矿山机电毕业论多缸柴油机机体的设计

1、毕 业 设 计（论文）（说 明 书）题 目：多缸柴油机机体的设计姓 名： 张春晖 编 号： 90702273 平顶山工业职业技术学院 年 月 日平顶山工业职业技术学院毕 业 设 计 （论文） 任 务 书姓名 张春晖 专业 矿山机电专业 任 务 下 达 日 期 年 月 日设计（论文）开始日期 年 月 日设计（论文）完成日期 年 月 日设计（论文）题目： A·编制设计 B·设计专题（毕业论文） 指 导 教 师 系（部）主 任 年 月 日平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）答辩委员会记录 系 专业，学生 于 年 月 日进行了毕业设计（论文）答辩。设计题目： 专题（论文）题目：

2、指导老师： 答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生 毕业设计（论文）成绩为 。答辩委员会 人，出席 人答辩委员会主任（签字）： 答辩委员会副主任（签字）： 答辩委员会委员： ， ， ， ， ， ， 平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）评语第 页共 页学生姓名： 专业 年级 毕业设计（论文）题目： 评 阅 人： 指导教师： （签字） 年 月 日成 绩： 系（科）主任： （签字） 年 月 日毕业设计（论文）及答辩评语： 摘要柴油机具有热效率高的显著优点，其应用范围越来越广。随着强化程度的提高，柴油机单位功率的重量也显著降低。为了节能，各国都

3、在注重改善燃烧过程，研究燃用低质燃油和非石油制品燃料。 现代的调整高性能柴油机由于热效率比汽油机高、污染物排放比汽油机少， 作为汽车动力应用日益广泛。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。 本文介绍了柴油机发展状况以及国内外的发展水平，对柴油机做了从整体到局部的分析。结合我国柴油机的研究成果，对柴油机机体进行改进的设计方法和特点进行介绍，并通过对柴油机体结构的改进，在性能试验上进行比较分析，为柴油机的改进设计提供了新的思路。关键字：柴油机 ；内燃机；机体；设计分析Abstract目录前言.11国内外柴油机发展状况.61.1柴油机的发展历史

4、.6柴油机的产生.61.2国外柴油机技术的现状与发展.6共轨与四气门技术.6高压喷射和电控喷射技术.6增压中冷技术.6排气再循环（EGR）技术的应用.6后处理技术.6柴油.7乳化柴油的应用.7降低机油消耗.71.3我国柴油机产业的现状与发展.81.4柴油机未来发展.10李斯特研究所(avl)观点概述.10里卡多公司观点概述.121.5柴油机技术发展现状分析.14泵喷嘴技术.16单体泵技术.17高压共轨技术.182柴油机的工作原理.202.1二冲程柴油机的工作原理.20横流换气的二冲程柴油机.242.2四冲程柴油机的工作原理.26 进气冲程.27 压缩冲程.27 燃烧膨胀冲程.28 排气冲程.2

5、93柴油机的总体设计分析.303.1曲轴.30曲轴整体的精细分析.30计算模型.30 3.1. 3曲轴与机体连结的处理办法利用主从关系.30 3.1. 4曲轴的计算工况.303.1. 5曲轴的动力学计算.31 3. 2连杆.31 3. 2.1连杆的精细分析.31 3. 2.2连杆方案设计的计算模型.31 3. 2.3连杆各种装配预紧力的施加.32 3. 2.4连杆最后校核计算时的计算模型.323. 2.5工况与载荷.32 3. 3活塞.33活塞的精细分析.33活塞的温度场分析.33组合活塞温度场计算.33活塞的静力分析.33计算模型.34计算载荷.34 3. 4气缸盖.34 关注的问题.34

6、计算模型.35 缸盖的计算.35 缸盖螺栓装配预紧力的施加.35缸盖的机械负荷计算工况.35 3. 5机体.35机体的精细分析.35机体的计算模型.36机体的计算载荷.36机体的计算工况.36 3. 6增压器涡轮机转子.37 增压器涡轮机转子的精细分析.37 作用载荷.37计算模型.37 3. 7增压器压气机转子.38增压器压气机转子的精细分析.38压气机计算的特点.38作用载荷.38计算模型.38 3. 8叶轮.38叶轮的弹塑性计算.38 预超速制造工艺.394柴油机机体的总体设计.40 4.1机体的概况.40 4.2机体工作条件.41 4.3机体设计要求.41 4.4机体基本尺寸.42 横

7、向尺寸.42 纵向尺寸.42 机体壁厚.43机体具体结构的设计要点.444.5 整机主要设计结构参数确定.45 气缸数的选择.45 气缸直径的确定.45 活塞行程s与气缸直径D比值的确定.464.6 柴油机的基本计算分析.48 瞬时气缸工作容积的计算.48 发动机整机性能参数计算.484.7机体加工工艺过程.51 全线工艺流程图如下.515总论和展望.53 5.1 全文总结.53 5.2 展望.54参考文献.55致 谢.56 1国内外柴油机发展状况1.1柴油机的发展历史柴油机的产生1.2国外柴油机技术的现状与发展 共轨与四气门技术 高压喷射和电控喷射技术 增压中冷技术 排气再循环（EGR）技术

8、的应用 后处理技术 柴油 乳化柴油的应用 降低机油消耗 1.3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。 （1）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，柴油车所占比例仍为零。而另一方面，我国中型柴油机市场已呈现供

9、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平、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，整体技术水平落后于国际先进水平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。 （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

10、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。 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，鼓励和支持技术先进柴油车的使用；做好车用柴油机发展的全面规划，有步骤、有计划地解决技术水平落后、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，开展重点科技项目的攻关工作；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

11、车用柴油标准。 科技部、中国内燃机、中国汽车工程学会、大众汽车公司以及国内柴油机生产企业等国内外知名汽车专家们呼吁：应当用一分为二的观点来看待各种车用动力的发展，以完善的法规、科学的政策引导车辆的使用，以是否满足标准限值作为衡量一个产品能否在市场销售的唯一标准，有效发挥各种车用动力形式在不同运输环境中的作用。我国柴油机技术的攻关重点应放在电控技术、排放后处理技术、整机开发和匹配技术等关键技术研究和材料开发上；提高柴油品质，为各类柴油机新技术的应用奠定基础；把高速公路使用8吨以上柴油载货车作为我国柴油车发展的重点，并为发展柴油轿车做好前期准备。1.4柴油机未来发展李斯特研究所(avl)观点概述

12、高速柴油机一直朝着为节约燃油、高可靠性和高耐久性、低生产成本及低排气污染的方向发展。这些要求对于商用车辆和其它重型车辆，经济性和可靠性居于首位，因此大多采用高效率的直喷式柴油机。对于客车和其它轻型车用的柴油机主要采用涡流室式和预燃式等非直接喷射式柴油机。但由于燃料危机，为轻型车取得更好的燃油经济性，结果也促进了高速直喷式柴油机的发展。（1）改进进气道设计，提高气体流速和利用有效涡流提高容积效率；（2）改善燃油与空气混合的新型燃烧室;（3）改进喷嘴设计，使其更好地与燃烧室匹配；（4）通过涡轮增压，利用排气能量；（5）提高涡轮增压效率，特别是改进后弯曲叶轮压缩机，使柴油机效率和比功率提高；（6）中

13、冷增压技术的发展，可使涡轮增压柴油机得到更高的功率输出。这些成就由于加速了燃烧过程，可以获得更高的功率和更低的油耗。然而，今天的柴油机之所以有较低的比油耗，也与改进柴油机结构设计分不开，如采用轻型活塞、减少活塞环数量、采用小型轴承和更先进的曲轴平衡技术等。当然，这些成就是经历了半个多世纪的发展才取得的。燃油经济性在柴油机发展过程中始终保持它的重要位置。然而，有害废气排放的限制，今天已占据了首位。面临这些挑战，燃料喷射系统是关键性的，特别是电子控制。为减少摩擦损失，还需要改进活塞和活塞环，采用陶瓷和高强度纤维或复合材料等新材料，改进润滑方式，以及减少气门组附加损失等。涡轮增压技术是发展重点，其目

14、标仍是可提高柴油机效率的可变涡轮形状、两级涡轮增压和中冷增压。由于复合增压装置可使燃油经济性得到普遍的改善，因此增压技术也可能应用于轻型柴油机。为降低车用柴油机噪声，精心设计喷射系统和燃烧室，并使之趋向于完全燃烧。另外，有限元分析法可使燃烧室和活塞传递到柴油机表面的噪声最小，隔噪和屏蔽也可以减小辐射和噪声。 使通过改进燃烧系统可得到很低的排放污染，但排放有害物的收集和处理仍是当前柴油机发展的主要内容。因为在80年代末和90年代初，各国都对有害物排放标准的限制十分重视。燃油经济性、有害排放物及油品的挑战要求有更为复杂的仪器和设计，因而生产成本在世界汽车市场竞争中十分重要。未来的发动机将通过设计尽

15、可能降低生产成本，这就要求部件标准化和生产自动化。当然成本观念中也要考虑维修和备件所占的比例。未来的挑战取决于计算机技术、测试技术和分析技术。有限元分析法也已经延伸到柴油机动力学和声学领域，新的模拟技术可分析活塞在任意位置时气缸内气体的三维流动结构，从而可揭示燃烧过程中燃油喷射和混合气的形式。激光多普勒风速计成功地应用于柴油机研制和辅助摸拟技术，高速照相技术的新进展可直接观察燃烧实况，且不影响柴油机的燃烧过程。自动化试验台试验数据的迅速采集和处理，有助于更快地评价设计参数变化所产生的效果。这些新工具的应用，将加深对柴油机复杂燃烧过程和状况的认识，从而提高未来高速柴油机的设计质量和产品质量。里卡

16、多公司观点概述柴油燃烧系统的发展与燃油喷射密切相关，里卡多慧屋燃烧系统已经取得了领先的发展。它通过改进燃烧理论，促使了涡流燃烧室结构优化，并减小了能量损失，提高了燃油经济性。近来喷油器和电热塞的微型化，使它们在涡流燃室上的安装有更大的自由度。由于柴油机比汽油机经济性好，所以它已应用于轻型车。随着对燃烧认识的深化而导致的平稳燃烧系统、紧凑型四气门燃烧室和复杂工况下三元催化剂的控制，也使近几年汽油机的燃油经济性得到改善。面对这种挑战，直喷式柴油机如何在轻型汽车上开发应用还必须加强。这就要求常规的燃烧室形状，根据载荷要求和转速负荷范围成比例的缩小。如果使用足够小的喷油器孔，能够在柴油机低速低负荷下使

17、燃油雾化良好，那么按全负荷所需的喷油量喷射也是可行的。但轻型客车上常使用的喷油泵-油管-喷油器难于满足要求，而整体式喷油器却具有优势。因为它应用可变小口柱针式喷嘴，无须用直喷式系统那样的喷射压力，湿壁油膜燃烧系统也能平稳地燃烧，这在冷车怠速状况下很重要。尽管以上三种燃烧系统现阶段还不能预测其市场。但无论使用哪一种系统都属于电子控制燃油喷射系统，它通过计算机的控制，可保证可靠的燃油经济性及较低的排放物和噪声。人们也希望计算机能控制喷射率，以进一步降低噪声。涡轮增压在150kw以上的重型机上使用已经很常见，废气涡轮增压、进气中冷和改进燃油喷射系统已经使柴油机比功率达到25kw/l，而热效率达到42

18、%。随着市场需要及设计、材料和润滑油的进步，柴油机的可靠性和耐久性也已提高，使废气涡轮增压在轻型柴油机上的应用更加广泛。不仅提高了低转速扭矩，也减少了柴油机尺寸，改善了燃油经济性。排气压力波增压器比常规的废气涡轮增压器具有优势，因为它还有瞬时响应快的优点。现阶段，常规的往复式四冲程柴油机在发电机组以后的发展主要是材料和控制系统。材料的发展包括铝、镁、粉末冶金材料、塑料、耐磨陶瓷材料的应用，以及阻尼层压材料、低噪声平滑凝结材料及强化纤维材料的使用等。柴油机控制系统通过电子技术得到了变革，如可变配气相位、可变废气涡轮增压、可变排量以及电子燃料喷射系统等。电子控制还可以扩展应用于操作自动化、排气净化

19、以及故障诊断等。低成本的智能传感器，或许可用一个专家系统来分析数据和指导维修操作，以保证车辆使用可靠性，并延长柴油机寿命，减少维修和预测可能出现的故障。另外，随着柴油机燃烧模拟技术的发展，不仅可以帮助选择进排气参数，节约柴油机研制时间，还可预示燃油喷射系统的最佳匹配。尽管摸拟和预测具有一定的超前性，但仪器仪表、数据库和控制系统的进展使我们加深了对柴油机本质特性的认识。目前，高速照相和激光多普勒风速计评估燃烧和气流运动的技术也已成熟。1.5柴油机技术发展现状分析通常发电用柴油机是车辆、传播及工程机械用柴油机的变型产品，因而电控技术的发展必然受到主要产品的影响，进入20世纪后期，由于柴油车废气污染

20、物排放法规和汽油车一样日趋严格，同时改善柴油机经济性的要求也进一步提高，因此在汽油机电控技术飞速发展的基础上，一些发达国家开始对柴油机电控技术电子喷射进行了开发和研究，并初步投入使用。电子喷射技术与电子调速技术既有相同点，有又有根本的区别，电子喷射还具有用电信号控制喷油时刻、喷油压力，完全取消了燃油系统中的机械结构。上世纪90年代发展起来的电控柴油喷射系统主要有以下两种形式：一是BOSCH公司共轨式电控柴油喷射系统。其特点是系统中有一公共高压油轨，用高压（或中：压）输油泵向公共油轨中泵油，用电磁阀对油轨中的压力进行调节。高压（或中压）的柴油由公共油轨分别通向各缸喷油器，由装在喷油器内的电磁阀控

21、制喷油量和喷油正时，喷油压力或直接决定；于共轨中的压力，或由喷油器中的增压活塞对从：公共油轨来的燃油进行增压。共轨式电控喷油系统可以同时控制喷油量、喷油正时、喷油压力、喷油速率，且能实现高压喷射满足排放要求。同时，早期采用传统高压油泵-高压油管-喷油器的喷油系统柴油机上使用，结构变化很小。二是、PERKINS公司共轨式电控柴油喷射系统，它是在BOSCH公司电喷系统基础上的改进。该系统无高压油泵，电喷系统主要由电子控制模块、高压润滑油供应泵、喷注压力调节阀、喷油器等组成。其传感器包括：曲轴位置传感器、增压压力感应器、喷油压力控制传感器、润滑油湿度传感器、水温传感器、油压传感器。随着柴油技术日益发

22、展，人们越来越发现柴油机的无穷魅力：高扭矩、高寿命、低油耗、低排放，柴油机成为解决汽车能源问题最现实和最可靠的手段。如今欧洲每推出一款新车都会配有柴油发动机的车型，而在中国能够实现这一举措的可能只有一汽-大众公司。但一个不争的现实摆在了我们面前：随着能源危机，温室效应的逐渐增加，人们对动力性要求的提高，尽管电子燃油喷射已经被广泛使用，仅仅靠汽油车的解决方案不足以解决这些问题。所以在汽车工业的腹地德国一刻也没有停止对柴油发动机的研究。即使在国内，目前采用柴油机也只有10余款，分别为捷达、宝来、奥迪、开迪、江淮瑞风等5款乘用车，福田冲浪、江铃陆风、华泰特拉卡、上海万丰、辽宁曙光等5款SUV。瑞风柴

23、油车所搭载的2.5升柴油机是引进韩国现代汽车公司D4BH发动机，而一汽-大众的4款柴油乘用车均采用德国大众与博世公司合作的柴油机，这5款柴油乘用车全部是柱塞泵、泵喷嘴技术。柴油机的优点是：省油、环保、动力强、经济、维修方便，只要解决缺点就具有更大的市场前景，而实现电控柴油机的方案现在看来是一个很好的解决措施。实现柴油控制有三条技术路线图，分别是单体泵、泵喷嘴和高压共轨。目前主要的国际汽车配件供应商都在进行着柴油共轨喷射系统的开发，如：博世、德尔福、西门子、电装公司、VDO和玛格纳-马瑞利公司，它们是全球主要的共轨喷射系统供应商，而目前在国内生产共轨柴油喷射系统的还只有博世一家。下面分别介绍三种

24、技术：泵喷嘴技术优良的混合气是提高柴油发动机动力性、燃油经济性；降低排放率、噪音率的关键因素。这就要求喷射系统产生足够高的喷射压力，确保燃油雾化良好，同时还必须精确控制喷油始点和喷油量。而泵喷嘴系统能够符合上述的严格要求。因此，早在1905年柴油发动机的创始人Rudolf diesel 先生就提出了泵喷油器概念，设想将喷油泵和喷嘴合成一体，省去高压油管并获得高喷射压力。20世纪50年代，间歇控制泵喷射系统的柴油发动机就已应用在轮船及卡车上。之后，Volkswagen和Robert Bosh AG公司合作研制出适用于乘用车的电磁阀控制泵喷射系统。其中主要部件作用如下：单向阀：发动机不工作时，防止

25、燃油回流;旁通阀：若燃油内有空气，则通过此处排出。节流孔与过滤器：收集、分离供油管内的气泡;限压阀1：调节供油管内压力大于0.75MPa时打开;限压阀2：保持回油管内压力在0.10MPa;燃油泵：燃油泵是间歇式叶片泵，其优点是在较低发动机转速时也可供油。泵体内油道使油泵转子始终处于被燃油浸润的状态，从而可随时输送燃油;燃油分配管集成：燃油分配管集成在缸盖内的供油管内，其功能是等量向各泵喷嘴分配燃油，在此，燃油与受热燃油混合，并被泵喷嘴强制流回供油管。使供油管内流向各缸的燃油温度一致。所有泵喷嘴被提供相同量的燃油，使发动机运转平稳。否则，泵喷嘴的油温将会不同，并且泵喷嘴被提供不同质量的燃油。这将

26、会使发动机运转不平稳并将在前几个缸中产生极度高温;燃油冷却泵：使冷却液在冷却环路中循环。当燃油温度达到70，发动机控制单元通过燃油冷却泵继电器将其接通。在国内很多的乘用车上使用泵喷嘴，如：宝来TDI、途安TDI和奥迪TDI等。泵喷嘴技术相对之前的技术（如柱塞泵），已经具有明显改进，而其最大的好处是大大增加了喷油压力，其涡轮增压泵喷嘴的喷射压力都能达到200MPa以上。由于喷射压力直接影响柴油燃烧做功效率，因此，泵喷嘴的燃烧效率很高。单体泵技术德尔福在重型车上采用单体泵系统。从成本上讲，国内的发动机从欧向欧升级时，如果采用单体泵，对发动机改动非常小，仅以外挂式的凸轮轴箱代替欧发动机的直列泵就可。

27、当从欧向欧升级时，发动机机身主体结构仍然不变，只要把欧系统里机械式喷油器改成德尔福的电控喷油器，形成双电磁阀单体泵系统，在发动机整体结构不作大的调整下，就可以达到欧的排放水平.在性能方面，目前在国内单体泵使用的压力达到200MPa，当向欧升级，这个压力可以达到250 MPa。在单体泵上采用了类似于共轨I2C的系统一致性控制，来优化整个系统的性能。在供油控制方面，如果使用双电磁阀单体泵系统，不仅可以对压力进行控制，还可以对喷射进行控制，而且还可以采用多次喷射。它可以达到欧或者欧的标准。目前，德尔福的双电磁阀单体泵系统在欧洲大批量生产，主要供应给欧标准的发动机，欧标准的发动机相关系统正在做开发工作。单体泵系统的另一个优势就是它的可靠性和寿命，这些性能已经在欧洲和北美市场上得到了10