中南大学内燃机设计报告

1、课题设计说明书课 题 内燃机课程设计 学 院 能源科学与工程学院 姓 名 郑晓光 学 号 1006130523 专业班级 能动1304班 指导教师 蒋受宝 2016年9月8日内燃机课程设计任务书1、 题目：柴油机活塞组设计二、给定参数：1活塞排量： 2.8L2柴油重量成分：C0.870 , H=0.126 ,O=0.004 3柴油的低位发热值：Hu=42860kJ/kg。三、设计内容1方案选择及总体设计（确定主要性能参数和结构参数）。2工作循环计算（包括最低转速、最大扭矩、最大功率、最高速度工况）与示功图。3热平衡计算与热平衡图。4外特性计算与外特性曲线图。5绘制活塞零件图（A2）。四、设计要

2、求1编写设计计算说明书一份，1.2万字左右（2025页）。2用计算机书写文本，用AutoCAD绘图。3公式要有出处，符号要有说明。目录1方案选择及总体设计11.1柴油机主要参数的确定21.2柴油机的总体布置61.3方案选择结果82热计算92.1柴油机基本过程92.1.1燃料燃烧及成分确定92.1.2周围介质参数和剩余气体102.1.3进气过程112.1.4压缩过程132.1.5燃烧过程142.1.6膨胀过程162.2工作循环参数172.2.1发动机指示指标172.2.2发动机有效指标182.2.3发动机的部分重要参数192.3示工图的绘制202.3.1压缩多变曲线个各点的计算202.4热平衡2

3、23 外特性计算以及曲线的绘制24本章小结264 活塞组的设计265参考资料3440摘要：柴油机是一类广泛应用的活塞机械，现阶段广泛应用于汽车和船舶等的动力装备和发电。本次设计确定了2.7升柴油机各缸的基本排列方式等。同时通过对柴油机的热平衡，功率等的计算确定了柴油机的基本设计参数和耗油率等基本规格参数。关键词：柴油机，热平衡，燃油消耗率，功率一 方案选择及总体设计内燃机总体设计是整个产品开发工作的第一阶段，按照工作次序可分为：产品开发的战略决策；产品主要技术经济指标与设计结构参数的论证和选择；方案计算和总体设计图的绘制等几个阶段。总体设计的水平和决策的正确与否，对产品的水平和市场竞争能力将产

4、生决定性的影响。产品总体设计时要选择和确定内燃机的主要设计参数，完成各项主要工作系统如供油、燃烧、进排气系统的构思，绘制活塞组的方案和整体纵横剖面图，不同缸数及典型配套机型的外形布置图，编制总体设计说明书。与汽油机相比，柴油机有如下优势：一、柴油机压缩比高，燃料燃烧完全，所以柴油机的有效热效率好，经济性好；二、柴油机无点火系，所以故障少些，易保养；三、有害气体的排放优于汽油机。但缺点是体积大，噪声大，部分零件加工困难。在能源紧张、油价高涨的当下，开发一款新的柴油机是顺应时代发展的，所以初步选定设计柴油机。通过对不同方案的优缺点进行比较，确定所设计的柴油机的冲程数、汽缸数，气缸排列方式、发火次序

5、，压缩比及增压形式、燃烧室形状、燃油喷射系统，设定额定转速、曲柄半径与连杆长度比、缸径、行程。并由此得到活塞平均速度、缸心距。再对发动机的这个布置进行总体设计，包括凸轮轴，水泵，机油泵，齿轮传动机构，进气管的布置等。1.1 柴油机主要参数的确定（1）冲程数的选择目前柴油机以四冲程为主，四冲程柴油机与二冲程柴油机相比，主要有以下优缺点：二冲程柴油机的热负荷较高，特别是活塞组的热负荷较高（活塞顶的平均温度比四冲程柴油机高约50-60），而且气缸内压力总是大于一个大气压，使活塞环在换槽中活动性较少，积碳不易排除，容易使活塞环失去工作能力；由于在轴承上的负荷是单方向的，这对润滑不利。以上缺陷使得二冲程

6、柴油机的可靠性与使用寿命不如四冲程柴油机。换气质量较差，使燃烧条件变差，同时带动换气泵也需要消耗一部分功率，因此燃油经济性比较差。二冲程柴油机热负荷较高，因而对机油质量要求也较高；由于机油容易串入扫气孔和排气孔边缘，随气流进入气缸燃烧或从进气管派出，因此，机油的消耗率较大。高压泵和喷油嘴的工作较繁重，寿命较短。此外，二冲程柴油机的噪声、排放污染等都比四冲程柴油机严重。燃油消耗率高，使用寿命较短，升功率也低于四冲程柴油机。综合以上优缺点，本次设计选择目前市场占有率较高的四冲程的设计方式,即=4 。（2）气缸数和布置方式的选择汽车发动机常用缸数有2、3、4、6、8、12缸等。排量1升以下的发动机常

7、用三缸，12.5升一般为四缸发动机，3升左右的发动机一般为6缸，4升左右为8缸，5.5升以上用12缸发动机。一般来说，在同等缸径下，缸数越多，排量越大，功率越高；在同等排量下，缸数越多，缸径越小，转速可以提高，从而获得较大的提升功率，而且多缸发动机比较紧凑轻巧，往复质量平衡性较好，转矩均匀性得到改善，使多缸发动机运转平顺，而且启动容易，加速响应特性好。由于每增加一个汽缸，相应地就要增加气门数量，加长曲轴，增加曲轴上的平衡载荷，增加点火和喷油硬件，这些东西的增加都增加了发动机的复杂程度，直接的结果就是设计难度提高，制造成本提高，甚至连发动机控制软件也要相应地变得更加复杂。但是在发动机用途和性能一

8、般都是设计阶段最早确定下来的参数，在冲程和缸径都有一定限制的情况下要增加排气量得到大马力只有靠增加汽缸数量来实现了。经综合考虑，本次设计采用4缸。对于多缸发动机，气缸的排列形状决定了发动机的外形结构，对于发动机气缸体的刚度和强度也有影响，并关系到汽车的总体布置情况。汽车发动机气缸排列基本上有以下三种形式：一、单列式（直列式）；二、双列式（V形发动机）；三、对置式发动机。直列式多缸发动机结构简单、加工容易，但发动机长度和高度较大，一般6缸以下的发动机多采用直列式；与直列式发动机相比，V形发动机缩短了机体的长度和高度，增加了刚度，减轻了发动机重量；但形状复杂，加工困难，一般多用于缸数多的大功率发动

9、机；与前面两种相比，对置式发动机高度小，总体布置方便，但结构较为复杂。经过以上方案综合比较，最终决定设计中采用4缸直列式布置的发动机。（3）压缩比压缩比是发动机的重要参数之一，直接影响柴油机的性能、机械负荷、启动性能以及主要零件的结构尺寸。在一定范围内，汽油机的热效率随压缩比的增加而提高，增大压缩比也可使柴油机的启动性能活得改善。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。压缩比是另一个影响燃烧相位较大的因素，改变压缩比可以改变混合气体的密度和压力，从而对其自燃温度产生影响。改变压缩比的主要方法是调整调整燃烧室容积、工作容积和改变配气相位。在利用可变压缩

10、比控制HCCI（均质充量压缩着火）方面，Lund技术学院实验结果表明，压缩比对燃烧效率的影响很大，压缩比增加则热效率增加，而燃烧效率减小，导致热效率增加量的减少，研究还发现，高压缩比可替代进气预热。当压缩比高达17：1时，绝对有效率上升，NOX排放下降，但是因为反应时间缩短，CO排放增加。随着压缩比提高，稳定HCCI燃烧所需的热EGR率降低，因此用冷却EGR配合高压缩比可以控制燃烧速度，从而扩大HCCI运转工况范围ii,选择最佳压缩比应综合分析燃烧室的形式、热效率、启动性能和机械负荷等各方面的影响。本设计取压缩比值为16，并使用涡轮增压中冷。（4）发动机额定转速转速对柴油机性能和结构影响很大，

11、且其范围十分宽广2000-5000rpm。各种类型柴油机的使用转速范围亦不同。转速提高可使柴油机体积小、重量轻和功率大。但转速提高后，摩擦功率和噪声急剧增加，运动件惯性力大，给燃烧过程的组织增加困难，从而影响柴油机的经济性、可靠性和使用寿命iii。目前车用汽油机的转速达到5000-6000，而车用柴油机的转速为2000-5000rpm。本设计选用的柴油机的额定转速为3000rpm。（5）行程S及其与缸径D的比值行程S及其与缸径D的比值S/D是对柴油机结构和性能有重大影响的参数。合理的选择S/D应考虑以下因素：用较小的S/D，可减小柴油机的高度、宽度和重量。S/D减小时，柴油机的转速可增加，提高

12、了柴油机的升功率，但增加了运动件的惯性力和柴油机的噪声。S/D比值过小，特别是对直喷式燃烧室的柴油机，为保持一定的压缩比以及燃烧室容积与压缩容积比值，必将使活塞与气缸盖的间隙更小，这就增加制造上的困难。如间隙不能保证，发动机将难以达到各项性能指标i。一般汽车用型柴油机大多选用较小的S/D值，直列式采用较大的S/D值；即使柴油机型号相同时，行程比也有长短，以满足不同用途的需要。目前，车用汽油机的S/D值多数在0.7-1.2之间，而现阶段车用柴油机的S/D值多数在0.75-1.2之间iii。本次设计初步选取行程缸径比S/D1.1。（6）气缸中心距及其与缸径的比值气缸中心距及其与缸径的比值，是表征柴

13、油机长度的紧凑性和重量指标的重要参数，它与柴油机的强化程度、气缸排列和机体的刚度有关。从增加机体刚度着眼，目前高速柴油机缸心距有逐渐减小的趋势。直列式小型高速柴油机的L0/D ,其值一般在1.161.22之间，最小可取1.14，推荐取1.20，故本设计初步取L0/D=1.20。（7）缸径和行程由排量2.8L，而本设计气缸数为4，可知每缸工作容积Vs0.7L；而由S/D1.1得S1.1D。由可计算得D93.23mm，S102.55mm，修正计算后取整得D95mm，S104mm。（8）活塞平均速度活塞平均速度Cm是表征柴油机高速性和强化程度的一项主要指标，对柴油机总体设计和主要零件结构形式影响很大

14、。在功率给定以后，若平均有效压力、活塞行程和缸数维持不变，提高活塞平均速度可使气缸直径减小，柴油机体积减小、重量轻iv。在活塞行程确定之后，活塞平均速度可由公式求得，设计活塞平均速度vm10.4m/s。提高活塞平均速度受到下列因素的限制：提高活塞平均速度后，使运动件的惯性力增大，同时活塞、缸套和汽缸盖的热负荷也相应增加。提高活塞平均速度使柴油机零件的磨损加快，缩短了柴油机的大修期。活塞平均速度的提高，使摩擦功率迅速增加，机械效率降低，燃油消耗率升高。进、排气阻力随活塞平均速度的提高而增加，使充气效率降低。随着活塞平均速度的提高，柴油机的平衡、振动和噪声等问题突出。（9）曲柄半径与连杆长度比曲柄

15、半径与连杆长度比，即,是一项确定连杆长度的重要参数，行程S确定后，选择值主要考虑一下因素：选择较大的值，使连杆短、重量轻，往复和离心质量小，有利于柴油机高速化，并可降低直列式柴油机的高度，减轻了柴油机的重量。较大的值，虽缩短了连杆长度，但增加连杆摆角和活塞侧压力，对缸套磨损不利。在选择连杆长度时，要保证在上止点时不与曲轴平衡块相碰，活塞在上止点时曲柄不与缸套相碰iii。小型高速柴油机值较高，一般为0.20-0.33，以适应高速比的需求i。本设计初步取用的值为0.30。由活塞行程S可知曲柄半径可知连杆长度（10）发火次序的选择柴油机的发火次序与柴油机运转的均匀性、主轴承和连杆轴承的负荷、轴系的扭

16、振性能有密切关系。选择发火次序时，主要考虑以下因素：使连续做功的两缸尽可能远，以减轻主轴承的的载荷，同时避免进气行程中可能发生的抢气现象。做功间隔应力求均匀，也就是说，在发动机完成一个工作循环的曲轴转角内，每个气缸都都应发火做功一次，而且各缸的间隔时间应力求均匀。本设计选择的发火次序为：1-3-4-2。（11）燃油系统和燃油室的选择燃烧室的选型不仅关系到整机的性能指标，而且在很大程度也决定了汽缸盖和活塞顶的结构。燃烧室选型的主要依据是缸径、转速及使用要求，并充分考虑当前的制造和使用维护水平。不同的燃烧室适用不同的缸径和转速，只有在它的适用范围内，其优点才能充分发挥出来。直喷式柴油机具有节约燃油

17、的突出特点，所以直喷式燃油室在高速柴油机上应用日益广泛，并逐渐向小排量的方向发展。本设计用高压共轨直喷式有涡流的深坑型燃烧室。1.2柴油机的总体布置（1）柴油机总体布置的一般要求：布置紧凑，外形尺寸小，外观整齐，外接管路尽量较小。经常需要保养的零件，如机油、燃油、空气的滤清器，以及常用的机油加油口、放水阀和机油油尺等。对经常检查调整的气门间隙和喷油提前角等有关零部件应考虑到调整和拆装方便。应满足用户对柴油机配套所提出的各项合理要求。各种用途汽油机的总体布置，首先应满足主要用途的配套要求，还要考虑到变形机型的有关问题。具有良好的加工和装配工艺性。柴油机起吊、存放和安装方便。（2）柴油机的总体布置

18、：凸轮轴的布置直列式柴油机凸轮轴的横向位置，在不与曲柄连杆机构相碰的条件下，应尽可能的靠近气缸中心线，以求得柴油机的最小宽度。本设计采用双顶置式布置方式，凸轮轴在汽缸盖上部，直接驱动气门，其配气结构质量最小，适用于高速柴油机。喷油泵的布置本设计采用一只整体泵，布置在柴油机的侧面，喷油器和喷油泵布置在同侧，且布置在靠人行道一边，缩短高压油管的长度，也便于保养。齿轮传动机构的布置由于传动齿轮布置在自由端的优点是曲轴前轴直径小，齿轮尺寸也较小，拆装方便，便于维护保养，多用于中小功率柴油机。故本设计采用此种布置方式。机油泵的位置机油泵的布置与其传动方式、机油管路布置以及柴油机的用途有关。本设计中机油泵

19、布置在主轴承盖上，由主动齿轮通过惰性齿轮传动，这种布置的优点是机油泵无需油封结构，轴承润滑条件好，机油泵安装位置低，柴油机启动后，瞬时既能吸上机油。水泵的位置本设计采用离心式水泵。为避免水漏入机体导致机油变质，在水泵体上设有旁泻孔，露出封水圈的水可由旁泻孔排出，以便及时发现漏水并加以检修。通常将水泵布置在柴油机的外部。进排气管的布置本设计中将直列式柴油机的进排气管分别布置在柴油机的两侧，有利于汽缸盖进排气道的设计，进排气管拆装也方便。1.3方案选择结果技术参数选择结果技术参数选择结果冲程数4活塞平均速度C/ms-110.4汽缸数i4曲柄半径与连杆长度比0.3额定转速nN/rpm3000连杆长度

20、l/mm173行程缸径比S/D1.1气缸中心距与缸径比1.20汽缸直径D/mm95气缸中心距LO/mm114活塞行程S/mm104发火次序1-3-4-2下面，将进行四个工况的热力计算：（1）低转速（怠速）工况，nmin=800rpm（2）大扭矩工况，Ntqmax=2000rpm（3）额定工况，nN=3000rpm（4）大功率（速度）工况，umax=3500rpm二 热计算热计算将从以下几个方面来进行技术分析：燃料、工质参数、周围介质参数和剩余气体、进气过程、压缩过程、燃烧过程、膨胀过程、工作循环指示参数、发动机有效指标、柴油机示功图的绘制、热平衡、柴油机外特性计算等。2.1柴油机基本过程2.1

21、.1燃料燃烧及成分确定燃料的平均元素成分和分子量：C=0.870，H=0.126，O=0.004燃料低热值：Hu=42860kJ/kg工质参数燃烧1kg柴油燃料，理论上所必须的空气量vi： 过量空气系数是燃烧1kg燃料时，实际空气量L1（或L）与理论必须空气量L0之比。降低值是强化发动机工作过程的有效方法之一。对于给定功率的发动机，减小过量空气系数，则可以减小气缸尺寸。但随着的降低，会引起燃料绕少不完全，恶化了经济性，并增大了发动机的热应力。增压柴油机的过量空气系数取值范围为=1.30-2.2,但是增压柴油机在=1.6-1.8时，在标定工况下没有严重过热现象并能稳定工作vii。对于增压柴油机而

22、言，由于随负荷的增大，排气能量加大，增压转速上升，从而使增压压力变大、进气密度提高，所以在高负荷时，其过量空气系数以及指示热效率变化不大。本设计取额定工况=1.6,怠速工况时=1.38，最大扭矩工况时=1.5，最大功率工况时=1.58。新鲜冲量：理论燃烧物的总产量当=1时，实际燃烧产物总产量：2.1.2周围介质参数和剩余气体在增压发动机工作时，参考本机特点及柴油机一般参考资料，选取参数如下：周围环境压力P0=0.1MPa,周围环境温度T293K周围介质压力：采用中度增压，则P1.7P0.17MPa周围介质温度即压气机空气后温度Tk为：式中，nk为气压计（增压器）中空气的压缩多变指数，根据文献资

23、料，nk取值范围1.4-2.0vii。此外nK1.65则有，TK=361K。残余废气压力Pr残余废气压力取值为：Pr（0.75-0.98）Pk14，曲轴转速高的发动机，Pr取大一些的值。所以本设计额定工况取值为PrN0.96PK0.960.170.163MPa对于其它转速工况： 式中，PrN为额定工况下的残余废气压力，单位为MPa；nN为额定工况下的曲轴转速，3000rpm。带入数据得：AP6.6残余废气温度rTr一般取700-1000K，本设计取额定工况时Tr=800K。后面环节还需进行校核验证，假定的正确性。2.1.3进气过程充气过程中，因为充气受到发动机热零件预热，所以新鲜充量的温度稍有

24、提升，为T。对于增压柴油机而言，T的取值范围是0+10K。这里取额定工况时TN=5K。而其它转速工况， 式中，和nN分别为发动机在额定工况下的工作时的温升和转速。其中 进气的充量密度式中：为进气充量密度，Kg/m3；Rg为气体常数，Rg287J/kgk；其余符号如前所述，代入得进气压损失由努伯利方程求得：现代汽车柴油机在额定工况下，及对于进气系统加工过的内表面，可以取这是根据发动机速度工况和增压柴油机的进气系数不大的流体阻力来选取的。这时，v进气终了压力Pa残余废气系数残余废气系数表征了柴油机汽缸中燃烧产物的排净度。式中，TK为初始温度，为标定速度工况上的温度变化量。为压缩比，为剩余废弃系数。

25、为采用增压时，残余系数值降低v。进气终了温度Ta进气终了温度范围为320400Kiv。充量系数充量系数是表征进气过程特性的最重要参数，它是进气缸的实际新鲜的充量,与气缸内温度和压力周围介质或吸入气缸前的介质温度和压力相等时，气缸工作容积中可能容纳的充量的数量之比，是衡量内燃机充气性能的一个重要指标。不考虑扫气及过后充气的四冲程柴油机充量系数为:式中，新鲜充量温升T，压气机后的空气温度Tk，周围介质压力Pk，进气终了压力Pa，为压缩比vii。充量系数值的大小，主要取决于柴油机的冲程、高速性及系统的完善程度。计算结果：进气过程参数不同工况不同转速n800200030003500残余废气压力Pr/M

26、Pa0.10770.13000.16320.1848进气压力损失Pa/MPa0.00130.00830.01860.0253进气终了压力Pa/MPa0.16870.16170.15140.1447残余废气温度Tr/K580700800850新鲜充量温升T/K6.95.95.04.6残余废气系数0.02640.02770.03310.0373进气终了温度Ta/K373.47375.97380.00383.11充量系数（%）99.7194.8487.3982.492.1.4压缩过程压缩过程的计算，归结为求解压缩过程的平均多变指数n1、压缩终了的参数(PG和TG)（1）压缩绝热指数和多变平均指数以及

27、最终确定压缩终了是工质的比热（）。在柴油机的标定工况工作时，可以取压缩多变指数近似的等于绝热指数。高速增压多变指数在1.35-1.37之间，在本次设计中取（2）压缩终了压力和压缩终了温度压缩终了压力压缩终了温度压缩过程参数不同工况不同转速n800200030003500压缩终了压力PG/Mpa7.42 7.12 6.66 6.37 压缩终了温度TG/K1030.29 1034.32 1045.42 1053.97 2.1.5燃烧过程（1）柴油机理论混合气分子变更系数（2）柴油机实际混合气分子变更系数（3）柴油机工作混合气燃烧的热量其中，为低位发热值。（4）燃烧过程终了温度即式中，为热量利用系数

28、，是一个用以反映实际燃烧过程完善程度、通道节流、高温分解和传热损失程度的一个重要参数。本次设计取0.8。tz为燃烧终了温度，为实际混合气分子变更系数；为压力升高比，本次设计选择1.5。则通过假定tz查的相关数据，带入式子进行计算得到新的tz，反复迭代，直到假设的tz值与新计算的tz值相等，迭代结束。可得：所以（5）柴油机最高燃烧压力式中，为最高燃烧压力。（6）柴油机初期膨胀比燃烧过程参数不同工况不同转速n800200030003500混合气分子变更系数01.04781.04401.04131.0418混合气分子变更系数1.04671.04281.03991.0403混合气燃烧的热量Hp/kJ/

29、kmol52342.752129.151860.551647.8燃烧过程终了温度Tz/k2056.682041.762056.192056.83最高燃烧压力Pz/MPa11.13710.6799.9969.553初期膨胀比1.3931.3721.3641.3532.1.6膨胀过程柴油机过后膨胀比：在标定工况下，考虑到足够大的气缸尺寸可以取膨胀多变指数稍小于膨胀绝热指数。一般经验值：对于柴油机n2=1.221.32。本设计中，取膨胀多变指数n2=1.25。并由此可以得到柴油机膨胀终了温度和压力：取柴油机剩余气体温度进行校核：两者计算误差为：误差在允许范围内。膨胀过程参数不同工况不同转速n8002

30、00030003500膨胀比11.48611.65911.73411.822膨胀终了温度Tb/K1117.1851104.9441110.9761109.239膨胀终了压力Pb/MPa0.5270.4960.4600.436剩余气体温度Tr/K658.27707.34786.31833.31误差/%1.261.041.742.002.2工作循环参数2.2.1发动机指示指标（1）理论平均指示压力式中，为理论平均指示压力。（2）柴油机平均指示压力查资料知，取丰满系数，则（3）柴油机指示效率（4）柴油机指示燃油消耗率发动机指示参数不同工况不同转速n800200030003500理论平均指示压力Pi/

31、MPa1.318 1.230 1.138 1.073 平均指示压力Pi/MPa1.279 1.194 1.104 1.041 指示效率i0.363 0.387 0.415 0.409 指示燃油消耗率gi/g/kwh231.232 216.811 202.420 205.305 2.2.2发动机有效指标（1）机械损失的平均压力 式中：为机械损失平均压力。（2）柴油机平均有效压力和机械效率平均有效压力： 式中：为平均有效压力。机械效率：式中：为机械效率。（3）柴油机有效效率和有效燃烧消耗率有效效率：式中：为有效效率。有效燃油消耗率：式中：为有效燃油消耗率。发动机有效指标不同工况不同转速n80020

32、0030003500平均有效压力Pe/MPa1.0951.0090.9200.857机械效率0.8560.8460.8330.823有效效率0.3110.3280.3460.337有效燃油消耗率ge/g/kwh270.161256.397242.964249.4742.2.3发动机的部分重要参数（1） 活塞面积（2） 活塞平均速度（3） 有效功率（4） 扭矩（5） 耗油量（6） 发动机的升功率2.3示工图的绘制内燃机的示工图可以利用工作过程的计算数据来绘制。选取活塞行程比例尺;选取压力比例尺。示工图上相当于气缸工作容积的长度为：示工图上相当于燃烧室容积的长度为：压缩和膨胀多变曲线可以用分析法来

33、绘制，对布置在之间的中间容积各点的计算按多变曲线方程进行。（1）示工图最大高度和按纵坐标轴线z点的位置2.3.1压缩多变曲线个各点的计算压缩多变曲线各点计算公式式中：为压缩多变曲线各点压力，MPa；为压缩多变曲线各点容积，；其中与的比值范围为116。2.3.2膨胀多变曲线各点计算式中：为膨胀多变曲线各点压力，MPa;为膨胀多变曲线各点容积，mm3;在116之间变化。压缩多变曲线各点N0点计算点横坐标Va/VxVa/Vxn1PxPx/Mp15.9331251644.017338186.6629044883.28630626.3286666671540.305523726.10104712576.

34、2630890636.7807142861436.682993495.55270472469.4088090547.3023076921333.153751345.01848334162.7310417657.9108333331229.722299144.49906442156.2383052668.631126.393744923.99522116949.9402646179.4931023.17394653.50784028243.84800352810.54777778920.069706683.03795150137.97439376911.86625817.089046532.58

35、676897332.334612161013.56142857714.241601342946889941115.82166667611.539220091.74669174521.833646811218.98658.9969240841.36186439917.023304981323.732546.6345563671.00427279712.553409961431.6433333334.479922620.6781258878.4765735881547.46522.5757632590.3898932854.8736660561694.93110.1513

36、71.892125膨胀多变曲线各点N0点计算点横坐标Va/VxVa/Vxn2PxPx/Mp18.094711.7274367821.7022069.994365124.929628.631120.032763169.225548187115.319352339.4931017.78279418.189385687102.3673211410.54777778915.58845727773553883511.86625813.454342646.19603423777.45042797613.56142857711.386035935.24353142565.54414

37、282715.8216666769.390507484.32454467654.05680846818.98657.4767439063.44321253443.04015667923.732545.6568542492.6051114932.563893621031.6433333333.9482220391.81824705822.728088231147.46522.378414231.09531445613.691430711294.93110.4605235.75653752.4热平衡（1）加入柴油机的燃料总热量（2）柴油机单位时间内有效功相当的热量：（3）柴油机给冷却介质的热量：四

38、冲程发动机的C，m，取C=0.5，m=0.65，D=85mm，则可以得到：（4）废气带走的热量：在=1.6，时，查文献运用插值法得到：在=1.6，时，用插值法查文献得到：所以，废气带走的总热量为：（5）其他热损失对发动机热平衡进行分析，并计算出各部分热量占输入燃料的总热量的百分比，有助于设计师有针对性的降低热消耗，从而提高发动机的整体热效率。热平衡组成表热平衡组成)百分比/%有效功当量的热量6216325.83传给冷却介质的热量53442.622.21废气带走的热量7867632.69其他的热损失热量46338.419.27发动机燃料总热量240650.97100三 外特性计算以及曲线的绘制在

39、绘制新设计的发动机外特性时，常常利用热计算的结果，而所进行的热计算是针对着发动机满负荷工作的一些规范。但是这个速度特性的计算方法只有按发动机在部分速度工况下工作的一系列参数，在具有足够完整实验数据得情况下，才能得出可靠结果。按发动机工作的一个工况最大功率工况进行热计算的结果和利用经验关系的曲线，可以绘制发动机外特性并具有足够的精确性。进行外特性曲线的绘制，以柴油发动机的不同转速取各个工况点，变化范围(r/min)到。最高曲轴转速受限于：工作过程质量历程的条件、零件的热应力以及惯性力的容许值等，最低的在满负荷时由发动机稳定工作条件确定。（1）有效功率曲线的计算点经过5004000r/min按以下

40、经验关系式来确定：nx5001000150020002500300035004000Nex11.799525.325738.851950.651358.99762.16358.42346.0467（2）有效扭矩曲线的点按以下公式确定nx5001000150020002500300035004000Mex225.4674241.965247.4642241.965225.4674197.9713159.4769109.9841（3）燃料有效油耗率按以下公式确定（3-52）nx5001000150020002500300035004000gex250.7213222.261207.3533205.

41、998218.1953243.945283.2473336.102比较所得数据和按热计算的结果绘制的曲线的基础上，可以得到以下结论：(1)发动机扭矩随着转速的提高而逐渐降低，但是降低幅度小;由于设定值的一些误差，在转速达到2000rpm时没达到最大值，一直随着转速的提高而逐渐降低:在发动机的整个转速范围内扭矩变化平衡，具有良好的操控性能。(2)发动机功率随着转速的提高而逐渐增大，在转速达到额定转速3000rpm时达到额定功率;(3)油耗率的变化规律大致为:随着转速的提高先降低后升高，高效经济工作区宽，在1500-3000rpm工作区内有较经济的油耗，转速为2200rpm时油耗率达到最低为210

42、.8769g/kWh。(4)每小时的耗油量基本上和转速成正比。2.6本章小结由上述不同工况的热力计算和热平衡计算，以标定工况来综述得到的计算结果，热力计算通过，对进气过程，压缩过程，膨胀过程，在设定一些参数如：各工况转速，过量空气系数，残余废气温度的情况下，根据一系列参考公式进行理论计算，得到了重要的工作循环参数指标。在标定工况下，柴油机参数指示：平均指示压力1.104MPa,指示效率41.5%，有效指标：平均有效压力0.920Mpa，有效燃油消耗率242.964g/kwh,机械效率83.3%，柴油机最高燃烧压力Pz=9.996MPa,活塞平均速度10.4m/s，耗油量15.65kg/h.发动

43、机升功率Nn=23kW/L.四 活塞主要尺寸设计 活塞的主要结构尺寸如下图，可根据同类型发动机或统计数据选取。（1）活塞高度H应在保证结构布置合理和所需的承压面积条件下尽量选择较小的活塞高度。转速越高，H应越小，以尽量减轻活塞重量，从而控制由于转速升高而引起的惯性力增大。中小型高速H/D一般范围0.95-1.05，取1.0，则（2）压缩高度H1压缩高度H1决定活塞销的位置，在保证气环良好工作的条件下，宜缩短，以力求降低整机的高度尺寸。查资料得：H1=（0.6-0.8）取,所以（3）顶岸高度h1查资料得：h1/D=0.140.2取h1/D=0.15,所以（4）活塞环数目及排列活塞环数目及排列近代

44、中高速柴油机采用四道环，同时还须从活塞及活塞环的结构上采取措施，以确保良好的密封性能和防窜油性能。采用3道气环，1道油环。排列方式为从活力岸往下是依次排列气环，接下来是油环。（5）环槽尺寸h1)活塞环槽的高度h第一道气环槽高度h1= 2.4mm第二道气环槽高度h2=2.4 mm第三道气环槽高度h3=2.4mm油环槽高度h4=4.3 mmh=h1+h2+h3+h4=11.5mm2) 活塞环的径向厚度 气环径向厚度 t=3.8mm 油环径向厚度 t=3.3mm 3）环槽D气环槽 (mm)油环槽 (mm)式中活塞名义直径活塞环的径向厚度系数，铝活塞 k = 0.006环槽底部的过渡圆角一般为0.20

45、.5mm气环槽油环槽（6）环岸高度c第一环岸（第一道气环下面的环岸）温度较高，承受的气体压力最大，又容易受环的冲击而断裂，所以第一环岸高度c1一般比其余环岸高度要大一些。查资料得：取第一环岸c1/D=0.04 ,所以取其余环岸c1(c2)/D=0.02 ，所以 c=c1+c2+c3=7.6mm环带高度h2=h+c=11.5+7.6=19.1mm（7）活塞顶厚度 是根据活塞顶部应力、刚度及散热要求来决定的，小型高速柴油机的铝活塞，如满足顶部有足够的传热截面，则顶部的机械强度一般也是足够的。热应力随活塞顶厚度增加而增大，活塞顶厚度（特别是钢顶）只要厚到能承受燃气压力即。 的一般范围列于表3.3。表

46、3.3 活塞顶厚度类 别b/D备 注铝活塞 小型高速0.07-0.15以0.07-0.12居多 高速大功率0.1-0.2钢顶组合活塞0.02-0.04参阅7-18，采用薄顶可降低热应力铸铁活塞0.06-0.08由表得/D=（0.07-0.15），取/D=0.1，所以（8）裙部高度H2 H2 / D的一般取值范围为：高速柴油机 0.650.88上、下裙应有恰当的比例，上裙长度过小，易产生尖峰负荷，造成活塞拉毛及擦伤。一般的比例如下：取 ，所以 因而，满足条件（9）裙部厚度g铝活塞裙部最小壁厚一般为(0.030.06)D。薄壁裙部对减轻活塞重量有利，但又需要保证裙部有足够的刚性，可以根据需要设置加强筋。（10）活塞销直径d和销座间隔B 由资料得d / D=0.330.4，取0.368，则d=35mm。 ，取0.379 ，则B=36mm。所以得d=35mm ，B=36mm（11）活塞头部设计活塞顶形状主要根据燃烧系统的要求进行设计，本活塞设计选择型燃烧室。铝活塞的头部设计成导热良好的“热流型”，即根据活塞的热流通路，采用大圆弧过渡，以增加从顶部到裙部的传热截面，从而将头部热流迅速传出，使活塞头部的温度的到降低。温度降低的同时有利于消除应力集中，这样即可提高活塞的承载能力。（12）活塞销设计活塞销受燃气压力和活塞组往复惯性力的交变冲击而产生弯