2105型柴油机毕业设计论文要点.docx
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2105型柴油机毕业设计论文要点
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
Thein-lineblocktwocylindersanddisplacement2.078L.105-typedieselengineisknownfortheirsplendidfueleconomyandeasyoperationmakeisawellchoiceforthemachineofagricultureandfoodproductionmachine.Throughthethermodynamicscalculationandprinciplecalculationmakeusknowaboutitssomanyfeatures.Thisarticleisaboutthedesignofthe2105typedieselengine.Itincludesthedesignofvalvearrangement,valvemechanisms,camshaftlocation,thefueldeliverysystem,fuelinjectionsystem,ignitiontype,andcoolingsystem,lubricationsystem.Theadditionalpartisaboutthereasonablewaystoimprovementofthe2105dieselengine.
Keywords:
2105dieselengine,design,improvement
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（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Ⅰ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Ⅱ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型柴油机纵横剖面图，毕业设计计算说明书等。
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：
1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。
2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。
3气缸套：
为湿式缸套结构。
4活塞：
顶部有一U形燃烧室，裙部贴合面为薄壁椭圆结构。
5活塞销：
内外表面同时渗碳淬火采用变截面等强度结构。
6曲轴：
采用空心桶形结构全支承球墨铸铁曲轴。
7连杆：
45#钢，工字形截面，大头采用45#斜切口，锯齿定位结构。
8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；
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…………………………………………Ⅰ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
第三章实际循环热计算和动力计算
3.12105型柴油机实际循环热计算
对2105型柴油机标定工况进行实际循环热计算。
已知条件为：
缸径D=105mm
行程S=120mm
缸数I=2
12小时功率Ne=24PS
转速n=1500rpm
压缩比ε=17
每缸工作容积Vh=1.0391L
曲柄半径和连杆长度比R/L=0.25
大气状态p0=1kg/cmT0=288K
燃料平均重量成分C=0.87H=0.126O=0.004
燃料低热值Hu=10500Kcal/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：
过量空气系数α=1.75
最高燃烧压力pz=65Kg/cm2
热量利用系数ξz=0.75
残余废气系数γ=0.04
排气终点温度Tr=800K
示功图丰满系数φi=0.96
机械效率ηm=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L0L0=1/0.21（C/12+H/4-O/32）=0.495kg.mol/kg燃料
（2）新鲜空气量M1M1=αL0=1.4×0.495=0.693kg.mol/kg燃料
（3）理论上完全燃烧（α=1）时的燃烧产物M0
M0=C/12+H/2+0.79L0=0.5265kg.mol/kg燃料
（4）当α=1.4时的多余空气量为
（α-1）×L0=0.198kg.mol/kg
（5）燃烧产物总量M2M2=M0+（α-1）L0=0.7245kg.mol/kg
（6）理论分子变更系数μ0μ0=M1/M2=1.045
（7）实际分子变更系数μμ=（μ0 +γ）/（1+γ）=1.083
3.换气过程参数的计算
（1）取Pa=0.9P0，则进气终点压力为Pa=0.9kg/cm2
（2）取进气加热升温ΔT=20℃，则进气终点温度为Ta为
Ta=（T0+ΔT+γTr）/（1+γ）=327K
（3）充气效率ηv=ε×pa×T0/[（ε-1）×P0×Ta×（1+γ）]=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=πD2R[（1-cosφx）-R/4L（1-cos2φx）]/4+Vc
其中φx为x点从上止点算起的曲轴转角：
Vc=Vh/（ε-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-c
（3）压缩终点压力Pc和温度Tc
Pc = Pa×εn1 = 43.4Kg/cm2
Tc = Ta×εn1-1 = 927.6K
Tc=927.6–273=654.6℃
（4）压力升高比λ
λ=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=7.30Kcal/Kg.mol于是
Cv=Cp-1.986=5.314Kcal/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α=1.4，tc=654.6℃时的 Cp″= 7.73Kcal/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+γCv″）/（1+γ）=5.33Kcal/Kg.mol图2-15
（4）燃烧终点的温度Tz
ξz×Hu/（1+λ）×α×L0+Cv′tc+1.986λtc+542（λ-μ）=μCp″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。
照此方法最终求得燃烧终点温度。
tz = 1790℃
Tz = 1790+273=2063K
（5）初期膨胀比ρ
ρ=μ/λ×Tz/Tc=1.606
6膨胀过程的计算
（1）后期膨胀比δδ=ε/ρ=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/δn2=3.829Kg/cm2
Tb=Tz/δn2-1=1287K
Tb=1287–273=1014K
7.平均指示压力Pi的计算
Pi′=P0/（ε-1）[λ（ρ-1）+λρ（1-1/δn2）/（n2-1）-（1-1/εn1-1）/（n1-1）]
将已知数值代入，
Pi′=9.37Kg/cm2
Pi=φi×Pi′=8.9952Kg/cm2
8.指示热效率ηi
ηi =1.968αL0/Hu×T0/P0×Pi/ηv =0.419
9．指示比油耗gi
gi=632.2/（Hu×ηi）=0.135Kg/PS.h
10.有效热效率ηe和比油耗ge
ηe=ηi×ηm=0.419×0.8=0.3352
ge=632.2/Hu×ηe=0.180Kg/PS.h
11.平均有效压力Pe和有效功率Ne的校核
Pe=Pi×ηm=8.9952×0.8=7.192Kg/cm2
Ne=iVhPen/900=24.9PS
计算结果与设计要求相符。
绘制示功图压缩线a–c所需点
φx°
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=2.0782L；Pa=0.9Kg/cm2
Vc=Vh/ε-1=0.065L；Pc=Pa×εn1=43.4Kg/cm2
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=65Kg/cm2;Vz=ρVc=0.081L
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。
3.22105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=105mm、S=120mm、n=1500rpm、压缩比ε=17、λ=1/4、n1=1.368、n2=1.2
计算：
1活塞的位移，速度，加速度的计算
（1）活塞的位移：
x=r[（1+cosα）+λ（1-cos2α）/4]
不同α角及λ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=rω（sinα+λsin2α/2）
不同α角及λ值的v/rω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=rω2（cosα+λcos2α）
不同α角及λ值的v/rω2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
㈡作用在发动机曲柄连杆机构上的力
⑴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/ε-1=0.75cm
膨胀过程P′G=Pb[（S+Sc）/（Sx+Sc）]n2Pa=0.9kg/cm2Pb=3.829kg/cm2
PG=P′G–1
⑵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=2.14kg
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）mLmLB=（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=1/3GL=1.1kgmj=mA+mLA=3.24kg
前面已经计算了活塞运动的加速度a,所以往复惯性力
Pj=-mja（方向与加速度相反）
单位活塞面积所受惯性力
Pj=4Pj/πD2=-4mja/πD2
⑶作用在活塞顶的总力：
P=Pj+PGkg/cm2
⑷沿连杆作用力Pt及气缸侧压力PN：
PN=Ptgβ不同α及λ的tgβ值可由表7查出（书同上）
Pt=P/cosβ不同α及λ的cosβ-1值可由表8查出（书同上）
⑸切向力T及法向力Z：
T=Psin（α+β）/cosβ。
不同α及λ的sin（α+β）/cosβ值可由表10查出（书同上）
Z=Pcos（α+β）cosβ。
不同α及λ的cos（α+β）/cosβ值可由表9查出（书同上）
计算结果列于附表2中，下面将PG，Pj，P，Pt，PN，T，Z，∑T与曲柄转角关系曲线分别列于附图4，5，6，12中。
㈢负荷图及磨耗图
⑴曲柄销负荷图：
作用于曲柄销上的力是沿连杆作用力Pt和连杆核算为旋转部分质量所形成的惯性力PLB之合成，其合力为RB
即RB=Pt+PLB（向量和）
式中Pt已在前面表格中或曲线中求出
PLB=4mLBrω2/πD2
mLB=2GL/3g=0.225（质量单位）
PLB=3.84kg/cm2
曲柄销负荷图的绘制见附图7
⑵曲柄销磨耗图：
根据曲柄销负荷图量出不同轴颈圆周角对应的负荷值，并假设力作用在120°夹角范围内，据此列出附图8
⑶主轴颈负荷图：
作用在主轴颈上的力是Pt与Pr向量和，即R0=Pt+Pr
一般地说，每个曲拐总是两个主轴颈支撑着，也就是说，每个主轴颈只承受R0的一半，而每一个中间主轴颈又撑着两个缸的负荷，所以除了第一主轴颈和最后一个主轴颈只受一个气缸的影响，只需给上述R0极坐标图以某一比例尺（一般是原比例的一半）即可得到其负荷图外，其他各轴颈的作用力相应位置的向量和，即
R0（n）（n+1）=0.5R0（n）+0.5R0（n+1）
⑷连杆轴承负荷图
当曲轴转过α角时，连杆轴颈与轴承之间转过α+β角
⑸主轴承负荷图
与连杆轴承负荷图相似
★由于曲柄夹角为180°，故曲柄销和连杆折算到大头部分质量所产生的离心力平衡了，但产生了惯性力矩，其本身并不平衡，所以需加平衡重
Gr=3.1kgRr=0.075m
折算到大头质量GLB=2GL/3=2.2kg
曲柄销及不平衡部分质量G=3.4kg
则Pr′=Gr′Rr′ω2/g=584kg
Pr=（GLB+G）Rω2/g=918kg
总力矩=584×0.228－918×0.145=133.2－133.2=0
由离心惯性力矩产生的附加负荷消失,坐标原点不必移动。
α°
符号
速度
位移
符号
α°
α°
符号
加速度
符号
α°
0
+
0.000
0.000
±
360
0
+
1848.675
+
360
10
+
2.035
0.001
±
350
10
+
1804.307
+
350
20
+
3.985
0.005
±
340
20
+
1672.681
+
340
30
+
5.737
0.010
±
330
30
+
1465.630
+
330
40
+
7.235
0.017
±
320
40
+
1196.462
+
320
50
+
8.393
0.026
±
310
50
+
885.885
+
310
60
+
9.203
0.036
±
300
60
+
554.603
+
300
70
+
9.627
0.046
±
290
70
+
221.841
+
290
80
+
9.693
0.057
±
280
80
－
90.215
－
280
90
+
9.420
0.068
±
270
90
－
369.735
－
270
100
+
8.864
0.078
±
260
100
－
622.634
－
260
110
+
8.073
0.087
±
250
110
－
788.275
－
250
120
+
7.112
0.096
±
240
120
－
924.338
－
240
130
+
6.038
0.103
±
230
130
－
1014.553
－
230
140
+
4.880
0.109
±
220
140
－
1069.274
－
220
150
+
3.683
0.114
±
210
150
－
1095.895
－
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