2110型柴油机设计（涡流室）说明书

毕业设计 2110 型柴油机设计（涡流室） 2110 Design Of Diesel Engine (Swirl Chamber) 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 合 作 指 导 教 师： 专 业 名 称： 热能与动力工程 所 在 学 院： 机械工程学院 2110 型柴油机（涡流室）纵横剖面图 大连水产学院本科毕业设计 目录 目 录 摘要 I 第一章 前言 1 1.1 研究目的和意义 1 1.2 国内外研究现状 1 1.3 研究内容和方法 2 第二章 柴油机的基本工作原理 3 2.1 柴油机概述 3 2.2 柴油机的工作原理 3 2.3 2110 型柴油机（涡流室）的总体构造 4 第三章 2110 型柴油机（涡流室）的涡流室设计 7 3.1 概述 7 3.2 涡流室燃烧室及混合气形成的特点 7 3.3 涡流室的要点及设计 8 第四章 2110 型柴油机（涡流室）实际循环热计算 11 第五章 2110 型柴油 机（涡流室）动力计算 16 第六章 2110 型柴油机（涡流室）主要运动件设计 23 6.1 活塞组 23 6.2 连杆组 27 6.3 曲轴飞轮组 28 第七章 2110 型 柴油机（涡流室）的机体组件 31 7.1 机体组 31 大连水产学院本科毕业设计 目录 第八章 2110 型柴油机（涡流室）的辅助系统 34 8.1 配气机构 34 8.2 润滑系统 35 8.3 燃油系统 36 8.4 冷却系统 37 8.5 起动系 37 第九章 结论与建议 38 致谢 39 参考 文献 40 附录 41 附表 3 在不同的 值时，与 相对应的 x/r 41 附表 4 在不同的 值时，与 a 相对应的 x/ r 41 附表 5 在不同的 值时，与 a 相对应的 x/ r2 42 附表 6 在不同的 值时， 与 tg的对应值 42 附表 7 在不同的 值时， 与 1/cos的对应值 43 附表 8 在不同的 值时 ， 与 cos(a+)/cos的对应值 43 附表 9 在不同的 值时， 与 sin(a+)/cos的对应值 44 附图 1. 活塞的位移（勃留克斯法） 45 附图 2. 活塞的速度（简谐曲线合成法） 45 附图 3. 活塞的加速度（简谐曲线合成法） 46 附图 4. 发动机中作用力 PG， Pj 和 P=PG+Pj 的变化曲线 46 附图 5. 发动机 PT和 PN 的变化曲线 47 附图 6. 发动机 T 和 Z 的变化曲线 47 大连水产学院本科毕业设计 目录 附图 7. 发动机总转距图 48 附图 8. 2110 型柴油机（涡流室）连杆轴颈负荷图 48 附图 9. 2110 型柴油机（涡流室）轴颈磨损图 49 附图 10. 2110 型柴油机（涡流室）连杆轴承负荷图 49 附图 11. 2110 型柴油机（涡流室）第 0 主轴颈负荷图 50 大连水产学院本科毕业设计 摘要 I 摘要 本课题为 6135K-5 型柴油机的设计。此机型为 四冲程 直喷 式 型燃烧室 强制 水冷 高速柴油机。 起动性能好，扭矩大， 燃油和机油耗率均低 ，经济性能好。往复活塞式内燃机的组成部分主要有曲柄连杆机构、机体和气缸盖、配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统、起动装置等。其中内燃机传递动力的主要部分由活塞组、连杆组、曲轴和飞轮组成的曲柄连杆机构 。 本设计主要研究了柴油机热力过程与动力学特性，利用内燃机知识和对内燃机各热力参数，指示参数，有效参数进行计算与分析，通过改进提高柴油机的动力性能、经济性能和运转性能，为今后内燃机的开发、设计奠定基础。并用 CAD 绘制柴油机的活塞、连杆零件图 和6135K-5 柴油机的横剖面图和纵剖面图。 关键词： 热计算，动力学计算，设计， 柴油机， CAD Abstract 大连水产学院本科毕业设计 摘要 II This design is 6135K-5 diesel engines design. This type for four stroke straight spraying type of omega combustion chamber the water cooling in high speed Diesel Engine. the starting performance is good, the torque is big, the torque safety factor is big, the economical performance is good. The reciprocation internal-combustion reciprocating engine constituent is consist of the crank link motion gear, the organism friendly cylinder cover, the carburetor construction, the oil supply system, the lubrication system, the cooling system, the firing set etc. The reciprocation internal-combustion reciprocating engine constituent mainly has the crank link motion gear, organism and the cylinder cover, the timing mechanism, the oil supply system, the lubrication system, the cooling system, the firing set and so on. The main part of internal combustion engine transmitting power is composed from the piston group, connecting rod group, the crank and the flywhel.Internal combustion engine transmission power main part the crank link motion gear which by the piston group, the linkage, the crank and the flywheel is composed. This design has mainly studied the diesel engine thermodynamic process and dynamics characteristic, using the internal combustion engine knowledge and to the internal combustion engine various thermal energy parameter, instructs the parameter, the effective parameter carries on the computation and the analysis, enhances the diesel engine through the improvement the power performance, the economical performance and the operational performance, design that for the internal-combustion engine exploitation, and draws up the diesel engine with CAD the piston, the connecting rod detail drawing and 2110 diesel engine body plan and the elevation. Key word: Heat Calculation, Dynamics Calculation, Design, Diesel Engine, CAD 第一章 前言 大连水产学院本科毕业设计 第一章 前言 1 1.1 研究目的和意义 1.1.1 研究目的： （ 1） 初步了解内燃机产品研制的全过程，熟悉方案设计的步骤和方法。 （ 2） 深入进行与专业有关的基本工程训练。 （ 3） 综合和深化技术基础课、专 业课知识，培养分析问题和解决问题的能力。 （ 4） 培养协作精神，树立高度的工作责任感。 1.1.2 研究意义： 柴油机的发展，已有八十多年的历史。通过这一长时期的不断改进和提高，已经发展到了比较完善的程度。 本课题为 2110 型柴油机（涡流室）的研究设计。此机型为水冷 、 四冲程 、 直列式 、 涡流室燃烧室，起动性能好，扭矩大，扭矩储备系数大，经济性能好。本设计主要研究了柴油机热力过程与动力学特性，利用内燃机知识和对内燃机各热力参数，指示参数，有效参数进行计算与分析，通过改进提高柴油机的动力性能、经济性能和运转性能， 为 今后内燃机的开发、设计奠定基础。 1.2 国内外研究现状 内燃机是世界上用途最广的动力机械之一，主要配套对象有舰船、机车、汽车、拖拉机、工程机械、军用车辆、联合收割机、排灌机械、内燃机发电机组、小型农机具等。 近百年来，我国内燃机工业取得了长足的进步，品种、数量与质量可满足国民经济日益增长的需求。但与国际先进水平相比，在性能、质量与可靠性以及自主开发能力方面还有一定差距。随着汽车保有量的增加，为控制汽车排气对环境的污染，我国从 2000 年起实施欧洲 I 排放标准，从而有力推动了我国装有三效催化转化器的电控喷射汽油 机以及采用多气门、增压、排气再循环、高压喷射与排气后处理技术的柴油机的发展。中国加入 WTO 后，汽车与内燃机产品面临着国际市场的竞争。这些都将持续有力地推动我国内燃机工业的技术进步 1。 1.3 研究内容和方法 1.3.1 研究内容： （ 1） 总体设计 （ 2） 进行 2110 型柴油机（涡流室） 的热力计算与动力计算。 （ 3） 总体方案设计，进行总体布置分析，确定机型的主要性能参数和结构参数，画出总体布置的纵横剖面图。 （ 4） 燃烧系统和供油系统设计，考虑燃烧系统、供油系统和进气系统的匹配，选择合适的喷油泵、喷油嘴和调速器，确定供油系统的主要参数，设计燃烧室，画出活塞零件图。 （ 5） 排气系统设计，确定排气系统的布置方案和主要参数。 （ 6） 配气系统设计，定出传动系统布置方案。 大连水产学院本科毕业设计 第一章 前言 2 （ 7） 曲轴和连杆设计，确定曲轴、连杆材料、结构和主要参数，画连杆图。 （ 8） 气缸盖和机体设计，确定气缸盖、机体的结构型式和主要参数，画气缸盖、机体图（包含在纵横剖面图内）。 1.3.2 研究方法 2： （ 1） 根据市场调研确定排量，基本性能和结构参数，然后全面考虑各种用途的配套要求，找出其共性和个性，一次完成基本型 和各种变型设计，这样可使零部件具有最大的通用性，有利于实现批量生产，降低成本，变型迅速的目的。 （ 2） 采用集成化的设计从柴油机总体出发，打破按部件分割的概念将功能有关的零部件尽可能串联起来综合考虑，简化结构，减少零件，降低成本。 （ 3） 总体图是柴油机总体布置的具体反映。 柴油机总体布置的原则是在满足产品技术任务书的前提下，尽量使结构紧凑合理，外形美观，简单可靠，主要零件工艺性好，便于装拆和维修。 （ 4） 柴油机纵横剖面图的画法一般是由内到外，由粗到细，先画零件的轮廓，再画细节。纵横剖面图同时画，表 明零部件在纵横剖面图上的对应关系。 第二章 柴油机的基本工作原理 大连水产学院本科毕业设计 第二章 柴油机的基本工作原理 3 2.1 柴油机概述 柴油机是内燃机的一种，是将燃料的化学能经过燃烧释放的热能转变为机械功的机器。 柴油机中，燃料的燃烧和工质的膨胀做功均在汽缸内进行，因而内燃机的能量损失较小，具有较高的热效率。柴油机的基本工作过程是完成两次能量转换，即燃料在汽缸中燃烧，将化学能转变为热能，燃烧产生的高温高压燃气作为工质在汽缸内膨胀，推动活塞运动，将热能转化为机械功。活塞的往复运动通过曲柄连杆机构转变为曲轴的回转运动。驱动机械工作。 柴油 机具有以下突出优点 3： （ 1） 经济性好，热效率在热机中最高，一般为 50%。 （ 2） 尺寸小、质量轻、结构紧凑，便于安装布置。 （ 3） 功率范围广。单机功率在（ 0.66.8） 104KW，适用范围广。 （ 4） 机动性好。起动方便、迅速，加速性能好，正常起动只需几秒钟，并能很快达到全负荷工况。 柴油机也存在如下一些缺点 3： （ 1） 运转时噪声大。 （ 2） 废气中有害成分对大气污染严重。 柴油机 未来的发展将着重于改进燃烧过程，提高机械效率，减少散热损失，降低燃料消耗率；开发和利用非石油制品燃料、扩大燃料资源； 减少排气中有害成分，降低噪声和振动，减轻对环境的污染；采用高增压技术，进一步强化 柴油机 ，提高单机功率；研制复合式发动机、绝热式涡轮复合式发动机等；采用微处理机控制 柴油机 ，使之在最佳工况下运转；加强结构强度的研究，以提高工作可靠性和寿命，不断创制新型 柴油机 。 2.2 柴油机的工作原理 柴油机的运转过程，是气缸内连续不断地完成一个个工作循环的过程。一个工作循环是指柴油机的气缸内依次通过进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程做一次功的全过程。柴油机是利用燃料燃烧后所产生的热能来做功的。燃料只有在着火燃烧时才能施放 出热能，要实现燃料着火，燃烧，必须要有充足的氧气和一定的温度。因此，要实现柴油机能够连续地工作，就要不断地向气缸内输入新鲜空气和燃料，并使气缸内获得燃料着火所必需的温度。 柴油机把燃料的热能转化为机械能 的过程是按一定规律进行的。首先由曲轴带动活塞由上向下移动。空气 经 进气管 、 进气门进入气缸内，使气缸内充满空气。接着活塞反向上移，将充入气缸内的气体进行压缩，同时通过喷油器将柴油喷入燃烧并能通过连杆驱使曲轴旋转，而对外输出扭矩做功。最后，活塞由下向上移动，将膨胀后的废气经排气门，排气管排出气缸，准备再次充入空气。 柴油机工作循环过程周期地重复进行，便可实现其连续不断地工作。 2.3 2110 型柴油机（涡流室）的总体构造 2.3.1 2110 型柴油机（涡流室）的主要结构参数 大连水产学院本科毕业设计 第二章 柴油机的基本工作原理 4 D=110mm； S=150mm； n=1500r/min;立式 、 水冷 、 四冲程 、 涡流室式燃烧室。 （ 1） 缸径 D，活塞行程 S 和行程缸径比 S/D: 行程缸径比 S/D 将影响整机高度、气门流通面积与气缸工作容积之比、曲轴的重叠度、活塞平均速度、摩擦损失和进排气流动阻力。 根据已知条件缸径 D=110mm， 活塞行程 S=150mm，行程缸径比 S/D1.364 （ 2） 缸心距 L: 进、排气道和冷却水道的布置密切相关。并将直接影响柴油机的性能。可靠性和寿命，对缸径较小的多缸柴油机可采用整体式气缸盖以缩短气缸中心距。 确定气缸中心距的大小，首先考虑曲轴的曲柄臂的厚度和主轴颈，曲柄销的长度，使主轴承和连杆轴承有足够的承压面积，并保证曲轴有良好的强度和刚度。 目前高速柴油机缸心距有渐减小的趋势。直列式小型高速柴油机的 L/D， 当采用湿式气缸时，因为要安排气缸套上下端的支承、定位、密封结构，缸距要大些。一般 L=D+（ 2535），其对应的 L/D 比值为 1.24 1.30。本机取 L=144 。另外为了对缸套进行定位，凸肩的上平面被气缸盖及气缸垫压紧，凸肩 h 值比较重要。 h 值大些有利于气缸套上部钢度，但会使气缸套上部冷却条件不好。如果 h 值过小，也就是凸肩过薄，当螺栓拧紧后气缸套上部会产生变形，以致使缸筒失去正确的几何形状，严重时会使凸肩根部产生裂纹。本设计凸肩高度为 h=0.15 ，公差为 h =0.03 4。 采用湿式气缸套的柴油机，气缸中心距应保证相邻二缸套凸缘间具有局部最小宽度，并有足够的缸臂厚度和水套宽度。根据铸造的可能性，缸间水套最小厚度为 4 ，气缸壁的最 小厚度为5 4。本设计气刚壁厚度为 7 ，水套宽度为 6 。 （ 3） 主轴颈、曲柄销与 曲柄臂 轴径应短而粗，以增强曲轴刚性，提高自振频率，缩短缸心距，但轴颈长度也不能过短，否则会使轴承的承载力变坏，滑动轴承的宽度以不小于 0.3d(d 为轴颈 )为宜 . 主轴颈 D1/D = 0.65 0.8 ； L1/D = 0.35 0.50 D1-主轴颈直径； L1-主轴颈长度； D-气缸直径 本设计取 D1 = 85 ； L1 = 50 。 曲柄销 D2/D = 0.55 0.70 ； L2/D = 0.35 0.45 D2-曲柄销直径； L2-曲柄销长度； D-气缸直径 且曲柄销直径 D2总是小于主轴颈直径 D1 的。 本设计取 D2 = 75 ； L2 = 48 。 本设计曲轴采用椭圆形断面的曲柄臂。在轴颈与曲柄臂的交界处，设计一个厚 0.8 的台阶，以便精磨轴颈和圆角时，砂轮不与曲柄臂相碰。在曲柄臂与轴颈的连接处，为了减小应力集中，提高疲劳强度，常采用圆角过渡，取 曲柄臂厚度 b=23 ， 圆角半径 R = 5.6 。 （ 4） 曲柄半径与连杆长度 : 曲柄半径 R 与连杆长度 L 的比值 在 1/3 1/5 之间，从理论上 讲，最大往复惯性力和活塞侧向压力随着 增加而增大，但 值小时，连杆长度就增加，直接影响发动机的高度和重量 4。 本机曲柄半径 R=75 、 连杆长度 L=285 、 =R/L=0.263。 大连水产学院本科毕业设计 第二章 柴油机的基本工作原理 5 2.3.2 2110 型柴油机（涡流室）的总体构造 柴油机主要由缸体与气缸盖组件、曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给机构、润滑系、冷却系及起动系等组成，这些机构和系统保证了柴油机连续不断地正常工作。 （ 1） 缸体与气缸盖组件： 缸体是由机体、气缸套、油底壳、和气缸盖等零部件组成的固定件。该机构的功用是构成柴油机的骨架，连接 和固定所有运动件和辅助系统。 （ 2） 曲柄连杆机构： 曲柄连杆机构的功用是组成燃气工作的空间（气缸），并将活塞的往复运动转化成曲轴的回转运动。其组成主要有活塞组件、连杆组件、曲轴飞轮组件、连接器组件和扭矩减振器组件等部分组成。 （ 3） 配气机构： 配气机构的功用是按工作循环的要求，定时地启闭进、排气门，排出气缸内的废气，吸入新鲜气体。其组成主要有气门组件、气门传动组件、凸轮轴和凸轮轴传动机构等。 （ 4） 燃料供给机构： 柴油机燃料供给系的功用是将柴油以一定的压力，定时、定量地喷入气缸，与缸内的空气形成 可然混合气。它由燃油箱、输油泵、燃油滤清器、喷油泵、喷油器等部件组成。 （ 5） 润滑系： 润滑系的功用是在发动机运转时，连续不断地将机油输送到各摩擦表面，以减小零件的磨损和摩擦阻力。其组成主要有机油泵、机油滤清器、机油冷却器和压力调节与安全装置等部件。 （ 6） 冷却系： 冷却系的主要功用是将柴油机受热机件的热量散发出去，以保证柴油机正常的工作温度。它由水泵、风扇、散热器、中冷器和节温装置部件组成。 （ 7） 起动系： 起动系统的功用是使静止的发动机起动运转。它主要由起动电机等组成。 2.3.3 2110 型柴油机（涡流室）的 主要性能参数 （ 1） 转速 n： 根据已知条件，本机标定功率转速取为 n=1500r/min。 （ 2） 活塞的平均速度 Cm： 本机： Cm=Sn/30=7.5m/s。、 （ 3） 平均有效速度 Pe： 平均有效压力 Pe 是标志内燃机整个循环过程的有效性及内燃机制造完善性的指标之一。 Pe是量特征性参数，是柴油机每循环单位气缸容积所发出的有效功大小的标志。 本机： Pe=5.27 kg/cm2 Vs=1.425 升 活塞总排量 V=Vs*2=2.85 升 （ 4） 压缩比： 压缩比直接影响柴油机的性能，机械负荷，起动性能，以及主要零件的 结构尺寸。在一定范大连水产学院本科毕业设计 第二章 柴油机的基本工作原理 6 围内，柴油机的热效率随压缩比的增加而提高，增大压缩比也可以使柴油机的起动性能获得改善。但压缩比的提高将使气缸最高爆发压力相应上升，机械负荷增加，对柴油机的使用寿命有影响。 本机取压缩比 =17。柴油机压缩比的一般取值范围为：非增压柴油机，直接喷射式燃烧室=15185。 （ 5） 配气正时 (以曲轴转角计 )： 进气门开启 上止点前 1530 进气门关闭 下止点后 4230 排气门开启 下止点前 4430 排气门关闭 上止点后 1530 供油提前角 上止点前 1830 （ 6） 气门间隙 进气门 0.30 排气门 0.35 （ 7） 进排气门凹入度 进气门 0.9 1.2 排气门 1.2 1.5 （ 8） 压缩余量（上止点时活塞顶与缸盖底面距离）： 1.5 （ 9） 机油压力：工作油压 196 491Kpa （ 10） 冷却水温度： 85 90 （ 11） 主要螺栓螺母扭矩：（ NM） 缸盖螺栓 M14 18610 连杆螺栓 M13*1.25 15710 主轴承螺栓 M16 23510 缸盖螺栓 M10*30 345 曲轴大螺母 M36*2 5881 第三章 2110 型柴油机（涡流室）的涡流室设计 大连水产学院本科毕业设计 第三章 2110 型柴油机（涡流室）的涡流室设计 7 3.1 概述 涡流室燃烧室的结构如图 3-1 所示。活塞顶与气缸盖之间的空间为主燃烧室，而在气缸盖中的容积称为涡流室，即副燃烧室，他的容积约占整个燃烧室的 50% 70%。主副涡流室之间用一个通道连接，通道的截面积为活塞截面积的 1% 3.5%，通道方向与活塞顶成一定角度并与涡流室相切。喷油器安装在涡流室里，燃料顺空气涡 流方向喷射。 在压缩过程中，气缸中的空气被活塞推挤，经过通道流入涡流室（涡流室与主燃烧室的压差最大约 1 2Kg/cm） ,形成强烈的有组织的压缩涡流运 图 3-1 涡流室 动，最高流速达 100 145m/s。当涡流室着火燃烧后，涡流室中的气体压力和温度迅速升高，涡流室内未燃的燃料，空气及燃气一起经通道高速流到主燃烧室中（首先从涡流室喷出的是壁面附近的过浓混合气）既形成二次涡流，与主燃烧室中的空气进一步混合燃烧。 (a) 球形 (b) 球锥形 (c) 球柱形 图 3-2 涡流室结构 如图 3-2 所示。涡流室燃烧室的典型结构有球形、球锥形（彗星 V 型）、球拄形等，一般涡流室上部为半球形，下部则通过锒块的变化而获得各种变形。不同形状的涡流室所产生的压缩涡流强度也不一样。平底涡流室对改善高速性能有利，近代涡流 室应用较多的是类似彗星 V 型 及球柱型等。可变通道截面涡流室的特点是，涡流室位于气缸体里，能在混合气形成的关键时刻获得较高的流速，而又不显著增加流动损失，但其活塞受到不均匀加热，工作条件差。可变容积涡流室，采用液压调节装置，能自动地随发动机工况改变涡流室容积，使压缩比从起动时的 = 20 变化到全负荷时的 = 14，能改善变工况的性能，具有多种燃烧性，但结构复杂 6。 3.2 涡流室燃烧室及混合气形成的特点 与直喷射式柴油机比较，涡流室柴油机主要有下列 特 点 7： （ 1） 混合气形成和燃烧主要是利用有组织的强烈的压缩涡 流，因此对喷雾质量要求不高，一般采用轴针式喷油嘴，喷油压力较低，为 100 140 Kg/cm，这可降低对燃油系统的要求，减小大连水产学院本科毕业设计 第三章 2110 型柴油机（涡流室）的涡流室设计 8 喷油孔堵塞等故障。 （ 2） 由于压缩涡流随转速升高而加强，所以在转速较高时仍能保证较好的混合质量，混合气形成质量对转速变化不敏感；又由于涡流室是偏离气缸中心线布置，而喷油嘴也随涡流室偏置，使气门布置的位置充足，进气门直径可以做得较大，即使转速较高，仍可获得较高的充气效率，因此涡流室适用于高转速的发动机中，目前转速可以高达 6000 转 /分。 （ 3） 由于利用强烈的压缩涡流和二次涡流， 保证了较好的混合气质量，使涡流室发动机中空气得到较充分利用，因此过量空气系数较小，平均有效压力较高，一般 a=1.3 1.6， Pe=6 8 Kg/cm。而且初期燃烧是在涡流室里进行，不是直接作用在活塞上，主燃烧室中的压力升高率较小，工作较为平稳，燃烧噪声小。 （ 4） 涡流室的相对散热面积较大，而且又直接与冷却水接触，使散热损失较大；在涡流室发动机中，气体经过通道流动，气流损失也较大，因此使冷机起动困难，比油耗较高，一般 gi=190210g/PSh。比直喷式柴油机通常要高出 10% 15%。 （ 5） 由 于主燃烧室最高温度相对较低，因此可减小 NOX 排放量；此外， HC 和微粒排放量均比直喷式柴油机低，高负荷的烟度一般小于 3BSU。 3.3 涡流室的要点及设计 （ 1） 涡流室的形状 涡流室形状比较统一，基本形状是球形或近似球形。一般涡流室由两部分组成，其上部是在气缸盖上，而下部是由带有通道的保温锒块组成。 本设计涡流室形状为纯球形，半径为 R=26mm。因为球形涡流室中涡流强度最高，活塞接近上止点时，球形涡流室中的速度分布是由刚体旋转和势涡流两部分合成起来的。在接近涡流室中心部分，气流速度随涡流室半径增加而增 加，符合刚体旋转运动的规律；而在壁面附近，气流速度随涡流室半径增加而减小，呈势涡流规律；在涡流室某一半径处，气流速度最高。 （ 2） 连接通道的位置 连接通道的截面形状一般有长圆形、豆形及弯月形等，其中以长圆形应用较多。 通道形状、尺寸和位置对涡流室中的气流运动影响较大。通道的倾斜角一般在 30 50之间。但柴油机转速较高的时候，长圆形通道的最佳长短比为 2 2.5。如图 3-3 所示，当倾角为 45时柴油机油耗较高，当倾角为 40时性能较好。倾角较大不利于燃气在主燃室的扩散与穿透，在涡流室中难以形成强涡流， 所以性能较差 ;倾角过小时涡 图 3-3 倾角与油耗表 流室内的气流难以进入主燃室。 本设计连接通道采用长圆形如图 3-4 所示。通道的倾斜角为 40，通道截面长为 16.25 ，短为 6.5 ，长短比为 2.5。 （ 3） 涡流室的结构参数 图 3-4 通道截面 涡流室的主要结构参数是涡流室容积 Vk与压缩容积 Vc 之比 Vk/Vc， 及通道截面积 f 与活塞面积 Fr之比 f/Fr，它们对压缩涡流影响很大 ， 通常 Vk/Vc 限制在 50%左右 , f/Fr=1 1.5%。 Vk/Vc 越大或 f/Fr 越小 ， 则压缩涡流越强 6。 大连水产学院本科毕业设计 第三章 2110 型柴油机（涡流室）的涡流室设计 9 本设计的涡流室容积 Vk=44.87ml, 压缩容积 Vc =89 ml , Vk/Vc=50.4%。这样可以减少流动损失和散热损失，提高经济性，改善起动性能 。由于主燃烧室也组织涡流加强燃烧，所以涡流室通道面积比偏小有利，本设计的通道截面积 f=96.54 ，活塞面积 Fr=9498.5 ， f/Fr=1.02%。 （ 4） 主燃烧室中的燃烧 当 Vk/Vc 较大时，采用平顶活塞可以获得较好的性能。当 Vk/Vc 较小时，就有较多的空气集中在主燃烧室里，必须使处于活塞顶隙中的空气活跃起来，加以充分利用。为此常在活塞顶上开有导流槽和凹坑，使涡流室中气流喷出时，在导流槽或凹坑的引导下形成次涡流，促使未燃烧的燃料在主燃烧室内进一步混合燃烧 12。 为了充分利用主燃烧室中的空 气及未燃的燃料，在活塞顶部开设两个圆形凹坑形成主燃烧室，如图 3-5 所示，导流槽对准通道。当活塞在上止点附近时，从涡流室中喷出的高温燃气，空气及未燃的燃料，经导流槽分成两股，在凹坑中形成两个强烈旋涡，随着活塞下行，两个旋涡越出凹坑，扩展到整个主燃烧室，从而加强了主燃烧室的混合和燃烧。由于本柴油机转速较高，为了适应高速，主燃烧室的导流槽设计成直槽形。具体参数为： 导流槽宽度 a=16.75 ，导流槽深度1H=2.5 ,凹坑深度2H=2.5 ，凹坑半径 R=17 ，联接处半径 r=3 ，偏心距 C=10 ，圆心距 L=30 ，1L=50 。 图 3-5 活塞顶 （ 5） 油束与空气涡流的配合 涡流室发动机的喷油方向对性能影响很大，随着喷油方向从逆气流变到顺气流喷射，比油耗和烟色都显著地得到改善。当顺流喷射时，燃油被吹象壁面，部分燃油呈壁 面分布，油雾中的细小油 滴 顺着气流被带到通道口附近，与流入的高温空气相遇，在靠近壁面处着火燃烧。在强烈的涡流作用下，火焰被卷入涡流室中央，而将中心部分的空气压向四周，形成良好的热力混合，而且壁面附近的过浓混合气首先从涡流室中喷出，在主燃烧室进一步混合燃烧，这就消除了涡流室中心混合气过浓的现象，其结果是经济性改善，冒烟减少。 本设计涡流室采用顺气流喷射，为了保证一定的起动性能，喷油方向使油束偏离涡流室中心的距离不应过大，应控制在5mm 以内。 （ 6） 涡流室的锒块 如图 3-6 所示。由于高温高压气体经过通道喷出， 所以涡流室锒块温度较高，能达到 600 C，所以要求锒块材料的热传导率好，热疲劳强度高，弹性模数小，热膨胀系数小。锒块温度高一方面可以造成局部热区，对着火有促进作用；另一方面锒 锒块 块因热负荷高，容易损坏。 图 3-6 锒块 本设计锒块采用材料为 4Cr9Si2,此材料的耐热效果好。 （ 7） 冷起动 在涡流室发动机中，由于流动损失和散热损失较大，所 以起 动困难，一般都采用辅助装置以保证冷起动。车用涡流大连水产学院本科毕业设计 第三章 2110 型柴油机（涡流室）的涡流室设计 10 室柴油机经常使用的是电热塞帮助起动。 如图 3-7 所示。本设计采用的方法是，在轴针式喷油嘴头部钻有辅助小孔，其直径为 0.2mm，发动机起动时，由于发动机转速较低，高压油管中的油压较低，针阀升程很小，燃油主要从侧面小孔逆气流喷入燃烧 室，所以容易起动；起动后，发动机转入正常工作时，针阀完全升起，由于主喷孔截面加大，燃油大部分从主喷孔顺气流方向喷入，辅助喷孔的喷油量大大减少。 1-主喷孔 2-分流孔 图 3-7 喷油嘴 第四章 2110 型柴油机（涡流室）实际循环热计算 4.1 计算 大连水产学院本科毕业设计 第四章 2110 型柴油机（涡流室）实际循环热计算 11 4.1.1 工况的选择： 本计算工况取转速 n=1500 rpm， 12 小时功率 Ne =27.5 PS，此时平均有效压力 Pe=5.2 7kg/cm2 4.1.2 原始参数与已知条件： 缸径 D = 110 mm 行程 S = 150 mm 缸数 I = 2 12 小时功率 Ne = 27.5 PS 转速 n = 1500 rpm 压缩比 = 17 单缸工作容积 Vh = 1.424 L 曲柄半径和连杆长度比 R/L = 0.263 大气状态 Po = 1 kg/cm2 To = 293 K 燃料质量成分 C = 0.86 H = 0.13 O = 0.01 燃料低热值 Hu = 10500 Kcal/Kg 4.1.3 参数选择： 根据相类似柴油机的实验数据和统计资料，结合本柴油机的具体情况可以选定： 过量空气系数 = 1.4 最高燃烧压力 Pz = 65 kg/cm2 热量利用系数 z = 0.70 残余废气系数 = 0.04 排气终点温度 Tr = 800 K 示功图丰满系数 i = 0.94 机械效率 m = 0.80 平均压缩多变指数 n1=1.35 平均膨胀多变指数 n2=1.28 4.1.4 料热化学计算 5： 根据有关公式可以求得下列有关参数。 (1) 理论所需空气量 Lo Lo = 1/0.21(C/12+H/4O/32) = 0.495 kmol/kg 燃料 (4-1) (2) 新鲜空气量 M1 M1 = Lo = 1.40.495 = 0.693 kmol/kg燃料 (4-2) (3) 理论上完全燃烧（ = 1）时的燃烧产物 M0 M0 = C/12+H/2+0.79 Lo = 0.5277kmol/kg 燃料 (4-3) (4) 当 = 1.4 时的多余空气量为： （ 1） Lo = 0.198 kmol/kg (4-4) (5) 燃烧产物总量 M2 M2 = M0+（ 1） Lo = 0.7257 kmol/kg (4-5) 大连水产学院本科毕业设计 第四章 2110 型柴油机（涡流室）实际循环热计算 12 (6) 理论分子变更系数 0 0 = M1/ M2 = 1.047 (4-6) (7) 实际分子变更系数 = （ 0+） /（ 1+） = 1.045 (4-7) 4.1.5 换气过程参数的计算： （ 1） P = 0.9 Po ，则进气终点压力为 P = 0.9 kg/cm2 (4-8) (2) 取进气加热升温 T = 20 ，则进气终点温度为