柴油机活塞课程设计

目录
1 柴油机大体参数选定 (1)
1.一、柴油机设计指示 (1)
1.二、柴油机大体结构参数选用 (1)
2 近似热计算 (3)
2.一、燃料燃烧热化学计算 (3)
2.二、换气进程计算 (4)
2.3、紧缩进程计算 (4)
2.4、燃烧进程计算 (5)
2.五、膨胀进程计算 (7)
2.六、示功图绘制 (8)
2.7、柴油机性能指标计算 (9)
、三维建模 (10)
3 动力计算 (12)
3.一、活塞位移、速度、加速度 (12)
3.二、活塞连杆作使劲分析 (13)
3.3、曲柄销载荷和连杆轴承载荷 (15)
参考文献 (17)
附表 (18)
1 柴油机大体参数选定
1.1、柴油机设计指示
设计一台新的四冲程非增压柴油机，必需提出设计指标。

1.1.1、功率Pe
有效功率是柴油机大体性能指标。

Pe 由柴油机的用途选定，任务书已经指定所需柴油机有效功率Pe 。

P e
1.1.2、转速n
转速的选用既要考虑被柴油机驱动的工作机械的需要，也要考虑转速对柴油机自身工作的阻碍。

n=2000r/min
1.1.3、冲程数τ
本设计中的车用柴油机都采纳四冲程，即τ=4. 1.1.4、平均有效压力Pem
平均有效压力Pem 表示每一工作循环中单位气缸工作容积所做的有效功，是柴油机的强化指标之一。

1.1.5、有效燃油消耗率be
这是柴油机最重要的经济性指标。

阻碍柴油机经济性的因素很多，在设计中要认真分析。

四冲程非增压柴油机215[g/(kw·h )]～285[g/(kw·h )]。

1.1.6、靠得住性和寿命
靠得住性和寿命是车用柴油机的大体要求之一，设计时必需提出具体指标，但本课程设计从略。

另外，设计指标还可能包括造价、排污、噪声等方面的因素。

1.2、柴油机大体结构参数选用
由有效功率计算公式：τ
30e n
V i P P s em ⨯⨯⨯=
（1.1）
可知由于Pe 、Pem 、n 、τ已选定，那么柴油机的总排量s V i ⨯也已选定，下一步设计应选定柴油机的大体结构参数：气缸直径d 、活塞行程S 、缸数i 及其它一些参数。

1.2.1、气缸直径d
气缸直径d 的选取阻碍柴油机的尺寸和重量，还阻碍柴油机的机械负荷和热负荷。

任务书规定了车用柴油机的气缸直径d 。

qd=90mm
1.2.2、活塞行程S
增大活塞行程S 使活塞平均速度Vm=S ×n/30提高，机械负荷加大，一样车用柴油机的Vm ≤14米/秒；同时S 也是柴油机大体结构指标S/d 的决定因素，。

估取 s=d 1.2108⨯=mm ,Vm =s /307.2/14/n m s m s ⨯=≤,2
0.6874
s d V S L π==
1.2.3、气缸数i 及气缸排列方式
由于设计任务书已指明d 和S 的值，因此知足功率要求可通过改变气缸数i 实现。

30 2.8e em P i Vs L P n τ⨯⨯=
=⨯, 2.8 4.07s
L
i V =≈，取i=4。

则 2.8V 0.74s L L =
=，2110mm,110/90 1.22/4s V S
S d d
π===≈， /301102000/307.3/14/m V S n m s m s =⨯=⨯=≤ 符合要求 排列方式为直列四缸。

1.2.4、连杆长度L 与曲柄连杆比λ=R/L
连杆长度加大，会使柴油机总高度增加；尽管连杆摆角减小，侧压力减小，但成效不明显；而且连杆重量加大，往复运动质量惯性力加大。

因此尽可能采纳短连杆，一样λ值在1/3～1/5之间。

取L=200mm ，则R 55.0,0.27502S R mm L λ=
===，11
35
λ＞＞，符合要求。

1.2.5、气缸中心距l 0及其与气缸直径之比l 0/d
l 0/d 阻碍柴油机的长度尺寸和重量指标，设计时力求缩小l 0/d 的值。

l 0/d 值的阻碍因素可从曲轴中心线方向的尺寸分派和气缸上部的尺寸分派两方面分析，一样其。

取I 0=136mm ，I 0/d=136/90=1.511, 在1.2~1.6之间。

1.2.6、紧缩比εc
选用紧缩比εc 也确实是选用燃烧室容积。

选用紧缩比时要考虑柴油机的经济性能、工作靠得住性、冷启动性能等。

任务书给定车用柴油机的εc 在18～23。

选取εc =18。

2 近似热计算
柴油机工作进程热计算是对柴油机各工作进程中工质的状态参数、要紧性能指标进行计算，并绘出示功图。

通过热计算能够分析各工作进程的阻碍因素，找出提高动力性和经济性的途径，又为动力计算、结构设计提供数据。

柴油机实际循环热力计算有近似热计算（简单计算法）和模拟热计算（电算法）二种。

本设计要求进行近似热计算。

2.1、燃料燃烧热化学计算
2.1.1、理论空气量L 0
⎪⎭
⎫
⎝⎛-+=
3241221.010O H c g g g L (千摩尔/千克柴油)（2.1）
燃料采纳轻柴油87.0=c g ，126.0=H g ，004.0o =g ，那么L 0=0.4946(kmol/kg)
轻柴油低热值 H u =41860千焦/千克
2.1.2、新鲜空气量M1
0a 1L M ϕ= (千摩尔/千克)（2.2）
其中 a ϕ ——过量空气系数，自选，8.12.1a ～=ϕ 取 1.5a ϕ=，那么M 1=0.7419（kmol/kg ）。

2.1.3、燃烧产物M2
32
4g 12o
H g M M ++
= (千摩尔/千克)（2.3） 那么M2=0.7735(kmol/kg)
2.1.4、理论分子变更系数μ0
1
2
0M M =
μ（2.4） 则0 1.043μ=
2.1.5、实际分子变更系数μ1
r
r
γγμμ++=
101（2.5）
其中，γr ——残余废气系数，自选γr ， 取0.04r γ=，则1 1.041μ=。

、换气进程计算
2.2.1、排气压力（气缸内废气压力）P d
0.3~0.4d P =（Mpa ）
2.2.2、气缸内排气温度（残余废气温度）Tr
T d = 970～1170（K ）取T d =1000K
2.2.3、进气终点压力Pa
095.0~075.0=a P （Mpa ）取P a a
2.2.4、进气终点温度Ta
350~320=a T （K ）取T a =320K
2.2.5、充量系数（充气效率）c ϕ
r
a d d a c c
c T T P P γεεϕ+-=
11
1（2.6）
其中:
9.0~8.0=a
d d a T T P P 之间，0.0901000
0.80360.35320a d d a P T P T ⨯=
=⨯。

9.08.0～=c ϕ， 181
0.80360.818418110.04
c ϕ=
⨯⨯=-+，在0.8~0.9之间。

2.3、紧缩进程计算
2.3.1、平均多变紧缩指数n1
n 14～1.39，取n 1=1.36。

2.3.2、紧缩进程中任意曲轴转角cx ϕ时的压力cx P (画示功图时用)
1
)(
n cx
ca a cx V V P P =（MPa ）
（2.7） 其中：Vca ——进气终点气缸容积。

c c c c
a ca S
d V V εεπ
εε⨯-=-=
1
412（m 3）（2.8） 240.090.1104
187.41010181
ca V π
-⨯⨯=⨯=⨯-m 3
Vcx ——对应于cx ϕ时的气缸容积。

c cx cx cx V R
d V ++
-=
)sin 2
cos 1(422ϕλ
ϕπ
（m 3）（2.9）
式中：R ——曲柄半径，R=S/2(m)； λ——曲柄连杆比，λ=R/L 。

43180.411810s c
c c
V V V m V -+=⇒=⨯ Pcx 及Vcx 见附表3-1
2.3.3、紧缩终点充量的状态参数
压力：
1
n c a cb P P ε=（MPa ）,P cb
温度：
1
1-=n c
a c
b T T ε（K ）,T cb
2.4、燃烧进程计算
2.4.1、热量利用系数ζZ
热量利用系数ζZ 表示燃烧热量被工质吸收多少的程度。

由于不完全燃烧、传热损失、高温分解、节流损失等因素，燃料燃烧所发出的热量中只有一部份被工质吸收。

燃烧终点的热量利用系数ζZ 在此范围内选取：ζZ =0.80～0.88， 选取0.85z ζ=
2.4.2、燃烧最高压力PZ
按结构强度及寿命要求选取，本设计中=Z P 5～9MPa ，自选。

选取7z P MPa = 2.4.3、压力升高比λ'
Z
cb
P P λ'=
（2.10） 本设计中：8.1~4.1='λ，7
1.5264.586
λ'==。

2.4.4、燃烧最高温度Z T
1）工质的平均等容摩尔热容m v C )(μ和平均等压摩尔热容间有如下关系：
313.8)()(+=m v m p C C μμ[kJ /(kmol·
K )]（2.12） 工质的平均等压摩尔热容m
p C )(μ 。

2）燃烧方程
Z m pZ cb m pcb r a z T C T C L H )()]1(313.8)[()
1(10μμλμγϕξμ=-'+++（2.13）
其中：m pcb C )(μ——紧缩终点新鲜空气和残余废气混合气的平均等压摩尔热容，按以下方式进行计算：
313.8)()(+=m vcb m pcb C C μμ r
m
v r m v m vcb C C C γμγμμ+''+'=
1)()()(（2.14）
式中：m v C )('μ——在cb T 温度下，空气的平均等容摩尔热容。

可按=a ϕ∞求出
m p C )('μ，再由：313.8)()(-'='m p m v C C μμ求出。

=905.8K cb T ,m p C )('μ得：()'30.5158.31322.202v c μ=-=
m v C )(''μ——在cb T 温度下，残余废气的平均等容摩尔热容。

可按a ϕ值求出m p C )(''μ，再由：313.8)()(-''=''m v m v C C μμ求出。

a ϕ=1.5，c
b T =905.8K,得：()"33.291p m
c μ=，()"32.2918.31323.978v m c μ=-=。

m pZ C )(μ——在Z T 温度下燃烧产物的平均等压摩尔热容。

()()22.2020.0123.978()==22.270110.04
v m r v m
vcb m r C C C μγμμγ'''++⨯=
++
()()8.313=30.583pcb m vcb m C C μμ=+ 3）燃烧最高温度Z T 的计算
由于m pZ C )(μ与Z T 有关，而Z T 又是待定值，因此采纳试凑法求解，即先假设一个Z T ，由过量空气系数求出m pZ C )(μ，然后代入燃烧方程，反复试算，直到方程两边的值相差在5%之内。

假设Z T =2073K,那么
0[()8.313(1)](1)
z pcb m cb a r H C T L μξμλφγ'++-+
()40.8541860
=
30.5838.313 1.5261905.8=7.778101.50.4946 1.04
⨯++⨯-⨯⨯⎡⎤⎣⎦⨯⨯
41()=1.041207335.925=7.75310pZ m Z C T μμ⨯⨯⨯
444
7.778107.75310a 0.32%5%7.77810⨯-⨯==<⨯,符合要求。

2.4.5、燃烧终点的体积Z V 和初期膨胀比ρ 初期膨胀比： 1'Z
cb
T T μρλ=
（2.15） 燃烧终点容积： c Z V V ρ=（2.16）
一样：7.1~1.1=ρ。

1.0412073
1.5611.526905.8
ρ=
⨯=，在1.1~1.7之间。

440.411810 1.5610.642810z V --=⨯⨯=⨯m 3
2.5、膨胀进程计算
2.5.1、平均多变膨胀指数
30.1~25.12=n 取n 2
2.5.2、膨胀进程中任意曲轴转角bx ϕ时的气体压力bx P （供画示功图时用）
n V V P P bx
Z Z bx 2
)(
=(2.17) bx V 的计算方式与紧缩进程中的cx V 类似.
2.5.3、后期膨胀比δ
ρ
εδc
Z b V V =
=
(2.18) 18
=
=11.531.561
δ 2.5.4、膨胀进程终点状态参数
压力：n P P Z b 2
δ=
, 1.28
7
P 0.306211.53b ==MPa
温度：12
-=
n T T Z b δ, 1.2812073
104511.53b T K -== 2.6、示功图绘制
2.6.1、理论示功图绘制
依照各进程计算结果能够绘制出柴油机实际循环的理论示功图，其中，燃烧进程按等容——等压进程绘制。

理论示功图的理论循环指示功1
L '按下式计算： s c c c a V n n n n n P L ⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣⎡-----'+-'-='--)11(11)11(1)1(111121121εδρλρλεε(2.19) 1.36'
1.281 1.3610.09018 1.526 1.561111L 1.526(1.5611)110.7181 1.28111.53 1.36118i --⨯⨯⎡⎤⎛⎫⎛⎫=⨯⨯-+---⨯ ⎪ ⎪⎢⎥---⎝⎭⎝⎭⎣
⎦ 0.6186=
按示功图上纵横坐标比例：压力值/格，容积值/格，能够算出1L '对应的方格数o S 。

2.6.2、实际施工图绘制
理论示功图没有考虑以下因素的阻碍，因此必需进行修正取得实际的示功图： 1）没有考虑进排气进程。

尽管泵气损失并入机械损失，不计入指示功，但为了示功图完整，依照进气终点压力a P 和排气压力r P 近似画出进排气进程线。

2）点火提早，喷油提早的阻碍：压力急剧升高应该从上止点前就开始。

3）燃烧规律的阻碍：燃烧进程压力线应持续、圆滑，燃烧最高压力应出此刻上止点后10°左右。

4）排气阀提早开启的阻碍：在下止点前压力就开始下降，即压力线圆滑过渡到排气线。

整个进程的换气也应修圆。

取进气提早角 30° 进气迟闭角 40° 喷油提早角 16° 着火掉队期 8° 排气提早角 50° 排气迟闭角 20°
修圆后实际示功图的循环指示功比理论示功图小。

计算因修圆而减少的方格数1S ，即可求出示功图的饱满系数f ϕ。

1
0S S S f -=
ϕ(2.20) 一样，99.0~92.0=f ϕ。

S 0=156，S 1=6，f 1566
0.96156
ϕ-=
=，在0.92~之间。

2.6.3、ϕ-P 示功图的绘制
由V P -示功图转换成ϕ-P 示功图。

1）计算法转换：关于任意曲轴转角ϕ，有气缸容积V
c V R
d V ++
-⨯=
]sin 2
)cos 1[(4
22
ϕλ
ϕπ(2.21)
2）作图法转换：按以下图所示方式进行转换。

图中：偏移量2
1R 24
d V πλ∆=⨯⨯
33241 3.14
0.27505510(9010)0.48091024
V ---=
⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⨯m 3
画出的ϕ-P 图应圆滑，压力升高率ϕd dP -不该过大，不然从头修圆示功图，再转换成ϕ-P 图。

2.6.4、气体压力列表
按曲轴转角5°距离，列出气体压力g P 随曲轴转角ϕ的转变表格，可归并在动力计算中列出。

见附表2。

2.7、柴油机性能指标计算
2.7.1、平均指示压力im P
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣⎡-----+-'-='=--)11(11)11(1)1(11112121n n n n n P V L P c c c a f s i f im εδλρρλεεϕϕ(2.22)
P im =0.8484MPa 。

2.7.2、指示功i P 、指示热效率i η和指示耗油率i b
τ
30n
i V P P s im i ⋅⋅⋅=
（kW ）；P i =39.59Kw ；
c
d u im d a i P H P
T L ϕϕη0313.8=；0.4364i η=；
u
i i H b ⨯⨯=
η3
103600[g /(kW·h )]；b i =197.07[g/(Kw.h)]; 2.7.3、机械效率m η
m η的选取是热计算的关键。

四冲程非增压柴油机的85.0~78.0=m η之间，计算中
不要偏离太远。

2.7.4、有效功率e P 、有效热效率e η、平均有效压力em P 及有效油耗率e b
取m η=0.78；
=30.88e i m P P η=⨯Kw 30.8829.4
a 100% 4.79%5%30.88
-=
⨯=<
=0.6617em im m
P P η=⨯Kw 0.66180.63100% 4.79%5%0.6618
a -=⨯=< =0.3464e i m ηηη=⨯
=252.65e i m b b η=[g/(Kw.h)] 在215~285之间
2.8、 三维建模
活塞建模简略进程
2.、活塞整体建模
图2-1活塞整体建模
2.、活塞销座建模
图2-2活塞销座建模2.、活塞裙部的建模
图2-3活塞裙部的建模
3 动力计算
课程设计中进行动力计算的目的：把握柴油机动力计算的方式；确信有关零件的运动、受力情形和轴承载荷情形。

要求按曲轴5°距离计算，由计算结果画曲线图。

注意：一概以力的实际值计算，不要用单位活塞面积作使劲。

、活塞位移、速度、加速度
关于活塞位移、速度和加速度的计算，由于周期性，只计算0～360度即可。

假设采纳手算，用近似公式计算：
()⎥
⎦⎤
⎢⎣⎡+-=ϕλϕ2sin 2cos 1R x
)
2sin 2
(sin ϕλ
ϕω+
=R v
()ϕλϕω2cos cos 2+=R a
其中
30πωn =
，l R =λ，2S
R =
()()⎥
⎦⎤
⎢⎣⎡-+-=βλϕcos 11cos 1R x ββϕω
cos )
sin(+=R v
⎥
⎦⎤
⎢⎣
⎡++=βϕλββϕω322
cos cos cos )cos(R a 其中：)sin arcsin(ϕλβ=。

注意：4/1>λ加速度曲线应有四个极值点。

见附表3
图3-1位移曲线
图3-2 速度曲线
图3-3加速度曲线
、活塞连杆作使劲分析
.1、计算公式 ①大体作使劲 气体力 ()
4)2
d P P P g g πϕ'-=(3.1)
其中 ：
ϕ
P 取自然计算结果，即修正后的实际缸内压力值，也确实是ϕ-P 图中的
压力值，每一个5度曲轴转角取一个。

g P '
为曲轴箱内的气体压力，近似取100千帕
运动零件惯性力
活塞组换算质量： 实际质量
p
m =Kg
连杆组换算质量： 按两质量系统考虑 m c =Kg ，l b = 小头换算质量：
c b
ca m l l m =
，m c =
大头换算质量：c
a
cb m l l m =，m cb =
ca m 和cb m 在零部件设计进程中已经求出。

往复运动惯性力 ： a
m m a m P ca p j j )(+-=-=(3.2) a 是活塞运动的加速度。

连杆大头离心惯性力 2
ωR m P cb rc =
②连杆作使劲 设
a
m m P P P P ca p g j g )(+-=+= 那么有：
连杆小头气缸中心线方向作使劲
a
m P p g -
垂直气缸中心线方向（侧压力） βtg P P N ⋅=，其中)sin arcsin(ϕλβ=
连杆大头曲柄旋转方向（切向力）
ββϕcos )
sin(+=P
T
曲柄法向（法向力）
2
cos )
cos(ωββϕR m K P P
Z cb rc -=-+=(3.3) 适应上令： ββϕcos )
cos(+=P
K (3.4)
依照计算结果画出
j
P 、N P 、T 、K 随ϕ的转变曲线。

图3-4
j
P 、
N P 、T 、K 随ϕ的转变曲线
、曲柄销载荷和连杆轴承载荷
、曲柄销载荷
曲柄销上作用有切向力T 和法向力Z ，rc P K Z -=，由作图法画出曲柄销载荷图。

注意：作图时用T 、K 直接画出曲线图，并标出rc P ，同时必需在曲线上画出曲柄形状及转向，标出曲轴转角，最大作使劲及示意的表示出力的作用点等。

另外，T 、K 、Prc 的作图比例必需相同，不然无法正确表示作使劲方向。

如下图所示。

图3-4曲柄销载荷
3.3.2、连杆轴承载荷 用坐标变换法计算：
)cos()sin(βϕβϕ+++='Z T Z (3.5)
)sin()cos(βϕβϕ+-+='Z T T (3.6)
列表计算如下：
ϕ
β
)sin(βϕ+ )cos(βϕ+
T Z T ′ Z ′
见附表4-3
依照计算结果画出连杆轴承载荷图，参见以下图的载荷形状示用意。

一样要求在图上画出连杆外形，标出曲轴转角，曲柄转向及力作用点的位置。

图3-5连杆轴承载荷
参考文献
[1] 周龙保.内燃机学.2版.北京：机械工业出版社，2005.
[2] 袁兆成.内燃机设计.1版.北京：机械工业出版社，2020.
[3] 吴兆汉.内燃机设计.1版.北京：北京理工大学出版社，1990
[4] 柴油机设计手册编写委员会.柴油机设计手册上册.1版.北京：中国农业机械出版
社，1984.
[5] 许锋，满长忠.内燃机制造工艺教程.1版.大连：大连理工大学出版社，2006
附表
'T'Z。