发动机总体设计

三、总体设计选型

总体设计是柴油机设计的重要环节，它决定新设计的柴油机的生命力和前途；关系到新设计的柴油机是否能很好地满足设计任务书的要求。

总体设计的任务是根据设计任务书的要求，选择确定一种各方面都较完善和柴油机结构型式；选择确定柴油机的主要性能参数和主要结构参数；对各主要零件和系统元件的结构型式和主要尺度进行选择和估算，然后进行总体布置和调整，最后绘出详细的总体布置图。

具体来说，总体设计包括以下几项工作。

3.1．母型发动机的选择

选择母型发动机是根据以下各方面来考虑的。

（1）发动机型式相同，如冲程数相同；都为十字头式或筒状活塞式发动机；都为直列式或V型发动机等等；且发动机几何相似（或接近相似）。

（2）转速比较近或发动机用途相近。

（3）单缸功率比较接近；强载程度相近。

（4）增压度相近。

（5）对二冲程发动机，还有换气型式相近等等。

根据上述几个方面，在已经大量投入使用，并有较好使用效果的发动机中选择一台或二台与设计任务相近的发动机作为母型。

有了母型发动机，在选择新设计发动机的主要参数和结构型式乃至总体布置等方面，都可有所借鉴和比较。应该仔细的分析和研究母型发动机的优缺点，在设计发动机中应该扬长避短，着眼于创新，而决不要被母型机牵着鼻子走，照搬照抄。

3.2、选择确定发动机的主要参数

发动机的主要参数，有的是设计任务书提出的要求，有的可参照型发动机来选择。主

要参数包括：主要性能参数、平均有效压力P

me 、转速n、活塞平均速度C

m

、增压压力P

k

、

压缩比ε、最大爆发压力P

Z

、气缸数i、气缸直径D、活塞行程S、行程缸径比S/D、气

缸中心距L

O

、曲轴半径连杆长度比λ、燃油和滑油的耗油率、单位功率重量及大修期等。

发动机的主要参数表明了它的先进性。在选择主要参数时，既要追求先进，又要不脱离我国柴油机制造的实际。否则就会成为纸上谈兵。

3.3、选择确定所设计发动机的总体布置结构型式

这项工作实际上是与选择母型发动机同时进行的，在选择母型机时，对总体布置和总体结构必然是已进行了基本的构思。此时，只不过是进一步具体化而已。例如，要确定增压器布置在何处，喷油泵喷油器如何布置、凸轮轴如何布置、怎样传动，调整器如何布置，操纵台设置在何处等，总体布置既要紧凑、美观，又要便于拆装和操作管理以及满足设计任务书的要求。

3.4、选择确定发动机主要零件的结构形式及尺寸

这项工作主要是把发动机的主要零件的结构形式和大体尺度确定下来，例如曲轴采用何种结构形式、何种材料，是锻钢曲轴还是球墨铸铁造曲轴，主要结构尺寸应为多少，活塞是整体式还是组合式、冷却还是非冷却式、机体零件上采用机座的结构还是倒挂式主轴承结构，它们的主要尺度应定为多少等等。

完成了上述各项工作，发动机的总设计就基本就绪了。紧接着就是绘制总图，初步布置一下，看有无问题，详细绘制总图的要求见后。

在基本上完成了总体设计后，为了初步验证所选择的参数和指标是否合理。能否达到，各主要零部件的结构尺寸是否安全可靠，接下去应进行柴油机热的计算、动力计算和主要零部件的设计计算。

3.5原机型有关参数

四冲程六缸、废气涡轮增压、不可逆式、直接喷射、压缩空气启动。

D=200mm S=270mm

n=600r/min Ne=440kW

增压压力P

k =0.241Ma,压缩比ε=12.5，机械效率η

m

=0.85,压缩复热指数n

1

=1.37,膨

胀复热指数n

2=1.26，Z点利用系数ξ

z

=0.88，燃烧过量空气系数α=2.0，中冷器出水温

度t=

25,原机配气定时：进气门开——上死点前60度

进气门关——下死点后40度

排气门开——下死点前40度

排气门关——上死点后60度

行程失效系数可取约0.083。

连杆长L=540mm，质量为34.76kg，活塞组质量m=35.76kg，连杆组质量分配比0.347/0.653，单位曲柄不平衡质量m=48.67kg。

四、热计算

热计算是用来校验设计中所选择的性能参数是否合适，所要求的主要性能指标能否达到。通过热计算，也可为合理地组织气缸内的工作过程指明方向和途径。

4.1、计算格式

热计算的内容和方法在《柴油机原理》[1]一书中有较为详尽的论述，下面用列表的方式，提供一个计算格式（见表4.1）。

热计算是相应于发动机在标定功率的工况下进行的。通过热计算可以估计工作循环的指标，从而表明工作循环的有效性和经济性如何。

4.2、参数选取

热计算是否合理与正确，在很大程度上取决于所选择的参数是否符合实际情况，而选择热计算的各参数，又往往是根据经验在一定的范围内选取的，常常会碰到由于现有参数的选用未能反映出发动机的新发展水平，而使计算结果不满足要求或不符合当前实际。因而常常要进行多次试算和调整，才能使结果比较合理。表4.2给出热计算参数一般范围，供计算时参考。

表4.1 热计算表格

表4.2 热计算一般参数范围

点

1

)

(

n x

a

a x v v p p =，膨胀线上各点2

)

(

n x

b

b x v v p p =，式中a 为压缩始点，b 为膨胀终点，该两

点的参数p 及 v 均已算得，故可用以求得线上其它点的参数。

4.3、示功图绘制

采取计算机编程绘图的方式绘制示功图。

五、绘制柴油机横剖面图

柴油机横剖面图的绘制，在总体设计选型时即已开始。即在确定柴油机的结构形式、主要性能和结构参数后，需进行初步的总体布置和调整、并确定各主要零部件的结构尺寸。当进行了各种设计计算后，再作必要的调整。各方面的要求均得到满足后，再绘出详细的柴油机总图，在课程设计范围内，绘制一个缸的横剖面图。要求能清楚地表达柴油机各组成部分的结构情况、相互关系和基本性能。

绘制总图时，必须按照《机械制图国家标准》及其他有关标准或规定绘制。

总图的绘制，应按机械制图国家标准定图幅及比例尺，然后在图纸上先定出曲轴中心线和气缸中心线位置（应参考母型机总图，合理定出），再依照先进行主要运动件的布置、再进行主要固定件及其它附件的布置的次序，由内向外逐步扩展，一步步绘制。

在布置和绘制总图时，应注意以下几点：

，应满足所选定的压缩（1）活塞在上死点时，其顶面与缸盖底面间的压缩室容积V

c

比ε=（V+V b）/V c，对于四冲程发动机，还必须确保进排气门重叠开启时不与活塞顶相碰，对于筒状活塞二冲程柴油机，还应检验活塞在上死点时，活塞裙下缘的最后一道油环是否能封往扫气口（位于扫气口下方）。

（2）当活塞处于下死点时，必须确保：活塞最下面一道油环不越出气缸套下缘；活塞裙下部不与曲的上的平衡块相碰；对于二冲程柴油机，此时活塞顶相对于气缸套上的气口应处于适当位置。

（3）在曲柄连杆机械的运动过程中，不得与固定机件相碰，并留有适当的最小间隙。为此，应作运动干涉检查。

（4）绘图时还必须注意拆装条件和方法，即保证按照通常的检修条件能拆开能装上，且拆装方便（包括采用专用工具）。

（5）固定机件应有足够的强度和刚度，便于制造、便于安装、结构紧凑、重量轻。曲轴箱上开设的窗口既要便于检修、便于观察，而又不削弱机体。

（6）应尽力保持图面整洁、美观、线条清晰。

参考文献

[1] 刘元诚、吴锦翔、崔可润，柴油机原理，大连海运学院出版社，1992

[2] 陈大荣，船舶柴油机设计，国防工业出版社，1985

[3] 中华人民共和国船舶检验局，钢质海船入级与建造规范，人民交通出版社，1989

[4] 船用柴油机设计手册（二），国防工业出版社，1979

[5] 船用柴油机设计手册（三），国防工业出版社，1979

[6] 船用柴油机设计手册（四），国防工业出版社，1979

[7] 施兴之、肖金生，内燃机课程设计指导书，武汉交通科技大学资料，1998