【文章內(nèi)容簡介】 了較快的發(fā)展， 隨著一批先進機型和技術(shù)的引進，我國柴油機總體技術(shù)水平已經(jīng)達到國外 80 年代末 90 年代初水平， 一些國外柴油機近幾年開始采用的排放控制技術(shù)在少數(shù)國產(chǎn)柴油機上也有應(yīng)用。最新開發(fā)投產(chǎn)的柴油機產(chǎn)品的排放水平已經(jīng)達到歐 1 排放限值要求，一些甚至可以達到歐 2 排放限值要求。但我國柴油機產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展仍然面臨著許多問題。 我國重型柴油車的產(chǎn)量在逐年增加，中型、輕型車柴油化步伐也在加快，但在微型汽車、轎車領(lǐng)域，柴油車所 占比例仍然非常低。以前柴油機行業(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。但是近年來國內(nèi)一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的柴油機企業(yè)如濰柴、玉柴都正在快速發(fā)展，三一重工也正在籌劃建立具有自主研發(fā)生產(chǎn)能力的柴油發(fā)動機事業(yè)部。以往柴油機車輛使用過程中維修保養(yǎng)措施不力，導(dǎo)致低性能、高排放柴油車在使用中對城市環(huán)境和大氣質(zhì)量造成不良影響，使社會產(chǎn)生 厭柴 心理。也是急需改進的地方 [3]。 前些年，高壓共軌技術(shù)是外資一統(tǒng)天下，現(xiàn)在這種局面被打破了。 國內(nèi)排放標(biāo)準(zhǔn)的提升促進了柴油機技術(shù)的發(fā)展和進步， 部分企業(yè)在進 行自主研發(fā)，如中國一汽無錫油泵油嘴研究所、成都威特 ， 在更嚴(yán)格排放標(biāo)準(zhǔn)要求下，除電控燃油系統(tǒng)外，發(fā)動機整機也引進了許多新技術(shù)。世界著名的汽車研發(fā)機構(gòu) Ricardo 公司推薦在各排放階段的發(fā)動機技術(shù)要求，從中可見共軌系統(tǒng)由于其獨特的優(yōu)勢，是最具繼承性和可持續(xù)發(fā)展的燃油噴射系統(tǒng)之一 [4]。 國內(nèi)外典型車型數(shù)據(jù)對比 幾十年前，人們曾一度放棄了柴油車，那種體積大、噪聲高、發(fā)出難聞氣味的柴油機形象至今還留在許多人的記憶中。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)代的柴油機已成為一種排放清潔、節(jié)省能源的動力，是一種可行的過渡性技術(shù)解 決方案。近年來，市面上涌現(xiàn)了許多使用柴油發(fā)動機的車型，在歐洲，柴油車銷量已占汽車總銷量的40%，美國市場的柴油車銷售量也在逐漸增加。本文選取了一些國內(nèi)外具有代表性 中南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 緒論 4 的主流柴油機車型，并對他們的性能參數(shù)進行對比，表 11 為一些典型國內(nèi)外車用柴油機性能參數(shù)： 表 11 典型車型參數(shù)對比 典型車型 奧迪 A6L 路虎發(fā)現(xiàn)者 4 陸風(fēng) X9 動力類型 V 型 6缸 V 型 6缸 直列 4缸 增壓類型 渦輪增壓 渦輪增壓 渦輪增壓 排量 (mm3) 2698 2720 2771 氣門總數(shù) 4 4 2 壓縮比 18 缸體材料 鋁合金 鋁 /鐵 鋁 /鐵 排放標(biāo)準(zhǔn) 歐 IV 歐 IV 歐 II 最大功率 kWrpm1 140（ 190） /3300 140/4000 62/3600 最大扭矩 Nm 350/14003500 440/1900 200/2021 0100kWh 1加速時間 s 供油方式 高壓共軌直噴 高壓共軌直噴 高壓共軌直噴 百公里油耗 L 7 最高時速 kmh1 222 180 135 從上表中可看出，市面上 主流柴油機車型一般采用廢氣渦輪增壓系統(tǒng)，高壓共軌缸內(nèi)直噴燃油供給方式，本文中的設(shè)計也延續(xù)這一選擇，國外的車型排放均已達到歐 IV 標(biāo)準(zhǔn)，而國內(nèi)的只打到了歐 II 標(biāo)準(zhǔn)，在排放方面還有很大的進步和提升空間，在油耗方面國內(nèi)汽車也有一定優(yōu)勢，適合一般家用，經(jīng)濟實惠。本文設(shè)計參照奧迪 A6 壓縮比進行設(shè)計。缸體材料使用鋁鐵合金，為加工方便每缸氣門數(shù)選擇兩個為宜，氣缸數(shù)選擇直列 六 缸為宜。 中南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 方案選擇及總體設(shè)計 4 2 方案選擇及總體設(shè)計 方案選擇及總體設(shè)計是柴油機設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，它決定新設(shè)計的柴油機的生命力和前途；關(guān)系到新設(shè)計的柴油機是 否能很好地滿足設(shè)計任務(wù)書的要求。 方案選擇及總體設(shè)計的任務(wù)是根據(jù) 不同方案優(yōu)缺點的比較，確定所設(shè)計柴油機的沖程數(shù)、氣缸數(shù)，氣缸排列方式、發(fā)火次序，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，因此得到活塞平均速度、缸心距。再對發(fā)動機的這個布置進行總體設(shè)計，包括凸輪軸，水泵，機油泵，齒輪傳動機構(gòu)，進排氣管布置 [5]。 柴油機主要參數(shù)的確定 沖程數(shù)的選擇 在量大面廣的中、小功率高速內(nèi)燃機中，占優(yōu)勢的是四沖程內(nèi)燃機，因為它與二沖程內(nèi)燃機相比燃料經(jīng) 濟性好，功率強化潛力大。二沖程內(nèi)燃機的燃料和潤滑油消耗較大， HC 排放嚴(yán)重，怠速和小負荷工況運轉(zhuǎn)不夠穩(wěn)定，活塞組和氣缸熱負荷較大，氣缸上的氣口影響工作可靠性和耐久性。二沖程機如用掃氣泵導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，噪聲較大；如用回流掃氣則很難保證良好的掃氣效率。但是，二沖程機在同樣轉(zhuǎn)速下作功頻率比四沖程機高一倍，摩擦損失又小，升功率可高出 50％ ~70％，而且輸出轉(zhuǎn)矩變化較平順。中、小功率高速柴油機寧可通過增壓提高比功率，也幾乎沒有二沖程機的立足之地。 因此，在本設(shè)計中選取四沖程柴油機 （ 4?τ ）。 汽缸數(shù)和布置方式的選擇 內(nèi)燃機的氣缸數(shù)和氣缸布置方式，對其結(jié)構(gòu)緊湊性、外形尺寸比例、平衡性、單機功率、制造和使用成本等都有很大影響。在平均有效壓力 ， 和活塞平均速度 不變的前提下，缸數(shù)越多 (氣缸尺寸越小 )，升功率就越高。也就是說，多缸內(nèi)燃機比較緊湊輕巧。同時，多缸機平衡性好，輸出轉(zhuǎn)矩均勻，飛輪尺寸較小，運轉(zhuǎn)平順，起動容易，瞬態(tài)響應(yīng)快速。目前，除了摩托車類型的小排量柴油機和小功率農(nóng)用柴油機采用單缸機外，絕大多數(shù)內(nèi)燃機都用多缸結(jié)構(gòu)。小轎車和輕型車除最 小排量的車型用 2 缸或 3 缸外，絕大多數(shù)用 4 缸機，少數(shù)高級轎車用 6 缸機，極少數(shù)豪華轎 中南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 方案選擇及總體設(shè)計 5 車用 8 缸機。重型汽車則絕大多數(shù)為 6 缸柴油機，少數(shù)超重型汽車用 8 缸或 12 缸機。工程機械和農(nóng)業(yè)機械用柴油機常用 1~4 缸結(jié)構(gòu)，大功率者用 6 缸結(jié)構(gòu)。內(nèi)燃機車或艦艇等大功率高速柴油機多為 12 缸或 16 缸機?？偠灾?，在內(nèi)燃機大家庭中，除了數(shù)量眾多但總功率不大的單缸機外， 4 缸機和 6 缸機占壓倒多數(shù)，因為它們具有明顯的綜合優(yōu)勢。 至于氣缸布置，不超過 6 缸的內(nèi)燃機絕大多數(shù)是單列的，其各氣缸軸線所在平面與地面垂直居多，稱為直列式內(nèi)燃，或者為降低機器總 高度而傾斜某一角度，稱為斜置式內(nèi)燃機，多用于高度限制較大的小轎車。少數(shù)單列式內(nèi)燃機，其氣缸軸線平面呈水平，或接近水平，稱為臥式內(nèi)燃機。這時機器總高度大大減小，可以布置在汽車底盤中部車箱底板下面，有利于改善汽車面積的利用率、操縱性 (車軸負荷分布比較合理 )和機動性，適用于大型客車，但它的保養(yǎng)和檢修比較困難。 重型車用 6 缸柴油機基本上都是直列式的，具有最好的平衡性和轉(zhuǎn)矩均勻性，某些高級小轎車用的 6 缸柴油機多是 V 型的 ， V6 機長度短，特別適于在轎車機罩內(nèi)橫置，與整車匹配十分緊湊，但其平衡性不如直列 6 缸機。重型車用柴油 機，通過加大單缸工作容積，加上高增壓加中冷，直列 6 缸結(jié)構(gòu)一般都已足夠，很少用 V8 柴油機 [6]。 對置氣缸式 (雙列臥式 )內(nèi)燃機雖具有長度短、高度低的優(yōu)點，但因?qū)挾冗^大、結(jié)構(gòu)剛度差而很少應(yīng)用 （ 1）直列式 （ 2） V 型式 圖 21 汽缸布置方式 中南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 方案選擇及總體設(shè)計 6 本次設(shè)計采用 6 缸， 直列 式（ 6?i ）。 壓縮比確定 壓縮比 ε 是 汽缸的總?cè)莘e與燃燒室容積的比值。壓縮比的大小表示了活塞由下止點運動到上止點時，氣缸內(nèi)的氣體被壓縮的程度。壓縮比越大，壓縮終了時氣缸內(nèi)氣體的壓力和溫度就越高。 壓縮比 ε 的大致范圍是：汽油機的壓縮比 ε =711；柴油機的壓縮比 ε =1422。由于汽油和柴油的物理和化學(xué)特性不同，汽油的自燃點要比柴油高，柴油的蒸發(fā)性要比汽油差得多。根據(jù)燃油的性質(zhì)，汽油的 燃燒選擇點燃，柴油的燃燒選擇壓燃。壓縮比對這兩種燃燒方式都起著至關(guān)重要的作用。隨著壓縮比 ε 的增大，會使燃燒的熱效率提高，也可以使進氣效率提高，發(fā)動機的功率、扭矩增大，有效燃油消耗率降低。同時也會增加未燃混合氣自燃的傾向，容易纏身爆炸；壓縮比過大，熱效率提高程度減慢，發(fā)動機燃燒粗暴，導(dǎo)致機件的機械負荷過大，排放污染嚴(yán)重。 發(fā)動機的壓縮比的增大為發(fā)動機的性能的提高增加了可能。 壓縮比的提高會對發(fā)動機的強度產(chǎn)生影響。適當(dāng)?shù)奶岣邏嚎s比 ，采用高辛烷值的燃料，可以提高發(fā)動機的性能。過多的改變壓縮比，會產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象，對發(fā)動機產(chǎn)生較大的傷害，發(fā)動機的壽命會急劇縮短。 本次課程設(shè)計采用壓縮比 ?ε ，渦輪增壓中冷。 發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速對柴油機性能和結(jié)構(gòu)影響很大，且其范圍十分寬廣（ 1000~6000rpm）。各種類型柴油機的使用轉(zhuǎn)速范圍亦不同。轉(zhuǎn)速提高可使柴油機體積小、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，從而影響柴油機的經(jīng)濟性、可靠性和使用壽命。 本設(shè)計選用的柴油機額定轉(zhuǎn)速為 n =3300rpm。 行程及其與缸徑的比值 對一定的 eP 錯誤 !未找到引用源。 來說，當(dāng) i、 mP 、 ? 等已選定時，必須根據(jù) n和 錯誤 !未找到引用源。 確定 D 和 S，或根據(jù) Vm和 D 確定 n 和 S，在前一種情況下，要校核 Vm是否合適；在后一種情況下，要校核 n 是否符合使用要求。在這里涉及 中南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 方案選擇及總體設(shè)計 7 活塞式 內(nèi)燃機的一個重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，即行程缸徑比 S/D。 S/D 對內(nèi)燃機有多方面的影響 ： ① S/D 對升功率 LP 的影響 ： 當(dāng) mV 不變時， S/D 減小意味著 n 上升，因而與 n 成正比的 LP 跟著增大，使內(nèi)燃機更加緊湊輕巧。但當(dāng) n 不是受限于 錯誤 !未找到引用源。mV 而受限于其他因素不能隨 S/D 的下降而升高時，上述結(jié)論便不能成立。例如，柴油機的燃燒過程往往受 n 制約，而與 錯誤 !未找到引用源。 mV 無關(guān)，所以柴油機往往不利用減小 S/D 進行強化。 ② S/D 對燃燒室形狀的影響： S/D 小的短行程內(nèi)燃機氣缸余隙比較扁平，對壓縮比高的柴油機尤其如此，使燃燒室有效容積比減小，燃燒過程較難組織。對汽油機來說，短行程機的燃燒室也顯得不緊湊，燃燒較慢，且 HC 排放較高。 ③ S/D 對散熱的影響：在其他相同的條件下， S/D 下降使 D 增大，使得傳到氣缸冷卻水套的熱量減少，活塞組零件的溫度上升。風(fēng)冷柴油機的研究表明，當(dāng)1?DS 時， 總散熱量的 2/3 由氣缸蓋傳出， 1/3 由氣缸筒傳出；而當(dāng) S/D= 時恰恰相反。在氣缸筒上布置足夠的散熱片不難，但在氣缸蓋上則要困難得多，所以，風(fēng)冷內(nèi)燃機尤其不宜采用短行程結(jié)構(gòu)。 ④ S/D 對外形尺寸的影響：單列式內(nèi)燃機的總長度主要決定于 i 和 D ，所以 S/D小