s195柴油机整机设计说明书

目录

1 绪论 (1)

2 柴油机工作过程的热力学分析计算 (1)

2.1 原始参数 (1)

2.2 选取参数 (2)

2.3 计算参数 (3)

3 柴油机动力计算及平衡 (5)

3.1 已知数据 (5)

3.2 动力计算 (7)

3.3 平衡计算 (17)

4 燃烧系统 (18)

4.1 燃烧室的选型 (18)

4.2 涡流室结构 (19)

4.3 主燃烧室形状 (19)

4.4 涡流室镶块 (19)

4.5 改善冷启动性能的措施 (20)

5 活塞组的设计 (20)

5.1 概述 (20)

5.2 活塞的选型 (20)

5.3 活塞的基本设计 (21)

5.3.1 活塞的主要尺寸 (21)

5.3.2 活塞头部设计 (22)

5.3.3 活塞销座的设计 (22)

5.3.4 活塞裙部及其侧表面形状设计 (22)

5.3.5 活塞与缸套配合间隙 (23)

5.3.6 活塞重量的参考值 (23)

5.3.7 活塞强度计算 (23)

5.3.8 活塞的冷却 (24)

5.5.9 活塞的材料及工艺 (24)

5.4 活塞销的设计 (24)

5.4.1 活塞销的结构及尺寸 (24)

5.4.2 轴向定位 (24)

5.4.3 活塞销和销座的配合 (25)

5.4.4 活塞销的强度校核 (25)

5.4.5 活塞销材料及强化工艺 (26)

6 连杆组的设计 (26)

6.1 概述 (26)

6.2 连杆的结构类型 (26)

6.3 连杆的基本设计 (26)

6.3.1 主要尺寸比例 (26)

6.3.2 连杆长度 (27)

6.4 连杆小头设计 (27)

6.4.1 连杆小头结构 (27)

6.4.2 小头结构尺寸 (27)

6.4.3 连杆衬套 (28)

6.5 连杆杆身 (29)

6.6 连杆大头 (29)

6.6.1 连杆大头结构 (29)

6.6.2 大头尺寸 (29)

6.7 连杆强度的计算校核 (30)

6.7.1 连杆小头的校核 (30)

6.7.2 连杆杆身的校核 (37)

7 配气凸轮的设计 (39)

7.1 凸轮外形设计得任务和要求 (39)

7.2 凸轮设计主要参数的选择和限制条件 (39)

7.3 缓冲曲线设计 (39)

7.4 凸轮的选型及计算 (40)

8 机体的设计 (47)

8.1 机体结构形式的选择 (47)

8.2 机体材料的选择 (48)

8.3 机体外形轮廓尺寸的决定 (48)

8.4 提高机体刚度与强度的措施 (48)

9 油底壳设计 (49)

10 气缸套设计 (50)

10.1 设计要求 (50)

10.2 结构设计 (50)

结论 (52)

致谢 (53)

参考文献 (54)

1 绪论

从1860年首台内燃机诞生以来，经过了百余年的发展，其给人类带来的生产力的提高和对生活得便利使得内燃机工业业已成为人类文明中不可替代的部分。但是，人类追求进步的脚步远没有停止，内燃机的发展远远没有达到其顶点，在动力性、经济性和排放性方面还在不断地改进。作为动力输出源的内燃机，柴油机，其在动力性以及油耗性上比汽油机的优越性以使其成为工程机械、农用机械套动力装置中不二的选择，因此对柴油机的研究和改进已成为各大发动机生产商的重大战略。

S195型柴油机是小型卧式、单缸、四冲程、蒸发水冷式发动机。具有结构轻巧、移动方便、安装简单、运转平稳、操作简易和工作可靠等特点，除基本型外，还有电起动、凝汽水冷却等多个变型品种，适宜多种配套。可配套手扶拖拉机、小四轮拖拉机、小型排灌、船用机组、发电机组、空压机组以及农副业加工的动力装置，如脱粒机、碾米机、磨粉机、饲料粉碎机等，在我国工农业生产中得到广泛应用。

本课题在参考国内现有同型号柴油机经典结构的基础上进行整机设计，力争使得柴油机的性能达到较好的水平，结构力争紧凑。

2 柴油机工作过程的热力学分析计算

2.1 原始参数

原始参数及已知条件

1）柴油机型号：S195；

2）燃烧室型式：涡流式；

3）增压方式：非增压；

4）气缸数：Z: 1；

5）冲程数 ：4；

6）气缸直径D：95mm；

7）活塞行程S：115mm；

8） 排量：0.815L ；

9）

标定功率e N ：8.8kw （12PS ）；

10） 标定转速：2000 rpm ； 11） 怠速转速：≤800 rpm ；

12） 额定功率时最低燃油消耗率：≤258.4g/kw.h ； 13） 压缩比ε：20； 14） 冷却方式：水冷； 15） 净质量：145kg ；

16） 润滑方式：压力润滑+飞溅润滑； 17） 启动方式：电启动；

18） 燃料重量成分：0.86C\0.13H\0.01O ； 19） 燃料低热值u H ：10140kcal/kg ； 20） 环境温度0T ：293K ； 21） 环境压力0p ：1.02/cm kgf 。

2.2 选取参数

1） 最高爆发压力z p ：752/cm kgf ； 2） 过量空气系数α：1.20； 3） 残余废气系数r γ：0.03 4） 进气受热增加温度T ?：20 ℃； 5） 排气温度r T ：800K ；

6） 排气管压力r p ：1.12/cm kgf ； 7） 进气系统压力s p ：1.02/cm kgf ； 8） 压缩多变指数1n ：1.368； 9）

膨胀多变指数2n ：1.22；

10） 热量利用系数ξ：0.7； 11） 示功图丰满系数f ?：0.94； 12） 机械效率m η：0.72； 13） 扫气系数s ?：1.0；

14） 压缩始点压力a p ：0.852/cm kgf ； 15） 进排气重叠角：?

2.3 计算参数

1） 汽缸工作容积：000815.0115.0095.04422=??=

=

π

π

S D V h 3m ；

2） 压缩终点容积：000043.01

20000815.01=-=-=εh c

V V 3m ； 3） 燃烧1公斤燃料理论所需空气量：=??

?

??-+=

3241221.010O H C L 0.945kg kgmol /；

4） 进气充量公斤摩尔数：593.001==L M αkg kgmol /； 5） 燃烧产物公斤摩尔数：6256.032

402=++=O H L M αkg kgmol /； 6） 理论分子变更系数：055.11

2

0==

M M μ； 7） 实际分子变更系数：054.110=++=

r

r

γγμμ；

8） 进气系统温度：K T T s 2930==； 9） 压缩始点温度：r

r

r s a T T T T γγ++?+=

1=326 K ；

10） 充量系数：784.011

1=+-=

r

a s z a v T T p p γεε

η；

11）

压缩终点气缸压力：3.491==n a c p p ε2/cm kgf ；

12） 压缩终点温度：K T T n a c 97311==-ε； 13） 压力升高比：50.1==

c

z

p p λ； 14） 定容燃烧终点温度：K T T c y 1460==λ； 15）

最高燃烧温度：

[]

?

??

???-+?-+++=

)(524)1(986.1)()1()(1112d c m p r u d

m p z t c M H c t μλλμγξμμ

其中m p c )(μ可由图2-1查得：

图2-1 不同α值时，柴油完全燃烧产物平均摩尔比热m p c )(μ值与温度t 的关系

m p c )(μ=8.50；故z t =2230 K ； 16）

初期膨胀比：592.1==

c

z

d T T λμρ；

17） 燃烧终点气缸容积：300007.0m V V c z ==ρ；

18） 膨胀终点气缸压力：49.3)(2==n c b p p ερ

2/cm kgf ；

19） 膨胀终点温度：K T T n z b 1285)(12==-ερ

；

20）

理论平均指示压力：

?

??

???---??????--+--=

'--)11(11)(11)1(1111212n n c i n n p p εερλρρλε =10.032/cm kgf ； 21） 实际平均指示压力：43.9='=i f i p p ?2/cm kgf ； 22） 平均有效压力：78.6==i m c p p η2/cm kgf ； 23） 有效功率：PS nZ

V p N h e e 129

.0==

； 24） 指示热效率：396.0986

.11==s

v u s

i i p H T p M ηη；

25） 有效热效率：285.0==i m e ηηη； 26）

有效燃油消耗率：h PS g H g e

u e ?==

/211632000

η； 27）

进气流量：s kg Z n

RT V p G s s h s s /0124.0120

104=??=?。

3 柴油机动力计算及平衡

3.1 已知数据

1）气缸直径D ：95mm ； 活塞行程S ：115mm ； 曲柄半径R ：57.5mm ； 连杆长度l ：210mm ；

曲柄半径与连杆长度比2738.0==l

R

λ； 活塞面积22

65.784

cm D F p ==

π；

标定功率e N ：8.8kw （12PS ）； 标定转速：2000 rpm ； 曲轴旋转角速度s rad n

/21030

==

πω 22

2/4410

0s r a d =ω； 曲轴销中心的切向速度s m R /075.12=ω； 曲柄销中心的切向加速度22/75.2535s m R =ω； 活塞平均速度s m Sn

C m /67.730

==

； 2）往复运动质量j m

活塞组实测重量=0G 1.365kg 。其中，活塞0.9kg ，活塞销0.365kg ，挡圈（两只）0.005kg ，油环（一只）0.03kg ，气环（三只）0.065kg 。

连杆组质量的换算：

连杆组实测重量c G =2.315kg 。其中，连杆体（包括连杆盖、套管及连杆衬套）1.893kg ，连杆轴瓦（两片）0.11kg ，连杆螺钉（两只）0.124kg ，保险铅丝（一根）0.008kg 。

将连杆体用称重法得其重量分配比为0.600 : 1.293。因此，ca G =0.6kg ，

cb G =1.293+0.11+0.124+0.008=1.535kg 。

因此ca p j m m m += =

)/(2005.0)6.0365.1(1

2m s kg g

?=+ )//(00283.088

.702005

.022cm m s kg F m m p

j j ?==

=

' 3）旋转运动质量r m

曲柄质量的换算见图3-1：

图中曲柄臂的椭圆部分对称于曲轴旋转中心，故不必换算。 计算曲柄图示部分的重量及其重心至曲轴旋转中心线的距离为：

图3-1 曲柄质量换算用图

kg G I 71.0=，cm I 6.7=ρ； kg G II 108.0=，cm II 5.7=ρ；

kg G III 563.0=，cm III 7.5=ρ；

其中，I 部分表示平衡块，即kg G b 71.0=，cm 6.7=ρ。 故kg R G G G II II III III b 276.075

.52

5.7108.07.5563.0=??-?=-=

ρρ

m s kg g

m m m cb d r /1847.0)535.1276.0(1

2?=+=

+= 3.2 动力计算

1）运动分析及动力计算 （1）运动参数的计算 活塞运动规律计算公式： 活塞位移：

)]sin 11(1

cos 1[22?λλ

?--+

-=r x

活塞速度：)2sin 2

(sin ?λ

?ω+==r x

v

活塞加速度：2)2cos (cos ω?λ?r x a +==

连杆摆角：)sin arcsin(αλβ=

以上个参数具体位置见图3-2 曲柄连杆机构简图所示。

计算活塞在一个循环内各位置的运动规律，结果如表3-1所示。

画出活塞运动规律曲线图，如图3-3所示。

图3-2 曲柄连杆机构简图

表3-1 S195柴油机活塞运动规律计算表

图3-3 S195柴油机活塞运动规律曲线

（2）动力参数的计算

i.计算在一个循环中活塞连杆曲轴所受的运动分力。 结果如表3-2所示。

绘制)(x f N p =的变化曲线，如图3-4所示；

绘制)(),(),(???f p f p f p j g ===的变化曲线，如图3-5所示； 绘制)(),(1??f ra p f p ==的变化曲线，如图3-6所示。 绘制曲轴输出扭矩曲线，如图3-7所示。

可见，单缸柴油机曲轴的输出扭矩曲线与其曲柄切向力曲线形状完全一样，只是纵坐标值相差p RF 倍。

图3-4

)(x f p N 的变化曲线

图3-5

)(),(),(???f p f p f p j g ===的变化曲线

图3-6

)(),(??τf p f p ra ==的变化曲线

图3-7 曲轴输出扭矩曲线

tm

t M M max

=

μ 当 380=α时，cm kgf M t .10544max =。 取72.0=m η，则67.1672

.012

==

=

m

e

i N N η PS 。 cm kgf n N M i tm ?===5972000

67.167162071620

67.17597

10544

==

μ 3）飞轮矩2

m f D G 的计算

根据S195型柴油机的多种用途，选取50

1

=δ。查表 ，3.1=ξ。12=e N PS ，n=2000rpm 。

m s kg n

N I e ???=????=?=-233

4

3

4

110367.6)2000(50

1123.11053.61053.6δξ 2312

4.249810367.681.944cm kg gI D G m f ?=???==-

3.3 平衡计算

1）离心惯性力的平衡 平衡块产生的离心惯性力

kgf

m P b rb 2.48544100076.081

.971

.0222=???

==ρω 柴油机不平衡的离心惯性力

kgf R m P r r 4.46876.25351827.02-=?-=-=ω

因为r rb P P >，故可在校正平衡时，从平衡块的边缘处（cm 5.90=ρ）钻去适当的重量o G 。

g g

P P G r rb o 3944100

5.9981

)4.4682.485()(2

0=??-=

+=

ωρ

2）一级往复惯性力的平衡

?ωcos 2R m P j jI -=

11B A P jI +=

αj e A A 11= αj e B B -=11

2112

1

ωR m B A j =

= 因此，必须采用以角速度ω正、反转的双轴平衡装置，才能把一级往复惯性力完全平衡。S195型柴油机采用的双轴平衡装置。其中，每根平衡轴重量为G '、旋转半径为ρ'。

cm kg G ?=??=

''6494.575.5965.12

1

ρ 3）二级往复惯性力的平衡

?ωλ2cos 2R m P j jII -=

22B A P jII +=

α222j e A A = α222j e B B -=

2222

1

ωλR m B A j =

= 因此，必须采用以角速度ω2正、反转的双轴平衡装置，才能把二级往复惯性力完全平衡。如果在平衡一级往复惯性力的双轴平衡装置基础上再增添一对以

ω2±角速度旋转的平衡轴，势必会使机构复杂化。鉴于农用，且二级往复惯性力又较小，故在S195型柴油机上对二级往复惯性力不采取平衡措施。

4 燃烧系统

4.1 燃烧室的选型

本次设计选用涡流室形式。

该形式的特点为采用切向连接通道，产生强力的有规则的压缩涡流，促使喷入涡流室中燃料的分布和混合。在膨胀行程中，涡流室中的混合物喷入主燃烧室产生二次涡流，与主燃烧室中的空气进一步混合燃烧。涡流室与主燃烧室的最大压差约为1—22/cm kgf ，最高流速达100—180m/s 。与直喷式相比，涡流室具有下列特点：

1） 对转速不敏感，高速性能好，在4000rpm 的柴油机上仍有较好的性能指标。

2） 采用轴针式喷油器，针阀开启压力为120—1402/cm kgf ，对燃油系统的要求较低，喷油器故障较少。

3） 运转平稳，排气污染较少。

4） 易于调试，使用性能稳定，对农村使用条件较容易适应。

5） 涡流室的散热损失及流动损失较大，燃油消耗率较高，冷启动困难，处选用较高的压缩比外，一般还需启动辅助装置。

6） 组成燃烧室零件的热负荷较高，涡流室镶块容易产生开裂、烧损等故障。