【文章內容簡介】 了較快的發(fā)展， 隨著一批先進機型和技術的引進，我國柴油機總體技術水平已經達到國外 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在少數國產柴油機上也有應用。最新開發(fā)投產的柴油機產品的排放水平已經達到歐 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，嚴重制約了生產工藝水平、規(guī)模發(fā)展和自主開發(fā)能力的提高。但是近年來國內一批具有自主知識產權的柴油機企業(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，導致低性能、高排放柴油車在使用中對城市環(huán)境和大氣質量造成不良影響，使社會產生 厭柴 心理。也是急需改進的地方 [3]。 前些年，高壓共軌技術是外資一統(tǒng)天下，現在這種局面被打破了。 國內排放標準的提升促進了柴油機技術的發(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 ， 在更嚴格排放標準要求下，除電控燃油系統(tǒng)外，發(fā)動機整機也引進了許多新技術。世界著名的汽車研發(fā)機構 Ricardo 公司推薦在各排放階段的發(fā)動機技術要求，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]。 國內外典型車型數據對比 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。經過幾十年的發(fā)展，現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解 決方案。近年來，市面上涌現了許多使用柴油發(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外具有代表性 中南大學學士學位論文 1 緒論 4 的主流柴油機車型，并對他們的性能參數進行對比，表 11 為一些典型國內外車用柴油機性能參數： 表 11 典型車型參數對比 典型車型 奧迪 A6L 路虎發(fā)現者 4 陸風 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 4 4 2 壓縮比 18 缸體材料 鋁合金 鋁 /鐵 鋁 /鐵 排放標準 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)，高壓共軌缸內直噴燃油供給方式，本文中的設計也延續(xù)這一選擇，國外的車型排放均已達到歐 IV 標準，而國內的只打到了歐 II 標準，在排放方面還有很大的進步和提升空間，在油耗方面國內汽車也有一定優(yōu)勢，適合一般家用，經濟實惠。本文設計參照奧迪 A6 壓縮比進行設計。缸體材料使用鋁鐵合金，為加工方便每缸氣門數選擇兩個為宜，氣缸數選擇直列 六 缸為宜。 中南大學學士學位論文 2 方案選擇及總體設計 4 2 方案選擇及總體設計 方案選擇及總體設計是柴油機設計的重要環(huán)節(jié)，它決定新設計的柴油機的生命力和前途；關系到新設計的柴油機是 否能很好地滿足設計任務書的要求。 方案選擇及總體設計的任務是根據 不同方案優(yōu)缺點的比較，確定所設計柴油機的沖程數、氣缸數，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)，設定額定轉速、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計，包括凸輪軸，水泵，機油泵，齒輪傳動機構，進排氣管布置 [5]。 柴油機主要參數的確定 沖程數的選擇 在量大面廣的中、小功率高速內燃機中，占優(yōu)勢的是四沖程內燃機，因為它與二沖程內燃機相比燃料經 濟性好，功率強化潛力大。二沖程內燃機的燃料和潤滑油消耗較大， HC 排放嚴重，怠速和小負荷工況運轉不夠穩(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致結構復雜，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，在本設計中選取四沖程柴油機 （ 4?τ ）。 汽缸數和布置方式的選擇 內燃機的氣缸數和氣缸布置方式，對其結構緊湊性、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，缸數越多 (氣缸尺寸越小 )，升功率就越高。也就是說，多缸內燃機比較緊湊輕巧。同時，多缸機平衡性好，輸出轉矩均勻，飛輪尺寸較小，運轉平順，起動容易，瞬態(tài)響應快速。目前，除了摩托車類型的小排量柴油機和小功率農用柴油機采用單缸機外，絕大多數內燃機都用多缸結構。小轎車和輕型車除最 小排量的車型用 2 缸或 3 缸外，絕大多數用 4 缸機，少數高級轎車用 6 缸機，極少數豪華轎 中南大學學士學位論文 2 方案選擇及總體設計 5 車用 8 缸機。重型汽車則絕大多數為 6 缸柴油機，少數超重型汽車用 8 缸或 12 缸機。工程機械和農業(yè)機械用柴油機常用 1~4 缸結構，大功率者用 6 缸結構。內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?，在內燃機大家庭中，除了數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，因為它們具有明顯的綜合優(yōu)勢。 至于氣缸布置，不超過 6 缸的內燃機絕大多數是單列的，其各氣缸軸線所在平面與地面垂直居多，稱為直列式內燃，或者為降低機器總 高度而傾斜某一角度，稱為斜置式內燃機，多用于高度限制較大的小轎車。少數單列式內燃機，其氣缸軸線平面呈水平，或接近水平，稱為臥式內燃機。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 缸結構一般都已足夠，很少用 V8 柴油機 [6]。 對置氣缸式 (雙列臥式 )內燃機雖具有長度短、高度低的優(yōu)點，但因寬度過大、結構剛度差而很少應用 （ 1）直列式 （ 2） V 型式 圖 21 汽缸布置方式 中南大學學士學位論文 2 方案選擇及總體設計 6 本次設計采用 6 缸， 直列 式（ 6?i ）。 壓縮比確定 壓縮比 ε 是 汽缸的總容積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，氣缸內的氣體被壓縮的程度。壓縮比越大，壓縮終了時氣缸內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。根據燃油的性質，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，導致機件的機械負荷過大，排放污染嚴重。 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)動機的強度產生影響。適當的提高壓縮比 ，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，會產生爆燃現象，對發(fā)動機產生較大的傷害，發(fā)動機的壽命會急劇縮短。 本次課程設計采用壓縮比 ?ε ，渦輪增壓中冷。 發(fā)動機額定轉速 轉速對柴油機性能和結構影響很大，且其范圍十分寬廣（ 1000~6000rpm）。各種類型柴油機的使用轉速范圍亦不同。轉速提高可使柴油機體積小、重量輕和功率大。但轉速提高后，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濟性、可靠性和使用壽命。 本設計選用的柴油機額定轉速為 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 i、 mP 、 ? 等已選定時，必須根據 n和 錯誤 !未找到引用源。 確定 D 和 S，或根據 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 中南大學學士學位論文 2 方案選擇及總體設計 7 活塞式 內燃機的一個重要結構參數，即行程缸徑比 S/D。 S/D 對內燃機有多方面的影響 ： ① S/D 對升功率 LP 的影響 ： 當 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，使內燃機更加緊湊輕巧。但當 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，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。風冷柴油機的研究表明，當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 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，風冷內燃機尤其不宜采用短行程結構。 ④ S/D 對外形尺寸的影響：單列式內燃機的總長度主要決定于 i 和 D ，所以 S/D小