴油機作為載重車用柴油機的要求 作為載重車用柴油機，其主要在部分負荷和轉速下工作，且經(jīng)常變速變負荷，需能經(jīng)受高原、嚴寒，高溫、酷暑和風沙泥濘等惡劣環(huán)境的長期考驗，其設計應滿足以下要求： 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 7 柴油機要能夠適應風沙泥濘等惡劣條件，因此柴油機需有良好的過濾空氣、燃料、機油的濾清器。 柴油機要平衡性好，振動小。 一般采用兩級調速 器。 對上述參數(shù)的正確選擇是設計一臺較為實用發(fā)動機的前提。 167。選擇時 ,應考慮以下因素： 選取較小的，可減小柴油機的高度和寬度而不犧牲總長度，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剛度，以及疲勞強度； 減小意味著轉速上升（當不變時），因而與成正比例的升功率跟著增大，使發(fā)動機更加緊湊輕巧； 但是，短行程發(fā)動機同樣存在一定缺點：單列式發(fā)動機的長度主要取決于氣缸直徑，因而短行程發(fā)動機就較長較重；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)動機的氣缸蓋熱負荷也有所增加； 對于高速柴油機來說，的值在 ～ 范圍內，中速柴油機在 1～ 范圍內，低速柴油機在 ～ 范圍內。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量、進氣壓力和溫度以及機械效率等有關。因此，設計新產(chǎn)品時要慎重選擇。 167。 mC 的提高 會使 發(fā)動機 的功率 增大， 但同 時 受下列不利因素的限制： 提高 mC 后，使活塞組的熱負荷和曲柄連桿機構的慣性負荷增大，氣缸體和氣缸蓋的熱負荷也相應增大；造成磨損加劇，影響內燃機的壽命和工作可靠性； 提高 mC 使摩擦功率損失 迅速增加，機械效率降低，燃油消耗率升高，發(fā)動機的振動和噪音增大； 提高 mC 進排氣氣流的流速增加，進排氣阻力與氣流流速的平方成正比例增加，使沖氣效率降低，從而使發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性下降?，F(xiàn)代一般認為：汽油機 不應超過 15m/s，柴油機不應超過 13m/s。行程確定后，λ值的選擇應考慮以下因素： 選擇較大的λ值，使連桿長度縮短、重量減輕，往復和離心質量小，有利于柴油機的高速化，并可降低直列式柴油機的高度，對減輕柴油機重量有利； 較大的λ值會增大連桿擺角和活塞側壓 力，對缸套和活塞的磨損不利； 在選擇連桿長度時，要保證活塞在下止點時不與曲軸平衡重相碰，活塞在上止點時曲柄不與缸套相碰；連桿在擺動時不能與機體或缸套相碰。 綜合考慮，本次設計曲柄連桿比取λ = 。但壓縮比的增加將使氣缸的最高爆發(fā)壓力 Pz 和壓力升高率相應上升，使發(fā)動機的負荷水平、振動和噪音大大增加 [5]；同時，各運動件的慣性力和摩擦磨損增加，機械損失增大，造成柴油機的使用壽命下降。 活塞 活塞的工作條件很惡劣，它 的工作情況可以概括為以下幾點： 一、承受很大的機械負荷 在內燃機工作中，活塞組 承受的機械負荷包括氣體壓力、慣性力及此產(chǎn)生的側作用力?；钊麥囟壬?，使其材 料的機械強度降低，抗彈性變形和抗塑性變 形的能力降低。由于此處潤滑不良，磨損更嚴重。 167。作用在活塞上的力經(jīng)連桿傳給曲軸。 在設計時候應遵循以下的原則 [ 8 ]： 在保證具有足夠強度和剛度的前提下，盡可能減輕重量，以降低慣性力； 盡量縮短長度，以降低發(fā)動機的總體尺寸和總重量； 結構簡單，尺寸緊湊，可靠耐用； 大小頭軸承工作可靠，耐磨性好； 連桿螺栓疲勞強度高，連接可靠； 易于制造，成本 低。 曲軸飛輪組 曲軸組由曲軸、飛輪、平衡重以及傳動齒輪等構成。 在曲軸的設計方面有幾點要注意，首先，因為曲軸在工作中要承受扭轉力矩的作用，因此曲軸在設計時必須要注意解決的主要問題是保證軸頸與軸承工作可靠并且耐用，再者要有足夠的抗彎剛度，還有在工藝上也應注意，設計盡量簡單，要在保證足夠的轉動慣量的情況下減小飛輪的質量。 氣缸蓋 氣缸蓋的工作條件是非?？量痰模惺苋紵龤怏w的高溫高壓的作用。 各個零部件以及氣門機構要拆裝方便。 機體組 中小型高速水 冷柴油機的氣缸體與曲軸箱一般做成一體，總稱為機體。 為了保證內燃機活塞、連桿、曲軸、氣缸等主要零件工作可靠、 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 14 耐久，它們互相之間必須嚴格保持精確的相對位置，因此在機體設計中必須對重要表面的尺寸、幾何形狀、相互位置等提出很嚴格的公差要求。 要求尺寸小，重量輕，結構簡單。 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 15 第三章 氣缸蓋設計 氣缸蓋作為發(fā)動機中結 構形狀最為復雜、功能最為重要的部件之一，也是提高整機性能的重要結構件之一，是發(fā)動機技術競爭的焦點。 氣缸蓋的合理設計對發(fā)動機整機的正常運轉有著重要影響，對 改善發(fā)動機性能起著重要作用，因此，氣缸蓋的正確設計是十分重要的。 同時，為了讓內燃機的正常工作，要在氣缸蓋內外安裝許多零部件，所以在柴油機氣缸蓋上要布置進排氣門、氣門座、進排氣道、螺栓孔、噴油器及冷卻水道等等，使 氣缸蓋的結構變得復雜，所以鑄造殘余應力也很大。它具有脈動性質，其應力變化周期和內燃機工作循環(huán)的周期相同，頻率較高。 三、熱應力 氣缸蓋上各部分的溫度分布是很不均勻的，當各部分因溫差而產(chǎn)生的變形受到限制時就產(chǎn)生熱應力。 在氣門座與噴油器座孔附近，不但溫度高，而且溫度分布也不均勻，壁厚分 布也不一樣，變形也不相同，這些因素都使應力了增加，因而在這些地方最容易產(chǎn)生裂紋。 從氣缸蓋的功用和工作條件出發(fā)，它應當滿足下列要求 [ 7 ]： 一、氣缸蓋應具有足夠的 強度和剛度，工作時缸蓋變形最小并保證與氣缸的接合面和氣門座的接合面有良好的密封。 四、對配氣機構、噴油器及螺栓等部件的布置，要考慮維修與調整方便。 冷卻合適，缸蓋溫度場分布均勻，避免氣門座之間形成裂紋。因此對于氣缸蓋材料的鑄造性能必須予以足夠的重視。顯然，此值愈大，則熱強度愈好。 以新材料應用為主要途徑的柴油機輕量化是柴油機發(fā)展的方向，它可以降低燃油消耗、節(jié)約能源、保護環(huán)境。 當缸徑 D≤ 105 mm 時，一般多采用整體式氣缸蓋。 2）氣缸蓋上的油、水管路布置簡單。 因此被小型和高速輕型水冷式 內燃機廣泛采用。這次設計的 480 柴油機采用的是整體式氣 缸蓋，這樣有利于制造和批量生產(chǎn)。同時，氣缸蓋高度也取決于氣道、水腔、壁厚、燃燒室結構和噴油器尺寸的布置。氣缸蓋 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 19 高度的適當提高，其內腔高度也相應增大，冷卻水阻力減小，流量增大。 167。 圖 31 缸蓋底板厚度與缸徑的關系 ? ? 指缸蓋底面厚度范圍 查圖 31，缸蓋厚度δ取 9mm。傾斜，可排除冷卻水中的氣泡，有助于搖臂機構潤滑油流回曲軸箱。 167。為了獲得較好的性能指標，須在較小的過量空氣系數(shù) Фa 時有較好的燃燒過程，則需采用有渦流的深坑形燃 燒室 [ 1 2]。但增大喉口直徑受到一定限制，首先應使同一氣缸的所有氣門能在氣缸底板這一有限尺寸內安排的下，同時還須安排噴油器。兩氣門之間或氣門與噴油器座之間的冷卻水套空間曲面最小半徑應取 3 毫米左右，澆鑄壁厚一般取 5 毫米。 噴油器的布置 噴油器可布置在氣缸中心線上，或做很小的偏移。 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 22 圖 32 噴油器與燃燒室的位置關系 167。 氣道設計要符合下列空氣動力學的要求：氣道截面積要大，變化要緩慢，拐彎圓角要順，表面要盡量光滑。排氣道在氣缸蓋內必須盡可能短，以減少向冷卻水的傳熱。進氣道不但要求阻力小，根據(jù)不同機型的實際情 況，還要求進入氣缸后的氣流具有一定的渦流 運動。 為了使氣缸蓋各部分溫度分布盡可能均勻，避免局部溫差過大產(chǎn)生熱應力，造成變形和裂紋，對冷卻水道的設計，應遵循下列原則 [ 6]： 加快冷卻