2105型柴油机设计.doc

1、本科毕业 论文（设计） 摘要 摘 要 直列式双缸，气缸总排量 2.078 升。 105 系列柴油机以它卓越的燃油经济性及良好的操纵性，使它成为农业机械以及食品加工机械非常理想的动力选择。通过对 2105 型柴油机的实际循环热力计算以及动力计算，使我们更加了解其各项性能指标上的优点。本文是关于 2105 型柴油机的设计，其中包括进排气方式的设计、曲柄连杆机构的设计、气门机构设计、燃料供给系统设计、燃油喷射系统设计、冷却系统设计以及润滑系统设计。此外，还涉及到有关 2105 型柴油机合理的改进。 关键词 ： 2105 型柴油机，设计，改进 Abstract The in-line block tw

2、o cylinders and displacement 2.078 L. 105-type diesel engine is known for their splendid fuel economy and easy operation make is a well choice for the machine of agriculture and food production machine. Through the thermodynamics calculation and principle calculation make us know about its so many f

3、eatures. This article is about the design of the 2105 type diesel engine. It includes the design of valve arrangement, valve mechanisms, camshaft location, the fuel delivery system, fuel injection system, ignition type, and cooling system, lubrication system. The additional part is about the reasona

4、ble ways to improvement of the 2105 diesel engine. Key words: 2105 diesel engine, design, improvement 本科毕业论文（设计） 前言 1 第一章 前 言 1.1 研究目的和意义 发动机研发人 员始终在探索一条道路，即在设计领域里以折中路线为主导的思维方式来满足市场或用户对发动机近于苛刻、完美的要求。事实上，提高功率而降低油耗，以及近年来由于环境法规的完善对发动机排放问题的严格要求，使得发动机必须限制某些排放物的含量（如CO2、 HC、 NOX 等）。这两方面问题在逻辑上本身就是一对矛盾，而要提高升

5、功率但又不能增加气缸数，这似乎是不太可能的事情。众所周知，在某些场合下，一款排量较小，油耗低，使用轻便的柴油机可以满足不同程度的要求。双缸、水冷、排量 2.078 升的 2105 型柴油机正是其中的一类。它 12 小时有 效功率为 24 马力 ， 185 克 /马力小时 的耗油率，仅有 235 公斤重的质量，这使它应用的场合相当广泛，它不仅是轻型运输车辆、农业机械理想的动力选择，还可以用于轻型船只，拖网等，特别是作为野外作业发动机的动力源，以它的转速范围和出色的燃油经济性，在市场中是非常有竞争力的，从它的升功率近似于 12KW/L 来看，它甚至于高出某些4 缸机。它的多种起动方式，如应急时的人

6、工起动可以使其在某些极其恶劣的环境中工作，这一点就非常重要。在性能的提升与工作的可靠性上， 2105 型柴油机更偏重于后者。这一品质尤其适合于在某些技术，维护管 理并不是很完善的环境（如偏远山区），工作的可靠性就显得极为重要了。经过热力计算以及多次的运转实验得到的数据来看， 2105 型柴油机得燃烧峰值温度为1790，这在小型机中属于中等偏下的，除了较低的热负荷外，对 NOX的形成起到关键性作用。 设计人员从没有停止过对已有机型的创新性改造， 2105 型柴油机同样也有许多改进的空间，如考虑到极寒的环境下（以我国地域中所能达到的最低温度 - 40）工作， 2105 型柴油机还选装了点火预热装置

7、（后文将具体论述），考虑到应用场合，还可以有多种空气滤请设备的不同配置。总而言之，我们 将尽其所能的使 2105 型柴油机的性能不断提升以适应更广泛的空间。 1.2 国内外研究现状 近百年来，我国内燃机工业取得了长足的进步，截止 2001 年底，我国内燃机总产量已达2.5 亿 KW，品种、数量与质量可满足国民经济日益增长的需求。但与国际先进水平相比，在性能、质量可靠性以及自主开发能力方面还有很大差距。随着汽车保有量的增加，为控制其排放对环境的污染，我国从 2000 年起实施欧洲排放标准，从而有力推动了我国装有三效催化转化器的电控喷射汽油机以及采用多气门、增压、排气再循环、高压喷射与排气后处理技

8、术的柴油机 的发展。现如今，我国已对车用压燃式发动机实施欧洲标准，到 2010 年我国排放标准将与国际接轨。为减少内燃机对日益短缺的石油基燃料的依赖，国家鼓励发展代清洁燃料内燃机。 1.3 研究内容和方法 本次毕业设计针对 2105 型柴油机的已知参数进行实际循环热计算、动力计算（采用 C 语言程序和手工实际计算画图两种方法相结合），并通过所得数值进行综合性能分析。然后对机体运本科毕业论文（设计） 前言 2 动件（如活塞、连杆、曲轴等）、机体固定件（如气缸体、气缸盖等）及辅助系统（燃油供给系统、冷却系统、润滑系统、进排气系统、起动系统）进行合理设计，内容包 括活塞、连杆零件图及 2105 型柴

9、油机纵横剖面图，毕业设计计算说明书等。 毕业本科论文（设计） 2105 型柴油机概述 3 第二章 2105 型柴油机概述 2.1 主要结构特点 燃烧系统： 采用复合式燃烧系统，它具有起动容易，平均有效压力高，耗油低、工作柔和，能燃用多种燃料和结构简单等特点。尤其采用轴针式喷嘴能起自洁作用。 系列化： 两缸机采用了多缸机类似的结构形式，传动齿轮中心距不变，传动方式和附件布置一样，使变形产品和整个系列机型有最大的通用性，便于组织生产和管理。 总体布置： 高压油泵、喷油器，燃油滤清器和进气管布置在发 动机右侧（从发动机前端看），这样使操纵面与连杆折检面同侧；机油滤清器、起动马达，充电发电机和排气管布

10、置在左侧。对于农用机型，前端布置，由机油泵齿轮驱动冷却水泵，用手摇凸轮轴起动发动机。对于发电、工程机械用机型前端通过曲轴皮带盘驱动冷却水泵、风扇和充电发电机，由起动马达起动。 主要件结构： 机体：为半隧道式全支承滑动轴承结构，润滑油孔，冷却水道直接在曲轴箱中钻孔或铸出，系列的水冷多缸机均采用等缸心距等宽轴瓦使柴油机具有最大通用性。 气缸盖：左右两边分别布置进、排气道，近似螺旋切向气道用于产生强烈的进气涡流。 气缸套：为湿式缸套结构。 活塞：顶部有一 U 形燃烧室，裙部贴合面为薄壁椭圆结构。 活塞销：内外表面同时渗碳淬火采用变截面等强度结构。 曲轴：采用空心桶形结构全支承球墨铸铁曲轴。 连杆：

11、45# 钢，工字形截面，大头采用 45# 斜切口，锯齿定位结构。 轴瓦：为径向变厚度薄壁高锡铝合金轴瓦。 2.2 主要技术规格 型号 2105 型式水冷、四冲程、立式、复合式燃烧室 气缸套湿式 气缸数 2 气缸直径（毫米） 105 活塞行程（毫米） 120 标定功率： 1 小时功率（马力） 26.4； 转速（转 /分） 1500； 12 小时功率（马力） 24； 转速（转 /分） 1500； 毕业本科论文（设计） 2105 型柴油机概述 4 空车最低稳定转速（转 /分） 500 最大扭矩及相应的转速（公斤 .米及转 /分） 12.82； 1400 燃油消耗率（克 /马力小时） 185 机油消耗

12、率（克 /马力小时） 5 活塞总排量（升） 2.078 活塞平均速度（米 /秒） 6 压缩比 17 平均有效压力（公斤 /厘米 2） 6.93 柴油机转向（面向功率输出端看）逆时针 调速器型式机械离心全程式 喷油器：型式及型号轴针式 ZC4S1 型 喷油压力（公斤 /厘米 2） 120 喷油 泵型式号系列泵 润滑方式压力、飞溅混合式 起动方式手摇起动 柴油机外形尺寸（毫米）长宽高 615 490 860 柴油机净重（公斤） 235 毕业 本科 论文（设计） 实际循环热 计算 和动力计算 5 第三章 实际循环热计算和动力计算 3.1 2105 型柴油机实际循环热计算 对 2105型柴油机标定工况

13、进行实际循环热计算。 已知条件为： 缸径 D = 105 mm 行程 S = 120 mm 缸数 I = 2 12 小时功率 Ne = 24 PS 转速 n = 1500 rpm 压缩比 = 17 每缸工作容积 Vh = 1.0391 L 曲柄半径和连杆长度比 R/L = 0.25 大 气状态 p0=1kg/cm T0= 288 K 燃料平均重量成分 C = 0.87 H = 0.126 O = 0.004 燃料低热值 Hu = 10500 Kcal/Kg 燃料 燃烧室形式 U 型燃烧室 (复合式 ) 1.参数选择 ： 根据相类似柴油机的实验数据和统计资料，结合本柴油机的具体情况可以选定： 过

14、量空气系数 = 1.75 最高燃 烧压力 pz = 65 Kg/ cm2 热量利用系数 z = 0.75 残余废气系数 = 0.04 排气终点温度 Tr = 800 K 示功图丰满系数 i = 0.96 机械效率 m = 0.80 2.燃料热化学计算 :根据有关公式可以求得下列有关参数。 (1)理论所需空气量 L0 L0 = 1/0.21( C/12 + H/4 - O/32 ) = 0.495kg.mol/kg 燃料 (2)新鲜空气量 M1 M1= L 0 = 1.4 0.495 = 0.693 kg.mol/kg 燃料 (3)理论上完全燃烧（ =1 ）时的燃烧产物 M0 M0 = C/12

15、 + H/2 + 0.79 L0 = 0.5265 kg.mol/kg 燃料 (4)当 =1. 4 时的多余空气量为 （ -1） L0= 0.198 kg.mol/kg (5)燃烧产物总量 M2 M2 = M0+( -1)L0 = 0.7245 kg.mol/kg (6)理论分子变更系数 0 0 = M1/M2 =1.045 (7)实际分子变更系数 =（ 0 + ） /（ 1+ ） = 1.083 毕业 本科 论文（设计） 实际循环热 计算 和动力计算 6 3.换气过程参数的计算 (1)取 Pa=0.9P0 ， 则进气终点压力为 Pa = 0.9 kg/ cm2 (2)取进气加热升温 T= 2

16、0 ，则进气终点温度为 Ta为 Ta =（ T0+T+T r） /（ 1+ ） =327 K (3)充气效率 v = pa T0/( -1) P0 Ta （ 1+ ） =0.81 4 压缩过程的计算： (1)选取平均多变压缩知数 n1=1.368 (2)压缩过程中任意点 x 的压力 Pcx Pcx=Pa(Va/Vcx)n1 式中 Vcx x 点的气缸容积。它等于 Vcx =D 2R（ 1-cosx ） -R/4L（ 1-cos2x ） /4+Vc 其中 x为 x 点从上止点算起的曲轴转角： Vc = Vh/（ -1） 可以取数个 x 点 ,求出 Pcx和 Vcx在绘制示功图时用以画出压缩线 a

17、-c (3)压缩终点压力 Pc和温度 Tc Pc = Pa n1 = 43.4 Kg/cm2 Tc = Ta n1-1 = 927.6 K Tc = 927.6 273 = 654.6 (4)压力升高比 = Pz/Pc = 1.5 5 燃烧过程的计算： (1) 压缩终点的空气平均等容比热 Cv0 由图2-15 上查得 ,在 tc=654.6时的 Cp=7.30 Kcal/Kg.mol 于是 Cv = Cp - 1.986 = 5.314 Kcal/Kg.mol (2)压缩终点的残余废气平均等容比热 Cv从2-15 上查得 。在 =1. 4， tc=654.6 时的 Cp = 7.73 Kcal

18、/Kg.mol.所以 Cv = Cp - 1.986 = 5.744 Kcal/Kg.mol (3)压缩终点的混合气平均等容比热 Cv Cv = (Cv+C v )/(1+)=5. 33 Kcal/Kg.mol 图 2-15 (4)燃烧终点的温度 Tz z Hu/(1+) L0 + Cv tc + 1.986t c + 542( -)=C p tz 将已知的数值代入， Cp *tz = 15320 再用图 2-15 的曲线先估计一 tz值 ,如此逐步试算直至得到一 tz值 ,视其值与 15320 是否相符 ,然后按其差值再另选一 tz,如此逐步计算直至有一值与 cp乘积等于 15320 为止。

19、照此方法最终求得燃烧终点温度。 tz = 1790 Tz = 1790 + 273 = 2063 K 毕业 本科 论文（设计） 实际循环热 计算 和动力计算 7 (5)初期膨胀比 = / Tz/Tc = 1.606 6 膨胀过程的计算 (1) 后期膨胀比 =/= 10.59 (2)选取平均多变膨胀指数 n2 = 1.28 (3)膨胀过程中任意点 x 的压力 Pbx Pbx = Pz(Vz/Vbx)n2 式中 Vbx - x 点的气缸容积，求法与前诉的 Vcx相同。 在求得数个 x 点的 Pcx和 Vbx值后，即可画出示功图的膨胀线。 (4)膨胀终点压力 Pb和温度 Tb Pb = Pz/ n2

20、= 3.829 Kg/cm2 Tb = Tz/ n2-1= 1287 K Tb = 1287 273 = 1014 K 7.平均指示压力 Pi的计算 Pi =P0/( -1)( -1)+(1 -1/ n2)/(n2-1)-(1-1/ n1-1) /(n1-1) 将已知数值代入， Pi = 9.37 Kg/cm2 Pi = i Pi = 8.9952 Kg/cm2 8.指示热效率 i i = 1.968L 0/Hu T0/P0 Pi/ v = 0.419 9指示比油耗 gi gi = 632.2/（ Hu i） =0.135 Kg/PS.h 10.有效热效率 e和比油耗 ge e = i m =

21、 0.419 0.8 = 0.3352 ge = 632.2/Hu e = 0.180 Kg/PS.h 11.平均有效压力 Pe和有效功率 Ne的校核 Pe = Pi m = 8.9952 0.8 = 7.192 Kg/cm2 Ne = iVhPen/900 = 24.9 PS 计算结果与设计要求相符 。 绘制示功图压缩线 a c 所需点 x 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Vcx 120 160 210 280 350 434 520 610 704 Pcx 46 31 20 14 10 8 6 4.8 4 Va = 2Vh = 2.0782 L ； Pa = 0.

22、9 Kg/cm2 Vc = Vh/ -1=0.065 L； Pc = Pa n1 = 43.4 Kg/cm2 毕业 本科 论文（设计） 实际循环热 计算 和动力计算 8 绘制示功图膨胀线 z b 所需点 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Vbx 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Pcx 21 13 8.8 6.7 5.3 4.4 3.7 3.2 2.8 Pz = 65 Kg/cm2 ; Vz = Vc = 0.081 L 注 :示功图丰满系数是使曲线更加圆滑合理 , z , z , b , a 的圆弧起始点与气门开闭、曲轴 转角有关。 毕业 本科

23、 论文（设计） 实际循环热 计算 和动力计算 9 3.2 2105 型柴油机动力计算 已知该机型的示功图及以下一些基本参数： 二缸、立式、 D = 105 mm、 S = 120 mm、 n = 1500rpm、压缩比 = 17、 =1/4、 n1 = 1.368、 n2 = 1.2 计算： 活塞 的位移，速度，加速度的计算 (1)活塞的位移： x = r(1+cos )+ (1-cos2 )/4 不同角及值的 x/r 无量纲参数可由 内燃机动力学（中国工业出版社 61 年版）表 3 查出。作图方法：勃留 克斯法 (2) 活塞的速度 : v = r (sin + sin2 /2) 不同角及值的

24、 v/r 可由图 （同上）表 4 查出。 作图方法：简谐曲线合成法 (3) 活塞的加速度 : a = r 2(cos + cos2 ) 不同角及值的 v/r 2可由图 （同上）表 6 查出。 作图方法：托列法 下面将计算法求得结果，列于 附表 1 中 作用在发动机曲柄连杆机构上的力 沿气缸中心线作用在活塞上的气体压力 PG： 吸气和排气过程的压力 P G 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 PVn = C 来计算，为了计算方便，将容积关系转化为冲程关系。 所以 压缩过程 P G = Pa(S+Sc)/(Sx+Sc)n1 其中 Sc = S/ -1

25、= 0.75 cm 膨胀过程 P G = Pb(S+Sc)/(Sx+Sc)n2 Pa = 0.9kg/cm2 Pb = 3.829 kg/cm2 PG = P G 1 求往复惯性力 Pj： 首先确定往复运动质量 mj： mj = mA +mLA 活塞组质量 mA： mA = GA= 2.14 kg 其中活塞组质量为活塞、活塞销、活塞环、滑块 、活塞杆以及装置在这些零件上所以的其他附件之和。 连杆分布在小头的质量 mLA： 已知连杆总重为 3.3kg,有经验公式 : mLA=( 0.2 0.3 )mL mLB =( 0.7 - 0.8 )mL (内燃机动力学 P31下 ) 所以取分布在连杆小头的质量为 1/3 连杆质量 mLA = 1/3 GL = 1.1 kg mj = mA +mLA= 3.24 kg 前面已经计算了活塞运动的加速度 a , 所以往复惯性力 Pj = - mj a (方向与加速度相反 )