【文章內(nèi)容簡介】 上任意點壓力： (32)（2）膨脹線上任意點壓力： (33)其中： (34) (35)根據(jù)以上公式及選定參數(shù)Pz可求出各曲軸轉(zhuǎn)角的氣缸壓力如下表：表1 工作過程氣體壓力氣缸壓力（Mp)曲軸轉(zhuǎn)角/(176。)Pcx1008060402010Pz7．847Pbx20406080100 其中最高爆發(fā)壓力Pz一般出現(xiàn)在上止點后7176。的位置。根據(jù)以上表格可畫出S195柴油機示功圖如下：圖1 S195柴油機示功圖 動力計算連桿長度 l=曲柄半徑 r=曲柄半徑與連桿長度比曲軸旋轉(zhuǎn)角速度活塞平均速度 表2運動參數(shù)的計算曲軸轉(zhuǎn)角φ(deg)活塞位移x(mm)活塞速度v(m/s)活塞加速度a(m/s)0102030405060708090100110120130140150續(xù)曲軸轉(zhuǎn)角φ(deg)活塞位移x(mm)活塞速度v(m/s)活塞加速度a(m/s)160170180 圖2活塞位移曲線 圖3活塞速度曲線 圖4活塞加速度曲線柴油機最大爆發(fā)壓力發(fā)生在大約曲軸轉(zhuǎn)角7176。2．活塞主要尺寸設計及強度計算、材料以及設計要求活塞是內(nèi)燃機的重要零部件之一，其結(jié)構(gòu)和所處的工作環(huán)境十分復雜。在氣體壓力、往復慣性力等周期性載荷作用下，活塞產(chǎn)生很大的機械變形和機械應力。在灼熱的燃氣作用下，還產(chǎn)生很大的熱變形和熱應力。熱應力與機械應力迭加可導致活塞破壞，而熱變形與機械變形迭加可導致拉缸，因此對活塞的材料有非常特別的要求。現(xiàn)代發(fā)動機的活塞多采用鋁合金作材料。其主要優(yōu)點是質(zhì)量輕且導熱性能好?；钊c活塞環(huán)相互摩擦，為使其工作性能達到最佳化，在選用原材料和工作面的涂覆材料方面，首先應考慮兩者間的匹配性。如：活塞環(huán)端面進行化學鈍化處理，則活塞應選用AEB5型共晶鋁(5%的Cu含量)作材料，且對活塞環(huán)槽進行磷化處理。隨著發(fā)動機功率的不斷提高和活塞工作壽命的不斷延長，普通的鋁合金活塞難以滿足要求，許多性能更好的新材料應用于活塞中。鋁基復合材料的性能已達到使用的最好材料Niresist，鑄鐵的水平，而制成活塞和活塞環(huán)后質(zhì)量大大減輕，與普通鋁合金材料相比其高溫強度和抗熱疲勞性能明顯提高，并具有較低的線膨脹系數(shù)?？商岣呋钊褂脡勖?，降低油耗和廢氣排放量，提高發(fā)動機功率。日本豐田汽車公司的發(fā)動機已廣泛采用這種材料，美國公司還研制出用以制作汽車發(fā)動機活塞的發(fā)泡石墨。這種材料具有比鋁高4倍，比銅高5倍的傳熱系數(shù)，以及相對密度低、質(zhì)量輕、制取成本不高等特點，既可減小質(zhì)量40%(與金屑制材相比)，又可散熱制冷，可有效地增加發(fā)動機輸出功率，改進工作效率。本文所要分析的活塞的材料為ZL109共晶硅鋁合金，在常溫下，彈性模量為E= 1010 Pa，泊松比μ=，密度ρ=2 700 kg/m3，材料的許用應力為σb=260 M Pa。200℃時材料許用應力σb=196 MPa，材料線膨脹系數(shù)β=106/℃，導熱系數(shù)λ=152W/(m℃)。[2]活塞組設計的要求:（1）重量輕且有足夠的剛度各強度；（2）避免燃氣通過活塞環(huán)竄入曲軸箱，并盡可能減少摩擦損失；（3）減少活塞頂從燃氣吸收熱量，并組織良好的冷卻，將活塞所吸收的熱量迅速地傳出；（4）保證活塞組與氣缸套之間有良好的潤滑，但又要降低滑油耗量；（5）環(huán)與環(huán)槽、活塞銷民軸承具有良好的耐磨性；（6）正確選擇活塞與氣缸套的配合間隙可防止活塞在上、下死點附近由于側(cè)壓力改變方向而產(chǎn)生活塞對缸套的撞擊，從而也減小噪聲和氣缸套的穴蝕；（7）易于制造、成本低。[3] 圖5燃燒室尺寸針對原S195柴油機分隔式燃燒室改為直噴式燃燒室的情況，將燃燒室形狀改為能適應噴油形狀的ω形燃燒室。根據(jù)喉口側(cè)面角β可將ω燃燒室分成開口型（β＞90176。）、直口型（β=90176。）及收口型（β＜90176。）三種。收口ω型，dh較小，喉口熱負荷高，為防止喉口開裂及便于制造，取β=90176。燃燒室主要結(jié)構(gòu)尺寸是喉口直徑dk及深度h，dk與h基本上決定了燃燒室的容積Vk。對性能影響較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)是相對容積比Vk/Vc（Vc為壓縮容積）及喉口直徑與氣缸直徑之比dk/D。Vk/Vc要盡可能大，一般Vk/Vc=~。因為直接噴射式發(fā)動機的混合氣形成和燃燒主要在燃燒室內(nèi)進行，而在余隙容積Vδ（包括活塞頂間隙容積、氣門凹坑、第一道活塞環(huán)上的狹縫容積等）中的氣體不能有效利用，所以應盡量減少余隙容積，使空氣盡可能集中在燃燒室內(nèi)，以改善空氣利用率。而且Vk/Vc增加，使燃燒室的相對散熱面積減小，擠流加強，有利于混合氣形成和燃燒。[4]dk/~，即：dk==62mmdk/~，即：h=dk/=18mm在PRO/E中算出的燃燒室的體積Vk為42857mm3，而壓縮體積為Vc為： (36)可得： (37)頂岸高度即第一道活塞環(huán)槽到活塞頂?shù)木嚯x，h越小第一道環(huán)本身的熱負荷也越高，在保證第一道活塞環(huán)的工作溫度不超過允許極限（約180220℃）的情況下，盡量縮小h以力求降低活塞高度和重量。高速柴油機鋁活塞h/~，取h/D=，即h==14mm。 活塞環(huán) （1）活塞環(huán)數(shù) 對于高速機，氣環(huán)一般為2~3環(huán)，油環(huán)一般為1~2環(huán)；為了降低活塞高度，減少活塞質(zhì)量，將裙部的油環(huán)去掉，采用三道氣環(huán)，一道油環(huán)結(jié)構(gòu)。 （2）活塞環(huán)的選取 第一道氣環(huán)采用氣密性、磨合性能較好的桶面環(huán)，第二、三道環(huán)采用錐面反扭曲環(huán)，其接觸線改變在環(huán)的下棱緣，刮油效果好，能有效控制機油。油環(huán)采用鋼片組合油環(huán)，它具有刮油性能好，機油消耗量少，回油通路面積大、不易積炭、工作平穩(wěn)、磨合性能好、缸套壽命長等優(yōu)點。用一道鋼片組合油環(huán)可替代二道開槽油環(huán)。（3）環(huán)岸高度第一環(huán)岸（第一道氣環(huán)下面的環(huán)岸）溫度較高，承受的氣體壓力最大，又容易受環(huán)的沖擊而斷裂。所以第一環(huán)岸高度一般比其余環(huán)岸大一些。h1可按以下公式確定： (38) 式中：Z ——環(huán)槽深度（mm） [σ]——許用應力（kgf/cm2）表3 環(huán)岸高度類別環(huán)岸高度與缸徑之比第一環(huán)岸h1/D其余環(huán)岸h2(h3)/D鋁活塞高速機高速大功率鋼頂組合活塞~~~~~~ 其余環(huán)岸取h2/D=h3/D