1、畢 業 設 計（論文）（說 明 書）題 目：多缸柴油機機體的設計姓 名： 張春暉 編 號： 90702273 平頂山工業職業技術學院 年 月 日平頂山工業職業技術學院畢 業 設 計 （論文） 任 務 書姓名 張春暉 專業 礦山機電專業 任 務 下 達 日 期 年 月 日設計（論文）開始日期 年 月 日設計（論文）完成日期 年 月 日設計（論文）題目： A·編制設計 B·設計專題（畢業論文） 指 導 教 師 系（部）主 任 年 月 日平頂山工業職業技術學院畢業設計（論文）答辯委員會記錄 系 專業，學生 于 年 月 日進行了畢業設計（論文）答辯。設計題目： 專題（論文）題目：

2、指導老師： 答辯委員會根據學生提交的畢業設計（論文）材料，根據學生答辯情況，經答辯委員會討論評定，給予學生 畢業設計（論文）成績為 。答辯委員會 人，出席 人答辯委員會主任（簽字）： 答辯委員會副主任（簽字）： 答辯委員會委員： ， ， ， ， ， ， 平頂山工業職業技術學院畢業設計（論文）評語第 頁共 頁學生姓名： 專業 年級 畢業設計（論文）題目： 評 閱 人： 指導教師： （簽字） 年 月 日成 績： 系（科）主任： （簽字） 年 月 日畢業設計（論文）及答辯評語： 摘要柴油機具有熱效率高的顯著優點，其應用范圍越來越廣。隨著強化程度的提高，柴油機單位功率的重量也顯著降低。為了節能，各國都

3、在注重改善燃燒過程，研究燃用低質燃油和非石油制品燃料。 現代的調整高性能柴油機由于熱效率比汽油機高、污染物排放比汽油機少， 作為汽車動力應用日益廣泛。經過多年的研究、大量新技術的應用，柴油機最大的問題煙度和噪聲取得重大突破，達到了汽油機的水平。 本文介紹了柴油機發展狀況以及國內外的發展水平，對柴油機做了從整體到局部的分析。結合我國柴油機的研究成果，對柴油機機體進行改進的設計方法和特點進行介紹，并通過對柴油機體結構的改進，在性能試驗上進行比較分析，為柴油機的改進設計提供了新的思路。關鍵字：柴油機 ；內燃機；機體；設計分析Abstract目錄前言.11國內外柴油機發展狀況.61.1柴油機的發展歷史

4、.6柴油機的產生.61.2國外柴油機技術的現狀與發展.6共軌與四氣門技術.6高壓噴射和電控噴射技術.6增壓中冷技術.6排氣再循環（EGR）技術的應用.6后處理技術.6柴油.7乳化柴油的應用.7降低機油消耗.71.3我國柴油機產業的現狀與發展.81.4柴油機未來發展.10李斯特研究所(avl)觀點概述.10里卡多公司觀點概述.121.5柴油機技術發展現狀分析.14泵噴嘴技術.16單體泵技術.17高壓共軌技術.182柴油機的工作原理.202.1二沖程柴油機的工作原理.20橫流換氣的二沖程柴油機.242.2四沖程柴油機的工作原理.26 進氣沖程.27 壓縮沖程.27 燃燒膨脹沖程.28 排氣沖程.2

5、93柴油機的總體設計分析.303.1曲軸.30曲軸整體的精細分析.30計算模型.30 3.1. 3曲軸與機體連結的處理辦法利用主從關系.30 3.1. 4曲軸的計算工況.303.1. 5曲軸的動力學計算.31 3. 2連桿.31 3. 2.1連桿的精細分析.31 3. 2.2連桿方案設計的計算模型.31 3. 2.3連桿各種裝配預緊力的施加.32 3. 2.4連桿最后校核計算時的計算模型.323. 2.5工況與載荷.32 3. 3活塞.33活塞的精細分析.33活塞的溫度場分析.33組合活塞溫度場計算.33活塞的靜力分析.33計算模型.34計算載荷.34 3. 4氣缸蓋.34 關注的問題.34

6、計算模型.35 缸蓋的計算.35 缸蓋螺栓裝配預緊力的施加.35缸蓋的機械負荷計算工況.35 3. 5機體.35機體的精細分析.35機體的計算模型.36機體的計算載荷.36機體的計算工況.36 3. 6增壓器渦輪機轉子.37 增壓器渦輪機轉子的精細分析.37 作用載荷.37計算模型.37 3. 7增壓器壓氣機轉子.38增壓器壓氣機轉子的精細分析.38壓氣機計算的特點.38作用載荷.38計算模型.38 3. 8葉輪.38葉輪的彈塑性計算.38 預超速制造工藝.394柴油機機體的總體設計.40 4.1機體的概況.40 4.2機體工作條件.41 4.3機體設計要求.41 4.4機體基本尺寸.42 橫

7、向尺寸.42 縱向尺寸.42 機體壁厚.43機體具體結構的設計要點.444.5 整機主要設計結構參數確定.45 氣缸數的選擇.45 氣缸直徑的確定.45 活塞行程s與氣缸直徑D比值的確定.464.6 柴油機的基本計算分析.48 瞬時氣缸工作容積的計算.48 發動機整機性能參數計算.484.7機體加工工藝過程.51 全線工藝流程圖如下.515總論和展望.53 5.1 全文總結.53 5.2 展望.54參考文獻.55致 謝.56 1國內外柴油機發展狀況1.1柴油機的發展歷史柴油機的產生1.2國外柴油機技術的現狀與發展 共軌與四氣門技術 高壓噴射和電控噴射技術 增壓中冷技術 排氣再循環（EGR）技術

8、的應用 后處理技術 柴油 乳化柴油的應用 降低機油消耗 1.3我國柴油機產業的現狀與發展我國柴油機產業自20世紀80年代以來有了較快的發展， 隨著一批先進機型和技術的引進，我國柴油機總體技術水平已經達到國外80年代末90年代初水平， 一些國外柴油機近幾年開始采用的排放控制技術在少數國產柴油機上也有應用。最新開發投產的柴油機產品的排放水平已經達到歐1排放限值要求，一些甚至可以達到歐2排放限值要求。但我國柴油機產業的整體發展仍然面臨著許多問題。 （1）我國重型柴油車的產量在逐年增加，中型、輕型車柴油化步伐也在加快，但在微型汽車、轎車領域，柴油車所占比例仍為零。而另一方面，我國中型柴油機市場已呈現供

9、大于求，輕型柴油機市場也趨向飽和，但骨干企業正在生產的多數產品從技術角度已應是淘汰產品，發展潛力不大。 （2）柴油機行業投入不足，嚴重制約了生產工藝水平、規模發展和自主開發能力的提高。 現在，我國柴油機技術基礎薄弱，整體技術水平落后于國際先進水平10至20年，也落后于國內車用汽油機的發展，還不具備完整的全新柴油機產品和關鍵零部件開發能力。 許多國外已經普遍采用的技術在我國仍處于研究階段，有些甚至仍是空白。 （3）我國柴油機技術的落后、產品質量差以及車輛使用中維修保養措施不力，導致低性能、高排放柴油車在使用中對城市環境和大氣質量造成不良影響，使社會產生"厭柴"心理。（4）柴油

10、品質差、柴油標準的制修訂嚴重滯后于汽車工業發展的需要，對柴油機技術的發展以及各種新技術、改善柴油機排放措施的應用造成障礙。 有關專家近日指出，應逐步減少行政干預，加強宏觀調控。不同類型的車輛均應以滿足法規作為統一標準，鼓勵和支持技術先進柴油車的使用；做好車用柴油機發展的全面規劃，有步驟、有計劃地解決技術水平落后、產品不全、"缺重少轎"等問題，從而提高柴油機的產品質量；加大對柴油機的科技投入，開展重點科技項目的攻關工作；盡快建立和完善排放及能源法規；盡快實施燃油稅，汽油和柴油的燃油稅應同時實施，對高品質的燃油實行稅收優惠政策；采取切實可行的措施以提高車用柴油的品質，并盡快制定

11、車用柴油標準。 科技部、中國內燃機、中國汽車工程學會、大眾汽車公司以及國內柴油機生產企業等國內外知名汽車專家們呼吁：應當用一分為二的觀點來看待各種車用動力的發展，以完善的法規、科學的政策引導車輛的使用，以是否滿足標準限值作為衡量一個產品能否在市場銷售的唯一標準，有效發揮各種車用動力形式在不同運輸環境中的作用。我國柴油機技術的攻關重點應放在電控技術、排放后處理技術、整機開發和匹配技術等關鍵技術研究和材料開發上；提高柴油品質，為各類柴油機新技術的應用奠定基礎；把高速公路使用8噸以上柴油載貨車作為我國柴油車發展的重點，并為發展柴油轎車做好前期準備。1.4柴油機未來發展李斯特研究所(avl)觀點概述

12、高速柴油機一直朝著為節約燃油、高可靠性和高耐久性、低生產成本及低排氣污染的方向發展。這些要求對于商用車輛和其它重型車輛，經濟性和可靠性居于首位，因此大多采用高效率的直噴式柴油機。對于客車和其它輕型車用的柴油機主要采用渦流室式和預燃式等非直接噴射式柴油機。但由于燃料危機，為輕型車取得更好的燃油經濟性，結果也促進了高速直噴式柴油機的發展。（1）改進進氣道設計，提高氣體流速和利用有效渦流提高容積效率；（2）改善燃油與空氣混合的新型燃燒室;（3）改進噴嘴設計，使其更好地與燃燒室匹配；（4）通過渦輪增壓，利用排氣能量；（5）提高渦輪增壓效率，特別是改進后彎曲葉輪壓縮機，使柴油機效率和比功率提高；（6）中

13、冷增壓技術的發展，可使渦輪增壓柴油機得到更高的功率輸出。這些成就由于加速了燃燒過程，可以獲得更高的功率和更低的油耗。然而，今天的柴油機之所以有較低的比油耗，也與改進柴油機結構設計分不開，如采用輕型活塞、減少活塞環數量、采用小型軸承和更先進的曲軸平衡技術等。當然，這些成就是經歷了半個多世紀的發展才取得的。燃油經濟性在柴油機發展過程中始終保持它的重要位置。然而，有害廢氣排放的限制，今天已占據了首位。面臨這些挑戰，燃料噴射系統是關鍵性的，特別是電子控制。為減少摩擦損失，還需要改進活塞和活塞環，采用陶瓷和高強度纖維或復合材料等新材料，改進潤滑方式，以及減少氣門組附加損失等。渦輪增壓技術是發展重點，其目

14、標仍是可提高柴油機效率的可變渦輪形狀、兩級渦輪增壓和中冷增壓。由于復合增壓裝置可使燃油經濟性得到普遍的改善，因此增壓技術也可能應用于輕型柴油機。為降低車用柴油機噪聲，精心設計噴射系統和燃燒室，并使之趨向于完全燃燒。另外，有限元分析法可使燃燒室和活塞傳遞到柴油機表面的噪聲最小，隔噪和屏蔽也可以減小輻射和噪聲。 使通過改進燃燒系統可得到很低的排放污染，但排放有害物的收集和處理仍是當前柴油機發展的主要內容。因為在80年代末和90年代初，各國都對有害物排放標準的限制十分重視。燃油經濟性、有害排放物及油品的挑戰要求有更為復雜的儀器和設計，因而生產成本在世界汽車市場競爭中十分重要。未來的發動機將通過設計盡

15、可能降低生產成本，這就要求部件標準化和生產自動化。當然成本觀念中也要考慮維修和備件所占的比例。未來的挑戰取決于計算機技術、測試技術和分析技術。有限元分析法也已經延伸到柴油機動力學和聲學領域，新的模擬技術可分析活塞在任意位置時氣缸內氣體的三維流動結構，從而可揭示燃燒過程中燃油噴射和混合氣的形式。激光多普勒風速計成功地應用于柴油機研制和輔助摸擬技術，高速照相技術的新進展可直接觀察燃燒實況，且不影響柴油機的燃燒過程。自動化試驗臺試驗數據的迅速采集和處理，有助于更快地評價設計參數變化所產生的效果。這些新工具的應用，將加深對柴油機復雜燃燒過程和狀況的認識，從而提高未來高速柴油機的設計質量和產品質量。里卡

16、多公司觀點概述柴油燃燒系統的發展與燃油噴射密切相關，里卡多慧屋燃燒系統已經取得了領先的發展。它通過改進燃燒理論，促使了渦流燃燒室結構優化，并減小了能量損失，提高了燃油經濟性。近來噴油器和電熱塞的微型化，使它們在渦流燃室上的安裝有更大的自由度。由于柴油機比汽油機經濟性好，所以它已應用于輕型車。隨著對燃燒認識的深化而導致的平穩燃燒系統、緊湊型四氣門燃燒室和復雜工況下三元催化劑的控制，也使近幾年汽油機的燃油經濟性得到改善。面對這種挑戰，直噴式柴油機如何在輕型汽車上開發應用還必須加強。這就要求常規的燃燒室形狀，根據載荷要求和轉速負荷范圍成比例的縮小。如果使用足夠小的噴油器孔，能夠在柴油機低速低負荷下使

17、燃油霧化良好，那么按全負荷所需的噴油量噴射也是可行的。但輕型客車上常使用的噴油泵-油管-噴油器難于滿足要求，而整體式噴油器卻具有優勢。因為它應用可變小口柱針式噴嘴，無須用直噴式系統那樣的噴射壓力，濕壁油膜燃燒系統也能平穩地燃燒，這在冷車怠速狀況下很重要。盡管以上三種燃燒系統現階段還不能預測其市場。但無論使用哪一種系統都屬于電子控制燃油噴射系統，它通過計算機的控制，可保證可靠的燃油經濟性及較低的排放物和噪聲。人們也希望計算機能控制噴射率，以進一步降低噪聲。渦輪增壓在150kw以上的重型機上使用已經很常見，廢氣渦輪增壓、進氣中冷和改進燃油噴射系統已經使柴油機比功率達到25kw/l，而熱效率達到42

18、%。隨著市場需要及設計、材料和潤滑油的進步，柴油機的可靠性和耐久性也已提高，使廢氣渦輪增壓在輕型柴油機上的應用更加廣泛。不僅提高了低轉速扭矩，也減少了柴油機尺寸，改善了燃油經濟性。排氣壓力波增壓器比常規的廢氣渦輪增壓器具有優勢，因為它還有瞬時響應快的優點。現階段，常規的往復式四沖程柴油機在發電機組以后的發展主要是材料和控制系統。材料的發展包括鋁、鎂、粉末冶金材料、塑料、耐磨陶瓷材料的應用，以及阻尼層壓材料、低噪聲平滑凝結材料及強化纖維材料的使用等。柴油機控制系統通過電子技術得到了變革，如可變配氣相位、可變廢氣渦輪增壓、可變排量以及電子燃料噴射系統等。電子控制還可以擴展應用于操作自動化、排氣凈化

19、以及故障診斷等。低成本的智能傳感器，或許可用一個專家系統來分析數據和指導維修操作，以保證車輛使用可靠性，并延長柴油機壽命，減少維修和預測可能出現的故障。另外，隨著柴油機燃燒模擬技術的發展，不僅可以幫助選擇進排氣參數，節約柴油機研制時間，還可預示燃油噴射系統的最佳匹配。盡管摸擬和預測具有一定的超前性，但儀器儀表、數據庫和控制系統的進展使我們加深了對柴油機本質特性的認識。目前，高速照相和激光多普勒風速計評估燃燒和氣流運動的技術也已成熟。1.5柴油機技術發展現狀分析通常發電用柴油機是車輛、傳播及工程機械用柴油機的變型產品，因而電控技術的發展必然受到主要產品的影響，進入20世紀后期，由于柴油車廢氣污染

20、物排放法規和汽油車一樣日趨嚴格，同時改善柴油機經濟性的要求也進一步提高，因此在汽油機電控技術飛速發展的基礎上，一些發達國家開始對柴油機電控技術電子噴射進行了開發和研究，并初步投入使用。電子噴射技術與電子調速技術既有相同點，有又有根本的區別，電子噴射還具有用電信號控制噴油時刻、噴油壓力，完全取消了燃油系統中的機械結構。上世紀90年代發展起來的電控柴油噴射系統主要有以下兩種形式：一是BOSCH公司共軌式電控柴油噴射系統。其特點是系統中有一公共高壓油軌，用高壓（或中：壓）輸油泵向公共油軌中泵油，用電磁閥對油軌中的壓力進行調節。高壓（或中壓）的柴油由公共油軌分別通向各缸噴油器，由裝在噴油器內的電磁閥控

21、制噴油量和噴油正時，噴油壓力或直接決定；于共軌中的壓力，或由噴油器中的增壓活塞對從：公共油軌來的燃油進行增壓。共軌式電控噴油系統可以同時控制噴油量、噴油正時、噴油壓力、噴油速率，且能實現高壓噴射滿足排放要求。同時，早期采用傳統高壓油泵-高壓油管-噴油器的噴油系統柴油機上使用，結構變化很小。二是、PERKINS公司共軌式電控柴油噴射系統，它是在BOSCH公司電噴系統基礎上的改進。該系統無高壓油泵，電噴系統主要由電子控制模塊、高壓潤滑油供應泵、噴注壓力調節閥、噴油器等組成。其傳感器包括：曲軸位置傳感器、增壓壓力感應器、噴油壓力控制傳感器、潤滑油濕度傳感器、水溫傳感器、油壓傳感器。隨著柴油技術日益發

22、展，人們越來越發現柴油機的無窮魅力：高扭矩、高壽命、低油耗、低排放，柴油機成為解決汽車能源問題最現實和最可靠的手段。如今歐洲每推出一款新車都會配有柴油發動機的車型，而在中國能夠實現這一舉措的可能只有一汽-大眾公司。但一個不爭的現實擺在了我們面前：隨著能源危機，溫室效應的逐漸增加，人們對動力性要求的提高，盡管電子燃油噴射已經被廣泛使用，僅僅靠汽油車的解決方案不足以解決這些問題。所以在汽車工業的腹地德國一刻也沒有停止對柴油發動機的研究。即使在國內，目前采用柴油機也只有10余款，分別為捷達、寶來、奧迪、開迪、江淮瑞風等5款乘用車，福田沖浪、江鈴陸風、華泰特拉卡、上海萬豐、遼寧曙光等5款SUV。瑞風柴

23、油車所搭載的2.5升柴油機是引進韓國現代汽車公司D4BH發動機，而一汽-大眾的4款柴油乘用車均采用德國大眾與博世公司合作的柴油機，這5款柴油乘用車全部是柱塞泵、泵噴嘴技術。柴油機的優點是：省油、環保、動力強、經濟、維修方便，只要解決缺點就具有更大的市場前景，而實現電控柴油機的方案現在看來是一個很好的解決措施。實現柴油控制有三條技術路線圖，分別是單體泵、泵噴嘴和高壓共軌。目前主要的國際汽車配件供應商都在進行著柴油共軌噴射系統的開發，如：博世、德爾福、西門子、電裝公司、VDO和瑪格納-馬瑞利公司，它們是全球主要的共軌噴射系統供應商，而目前在國內生產共軌柴油噴射系統的還只有博世一家。下面分別介紹三種

24、技術：泵噴嘴技術優良的混合氣是提高柴油發動機動力性、燃油經濟性；降低排放率、噪音率的關鍵因素。這就要求噴射系統產生足夠高的噴射壓力，確保燃油霧化良好，同時還必須精確控制噴油始點和噴油量。而泵噴嘴系統能夠符合上述的嚴格要求。因此，早在1905年柴油發動機的創始人Rudolf diesel 先生就提出了泵噴油器概念，設想將噴油泵和噴嘴合成一體，省去高壓油管并獲得高噴射壓力。20世紀50年代，間歇控制泵噴射系統的柴油發動機就已應用在輪船及卡車上。之后，Volkswagen和Robert Bosh AG公司合作研制出適用于乘用車的電磁閥控制泵噴射系統。其中主要部件作用如下：單向閥：發動機不工作時，防止

25、燃油回流;旁通閥：若燃油內有空氣，則通過此處排出。節流孔與過濾器：收集、分離供油管內的氣泡;限壓閥1：調節供油管內壓力大于0.75MPa時打開;限壓閥2：保持回油管內壓力在0.10MPa;燃油泵：燃油泵是間歇式葉片泵，其優點是在較低發動機轉速時也可供油。泵體內油道使油泵轉子始終處于被燃油浸潤的狀態，從而可隨時輸送燃油;燃油分配管集成：燃油分配管集成在缸蓋內的供油管內，其功能是等量向各泵噴嘴分配燃油，在此，燃油與受熱燃油混合，并被泵噴嘴強制流回供油管。使供油管內流向各缸的燃油溫度一致。所有泵噴嘴被提供相同量的燃油，使發動機運轉平穩。否則，泵噴嘴的油溫將會不同，并且泵噴嘴被提供不同質量的燃油。這將

26、會使發動機運轉不平穩并將在前幾個缸中產生極度高溫;燃油冷卻泵：使冷卻液在冷卻環路中循環。當燃油溫度達到70，發動機控制單元通過燃油冷卻泵繼電器將其接通。在國內很多的乘用車上使用泵噴嘴，如：寶來TDI、途安TDI和奧迪TDI等。泵噴嘴技術相對之前的技術（如柱塞泵），已經具有明顯改進，而其最大的好處是大大增加了噴油壓力，其渦輪增壓泵噴嘴的噴射壓力都能達到200MPa以上。由于噴射壓力直接影響柴油燃燒做功效率，因此，泵噴嘴的燃燒效率很高。單體泵技術德爾福在重型車上采用單體泵系統。從成本上講，國內的發動機從歐向歐升級時，如果采用單體泵，對發動機改動非常小，僅以外掛式的凸輪軸箱代替歐發動機的直列泵就可。

27、當從歐向歐升級時，發動機機身主體結構仍然不變，只要把歐系統里機械式噴油器改成德爾福的電控噴油器，形成雙電磁閥單體泵系統，在發動機整體結構不作大的調整下，就可以達到歐的排放水平.在性能方面，目前在國內單體泵使用的壓力達到200MPa，當向歐升級，這個壓力可以達到250 MPa。在單體泵上采用了類似于共軌I2C的系統一致性控制，來優化整個系統的性能。在供油控制方面，如果使用雙電磁閥單體泵系統，不僅可以對壓力進行控制，還可以對噴射進行控制，而且還可以采用多次噴射。它可以達到歐或者歐的標準。目前，德爾福的雙電磁閥單體泵系統在歐洲大批量生產，主要供應給歐標準的發動機，歐標準的發動機相關系統正在做開發工作。單體泵系統的另一個優勢就是它的可靠性和壽命，這些性能已經在歐洲和北美市場上得到了10