柴油机设计计算指导书

校正单位活塞面积功 率
1=
N e
f
S
0 iF
pD
1 —校正单位活塞面积功率； 2f
0
N —柴油机标定功率（ps）； e
i —气缸数；
12～16％；重型汽车高速公 路行驶 10～20％；工程机 械 20～40％、40～60％、 75～90％。
评价柴油机效率指标。
评价柴油机单位气缸 工作容积有效利用程度的 重要参数。
惯量；
ns ——柴油机起动转速（柴油机为
100~300r/min）；
t ——柴油机起动时间。
表征柴油机起动性能 指标。
起动电机的起动扭矩 （完全制动扭矩）
M ST
≥
M s1 Kη s
㎏·m
K —起动齿轮与飞轮齿圈的传动比；
5
Z —起动电机起动齿轮的齿数； 2
K = Z 2 ≥ nST
Z ST
ns
起动电机功率
×10−3
=
C2 0.9 m
D
S
D
（ m 2 / min 2 ）
N i
=
N e
iV
[ ps l
]
h
D—气缸直径（m）； S—活塞行程（m）。 N —标定工况下有效功率；
e
V —单缸工作容积（L）； h
n —标定转速(r/min)；
τ —冲程系数；
i —气缸数。
G—往复运动件重量；
g—重力加速度； R—曲柄半径（活塞冲程的一般 S/2）；
图1 柴油机总体模型示意图
采用传统的总体设计方法,工作串行展开，即便是经验丰富的设计人员对 后续工作往往也缺乏足够的预见性,通常需要多次反复修改才能完成。而基于 并行工程（图 2 柴油机分类）的系统设计方法提出了参数化的设计顺序。柴 油机总体设计人员在明确任务之后，经过抽象化拟定功能结构，根据系统总 的功能及各子系统功能要求，利用大量的计算公式计算寻求适当的作用原理 及其组合，获得的工程数据，确定出基本的实现路径。本文正是基于这种设 计方法进行柴油机总体计算公式的整理归纳。首先根据系统及各零部件功能 要求确定柴油机的总体结构参数：柴油机型式、冲程数、冷却方式、增压方 式、气缸直径、活塞行程、缸心距、气缸排量、缸数、功率、转速等，然后 通过相应的公式计算确定柴油机的动力性指标、经济性指标、强化指标、紧
τ
= 7.854 ×10−4
pC em
L2
= CL2 (KW )
τR 2
s
Rs=L/D；
p mi
—平均指示压力（Pa）；
p me
—平均有效压力（Pa）；
D—气缸直径（m）；
S—活塞行程（m）；
W i
—单缸每循环指示功；
i —气缸数； τ —冲程数；
η —机械效率； m
Q —为得指示功 Wi 所消耗热量； 1
3
评价机械负荷强化程 度的指标。
限制柴油机高速化的 因素。
衡量柴油机外形尺寸 指标。
紧凑 性指 标计 算公 式
比重量 体积功率
气缸直径
容积系数
可靠 性指 标计 算公 式
耐久 性指 标计 算公 式
无故障综合评分值 有效度
gw
=
Gw Ne
[kg
ps]
N v
=
N e
V
[ ps m3 ]
D=
Nτ e
7.854 ×10−4 iC p
凑性指标、可靠性指标、耐久性指标、适应性指标、运转性指标和工艺性指 标等。
图 2 柴油机分类
1
2.柴油机计算指标简要关系 柴油机结构参数值是气缸直径越大、缸数越多、转速越快、活塞平均速
度越大、发出功率越大越好； 动力性指标值越大越好，动力充沛，有劲； 经济性指标燃油消耗率值越小越好，省油； 强化指标评价柴油机的强化程度，提高机械负荷（柴油机惯性力系数）
i —气缸数；
τ —行程数；
Cm—活塞平均速度(m/s)；
pe —平均有效压力(MPa)；
D—气缸直径（m）。
i —气缸数；
V —柴油机外形体积；
V —单杠工作容积。
h
(MTBF
) 0
—平均故障间隔时间；
T 0
—第
i
个故障发生样机累计工作时间；
n —试验或调查样机台数；
K —第 i 个故障的危害系数； i
柴油机设计计算说明书
柴油机总体设计计算公式整理报告
1.概述 柴油机自 19 世纪 60 年代问世以来，经过不断改进和发展，其在拖拉机、
农业机械、工程机械、船舶、小型移动电站、战车以及某些小型飞机上都用 作动力。然而柴油机是一个复杂的动力装置（图 1）,不但零部件数量众多、 结构复杂,而且系统需求的多样性使其总体性能和运动关系复杂。不同柴油机 总体设计是其设计过程中最初的也是最具有创造性的阶段，在整个设计开发 过程中占有重要的地位，总体设计的内涵十分广泛和深刻。
㎏·m·s2
ne max —最大扭矩时转速； ne —标定转速。
不同工况适应性指标。
M —最大扭矩； e max
M—标定工况扭矩。
L —较高噪声源声压级； PA
L —较低噪声源声压级。 PB
M f max ——克服柴油机内摩擦所需的最大
衡量柴油机噪音指标。
阻力矩；
M i ——克服空气在汽缸中受压缩而产生的
N — 有效功率； e
N — 指示功率。 i
pe —平均有效压力(MPa)；
Cm—活塞平均速度(m/s)；
D—气缸直径(mm)；
Vh—气缸工作容积；
τ —冲程数； i —气缸数。
pe —平均有效压力(MPa)；
Cm—活塞平均速度(m/s)； D—气缸直径(mm)；
τ —冲程数；
L—气缸中心矩(mm)。
• nipme
p mi
=
π
W i
D2 • S
4
p = p •η
me
mi
m
∫ Wi
=
p•
cyc
dV dϕ
• dϕ
η ＝Ne mN
i
η ＝Wi iQ
1
（ kW ）
N
=
p inV
e
h
=
7.854×10−4
ipC em
D2
e 300τ
τ
N
=
pVn eh
=
7.854×10−4
pC D2 em
ecyl 300τ
N ST
≥
M s2 ⋅ ns 716.2 ⋅ηs
PS
M s2 = A + Bnsqγ m ㎏·m
冷却系总散热量 冷却水流量 散热器进出水温度差
Q
=
qN he
H 60
Q
=
qN we
W 60
Δt =
Q H
4.187Q
W
kJ/min L/min K
冷却系统的冷却效果 QB = kTH FAΔt
运转 性指 标计 算公 式
柴油机最大阻力矩
M = M + M + M ㎏·m
s1
f max
i
f
M
f max
=
716.2Pf max 900
⋅Vh
㎏·m
Pf max = 1.94 γ ㎏/cm2
Mi
=
Li max α
㎏·m
Mf
= I ⋅ π ⋅ ns 30 t
㎏·m
I
=
150 N e ω2
ω = πnN 30
评价柴油机热负荷指 标。
平均有效压力 最大往复惯性力
惯性力系数 速度系数 升功率
p
＝
225
N
τ
e
e niV
h
P ∝ G Rω 2 (1+ λ )
j max
g
λ＝ R = S L 2L
α＝
S
D 2n 2
=
0 .9
C2 m
D
S
D
C' m
n∝
S D∝
C' m
∝
1
S
SD SD
C' =
C m
m
S
D
α
=
S
n2D2
压缩比
ε = Vc Vc + Vh
Vh—气缸工作容积； Vc—燃烧室容积。
术语简介
表示柴油机整个过程 完善性和热力过程强烈程 度的重要参数。
指单位气缸工作容积 内发出的有效功，平均有效 压力越大，柴油机做功能力 越强。
根据使用目的而调整 的外特性所达到的功率。
表示气体的压缩程度， 它是气体压缩前的容积与 气体压缩后的容积之比值，
n
(kW / L )
eL iV iV
h
h
单位活塞面积功率
N
=
N e
=
PiV eh
n
•
1
=
P Sn e
F iF 225τ iF 225τ
p
p
=
K
PC em
τ
n —柴油机实际转速； n0 —柴油机额定转速；
b —指示油耗率； i
H —柴油机低热值（＝44100kJ/kg） u
N —标定工况下有效功率； e
V —单缸工作容积（L）； h
P —平均有效压力(MPa)；
ne —标定转速(r/min)；
i —气缸数。
N —柴油机标定功率（ps）； e
i —气缸数；
F —活塞面积（ m2 ）； p
P e
—平均有效压力(MPa)；
V h —单缸工作容积（L）；
n —标定转速(r/min)；
τ —冲程系数；
C —活塞平均速度（m/s）。 m
过量空气系数 指示油耗率 有效油耗率
经济 性指 标计 算公 式
有效热销率 比油耗
α＝
G 1
gl
b0
b = 3.6×106 i
（ g kW • h ） H •W
u
i
be
= bi ηm
（ g kW • h ）
η
=
W e
=
Wη im
eQ
Q
1
1
η =ηη
e
im
η
=
3.6 ×103
N e
e
GH
bu
η
=
632.2N e
和热负荷（单位活塞面积功率）程度； 紧凑性指标如体积功率越大、比质量越小，柴油机越紧凑、小巧； 可靠性指标和耐久性值越好，耐用不用修； 运转性指标如操纵使用方便，运转平稳，振动小，起动迅速可靠、加速
越短越好，噪音越低越好，排放越干净越好； 适应性指标如适应油类、醇类、醚类和燃气等多种燃料，适应高原、风
MTBF—平均故障间隔时间； MTTR—平均修复时间。
以柴油机大修期的长 短来表示。
4
适应 性指 标计 算公 式
转速适应性系数
K=
n e
nn
Me max
适应性系数或扭矩贮 K = M emax
备系数
M
e
合成噪声源压级
L PC
=
L PA
+ 10lg⎢⎣⎡1＋⎜⎝⎛10－LPA1−0LPB
⎟⎠⎞⎥⎦⎤
E —第 i 个故障发生时间系数。 i
衡量柴油机重量指标 的参数。指单位输出功率所 需要的金属重量，功率一样 时，指标越大，柴油机越笨 重。
衡量柴油机外形尺寸 指标。
在保证充分结构强度 可靠性的前提下所能包容 的气缸直径，不仅是表征热 力过程,也是表征结构强 度。
评价柴油机布置紧凑 性指标。
柴油机在设计规定的 使用条件下，持续工作，不 致因故障而影响正常工作 能力的指标。
ge —标定功率点的燃油消耗率(g/kwh)；
P —柴油机标定功率（kW）； e
τ —冲程系数； n —转速（ r / min ）； i —气缸数。
油耗率随工况不同而 变化，以标定功率时每有效 千瓦小时所消耗燃油量为 衡量指标。
负荷率
Lγ
=
G eW
G
(% )
eN
1 G —实际作业时间的油耗量； eW
阻力矩；
M f —柴油机静止状态加速到起动转速所
需克服的惯性阻力矩； N e ——柴油机的额定功率；
ω ——柴油机在额定功率转速时，曲轴的角
速度；
nN ——柴油机在额定功率时的转速； γ ——机油运动粘度； Vh ——柴油机汽缸总容积； i ——柴油机汽缸数； I ——换算到柴油机曲轴上运动机件的转动
负荷率 Lγ 影响柴油机
在不同用途时的功率标定。 如轿车 8～12％；轻型货车
G —柴油机标定功率的油耗量。 eN
机械效率
强化 指标 计算 公式
指示效率 有效效率
标定工况升功率
ηm
=
0.92 -
0.7 pmi
×
n n0
ηi = 3.6 ×106 ηe =ηi •ηm
H u • bi
N
=
N e
＝
P e
e GH
bu
g
=
G b
×103
=
3.6 ×103
eN
ηH
e
eu
g/Kw.h
g = 632.3 ×103 g/PS.h e ηH
eu
柴油机每循环耗油量
gb
=
ge Peτ 120ni
（g / 循环）
即气缸总容积与燃烧室容
积之比称为压缩比。
g —每循环燃料供给量； b
燃烧 1kg 柴油的实际
l —燃烧 1kg 柴油所需理论空气量，14.3kg。 空气量与理论空气量之比。 0
ω —曲柄角速度； λ —曲柄半径与连杆长度的比值； L —连杆长度。
α —惯性力系数（ m2 ）； s2
D—气缸直径（m）； S—活塞行程（m）； C ' —活塞校正平均速度；
m
SD —气缸尺寸因素。
D—气缸直径（m）； S—活塞行程（m）；
n —标定转速(r/min)。
i —气缸数；
V —单缸工作容积； h
H —柴油机低热值（＝44100kJ/kg）。 u
b —指示油耗率。 i
Q —为得指示功 Wi 所消耗热量； 1
G —每小时油耗量； b
N — 有效功率； e
η —机械效率； m
H —柴油机低热值（＝44100kJ/kg）。 u
G —每小时油耗量； b
N — 有效功率； e
H —柴油机低热值（＝44100kJ/kg）。 u
me
= 35.714
Nτ e
(mm)
iC p
me
D = 9.78
Nτ e
pC i
em
ξ
=
iV h
vV
Q
=
100
−
(MTBF
nT
) 0
(r0
∑
KE ii
i =1
)
0
A = MTBF t MTBF + MTTR
G —柴油机总重量； W
N —柴油机标定功率（ps）。 e
V —柴油机总体积；
N —柴油机标定功率（ps）。 e
沙泥泞等不同地理条件，适应高温、高寒等不同气候； 工艺性指标如设计适于生产，便于维修。
3.柴油机各类指标计算公式和术语简介 详细内容见下表。
2
总体设计计算公式整理表：
公式 类型
计算公式名称