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1、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： 2.4L2柴油重量成分：0.870， 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（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。柴油机热力设计计算说明书1. 文献综述1.1柴油机发展
2、现状1.1.1我国柴油机产业的现状与发展 我国柴油机产业自20世纪80年代以来有了较快的发展，随着一批先进机型与技术的引进，我国柴油机总体技术水平已经达到国外80年代末90年代初的水平，一些国外近几年开始采用的排放控制技术在少数国产柴油机上也有应用。最新开发投产的柴油机产品的排放水平已经达到欧1排放限值要求，一些甚至可以达到欧2排放限值要求。但我国柴油机产业的整体发展仍然面临着许多问题。（1）我国重型柴油车的产量在逐年的增加，中型、轻型车柴油化步伐也在加快，但在微型汽车、轿车领域，柴油车所占比例仍为零。而另一方面，我国中型柴油机市场已呈现供大于求，轻型柴油机市场也趋向饱和，但骨干企业正在生产的
3、多数产品从技术角度已应是淘汰产品，发展潜力不大。 （2）柴油机行业投入不足，严重制约了生产工艺水品、规模发展和自主开发能力的提高。现在，我国柴油机技术基础薄弱，整体技术水平落后国际先进水平10至20年，也落后于国内车用汽油机的发展，还不具备完整的全新柴油机产品和关键零部件开发能力。许多国外普遍采用的技术在我国仍处于研究阶段，有些甚至仍是空白。 （3）我国柴油机技术的落后、产品质量差以及车辆使用中维修保养措施不力，导致低性能、高排放柴油车在使用中对城市环境和大气质量造成不良影响，使社会产生“厌柴”心理。 （4）柴油品质差、柴油标准的制修订严重滞后于汽车工业发展的需要，对柴油机技术的发展以及各种新
4、技术、改善柴油机排放措施的应用造成障碍。 有关专家近日指出，应逐步减少行政干预，加强宏观调控。不同类型的车辆均应以满足法规作为统一标准，鼓励和支持先进柴油车技术的使用；做好车用柴油机发展的全面规划，有步骤、有计划的解决技术水平落后、产品不全、“缺重少轿”等问题，从而提高柴油机的产品质量；加大对柴油机的科技投入，开展重点项目的攻关工作；尽快建立和完善排放及能源法规；尽快实施燃油税，汽油和柴油的燃油税应同时实施，对高品质的燃油实行税收优惠政策；采取切实可行的措施以提高车用柴油的品质，并尽快制定车用柴油标准。1.1.2国外柴油机技术的现状与发展 现代的高性能柴油机由于热效率比汽油机高、污染物排放比汽
5、油机少，作为汽车动力应用日益广泛。西欧国家不但载货汽车和客车使用柴油发动机，而轿车使用柴油机的比例也相当大。最近，美国联邦政府能源部和以美国三大汽车公司为代表的美国汽车研究所理事会正在开发新一代经济型轿车，同样将柴油机作为动力配置。经过多年的研究、大量新技术的应用，柴油机最大的问题烟度和噪声取得重大突破，达到了汽油机的水平。下面是国外柴油机应用的一些新技术： （1）共轨与四气门技术 国外柴油机目前一般采用共轨新技术、四气门技术和涡轮增压中冷技术相结合，使发动机在性能和排放限值方面取得较好的成绩，能满足欧3排放限值法规的要求。四气门结构（二进气二排气）不仅可以提高充气效率，更由于喷油嘴可以剧中布
6、置，使多孔油束均匀分布，可为燃油和空气的良好混合创造条件；同时，可以在四气门缸盖上将进气道设计成两个独立的具有为同形状的结构，以实现可变涡流。这些因素的协调配合，可大大提高混合气的形成质量（品质），有效降低碳烟颗粒、HC和NOX的排放并提高热效率。（2）高压喷射和电控喷射技术 高压喷射和电控喷射技术是目前国外降低柴油排放的重要措施之一，高压喷射和电控喷射技术的有效采用，可使燃油充分雾化，各缸的燃油和空气混合达到最佳，从而降低排放，提高整机（车）性能。（3）增压中冷技术 采用涡轮增压增加柴油机的空气质量，提高燃烧的过量空气因数是降低大负荷工况排气烟度、PM排放量以及燃油消耗的有效措施。有效的空空
7、气中冷系统，可使增压空气温度下降到50以下，工作循环温度的下降有助于NOX的低排放和的下降，故目前重型车用柴油机都普遍是增压中冷型，不仅有助于低排放而且燃油经济性良好。此外，涡轮前排气旁通阀的应用，不仅能降低和的排放，还可以改善涡轮增压柴油机的瞬态性能和低速扭矩。（）排气再循环（）技术的应用是目前发达国家先进内燃机中普遍采用的技术，其工作原理是将少量废气引入气缸内，这种不可再燃烧的和水蒸汽废气热容量较大，能使燃烧过程的着火延迟期增加，燃烧速率变慢，缸内最高燃烧温度下降，破坏的生成条件。技术可使机动车的排放明显降低，但对重型车用柴油机而言，目前倾向于使用中冷技术，因为其不仅能明显降低的排放，还能
8、保持其它污染物的低水平。（）后处理技术后处理技术柴油机后处理的目标是进一步改善和X的排放。目前主要采用加装氧化型催化转化器和研究开发NOX催化转化器以及具有良好再生能力的微粒捕集器。（6）柴油 柴油的生产和贮存条件，是保证柴油发动机（车）正常运转延长使用寿命和保持低排放的重要保证。例如瑞典的一级柴油使用可减少排放达，和排放达，排放减少。发达国家已普遍使用燃料清净剂，既能节省燃料，又能清除积碳、降低排放。（）乳化柴油的应用柴油加水掺合乳化剂，使其形成较为稳定的含水乳化柴油，这类改进型燃料的使用可明显降低柴油机（车）的排放，尤其是和。目前美国报道这方面的进展较多，我国也在这方面进行研究，且已取得可
9、喜进展。加水乳化柴油（天不分层），在大型柴油机上负载工况下，功率不减，节油明显，动力输出比柴油上升，且烟度和NOX排放明显下降。然而，尽管这项技术对低排放有好处，但其潜在的问题入水结冰、水对发动机的腐蚀等问题尚待解决。（8）降低机油消耗 柴油排放的颗粒物中，有相当一部分来自馏分较重的机油的燃烧。为了满足日益严格的柴油机（车）排放限值标准的要求，必须把来自机油的燃烧降至最低限度，即在保证发动机正常运转的前提下，最大限度的减少机油的消耗。为了降低柴油机的机油消耗，活塞环的优化设计和制造以及缸套间的科学配置非常重要。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，
10、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：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
11、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，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（=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
12、、2L、25L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
13、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
14、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EG
15、R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，涡轮增压中冷。（）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（）。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，而车用柴油机的转速为。本设计选用的柴油机的额定转速为。（）行程及其与缸径的比值行程及其与缸径的比值是对柴油机结构和性能有重大影响的参数。合理的选择应考虑以下因素：用较小的，可减小柴油机的高度、宽度和重量。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
