柴油機(jī)活塞課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 柴油機(jī)基本參數(shù)選定1</p><p>　　1.1、柴油機(jī)設(shè)計(jì)指示1</p><p>　　1.2、柴油機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)選用1</p><p><b>　　2 近似熱計(jì)算4</b></p><p>　　2

2、.1、燃料燃燒熱化學(xué)計(jì)算4</p><p>　　2.2、換氣過程計(jì)算5</p><p>　　2.3、壓縮過程計(jì)算5</p><p>　　2.4、燃燒過程計(jì)算6</p><p>　　2.5、膨脹過程計(jì)算8</p><p>　　2.6、示功圖繪制9</p><p>　　2.7、柴油機(jī)性能

3、指標(biāo)計(jì)算10</p><p>　　2.8、 三維建模11</p><p><b>　　3 動(dòng)力計(jì)算13</b></p><p>　　3.1、活塞位移、速度、加速度13</p><p>　　3.2、活塞連桿作用力分析14</p><p>　　3.3、曲柄銷載荷和連桿軸承載荷16</

4、p><p><b>　　參考文獻(xiàn)18</b></p><p><b>　　附表19</b></p><p>　　1 柴油機(jī)基本參數(shù)選定</p><p>　　1.1、柴油機(jī)設(shè)計(jì)指示</p><p>　　設(shè)計(jì)一臺(tái)新的四沖程非增壓柴油機(jī)，必須提出設(shè)計(jì)指標(biāo)。</p>&

5、lt;p>　　1.1.1、功率Pe</p><p>　　有效功率是柴油機(jī)基本性能指標(biāo)。Pe由柴油機(jī)的用途選定，任務(wù)書已經(jīng)指定所需柴油機(jī)有效功率Pe。</p><p><b>　　Pe=29.4Kw</b></p><p><b>　　1.1.2、轉(zhuǎn)速n</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速的選用既

6、要考慮被柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的工作機(jī)械的需要，也要考慮轉(zhuǎn)速對柴油機(jī)自身工作的影響。</p><p>　　n=2000r/min</p><p>　　1.1.3、沖程數(shù)τ</p><p>　　本設(shè)計(jì)中的車用柴油機(jī)都采用四沖程，即τ=4.</p><p>　　1.1.4、平均有效壓力Pem</p><p>　　平均有效壓力Pem表示

7、每一工作循環(huán)中單位氣缸工作容積所做的有效功，是柴油機(jī)的強(qiáng)化指標(biāo)之一。</p><p>　　Pem=0.63MPa</p><p>　　1.1.5、有效燃油消耗率be</p><p>　　這是柴油機(jī)最重要的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。影響柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的因素很多，在設(shè)計(jì)中要仔細(xì)分析。四沖程非增壓柴油機(jī)215[g/(kw·h)]～285[g/(kw·h)]。</

8、p><p>　　1.1.6、可靠性和壽命</p><p>　　可靠性和壽命是車用柴油機(jī)的基本要求之一，設(shè)計(jì)時(shí)必須提出具體指標(biāo)，但本課程設(shè)計(jì)從略。</p><p>　　此外，設(shè)計(jì)指標(biāo)還可能包括造價(jià)、排污、噪聲等方面的因素。</p><p>　　1.2、柴油機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)選用</p><p>　　由有效功率計(jì)算公式：（1.1）

9、</p><p>　　可知由于Pe、Pem、n、τ已選定，則柴油機(jī)的總排量也已選定，下一步設(shè)計(jì)應(yīng)選定柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)：氣缸直徑d、活塞行程S、缸數(shù)i及其它一些參數(shù)。</p><p>　　1.2.1、氣缸直徑d</p><p>　　氣缸直徑d的選取影響柴油機(jī)的尺寸和重量，還影響柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷。任務(wù)書規(guī)定了車用柴油機(jī)的氣缸直徑d。qd=90mm</p

10、><p>　　1.2.2、活塞行程S</p><p>　　增大活塞行程S使活塞平均速度Vm=S×n/30提高，機(jī)械負(fù)荷加大，一般車用柴油機(jī)的Vm≤14米/秒；同時(shí)S也是柴油機(jī)基本結(jié)構(gòu)指標(biāo)S/d的決定因素，車用柴油機(jī)的S/d=1.0～1.3。</p><p>　　估取 mm ,Vm,</p><p>　　1.2.3、氣缸數(shù)i及氣缸排列方式

11、</p><p>　　由于設(shè)計(jì)任務(wù)書已指明d和S的值，因而滿足功率要求可通過改變氣缸數(shù)i實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　,，取i=4。</b></p><p><b>　　則，，</b></p><p><b>　　符合要求</b></p><p>

12、　　排列方式為直列四缸。</p><p>　　1.2.4、連桿長度L與曲柄連桿比λ=R/L</p><p>　　連桿長度加大，會(huì)使柴油機(jī)總高度增加；雖然連桿擺角減小，側(cè)壓力減小，但效果不明顯；而且連桿重量加大，往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量慣性力加大。因而盡量采用短連桿，一般λ值在1/3～1/5之間。</p><p>　　取L=200mm，則，，符合要求。</p>&l

13、t;p>　　1.2.5、氣缸中心距l(xiāng)0及其與氣缸直徑之比l0/d</p><p>　　l0/d影響柴油機(jī)的長度尺寸和重量指標(biāo)，設(shè)計(jì)時(shí)力求縮小l0/d的值。l0/d值的影響因素可從曲軸中心線方向的尺寸分配和氣缸上部的尺寸分配兩方面分析，一般其值為1.2～1.6。</p><p>　　取I0=136mm，I0/d=136/90=1.511, 在1.2~1.6之間。</p>

14、<p>　　1.2.6、壓縮比εc</p><p>　　選用壓縮比εc也就是選用燃燒室容積。選用壓縮比時(shí)要考慮柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能、工作可靠性、冷啟動(dòng)性能等。任務(wù)書給定車用柴油機(jī)的εc在18～23。</p><p><b>　　選取εc=18。</b></p><p><b>　　2 近似熱計(jì)算</b></p&

15、gt;<p>　　柴油機(jī)工作過程熱計(jì)算是對柴油機(jī)各工作過程中工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)、主要性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，并繪出示功圖。通過熱計(jì)算可以分析各工作過程的影響因素，找出提高動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的途徑，又為動(dòng)力計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)。柴油機(jī)實(shí)際循環(huán)熱力計(jì)算有近似熱計(jì)算（簡單計(jì)算法）和模擬熱計(jì)算（電算法）二種。本設(shè)計(jì)要求進(jìn)行近似熱計(jì)算。</p><p>　　2.1、燃料燃燒熱化學(xué)計(jì)算</p><p&g

16、t;　　2.1.1、理論空氣量L0</p><p>　　(千摩爾/千克柴油)（2.1）</p><p>　　燃料采用輕柴油，，，則L0=0.4946(kmol/kg) </p><p>　　輕柴油低熱值 Hu=41860千焦/千克</p><p>　　2.1.2、新鮮空氣量M1</p><p>　　(千摩爾/千

17、克)（2.2）</p><p>　　其中 ——過量空氣系數(shù)，自選，</p><p>　　取，則M1=0.7419（kmol/kg）。</p><p>　　2.1.3、燃燒產(chǎn)物M2</p><p>　　(千摩爾/千克)（2.3）</p><p>　　則M2=0.7735(kmol/kg)</p><

18、;p>　　2.1.4、理論分子變更系數(shù)μ0</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p><b>　　則</b></p><p>　　2.1.5、實(shí)際分子變更系數(shù)μ1</p><p><b>　　（2.5）</b></p><p>

19、;　　其中，γr——?dú)堄鄰U氣系數(shù)，自選γr=0.03～0.06，</p><p><b>　　取，則。</b></p><p>　　2.2、換氣過程計(jì)算</p><p>　　2.2.1、排氣壓力（氣缸內(nèi)廢氣壓力）Pd</p><p>　?。∕pa）取Pd=0.35MPa</p><p>　　2.2

20、.2、氣缸內(nèi)排氣溫度（殘余廢氣溫度）Tr</p><p>　　Td = 970～1170（K）取Td=1000K</p><p>　　2.2.3、進(jìn)氣終點(diǎn)壓力Pa</p><p>　　（Mpa）取Pa=0.090MPa</p><p>　　2.2.4、進(jìn)氣終點(diǎn)溫度Ta</p><p>　　（K）取Ta=320K<

21、/p><p>　　2.2.5、充量系數(shù)（充氣效率）</p><p><b>　　（2.6）</b></p><p>　　其中: 之間，,在0.8~0.9之間。，</p><p>　　，在0.8~0.9之間。</p><p>　　2.3、壓縮過程計(jì)算</p><p>　　2.3.

22、1、平均多變壓縮指數(shù)n1</p><p>　　n1=1.34～1.39，取n1=1.36。</p><p>　　2.3.2、壓縮過程中任意曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的壓力(畫示功圖時(shí)用)</p><p>　　（MPa）（2.7）</p><p>　　其中：Vca——進(jìn)氣終點(diǎn)氣缸容積。</p><p><b>　　（m3）（2

23、.8）</b></p><p><b>　　m3</b></p><p>　　Vcx——對應(yīng)于時(shí)的氣缸容積。</p><p><b>　?。╩3）（2.9）</b></p><p>　　式中：R——曲柄半徑，R=S/2(m)；</p><p>　　λ——曲柄連桿比

24、，λ=R/L。</p><p>　　Pcx及Vcx見附表3-1</p><p>　　2.3.3、壓縮終點(diǎn)充量的狀態(tài)參數(shù)</p><p>　　壓力：（MPa）,Pcb=4.586MPa</p><p>　　溫度：（K）,Tcb=905.8K</p><p>　　2.4、燃燒過程計(jì)算</p><p&

25、gt;　　2.4.1、熱量利用系數(shù)ζZ</p><p>　　熱量利用系數(shù)ζZ表示燃燒熱量被工質(zhì)吸收多少的程度。由于不完全燃燒、傳熱損失、高溫分解、節(jié)流損失等因素，燃料燃燒所發(fā)出的熱量中只有一部分被工質(zhì)吸收。</p><p>　　燃燒終點(diǎn)的熱量利用系數(shù)ζZ在此范圍內(nèi)選取：ζZ=0.80～0.88，</p><p><b>　　選取</b><

26、/p><p>　　2.4.2、燃燒最高壓力PZ</p><p>　　按結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及壽命要求選取，本設(shè)計(jì)中5～9MPa，自選。</p><p><b>　　選取</b></p><p>　　2.4.3、壓力升高比</p><p><b>　?。?.10）</b></p>

27、<p>　　本設(shè)計(jì)中：，,在1.4~1.8之間。</p><p>　　2.4.4、燃燒最高溫度</p><p>　　1）工質(zhì)的平均等容摩爾熱容和平均等壓摩爾熱容間有如下關(guān)系：</p><p>　　[kJ/(kmol·K)]（2.12）</p><p>　　工質(zhì)的平均等壓摩爾熱容 。</p><p>

28、;<b>　　2）燃燒方程</b></p><p><b>　?。?.13）</b></p><p>　　其中：——壓縮終點(diǎn)新鮮空氣和殘余廢氣混合氣的平均等壓摩爾熱容，按下列方法進(jìn)行計(jì)算：</p><p><b>　?。?.14）</b></p><p>　　式中：——在溫度下

29、，空氣的平均等容摩爾熱容?？砂础耷蟪?，再由：求出。</p><p>　　,=30.515得：</p><p>　　——在溫度下，殘余廢氣的平均等容摩爾熱容?？砂粗登蟪?，再由：求出。</p><p>　　=1.5，=905.8K,得：，。</p><p>　　——在溫度下燃燒產(chǎn)物的平均等壓摩爾熱容。</p><p>　　

30、3）燃燒最高溫度的計(jì)算</p><p>　　由于與有關(guān)，而又是待定值，因而采用試湊法求解，即先假設(shè)一個(gè)，由過量空氣系數(shù)求出，然后代入燃燒方程，反復(fù)試算，直到方程兩邊的值相差在5%以內(nèi)。</p><p>　　假設(shè)=2073K,則</p><p><b>　　,符合要求。</b></p><p>　　2.4.5、燃燒終點(diǎn)的體

31、積和初期膨脹比</p><p>　　初期膨脹比：（2.15）</p><p>　　燃燒終點(diǎn)容積：（2.16）</p><p><b>　　一般：。</b></p><p>　　，在1.1~1.7之間。</p><p><b>　　m3 </b></p>&l

32、t;p>　　2.5、膨脹過程計(jì)算</p><p>　　2.5.1、平均多變膨脹指數(shù)</p><p><b>　　取n2=1.28</b></p><p>　　2.5.2、膨脹過程中任意曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的氣體壓力（供畫示功圖時(shí)用）</p><p><b>　　(2.17)</b></p>

33、<p>　　的計(jì)算方法與壓縮過程中的類似.</p><p>　　2.5.3、后期膨脹比</p><p><b>　　(2.18)</b></p><p>　　2.5.4、膨脹過程終點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)</p><p><b>　　壓力：,MPa</b></p><p>&

34、lt;b>　　溫度：,</b></p><p><b>　　2.6、示功圖繪制</b></p><p>　　2.6.1、理論示功圖繪制</p><p>　　根據(jù)各過程計(jì)算結(jié)果可以繪制出柴油機(jī)實(shí)際循環(huán)的理論示功圖，其中，燃燒過程按等容——等壓過程繪制。</p><p>　　理論示功圖的理論循環(huán)指示功按下式

35、計(jì)算：</p><p><b>　　(2.19)</b></p><p>　　按示功圖上縱橫坐標(biāo)比例：壓力值/格，容積值/格，可以算出對應(yīng)的方格數(shù)。</p><p>　　2.6.2、實(shí)際施工圖繪制</p><p>　　理論示功圖沒有考慮下列因素的影響，因而必須進(jìn)行修正得到實(shí)際的示功圖：</p><p&

36、gt;　　1）沒有考慮進(jìn)排氣過程。雖然泵氣損失并入機(jī)械損失，不計(jì)入指示功，但為了示功圖完整，根據(jù)進(jìn)氣終點(diǎn)壓力和排氣壓力近似畫出進(jìn)排氣過程線。</p><p>　　2）點(diǎn)火提前，噴油提前的影響：壓力急劇升高應(yīng)該從上止點(diǎn)前就開始。</p><p>　　3）燃燒規(guī)律的影響：燃燒過程壓力線應(yīng)連續(xù)、圓滑，燃燒最高壓力應(yīng)出現(xiàn)在上止點(diǎn)后10°左右。</p><p>　　

37、4）排氣閥提前開啟的影響：在下止點(diǎn)前壓力就開始下降，即壓力線圓滑過渡到排氣線。整個(gè)過程的換氣也應(yīng)修圓。</p><p>　　取進(jìn)氣提前角 30°</p><p><b>　　進(jìn)氣遲閉角 40°</b></p><p><b>　　噴油提前角 16°</b></p><p&g

38、t;<b>　　著火落后期 8°</b></p><p><b>　　排氣提前角 50°</b></p><p><b>　　排氣遲閉角 20°</b></p><p>　　修圓后實(shí)際示功圖的循環(huán)指示功比理論示功圖小。計(jì)算因修圓而減少的方格數(shù)，即可求出示功圖的豐滿系數(shù)。&

39、lt;/p><p><b>　　(2.20)</b></p><p><b>　　一般，。</b></p><p>　　S0=156，S1=6，，在0.92~0.99之間。</p><p>　　2.6.3、示功圖的繪制</p><p>　　由示功圖轉(zhuǎn)換成示功圖。</p>

40、;<p>　　1）計(jì)算法轉(zhuǎn)換：對于任意曲軸轉(zhuǎn)角，有氣缸容積</p><p><b>　　(2.21)</b></p><p>　　2）作圖法轉(zhuǎn)換：按下圖所示方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。</p><p><b>　　圖中：偏移量</b></p><p><b>　　m3</b>&

41、lt;/p><p>　　畫出的圖應(yīng)圓滑，壓力升高率不應(yīng)過大，否則重新修圓示功圖，再轉(zhuǎn)換成圖。</p><p>　　2.6.4、氣體壓力列表</p><p>　　按曲軸轉(zhuǎn)角5°間隔，列出氣體壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化表格，可合并在動(dòng)力計(jì)算中列出。</p><p><b>　　見附表2。</b></p><

42、;p>　　2.7、柴油機(jī)性能指標(biāo)計(jì)算</p><p>　　2.7.1、平均指示壓力</p><p><b>　　(2.22)</b></p><p>　　Pim=0.8484MPa。</p><p>　　2.7.2、指示功、指示熱效率和指示耗油率</p><p>　?。╧W）；Pi=39.5

43、9Kw；</p><p><b>　??；；</b></p><p>　　[g/(kW·h)]；bi=197.07[g/(Kw.h)];</p><p>　　2.7.3、機(jī)械效率</p><p>　　的選取是熱計(jì)算的關(guān)鍵。四沖程非增壓柴油機(jī)的之間，計(jì)算中不要偏離太遠(yuǎn)。</p><p>　　

44、2.7.4、有效功率、有效熱效率、平均有效壓力及有效油耗率</p><p><b>　　取=0.78；</b></p><p><b>　　Kw </b></p><p><b>　　Kw </b></p><p>　　在0.3~0.4之間</p><p&g

45、t;　　[g/(Kw.h)] 在215~285之間</p><p><b>　　2.8、 三維建模</b></p><p><b>　　活塞建模簡略過程</b></p><p>　　2.8.1、活塞整體建模</p><p>　　圖2-1活塞整體建模</p><p>　　2.8

46、.2、活塞銷座建模</p><p>　　圖2-2活塞銷座建模</p><p>　　2.8.3、活塞裙部的建模</p><p>　　圖2-3活塞裙部的建模</p><p><b>　　3 動(dòng)力計(jì)算</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)中進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算的目的：掌握柴油機(jī)動(dòng)力計(jì)算的方法；確定有關(guān)零件的運(yùn)動(dòng)

47、、受力情況和軸承載荷情況。要求按曲軸5°間隔計(jì)算，由計(jì)算結(jié)果畫曲線圖。注意：一律以力的實(shí)際值計(jì)算，不要用單位活塞面積作用力。</p><p>　　3.1、活塞位移、速度、加速度</p><p>　　對于活塞位移、速度和加速度的計(jì)算，由于周期性，只計(jì)算0～360度即可。若采用手算，用近似公式計(jì)算：</p><p><b>　　其中 ，，<

48、/b></p><p><b>　　計(jì)算可以列表進(jìn)行</b></p><p>　　若采用電子表格算，則應(yīng)該用精確公式計(jì)算</p><p>　　其中：。注意：加速度曲線應(yīng)有四個(gè)極值點(diǎn)。</p><p><b>　　見附表3</b></p><p><b>　　圖

49、3-1位移曲線</b></p><p><b>　　圖3-2 速度曲線</b></p><p><b>　　圖3-3加速度曲線</b></p><p>　　3.2、活塞連桿作用力分析</p><p>　　3.2.1、計(jì)算公式</p><p><b>　　

50、①基本作用力</b></p><p>　　氣體力 (3.1)</p><p>　　其中 ：取自然計(jì)算結(jié)果，即修正后的實(shí)際缸內(nèi)壓力值，也就是圖中的壓力值，每個(gè)5度曲軸轉(zhuǎn)角取一個(gè)。</p><p>　　為曲軸箱內(nèi)的氣體壓力，近似取100千帕</p><p><b>　　運(yùn)動(dòng)零件慣性力</b></p

51、><p>　　活塞組換算質(zhì)量： 實(shí)際質(zhì)量=0.742Kg</p><p>　　連桿組換算質(zhì)量： 按兩質(zhì)量系統(tǒng)考慮</p><p>　　mc=0.981Kg，lb=149.77mm</p><p>　　小頭換算質(zhì)量：，mc=0.7346Kg</p><p>　　大頭換算質(zhì)量：，mcb=0.2464Kg</p>

52、<p>　　和在零部件設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)求出。</p><p>　　往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力 ： (3.2)</p><p>　　是活塞運(yùn)動(dòng)的加速度。</p><p>　　連桿大頭離心慣性力 </p><p><b>　?、谶B桿作用力</b></p><p>　　設(shè) 則有

53、：</p><p>　　連桿小頭氣缸中心線方向作用力 </p><p>　　垂直氣缸中心線方向（側(cè)壓力） ，其中</p><p>　　連桿大頭曲柄旋轉(zhuǎn)方向（切向力） </p><p>　　曲柄法向（法向力） (3.3) </p><p>　　習(xí)慣上令： (3.4)&

54、lt;/p><p><b>　　計(jì)算可以列表進(jìn)行</b></p><p><b>　　見附表4-2</b></p><p>　　根據(jù)計(jì)算結(jié)果畫出、、T、K隨的變化曲線。</p><p>　　圖3-4、、T、K隨的變化曲線</p><p>　　3.3、曲柄銷載荷和連桿軸承載荷<

55、;/p><p>　　3.3.1、曲柄銷載荷</p><p>　　曲柄銷上作用有切向力和法向力，，由作圖法畫出曲柄銷載荷圖。</p><p>　　注意：作圖時(shí)用、 直接畫出曲線圖，并標(biāo)出，同時(shí)必須在曲線上畫出曲柄形狀及轉(zhuǎn)向，標(biāo)出曲軸轉(zhuǎn)角，最大作用力及示意的表示出力的作用點(diǎn)等。此外，T、K、Prc的作圖比例必須相同，否則無法正確表示作用力方向。如下圖所示。</p&g

56、t;<p><b>　　圖3-4曲柄銷載荷</b></p><p>　　3.3.2、連桿軸承載荷</p><p><b>　　用坐標(biāo)變換法計(jì)算：</b></p><p><b>　　(3.5)</b></p><p><b>　　(3.6)</b&

57、gt;</p><p><b>　　列表計(jì)算如下：</b></p><p><b>　　見附表4-3</b></p><p>　　根據(jù)計(jì)算結(jié)果畫出連桿軸承載荷圖，參見下圖的載荷形狀示意圖。同樣要求在圖上畫出連桿外形，標(biāo)出曲軸轉(zhuǎn)角，曲柄轉(zhuǎn)向及力作用點(diǎn)的位置。</p><p>　　圖3-5連桿軸承載荷&

58、lt;/p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué).2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.</p><p>　　[2] 袁兆成.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì).1版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.</p><p>　　[3] 吳兆漢.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì).1版.北京：北京理工大學(xué)出版社，1990<

59、/p><p>　　[4] 柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊編寫委員會(huì).柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊上冊.1版.北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1984.</p><p>　　[5] 許鋒，滿長忠.內(nèi)燃機(jī)制造工藝教程.1版.大連：大連理工大學(xué)出版社，2006</p><p><b>　　附表</b></p><p><b>　　附表1 壓縮過程<