2.7T车用柴油机热力计算及高压共轨供油系统设计1

1、central south university本科生毕业论文（设计）题 目 2.7t车用柴油机热力计算及高 压共轨供油系统设计学生姓名 指导教师 学 院 专业班级 完成时间 年 月 日 2.7t车用柴油机热力计算及高压共轨系统设计摘 要：设计简要介绍了车用柴油机的组成，并详细进行了2.7t车用柴油机的参数及热力计算。采用四冲程，直列六缸，涡轮增压中冷，直喷燃烧室，压缩比为10.8。标准工况下，热计算和热平衡结果为有效功相当的热量占燃料总热量的48%。外特性参数结果为有效功率81.7kw,有效扭矩236.41nm，。燃料有效油耗176.8g/kwh。并且随着转速的提高油耗率先降低后升高，在20

2、00rpm时有最小值157.03g/kwh，每小时耗油量和机械损失压力随着转速的提高而增加。而后进行了高压共轨供油系统设计，其中喷油泵采用的是用负荷弹簧和旋转轴凸轮使柱塞运动的滑阀式喷油泵。喷油器选择4孔长型喷油嘴,出油阀选择等容式出油阀，输油泵选择活塞式输油泵，与国内外主流车型相比，在燃油经济性方面具有较大优势，排放能达到欧iii标准，零部件的设计加工比较容易，整车性能较稳定。理论结果表明，所设计的供油系统能够满足设计要求。关键词：车用柴油机；高压共轨；供油系统；喷油量2.7 t automotive diesel engine thermodynamic calculation and t

3、he high pressure common rail system designabstract:this paper introduces the composition of vehicle diesel engine briefly,and march the parameter and thermodynamic calculation of the 2.7 turbo automotive vehicle diesel engine in detail,the system use four cycle ,straight-four and turbo charging with

4、 inter-cooling,straight spray combustion chamber engines,the ratio of compression is .when standard conditions the parameter and thermodynamic calculation result is effective work considerable heat accounted for 47.2%of the total fuel heat.external characteristic parameter results are the effective

5、power is 80.4kw,effective torque is 233nm,effective fuel consumption rate is 179.6g/kwh.and as the rotational speed increases fuel consumption first decreased and then increased,when rotational speed is2000rpm,has minimum value 158.35g/kwh,per hour fuel consumption and mechanical losses pressure inc

6、reases as the rotational speed increases,then this paper designs of high pressure common rail fuel injection system.the injection pump is slide-valve fuel injection pump which causes the plunger movement by used load spring and the rotation axis of the cam,when standard conditions,injector select 4-

7、hole long style,outlet valve choice constant volume type ,oil pump choice piston type,when compares with the domestic and foreign mainstream vehicle type has a large advantage in fuel economy,and emissions can reach euro iii standards,parts easy to design and processing .the entire vehicle performan

8、ce is stable .theoretical results show that the design of the fuel supply system can meet the design requirements.key words：vehicle diesel engine;high pressure common rail;fuel system;fuel injection volume目 录摘要及关键词i absractii符号说明v1 绪论11.1 柴油机国外发展现状11.2 柴油机国内发展现状21.3 国内外典型车型数据对比22 方案选择及总体设计42.1 柴油机主要

9、参数的确定42.1.1 冲程数的选择42.1.2 汽缸数和布置方式的选择42.1.3 压缩比确定62.1.4 发动机额定转速62.1.5 行程及其与缸径的比值62.1.6 缸径和行程72.1.7 活塞平均速度82.1.8 曲柄半径与连杆长度比92.1.9 汽缸中心距及其缸径比确定92.1.10 发火次序的选择92.1.11 燃烧室的选择102.2 柴油机的总体布置102.2.1 柴油机总体布置的一般要求112.2.2 柴油机总体布置的选择112.3 本章小结123 热计算与热平衡133.1 热计算133.1.1 燃料燃烧及成分确定133.1.2 周围介质参数和剩余气体143.1.3 进气过程1

10、53.1.4 压缩过程173.1.5 燃烧过程193.1.6 膨胀过程213.2 工作循环参数223.2.1 发动机指示参数223.2.2 发动机有效指标233.2.3 发动机重要参数243.3 示功图的绘制263.4 热平衡303.5 外特性计算及曲线绘制323.6 本章小结364 高压共轨供油系统设计354.1 共轨喷油系统354.1.1 主要特点354.1.2 功能354.2 选型与计算374.2.1 喷油泵的选型与计算374.2.2 喷油器的选型与计算394.2.3 出油阀的选型424.2.4 输油泵选型424.3 本章小结435 总结与结论44参考文献46符号说明冲程数i气缸数压缩比

11、n转速，rpmcm活塞速度，m/s过量空气系数pa进气终了压力，mpapc压缩终了压力，mpat温度，ki指示效率ge有效燃料消耗率，g/kwhk膨胀绝热指数过后膨胀比ne有效功率，kwmey有效扭矩，nmg耗油量，g/hnn升功率，kw/hqo燃料的总热量，j/svn循环供油量，mm3/循环fc喷油器喷嘴孔面积，j/kg喷油速度，m/s下标a进气过程c压缩过程z燃烧过程b膨胀过程1 绪论1.1 柴油机国外发展现状日趋严重的能源危机，成为全世界内燃机行业关注的焦点，也使柴油机越来越受到用户青睐。柴油机被广泛应用于船舶动力、发电、灌溉、车辆动力等广阔的领域，尤其在车用动力方面的优势最为明显，全球

12、车用动力柴油化趋势业已形成。在美国、日本以及欧洲100%的重型汽车使用柴油机为动力。 在欧洲，90%的商用车及33%的轿车为柴油车。在美国，90%的商用车为柴油车。在日本，38%的商用车为柴油车，9.2%的轿车为柴油车。由bosch公司进行的一项柴油车产量调查显示12年美国产量接近180万辆，西欧930万辆，东欧120万辆，日本90万辆，中国170万辆均呈现上升趋势。与汽油机相比柴油机有很多优势：能减少20%25%的co2废气排放，车速较低时的加速性能更有优势，平均燃油消耗低25%30%，能提供更多的驾驶乐趣。因此，专家预测，在今后20年，甚至更长的时间内柴油机将成为世界车用动力的主流。世界汽

13、车工业发达国家政府对柴油机发展也给予了高度重视，从税收、燃料供应等方面采取措施促进柴油机的普及与发展。 但是，与汽油机相比，柴油机的排放控制又是一个难点。为满足排放标准，柴油机涡轮增压和高压共轨技术成为业内人士关注的焦点1。近20年来，涡轮增压技术不断普及，深入，有关涡轮增压的新技术，新理念，新应用不断应用，这是由于排放和噪音法规的大量出台和人们对涡轮增压技术的更高要求，车用涡轮增压技术迎来了黄金时代。涡轮增压的最大优点是它可以在不增加发动机排量的基 础上，大幅度提高发动机的功率和扭矩。一台发动机装上涡轮增压器后，其输出的最大功率与未装增压器相比，可增加大约40%甚至更多。此外，涡轮增压发动机

14、 的油耗也要低于同等动力输出的自然进气式发动机，这两方面的优点注定了涡轮增压发动机受到越来越多人青睐，不过比起自然进气式发动机，涡轮增压发动机显得更矫情一些，对工作环境和保养维护要求要更苛刻，如果没有正确使用和保养，不但不能很好的发挥涡轮增压的效果，反而会提高涡轮增压器的故障率。目前世界上主要有三大公司在研发和生产柴油机高压共轨系统，日本电装、德国博世和美国福特。共轨系统将燃油压力产生和燃油喷射分离开来，如果把单体泵柴油喷射技术比做柴油技术的革命的话，那共轨就可以称作反叛了，因为它背离了传统的柴油系统而近似于顺序汽油喷射系统。共轨系统开辟了降低柴油发动机排放和噪音的新途径2 。除此之外国外柴油

15、机应用的一些先进技术还有共轨与四气门技术，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3排放限值法规的要求。1.2 柴油机国内发展现状我国柴油机产业自20世纪80年代以来有了较快的发展， 随着一批先进机型和技术的引进，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。 我国重型柴油车的产量在逐年增

16、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，柴油车所占比例仍然非常低。以前柴油机行业投入不足，严重制约了生产工艺水平、规模发展和自主开发能力的提高。但是近年来国内一批具有自主知识产权的柴油机企业如潍柴、玉柴都正在快速发展，三一重工也正在筹划建立具有自主研发生产能力的柴油发动机事业部。以往柴油机车辆使用过程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。也是急需改进的地方3。前些年，高压共轨技术是外资一统天下，现在这种局面被打破了。 国内排放标准的提升促进了柴油机技术的发展和进步，部分企业在进行自主研发，如中国一汽无锡油泵

17、油嘴研究所、成都威特，在更严格排放标准要求下，除电控燃油系统外，发动机整机也引进了许多新技术。世界著名的汽车研发机构ricardo公司推荐在各排放阶段的发动机技术要求，从中可见共轨系统由于其独特的优势，是最具继承性和可持续发展的燃油喷射系统之一4。1.3 国内外典型车型数据对比几十年前，人们曾一度放弃了柴油车，那种体积大、噪声高、发出难闻气味的柴油机形象至今还留在许多人的记忆中。经过几十年的发展，现代的柴油机已成为一种排放清洁、节省能源的动力，是一种可行的过渡性技术解决方案。近年来，市面上涌现了许多使用柴油发动机的车型，在欧洲，柴油车销量已占汽车总销量的40%，美国市场的柴油车销售量也在逐渐增

18、加。本文选取了一些国内外具有代表性的主流柴油机车型，并对他们的性能参数进行对比，表1-1为一些典型国内外车用柴油机性能参数：表1-1 典型车型参数对比典型车型奥迪a6l路虎发现者4陆风x9动力类型2.7l v型6缸2.7l v型6缸2.8l 直列4缸增压类型涡轮增压涡轮增压涡轮增压排量(mm3)269827202771气门总数442压缩比10.81818.2缸体材料铝合金铝/铁铝/铁排放标准欧iv欧iv欧ii最大功率kwrpm-1140（190）/3300140/400062/3600最大扭矩nm350/1400-3500440/1900200/20000-100kwh-1加速时间s8.812

19、.713.8供油方式高压共轨直喷高压共轨直喷高压共轨直喷百公里油耗l6.810.47最高时速kmh-1222180135从上表中可看出，市面上主流柴油机车型一般采用废气涡轮增压系统，高压共轨缸内直喷燃油供给方式，本文中的设计也延续这一选择，国外的车型排放均已达到欧iv标准，而国内的只打到了欧ii标准，在排放方面还有很大的进步和提升空间，在油耗方面国内汽车也有一定优势，适合一般家用，经济实惠。本文设计参照奥迪a6 2.7t压缩比进行设计。缸体材料使用铝铁合金，为加工方便每缸气门数选择两个为宜，气缸数选择直列六缸为宜。2 方案选择及总体设计方案选择及总体设计是柴油机设计的重要环节，它决定新设计的柴

20、油机的生命力和前途；关系到新设计的柴油机是否能很好地满足设计任务书的要求。方案选择及总体设计的任务是根据不同方案优缺点的比较，确定所设计柴油机的冲程数、气缸数，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，进排气管布置5。2.1 柴油机主要参数的确定2.1.1 冲程数的选择在量大面广的中、小功率高速内燃机中，占优势的是四冲程内燃机，因为它与二冲程内燃机相比燃料经济性好，功率强化潜力大。二冲程内燃机的燃料和润滑油消耗较大，h

21、c排放严重，怠速和小负荷工况运转不够稳定，活塞组和气缸热负荷较大，气缸上的气口影响工作可靠性和耐久性。二冲程机如用扫气泵导致结构复杂，噪声较大；如用回流扫气则很难保证良好的扫气效率。但是，二冲程机在同样转速下作功频率比四冲程机高一倍，摩擦损失又小，升功率可高出5070，而且输出转矩变化较平顺。中、小功率高速柴油机宁可通过增压提高比功率，也几乎没有二冲程机的立足之地。因此，在本设计中选取四冲程柴油机（）。2.1.2 汽缸数和布置方式的选择内燃机的气缸数和气缸布置方式，对其结构紧凑性、外形尺寸比例、平衡性、单机功率、制造和使用成本等都有很大影响。在平均有效压力，和活塞平均速度 不变的前提下，缸数越

22、多(气缸尺寸越小)，升功率就越高。也就是说，多缸内燃机比较紧凑轻巧。同时，多缸机平衡性好，输出转矩均匀，飞轮尺寸较小，运转平顺，起动容易，瞬态响应快速。目前，除了摩托车类型的小排量柴油机和小功率农用柴油机采用单缸机外，绝大多数内燃机都用多缸结构。小轿车和轻型车除最小排量的车型用2缸或3缸外，绝大多数用4缸机，少数高级轿车用6缸机，极少数豪华轿车用8缸机。重型汽车则绝大多数为6缸柴油机，少数超重型汽车用8缸或12缸机。工程机械和农业机械用柴油机常用14缸结构，大功率者用6缸结构。内燃机车或舰艇等大功率高速柴油机多为12缸或16缸机。总而言之，在内燃机大家庭中，除了数量众多但总功率不大的单缸机外，

23、4缸机和6缸机占压倒多数，因为它们具有明显的综合优势。至于气缸布置，不超过6缸的内燃机绝大多数是单列的，其各气缸轴线所在平面与地面垂直居多，称为直列式内燃，或者为降低机器总高度而倾斜某一角度，称为斜置式内燃机，多用于高度限制较大的小轿车。少数单列式内燃机，其气缸轴线平面呈水平，或接近水平，称为卧式内燃机。这时机器总高度大大减小，可以布置在汽车底盘中部车箱底板下面，有利于改善汽车面积的利用率、操纵性(车轴负荷分布比较合理)和机动性，适用于大型客车，但它的保养和检修比较困难。重型车用6缸柴油机基本上都是直列式的，具有最好的平衡性和转矩均匀性，某些高级小轿车用的6缸柴油机多是v型的，v6机长度短，特

24、别适于在轿车机罩内横置，与整车匹配十分紧凑，但其平衡性不如直列6缸机。重型车用柴油机，通过加大单缸工作容积，加上高增压加中冷，直列6缸结构一般都已足够，很少用v8柴油机6。对置气缸式(双列卧式)内燃机虽具有长度短、高度低的优点，但因宽度过大、结构刚度差而很少应用（1）直列式 （2）v型式图2-1 汽缸布置方式本次设计采用6缸，直列式（）。2.1.3 压缩比确定压缩比是汽缸的总容积与燃烧室容积的比值。压缩比的大小表示了活塞由下止点运动到上止点时，气缸内的气体被压缩的程度。压缩比越大，压缩终了时气缸内气体的压力和温度就越高。压缩比的大致范围是：汽油机的压缩比=7-11；柴油机的压缩比=14-22。

25、由于汽油和柴油的物理和化学特性不同，汽油的自燃点要比柴油高，柴油的蒸发性要比汽油差得多。根据燃油的性质，汽油的燃烧选择点燃，柴油的燃烧选择压燃。压缩比对这两种燃烧方式都起着至关重要的作用。随着压缩比的增大，会使燃烧的热效率提高，也可以使进气效率提高，发动机的功率、扭矩增大，有效燃油消耗率降低。同时也会增加未燃混合气自燃的倾向，容易缠身爆炸；压缩比过大，热效率提高程度减慢，发动机燃烧粗暴，导致机件的机械负荷过大，排放污染严重。 发动机的压缩比的增大为发动机的性能的提高增加了可能。 压缩比的提高会对发动机的强度产生影响。适当的提高压缩比，采用高辛烷值的燃料，可以提高发动机的性能。过多的改变压缩比，

26、会产生爆燃现象，对发动机产生较大的伤害，发动机的寿命会急剧缩短。本次课程设计采用压缩比，涡轮增压中冷。2.1.4 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（10006000rpm）。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。本设计选用的柴油机额定转速为=3300rpm。2.1.5 行程及其与缸径的比值对一定的来说，当i、等已选定时，必须根据n和确定d和s，或根据vm和d确定n和s，在前一种情况下，要校核vm是否合适；

27、在后一种情况下，要校核n是否符合使用要求。在这里涉及活塞式内燃机的一个重要结构参数，即行程缸径比s/d。s/d对内燃机有多方面的影响：s/d对升功率的影响：当不变时，s/d减小意味着上升，因而与成正比的跟着增大，使内燃机更加紧凑轻巧。但当不是受限于而受限于其他因素不能随s/d的下降而升高时，上述结论便不能成立。例如，柴油机的燃烧过程往往受制约，而与无关，所以柴油机往往不利用减小s/d进行强化。s/d对燃烧室形状的影响：s/d小的短行程内燃机气缸余隙比较扁平，对压缩比高的柴油机尤其如此，使燃烧室有效容积比减小，燃烧过程较难组织。对汽油机来说，短行程机的燃烧室也显得不紧凑，燃烧较慢，且hc排放较高

28、。s/d对散热的影响：在其他相同的条件下，s/d下降使增大，使得传到气缸冷却水套的热量减少，活塞组零件的温度上升。风冷柴油机的研究表明，当时，总散热量的2/3由气缸盖传出，1/3由气缸筒传出；而当s/d=1.5时恰恰相反。在气缸筒上布置足够的散热片不难，但在气缸盖上则要困难得多，所以，风冷内燃机尤其不宜采用短行程结构。s/d对外形尺寸的影响：单列式内燃机的总长度主要决定于和，所以s/d小的短行程内燃机总长度较大。虽然它高度较小，但这一优点不太明显。因此，单列式内燃机应该用较大的s/d。对双列式内燃机来说，总长度一般决定于曲轴的轴向尺寸，气缸布置比较宽松，所以用短行程结构可以减小内燃机的高度和宽

29、度而不牺牲总长度，获得总体上更好的紧凑性。习惯上称s/d=1的内燃机为方形内燃机，s/d1者为长行程机。目前，车用汽油机的s/d=0.91.2。v形和其他双列式内燃机的s/d值一般要比单列式略小些，风冷机的s/d值一般要比液冷式略大些。本次设计选取行程缸径比s/d=1.06。2.1.6 缸径和行程由排量2.7l，而本设计气缸数i=6，由公式代入s/d=1.06，v=2.7l，得出:d=81mm，s=86mm，圆整得d=81mm，s=86mm。本次设计d=81mm，s=86mm。2.1.7 活塞平均速度是表征活塞式内燃机工作强度的重要参数。内燃机一般按高低分为高速、中速与低速三类。习惯上指9m/

30、s的为高速内燃机，=69m/s的为中速内燃机，6m/s的为低速内燃机。对内燃机性能、工作可靠性和使用寿命有很大关系，现简述如下:(1) 对性能的影响：当其他参数不变时与内燃机功率成正比。但是当内燃机结构不变时，进排气阻力与成正比，在内燃机摩擦损失中占最大份额的活塞组的摩擦损失平均压力与成正比。因此，的提高导致下降。(2) 对机械应力的影响：内燃机曲柄连杆机构由惯性力引起的机械应力近似与成正比。因为旋转惯性力和最大往复惯性力均与成正比，而受力面积与成正比，所以应力与，即成正比，后者与成正比。称为惯性负荷系数。对于行程缸径比相同的内燃机来说，应力与成正比。(3) 对热负荷的影响：内燃机气缸内单位时

31、间所发散的热量与功率成正比，因而与成正比。所以，气缸的热负荷，即单位时间、单位面积发散的热量与成正比。(4) 对磨损和寿命的影响：内燃机气缸活塞组的由气压力引起的磨损速率(指单位时间磨损体积)可认为与摩擦功率成正比，后者与气体作用力与的乘积成正比，因而与成正比。由惯性力引起的磨损速率则与成正比。综合起来，单位时间、单位面积的线性磨损量可认为与成正比，而与此成反比的使用寿命则与 (=13)成正比。也就是说，随着的提高，内燃机的寿命可能急剧下降。总之，选择新开发的内燃机的必须极其慎重，要以工作可靠耐久的现有产品的数据为依据。企图用提高来强化内燃机时，必须对结构作相应的改进，例如增大气门的有效流通面

32、积，减小进排气系统的流动阻力，开发在热负荷方面更可靠而且结构更轻巧、摩擦损失更小的活塞组，要改进材料的强度和耐磨品质，规定更高的加工精度，采取耐磨、耐腐蚀的表面处理等。在内燃机一百多年的发展史中，虽也逐年提高，但总的来说提高幅度很有限，说明提高这一参数背后隐藏着很多苦衷。目前，自然吸气高速车用汽油机的最大可达18m/s，而增压汽油机则限于15m/s 轻型自然吸气柴油机上限为14m/s，而重型大功率高速增压柴油机的一般限制在12m/s以下7。在活塞行程确定之后，活塞平均速度可由公式（m/s），求得，设计活塞平均速度为9.46m/s。本次设计活塞平均速度为=9.46m/s。2.1.8 曲柄半径与连

33、杆长度比连杆长度是内燃机最重要的尺寸参数之一，它不仅影响连杆本身的设计，而且影响内燃机的总体设计。从连杆本身的角度看，当然是越短越好，这样不仅增加连杆的结构刚度，而且缩小内燃机的总高度，减轻总质量。但l减小使二阶惯性力增大，活塞侧向力增大，增加活塞的摩擦损失和磨损。短连杆结构可能造成连杆与气缸下端干涉，曲轴平衡块与活塞裙相碰。目前，最短的连杆对应曲柄连杆比左右。短行程内燃机的相对较小，v形发动机由于平衡块很大，也较小。最小的左右，也就是说，连杆长度一般不超过活塞行程的2倍。本次课程设计的值取为0.30。由活塞行程可知曲柄半径=43mm，可知连杆长度=144mm。2.1.9 汽缸中心距及其缸径比

34、确定l0/d大小意味着发动机长度方向的紧凑性，它与柴油机的强化程度、汽缸排列和机体的刚度有关。缸心距的取值大小受以下几个因素的影响：（1）缸盖固定螺栓是否容易布置，如果缸心距选择较小，只能在相邻缸盖之间采用共同用的螺栓布置；（2）曲轴的曲柄臂的厚度和主轴颈、曲轴销的长度使主轴承有足够的承压面积，并保证曲轴有良好的强度和刚度，这些都和缸心距的大小有关；缸心距主轴颈长度+曲柄销长度+2曲柄臂厚度 （单位：mm）（3）汽缸套型式和水套的型式。从增加机体刚度着眼，目前高速汽油机缸心距有逐渐减小的趋势。小型高速柴油机的一般在1.16-1.22之间，最小可取1.14。本次课程设计采用=1.17，。2.1.

35、10 发火次序的选择柴油机的发火次序与柴油机的运转均匀性、主轴承和连杆轴承的负荷、轴系的扭振性能有密切的关系。随着汽缸数目的增加，柴油机发火次序可有更多的方案，选择发火次序时，主要考虑以下因素：（1）平衡性能和曲柄排列：发火次序和曲柄排列的关系密切，一定的发火次序具有相应的曲柄排列，曲柄排列确定后就决定了汽油机的平衡情况。（2）扭转振动性能：在不同的共振转速，扭振振幅的相对值决定于各临界转速下各缸输入能量的相对矢量的大小，而相对矢量和的大小部分地决定于单缸切向力简谐分量相对值的大小，并和扭振型式有关。（3）轴承负荷为减小轴承负荷，相邻两曲柄间的夹角应尽可能大些，相邻汽缸间发货间隔角也尽可能大些

36、。总之在选择发火次序的时候，首先考虑发动机的平衡和轴系的扭转振动，一般情况下，先按发动机的平衡性能，选择曲柄的排列型式，然后按扭振性能、轴承负荷和排气管布置来确定发火次序。根据本机特点，设计选取的发火次序为：1-5-3-6-2-4。2.1.11 燃烧室的选择燃烧室设计直接影响到发动机的充量系数，火焰传播速率及放热率，传热损失及爆燃，从而影响发动机的性能。燃烧室基本要求：（1）结构尽可能紧凑，充气效率要高，以减小热量损失及缩短火焰行程。（2）使混合气在终了时有一定涡流运动，以提高混合器燃烧速度，保证混合气得到及时和充分燃烧。（3）表面要光滑，不易结炭。选直接喷射式燃烧室，因为直接喷射式燃烧室的燃

37、油消耗率比分开燃烧室低5%-10%左右故本次设计采用直接喷射燃烧室8。2.2 柴油机的总体布置对车用柴油机来说，尤其轿车发动机，结构紧凑，自身质量轻十分重要。发动机高度决定轿车发动机罩的高度，因而影响车身外形的流线性和驾车者的视野。发动机的长度影响汽车的有效长度利用率。当发动机在汽车前部横置时，其长度还受轮距的限制。柴油机本身的质量，关系到原材料的消耗，在大量生产条件下对制造成本影响很大。对车用内燃机来说，减轻发动机质量同时减轻汽车底盘和车身质量，增大汽车的有效负荷，可以改善整车的动力性和经济性。同时，轻巧的动力装置为优化汽车轴间负荷分配提供方便，有利于汽车的通过性和操纵性。2.2.1 柴油机

38、总体布置的一般要求柴油机的总布置设计要绘制一系列总图，即纵横剖视图、各向视图和重要的局部剖视图、局部视图。在这些图中应能显示内燃机的主要零部件，如活塞连杆组、曲轴飞轮组、机体和气缸盖等；显示所有辅助系统和附件，如供油、润滑、冷却、起动系部件，进排气管等，以及由汽油机驱动的液压泵、真空泵、空压机、发电机等。总图的最终绘制和主要零部件的细化设计往往需要平行地交互地进行，各自经过多次反复后才能完成。各附件的布置对柴油机的外形尺寸和工作可靠性、使用方便性都有很大影响。应在保证拆装、维修方便的前提下，尽可能直接可靠地固定在机体和气缸盖上，并且不使任何附件过于突出。要尽量减少传动齿轮、传动带和带轮以及链条

39、和链轮的数目。尽量不用外接的机油管和冷却液管，而采用在零件上开通道代替，以减少泄漏的可能。尽量用o形密封圈代替密封衬垫。减少零件数不仅改善可靠性，而且有利于降低成本。2.2.2 柴油机总体布置的选择（1） 凸轮轴的布置：直列式汽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，应尽可能靠近汽缸的中心线。本设计凸轮轴布置在汽缸盖上部，直接驱动气门，其配气结构质量小，适用于高速汽油机。（2）喷油泵的布置：本设计采用一只整体泵，布置在汽油机侧面，喷油器和喷油泵布置在同侧，缩短高压油管的长度。（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

40、护保养，且多用于汽油机。（4）机油泵的布置：机油泵的布置与其传动方法、机油管路布置及其汽油机的用途有关。本设计中机油泵布置在主轴承盖上，有主动齿轮通过惰齿轮传动，这种布置的优点是机油泵无需油封结构，轴承润滑条件好，机油泵安装位置较低，汽油机起动后，瞬时即能吸上机油。（5）水泵的布置：本设计采用离心式水泵。为避免水漏入机体导致机油变质，在水泵体上设有旁泄孔，漏出封水圈的水可由旁泄孔排出，以便及时发现漏水并加以检修。通常将水泵布置在汽油机的外部。（6）进排气管的布置：本设计中将直列式汽油机的进排气管分别布置在汽油机的两侧，它有利于汽缸盖进排气管道的流通，进排气管拆装也方便9。2.3 本章小结本章主

41、要介绍了车用柴油机总体方案的设计方法。其中包括气缸数、压缩比、额定转速、活塞平均速度、气缸直径等参数的的具体设计和计算方法。这一章里把冲程数、体积流量、等参数作为初始已知数据，经过给定的方法，计算出活塞行程气缸直径曲柄半径等初始数据，本设计采用涡轮增压中冷，选择直接喷射燃烧室，一些参数选择结果如表2-1。表2-1 方案选择结果技术参数选择结果技术参数选择结果冲程数4活塞平均速度cm/(ms-1)9.46气缸数i6曲柄半径与连杆长度比0.3压缩比10.8曲柄半径43额定转速n/(rpm)3300连杆长度l/(mm)144行程缸径比s/d1.06气缸中心距与缸径比1.17气缸直径d/(mm)81气

42、缸中心距lo/(mm)95活塞行程s/(mm)86发火次序1-5-3-6-2-43 热计算与热平衡柴油机的主要参数是通过对其进行热计算而得到的，因此，在设计发动机时，首先要选取一些基本参数并对其进行热计算，在计算中要引进一些必要的基本原则作为选取原始参数的依据，无论是柴油机的热计算，还是柴油机的后续计算都可以采用这些参数。对于车用柴油机的热计算，其主要设计参数为四个气缸，热计算用分析法可以有足够的准确程度来确定新设计的柴油机的主要参数以及校核现实工作柴油机实际循环的完善程度。本章节将从以下几个方面来进行技术分析：燃料、工质参数、周围介质参数和剩余气体、进气过程、压缩过程、燃烧过程、膨胀过程、工

43、作循环指示参数、发动机有效指标、柴油机示功图的绘制、热平衡、柴油机外特性计算等。3.1 热计算3.1.1 燃料燃烧及成分确定燃料的平均元素成分和分子量：c=0.870 h=0.126 o=0.004燃料低热值：=42860j/kg（1）工质参数燃料1kg柴油燃料，理论上所必须的空气量 (3-1) (3-2)过量空气系数是燃烧1kg燃料时，实际空气量与理论必需空气量lo之比。降低值是强化发动机工作过程的有效方法之一。对于给定功率的发动机，减小过量空气系数，则可以减小气缸尺寸。但是随着的降低，会引起燃料燃烧不完全，恶化了经济性，并增大了发动机的热应力。可知，增压柴油机的取值范围一般是1.61.8之

44、间。本设计中=1.7。（2）可燃混合气新鲜充量在=1.7 ，=0.85 kmol/kg (3-3)（3）燃烧产物单独成分数量 =0.0725 kmol/kg kmol/kg =0.728 kmol/kg =0.6732 kmol/kg式中：0.208为1kmol容积的空气中氧气所占的比例；0.792为1kmol容积的空气中氮气所占的比例。（4） 燃烧产物的总量 =0.8815 kmol/kg (3-4)表3-1 燃烧产物的成分质量 n8001.460.50.730.0480.5780.07250.0630.761520001.460.50.80.0620.6340.07250.0630.831

45、533001.70.50.850.7280.6730.07250.0630.881535001.670.50.840.0620.6610.07250.0630.85923.1.2 周围介质参数和剩余气体在增压发动机工作时，参考本机特点及柴油机一般参考资料，选取参数如下：（1）周围环境压力：=0.1mpa，周围环境温度：=293k（2）周维介质压力：采用中度增压，则（3）周围介质温度即压气机后的空气温度为：h (3-5)式中，为压气机（增压器）中空气的压缩多变指数，根据文献资料，取值范围为1.42.0。此处取，则有，k。（4）剩余气体压力：由文献知道，对废气涡轮增压的汽车柴油机来说，其残余废气压

46、力为: ，曲轴转速高的发动机取大些。这里取=0.960.17=0.163mpa。对于其他转速工况， (3-6)式中，为额定工况下的残余废气压力mpa；为额定工况下的曲轴转速，rpm，带入数据，得=4.12。（5）残余废气温度残余废气的温度是根据发动机型式、压缩比、转速及过量空气系数等因素决定的，其值处于下列范围：柴油机600900k。在确定的过程中必须注意到，当压缩比提高和工作混合气加浓时，残余废气的温度便下降，而发动机曲轴转速升高时则值升高。本设计取值额定工况=750k。3.1.3 进气过程充气过程中，因为充量收到发动及热零件的预热，所以新鲜充量的温度稍有升高。为得到良好的发动机充气，在标定

47、速度工况上，对于增压柴油机，新鲜充量的预热温度t的数值一般为-5+10。这里取额定工况时t=6。而其他转速工况， (3-7) 式中，和分别为发动机在额定工况下的工作时的温升和转速。（1）进气的充量密度 (3-8) 式中：为进气充量密度，；为气体常数，=287j/kgk;其余符号如前所述，代入得：（2）进气压力损失由于进气系数阻力和气缸中充量运动速度的衰减所引起的压力损失，采用某些假设后可以由伯努利方程求得： (3-9)现代汽车柴油机在额定工况下：=2.54.0及=50130m/s，对于进气系统加工过的内表面，可以=2.7和=70m/s计算得=0.011mpa。这是根据发动机速度工况和考虑到在增

48、压和非增压柴油机的进气系数不大的流体阻力来选取的。 ( 3 ) 进气终了压力 (3-10)式中：为进气终了时压力，单位为mpa；为进气压力损失，单位是mpa；其他符号如前所述。（4）剩余气体系数（残余废气系数）残余废气系数表征了柴油机气缸中燃烧产物的排净程度。值增大，即表示进气过程中进入气缸的新鲜充量减少。若不考虑扫气及过后充气 式中：为初始温度，单位为k；为标定速度工况上温度变化量k；为压缩比；c为剩余废气系数；其余符号如前所述。四冲程发动机的值与压缩比、进气终了时的工质参数、转速及其他许多因素有关。随着压缩及残余废气温度tr增大而减小，随着残余废气压力和转速n升高而增大增压柴油机值接近于0

49、。(5)进气终了温度 (3-11)式中：为进气终了温度，单位为k；其余符号如前所述。 值主要取决于工质的温度，残余废气系数、以及充量被加热的程度，在较小的程度上也与残余废气的温度有关。现代四冲程发动机的进气终了温度的范围为320400k。(6)充量系数充量系数是表征进气过程特征的最重要参数，它是进入气缸的实际新鲜充量的数量，与气缸内温度与压力与周围介质或吸入气缸前的介质温度和压力相等时，气缸工作容积中可能容纳的充量的数量之比，是衡量内燃机充气性能的一个重要指标。不考虑扫气和过后充气的四冲程柴油机充量系数为： (3-12)式中：为充量系数；其余符号如前所述。充量系数值的大小，主要取决于柴油机的冲程、高速性及配气系统的完善程度。计算结果如表3-2：表3-2 进气过程参数转速n800200033003500残余废气压力pr/mpa0.1061370.119980.1630.15397进气压力损失/mpa0.00050.00310.0110.014进气终了压力pa/mpa0.16950.16690.1590.156残余废气温度tr/k600650750760新鲜充量温升/k86.865.3残余废气系数0000进气终了温度ta/k361362367369充量系数(%)91.889.983.382.23.1.4 压缩过程压缩过程的计算，归结为求解压缩过程的平均多变指数n1、压缩终了的参