中南大学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___学生姓名______学号______专业班级___ _________ 指导教师_______ ___________2012年9月10日内燃机课程设计任务书一、题目：柴油机热力设计二、给定参数：1．活塞排量： 1.5L2．柴油重量成分：Ｃ＝0.870，H=0.126，O=0.004。

3．柴油的低位发热值：H=42860kJ/kg。

u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．绘制曲轴零件图（A1）。

四、设计要求1．编写设计计算说明书一份，1.2万字左右（20～25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。

2方案选择及总体设计根据不同方案优缺点的比较，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，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，因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。

2.1柴油机主要参数的确定（1）冲程数的选择二冲程柴油机与四冲程柴油机相比，主要有以下优缺点：①二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。

使二冲程柴油机的可靠性与使用寿命不如四冲程柴油机。

②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。

③二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。

④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，而且比较烧机油。

市场上车用柴油机绝大多数采用四冲程的设计方式。

本设计中选取四冲程柴油机（τ=4）。

（2）气缸数和布置方式的选择发动机气缸数和气缸布置方式，对其外形尺寸、平衡性和制造成本等都有很大影响。

汽车发动机是按发动机排量分等级的，例如1L、2L、2﹒5L等指的就是发动机的排量。

由于发动机排量等于气缸的排量与气缸数的乘积，而气缸排量又是活塞顶面面积与发动机活塞行程的乘积，所以，在发动机排量相等的条件下，气缸数越多，每一缸的尺寸就越小，零件尺寸也越小。

在给定的功率要求下，如果平均有效压力和活塞平均速度不变，则内燃及的升功率将与缸数的平方根成正比。

也就是说，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。

同时发动机转速也可以搞些，升功率也提高，但是，随着缸数的增加，发动机零件数量增加，结构复杂，可靠度下降，质量和尺寸相对增大，制造成本相应提高。

汽车发动机的气缸数量有2缸、3缸、4缸、5缸、6缸、8缸、12缸等，其中3、4、6、8缸为最多。

对于发动机来说，一般采用两种气缸排列方式，一种是气缸成一字形排列，称为单列式发动机，亦称L型。

其特点是结构简单，可以使用一个整体式气缸，单列式发动机是气缸直立的（亦称直列式发动机）；也可以是斜置的（亦称斜置式或卧式发动机）。

发动机中气缸直立斜置的用的较多。

另外一种气缸排列方式是两列气缸成V形布置的V型发动机[i]。

本次设计采用4缸直列式内燃机。

（3）压缩比压缩比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ε值为16，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，且其范围十分宽广1000-6000 rpm）。

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5000-6000ｒｐｍ，而车用柴油机的转速为2000-4000 rpm。

本设计选用的柴油机的额定转速为3000 rpm。

（５）行程及其与缸径的比值行程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：①用较小的S/D，可减小柴油机的高度、宽度和重量。

②S/D减小时，柴油机的转速可增加，提高了柴油机的升功率，但增加了运动件的惯性力和柴油机的噪声。

③S/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需要更小的间隙，这就增加制造上的困难。

如间隙不能保证，将使发动机各项性能指标难以达到[i]。

一般汽车用Ｖ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0.9-1.1之间，而这用柴油机的S/D值多数在1.0-1.2之间[iii]。

本次设计选取行程缸径比S/D＝1.1。

（６）缸径Ｄ和行程Ｓ由排量1.5L，而本设计气缸数为４，可知每缸工作容积ＶＳ＝0.375L；而由S/D＝1.1得S＝1.1D。

由Ｖ＝πＤ２ｓ４可计算得D＝75.83mm，S＝83.30mm，圆整得D＝75mm，S＝83mm。

（７）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。

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Ｓ确定之后，活塞平均速度Ｃｍ可由公式Ｃｍ＝Ｓ×ｎ３０×１０−３（ｍ／ｓ），求得，设计活塞平均速度Ｃｍ＝8.3 ｍ／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[ii]。

（8）曲柄半径与连杆长度比曲柄半径与连杆长度比，即λ=Rl,是一项确定连杆长度的重要参数，行程S 确定后，选择λ值主要考虑一下因素：选择较大的λ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λ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λ值较高，一般为0.28-0.31，以适应高速比的需求[i]。

本设计取用的λ值为0.31。

由活塞行程S可知曲柄半径R=S2=41.5mm，可知连杆长度l=Rλ=480.31≈138mm。

（9）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、轴系的扭振性能有密切关系。

选择发火次序时，主要考虑以下因素：①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。

②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[iv]。

本设计选择的发火次序为：1-3-4-2。

（1/）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[ii]。

本设计用高压共轨直喷式有涡流的深坑型燃烧室。

2.2柴油机的总体布置（1）柴油机总体布置的一般要求：①布置紧凑，外形尺寸小，外观整齐，外接管路尽量较小。

②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。

③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。

④具有良好的加工和装配工艺性。

⑤柴油机起吊、存放和安装方便[iv]。

（2）柴油机的总体布置：①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。

②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。

③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。

④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。