（机械设计及理论专业论文）中型卡车柴油发动机改进研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 本文在已有的6 1 0 2 柴油机基础上对其进行了改进研究，开发设计了改进型 6 1 0 5 柴油机。论文论述了6 1 0 5 柴油机的设计思想和主体改进方案，对6 1 0 5 柴油 机的主要性能参数进行了重新确定，部分性能指标进行了优化。对6 1 0 5 柴油机 的总体布置进行了改进，使整体结构更优。对6 1 0 5 柴油机的关键承载零件连杆 进行了分析、校核，使其疲劳强度和安全系数达到了设计要求。应用相似类比原 理的思想和方法，参照6 1 0 2 柴油机，提出了6 1 0 5 柴油机曲柄半径增加后的平衡 设计方案，使旋转惯性力的平衡达到曲柄半径增加前的同等水平。 论文通过大量的整机试验，如燃烧分析试验、可靠性试验、废气排放试验、 噪声试验、装车适应性试验等，证明改进型6 1 0 5 柴油机各项指标均优于原机型 6 1 0 2 柴油机。动力性指标中的额定功率和最大扭矩均高于原机型达3 0 以上。经 济性指标中额定点最低燃油消耗率与原机型相比下降了5 。排放限值已接近欧 i i 标准。该机型在国内同类柴油机中具有领先水平。 关键词：柴油机，改进，动力性，经济性 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h i sp a p e rh a sc o m p l e t e di m p r o v e m e n tr e s e a r c ho nd i e s e le n g i n et y p e6 1 0 2 ， d e v e l o p e da n dd e s i g n e dt h ei m p r o v e dv e r s i o no f d i e s e le n g i n et y p e6 1 0 5 t h i sp a p e r d i s c u s s e dd e s i g nt h o u g h ta n di m p r o v e m e n tp l a no fd i e s e le n g i n et y p e6 1 0 5 ， d e t e r m i n e dm a i np e r f o r m a n c es p e c i f i c a t i o n so fd i e s e le n g i n et y p e6 1 0 5 ，o p t i m i z e d p a r to ft h ep c r f o r m a n c i n d e x e s i m p r o v e dt h eg e n e r a la r r a n g e m e n to fd i e s e le n g i n e t y p e6 1 0 5 ，t h eo v e r a l lc o n s t r u c t i o nt ob em o r es u p e r i o r a n a l y z e da n de x a m i n e dt h e e s s e n t i a ll o a db e a r i n gc o m p o n e n t s ，i e c o n n e c t i n gr o do fd i e s e le n g i n et y p e6 1 0 5 ，i t s f a t i g u es t r e n g t ha n dt h es a f e t yc o e f f i c i e n th a sm e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s p r o p o s e d t h et h o u g h ta n dt h e m e t h o do fa p p l y i n gs i m i l a ra n a l o g yp r i n c i p l e b a s e d0 1 1t y p e6 1 0 2 ， p r o p o s e dt h eb a i a n c ed e s i g nm e t h o da f t e ri n c r e a s i n gt h ec r a n kr a d i io ft y p e6 1 0 5 ， a c h i e v e dab a l a n o gs ot h a tt h er o t a t i o n a li n e r t i ao ft h ec r a n kr a d i u sr e a c h e dt h ef l a m e l e v e la s t h et y p e 6 1 0 2 b ye x p e r i m e n t a lt e s t o fc o m b u s t i o na n a l y s i s ，r e l i a b i l i t y , e m i s s i o n s ，n o i s e ， l o a d i n ga d a p t a b i l i t y ，p r o v e di m p r o v e dt y p e6 1 0 5d i e s e le n g i n ea l eb e t t e rt h a nt y p e 6 1 0 2o nd y n a m i ci n d i c a t o r s s o m ei n d i c a t o r sw e f c3 0 s u p e r i o rt h a no r i g i n 丑lm o d e l e c o n o m i ci n d i c a t o rs u c ha sm i n i m u mf u e lc o n s u m p t i o no fs o tp o i n td r o p p e db y5 c o m p a r e dt ot h eo r i g i n a lm o d e l c l o s e t ot h ee u r o2s t a n d a r d so fe m i s s i o n s t h i st y p e i sm o r ea d v a n c e dt h a nt h es a m et y p eo f d o m e s t i cd i e s e le n g i n e s k e y w o r d $ ：d i e s e le n g i n e , i m p r o v i n g , p e r f o r m a n c e ，p o w e r , f u e le c o n o m y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庭盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：王懈莛 签字日期： w a 7 年占月6 e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：王，胳文芝 导师签名： 签字日期：切彳年5 月6 e t签字日期：年月 e t 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 自内燃机诞生，汽油机和柴油机作为孪生兄弟，先后出现于1 8 8 3 年和1 8 9 3 年，至今都已有一百多年历史。柴油机诞生之初，只用做低速固定式轻型车，用 于一些简单的机械传动上，发展非常缓慢，直到7 0 年代才得到广泛应用。而自 1 9 7 6 年大众高尔夫轿车首先采用柴油机后，柴油机迎来了春天并得到迅速发展。 进入9 0 年代后，柴油机的发展更是势不可挡。目前，欧洲轿车柴油化已接近3 0 0 6 ， 商用车9 0 以上用柴油机：在日本，柴油轿车约1 0 ，柴油商用车占4 0 ；即使是 汽油价格十分低廉的美国，大中型商用车也装上了柴油机，其重型卡车早已1 0 0 的柴油化了。而据专家预测：今后2 0 年，甚至更长时间内柴油机将成为世界车 用动力的主流。 1 1 国内车用柴油机的现状和发展趋势 1 1 1 国内车用柴油机的现状 我国柴油机的发展经历了一个长期艰难的发展过程。由于我国柴油机长期处 于低水平技术状态，给人印象不佳，特别是全球均重视强调环保的今天，人们更 是对其出现偏见，总认为柴油机就是那种冒黑烟、噪声大、体积笨重的东西，甚 至我国部分地区包括一些大城市以柴油车排放氮氧化物和颗粒多为由，拒绝柴油 机入城，由于有了这些老观念的存在，使我国柴油机的发展异常艰难。随着国外 的一些先进技术进入我国，加之柴油机以其高效、经济等独特魅力，正逐渐改变 人们的看法。 我国车用柴油机绝大部分采用增压柴油机，我国增压柴油机起步的时间并不 太晚，但从5 0 年代末至7 0 年代末的2 0 多年里发展较慢，主要原因是增压柴油 机可靠性差、寿命短，只有少数车用机型能进入市场，绝大部分是船用、发电机 型在市场上立足。进入8 0 年代后，我国引进了比较先进的柴油机生产技术，并 提高了设计水平，增压柴油机产量逐年大幅度增长。增压柴油机发展最快的是车 用柴油机，本课题所涉及的缸径1 0 0 1 1 5 m m 左右的柴油机近几年在国内迅速发 展，是我国汽车的主要动力，它主要用于中、轻型载重汽车、大客车、面包车及 工程机械，目前年产量达3 8 万台以上。此缸径柴油机虽然产量上有大幅度提高， 但性能指标与国外先进的产品有很大的差距，可靠性只有国外的三分之一到四分 之一。 我国载货汽车的柴油机化进程正在逐步加快。据统计，1 9 9 5 年全国生产 3 1 4 3 5 9 辆柴油载货车，其中重型车已全部用柴油机，中型车柴油机化已超过6 0 ， 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 到2 0 0 6 年总质量大于5 t ，即载重质量2 2 5 t 以上的载货车已全部柴油机化【l 】。 同时，作为我国柴油车发展的先行者，一汽大众凭借德国大众技术上的强大 后盾，在柴油机技术发展上已经取得了长足的进步。其2 0 0 3 年推出的国内第一 款柴油轿车捷达s d i ，2 0 0 4 年相继推出的宝来t d i 柴油轿车都受到了国内消费者 的广泛好评，被认为是标准的“绿色健康车”，动力性能、环保性能极佳。可以看 出，柴油轿车通过技术上的进步是完全能够满足消费者和国家要求的。这预示， 我国车用柴油机的发展将呈现前所未有的良好势头。 1 1 2 我国柴油机产业面临的问题和攻关重点 ( 1 ) 我国柴油机产业面临的问题 我国柴油机产业自8 0 年代以来有了较快的发展，随着一批先进机型和技术 的引进，我国柴油机总体技术水平已经达到国外8 0 年代末9 0 年代初水平，一些 国外柴油机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排放水平已经达到欧i 排放限值要求，一些甚至可以达 到欧排放限值要求。但我国柴油机产业的发展仍然面临着许多问题。 a 、发展不均衡我国重型柴油车的产量在逐年增加，中型、轻型车柴油化步 伐也在加快，但在微型汽车、轿车领域，柴油车所占比例太小。而一些骨干企业 正在生产的多数产品从技术角度已应是被淘汰产品，发展潜力不大。 b 、我国柴油机总体技术状况落后于国外，许多国外已经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。从总体上，我国柴油机技术基础薄弱， 还不具备完整的全新柴油机产品和关键零部件开发能力。 c 、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等 原因，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， 使社会产生恹柴沁理。 d 、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技术、改善柴油机排放措施的应用造成障碍。 ( 2 ) 我国柴油机开发面临的攻关重点 目前，欧美国家以及日本等经过多年研究，大量新技术应用在柴油机上，使 柴油机得到了迅猛发展，而我国柴油机虽然最近几年取得了较大的进步，但与国 外相比仍有较大的差距，我们应从各个方面加大投入，争取早日赶上国外先进水 平。目前我国柴油机开发面临的攻关重点是： a 、电控技术； b 、排放后处理技术( 微粒捕集器技术、废气再循环技术) ； c 、整机开发和匹配技术等关键技术研究； d ，油泵油嘴、增压中冷技术等关键零部件技术研究、开发和产业化； 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 e 、轿车柴油机开发技术研究； f 、柴油机制造技术研究和关键材料开发【2 3 。 1 1 3 国内车用柴油机的发展趋势 今后，我国车用柴油机的主要发展趋势是： ( 1 ) 采用直喷式柴油机减小缸径。如戴姆勒克莱斯勒公司用子s m a r t 车 的b e n z o m 6 6 0 机( d s = 6 5 5 7 9 毫米，3 缸，排量0 8 升) ，大众的l u p o 机 ( d s = 7 6 5 8 6 4 毫米，3 缸，排量1 1 9 升) 。 ( 2 ) 采用增压与中冷多气门技术。柴油机气缸内能燃烧的燃料量取决于气 缸的充气量，为此车用柴油机上广泛采用了涡轮增压与中冷技术( t a c ) 。车用柴 油机缸径大于1 0 0 毫米以上的均优先采用4 气门结构，优点是除了充分利用气缸 圆面积增加进气量与实现可变迸气涡轮外，还可以将喷油器垂直中置，使油柱分 布均匀，有利于燃烧过程中的优化。对于缸径小于1 0 0 毫米的车用柴油机，有采 用4 气门，也有保持2 气门的。 ( 3 ) 实现高压喷射与电控结合来优化喷油规律。发动机是汽车的动力与心 脏部件，而喷油系统又是柴油机的心脏，目前国外车用柴油机喷油系统均沿着增 加机械与液压刚度方向发展，为满足越来越严格的排放法规( 欧i i i 与欧标准) ， 需不断提高喷油压力，目前在传统的喷油系统中，喷油压力已普遍超过7 0 0 b a r ， 在新的高压喷射系统中，喷油压力已超过1 2 0 0 1 ) a r ，甚至达到2 0 0 0 b a r 。 ( 4 ) 采用排气再循环( e o r ) 与排气后处理技术( 机外净化) 。实现排气再循环 可降低n o x ，但不利于燃油经济性，若能实现e g r 冷却与电控，则有利于改善 综合性能。柴油机的排气后处理技术比汽油机困难，但是国外在微颗粒过滤及其 再生技术与n o x 催化还原技术方面已取得了长足的时步，可以适应未来欧排 放法规的要求。 ( 5 ) 采用优化结构设计，减少摩擦与附件功率损失，提高机械效率。柴油 机的有效效率等于指示效率与机械效率的乘积，因此柴油机的燃油消耗率也直接 受到机械效率的影响。国外在致力于完善缸内工作过程的同时，也十分重视减少 摩擦损失和提高机械效率的研究。此外，以德国的m t u 公司为代表的部分停缸 技术( c d a ) 也是一种有效手段。 总之，柴油机特别是轿车的小型高速直喷式柴油机，是一项集热、机、电为 一体的综合系统与高科技产品。随着电控技术的发展，柴油机的开发工作也不断 地向综合优化与智能化控制方向发展，性能不断改善，应用也会日益广泛。 目前，我国在载重车上已广泛采用了柴油机，如一汽集团的锡柴与大柴。但 是，我国在排量2 升( 缸径在8 5 毫米) 以下高速车用柴油机、特别是轿车柴油 机方面几乎是空白，只有一汽大众凭借德国大众技术上的强大后盾，在2 0 0 3 年 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 推出了国内第一款柴油轿车捷达s d i ，2 0 0 4 年推出了宝来t d i 柴油轿车。但与欧 洲和日本相比，差距还很大。至于柴油机的技术水平方面，差距就更大了。因此， 积极引进与开发包括轿车柴油机在内的车用柴油机，乃是我国汽车工业面临的一 项十分重要而艰巨的任务。【4 5 】 1 2 国外车用柴油机的现状与发展趋势 1 2 1 现状与发展趋势 从6 0 年代至今，世界车用动力的发展曾经历过三次向柴油机的转变，由最 初只限于在城市外围使用和仅作为重型汽车动力扩展到广泛应用于重型汽车、轻 型汽车和轿车领域，柴油机成为在车用动力中占主导地位的产品。特别是近2 0 年来，世界柴油机业迅速发展，以日本载货车为例：对1 9 8 9 至1 9 9 4 年日本载货 汽车生产的统计表明，进入9 0 年代后，虽然由于日本经济不景气，载货汽车的 年产量有逐年减少的趋势，但是其中轻型货车所占比例从1 9 8 9 年的5 4 3 逐年上 升至1 9 9 4 年6 7 。其中3 吨级以上的轻型车已全部配用柴油机，即使是2 吨级 以下的轻型车柴油化也逐年增长，1 9 8 3 年至1 9 9 2 年的1 0 年间增加了近两倍，已 达到4 0 8 。 目前，欧洲国家的1 0 0 重型车、9 0 轻型车采用柴油机，欧洲柴油轿车已 占轿车年产量的3 2 ，法国、西班牙等国更高达5 0 以上。美国市场的柴油车 销售量也在逐渐增加，2 0 0 2 年，美国市场柴油轿车的销售量达到3 1 2 2 0 辆，比 2 0 0 1 年增加了3 5 。戴姆勒克莱斯勒、大众、宝马、福特和通用等国际汽车巨 头都对美国的柴油车市场，特别是柴油轿车市场表现出极大的兴趣。人们逐渐认 识到柴油机是保持汽车大批量、低成本生产中解决环保与节能双重压力最有效、 最经济的手段之一。因此，无论是欧洲排放更为清洁的经济型轿车的开发，还是 美国“新一代汽车合作计划( p n g v ) ”，都无一例外地将柴油机作为最佳的选择方 案。 1 2 2 国外车用柴油机的先进技术 目前，欧美国家经过多年的研究，大量新技术得到应用，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 先进技术： ( 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效，能满足欧i i i 排放限值法 规的要求。 四气门结构( - - 进气二排气) 不仅可以提高充气效率，更由于喷油嘴可以居 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 中布置，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迸气道设计成两个独立的具有相同形状的结构，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、h c 和n o x 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机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量，提高燃烧的过量空气因数是降低大负荷 工况排气烟度、p m ( 颗粒) 排放量以及燃油消耗的有效措施。有效的空空中 冷系统，可使增压空气温度下降到5 0 以下，工作循环温度的下降有助于n o x 的低排放和p m ( 颗粒) 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p m 和c o 排放，还可以改善涡轮增压柴油机的瞬态性能和低速扭矩。 ( 4 ) 排气再循环( e g r ) 技术的应用 e g r 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c 0 2 及水蒸汽废气的热容量较大，能使燃 烧过程的着火延迟期增加，燃烧速率交慢，缸内最高燃烧温度下降，破坏n o x 的 生成条件。e g r 技术可使机动车n o x 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e g r 技术，因为其不仅能明显降低n o x ，还能保持其他污 染物的低水平。 ( 5 ) 后处理技术 柴油机后处理的目标是迸一步改善p m ( 颗粒) 和n o 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n o x 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中可减少c o 排放达5 4 ， h c 和n o x 排放达1 0 ，p m ( 颗粒) 排放减少1 4 4 7 。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。 ( 7 ) 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n o x 和p m 。目前美国报道这方 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 面进展较多，我国也在这方面进行研究，且已取得可喜进展。加水2 0 乳化柴 油( 7 0 天不分层) ，在大型柴油机上1 0 0 负载工况下，功率不减，节油明显，动 力输出比柴油上升4 3 ，且烟度和n o x 排放下降明显。然而，尽管这项技术对 低排放有好处，但其潜在的问题如水结冰、水对发动机的腐蚀等问题尚待解决。 ( 3 ) 降低机油消耗 柴油机排放的颗粒物中，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，最大限度地减少机油的消耗。 为了降低柴油机的机油消耗，活塞环的优化设计和制造及缸套问的科学配置非 常重要。f 6 7 】 1 3 课题开发背景、市场前景 1 3 1 我国车用柴油机与国际水平的差距 我国车用柴油机产品水平与国外相比总体上落后1 0 - 1 5 年，燃油喷射系统等 关键零部件仍严重制约整机产品的发展。排放法规方面中国正以大约迟于欧洲 5 8 年的速度推进，要实现从欧i i 到欧i 、欧的跨越还面临不少困难。差距 主要表现在： ( 1 ) 强化程度低反映在平均有效压力和升功率两方面的差距上。 ( 2 ) 外形尺寸偏大，重量偏重。 ( 3 ) 环保水平低烟度比国外同类机型高1 5 - 2 r b ，废气排放c o 、h c 和n o x 的限值只相当于国外十多年前的水平，p m ( 颗粒) 和噪声尚无相应法规限制。 ( 4 ) 可靠性和耐久性较差国外一般首次故障里程己超过5 万公里，第一次 大修里程已超过2 0 万公里。 从总体上来看，我国汽车发动机工业落后于世界汽车工业水平，而车用柴油 机更是个薄弱环节。与国外水平差距较大的主要原因在于技术储备不足，产品设 计和开发水平低，零件材质差和工艺装备陈旧也是其中重要的原因。 还有由于经费投入、管理机制和科研手段等多种原因，我国柴油机界对国际 柴油机的领先和关键技术掌握不够、自主开发能力不强、更难以有所创新和突破。 国外轻型车柴油机已普遍采用冷芯盒和高强度薄壁铸造技术，铸铁气缸体臂 最薄仅3 m m ，并大量应用压铸件，提高铸造精度，减轻重量。在冷加工方面，高 速精加工很普遍，大量采用了在生产线上自动测量、自动调整技术，大大提高了 加工精度和加工尺寸的稳定性。在装配调整方面，由于采用了自动扭矩组合扳手、 缸筒和轴瓦等主要摩擦副和自动分组测量、各密封部位的检查、以及整机各种参 数的冷试和热试检测设备与清洗设备的应用，使装配调整质量得到保证。 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 国外轻型车柴油机还采用了许多新材料，例如油封用含氟橡胶和复合材料； 镀铝、渗铝钢板；复合材料钢板；耐高温、耐磨损的气门材料；新的活塞环材料； 多元电镀轴瓦材料等都有广泛的应用。1 8 j 随着我国道路条件的迅速改善，用户对客、货运输效率要求的不断提高及国 内排放法规的陆续颁布和实施，高性能指标、高可靠性的新一代车用柴油机必须 加速开发、投产。中国唯有提高核心竞争实力，靠竞争生产出能与世界名牌产品 同台竞技的民族品牌，才能参与国际市场竞争。 1 3 2 课题开发背景和市场前景 ( 1 ) 课题开发背景： 随着国内汽车运输业的发展，市场对载重汽车的动力要求不断提高，国内某 汽车公司传统的6 1 0 0 型柴油机将完成历史使命而逐渐被6 b t 、6 1 0 2 和6 1 0 5 等柴 油机替代。 在当前激烈的市场竞争面前，各大柴油机生产厂家均在对6 1 0 2 、6 1 0 5 系列 柴油机做扩缸，增压、加冲程等方面的改进，以便更好的占领市场配额。对现存 的6 1 0 2 、6 1 0 5 1 型柴油机( 1 0 5 x l1 5 ) 来讲，要想长期与载重汽车公司配套下去， 必须做彻底的全面改进。在此背景下，1 9 9 8 年，为满足市场要求并充分利用现有 技术，国内某内燃机厂在6 1 0 2 柴油机基础上开发了6 1 0 5 增压柴油机，该样机于 2 0 0 0 年进行了性能和可靠性试验，但由于发动机拉缸、机油泵传动轴断裂等问题 而使可靠性工作无法完成。 本文根据某五吨平头载重汽车11 0 8 g 2 d 和五吨长头载重汽车1 0 9 2 f 2 d 动力 配置的需求及市场变化，在第一轮样机6 1 0 5 增压柴油机的基础上，解决其在可 靠性中暴露的发动机拉缸、机油泵传动轴断裂等问题，并进一步提高整机的动力 性和排放性能，对6 1 0 5 增压中冷柴油机进行了整机改进和开发。 ( 2 ) 市场前景 只要6 1 0 5 增压柴油机的性能和排放达到设计要求，它将与6 b t 发动机一起 构成某汽车公司中吨位汽车的不同档次、不同价位的动力配置，市场前景非常看 好。 1 4 课题研究目标和主要研究内容 ( 1 ) 本课题研究目标 6 1 0 5 增压柴油机是在6 1 0 2 型柴油机的基础上，吸收了湖北动力机厂和康明 斯发动机的先进结构和技术，并对第一轮6 1 0 5 样机进行完善而开发出来的。 通过本次研究，主要解决6 1 0 5 增压柴油机在可靠性中暴露的发动机拉缸、 机油泵传动轴断裂等问题，并进一步提高整机的动力性和经济性，使其动力性各 7 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 项指标均优于原机型，经济性指标中额定点最低燃油消耗率与原机型相当，排放 限值接近欧标准，使该机型在国内同类柴油机中具有领先水平。 ( 2 ) 主要研究内容 a 、确立6 1 0 5 柴油机的设计思想和主体改进方案。 b 、对6 1 0 5 柴油机的主要性能参数进行重新确定，部分性能指标进行优化。 e 、对6 1 0 5 柴油机的总体布置进行改进，使整体结构更优。 d 、对6 1 0 5 柴油机的关键零部件进行分析、校核。 e 、应用相似类比原理的思想和方法，参照6 1 0 2 柴油机，提出6 1 0 5 柴油机曲 柄半径增加后的平衡设计方案，使旋转惯性力的平衡达到曲柄半径增加前的同等 水平。 f 、对整机进行大量的试验验证。 8 重庆大学硕士学位论文2 整机性能的确定和总体改进 2 整机性能的确定和总体改进 对原机型6 1 0 2 柴油机的改进主要体现在：整机结构参数的重新确定、整机 性能参数的重毅确定、整机的重新总布置、各系统的改进、部分零部件的优化以 及增压器的选配等。 2 i 柴油机设计的主要指标、要求和目标 2 1 i 柴油机设计的主要指标 柴油机的主要指标包括动力性指标、 凑性指标和排放指标等方面。 ( 1 ) 动力性指标动力性指标包括： 压力、最大扭矩和最大扭矩的转速。 经济性指标、可靠性和耐久性指标、紧 功率、转速、活塞平均速度、平均有效 ( 2 ) 经济性指标柴油机的经济性指标通常都是以燃油消耗率和机油消耗率 来表示。 ( 3 ) 可靠性和耐久性指标柴油机的耐久性指标常以寿命来表示，它是指柴 油机从开始使用到第一次大修前累计的运动小时数。 ( 4 ) 重量与外形尺寸指标，或称为紧凑性指标。 ( 5 ) 排放指标主要指c o 、h c 、n o x 等废气排放要达到国家标准。 2 1 2 柴油机设计总要求 ( 1 ) 高的动力性能要求。 ( 2 ) 高的燃料经济性要求。 ( 3 ) 高的工作可靠性和足够的使用寿命。 ( 4 ) 结构紧凑，外形小，重量轻。 ( 5 ) 低排放要求。 ( 6 ) 三：化”要求即：产品系列化，零部件通用化，零件设计标准化。 2 1 3 开发总原则 ( 1 ) 采用废气涡轮增压技术。 ( 2 ) 对主要件和运动件重新校核和设计改进。 ( 3 ) 对供油系统、排气系统、冷却系统等进行设计改进。 ( 4 ) 使动力性指标与可靠性指标有机结合。 ( 5 ) 经济性好，环保指标如排放及噪声达到国家标准。 ( 6 ) 生产性好，努力提高“三化”水平，保证工艺的继承性，以最快的速度投 放市场。 9 重庆大学硕士学位论文 2 整机性能的确定和总体改进 ( 7 ) 配套对象明确，主要与5 吨载重货车配套。 2 1 4 开发总目标 ( 1 ) 整机动力、经济性水平位居国内同行业领先水平，排放满足欧i 法规要 求，整机具有达到欧i l 排放法规的潜力。 ( 2 ) 整机外形尺寸应同6 1 0 0 、6 1 0 2 柴油机机型相当，以使整机对悬置等稍 做更改即可完成机型换装，保证该机型同原有机型具有良好的外形互换性。 ( 3 ) 整机的开发尽可能考虑零件和生产设备的通用性，控制整机价格在2 5 万元以内，提高其性能价格比，增强整机在市场上的竞争力【s 引。 2 2 整机改进中确定主要设计指标的理论依据 2 2 1 动力性指标 内燃机的动力性指标是指内燃机的额定功率、额定转速、担矩和平均有效压 力等，这些指标是根据与之配套的使用要求而确定的。 ( 1 ) 额定功率 一台内燃机的功率，根据不同的使用要求，可以做出不同的规定，根据我国 国家标准( g b l l 0 5 - - - 7 4 ) 规定，汽车内燃机的功率为十五分钟功率( 指内燃机允 许连续运转十五分钟的最大有效功率) 。现代汽车内燃机为了满足在较大的范围 内变速、变负荷以及要求具备良好的加速性，一般汽车吨功率为4 扯- 5 1 5 k w ， 其中重型载重汽车吨功率一般为4 缸一7 5 k w ，而中、轻型汽车，特别是小轿车吨 功率可高达5 1 5 k w ，甚至更大。汽车内燃机的额定功率一般在1 5 - - - - 3 7 0 k w 左右。 ( 2 ) 额定转速和活塞平均速度 内燃机的额定转速和活塞平均速度是指内燃机在额定功率时的转速和活塞平 均速度。活塞平均速度也是决定内燃机高速性的指标。提高内燃机的额定转速与 活塞平均速度是提高内燃机单位体积功率的有效措施之一。但是随着转速提高， 单位时间内气缸所完成的工作循环的次数增加了，会使零件的受热程度加剧，而 且噪声增大；随着活塞平均速度的增加，作用于曲柄连杆机构零件的惯性力增加， 加速磨损，特别是活塞环和气缸套的磨损加剧，这将缩短使用寿命。此外，由于 提高了配气机构中的气流速度而增加了阻力，因此，在结构设计时，经常用活塞 平均速度作为指标。通常采用短冲程而提高转速，使活塞平均速度在不至于过高 的情况下来提高内燃机的单位体积功率。 现代汽车内燃机的额定转速在2 0 0 0 - - 3 0 0 0r r a i n 之问( 个别小排量、短冲程 汽车内燃机的额定转速达到4 4 0 0r r a i n ) ，活塞平均速度一般在7 5 一1 2 5r i g s 之 间。 ( 3 ) 平均有效压力 1 0 重庆大学硕士学位论文2 整机性能的确定和总体改进 内燃机在额定功率时的平均有效压力是表示内燃机整个工作过程完善性和热 力过程强烈程度的重要参数之一。它决定于混合气体形成的方法、燃料的种类、 混合气形成的过程、燃烧过程与换气过程的质量、机械效率、进气压力和温度以 及内燃机的冷却方式与冲程数等。提高平均有效压力是目前提高内燃机单位体积 功率的有效措施。目前内燃机提高平均有效压力的方法，除了改善混合气形成过 程、燃烧过程和换气过程质量以及减少内燃机的机械损失等之外，对于柴油机来 说，最主要的是采用增压的方法。由于提高平均有效压力的同时，必须解决一系 列技术上的困难问题，因此，平均有效压力的大小在一定程度上反映了所设计内 燃机的先进程度。 现代汽车内燃机在额定功率时的平均有效压力一般在0 扣如9 m p a 之间 ( 4 ) 扭矩 内燃机的额定功率和额定转速确定之后，在额定工况下的扭矩也就确定了。 但是，内燃机除对功率和转速有要求外，还要求具有一定的扭矩储备，即具有较 好的扭矩特性。扭矩特性一般用扭矩储备系数( 又称扭矩适应性系数) k 。和转速 适应性系数i ( n 及两者的乘积总适应系数k 来表示，即 k 。= 最大扭矩，额定工况时的扭矩= m ，m 。 l ( n = 额定转速最大扭矩时的转速= n 。俏。； k = k 。磁 扭矩适应性系数越大，内燃机适应外界阻力变化的能力越强。对车辆来说， 可减少换档次数，减轻驾驶员的疲劳程度。转速适应性系数越大，则工作越稳定， 对车辆来讲，可以减少变速箱的排档数，从而简化传动结构。 现代车用柴油机的适应性系数的范围：k 。为1 0 5 一1 2 ，k 0 为1 5 _ - 2 ，k 为 1 6 - 2 4 。 2 2 2 经济性指标 内燃机的经济性指标通常都是以燃油消耗率和机油消耗率作为内燃机经济性 的主要指标。 ( 1 ) 燃油消耗率 内燃机的燃油消耗率是随运转工况的不同而变化的，一般常以额定工况时每 千瓦有效功率每小时所消耗的燃油的克数作为衡量指标( 有的采用外特性最低的 燃油消耗率作为衡量指标) 。燃油消耗率主要与内燃机的工作过程、燃烧室结构 以及机构效率等有密切关系。 现代汽车在额定工况时的燃油消耗率一般在2 6 5 - - - 3 4 0 9 k w h 之间，柴油机在 额定工况时的燃油消耗率一般在2 1 5 - - - 2 7 0 9 k w h 之间。 ( 2 ) 机油消耗率 重庆大学硕士学位论文2 整机性能的确定和总体改进 内燃机的机油消耗率。是以内燃机在额定工况时每千瓦小时所消耗的机油量 的克数来表示。它与活塞的密封性以及轴承的设计有密切关系。 现代内燃机在额定工况时的机油消耗率一般在0 g 4 鲫帆h 之间。 2 2 3 紧凑性指标 内燃机的紧凑性指标，通常是指内燃机的重量和外形尺寸指标。它是评价内 燃机结构紧凑性和金属材料利用程度的一个指标。汽车内燃机对重量和外形尺寸 的要求都是尽量小。 衡量内燃机重量的指标是比重量。衡量内燃机的外形尺寸指标是单位体积功 率。 2 2 4 可靠性与耐久性指标 内燃机的可靠性是指内燃机在设计规定的使用条件下，具有持续工作、不致 因故障而影响内燃机正常工作的能力。可靠性指标通常是以在保证期( 有的称为 保险期) 内不停车故障次数、停车故障次数以及更换主要零件和非主要零件的数 目来表示。 现代汽车的保证期一般在1 5 0 0 - - - - 2 0 0 0 小时之间。目前，一般还只采用保证期 中的故障情况以及使用寿命作为衡量内燃机可靠性指标，并以使用寿命作为衡量 内燃机耐久性的指标。 使用寿命是指内燃机从开始使用到第一次大修前累计运转的小时数，或车辆 行驶的公里数。内燃机的大修期一般决定于气缸套和曲轴磨损到达规定极限的时 间( 即此时内燃机不能继续正常工作) 。 载重汽车柴油机的使用寿命一般在( 3 0 - - - 6 0 ) x 1 0 4 k m ( 约7 5 0 0 h - - - 1 5 0 0 0 h ) 之间。 2 2 5 适应性指标 内燃机的适应性指标是指适应不同地理条件、不同气候条件的工作能力以及 适应多种燃料的能力。 适应不同地理条件的能力，通常是指内燃机适应高原工作的能力、适应风沙 泥泞等恶劣环境的能力以及在倾斜路面运转所能达到的坡度等。 适应不同气候的工作能力，是指内燃机在高温地区不会过热，在高寒地区能 够迅速起动。汽车内燃机一般要求能够在d ：4 0 。c 气温范围内良好地工作。 适应多种燃料的能力，是指内燃机能够使用柴油、汽油、煤油等不同的燃料 来工作。 2 2 6 运转性指标 内燃机的运转性指标，主要是指操纵使用是否方便，运转是否平稳，起动性 与加速性的好坏以及嗓声与排放污染的情况等。 操纵使用方便是指使用人员不需要很特别的专门技能，可方便操作、维护、 1 2 重庆大学硕士学位论文2 整机性能的确定和总体改进 保养。 运转平稳是指内燃机的平稳性良好，振动小。 起动性好即指内燃机起动迅速可靠，一般内燃机要求在5 气温下不附加任 何辅助装置就能顺利起动，而在更低的温度下( 低3 1 u - 4 0 c ) 利用一些辅助装置也 能迅速起动。 内燃机加速性的好坏，一般是以内燃机从惰转达到全负荷的时间长短来表示。 对于车用内燃机，这个时间要求愈短愈好。目前汽车内燃机，一般在5 - 1 0 s 之间 就可以从惰转达到全负荷。 噪声对人体有害。国际标准组织提出，为保护听力，每天工作8 h ，容许的噪 声为9 0 d b ( a ) ，工作时间减少一半，容许值可提高5 d b ( a ) ，在任何情况下不允许 超过1 1 5 d b ( a ) 。现代内燃机的噪声一般为8 5 - 1 1 0 d b ( a ) 。有的国家比较严格，规 定不超过7 5 d b ( a ) 或8 0 d b ( a ) 。 为了防止大气污染，很多国家对汽车内燃机排放出的废气中的有害成分都有 明确限制。目前，国内汽车内燃机的排放均执行汽油机怠速时c o 、h c 排放浓 度限值、柴油机自由加速烟度排放和汽车柴油机全负荷烟度排放等国家 标准【1 0l l l 。 2 3 整机主要结构参数的确定 2 3 1 气缸数的选择 根据各种不同气缸数对车辆的适应程度的分析，由于直列6 缸具有最好的动 力学平衡性和增压排气脉冲能量利用率，并参照原机型，因而气缸数选择为6 缸 型。 2 3 2 气缸直径的确定 内燃机的基本公式 = 警= 7 8 5 4 l o - 4 i c m p , , , , d 2 f ( k r e ) ( 2 1 ) 其中：艮有效功率( k w ) i - 发动机气缸数 f 一发动机行程数 c f 一活塞平均速度( m ，s ) p “平均有效压力( m p 。) 呲缸直径( m m ) v 广- 气缸工作客积( l ) 从上式可见，四冲程的柴油机，当其活塞平均速度确定后，每个气缸的输出 1 3 重庆大学硕士学位论文 2 整机性能的确定和总体改进 功率p e 与p 。、d 2 成正比。而决定p 。的主要因素是充气方式、容积效率和工作 过程组织的完善程度等。 在确定完ifc 。p 。r 这些参数后，就可按下式直接算得充气缸 直径，然后圆整到符合国标所规定的标准尺寸。 。- j 丽羔西= 3 5 7 1 4 焉c m 聊， 晓2 ， 2 3 3 活塞行程s 与气缸直径d 比值的确定 活塞行程s 与气缸直径d 的比值s d ，是决定内燃机设计的基本条件，由此 可确定气缸直径d 及活塞行程s 这两个主要参数。 内燃机的有效功率为 只：攀( k i v ) ( 2 3 ) 由此可得内燃机工作容积为： f 圪：3 0 。t p e ( 三) ( 2 4 ) ，量r ，脚 由式可见，在选定内燃机型式之后，冲程数f 与气缸数i 就相应确定；平均有 效压力p 。的值可确定，这样，初步确定转速n 之后，即可根据所要求的功率p 。 计算出每一气缸的工作容积。由于气缸工作容积 圪= 冬d 2 s ( 2 5 ) 其中：d 气缸直径( n a n ) s 一一活塞行程( n l n l ) 由于同一的值可以由不同的气缸直径d 和活塞行程s 组合而成。要正确确 定出d 和s 值，必须正确确定活塞行程s 与气缸直径的比值s d 。这一参数的确 定，对内燃机结构与性能有重大影响。当每一气缸工作容积一定时，应采用较小 s d 值。因为采用较小的s d 值有以下优点： ( 1 ) 可相应地提高内燃机曲轴转速而不至于使活塞平均速度超过许可值，因 而可以提高升功率。 ( 2 ) 可降低直列式内燃机的高度，因而可以减小外形尺寸并相应地减轻重量。 ( 3 ) 由于内燃机曲柄半径减小，曲轴主轴颈和曲柄销轴颈的重迭度则增大， 因而刚度增加，应力状态改善。同时，连杆也可以短一些，这对其强度和刚度都 有利。 ( 4 ) 由于内燃机气缸直径的增大，气缸盖上的气道和配气机构的安排较容易。 这样，提高转速不仅不妨碍进气，丽且由于气门通道的加大还有可能改善进气条 件。 重庆大学硕士学位论文2 整机性能的确定和总体改进 然而，当采用较小的$ d 值，由于气缸直径的增大，热负荷、机械负荷和噪 声都加大。同时，由于单列式内燃机的长度主要决定于气缸直径，所以对于一般 直列式来说长度将增大。此外，较小的s d 值对燃烧室设计不利，而且对直流式 换气的换气品质将变坏。因此，在选定s d 值时必须适当。 现代汽车内燃机的s d 值一般在0 7 1 3 之间。在确定s f d 值之后，即可求出 d 与s 值。在求出d 值之后，应该使d 值符合国际所规定的标准尺寸系列，而 后再求s 值，并使s 值为整数值。最后，根据s 值与n 值计算出活塞平均速度 c 。 ( s r 9 3 0 ) 1 0 3 m s ，检查此值是否在选用范围之内。如c k 值超出了选用范围， 可以改变n ，重新计算值，再求d 与s ，使求出的c 。接近许可值。现代汽车 气缸直径一般在7 5 1 6 0m m 之间【”j 。 2 4 柴油机的数学计算分析 2 4 1 气缸工作容积的计算 内燃机工作过程计算中，发动机的主要结构参数，如气缸直径d 、活塞行程 s 、连杆曲柄比k 压缩容积v c 、压缩比等均作为已知数据输入，根据这些数 据即可算得气缸工作容积及其它几何参数。 瞬时气缸工作容积为： 肚等告+ 枣“) 一j 1j 1 埘咖2 ( 孟妒 旺6 ， 式中，曲轴转角妒从曲柄在上止点时取矿= o 算起。 气缸容积随曲轴转角的变化率