D6135CZ-型柴油机说明书之3热力学计算

1、 毕业论文（设计）D6135CZ型柴油机设计The Design of D6135CZ Diesel Engine学 生 姓 名： * 指导教师： * 合作指导教师： 专业名称： 热能与动力工程 所在学院： 机械工程学院 二一一 年 六 月附 录附录一 D6135CZ型柴油机热计算及结果柴油机已知参数缸径 D=135 (mm)行程 S=140(mm)缸数 i=6转数 r=1500(r/min)有效功率 Pe=220Ps压缩比 =16每缸工作容积 Vh=2.0(L)，Vc=0.133()大气状态 P0=1() T0=298(K)燃料平均重量成分 C=0.86，H=0.13，O=0.01燃料低热值

2、 Hu10200(kcal/kg)燃烧室形式 “”形燃烧室参数选择 根据类似柴油机的试验数据和统计资料，结合本柴油机具体情况，可以选定：、过量空气系数：=1.8 增压额定工况的过量空气系数，一般均推荐1.62.0（直接喷射式），较非增压大10%30%原因：a)、有利于燃烧过程迅速地完成，增加燃烧产物中的二原子气体含量，可以获得较大的绝热压缩与膨胀指数，减少排气热损失，增加发动机经济性。b)、在充气状态良好的状态下采用较大的过量空气系数，可以降低主要零件的热负荷，特别是活塞组的热负荷，有利于整机的可靠性以及耐久性。c)、较大的过量空气系数可以降低发动机的升功率和平均指示压力。、增压器出口的空气压

3、力：=1.51 （）、压缩过程起始压力： =0.98=1.48 （） (1)一般推荐=(0.851.1) z、增压器进口压力：=1.28 （） 一般功率较大的增压器大多采用单级涡流式涡轮，效率较高，而从结构的合理性与制造成本方面来看135系列柴油机以采用径流式涡轮较为合理，但涡轮的热效率较低，故所取值稍大。、空气进入气缸的温度升高：=5 增压柴油机一般推荐（510），由于离心式空压机出口空气温度较高，缸壁对空气加热极微。、残余废气温度：=900K 增压柴油机一般推荐（8001000）K。、残余废气压力：=1.28 （）增压柴油机一般推荐=（0.750.9），在满足此原因的同时，（-）0.15

4、由于考虑到适用于135系列柴油机的小径流式涡轮增压器效率可能较低,故选取Pr偏高,此时必将不可避免的增高。、最高燃烧爆发压力：=90 （）采用较高燃烧爆发压力的原因：型燃烧室燃烧压力大多偏高，据经验增压四冲程柴油机为9095 （）。、Z点的热量利用系数：=0.76高速柴油机的Z点热量利用系数一般在0.50.8范围内，由于增压将加强进气，增大过量空气系数，增加压缩终点压力和温度，其结果将使着火延迟期缩短，燃烧过程更趋于完善，故可取较大的值。、膨胀行程终点的燃料热量利用系数：=0.9 （0.8-0.9）增压可以大大改善热烧条件，减少不完全燃烧损失，相对的使散入冷却水中的热量降低。、示功图丰满系数：

5、=0.98一般四冲程增压柴油机的丰满系数在（0.960.99）范围内。由于排气损失相对于球型和浅盆型大，故取略高。缸套内壁面、活塞顶面以及气缸盖底面等（统称缸壁）与缸内工质直接接触的表面， 始终与工质发生着热量交换。a) 排气门提前开启造成了膨胀损失、强制排气的推出功和吸气损失功（统称换气损 失）。b) 转速越高，喷油提前角越大，压缩负功增加，有用功减少，热量损失越大。c) 由于燃烧速度的有限性，等容加热部分达不到瞬时完成加热的要求，再加上活塞在 上止点后的下行运动使工质体积膨胀，使得实际循环的最高压力下降，循环的平均压力和所做功能力下降。d) 部分热量是在膨胀行程的Z点后加入，部分热量的做功

6、能力低，循环获得的膨胀功 减少。e) 存在不完全燃烧损失。、机械效率： =0.81 增压柴油机一般推荐在（0.80.9）范围内。气缸的排气及进气参数、增压器出口空气温度：=335K 或 =62。 (2)式中选取离心式压气机的多变指数=1.41。活塞或离心式的为（1.4 1.8）、残余废气系数： (3) 内燃机缸内的残余废气系数与其压缩比、进气压力、配气定时等有关。对于柴油机而言，压缩比高、气门叠开角大、没有进气节流、所以残余废气系数小，且增压的柴油机的残余废气系数更低。、充气系数： (4)四冲程增压柴油机的充气系数一般在（0.91.05）范围内。a)进气系统：与进气门的大小，进气管道的沿程阻力

7、损失有关。b)排气系统：与排气门的大小，排气管道的沿程阻力损失，消音器的布置有关。c)燃烧室与进气系统的合理配置。d)降低进气温度，可以采用中冷措施，进气温度低，空气密度大，保证进气多。例如：2100型柴油机的进排气管道的布置不合理，排气管道和进气管道在一侧，造成排气管道给进气管道加热，导致进气温度升高，空气密度小，进气量少，不利于燃烧。e)采用增压技术提高充气系数。、压缩始点温度： K (5)四冲程增压柴油机的压缩始点温度随和空气中间冷却度而定。工作介质的参数、燃烧所需理论空气量：=0.496 (6)、新鲜充量的分量： =1.80.496=0.893 (7)、理论上完全燃烧（=1）时的燃烧产

8、物分量：=0.5288 (8)、当=1.8时的过剩空气量：=（1.8-1）0.496=0.397 (9)、燃烧产物总量：=0.5288+0.397=0.9258 (10)、理论摩尔变更系数： (11)、实际摩尔变更系数： (12)柴油机燃烧前后的物质的量变化系数较小，一般在（1.031.06）之间；燃烧后物质的量的增加对内燃机循环做功是有利的。、其它系数：=(1.8-1)0.496/0.9258=0.4288 (13)=0.5288/0.9258=0.571 (14)=(1+0.0210.4288)/(1+0.021)=0.988 (15)=0.0210.4288/(1+0.021)=0.00

9、8 (16)压缩过程、用试探法联解下列方程求出平均多变压缩指数： (17) （1） (17) (18)=497.794/100=467 燃烧产物当=1时的内能=539.594/100=506 将各已知数代入后得：0.988（-467）+0.008（-506）-1.985（-94）/（-1）=0 (2) 试以=1.37代入：=343-273=663此时空气及=1时的燃烧产物的内能：=3747+（4341-3747）63/100=4121 =4187+（4876-4187）63/100=4621 将和代入求（2）得“+78”试以=1.364代入：=343-273=668此时空气及=1时的燃烧产物的

10、内能：=3747+（4341-3747）68/100=4150 =4187+（4876-4187）68/100=4656 将和代入求（2）得“-40”求得=1.36371.364 高速增压柴油机一般在（1.231.37）说明：压缩过程中气体得到热量愈多，愈大。相反热损失越多越小。由此，影响的取值的主要因素有以下几点：a)、发动机的构造特征，风冷发动机的主要零件（缸体、缸盖、活塞）温度要比水冷发动机的大，因此风冷机的较大。b)、较小时，要比长冲程的机型小一些。c)、当气缸套、活塞、活塞环以及气门密封带磨损时，漏气量增加，就会带走一部分热量，从而使减小。d)、燃烧室表面积炭，会使零件温度升高，减少

11、散热量，使升高。、压缩终点压力： =1.48=65 （）一般为（5192）（） (19)、压力升高比： =/=90/65=1.38 直接喷射式增压在（1.31.8） (20)、压缩终点温度： 340=941K 或 =660 (21) 增压四冲程高速柴油机压缩终点温度一般为（8501100）K。燃烧过程、压缩终点的空气平均等容比热，在附图13上查得，当=660=时的=7.36 故=-1.986=7.36-1.986=5.374 (22)、压缩终点的残余废气平均等容比热，在附图13上查得，当=660 =1.8时的=7.5 故=-1.986=7.5-1.986=5.514 、压缩终点的混合气平均等容

12、比热=（5.374+0.0215.514）/（1+0.021）=5.377 (23)、燃烧终点的温度，根据下列方程求解+1.986+542（-u）=u (24)将已知数值代入=+5.377660+1.9861.38660+542（1.38-1.036）化简后得： =13616再用t曲线，先估计下值，按此查出，并算出，试其数值与14817是否相符，然后按其差值再选值，如此逐步试算直至求得值和其相应的乘积等于14817为止，按照此方法求得燃烧终点温度：=1619 =1619+273=1892K增压四冲程高速柴油机最高燃烧温度一般为（18002200）K、初期膨胀比：=（1.036/1.38）（18

13、92/941）=1.51 (25)膨胀过程的计算、后期膨胀比=Tz/Tc=16/1.43=10.6、用试探法联解下列方程求平均多变膨胀指数：最终取平均多变膨胀指数 =1.20高速增压柴油机一般在（1.151.25）范围内是一个平均值概念，他主要取决于过后燃烧的程度，气体与气缸壁之间的传热以及气体的泄露量。越小，有用功就越多。在发动机中影响的因素主要有：a)、从气体中排出的热量越多，膨胀线越陡，越大，热损失就越多。b)、在膨胀线上过后燃烧的增加，或者较小气体的散热量，会减小。c)、过后燃烧强度越大，就会减小，从而就会减小。d)、转速增加以后，缩短了气体与气缸壁的热交换时间以及泄露量，且膨胀线上的

14、过后燃烧增加一些，因此转速n越大就会增加。、膨胀过程中任意点X的压力=90 （） (26)式中为X点的气缸容积它等于Vbx=D2R/4(1-cosx)-R/4L(1-cos2x)+Vc (27) 其中为X点从上止点算起的曲轴转角， (28)可以取数个X点，求出和，再绘制示工图时用以画出膨胀线zb和cz。、膨胀终点的压力和温度：=5.288 （）一般为（44.5）（）以上 (29)=1180K =1180-273=907 (30)增压四冲程高速柴油机膨胀终点温度一般为（10001200）K。平均指示压力的计算根据下面的公式计算得： (31)将已知的数据代入 =13.98（）=0.9813.98=

15、13.7 （）指示热效率=1.9850.89312.35335/（102001.511.01） =0.470 (32)指示比油耗 632.2/(102000.470)=131.9 (33)有效热效率 =0.4700.81=0.38 (34)实际比油耗 632.2/（102000.38）=163.1 (35)平均有效压力 =13.70.81=11.1（） (36)有效功率的校核 =222 PS 计算结果与设计要求相符合。 (37)绘制示功图压缩线ac与膨胀线zb所需点 (L) = 133.3 (38)=1.48=65 （） (39)(L) = 2133 (40)=90()，=0.98=1.48

16、（） 公式： (41) = (42)根据以上的所得数据求出若干点，列于附表中:附图1 D6135CZ型柴油机近似计算图Vbxcm3Pbxkg/cm2Vcxcm3Pcxkg/cm2133.30065.000133.30064.974139.27168.000139.27161.204198.26488.382198.26437.806201.28390.000201.28337.035236.16874.292236.16829.780315.86452.410315.86420.030417.55737.493417.55713.688540.11927.531540.1199.636681.

17、66920.822681.6697.015839.40816.220839.4085.2811009.52512.9981009.5254.1061187.19110.7001187.1913.2911366.6679.0371366.6672.7161541.5197.8211541.5192.3051704.9326.9301704.9322.0091850.0986.2831850.0981.7971970.6445.8251970.6441.6492061.0655.5202061.0651.5512133.0525.2002133.0521.480附表2 在热力计算过程中所用的数值及

18、重要参数计算结果压 力（kg/cm2）P0PaPzPcPb11.4890655.288PkPr1.511.28温 度（K）T0TaTzTcTb29334318929411180附录二 D6135CZ型柴油动力计算及结果已知该机型的示功图及以下一些基本参数：气缸排列及缸数： 直列6缸 缸径： D=135 mm冲程： S=140 mm 转速： n=1500 压缩比： =16 曲柄半径： R=70 mm曲柄半径与连杆长度之比： =R/L=0.25 (R=70mm，L=280mm)平均多变压缩指数： =1.364 平均多变膨胀指数： =1.20（一）、活塞的运动学分析和（位移、速度、加速度）的计算 附

19、图2 曲柄连杆机构运动图、活塞位移： X=r(1-cos)+ (1-cos2)/4 （43）、活塞的速度：V=r(sin+ /2sin2) （44）、活塞的加速度：a=r（cos+cos2） （45）下面将计算法求得结果列于附表中：附表6位移、速度、加速度计算结果表活塞位移 X活塞速度 V活塞加速度 a 00.0000.0002156.788101.3272.3782104.560205.2454.6421951.8133011.5666.6851709.9454019.9928.4171396.6615030.1409.7721034.1816041.56310.707647.0367053

20、.78511.210259.6938066.33111.293-105.7269078.75010.990-431.35810090.64210.353-704.961110101.6689.444-920.571120111.5638.328-1078.394130120.1307.066-1183.989140127.2385.711-1246.852150132.8094.305-1278.587160136.8022.876-1290.935170139.2001.439-1293.873180140.0000.000-1294.073190139.200-1.439-1293.873

21、200136.802-2.876-1290.935210132.809-4.305-1278.587220127.238-5.711-1246.852230120.130-7.066-1183.989240111.563-8.328-1078.394250101.668-9.444-920.57126090.642-10.353-704.96127078.750-10.990-431.35828066.331-11.293-105.72629053.785-11.210259.69330041.563-10.707647.03631030.140-9.7721034.18132019.992-

22、8.4171396.66133011.566-6.6851709.9453405.245-4.6421951.8133501.327-2.3782104.5603600.0000.0002156.788 附图3 活塞位移曲线图附图4 活塞速度曲线图 附图5 活塞加速度曲线图 (二)、作用在发动机曲轴连杆上的力：a、作用在曲柄连杆机构上的力和力矩； b、作用在曲柄连杆机构上的力和力矩的符号附图6 曲柄连杆机构受力图沿气缸中心线作用在活塞上的气体压力： 吸气和排气过程的是由示功图直接量得，压缩和膨胀过程是先量出压缩开始点及膨胀终了点的压力，而后根据来计算方便，将容积关系转化为冲程关系：所以：压缩过

23、程： （） （46）膨胀过程： （） （47）其中：1.48 （） 5.288 （） cm最后：=-1 （）求往复惯性力：首先确定往复运动的质量： （48）活塞组质量：=0.9/9.81=0.092 其中活塞组质量为活塞、活塞销、活塞环、销圈诸重之和。连杆分布在小头上的质量：已知连杆总重量为1.5kg，设分布在小头上的质量为1/3连杆质量，则：=0.092+0.05=0.143 面已经计算了活塞运动的加速度a，所以往复运动惯性力： （方向与加速度方向相反）（）单位活塞面积上所受惯性力： （） （49）作用在活塞顶的总力P： (） （50）沿连杆作用力及气缸侧压力： （） （51）不同与的值可由

24、附表4查得（ 注于附录三中）内燃机动力计算 （） （52）不同与的值可由附表5查得（ 注于附录三中）内燃机动力计算（5）、切向力T及法向力Z： （） （53）不同与的值可由附表6查得（ 注于附录三中）内燃机动力计算 （） （54）不同与的值可由附表7查得（ 注于附录三中）内燃机动力计算计算及查寻结果列于附表中： 附表2-2动力学计算用表Sx+ScPgKg/cmPg Kg/cmPJNPjKg/cmPKg/cmPnKg/cmPtKg/cmTKg/cmZKg/cm0-1.0300.030-308.421-2.156-2.1260.000-2.1260.000-2.12610-1.4800.480-3

25、00.952-2.104-1.624-0.071-1.622-0.351-1.58620-1.4800.480-279.109-1.951-1.471-0.126-1.465-0.622-1.33930-1.4800.480-244.522-1.709-1.229-0.155-1.219-0.749-0.98740-1.4800.480-199.722-1.396-0.916-0.149-0.904-0.703-0.60550-1.4800.480-147.888-1.034-0.554-0.108-0.543-0.494-0.27360-1.4800.480-92.526-0.647-0.1

26、67-0.037-0.163-0.163-0.05170-1.4800.480-37.136-0.2600.2200.0530.2140.2250.02580-1.4800.48015.1190.1060.5860.1490.5680.603-0.04590-1.4800.48061.6840.4310.9110.2350.8820.911-0.235100-1.4800.480100.8090.7051.1850.3011.1481.115-0.502110-1.4800.480131.6420.9201.4000.3391.3611.200-0.797120-1.4800.480154.2

27、101.0781.5580.3461.5201.176-1.078130-1.4800.480169.3101.1831.6630.3241.6321.066-1.317140-1.4800.480178.3001.2461.7260.2811.7040.894-1.504150-1.4800.480182.8381.2781.7580.2221.7440.687-1.633Sx+ScPgKg/cmPg Kg/cmPJNPjKg/cmPKg/cmPnKg/cmPtKg/cmTKg/cmZKg/cm160-1.4800.480184.6041.2901.7700.1521.7630.462-1.

28、715170-1.4800.480185.0241.2931.7730.0781.7720.232-1.75918014.9301.4800.480185.0521.2931.7730.0001.7730.000-1.77319014.8501.4910.491185.0241.2931.784-0.0791.782-0.234-1.77020014.6101.5240.524184.6041.2901.815-0.1561.807-0.474-1.75821014.2111.5830.583182.8381.2781.861-0.2341.846-0.728-1.72922013.6541.

29、6720.672178.3001.2461.918-0.3131.893-0.994-1.67123012.9431.7980.798169.3101.1831.982-0.3861.945-1.270-1.57024012.0861.9740.974154.2101.0782.052-0.4562.002-1.549-1.42025011.0972.2181.218131.6420.9202.138-0.5182.078-1.833-1.2172609.9942.5591.559100.8090.7052.263-0.5752.193-2.130-0.9602708.8053.0412.04

30、161.6840.4312.473-0.6382.394-2.473-0.6382807.5633.7422.74215.1190.1062.848-0.7232.760-2.931-0.2192906.3094.7933.793-37.136-0.2603.533-0.8553.434-3.6110.4063005.0866.4295.429-92.526-0.6474.782-1.0624.666-4.6721.4683103.9449.0968.096-147.888-1.0347.062-1.3776.930-6.2993.4813202.92913.64712.647-199.722

31、-1.39611.251-1.83411.106-8.6417.4373302.08721.67620.676-244.522-1.70918.966-2.39018.816-11.55115.2303401.45535.46034.460-279.109-1.95132.509-2.79632.379-13.75129.5833501.06354.40553.405-300.952-2.10451.301-2.25751.250-11.08150.1213600.93065.26364.263-308.421-2.15662.1070.00062.1070.00062.107370-75.0

32、0074.000-300.952-2.10471.8963.16371.82515.53070.243375-90.00089.000-291.749-2.03986.9617.47986.74427.87181.7433801.45586.47885.478-279.109-1.95183.52710.52483.19435.33276.0093902.08756.08555.085-244.522-1.70953.3758.70052.95232.50642.8604002.92937.33036.330-199.722-1.39634.9346.81234.48626.83023.092

33、4103.94426.12425.124-147.888-1.03424.0915.34823.64121.48911.8774205.08619.25218.252-92.526-0.64717.6064.26117.17617.2015.4054306.30914.86813.868-37.136-0.26013.6083.45713.22513.9081.5654407.56311.96010.96015.1190.10611.0662.85510.72211.386-0.8524508.8059.9658.96561.6840.4319.3962.3879.0969.396-2.424

34、4609.9948.5607.560100.8090.7058.2652.0008.0087.777-3.50447011.0977.5506.550131.6420.9207.4701.6587.2596.402-4.25048012.0866.8145.814154.2101.0786.8921.3446.7245.204-4.76949012.9436.2775.277169.3101.1836.4601.0536.3404.141-5.11650013.6545.8874.887178.3001.2466.1330.7736.0543.177-5.34251014.2115.6114.

35、611182.8381.2785.8890.5065.8422.302-5.471520-5.2904.290184.6041.2905.5800.2465.5581.456-5.407530-3.0002.000185.0241.2933.2930.0003.2900.431-3.267Sx+ScPgKg/cmPg Kg/cmPJNPjKg/cmPKg/cmPnKg/cmPtKg/cmTKg/cmZKg/cm540-2.0001.000185.0521.2932.293-0.1012.2930.000-2.293550-1.2800.280185.0241.2931.573-0.1351.5

36、72-0.206-1.561560-1.2800.280184.6041.2901.570-0.1981.564-0.410-1.522570-1.2800.280182.8381.2781.558-0.2541.546-0.609-1.447580-1.2800.280178.3001.2461.526-0.2981.507-0.791-1.329590-1.2800.280169.3101.1831.463-0.3251.436-0.938-1.159600-1.2800.280154.2101.0781.358-0.3291.325-1.025-0.940610-1.2800.28013

37、1.6420.9201.200-0.3051.166-1.029-0.683620-1.2800.280100.8090.7050.985-0.2540.954-0.927-0.417630-1.2800.28061.6840.4310.711-0.1810.688-0.711-0.183640-1.2800.28015.1190.1060.386-0.0930.374-0.397-0.030650-1.2800.280-37.136-0.2600.020-0.0050.020-0.0210.002660-1.2800.280-92.526-0.647-0.3670.072-0.3580.35

38、8-0.113670-1.2800.280-147.888-1.034-0.7540.123-0.7400.672-0.372680-1.2800.280-199.722-1.396-1.1160.141-1.1020.857-0.738690-1.2800.280-244.522-1.709-1.4290.123-1.4180.870-1.148700-1.2800.280-279.109-1.951-1.6710.074-1.6640.707-1.521710-1.2800.280-300.952-2.104-1.8240.000-1.8220.394-1.782720-1.2800.28

39、0-308.421-2.156-1.8760.000-1.8760.000-1.876附图7 单位活塞面积往复惯性力的变化曲线 附图8 柴油机PG，PJ，P=PG+PJ的变化曲线图 附图9柴油机Pt，PN的变化曲线图 附图10 柴油机T、 Z的变化曲线图 (三)、总扭矩和总扭矩图：1单缸扭矩的计算T1：T1=T*r*D2/4 (18)2总转矩的计算T：T=T1+T2+T3+T4+T5+T6 (19)附表2-3扭矩和曲柄转交关系表T1(N*m)T5(N*m)T3(N*m)T6(N*m)T2(N*m)T4(N*m)T(N*m)00.000 117.793 -155.174 0.000 521.11

40、3 -102.671 381.061 10-35.121 106.783 -183.537 1555.236 414.692 -103.003 1755.050 20-62.311 89.552 -213.295 3538.355 318.143 -92.790 3577.655 30-74.965 68.838 -247.614 3255.319 230.585 -71.220 3160.943 40-70.453 46.273 -293.482 2686.879 145.860 -39.744 2475.333 50-49.462 23.264 -361.614 2152.026 43.2

41、05 -2.091 1805.328 60-16.314 0.000 -467.925 1722.596 0.000 35.883 1274.240 7022.561 -23.407 -630.837 1392.814 -20.640 67.329 807.820 8060.354 -47.433 -865.323 1140.307 -41.046 85.835 332.695 9091.249 -72.874 -1156.750 941.016 -61.007 87.163 -171.204 100111.637 -99.503 -1377.134 778.830 -79.177 70.783 -594.564 110120.168 -127.216 -1109.731 641.098 -93.944 39.447 -530.178 120117.793 -155.174 0.000 521.113 -102.671 0.000 381.061 130106.