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压缩点火式发动机设计规定

一、概述

压缩点火式发动机（CI发动机）是一种通过压缩空气提高燃油温度，使燃油自燃的发动机类型。其设计需遵循严格的技术规范，以确保性能、效率、可靠性和安全性。本文件旨在明确CI发动机设计的基本原则、关键参数确定方法和结构要求，为工程设计和制造提供参考。

二、设计基本原则

（一）热力学参数确定

1.压缩比选择：压缩比（ε）是影响CI发动机性能的核心参数，通常范围在14:1至25:1之间。高压缩比可提升热效率，但需控制爆震风险。

2.燃油喷射压力：燃油喷射压力需根据燃烧室类型和燃油特性确定，一般范围为800bar至2000bar。压力过高会增加系统磨损，过低则影响混合气形成。

3.燃烧温度控制：理论燃烧温度应控制在2000K以下，以避免氮氧化物（NOx）过度生成。可通过调整喷射正时和混合气比例实现。

（二）结构设计要求

1.气缸设计：

(1)气缸直径与行程：根据目标功率和转速确定，常用范围为80mm至150mm。

(2)气缸壁厚度：需满足耐压和散热需求，一般采用铸铁或铝合金材料，壁厚根据压力等级计算，典型值在3mm至8mm之间。

2.燃烧室设计：

(1)燃烧室形状：常见类型包括涡流燃烧室和预燃室，需优化涡流强度和燃油分布。

(2)燃烧室容积占比：通常占气缸总容积的20%至40%。

3.喷油嘴布置：

(1)喷射角度：一般采用150°至240°的侧向或轴向布置，以促进混合气均匀。

(2)喷孔数量：根据气缸直径，喷孔数通常为1至4个，孔径在0.2mm至0.5mm范围内。

三、性能与排放优化

（一）燃油经济性提升

1.增压技术：采用废气涡轮增压器可提高进气密度，提升热效率。增压压力通常控制在0.3bar至1.2bar。

2.废气再循环（EGR）：通过回收部分废气参与燃烧，可降低燃烧温度，减少NOx生成，典型EGR率控制在10%至30%。

（二）排放控制措施

1.后处理系统设计：

(1)氧化催化器（OC）：用于降低碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）排放，转化效率要求达到90%以上。

(2)选择性催化还原（SCR）：通过尿素喷射还原NOx，脱硝效率需达到60%至80%。

2.燃烧控制策略：

(1)调整喷射正时：优化喷射提前角可减少后燃和NOx生成。

(2)空燃比控制：保持过量空气系数在1.2至1.5范围内，平衡NOx和HC排放。

四、材料与制造工艺

（一）关键部件材料选择

1.气缸套：采用磷铸铁或铝合金，需具备高耐磨性和导热性。

2.活塞：铝合金或复合材料，需优化热膨胀系数和抗冲击性能。

3.喷油嘴：陶瓷或耐腐蚀合金，喷孔表面需进行硬化处理。

（二）制造工艺要求

1.铸造精度：气缸体和燃烧室铸造公差需控制在0.05mm至0.10mm。

2.热处理工艺：活塞和连杆需进行淬火处理，硬度达到HRC40至50。

3.装配质量控制：喷油嘴角度偏差需小于±1°，密封件安装扭矩符合制造商规范。

五、测试与验证

（一）台架测试

1.空载性能测试：测量怠速转速、燃油消耗率（典型值200g/kW·h）和振动水平。

2.全负荷测试：评估功率输出（如90kW）、扭矩（如300N·m）和热效率。

（二）道路试验

1.模拟实际工况：在典型工况循环（如FTP75）下测试排放指标（HC0.5g/km，NOx20g/km）。

2.长期可靠性验证：连续运行3000小时，记录故障率和磨损数据。

六、安全与维护建议

（一）安全设计

1.过热保护：设置水温传感器和报警系统，高温报警阈值设定在105°C至110°C。

2.喷油系统防护：采用压力传感器监控喷射压力，异常时自动切断燃油供应。

（二）维护规范

1.机油更换：根据发动机工况，建议每500小时或5000公里更换一次机油（容量范围：3L至8L）。

2.喷油嘴清洁：每2000小时使用专用清洗剂进行喷孔清理，防止堵塞。

一、概述

压缩点火式发动机（CI发动机）是一种通过压缩空气提高燃油温度，使燃油自燃的发动机类型。其设计需遵循严格的技术规范，以确保性能、效率、可靠性和安全性。本文件旨在明确CI发动机设计的基本原则、关键参数确定方法和结构要求，为工程设计和制造提供参考。

二、设计基本原则

（一）热力学参数确定

1.压缩比选择：压缩比（ε）是影响CI发动机性能的核心参数，通常范围在14:1至25:1之间。高压缩比可提升热效率，但需控制爆震风险。选择时需考虑以下因素：

(1)燃油性质：柴油等自燃性较好的燃油可承受更高压缩比。

(2)材料极限：气缸盖、活塞等部件需承受更高温度和压力，需选用耐热材料。

(3)工况需求：重载工况下可适当提高压缩比，轻载时降低以减少泵气损失。

2.燃油喷射压力：燃油喷射压