车用四缸柴油机总体设计

前 言柴油机是一种得到广泛应用的原动机，大型载重汽车、船舶、工程机械、内燃机车和农用机械大多采用柴油机作为动力；轿车发动机中柴油机的份额也在逐年增加。柴油机工业与柴油机研究开发技术不但对国民经济的发展有重大影响，与国家的安全也有密切关系。努力提高柴油机研发技术水平，发展柴油机工业是我国发展经济、富国强兵的历史任务中一个不可或缺的内容。 1 汽车用柴油发动机的产生自从1876年奥托(Nicolaus August Otto)发明四循环煤气机以来，内燃机就脱离了过去大气压原动机的范畴，大大提高了发动机的效率，承袭了当时处于全盛时期的蒸汽机的宝座。距那时半个世纪以前，即1824年，卡诺（Sadi Carnot）曾发表了热力机的经典理论卡诺原理。R.狄赛尔（Rudorf Diesel）致力于实现这个理想循环，他在奥托之后的21年，即1897年，最先完成了压缩点火发动机（柴油机）。2 柴油机相对于汽油机的特点2.1构 造在结构方面，柴油发动机与汽油发动机具有基本相同的结构，都有气缸体、气缸盖、活塞、气门、曲柄、曲轴、凸轮轴、飞轮等。但前者用压燃柴油作功，后者用点燃汽油作功，一个“压燃”一个“点燃”，就是两者的根本区别点。与汽油机相比，柴油机的优点是柴油价格便宜，经济性好，并且它没有点火系统，所以故障较少。但柴油机由于工作压力大，要求各有关零件具有较高的结构强度和刚度，所以柴油机比较笨重，体积较大；柴油机的喷油泵与喷嘴制造精度要求高，所以成本较高；另外，柴油机工作粗暴，振动噪声大；柴油不易蒸发，冬季冷车时起动困难。2.2动力性能柴油机低速大扭矩的特性，为汽车提供了更好的使用性能。通过采用先进的燃油喷射技术和电控技术，现代柴油机在动力性，加速性，舒适性指标上已经无异于汽油机。功率和转速范围很大（功率165580KW，转速545000r/min），因此应用领域宽。 2.3燃油经济性石油资源的日益馈乏、油价飞涨，使人们对内燃机的燃油经济性愈来愈重视。在1899 年，德国工程师Rudolf Diesel 发明了的19.6L 单缸柴油机的热效率达26.2%，从而向世界宣布了柴油机惊人的燃油经济性。究其原因，柴油比汽油更容易提炼，而且价格通常也比汽油更便宜；特别是柴油燃烧时具有40%到45%的能量获得率，而汽油只有30%到33%的能量获得率，这种差异直接导致了两种燃料消费量的巨大差异也就是说，同等排量的柴油发动机要比汽油发动机更省钱。2.4 环保环境污染日渐严重，对人类生存环境的保护已成为全人类的共识。柴油发动机排放污染物中的HC、CO含量很低，一般只有汽油发动机的几十分之一，其NOx排放量与汽油机大致处于同一数量级，但柴油微粒排放量相对较高，约为汽油机的30-80倍。因此，柴油机排放主要控制NOx和微粒的排放量。为此，现代柴油机上采用了很多先进、成熟的电控技术和排放净化方案，如涡轮增压中冷、高压共轨电控喷射系统(TDI)、废气再循环（EGR）等技术措施使和颗粒物的排放方面得到近一步改善，可以满足未来欧排放法规的要求。3 柴油机市场概况和分析世界最大的柴油机生产地区依次是西欧、日本和北美，世界多缸柴油机产量的70%进入汽车市场，15%-25%用于拖拉机和农业机械，5%-15%用于工程机械，5%-10%用于发电机组，1%-5%用于船舶。先进柴油机技术的应用，使柴油机的综合性能有了极大的提高。90年代中后期!欧洲联盟国家车用柴油机达到了欧和欧排放标准；与1988年相比，2005年（欧）轻型柴油车的微粒排放可降低93%。在欧洲，柴油轿车的销售量已占总销量的1/3以上，并且这一数字仍在不断增长。据预计，整个欧洲的柴油车市场份额将很快达到40%，在近10年内，有望达到50%。在欧洲，90%以上的出租车采用柴油机动力，因为出租车更注重燃油成本。在美国，虽然目前柴油轿车所占的市场份额还不足1%，但实际上，除了目前全美94%的货物运输、60%的公共汽车都是以柴油机作为动力之外，在小轿车的柴油化方面也有进展。2002年仅大众公司就在美国销售了2800辆柴油轿车。因此，在开发各种代用燃料汽车的同时，先进技术的柴油机汽车仍将得到广泛的采用。4 柴油机发展展望 柴油机的大功率，低排放，良好的电子控制等显著优点将使柴油发动机在新的时代有长足的发展。现在全球各大厂商正致力于新型绿色环保柴油机的研发，在而起关键是在燃油的精确配置和废气的后置处理，各多的电子新科技将运用到新一带柴油机上。而且在混合动力方面柴油机也有其应用特点，高扭矩配合电动汽车的快速响应和排放，将是一种很不错的选择。而且柴油机普及也得到了各国政府的普遍支持和政策鼓励，柴油机技术的开发和技术更新日新月异。所以在今后的汽车时常，柴油机将得到更普遍的应用。 目 录摘 要IABSTRACTII第1章 内燃机设计总论11.1内燃机主要设计指标和设计要求11.1.1内燃机主要设计指标11.1.2对各种内燃机的设计要求41.2内燃机主要参数的选择51.2.1平均有效压力51.2.2活塞平均速度61.2.3气缸直径与气缸数6第2章 热计算82.1 本次设计的热计算82.1.1 原始参考数据82.1.2 计算框图82.1.3 计算结果9第3章 活塞组的设计123.1 活塞的工作条件和设计要求123.2 材料选择143.3 活塞的结构143.4活塞的结构设计153.4.1 活塞头部设计153.4.2 活塞裙部的设计183.5 活塞销和活塞销座203.5.1活塞销的设计要求203.5.2活塞销的设计213.5.3活塞销座的设计233.6 活塞环的设计233.6.1 活塞环的工作情况243.6.2 活塞环参数的选择253.6.3活塞环断面形状的设计253.6.4 活塞环的材料、表面镀覆和成形方法26第4章 连杆组设计274.1 连杆的工作情况、设计要求和材料选择274.2连杆结构设计284.2.1 连杆长度的确立284.2.2 连杆小头的结构设计与强度、刚度计算294.2.3 连杆杆身的结构设计与强度计算344.2.4 连杆大头的结构设计与强度、刚度计算37第5章 曲轴设计415.1 曲轴的工作条件、结构型式和材料的选择415.1.1 曲轴的工作条件和设计要求415.1.2 曲轴的结构型式415.1.3 曲轴的材料415.2曲轴主要尺寸的确定和结构细节设计425.2.1主轴颈435.2.2曲柄销435.2.3曲柄臂435.2.4轴颈过渡圆角半径435.3曲轴的疲劳强度校核445.3.1作用于单元曲拐上的力和力矩445.3.2圆角的形状系数455.3.3形状系数和应力集中系数的关系465.3.4名义应力的计算46第6章 发动机的平衡516.1四缸机的平衡516.1.1四冲程四缸机往复惯性力的平衡516.1.2平衡方法52第7章 配气机构的设计537.1 配气机构总布置537.1.1 配气机构的设计要求537.1.2配气机构的动作过程537.1.3 配气机构的结构型式547.1.4 气门通过能力547.2 气门组的布置及结构设计577.2.1气门顶置式机构577.2.2 气门导管577.2.3 气门座587.3 凸轮轴的设计597.3.1凸轴的位置和传动597.3.2门间隙和凸轮的缓冲段597.4 喷油泵设计607.4.1 喷油泵结构60第8章 缸盖和缸体结构设计628.1气缸盖628.1.1气缸盖的设计要求628.1.2气缸盖的散热628.1.3气缸盖散热片的布置628.1.4提高气缸盖刚度、强度的措施638.2气缸体638.2.1缸体结构设计648.2.2提高气缸套耐磨性的措施64第9章 润滑系统669.1 内燃机用机油的性能及其选用669.1.1机油的主要性能指标669.1.2机油的选用679.2 润滑系统总体设计方案689.2.1润滑系统的总体布置选型689.2.2润滑系统的主要参数689.2.3机油泵的设计和选择699.2.4机油滤清器的选择699.2.5机油冷却装置709.2.6曲轴箱通风和防爆719.2.7降低机油消耗量的途径72第10章 冷却系统7310.1 冷却系统的工况及对冷却系统的要求7310.2 冷却系统的总体设计方案7310.2.1冷却系统总体布置选型7311 起动系统7511.1 内燃机的起动条件及对起动系统的要求7511.2起动系统的总体设计方案7611.2.1起动系统的原始参数7611.2.2选用起动方法7611.2.3改善内燃机低温起动性的途径76总 结78致 谢79参考文献80附 录81摘 要本文以四缸车用柴油机为基础，对柴油机的设计作了介绍，重点放在了活塞、连杆、曲轴设计上。首先介绍了柴油机在未来的发展趋势，再明确了发动机设计的工作指标，设计要求和主要参数。通过C语言编程对柴油机进行了热计算，得到了柴油机相关的热力学参数、指示参数和有效参数。在基本参数的基础上，主要对典型零部件活塞、连杆、曲轴进行设计，并且进行了强度，疲劳度校核计算，分析了其可靠性，稳定性。完成配气机构设计后，对发动机其他机构或系统的零部件做了简要说明和选择。最后，对此次设计总结了体会。关键词：柴油机，活塞，连杆，曲轴，设计ABSTRACTThis paper is based on the design of the four-cylinder diesel engine, Introduced the design of the diesel engine , the Important components is the diesel of the piston, connecting rod, the crankshaft.Firstly introduced the diesel engines developable trend ,then understood the working index ,requisition of the design and the main parameter .Through C language procedure ,got the correlation and basic parameter of the diesel engine .Depend on the thermodynamics calculation parameter ,calculate and selected the pistons, connecting rods, the crankshafts parameters ,and then carry on the examination of the intensity ,rigidity and so on ,analyze its reliability ,steady .After the design of the valve gear ,briefly introduced and selected the other mechanisms or systems parts of the diesel engine .At last ,summarize the realize of the design.KEY WORDS :diesel engine, piston,connecting rod, crankshaft,design83第1章 内燃机设计总论1.1内燃机主要设计指标和设计要求1.1.1内燃机主要设计指标(一) 动力性指标1、 功率内燃机的有效功率，按以下公式计算式中 平均有效压力（巴）；单缸工作容积（升）；气缸数；转速（转/分）；活塞平均速度（米/秒）；气缸直径（毫米）；冲程数，四冲程=4，二冲程=2。1、 转速n内燃机的转速影响其结构形式与性能。提高内燃机的转速可以使功率提高，因而使单位功率的体积减小、重量减轻。但内燃机转速的提高受到下列条件的限制：1) 提高转速使运动件的惯性力增加，使内燃机的机械负荷增大，同时，由于工作频率增加，使活塞、气缸盖、气缸套、排气门等零件的热负荷也有所增加。2) 提高转速使内燃机摩擦损失功率增加，机械效率降低，因而使燃油消耗升高。在流体摩擦和半流体摩擦中，摩擦阻力与速度成比例，即与活塞的平均速度成比例。同样的转速下，当行程较短时活塞平均速度较低，同时运动件的惯性力也较小，故转速教高的内燃机往往采用较短的行程。3) 提高转速使内燃机零件磨损加快、大修期（寿命）缩短。4) 提高转速使内燃机的平衡和振动问题更加突出，噪音也随之加大。5) 提高转速使进排气阻力增加，使充气系数下降。柴油机还受到过后燃烧的限制，涡流室和预燃室柴油机中燃烧速率较高，故可能采用较高的转速。内燃机的标定转速由配套动力装置而定，主要由调速器来控制。2、 最大扭矩和最大扭矩时的转速内燃机的标定功率和标定转速确定以后其标定工况下的扭矩就由以下公式完全确定了。式中 标定功率（千瓦）；标定转速（转/分）；标定扭矩（牛顿 米）。3、 经济性指标内燃机的经济性指标主要指燃油消耗率指标，即每千瓦小时的燃料消耗重量。对于固定工况使用的内燃机是指标定功率是的燃油消耗率。对变工况使用的内燃机，则一般是指外特性曲线上的最低油耗率。当然，万有特性上低油耗区越宽广，则变工况使用的内燃机的使用经济性也越好。降低油耗率的途径有二：一为提高内燃机的指示效率，如改善燃烧，减少热损失等。另一为提高机械效率，如减少机械损失等。4、 可靠性和耐久性指标内燃机工作可靠性是指在规定的运转条件下，具有持续工作，不致因故障而影响正常运转的能力。可靠性指标是用在保证期内的不停车故障数、停车故障数、更换非主要零件数和主要零件数来考核的。对于可靠性指标高的内燃机应在保证期内不发生停车故障和更换主要或非主要零件的故障。燃机的耐久性指标常以寿命表示。它是指内燃机从开始使用到第一次大修前累计运转的小时数。内燃机的大修期一般决定于缸套和曲轴磨损到达极限尺寸的时间，此时内燃机不能继续正常工作。5、 重量和外形尺寸指标内燃机的重量和外形尺寸指标是评价内燃机结构紧凑性和对金属材料利用程度的一个指标。不同用途的内燃机对重量和外形尺寸指标的要求是迥然不同的，例如汽车发动机要求重量和外形尺寸都要小，而工程机械和拖拉机则可稍大一些。坦克和高速舰艇发动机要求体积要小而重量则可稍大一些等等。衡量内燃机重量指标的参数是比重量 式中 内燃机净重（）；内燃机有效功率（）。在系列内燃机中，随着气缸数的增多、转速的提高和平均有效压力的提高，内燃机的比重量降低。内燃机的外形尺寸的紧凑性指标用体积功率来评价。式中=内燃机长宽高（）=内燃机轮廓体积（）。6、 低公害指标人类环境保护对内燃机提出的要求由于内燃机数量的大增，它的排放物和噪音等，直接威胁人类的安全。至1976年为止，仅汽车保有量就到达了三亿二千三百万辆，估计其总千瓦数比其他各类动力的总和还要多，这些内燃机排出的有害气体（、等）连同噪音、臭味等共同构成了人类环境的污染源之一。此外，油料中含硫燃烧后生成的和少量微粒物质都是严重的公害物。我国内燃机的使用密度还不是很高，但在某些大城市中，公害问题也十分严重。我国已颁布了环境保护法，许多与内燃机有关的研究所、大专院校、大的生产厂已开始着手于防止内燃机公害的研究，预计随着内燃机工业的发展，公害问题将日益突出，各种法规在不久的将来即将制定出来，内燃机的设计内容势必受到一定的影响。这些都是作为一个内燃机设计工作者，必须预先考虑的。7、 要求使用方便、好修、好造内燃机首先要求好用（包括前五项指标），满足各种性能的要求，同时也要求使用方便（操纵性好，起动性好）、好修和好造。操纵性好指使用者不需要特别的专门技能，即可顺利进行操作，而且在运行中不需要经常进行特别的调整就能维持稳定的运转工况；维护保养方便；调速器的静态调速率、动态调速率、转速波动率、超调都在规定的范围以内。有些大型内燃机还要求如水温、机油温度和压力等能自动报警、自动停车等。起动性好指冷车起动迅速可靠，对于船用、固定式及机车柴油机一般要求在以上环境温度下能顺利起动。对汽车、拖拉机、中小型移动电站及农用柴油机则要求在的气温条件下，不附加任何辅助装置能顺利起动。为了使内燃机便于维护保养、好修、好造，应使各调整部位都便于接近，结构简单合理，工艺性良好1。1.1.2对各种内燃机的设计要求(一)对汽车、拖拉机、工程机械和农用内燃机的要求这些内燃机的共同点，都是大量生产的，功率范围和结构布置都比较相近。在结构设计和总布置设计是，许多考虑都是共同的。都要求尽可能采用一般钢材，零部件的工艺性好，要适合与大量生产。它们的附属系统（如供油系、起动机、三滤、散热器等）往往都是专业化生产的。这就更严格地要求符合“三化”的规定。许多厂家往往采用某一基型，只改变某些附件并根据工作情况的需要改变起标定功率、标定转速，同时来满足汽车、拖拉机、工程机械、农用内燃机等各种需要来实现“一机多用”。这些内燃机除了和其他机械一样，都要求产品重量轻、体积小、质量好、效率高、结构简单、使用方便以外，对汽车、拖拉机、工程机械和农用内燃机，具体的可概括为：1) 高的动力性能；2) 高的燃料经济性；3) 高的工作可靠性和足够的使用寿命；4) 结构紧凑、外形小、重量轻。(二)对机车内燃机的要求机车内燃机的结构特点是要求在限界和轴重范围内发出大的功率，因此强化指标很高。为了保证铁道运输的安全、经济，对可靠性、耐久性、经济性指标要求都较高。具体要求如下：1)机车内燃机的寿命，较先进的指标为：中速机：20130万公里（1500032000小时以上）；高速机：1000020000小时（最高25000小时），大修间隔一般要求为60100万公里。2)重量和外形尺寸指标机车内燃机由于受到桥梁和隧道尺寸和机车轴重的限制，对于外形尺寸和重量有一定的要求。我国内燃机车由于受到车辆限界的限制，并考虑到装在机车上的内燃机在机内维修所许的作业空间，柴油机的宽度一般限制在2米以内，高度限制在3米以内。机车内燃机的重量受到机车轴重的限制，而轴重又受到提到建筑物荷重和轨重的限制，所以机车轴重不得超过23吨/轴，一般内燃机约占机车总重的15%，因此机车内燃机总重量一般不得超过20吨。(三)对船舶内燃机的要求1) 船舶长期在水上航行，可靠性直接联系着人民生命财产的安全，因此要求在大风大浪中，有较大的纵倾和横倾下都能可靠地工作。柴油机的寿命往往间接地标志着其可靠性。2) 随着航速的不断提高，要求内燃机具有足够大的单机功率。3) 较小的燃油消耗率。4) 其他：船机的操纵系统一般都相距较远，而且船舱的工作条件往往较差，操纵系也较笨重。故近代船机的操纵系统都走向自动化，遥控操纵，包括自动报警，自动测量水温、机油温度和压力，自动停机等。1.2内燃机主要参数的选择内燃机的主要参数反映了产品的性能和设计的质量。因此选择主要参数必须紧密结合我国工业生产发展的实际情况，同时还要对同类型国内外发动机的参数进行比较和实验研究。这样选定的参数，才能保证设计既先进又现实。保证所要求的功率和尽可能地提高功率输出（在燃料经济性最佳的前提下），是对发动机提出的基本要求之一，而发动机的有效功率可用下式表达式中 平均有效压力（巴）；单缸工作容积（升）；气缸数；转速（转/分）；活塞平均速度（米/秒）；气缸直径（毫米）；冲程数，四冲程=4，二冲程=2。从此式可知，要提高内燃机的功率，一般应从以下几方面来考虑。1.2.1平均有效压力平均有效压力是标志内燃机整个循环过程的有效性几内燃机制造完善性的指标之一。因此值的不断提高，是内燃机技术发展的重要标志。平均有效压力与混合气形成方法、燃料的种类、燃烧和换气过程的质量、进气压力和温度以及机械效率等有关。平均有效压力值决定了发动机的强化程度，反映了发动机结构与制造要达到的质量，故必须慎重地选择。进行产品设计时，平均有效压力应根据同类型发动机的实际数据初步决定，在发动机制成后再通过实验来确定。1.2.2活塞平均速度活塞平均速度也是表征活塞式内燃机强化程度（热负荷和机械负荷）的重要参数之一。活塞平均速度对于内燃机的性能、工作可靠性和使用寿命有很大影响。一般说来，增大使发动机功率增高，但活塞组的热负荷和曲柄连杆机构的惯性负荷增大，磨损加剧，寿命下降。同时，由于进排气流速增大，进排气阻力与气流速度平方成比例地增加，使充气系数下降，所以随着活塞平均速度的提高，就有必要增大气门通道截面，增加气门数，选用较好的材料、较高的加工精度，采用特殊的表面处理，设计高热负荷下工作可靠而结构轻巧的活塞组等。随着汽车用汽油发动机转速的不断提高，在结构上出现了不断降低和程径比S/D的趋势，这也是为了保持不超过允许值的缘故。对于柴油机和二冲程内燃机等则S/D不宜太低，因为不利于燃烧和扫气等。影响S/D值的因素是多方面的，因此选定S/D值时必须对于具体情况作具体的分析，如对竭力要求提高转速，缩小外形尺寸和降低单位马力重量的高速内燃机，特别是采用V型结构时，选用短行程是合理的，而对大缸径的较低速发动机，对尺寸重量没有严格要求，本身转速低，活塞平均速度也较低，就不必要再用减小S/D来降低值，而且大缸径发动机热负荷本身较大，因此从降低热负荷，创造有利的混合气形成和燃烧条件的角度来看，选用较大的S/D值还是较合适的。1.2.3气缸直径与气缸数发动机的功率是与气缸直径D的平方成正比的。因此设计新发动机时，选用圈套的缸径也是提高功率的一种措施。但是随着缸径的增大，发动机的转速也就相应地要选择得低一些，发动机就可能比较笨重。在产品改进设计时，如在气缸轴距不变的条件下，比重量可减轻。但是，一般说来，缸径增大会引起发动机气缸、活塞组、气缸盖、气门等零件的热负荷加重。气缸数z与缸径D、转速n有着密切的联系。在同样功率要求下，缸数越多，缸径就能缩小，转速就可以提高，这时发动机紧凑轻巧，运转均匀，平衡性改善。2.2.4评定参数发动机型式和主要参数选择的合理性和结构的完善性，常用以下三个参数来评定。(一)强化指标平均有效压力和活塞平均速度的乘积通常称为强化指标。它是与单位活塞面积所作功率成正比的，它一方面代表了功率和转速的强化，另一方面又代表了发动机机械负荷和热负荷的高低。内燃机的发展趋势是强化程度的不断提高，但是随着强化程度的提高，发动机的热负荷和机械负荷相应迅速增加气缸内最高燃烧压力和零件惯性力都随之增大。(二)比重量G/比重量是单位千瓦的净重（公斤/千瓦），它表征工作过程的强化程度和结构设计的完善程度。降低这一数值，就可以节约金属材料，降低特等成本。自重的减轻意味着功率水泵的节约或有效载重的增加，从而提高了运输效率。因此在设计发动机时，在保证所要求的强度、刚度和制造条件许可的情况下，应不断地降低比重量。(三)升功率升功率千瓦/升，它决定于、n和,表征着发动机工作过程的完善性，也可以用来评定发动机的结构紧凑性和外形尺寸大小，现代汽车发动机的发展趋向之一是升功率的继续提高。目前所用的内燃机设计方法，一般还都是经验设计，而不是单纯用理论计算。即先广泛地利用统计或经验数据，参考比较成功的同类型样机来具体地选择机件的结构、尺寸和材料，有的可以经过必要的核算，通过样机试验，最后确定性能指标和结构参数1。第2章 热计算2.1 本次设计的热计算2.1.1 原始参考数据设计一款排量为2.6L左右的车用四缸柴油发动机。要求其标定功率48kW/3400rpm，扭矩160N.m/2100rpm。设计参数名称气缸数4发动机冷却方式水 冷 式环境压力p0 Mpa0.10环境温度T0 K288设计功率 Kw48计算转速 r/min3400几何压缩比 019有效压缩比 17计算空燃比 AF25残余废气系数 r0.04最大燃烧压力 pz Mpa7.5热量利用系数 z0.75排气终点温度Tr800K平均压缩多变指数n11.368平均膨胀压缩指数n21.25示功图丰满系数i0.96燃油重量成分C=0.87, H=0.126,O=0.004燃油低热值 Hu Kj/Kg21200机械效率0.802.1.2 计算框图由于热力学计算过程复杂，且计算量大，故采用计算机编程计算。具体程序详见附录，程序流程图如下。程序的运行如下图所示计算有效参数pe, ge, ye,Ne开始输入原始参数计算基本尺寸D,S输出结果计算燃料参数结束计算充气过程Ta，Pa，v计算压缩过程Tc，Pc根据图表估测Tz值，并进行验证输入计算燃烧过程计算膨胀过程计算指示参数gi,p i1,pi,yi2.1.3 计算结果程序的运行如下图所示进气行程参数: Ta=327.000000; pa=90.000000; yv=0.804706;压缩行程参数: Tc=965.9008728; pc=5053.134376;燃烧行程参数: Tz=1833.000000;做功行程参数: Tb=835.691284; pb=0.267863; q=1.324585；f=14.394265;指示参数: pi1=0.699007; pi=0.671989; gi=206.602579; yi=0.412724;有效参数: pe=0.536891; ge=258.249641; ye=0.328379;；Ne=42.077724基本尺寸: D=90.501030; S=101.470589; sbd=1.121209;充气过程：压缩始点温度Ta=327K 压缩始点压力Pa=90KPa 充气系数v=0. 80压缩过程：压缩终点温度Tc=966K 压缩终点压力Pc=5.05MPa燃烧过程：最大燃烧温度Tz=22614.12膨胀过程：初膨胀比 =1.325 后膨胀比 =14.394 膨胀终点压力=0.26788MPa指示参数：理论平均指示压力=0.699MPa 实际平均指示压力=0.671MPa 指示油耗 gi=206.6 指示效率i=0.41有效参数：总机械效率m=0.8 平均有效压力Pe=0.537MPa有效油耗ge=258.25 有效效率ye=0.328气缸基本尺寸：气缸直径D=90.5 活塞行程S=101.47图2.1 不同时，石油燃料完全燃烧产物和空气=的平均等压摩尔比热Cp与温度的关系【1kcal/kmolC=4.186kJ/kmolC】2图2.2 现在车用柴油机S/D和n的选择根据图2.2选择行程缸径比S/D=1.1，且由SD244=2.6L。取活塞行程S=102mm，汽缸直径D=90mm，V=2.596L2.6L。第3章 活塞组的设计活塞是发动机中的主要配件之一，它与活塞环、活塞销等零件组成活塞组，与气缸盖等共同组成燃烧室，承受燃气作用力并通过活塞销和连杆把动力传给曲轴，以完成内燃发动机的工作过程。由于活塞处于一个高速、高压和高温的恶劣工作环境，又要考虑到发动机的运行平稳及耐用，因此要求活塞也必须要有足够的强度和刚度，导热性好，耐热性高，膨胀系数小（尺寸及形状变化要小），相对密度小（重量轻），耐磨及耐腐蚀，还要成本低。由于要求多而高，有些要求互相矛盾，很难找到一个能够完全满足各项要求的活塞材料。现代发动机的活塞普遍用铝合金制造，因为铝合金材具有密度小，导热性好的突出优点，但同时又有膨胀系数比较大，高温强度比较差的缺点，这些缺点只能通过合理的结构设计以满足使用要求。所以，发动机的质量优劣，不但要看采用的材料，同时也要看设计的合理性。3.1 活塞的工作条件和设计要求活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500K以上，因此，受热严重，而散热条件又很差，所以活塞工作时温度很高，顶部高达600700K，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是作功行程压力最大，柴油机高达69MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用；活塞在气缸内以很高的速度(812m/s)往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。活塞的功用活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室的组成。 (一)活塞的机械负荷活塞组工作中受周期性变化的气压力直接作用，一般在膨胀冲程上止点附近达到最大值：式中 活塞投影面积（）；气缸直径（）；气缸内工质的最高燃烧压力（），可由实测发动机示功图得出。一般汽油机为；柴油机为；增压柴油机为。活塞组在气缸里作高速往复运动，产生极大的往复惯性力，其最大值式中活塞组的重量（）。由于连杆的摆动，作用在活塞上的力传给连杆时，活塞还受一个交变的侧压力，使活塞不断撞击缸套，往往导致裙部变形，缸套振动。为适应机械负荷，设计活塞时要求各处有合适的壁厚和合理的形状，即在保证足够的强度、刚度前提下，结构要尽量简单、轻巧，截面变化处的过渡要圆滑，以减少应力集中。此外，希望采用强度好，比重小的材料。(二)活塞的热负荷活塞在气缸内工作时，顶面承受瞬变高温燃气的作用，使活塞顶的温度很高。而且温度分布很不均匀，各点间有很大的温度梯度，所产生的热应力容易使活塞顶表面开裂。柴油机的活塞热负荷尤为严重，这是由于它的工质密度大，扰流强，很高的压力升高率引起急剧的气流脉动，促进对流传热。另外，柴油机不均匀混合气燃烧形成碳粒，使其火焰的热辐射能力大大超过汽油机。还有，柴油机中燃料喷注常使活塞的温度分布更不均匀。因此，设计活塞时要求选用导热性好的材料，并且在时仍有足够的机械性能；在结构上尽量减小活塞顶的吸热量，而已吸收的热量则应能很好地散走，使活塞顶和环区内的最高温度限制在一定范围内，减小温度梯度。(三)活塞高速滑动，润滑不良活塞在侧压力作用下，在气缸内高速滑动，而缸壁一般均靠飞溅润滑，因此润滑条件差，摩擦损失大，磨损严重，易使活塞和活塞环磨损失效。(四)根据上述对活塞设计的要求，活塞的材料应满足如下要求：(1)热强度高，即在高温下仍有足够的机械性能，使零件不致损坏；(2)导热性好，吸热性差。以降低顶部及环区的温度，并减少热应力；(3)膨胀系数小，使活塞与气缸间能保持较小间隙；(4)比重小，以降低活塞组的往复惯性力，从而降低了曲轴连杆组的机械负荷和平 衡配重；(5)有良好的减磨性能，耐磨、耐蚀；(6)工艺性好，价廉。3.2 材料选择由于上述要求往往是互相矛盾的，因此没有一种能全面满足上述要求的单一材料，现在常用的活塞材料是铸铁、铝合金和钢。在活塞式发动机中，灰铸铁由于耐磨性、耐蚀性好、膨胀系数小，热强度高、成本低、工艺性好等原因，曾广泛地被作为活塞材料。由于发动机转速日益提高，工作过程不断强化，灰铸铁活塞因比重大和导热性差两个根本缺点而逐渐被铝基轻合金活塞所淘汰。铝合金的公有制点与灰铸铁正相反，铝合金比重小，约只有灰铸铁的，结构重量仅铸铁活塞的。因此其惯性力小，这对高速发动机具有重大意义，其另一特点是导热性好，使活塞温度显著下降。而其缺点是温度升高时，强度和硬度下降较快，线膨胀系数较大，为控制变形使结构设计复杂化；此外，其成本较高。本设计中选用ZL107作为活塞材料3。3.3 活塞的结构一般活塞都是圆柱形体，根据不同发动机的工作条件和要求，活塞本身的构造有各种各样，一般将活塞分为头部、裙部和活塞销座三个部分。 头部是指活塞顶端和环槽部分。活塞顶端完全取决于燃烧室的要求，顶端采用平顶或接近平顶设计有利于活塞减少与高温气体的接触面积，使应力分布均匀。多数汽油机采用平顶活塞，有些发动机（例如直喷式柴油机和新型的缸内喷注汽油机）为了混合气形成的需要，提高燃烧效率，将爆燃减少到最小程度，需要活塞顶端具有较复杂的形状，设有一定深度的凹坑作为燃烧室的一部分。活塞的凹槽称为环槽，用于安装活塞环。活塞环的作用是密封，防止漏气和防止机油进入燃烧室。活塞裙部是指活塞的下部分，它的作用是尽量保持活塞在往复运动中垂直的姿态，也就是活塞的导向部分。 活塞裙部的形状极有讲究，尤其是像轿车一类的轻型乘用车，设计者从发动机的结构和性能出发，常在活塞裙部上动脑筋，以尽量使发动机结构紧凑运行平稳。 活塞销座是活塞通过活塞销与连杆连接的支承部分，位于活塞裙部的上方。高速发动机活塞销座的特别之处在于销座孔不一定与活塞在同一中心线平面上，可向一侧偏移一点点，即向作功行程时活塞接触缸壁的一侧偏移，这样当活塞到上止点变换方向后活塞敲击缸壁的程度会减少，从而减少了发动机噪声。 3.4活塞的结构设计 发动机型号: 90系列柴油机活塞直径:D=90 活塞的主要尺寸结构如图3.1图3.1 活塞的主要尺寸3.4.1 活塞头部设计一、活塞顶形状与厚度活塞顶选用活塞顶厚度 取二、压缩高度的确定活塞压缩高度系由火力岸高度、环带高度和上裙尺寸三部分组成的。活塞环的数目、环的位置和轴向高度、环与环之间的环岸高度等都直接影响尺寸。1、第一环位置根据活塞环的布置确定压缩高度时，首先须定出第一环的位置，即所谓火力岸高度。为缩小，当然希望尽可能小，但过小会使第一环温度过高，导致活塞环弹性松弛、粘结等故障。柴油机活塞环的工作条件比汽油机更严重，故应更大些。对于柴油机，取整数得h=20mm；2、环岸高度采用三道环（其中两道气环，一道油环）柴油机一般取气环；油环。环岸高度一般第一环最大，其它较小。实际发动机的统计表明，柴油机特别是增压柴油机取上限，因为柴油机负荷重。对于柴油机，环槽的高度：，取；，取。环岸高度c=b+ +b + +=2.4+5+2.4+4+4+4=21.8mm3、活塞的压缩高度H1=(0.650.8)D=(58.572)mm，取H1=68三、活塞顶和活塞断面1.环带断面与环槽尺寸对于活塞头部热流情况的分析，说明应保证高热负荷活塞的环带有足够的壁厚，使导热良好，不让热量过多的集中在最高一环,所以根据经验确定：销孔垂向的环区壁厚；销孔方向的环区壁厚。常在裙上端或油环槽中开绝热槽，这使头部仅以销座部分支承在活塞销上，而在垂直销方向成为悬臂梁，可能在气压力作用下发生弯曲，直接影响环槽的扰曲，危及活塞环的工作可靠性。正确设计环槽断面和选择环与环槽的配合间隙，槽底圆角一般为毫米。活塞环岸锐边必须有适当的倒角，一般该倒角为。环槽的侧隙。目前，第一环与环槽侧隙一般为，二三环适当小些，为，油环则更小些。如图活塞断面形状：图3.2 活塞环的背隙和活塞环槽断面活塞环的背隙比较大，以免环与槽底圆角干涉。一般气环，油环更大些，以利泄油。2.环岸的强度校核 在膨胀冲程开始时，在爆发压力作用下，第一道活塞环紧压在第一环岸上。由于节流作用，第一环岸上面的压力比下面压力大得多，不平衡力会在岸根产生很大的弯曲和剪应力，但应力值超过铝合金在其工作温度下的强度极限或疲劳极限时，岸根有可能断裂，试验表明，当活塞顶上作用着最高爆发压力p时， 。环岸是一个厚、内、外圆直径、的圆环形板，沿内圆柱面固定，要精确计算固定面的应力比较环槽复杂，可以将其简化为一个简单的悬臂梁进行大致的计算。在通常的尺寸比例下，可假定环槽深，槽底直径，于是作用在岸根的弯矩为而环岸根端面的抗弯断面系数近似等于所以环岸根部危险断面上的弯曲应力同理得剪切应力按合成应力公式考虑到铝合金在高温下的强度下降以及环岸根部的应力集中，铝合金的许用应力可取，而，远远小于，所以强度合格。3、活塞头部与气缸的配合活塞头部直径应保证发动机正常运转时，环带不与缸壁直接接触，以免温度较高的铝合金表面磨坏。故活塞头部的装配间隙必须考虑铝活塞与铸铁气缸在工作温升下热膨胀的差别，即 式中和分别是铝活塞头部和铸铁气缸在工作状态下相对装配状态温度的升高量，称为工作温升，初步计算可假设：柴油机，。再令膨胀系数，。则当时，按公式有：这是与实际发动机统计数据相符的。3.4.2 活塞裙部的设计一、活塞销中心以上的裙部长度活塞销上面的裙部长度对于活塞裙在气缸内的良好道向也有很大影响。如果能使裙部与缸壁配合间隙很小，裙两端的尖角负荷就不会太严重，那么小些也无妨。不然，就希望适当大些。活塞销中心上部的裙部长度取23.8mm2、活塞裙部导向长度H3=(0.60.8)D=(5472)mm取H3=70二、活塞销中心以下的裙部长度综上所述，柴油机，取；1.裙部的膨胀控制 活塞裙为了很好地起导向作用，工作平顺而耐久，除了要有足够的尺寸外，还必须保证它与气缸间有尽可能小的间隙，且不随温度而变。而活塞裙与气缸工作时的间隙大小，并不等于装配状态的间隙，它要受活塞工作时的机械变形和热变形的影响。活塞裙部变形如图3.3所示。引起活塞销座方向伸长的原因，首先是侧向力的作用。由于活塞裙部推力面与缸壁仅有圆弧是接触的，故在侧向力的作用下，有将原圆的裙部压扁的趋势，同时迫使销座轴向的裙部伸长。其次是因为加在活塞顶上的燃气压力的作用，使活塞顶部在销座跨度内发生弯曲，导致相应的裙部有向外扩张趋势。最后一个原因是活塞受热膨胀。活塞顶受热向四周均匀膨胀，但活塞头部沿圆周的刚度是不均匀的，由于销座的加强作用，沿销轴方向刚度大，在其垂直方向刚度小，而且还会受前一项膨胀的牵制而减小膨胀量。因此，在设计活塞裙时一方面必须尽量减少从活塞头部传给裙部的热量，采用膨胀系数小的材料或采用限制膨胀的专门措施；另一方面使活塞裙部的形状与活塞的温度分布、金属分布相适应，与机械变形造成的失圆相适应。根据上述认识，在生产实践中采取下列三类结构措施。 图3.3 活塞裙部变形在活塞裙上端，或者最下面一道油环槽底加工出横槽，以减少从活塞头部传到裙部的热量，降低裙部的温度。但由于裙部开槽大大削弱了活塞裙部的强度和刚度，在负荷大的发动机中容易使裙部出现永久变形，所以它只在普通汽油机上使用，而不适用于强化汽油机和柴油机。后者要求刚性活塞，采取诸如椭圆裙等其它措施。 3.椭圆裙活塞工作时在销轴方向尺寸伸长相对较多，为使裙部在工作时具有比较均匀的间隙，不致在销孔附近卡住，在设计时把裙部做成长轴位于垂直销轴方向，短轴位于平行销轴方向的椭圆形(如图3.4)。椭圆形状的活塞裙，因工作面曲率变化圆滑，压力分布好，所以工作比较可靠、耐久性好。图3.4 活塞下群结构尺寸4.镶钢片活塞镶钢片活塞，就是在铝合金活塞中镶入热膨胀系数比铝合金小的材料，阻碍活塞裙部推力面上的热膨胀，从而减小活塞裙部的装配间隙。（二）活塞裙部的配合间隙由于活塞沿轴线的温度分布很不均匀，越接近活塞顶温度越高，而且环带部分的温度梯度从裙部大，所以活塞的外圆面原则上应该设计成上小下大的且具有不同锥度锥台形。活塞裙部表面的制造尺寸必须考虑活塞与气缸从冷态加热到热态热膨胀之差，以及最佳工作间隙大小后确定。活塞裙的具体结构，对裙部间隙有很大影响，所以活塞外圆尺寸要经过反复试验修改后才能最后确定4。3.5 活塞销和活塞销座3.5.1活塞销的设计要求活塞销和活塞销座无疑是发动机中工作情况最恶劣的轴和轴承。一是负荷很大而承压面积很小；二是运转时活塞销与销座（或连杆衬套）之间只在不大的角度内相对摆动，无法形成充分的油膜；三是温度可达左右，润滑油性能下降；四是由于前面分析过的变形，压力分布很不均匀。因此要保证工作可靠，必须在承压面积、配合间隙、摩擦表面质量等方面进行详细的研究。活塞工作时顶部承受很大的气压力，它们全部通过销座传给活塞销，再传到连杆。因而，活塞销与销座必须有足够的强度、足够的承压面积和耐磨性。其中活塞销的刚度有着关键意义，如果纵向刚度不足，则引起负荷分布不均匀，使销座疲劳破坏，导致活塞纵向开裂；横向刚度不足，使销的失圆变形过大，润滑油膜遭受破坏，引起活塞销咬住。3.5.2活塞销的设计在确定活塞销尺寸时不能孤立地以销材料所能承受的应力和变形为基础，而只能以活塞销在气压力下所产生的变形能为销座所承受作前提。由大量实践及实验应力分析得知，销座的最大应力数值及应力分布规律主要取决于活塞销的弯曲变形。因此，为了保证活塞销座-活塞销可靠工作，我们就从限制活塞销的弯曲变形入手，由此决定活塞销的外形尺寸。活