内燃机柴油机设计

内燃机车柴油机设计二组2018年1月11日柴油机主要参数的确定•冲程数的选定（τ=4）二冲程柴油机的噪声、排放污染等都比四冲程柴油机严重，柴油机绝大多数采用四冲程的设计•气缸数和分布方式的选择（16缸双列式结构单轴V式内燃机）对于发动机来说，一般采用两种气缸排列方式，一种是气缸成一字形排列，称为单列式发动机，亦称L型。另外一种气缸排列方式是两列气缸成V形布置的V型发动机,并用一根曲轴工作•发火次序的选择•压缩比=13增大压缩比也可使柴油机的起动性能获得改善。压缩比的增加将使气缸的最高爆发压力和压力升高率相应上升，使发动机的负荷水平、振动和噪音大大增加；同时，各运动件的惯性力和摩擦磨损增加，机械损失增大，造成柴油机的使用寿命下降柴油机主要参数的确定•行程及其与缸径的比值•柴油机的S/D值多数在1.0-1.2之间•发动机额定转速=1000r/min•活塞平均速度过高，活塞、缸套和汽缸盖的热负荷也相应增加，燃油消耗率升高，进、排气阻力随使充气效率降低，柴油机的平衡、振动和噪声等问题突出过低，所发出的功率较小，对像活塞环及气缸壁之间的摩擦壶，使磨损加剧Cm＝sn/30=9m/s•曲柄半径与连杆长度比中速柴油机λ值较高，一般为1/3-1/4•平均有效压力Pme的确定Pme是衡量发动机动力性能的重要指标，值的不断提高是内燃机技术发展的重要标志。但是，选择较大的值要获得更加完善的结构、材料、工艺的支持空白演示Speakernameandtitlehere1、先点击三维工具，进入前视图，然后定义轮廓线，中心线以及细实线。2、根据参数绘制气缸外形前视图，然后画下面缸体，选中所有元素关于垂直中心线镜像。得到如图所示的二维图形。3、选中所有元素，点击拉伸，拉伸长度为2150mm。4、将前视图所有元素选中关于垂直中心线旋转22.5度，在俯视图区对右边缸体定义8个气缸，内径为250mm。然后将其拉伸270mm。得到V形气缸的一半。5、进入前视图区，将左面元素全部删除，选中所有元素，右击三维工具，三位镜像，关于垂直面进行镜像，得如下图。气缸套设计1气缸套的结构•整体式气缸套不能离心铸造来提髙性能•干式气缸套缸套与底孔间接触不可能完全•湿式气缸套冷却好，更换方便，制造容易，可用离心铸造提髙性能气缸套尺寸设计•壁厚缸径0.05—0.08•上部设计主要配合面，•气缸套的轴向定位环形沉孔台肩•气缸套凸出量设计装配量的最大最小值确定•下部设计用三道密封圈•装配要求装配方法，密封圈的处理气缸套磨损原因及措施•摩擦磨损•腐蚀磨损•金属粘着磨损气缸套密封措施•气缸盖密封衬垫每缸螺栓数6个布置螺栓时一方面应使螺栓靠近燃烧室，另一个方面应使每个螺栓压紧的面积基本相间•作用在每一个气缸的螺栓的总预紧力的确定•设计螺栓时应使其工作应力值近于材料的屈服点气缸套材料设计气缸套材料要求耐磨、耐腐蚀、具备存油性和润滑性,有一定强度，最常用的气缸套材料是铸铁•球墨铸铁不宜于大批量生产•高磷铸铁装配时或负荷过高时易产生碎裂•含硼铸铁含硼铸铁的韧性不达标•钒钛铸铁•合金铸铁合金铸铁气缸套被许多强化程度很高的高速增压柴油机采用，证明是可靠的气缸套材料内燃机概念设计活塞部分活塞工作原理和作用•原理：•四冲程发动机包括：进气—压缩—燃烧—排气这四个过程，然在这个过程中，活塞顶部气压的不断地循环的改变，从而导致活塞的上下来回运动。这样内燃机燃料的热能就转换成活塞的上下运动的动能，而活塞就是充当这种转化的介质作用：1.组成燃烧室，承受然其作用力，并把它传给连杆。2.密封气缸。3.将热量传递给气缸壁。4：将连杆的侧压力传给气缸壁。活塞的设计要求•(1)要选用热强度好、耐磨、比重小、热膨胀系数小、导热性好、具有良好减磨性、工艺性的材料;•(2)有合理的形状和壁厚。使散热良好,强度、刚度符合要求;•(3)保证燃烧室气密性好,窜气、窜油要少又不增加活塞组的摩擦损失;•(4)在不同工况下都能保持活塞与缸套的最佳配合;•(5)减少活塞从燃气吸收的热量,而已吸收的热量则能顺利地散走;•(6)在较低的机油耗条件下,保证滑动面上有足够的润滑油。活塞材料的选择对活塞材料的要求（1）具有较高的机械性能，尤其是具有较高的高温强度。（2）具有较小的线膨胀系数，以便于使活塞和气缸间在各种工况下都能有合适的间隙，并减小机器运转噪声。（3）吸热性要差，导热性要好，具有较高的导热系数。（4）密度小，以减小活塞的质量和往复惯性力。（5）具有良好的减摩性能与耐磨，耐蚀性能，以减小摩擦损失和延长使用寿命。（6）容易加工，成本低廉。活塞材料的选择选择共晶硅铝合金。它是含硅量10％—14％并夹有Cu，Ni等合金元素的一种铝合金是应用最广泛的一种活塞材料合金中的硅元素使线膨胀系数和密度下降，耐磨性，耐蚀性，硬度，刚度，和疲劳强度提高，铸造流动性改善；硅也使铝合金导热性和塑性降低，切削性和锻造性恶化。国产大部分柴油机都是选用这种铝合金作为活塞材料。我国现在常用的共晶铝硅合金牌号是ZL108活塞设计构造：活塞顶部活塞头部活塞裙部活塞顶部平顶活塞顶部是一个平面，结构简单，容易制造，受热面积小，顶部应力分布较为均匀，一般用在汽油机上，柴油机上很少采用。平顶活塞活塞顶部凹顶活塞顶部呈凹陷形，凹坑的形状和位置必须有利于可燃混合气的燃烧，有双涡流凹坑，球形凹坑，U型凹坑，多用于柴油机凹顶活塞活塞顶部球形顶活塞凸起呈球形顶，其顶部强度高起导向作用，有利于改善换气过程，二行程汽油机常采用凸顶活塞活塞顶部活塞顶的形状主要取决于燃烧室的选择和设计，仅从活塞设计角度，为了减轻活塞组的热负荷和应力集中，希望采用受热面积最小加工最简单的活塞顶形状即平顶。直接喷射式的柴油机由于混合气形成的需要，活塞顶应设有一定深度的凹坑作为燃烧室。活塞头部活塞头部指活塞第一道油环槽下侧边至顶面的部分，它有数道环槽，用以安装活塞环，起密封作用又称防漏部柴油机一般有四道环槽第一道环槽工作条件最为恶劣，一般离顶部较远些，其中三道气环槽一道油环槽活塞头部设计要求（1）保证有足够的机械强度与刚度，以防开裂和产生过大的变形（2）保证温度不过高温差小，以防止产生过大的热变形和热应力，为活塞环正常工作提供良好的条件。(3)尺寸尽可能紧凑，以减少活塞的重量。活塞裙部活塞裙部为从第一道油环槽下端面起至活塞最下端的部分，它包括活塞销的销座孔。活塞裙设计规则裙部主要起导向作用，并承受气体侧压力。设计活塞裙时，必须注意保证裙部在工作时具有正确的几何形状，以及得到小的比压，有利于防止拉缸。保证活塞得到良好的导向，具有足够的实际承压面积，能形成足够厚的润滑油膜，既不因间隙过大发生敲缸，引起噪音和加速损伤，也不因间隙过小而在气缸中咬住，导致事故。主要尺寸的选择要点1.活塞高度H活塞高度取决于以下因素（1）对柴油机高度尺寸的要求（2）转速N（转速越高H越小以减轻质量减轻惯性力)(3)燃烧室形状及尺寸（4）活塞裙部承压面积根据H/D=1.25—1.70来选择主要尺寸的选择要点2.压缩高度H1压缩高度H1决定活塞销的位置。H1取决于第一道活塞环至顶面的距离e环带高度及裙高度。在保证气环良好的工作的条件下，宜缩短H1,以力求降低整机的高度尺寸。根据H1/D=（0.6—0.9）来选择主要尺寸的选择要点3.顶岸高度e（1）e越小第一道环本身的热负荷也越高。应根据热负荷及活塞冷却状况确定e使第一道活塞的工作温度不超过允许限度（2）在保证第一道环工作可靠的条件下，尽量缩小e，力求降低活塞高度和重量可根据e/D=0.1—0.2来确定主要尺寸的选择要点4.活塞环的数目及排列（1）活塞环数目一般为：高速机气环2—3道，油环1—2道中速机气环3—4道，油环1—2道（2）油环布置采用一道环时，油环装在销孔上方。采用二道油环时一般是在销孔上方和活塞下部各布置一道油环主要尺寸的选择要点5.环岸高度（1）第一环岸温度较高，承受气体的压力最大，又容易受其他环的冲击而断裂。所以第一环按高度一般比其他余环岸高度要大一些（2）必须保证环岸有足够的机械强度并进行验算。（3）环岸高度范围C1/D=0.03—0.04主要尺寸的选择要点6.活塞顶厚度活塞顶厚度δ是根据活塞顶部应力、刚度及散热要求来决定的，小型高速柴油机的铝活塞，如满足顶部有足够的传热截面，则顶部的机械强度一般也是足够的。热应力随活塞顶厚度增加而增大，活塞顶厚度(特别是钢顶)只要厚到能承受燃气压力即可。δ的一般范围0.1-0.18连杆的设计车辆1.连杆的组成及设计要求连杆由连杆小头、连杆大头、连杆杆身组成。其中连杆小头由连杆体的小头部分和连杆衬套组成。连杆大头由连杆体的大头部分、连杆螺钉(栓)、连杆轴瓦组成。连杆小头通过活塞销与活塞连接,作往复直线运动,连杆大头与曲轴的曲柄销连接作旋转运动,而连杆杆身则作复杂的平面合成运动,即随活塞销中心的平动以及绕活塞销中心的摆动。2.连杆的结构类型：主副连杆式V型3.基本尺寸：由R/l＝（1/3.8～1/3.2）杆身长度：l＝450mm4.小头设计：小头内径：d1/D＝0.25～0.3取d1＝0.3×250＝75mm小头外径：D1/d1＝1.2～1.35取D1＝1.2d1＝90mm4.3小头宽度B1＝90mm5.大头设计：内径D2＝0.6D＝150mm外径D2′＝0.65D＝162.5mm6.衬套设计衬套外径d＝1.1d1＝82.5mm7.杆身结构：连杆杆身的断面采用工字型结构，这样能在足够的强度和刚度下获得最小的质量。平均高度H＝0.3D＝75mm宽度B＝H/1.5＝50mm8.连杆螺栓的设计：螺栓孔间距离C＝1.2D2′＝195mm高度H3＝0.4D2′＝65mmH4＝0.44D2′＝71.5mm9强度校核：9.1连杆小头强度的计算：由公式计算可得：安全系数n＝2.299＞1.5，故小头设计合格9.2连杆大头的强度校核：由计算可得，弯曲应力δ＝183.46Mpa＜300Mpa故大头的设计合理。内燃机曲轴设计曲轴的主要尺寸设计内燃机种类曲柄销主轴颈曲柄臂dcp/Dlcp/Ddcj/Dlcj/Dhcw/Dbcw/D汽油机单列式0.55~0.650.35~0.450.6~0.70.35~0.450.2~0.250.8~1.2V型（并列连杆）0.5~0.60.45~0.60.65~0.80.3~0.350.18~0.220.8~1.2单列式柴油机0.55~0.70.35~0.450.65~0.80.4~0.450.2~0.31.0~1.3•引擎的主要旋转机件，装上连杆后，可承接连杆的上下(往复)运动变成循环(旋转)运动。是发动机上的一个重要的机件，其材料是由碳素结构钢或球墨铸铁制成的，有两个重要部位:主轴颈，连杆颈，(还有其他)。主轴颈被安装在缸体上，连杆颈与连杆大头孔连接，连杆小头孔与汽缸活塞连接，是一个典型的曲柄滑块机构。曲轴的润滑主要是指与连杆大头轴瓦与曲轴连杆颈的润滑和两头固定点的润滑.曲轴的旋转是发动机的动力源。也是整个机械系统的源动力。•发动机曲轴的材料性能要求有较高的强度、冲击韧性、耐磨性。一般采用锻造钢和球墨铸铁，锻钢需要进行热处理采用调质，就是淬火后高温回火，使材料具有较高的综合机械性能，轴径表面再进行表面淬火，提高表面硬度及耐磨性。球墨铸铁曲轴采取等温回火、中频淬火、激光淬火等热处理工艺•1GB/T23339-2009《内燃机曲轴技术条件》•2GB/T24595-2009《调质汽车曲轴用钢棒》•3GB/T15712-2008《非调质机械结构钢》•4《铸造缺陷和热处理工艺对球墨铸铁曲轴疲劳强度的影响》•查阅文献可知，曲轴材料选用中碳结构钢45凸轮轴设计1凸轮轴定义•凸轮轴是活塞发动机里的一个部件。它的作用是控制气门的开启和闭合动作。它的转速很高，而且需要承受很大的扭矩，因此设计中对凸轮轴在强度和支撑方面的要求很高，其材质一般是优质合金钢或合金钢。由于气门运动规律关系到一台发动机的动力和运转特性，因此凸轮轴设计在发动机的设计过程中占据着十分重要的地位。凸轮轴计算•凸轮轴的主体是一根与汽缸组长度相同的圆柱形棒体。凸轮轴的直径d一般取为(0.