内燃机课程设计指导书--增压柴油机连杆设计

能源专业综合课程设计指导书

1 目的、要求

一、内燃机课程设计的目的：

1、复习、巩固已学过的内燃机课程，是对内燃机原理、结构设计、动力学和制造工艺等内容学习效果的一次全面考察。

2、通过对一台增压车用柴油机的初步设计，掌握内燃机的热力过程、动力学性能的理论分析和计算方法，熟悉柴油机的结构和设计过程。

3、提高学生的分析、计算和绘图能力。

二、主要内容和时间安排

本设计要求学生对一台四冲程增压车用柴油机进行初步设计，完成一定的计算工作量和绘图工作量。具体任务，见各人的任务书。其主要内容和时间安排如下：

三、基本要求

1、纪律要求：

（1）禁止相互抄袭，一经发现，设计不能通过。

（2）平时占总成绩的30%，包括出勤和答疑。

2、基本业务要求：

（1）仔细阅读内燃机课程设计指导书，按指导书规定的步骤进行设计，按质按量完成任务书规定的内容。

（2）计算过程中选用的参数必须在常用的范围之内，曲轴转角每5°取一个计算点，计算结果保留四位有效数字，且误差应在5%以下。

（3）允许用计算机进行计算，但禁止程序相互转用，并且必须在说明书后附上自编的源程序。

（4）所画图纸必须符合标准，图线、图面整洁美观、配置合理。零件图标注的尺寸、精度、粗糙度、形位公差等完整、正确。装配图的总体尺寸、技术条件、件号标注等齐全。标题栏、明细表按国家规定绘制。汉字采用仿宋体书写，汉字、数字大小相同。

（5）设计说明书要求打印，内容完整、图标清晰，不少于6000字。

2 柴油机基本参数选定

一、柴油机设计指示

设计一台新的四冲程增压柴油机，其设计指标如下： 1、功率Pe

有效功率是柴油机的基本性能指标。Pe 柴油机的用途选定，任务书已经指定了所设计的柴油机的有效功率Pe 。 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影响。一般车用柴油机转速为2000r/min ～4000r/min ，一般不超过5000 r/min ，任务书已经指定了所设计的柴油机的转速。 3、冲程数τ

本设计中的车用柴油机都采用四冲程，即τ=4 4、平均有效压力Pme

平均有效压力Pme 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1所示。

5、有效燃油消耗率be

这是柴油机最重要的经济性指标。影响柴油机经济性的因素很多，在设计中要仔细分析。四冲程非增压柴油机195～240[g/(kw·h )]，。 6、可靠性和寿命

可靠性和寿命是车用柴油机的基本要求之一，设计时必须提出具体指标，但本课程设计从略。 此外，设计指标还可能包括造价、排污、噪声等方面的因素。

二、柴油机基本结构参数选用

由有效功率计算公式：τ

30e n

V i P P s em ???=

（1.1）

可知：由于功率Pe 、转速n 、缸径D 、冲程数τ任务书已经给出，根据表1中参考样机的平均有效压力Pme ，选取本设计的平均有效压力（注：可以与参考样机的平均有效压力一样），则根据公式（1.1）即

可算出柴油机的总排量4

14.3i 2S

D V i s ?=?，下一步将选定柴油机的基本结构参数：气缸直径D 、

活塞行程S 、缸数i 及其它一些参数。 1、气缸直径D

气缸直径D 的选取影响柴油机的尺寸和重量，还影响柴油机的机械负荷和热负荷。任务书指定了车用增压柴油机的气缸直径D 。 2、气缸数i 及气缸排列方式

满足功率要求可通过改变气缸数i 实现。车用增压柴油机缸数一般为4缸，6缸或8缸，其中8缸多采用V 型排列方式。V 型夹角γ影响因素很多，它与柴油机的外型尺寸、发火均匀性、平衡性、扭转振动及V 型夹角空间的利用有关，一般车用柴油机的V 型夹角γ为60°、90°和120°选定本设计的汽缸数i 。

3、活塞行程S

行程S 是柴油机基本结构指标行程缸径比S/D 的决定因素，车用增压柴油机的S/D=0.9～1.3，选定本设计的S/D 。根据缸径D 和选定的汽缸数i 及S/D ，求出行程S 。但增大活塞行程S 将使活塞平均速度Vm=S ×n/30提高，机械负荷加大，一般车用增压柴油机的Vm=8~12m/s ；请校核你所设计的柴油机的Vm 值，若Vm 不满足要求，请重新计算行程S 。

4、连杆长度L 与曲柄连杆比λ=R/L ，R 为曲柄半径=S/2。

连杆长度加大，会使柴油机总高度增加；虽然连杆摆角减小，侧压力减小，但效果不明显；而且连杆重量加大，往复运动质量惯性力加大。因而尽量采用短连杆，一般λ值在1/3～1/5之间。选定曲柄连杆比λ，计算连杆长度。采用短连杆后设计中要进行下列检查：

——连杆运动时外形是否与缸套相碰。

——活塞在下止点时，平衡块是否与活塞相碰，活塞在上止点时曲柄是否与气缸套相碰。 5、气缸中心距l 0及其与气缸直径之比l 0/D

l 0/D 影响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 值的影响因素可从曲轴中心线方向的尺寸分配和气缸上部的尺寸分配两方面分析，一般其值为1.16～1.4。选定l 0/D 的值，计算气缸中心距l 0，同时，气缸中心距l 0=主轴径长度+连杆轴颈的长度+两个曲柄臂的厚度，设计曲轴时，注意尺寸要对应。 6、压缩比εc

选用压缩比εc 也就是选用燃烧室容积。选用压缩比时要考虑柴油机的经济性能、工作可靠性、冷启动性能等。车用增压柴油机的εc 在14～20。请自行选定，并说明压缩比对柴油机工作的影响。

3 近似热计算

柴油机工作过程热计算是对柴油机各工作过程中工质的状态参数、主要性能指标进行计算，并绘出示功图。通过热计算可以分析各工作过程的影响因素，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。

请思考：实际循环与理想循环有什么差别？近似热计算做了哪些简化？

一、燃料燃烧热化学计算

1、理论空气量L 0

??

?

??-+=

3241221.010O H c g g g L (千摩尔/千克柴油)

燃料采用轻柴油87.0=c g ，126.0=H g ，004.0o =g 轻柴油低热值 H u =41860千焦/千克 2、新鲜空气量M 1

0a 1L M ?= (千摩尔/千克)

其中 a ? ——过量空气系数，自选， 2.2～7.1a =?

请思考：过量空气系数a ?对柴油机的性能有哪些影响？ 3、燃烧产物M 2

32

4g 12o

H g M M ++

= (千摩尔/千克) 4、理论分子变更系数μ0

1

2

0M M =

μ 5、实际分子变更系数μ1

r

r

γγμμ++=

101

其中，r γ——残余废气系数，自选r γ=0.00～0.03， 请思考：为什么增压柴油机的r γ较小？

二、换气过程计算

1、排气压力（缸内废气压力）r P

d r P P )95.085.0(-=（Mpa ）

其中：d P 为进气管内的压力，k d P P )99.097.0(-=，k P 为增压压力。 低增压：k P <0.18 Mpa ；

中增压：k P =0.18～0.25（包括0.25）Mpa ； 高增压：k P =0.25～0.35（包括0.35）Mpa ；

自行选定增压压力k P ，一般车用柴油机都为中、低增压。计算r P 。 2、缸内排气温度（残余废气温度）r T

r T = 800～1000（K ）

3、进气终点压力a P

k a P P )98.09.0(-=（Mpa ）

若k P >0.2 Mpa ，取k a P P )0.198.0(-=。 注意：进气终点压力a P 应大于r P ，为什么？ 4、进气终点温度a T

r

r

r d a T T T T γγ++?+=

1（K ）

其中：d T ——进气管温度；

增压压力：25.0≤k P Mpa ，进气管温度d T =325K 增压压力：35.025.0≤

T ?——进气温升，增压柴油机T ?=0～10K 。 5、充量系数（充气效率）c ?

r

a d d a c c

c T T P P γεε?+-=

11

1

其中: 四冲程增压柴油机05.19.0～=c ?，请验证。

请思考：增压柴油机的c ?，为什么可能大于1？c ?表达式中的因素怎么影响充量系数？

三、压缩过程计算

1、平均多变压缩指数n 1

1n =1.35～1.40

2、压缩过程中任意曲轴转角cx ?对应的压力cx P (画示功图时用)

1

)(

n cx

ca a cx V V P P =（MPa ） 其中：V ca ——进气终点气缸容积，即：气缸总容积。

c c c c s ca S D V V εεπ

εε?-=-=1

100)

100(412（L ） V cx ——任意曲轴转角cx ?对应的气缸容积：

c cx cx cx V R D V ++-=

)sin 2

cos 1(100)100(422?λ

?π

（L ） 式中：R ——曲柄半径，R=S/2（mm ）；

λ——曲柄连杆比，λ=R/L ，前面已选定。

c V ——燃烧室容积，1

100)

100(412-=-=c c s

c S D V V επ

ε（L ）

利用Excel 计算，cx ?从0度变到180度，每隔5度取一个值，计算cx V 和cx P 。注：在Excel 里，必须把度换成弧度，再计算。

3、压缩终点充量的状态参数 压力： 1

n c a cb P P ε=（MPa ） 温度：

1

1-=n c

a c

b T T ε（K ）

四、燃烧过程计算

1、热量利用系数z ξ

热量利用系数z ξ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分被工质吸收。

燃烧终点的热量利用系数z ξ在此范围内选取：ζZ =0.85～0.88 2、燃烧最高压力P Z

按结构强度及寿命要求选取，本设计中=Z P 9~14Mpa ，自选。 3、压力升高比λ'

cb

Z

P P =

'λ 本设计中：8.1~4.1='λ，请校核。 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m p C )(μ间有如下关系：

313.8)()(+=m v m p C C μμ[kJ /(kmol·K )]

工质的平均等压摩尔热容m p C )(μ按下列方法计算： （1）查图法：由下图按过量空气系数查出。

a ? T （K ） 1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.2

2.6

3.0

∞

673 32.100 31.736 31.472 31.284 31.112 30.886 30.723 30.601 29.797 873 32.963 32.565 32.272 32.050 31.862 31.577 31.401 31.275 30.413 1073 33.838 33.419 33.063 32.845 32.649 32.364 32.176 32.021 31.037 1273 34.625 34.135 33.854 33.595 33.365 33.034 32.825 32.678 31.606 1473 35.341 34.843 34.466 34.194 33.959 33.645 33.419 33.239 34.121 1673 35.977 35.441 35.077 34.813 34.541 34.198 33.963 33.787 32.586 1873 36.547 35.981 35.567 35.261 35.023 34.667 34.399 34.231 32.988 2073 37.045 36.463 36.082 35.768 35.462 35.094 34.813 34.646 33.344 2273 37.408 36.870 36.467 36.103 35.852 35.454 35.178 34.981 33.658 2）燃烧方程

Z m pZ cb m pcb r a z T C T C L H )()]1(313.8)[()

1(10μμλμγ?ξμ=-'+++

其中：m pcb C )(μ——压缩终点新鲜空气和残余废气混合气的平均等压摩尔热容，按下列方法进行计算：

313.8)()(+=m vcb m pcb C C μμ

r

m v r m v m vcb C C C γμγμμ+''+'=

1)()()(

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

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 ?值求出m p C )(''μ，再由：313.8)()(-''=''m v m

v C C μμ求出。 m pZ C )(μ——在Z T 温度下燃烧产物的平均等压摩尔热容。 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，因而采用试凑法求解，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%以内即可。 5、燃烧终点的体积Z V 和初期膨胀比ρ

初期膨胀比：

cb

Z

T T λμρ'=

1

燃烧终点容积：

c Z V V ρ=

c V ——燃烧室容积，1

100)

100(412-=-=c c s c S D V V επ

ε（L ）

一般：7.1~1.1=ρ，请注意校核。

五、膨胀过程计算

1、平均多变膨胀指数 30.1~15.12=n

2、膨胀过程中任意曲轴转角bx ?时，对应的缸内的气体压力bx P （供画示功图时用）

n V V P P bx

Z Z bx 2

)(

=（MPa ） bx V ——任意曲轴转角cx ?对应的气缸容积的计算方法与压缩过程中的cx V 类似.

c bx bx bx V R D V ++-=

)sin 2

cos 1(100)100(422?λ?π

式中：R ——曲柄半径，R=S/2（mm ）；

λ——曲柄连杆比，λ=R/L ，前面已选定。

c V ——燃烧室容积，1

100)

100(412-=-=c c s c S D V V επ

ε（L ） 利用Excel 计算，bx ?从360度变到540度，每隔5度取一个值，计算bx V 和bx P 。注：在Excel 里，必须把度换成弧度，再计算。 3、后期膨胀比δ

ρ

εδc

Z b V V ==

4、膨胀过程终点状态参数

压力：n P P Z

b 2

δ=

在0.25～0.5Mpa 之间

温度：)1(2

-=

n Z

b T T δ 在800～1200K 之间

六、示功图绘制

1、理论示功图绘制

根据各过程计算结果可以绘制出柴油机实际循环的理论示功图，其中，燃烧过程按等容——等压过程绘制。

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(kJ)

a P 单位MPa ，s V 单位是L

按示功图上纵横坐标比例：压力值/格，容积值/格，可以算出1

L '对应的方格数o S 。 2、实际示功图绘制

理论示功图没有考虑下列因素的影响，因而必须进行修正得到实际的示功图：

1）没有考虑进排气过程。虽然泵气损失并入机械损失，不计入指示功，但为了示功图完整，根据进气终点压力a P 和排气压力r P 近似画出进排气过程线。

2）点火提前，喷油提前的影响：压力急剧升高应该从上止点前10°～15°左右开始。

3）燃烧规律的影响：燃烧过程压力线应连续、圆滑，燃烧最高压力应出现在上止点后10°～15°左右。

4）排气门提前开启的影响：排气提前角为30°～80°，角度自选，在下止点前压力就开始下降，即压力线圆滑过渡到排气线。整个过程的换气也应修圆滑。

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 ，即可求出示功图的丰满系数f ?。

1

0S S S f -=

?

一般，99.0~92.0=f ?，请检查示功图的丰满系数是否在该范围之内，否则重新修圆。 5）进气迟闭角为40°～70°，角度自选，在压缩行程开始之后，由于进气门尚未完全关闭，所以，缸内的实际压力在压缩过程压力线以下。即压力线从压缩行程开始至进气门关闭，缸内的实际压力在压缩过程计算的压力线以下，在修的过程中，保证压力线圆滑过渡到进气门关闭。 3、?-P 示功图的绘制

由V P -示功图转换成?-P 示功图。

1）计算法转换：对于任意曲轴转角?，有气缸容积V

c V R D V

++-=

)sin 2

cos 1(100)100(422?λ

?π

(L) 2）作图法转换：按下图所示方法进行转换。

图中：偏移量4

212

D R V πλ??=?

画出的?-P 图应圆滑，压力升高率?d dP -不应过大，否则重新修圆示功图，再转换成?-P 图。 思考：

4、气体压力列表

按曲轴转角5°间隔，列出气体压力g P 随曲轴转角?的变化表格，可合并在动力计算中列出。

七、柴油机性能指标计算

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 εδρλρλεε??(MPa) 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 ）

气缸工作容积s V 的单位：L ，转速n 的单位：r/min 。

c

d u im

d a i P H P T L ??η0314

.8=

u

i i H b ??=

η3

103600[g /(kW·h )] 3、机械效率m η

m η的选取是热计算的关键。四冲程增压柴油机的92.0~80.0=m η之间。 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

m i e P P η?= m im em P P η?= m i e ηηη?= m i e b b η=

四冲程增压柴油机=e b 195～240[g/(kw·h )]，45.0~4.0=e η，必须校验。计算出的e P 和em P 与任务书给定的e P 和计算开始时假定的em P 的误差不允许超过5%，否则需另选参数重新计算。

请思考：为了提高e η应在哪些方面采取措施？

4 动力计算

课程设计中进行动力计算的目的：掌握柴油机动力计算的方法；确定有关零件的运动、受力情况和轴承载荷情况。要求按曲轴5°间隔计算，由计算结果画曲线图。注意：一律用修正后的压力值进行计算。

一、活塞位移、速度、加速度

对于活塞位移、速度和加速度的计算，由于周期性，只计算0～360度即可。若采用手算，用近似公式计算：

()?

??

???+-=?λ?2sin 2cos 1R x

)

2sin 2

(sin ?λ

?ω+

=R v

()?λ?ω2cos cos 2+=R a

其中

30πωn =

，l R =λ，2S R =

()()?

??

???-+-=βλ?cos 11cos 1R x

ββ?ω

cos )

sin(+=R v

???

???++=β?λββ?ω3

22

cos cos cos )cos(R a

其中：)sin arcsin(?λβ=。注意：4/1>λ加速度曲线应有四个极值点。

二、活塞连杆作用力分析

1、计算公式

①基本作用力

气体力 ()

4

)

2

D P P P g g π?'-=（N ）

其中 ：?P 取修正后的实际缸内压力值（MPa ），也就是?-P 图中的压力值，每隔5度曲轴转角取一个。

g P '为曲轴箱内的气体压力，近似取0.1 MPa ，在该公式中D 的单位mm 。