【正文】 油機(jī)的設(shè)計(jì)和制造已經(jīng)發(fā)生了革命性的變化 。 167。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(kāi)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。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(wèn)題，與國(guó)外柴油機(jī)相比還有一定的差距。 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(lái)支持。比如上海內(nèi)燃機(jī)研究所、無(wú)錫油泵油嘴研究所等正在積極研究之中。 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。 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。 整機(jī)開(kāi)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)。 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。 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。 167。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。 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。 （ 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。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。柴油機(jī)外部零件應(yīng)能防水防塵。 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。這樣可以延長(zhǎng)機(jī)器的壽命。 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。 167。 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)。 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 80 mm。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。 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)。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(shuō)明書 8 具體設(shè)計(jì)要求而定。 經(jīng)過(guò)綜 合考慮此次設(shè)計(jì)取的值為 ，進(jìn)而算出行程為S=106mm。 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(guò)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。 mep 越高，發(fā)動(dòng)機(jī)功率也越大。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。 目前，對(duì)柴油 機(jī)來(lái)說(shuō)， 自然吸氣 機(jī)型 MPapme ~? ,增壓機(jī)型M Papme ~? ,個(gè)別強(qiáng)化 機(jī)型 可達(dá) [ 2 ]。 mep 可由下式求出： ??niV Pp s eme ?30 M P 32430 ??? ??（摘自《內(nèi)燃機(jī)原理》公式 213）。 活塞平均速度 Cm 的確定 活塞平均速 度 mC 是表征活塞 式內(nèi)燃 機(jī)強(qiáng)化 程度（熱 負(fù)荷和 機(jī)械負(fù)荷）的重要參數(shù)之一，它對(duì)內(nèi)燃機(jī)的性能、工作可靠性和使用壽命有很大的影 響。此外 mC 愈高，則 活塞做 往復(fù)運(yùn)動(dòng) 的慣性 力也愈大 ，而且 mC 愈高，則 換氣時(shí) 流過(guò)氣門 的氣體平均流 速也 愈高 [ 4 ]。 雖然 mC 過(guò)高會(huì)帶來(lái)以上缺點(diǎn)，但是 , mC 選取過(guò)低也是不恰當(dāng)?shù)?。從?nèi)燃 機(jī)的使 用壽命和 工作可 靠性考慮 ， mC 的取值應(yīng)適當(dāng)。 活塞行程 S 已經(jīng)確定，本次設(shè)計(jì)活塞平均速度 mC 可由公式算出： smnSC m / 33 ??????? ?? 車輛與動(dòng)力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 10 可見(jiàn)此次設(shè)計(jì)符合上述要求。 曲柄連桿比 LR 的確定 曲柄連桿比是曲柄半徑與連桿長(zhǎng)度的比值，是一項(xiàng)確定連桿長(zhǎng)度的重要參數(shù)。 現(xiàn)代高速發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的總趨勢(shì)是盡量縮短連桿長(zhǎng)度。重型汽車和工程機(jī)械用柴油機(jī)為減小外形尺寸和希望有較高的轉(zhuǎn)速，通常取較大的λ值，機(jī)車柴油機(jī)除要求緊湊的外形尺寸外，還要考慮有較長(zhǎng)的壽命，λ值可取小些。 167。在一定范圍內(nèi)，柴油機(jī)的熱效率隨壓縮比的增加而提高，增大壓縮比也可使柴油機(jī)的起動(dòng)性能獲得改善。 現(xiàn)代柴油機(jī)壓 縮比 ? 的一般范圍如下： 非增壓柴油機(jī) 直噴式燃燒室 15～ 18 分開(kāi)式燃燒室 ～ 22 車輛與動(dòng)力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 11 增壓柴油機(jī) ～ 16 超增壓柴油機(jī) 8～ 10 此次 設(shè) 計(jì)的 壓 縮 比選 為 17,符 合 直噴 式 燃 燒室 壓 縮比 的 一般 范圍。 柴油機(jī)主要零部件的設(shè)計(jì) 167。非增壓的柴油機(jī) P gma x 值為 69 MPa；由于內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷提高，活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度也日益增大，加速度也會(huì)增大，所以活塞在運(yùn)動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生很大的慣性力。此外，活塞還接受一部分摩擦產(chǎn)生的熱。由于受熱不均勻，還會(huì)引起活塞的變形并產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。隨著活塞在氣缸中高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在活塞組和氣缸內(nèi)壁之間產(chǎn)生強(qiáng)烈磨損。 所以，活塞的設(shè)計(jì)任務(wù)就是根據(jù)活塞的功用，適應(yīng)內(nèi)燃機(jī)強(qiáng)化程度提高的需要，從活塞各部分結(jié)構(gòu)尺寸的選定和造型設(shè)計(jì)、活塞的材料和表面處理、必要的計(jì)算和試驗(yàn)等方面入手，正確解決活塞的工作能力、可靠性、壽命和機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷、磨損之間的矛盾，并在實(shí)踐中不斷加以考 核和改進(jìn)。 車輛與動(dòng)力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 12 對(duì)活塞設(shè)計(jì)的基本要求如下： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量小，并具有足夠的強(qiáng)度和剛度； 吸熱少，散熱快，有較好的高溫性能； 各摩擦部位潤(rùn)滑良好，摩擦損失小，耐磨性好。 連桿 連桿（組）一般由連桿體、大頭蓋、連桿螺栓、軸瓦和連桿小頭襯套等組成。連桿小頭與活塞銷連接，并與活塞一起作往復(fù)運(yùn)動(dòng)；連桿大頭與曲軸的曲柄銷連接，和曲軸一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；連桿的其余 部分作復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)。 連桿主要承受氣體壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷。也就是說(shuō)在交變載荷的作用下，桿身應(yīng)該不致被顯著壓彎；連桿大小頭孔不致顯著失圓。 很顯然，為了增加連桿的強(qiáng)度和剛度，不能簡(jiǎn)單地依靠加大結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)達(dá)到，因?yàn)檫B桿重量的增加使慣性力增加。 167。曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的機(jī)件之一，是由一個(gè)或者多個(gè)彼此間錯(cuò)開(kāi)一定角度的曲柄，加上功率輸出端和自由端組成， 它是發(fā)動(dòng)機(jī)最主要的部件之一。曲軸的功用是把活 車輛與動(dòng)力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 13 塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過(guò)連桿轉(zhuǎn)化 成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以輸出柴油機(jī)所產(chǎn)生的功率，并驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)、噴油泵、機(jī)油泵、水泵及其他的附件。 飛輪的主要功用是儲(chǔ)存做功沖程的能量，克服輔助沖程的阻力以保證曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的均勻性，使內(nèi)燃機(jī)工作平穩(wěn)。 167。設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下的幾點(diǎn)： 氣缸蓋要有足夠的剛度。 要組織好氣缸蓋的冷卻，以防氣缸蓋的溫度過(guò)高以及溫度分布不均產(chǎn)生熱應(yīng)力過(guò)大。 氣缸蓋的設(shè)計(jì)包括：氣缸蓋形式的選擇，氣門數(shù)的確定，缸蓋螺栓數(shù)量的選擇與布局，進(jìn)排氣道的設(shè)計(jì)與布局，以及氣缸蓋冷卻措施的設(shè)計(jì)。 167。機(jī)體構(gòu)成內(nèi)燃機(jī)的骨架，機(jī)體內(nèi)外安裝著內(nèi)燃機(jī)所有主要零件和附件。機(jī)體的外輪廓尺寸應(yīng)該緊湊以減小質(zhì)量，機(jī)體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循制造與維修方便 的原 則， 還應(yīng)保 證各 連接 面具有 一定 的表 面粗 糙度以 保證密封，防止漏水、漏氣和漏潤(rùn)滑油。 因此，為保證柴油 機(jī)可靠和耐久性的工作，應(yīng)考慮下列設(shè)計(jì)要求： 根據(jù)柴油機(jī)的用途，合理選擇機(jī)體結(jié)構(gòu)，保證有足夠的剛度強(qiáng)度，特別要有足夠的剛度。機(jī)體壁的圓角和厚度應(yīng)無(wú)急劇變化，以免應(yīng)力集中。 注意噪聲的降低和考慮標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化問(wèn)題。 工藝 性好，成本低廉；材料宜取，價(jià)廉材廣。其內(nèi)部包含有進(jìn)氣道、排氣道、噴油器座孔、冷卻水通道和潤(rùn)滑油油道等發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)所必須的一些功能結(jié)構(gòu)。存在氣缸蓋內(nèi)部的眾多功能結(jié)構(gòu)和安裝于氣缸蓋外圍的眾多輔助部件，決定了氣缸蓋總體結(jié)構(gòu)的多變性機(jī)及復(fù)雜性，同時(shí)也決定了對(duì)氣缸蓋結(jié)構(gòu)形式研究的困難性。 167。為了保證缸蓋與氣缸套之間的密封，缸蓋還要受到很大的螺栓預(yù)緊力，氣缸蓋各部分溫度很不均勻，火力面溫度最高，而冷卻水套部分溫度較低，進(jìn)氣道和排氣道溫度也不相同，因此氣缸蓋的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力很大。 一、氣體壓力 氣缸蓋底面受到高壓燃?xì)庾饔脮r(shí)，氣體壓力不僅使底板受到彎曲，而且還會(huì)通過(guò)氣缸蓋內(nèi)部而傳到氣缸蓋的各個(gè)部位。由氣缸爆發(fā)壓力產(chǎn)生的壓力稱為氣缸蓋的工作壓力。 車輛與動(dòng)力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 16 二、氣缸蓋螺栓預(yù)緊力 為了確保氣缸的密封，氣缸蓋螺栓的預(yù)緊力要比最高爆發(fā)壓力大的多。 工作應(yīng)力和安裝應(yīng)力通常叫做機(jī)械應(yīng)力。它的變化周期同內(nèi)燃機(jī)的負(fù)荷改變有關(guān)，相對(duì)工作應(yīng)力來(lái)說(shuō)，熱應(yīng)力的變化頻率較低。而由溫度分布不均勻所產(chǎn)生的熱應(yīng)力要比機(jī)械應(yīng)力大得多，尤其是氣門座周圍地區(qū)有時(shí)要大到 10 倍左右，如果不采取適當(dāng)措施，往往使氣缸 蓋底板發(fā)生裂紋。 167。在柴油機(jī)氣缸蓋上要布置進(jìn)排氣門、氣門座、進(jìn)排氣道、燃燒室、噴油器以及冷卻水道等等，氣缸蓋的結(jié)構(gòu)就變得很復(fù)雜，使鑄造和加工也變得困難。缸蓋變形過(guò)大會(huì)加速氣門座磨損、氣門桿咬死和氣缸密封遭到破壞，造成嚴(yán)重漏氣、漏水和漏油，使柴油機(jī)無(wú)法工作。 三、氣缸蓋形狀要盡可能簡(jiǎn)單、對(duì)稱，在拐彎處要采用圓角過(guò)渡， 車輛與動(dòng)力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 17 盡量使其平滑，各處相連壁厚不宜相差過(guò)大。 五、清沙孔和工藝孔要合理布置， 使整個(gè)氣缸蓋具有良好的加工工藝性。 七、氣缸蓋應(yīng)盡量消除內(nèi)應(yīng)力 和熱應(yīng)力。 167。由于氣缸蓋的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前主要用鑄造的方法生產(chǎn)。氣缸蓋是受熱零件，其熱應(yīng)力特性數(shù)值愈小，則受熱時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力也愈小。材料的熱強(qiáng)度用材料的強(qiáng)度系數(shù)表示，它