柴油机活塞及喷油器部件设计-机电一体化本科毕业论文

本科生毕业设计 本科生毕业设计 论文论文 柴油机活塞及喷油器部件设计柴油机活塞及喷油器部件设计 The Design Of Diesel Engine s Piston And Fuel Injector 学院名称 江南大学 专业班级 13 机电一体化本科 学生姓名 嵇扣喜 指导教师姓名 张老师 指导教师职称 2015 年 3 月 1 目录 第一章 绪论 1 1 1 柴油机的优势与前景 5 1 2 喷油系统的发展现状与前景 6 1 2 1 喷油系统的功用 6 1 2 2 喷油系统的分类 6 1 2 3 喷油泵 6 1 3 柴油机燃烧系统 7 1 3 1 柴油机燃烧过程 7 1 4 柴油机燃烧室的现状与前景 7 1 4 1 直喷式燃烧室 8 1 4 2 分隔式燃烧室 8 1 5 毕业设计的内容与意义 8 1 5 1 毕业设计的内容 8 1 5 2 毕业设计的意义及内容 9 第二章 有关喷油器部件的设计 10 2 1 喷油器功用与工作原理 10 2 2 喷油器型号的选择 11 2 3 燃烧室与喷油器的匹配 12 2 3 1 喷油嘴的凸出高度 12 2 3 2 喷油器对气缸中心线的偏移 12 2 3 3 喷油器的安装斜角 12 2 3 4 喷孔的位置 13 2 4 喷油器结构设计 13 2 4 1 针阀偶件的设计 13 2 4 2 喷油体设计 14 2 4 3 压力室容积的设计 14 2 4 4 调压弹簧的计算 14 2 5 燃油系统其他部件的设计 15 2 5 1 喷油泵的选择 15 2 5 2 调速器的选型 15 2 6 本章小结 15 第三章 活塞的设计和校核 16 3 1 活塞的工作条件和设计要求 16 3 1 1 活塞的工作条件和设计要求 16 3 2 活塞材料的选择 17 2 3 2 1 活塞的材料 17 3 2 2 活塞环的材料 17 3 2 3 活塞销的材料 18 3 3 活塞结构设计 18 3 3 1 活塞头部的设计 18 3 3 2 活塞裙部的设计 20 3 3 3 销孔的位置 20 3 3 4 装配端隙 d 20 3 3 5 活塞销的结构和尺寸 21 3 3 6 活塞销座结构设计 21 3 4 活塞其余部分的尺寸设计 21 3 5 活塞校核 错误错误 未定义书签 未定义书签 3 5 1 活塞的校核 错误错误 未定义书签 未定义书签 3 6 本章小结 错误错误 未定义书签 未定义书签 第四章 气缸盖的设计 21 4 1 气缸结构选择 23 4 2 气缸盖设计 23 4 2 1 气缸盖的材料 23 4 2 2 气缸盖结构形式及特点 23 4 2 3 提高气缸盖刚度 强度的措施 24 4 2 4 气缸盖壁厚设计 24 4 3 气道设计 25 4 3 1 设计要求 25 4 3 2 气道的选择 25 4 3 3 气道布置 25 4 4 气缸盖螺栓布置设计 26 4 5 本章小结 26 第五章 全文总结 27 致谢 28 参考文献 29 3 柴油机活塞及喷油器部件设柴油机活塞及喷油器部件设计计 专业班级 动力机械 0801 学生姓名 黄念劬 指导教师 汤东 职称 教授 摘要摘要 柴油机是一种功率大 热效率及经济性能好的发动机 其中活塞作为发动机的心脏 也是柴油机的主要受热零件 因此活塞的结构是否合理 热负荷分布是否均匀 强度和刚 度是否满足设计要求直接影响柴油机的发动性能 同时为了保证柴油机喷油系统具有更好 的燃烧过程 提高柴油机的动力输出 可靠性和经济性 对喷油器设备类型和功能要求的 不断改进是刻不容缓的 本文首先介绍了喷油系统以及燃烧系统的发展现状及前景 接着 主要叙述了 475Q 型号柴油机的活塞 气缸盖和喷油器部件的设计方案 确定了主要结构 参数 分析了其工作条件 总结了设计要求 选择合适的材料 并分别进行了相关的强度 和刚度校核 使其符合实际要求 文中设计的活塞及喷油器部件主要是为了更好地提高柴 油机喷油系统及燃烧系统的性能 使 475Q 型号柴油机的效率更高 排放更低 经济性能 更好 关键词关键词 柴油机 喷油器 活塞 设计 4 The Design Of Diesel Engine s Piston And Fuel Injector Abstract Diesel engine is a kind of power which has thermal efficiency and good economic performance of the engine And piston as the heart of diesel engine is the primary heating component of it Therefore whether piston s structure is suitable whether heat load distribution is even and whether its rigidity and intensity meet the design demands all affect the performance of diesel engine directly In order to ensure diesel engine has good combustion process of diesel engine and guarantee the reliability of the power output and transport and the economy of the injection equipment the injection system requires higher development and better equipment and function This paper introduces present situation and application of injecting system and burning system at first then mainly introduces the design of the 480Q diesel engine including the design of fuel injector piston and cylinder head Make sure their mainly structure parameter analyses their working condition chooses suit material and checks their rigidity and intensity make sure they are suitable for practical demands This paper mainly introduces the design of his fuel injector piston and cylinder head in this paper with the purpose of creating better diesel engine that possess higher efficiency lower emission and better economic performance Keywords Diesel engine Fuel Injector Piston Design 5 第一章 绪 论 1 11 1 柴油机的优势与前景柴油机的优势与前景 柴油机是是以柴油为燃料 通过把热能转化为机械能的一种动力机械 其优点是可靠 性好 功率大 热效率及经济性能与排放性好 由于柴油机以柴油为燃料 其粘度比汽油大且不易蒸发 而其自燃温度却较汽油低 因此柴油发动机的工作过程与汽油发动机相比 可燃混合气的形成及点火方式都不同 柴 油发动机气缸中的混合气是压燃的 而非点燃 柴油机采用压缩空气的办法来提高空气温 度 使其超过柴油的自燃燃点 这时喷入柴油 柴油喷雾和空气混合的同时自己点火燃烧 柴油发动机工作时进入气缸的是空气 气缸中的空气压缩到终点时 温度可达 500 700 压力可达 40 50 个大气压 活塞接近上止点时 发动机上的高压泵以高压向气缸中喷射 柴油 柴油形成细微的油粒 与高压高温的空气混合 柴油混合气自行燃烧 猛烈膨胀 产生爆发力 推动活塞下行做功 此时的温度可达 1900 2000 压力可达 60 100 个大 气压 产生的功率很大 所以柴油发动机广泛的应用于大型柴油汽车上 由此可见 柴油发动机无需点火系 同时供油系统也相对简单 所以柴油发动机的可 靠性要比汽油发动机的好 同时由于不受爆燃的限制以及柴油自燃的需要 柴油机压缩比 很高 热效率和经济性都要好于汽油机 在相同功率的情况下 柴油机的扭矩大 最大功 率时的转速低 适合于载货汽车的使用 同时 柴油机在节能与二氧化碳排放方面的优势 更是其他热力发动机无法取代的 在柴油机的发展过程中 随着新技术的采用燃油经济性不断提高 燃油消耗率不断 降低 与此同时 由于发动机排气有害成分对人类及其生存环境造成很大危害 人们对其 排放性能的要求越来越高 在过去的几十年中 许多国家制定了一系列环境保护法规 针对车用柴油机的排放法规亦越来越严格 世界各国也在采取措施降低柴油机的噪声 总之 未来新一代的柴油机需要减少有害排放物 降低燃油和机油的消耗率及噪声 减轻 重量和减小外形尺寸 而排放性能已经成为决定柴油机存亡的关键因素 改进燃烧过程是 提高柴油机性能的首要条件 而燃油喷射装置在优化燃烧过程方面占有重要地位 为了 6 满足柴油机未来发展要求 燃油喷射系统需进一步提高喷油压力 并能根据每一工况的 需要优化喷油定时及喷油规律以改善柴油机的动态性能 1 21 2 喷油喷油系统系统的发展现状与前景的发展现状与前景 1 2 1 1 2 1 喷油系统的功用喷油系统的功用 燃油喷射系统是使燃油达到足够高的压力 根据发动机的工况 按柴油机负荷情况精 确计量燃油并适时将其喷入发动机燃烧室的适合的位置 喷入的油束与燃烧方式相匹配 使燃油与空气形成有利于燃烧的可燃混合气 从而使发动机的燃烧过程最优 传统燃油喷 射系统由高压油泵 高压油管 喷油嘴构成 燃油喷射系统对柴油机的起动 怠速 功率 油耗 噪声和排污等都有重大影响 1 2 21 2 2 喷油系统的分类喷油系统的分类 柴油机燃料供给与调节系统通常按高压部分的工作原理与结构特点分类的 1 泵 管 嘴系统 喷油泵为往复式柱塞泵 由凸轮轴来驱动 每次供油伴随一次喷 油过程 喷油泵与喷油器之间由高压油管连接 如图 1 2 泵 喷嘴系统 将喷油泵与喷油器合为一体 省去了高压油管 如图 2 所示 3 共轨式系统 油箱中燃油经滤清器与输油泵送至高压油泵 它将高压燃料送入蓄 压管道 燃油喷射由胆子控制器控制喷油器上的电磁阀 接通高压共轨与喷嘴实现的 图 1 泵 管 嘴 图 2 泵 喷嘴 1 2 31 2 3 喷油泵喷油泵 1 2 3 11 2 3 1 喷油泵的作用喷油泵的作用 喷油泵总成通常是由喷油泵 调速器等部件安装在一起组成的一个整体 其中调速器 是保障柴油机的低速运转和对最高转速的限制 确保喷射量与转速之间保持一定关系的部 件 而喷油泵是柴油机喷油系统中最重要的部件 它的作用是提高燃油压力 然后按各缸 发火次序定时 定量 定压均匀地通过喷油器 把雾状的燃油喷入燃烧室内燃烧作功 喷 7 油泵被视为柴油发动机的 心脏 部件 它一旦出问题会使整个柴油机工作失常 1 2 3 21 2 3 2 喷油泵的分类喷油泵的分类 在汽车柴油机上广泛应用的主要有直列柱塞式和转子分配式喷油泵 此外还有泵 喷 等 泵 喷嘴系统按喷油泵结构及高压油管连接长度不同分为直列式 分配式 单体式 1 直列式 多缸柴油机各缸供油单位安装在一个油泵壳体内 2 分配式 采用一个或少量柱塞实现对多缸柴油机的供油 分配泵体积小 结构紧凑 成本低 主要用于小型高速车用柴油机 3 单体式 单体泵主要由一个柱塞和柱塞套构成 为每缸配一个喷油泵 本身不带 凸轮轴 有的甚至不带滚轮传动部件 由于这种单体泵便于布置在靠近气缸盖的部位 使 高压油管大大缩短 增大系统的液力刚度 目前应用在缸径为 200mm 以上的大功率中 低速柴油机上 4 柱塞式喷油泵 列柱塞式喷油泵创制 发展和应用的历史较久远 性能良好 工 作可靠 为大多数汽车柴油机所用 我国生产的几种直列柱塞式喷油泵系列主要有 A B P Z 系列 A B 系列均为直列柱塞式喷油泵传统结构 而 P 型采用不开侧窗口的箱式 封闭泵体 1 31 3 柴油机燃烧系统柴油机燃烧系统 1 3 11 3 1 柴油机燃烧过程柴油机燃烧过程 柴油机燃烧过程是决定柴油机各项性能最重要的过程 我们可以通过改善燃烧过程来 改进柴油机喷油系统和空气系统 通常以放热规律来研究燃烧过程 通过对放热规律的分 析 可以了解气缸压力升高率 最高燃烧压力等的变化规律 进而分析柴油机的稳定性 热效率 排放及燃烧噪声等性能 根据放热规律燃烧过程分为四个阶段 1 滞燃期又称为着火延迟期 它是从喷油开始到着火始点所经历的时间 2 速燃期又称初燃期或着火中心扩散期或火焰传播期 3 缓燃期 它是从最大爆发压力形成 到燃烧室形成最高温度所经过的曲轴转角 4 后燃期 从柴油机工作缸最高温度点至燃料燃完为止 此时柴油机工作缸处于膨胀冲 程后期 由于能量已通过膨胀做功 缸内容积随活塞向下增大 温度和压力均很快下降 1 41 4 柴油机燃烧室的现状与前景柴油机燃烧室的现状与前景 为了改善柴油机喷油系统 设计出合理的燃烧室是必不可少的一步 因为燃油喷入气 8 缸后与空气混合 形成的可燃混合气质量对燃烧过程是否完善有着莫大的联系 而混合气 的质量很大程度上取决于喷油系统 进气系统和燃烧室的匹配 只有匹配得当 柴油机才 能获得良好的性能指标 燃烧室的作用即是合理的组织气缸内的气流运动 燃气混合形成 和燃烧过程的场所 它保证燃烧过程更加完善 由于增压或增压中冷直喷式柴油机在节能 排放方面具有优势 已被广泛采用 为满足日趋严格的排放法规和节能要求 采用了低涡 流的进气系统和无涡流或少涡流的直喷式燃烧室 燃烧室形状也在不断变化 深度逐渐变 浅 开口愈来愈大 为此要求喷油系统能提供足够的能量 确保雾化质量及油 气的均匀 混合 目前普遍采用高喷射压力的喷油系统及小孔径 多孔数的针阀偶件 燃烧室是由活塞顶部和缸盖底部形成的密闭容积 根据可燃混合气形成及燃烧室的结 构特点 柴油机燃烧室基本上可分为两大类 直喷式和分隔式 1 4 11 4 1 直喷式燃烧室直喷式燃烧室 直喷式燃烧室是由汽缸盖 活塞顶及气缸上部内壁组成一个燃烧空间 喷油器将燃油 直接喷入这个燃烧室与空气混合燃烧 绝大部分直喷式燃烧室在活塞顶部制成一定形状的 凹坑 直喷式燃烧室结构简单 紧凑 散热面积小 热损失少 空气流动损失少 热效率 高 起动性好 因此它有条件采用较小的压缩比 1 4 2 1 4 2 分隔式燃烧室分隔式燃烧室 分隔式燃烧室把燃烧室的容积分隔成主燃烧室和副燃烧室 两者间有通道连接 分隔 式燃烧室首先在副燃烧室内着火燃烧 因此主燃烧室内压力升高要延迟很多 处于活塞下 行及气缸容积不断加大的条件下进行 而燃烧又主要以扩散燃烧形式进行 所以主燃烧室 内压力升高率明显比直喷式要低 工作平稳 噪声小 缸内温度也相对较低些 因此 NOx 排放量也比直喷式少 虽然分隔式燃烧室空气利用率比直喷式高 且对喷油系统要求不高 但由于它结构复 杂 且热效率低 启动困难 本次设计中还是选择了结构简单 紧凑的直喷式燃烧室 1 5 1 5 毕业设计的内容与意义毕业设计的内容与意义 1 5 1 1 5 1 毕业设计的内容毕业设计的内容 本次毕业设计的内容主要是根据要求设计出柴油机活塞及喷油器部件 首先对其命 名 由于设计的柴油机是直列 水冷 四缸 四冲程柴油机 其缸径为 80mm 所以将它 命名为 480Q 型号柴油机 然后根据有关资料及书籍 对有关喷油器部件进行设计 同时 对活塞和气缸盖进行详细设计 并对活塞分别进行了相关的强度和刚度校核 使其符合实 际要求 最后对全文做出了概括性的总结 并在设计出喷油系统后 用 CAD 画出柴油机 9 主要部件的图 1 5 21 5 2 毕业设计的意义毕业设计的意义 这次毕业设计对本人来说是完成本专业教学计划的最后一个极为重要的实践性教学 环节 它给我一个机会去综合运用所学过的基本理论 基本知识与基本技能去解决专业范 围内的工程技术问题而进行的一次基本训练 这对本人即将从事的相关技术工作和未来事 业的开拓都具有很重要的意义 对我而言 一是培养了我综合分析和解决本专业的一般工 程技术问题的独立工作能力 拓宽和深化所学的知识 二是培养了我树立正确的设计思想 设计构思和创新思维 掌握工程设计的一般程序规范和方法 三是培养了我树立正确的 设计思想和使用技术资料 国家标准等手册 图册工具书进行设计计算 数据处理 编写 技术文件等方面的工作能力 四是培养了我进行调查研究 面向实际 面向生产 向工 人和技术人员学习的基本工作态度 工作作风和工作方法 10 第二章 有关喷油器部件的设计 2 12 1 喷油器功用与工作原理喷油器功用与工作原理 喷油器是一种向柴油机燃烧室喷射高压燃油的装置 根据不同柴油机要求 将高压油 泵来的柴油雾气 以一定的喷油压力 喷雾细度 喷油规律 射程和喷雾锥角喷入燃烧室 特定位置 与空气混合燃烧 汽车用柴油机喷油器大多采用孔式喷油器 其基本构造如图 2 1 所示 图 2 1 孔式喷油器 喷油器工作时 从喷油泵压出的高压燃油 经过高压油管 管接头缝式滤清器 通入 喷油器体内腔油道进入蓄压室 当蓄压室压力积聚升高 超过作用在针阀承压锥面的喷油 器弹簧预紧压力和针阀体运动惯性力时 便使针阀产生向上抬起的趋势 设作用于针阀承 载面上的垂直分力为 pu 喷油器弹簧恢复力和惯性力为 E 两者作用方向相反 当 puE 针阀在 pu作用下 克服喷油器弹簧恢复力和向上运动的针阀惯性力向上抬起 此 时在针阀锥体和喷油器体座面之间形成环形通道 柴油压力一部分向针阀抬起空间填充并 进入喷油气体头部集油槽和喷油孔道 另一部分保持针阀向上运动 当 pu E 时 针阀向 上运动位移达到 ymax 针阀最大升程 被安装在针阀体上部的止动销止动 不再向上抬 起 此时 若喷油器中柴油喷油压力又大于气缸内介质压力 柴油从喷油器喷出 当喷油泵沟通回油孔泄压后 燃油在喷油器内的压力减小 被压缩的燃油膨胀 可继 续使针阀处于抬起位置且延长喷油持续时间 当 pu E 时 针阀下降坐落并重新密封座面 切断柴油流动渠道 停止喷油 喷油器完成一次喷油过程 所以 喷油泵按喷油规律供油 喷油器完成喷油过程 提高针阀开启速度 降低针阀坐落对密封锥面的冲击应力 可以改 善喷油特性 提高喷油器使用寿命 针阀开启压力的调整多采用改变预紧垫片厚度的办法 只能有初调整 采用低惯量针阀 可减小坐落时的冲击力 提高使用寿命 2 2 2 2 喷油器型号的选择喷油器型号的选择 喷油器主要有开式喷油器和闭式喷油器 开式喷油器的蓄压室通过喷孔直接与燃烧室相通 没有针阀等运动部件 因此结构简 单 但在低速 小负荷工况时 燃油雾化不良 燃油与空气混合质量不高 喷油终止时 又滴漏油现象 容易造成积碳 喷孔堵塞等问题 影响工作的可靠性 所以不是理想的选 择 闭式喷油器是在喷油器上安装针阀 针阀被喷油器弹簧预紧压在阀座上 形成喷油器 闭锁机构 它将高压油路系统与燃烧室分开 优点是喷油开启压力可以通过调整针阀弹簧 预紧力 喷油压力大小和作用时间 可保证喷油的持续时间 喷油开始和结束迅速准确 燃油被切断后 无后滴现象 考虑到开式喷油器的缺点与闭式喷油器的优势 且现代柴油汽车发动机基本采用闭式 喷油器 所以选择闭式喷油器 闭式喷油器又分为孔式喷油嘴和轴针式喷油嘴 轴针式喷油嘴 喷油嘴偶件中的针阀伸出喷孔 喷孔一般只有一个 直径也较大 可 达 1 3mm 工作时轴针在喷孔中上下运动 能自动清除喷孔积炭 针阀头部制成各种形 状 使柴油以不同油束锥角喷入气缸 适应不同发动机需要 孔式喷油嘴 喷油嘴偶件中的针阀不直接伸出喷孔 喷油嘴头部的喷孔小且多 一 般有 1 7 个 直径 0 2 0 5mm 孔式喷油器的喷油压力高 喷雾质量好 适用于整体式燃 12 烧室的柴油发动机 孔式喷油嘴又分为短型和长型两种 由于本次燃烧室选择的是直喷式燃烧室 应此选择与其对应的孔式喷油器 而长型孔 式喷油嘴的针阀导向圆柱面远离燃烧室 减少了针阀受热变形卡死在针阀体中 用于热负 荷较高的柴油机中 所以选择长型孔式的喷油器 有 4 个喷孔 直径为 0 2mm 2 32 3 燃烧室与喷油器的匹配燃烧室与喷油器的匹配 本次设计中选择的是半分开式燃烧室中的深 型燃烧室 2 3 1 喷油嘴的凸出高度喷油嘴的凸出高度 喷油嘴的凸出高度 a 是喷孔中心道气缸盖燃烧室地面的距离 a 太小 油线易喷射到 缸盖底面 因缸盖温度低 会造成燃油温度过低而影响混合 而 a 太大 喷油嘴容易产生 过热现象 经多次试验 一般为 2 4mm 型燃烧室的要求更严格 取 3mm 2 3 2 喷油器对气缸中心线的偏移喷油器对气缸中心线的偏移 从有利于油气进行混合的观点出发 要求喷油器中心线与气缸中心线重合 但对两个 气门结构的气缸盖 这样的布置较困难 所以将喷油器向一侧偏移 一般柴油机偏移量 e 为 5 10D 在本设计中取 5 4mm 由于喷油嘴偏离柴油机气缸中心线 导致燃烧室在活塞顶上也要偏离 e1 的距离 以 保证燃烧室内喷雾均匀性 如图 2 2 图 2 2 喷油嘴偏离柴油机气缸中心线 2 3 3 喷油器的安装斜角 喷油器的安装斜角 为了有利安装和拆卸 在气缸盖上安装喷油器时倾斜一个角度 太小 安装困 难 而太大会导致喷油器的喷油锥角加大 喷孔加工困难 一般在 20 25 取 13 22 2 3 4 喷孔的位置喷孔的位置 为了减少各个喷孔到燃烧室壁距离不等 将喷孔设计成沿阀体的圆周方向作不均匀 的分布 如图2 3所示 由于本次设计的是4孔的喷油器 距离燃烧室近的两个喷孔之间 的夹角 必须满足 90 180 取 120 而离燃烧室远的两个油束较长的喷孔之 间的夹角为 60 图 2 3 气缸中心 燃烧室中心和喷油器中心的位置 2 4 2 4 喷油器结构设计喷油器结构设计 闭式喷油器包括喷油器体 紧帽 针阀偶件 缝式滤清器 针阀弹簧 调节垫片 进 油管接头和回油管接头 中间体等组成 2 4 1 针阀偶件的设计针阀偶件的设计 喷油器主要部件是一对精密偶件 由针阀和针阀体组成 其头部视其类别不同而各异 圆锥体部分与阀体表面是高精密度配合面 圆锥面起切断油路和密封作用 防止燃油进入 燃烧室 当针阀抬起时 形成环状通道 圆锥角一般为 60 后部锥体处于喷油器蓄压 室内是燃油压力作用面 针阀上部是导向部和配合表面 配合表面精度很高 在针阀尾部 是直径较小的支撑部分 针阀上升时尾部支撑部与顶杆接触止动 针阀和针阀体之间相互 配合的滑动圆柱面间隙仅为 0 001mm 0 0025mm 通过高精密加工或研磨选配而得 不同 喷油嘴偶件不可互换 该间隙过大 会使喷油压力下降 喷雾质量变差 间隙过小 针阀 容易卡死 针阀中部的环形锥面 承压锥面 位于针阀体的环形油腔中 其作用是承受由 油压产生的轴向推力 使针阀上升 针阀下端的锥面 密封锥面 与针阀体相配合 起密 封喷油器内腔的作用 1 针阀升程和头部形状 针阀升程 h 是喷油器的一个重要结构参数 其大小对柴油机工作性能及喷油嘴使用寿 14 命都有一定影响 针阀升程的大小应保证密封座面处有必要的通道截面 如果升程过小 喷油过程中座面节流损失严重 会使压力室内油压降低过多 而影响喷雾质量 在同样的 喷油量中会使座面延续时间增加 所以针阀升程应足够大 以保证一定的油流截面及尽可 能小的流动阻力 但针阀升程过大也有不利的一面 因为随着升程的加大 调压弹簧的应 力增加 并将加大针阀上升时撞击支承面及关闭时对密封面的冲击负荷 因而引起磨损加 剧 缩短使用寿命 同时升程过大 也会延迟针阀关闭时间 增加了燃气倒流的可能性 而影响性能并易于污染针阀偶件 容易引起油嘴漏油 过热 积炭以及针阀卡死等故障 因此 在保证有足够的流通截面积的前提下 应尽可能减小针阀升程 孔式油嘴升程较小 一般为0 2 0 4mm 本次设计中取针阀升程为0 4mm 针阀体与喷油器体的结合处有1个定 位销防止针阀体转动 以免进油孔错位 2 针阀压力调整装置 针阀压力的调整装置有针阀弹簧 调整垫 弹簧座 调整螺栓等组成 调整螺栓可调 整针阀弹簧预紧力 借以调整针阀开启压力 顶杆螺栓可调节针阀升程的大小 渗漏柴油 通过泄油螺栓中孔 流入回油管 2 4 2 喷油体设计喷油体设计 在密封锥带上部 制有蓄压室 下部喷嘴处有集油槽压力室 他们分别为燃油压力和 喷射压力聚集室 在集油槽处钻有喷油孔 孔径为 0 2mm 针阀体上制有进油道与蓄压室 相通 2 4 3 压力室容积的设计压力室容积的设计 针阀密封座面以下和喷孔以上的空间称为压力室容积 它的大小对柴油机性能有较大 影响 因为在燃烧过程的后期 喷油器的针阀虽已关闭 但压力室内总储有一定量燃油 尤其是孔式油嘴 这部分燃油受到高温影响而膨胀或蒸发 因而其中一部分柴油也会进入 燃烧室 这部分燃油不是在高压下呈雾状喷入 而是以滴漏的形式流入燃烧室 因此不能 和空气正常混合燃烧 这样不但使柴油机性能变坏 而且会产生更多不完全燃烧的碳氢化 合物 HC 及一氧化碳 CO 等排放物 同时亦容易增加喷油嘴偶件头部的积炭现象 压力室容 积越大 燃烧室中滴漏的柴油越多 对性能影响越大 有害的 HC CO 排放物越多 2 4 4 调压弹簧的计算调压弹簧的计算 调压弹簧是喷油器重要零件之一 它直接控制喷射压力及喷油雾化的情况 从而影响 着柴油机的燃烧过程与燃油消耗量 调压弹簧的工作特点是在很小压缩位移下 具有相当 高的符合与频率 当针阀上升时 在的工作时间很小 相当于 0 5 2 5 弹簧的压缩 15 位移等于针阀升程 在 0 3 1 1mm 之间 2 52 5 燃油系统其他部件的设计燃油系统其他部件的设计 燃油系统由喷油泵 喷油器 调速器等主要部件及柴油箱 输油泵 油水分离器柴油 滤清器 喷油提前器和高 低压油管等辅助装置组成 2 5 1 喷油泵的选择喷油泵的选择 喷油泵主要有柱塞式喷油泵与分配式喷油泵 柱塞式燃油泵由泵油机构 供油量调节机构 驱动机构和喷油泵体等部分组成 由凸 轮驱动挺柱组件由此带动柱塞进行泵油 分配式喷油泵由驱动机构 二级滑片式输油泵 高压分配泵头和电磁式断油阀等部分 组成 由驱动轴带动二级滑片式输油泵工作 二者相对比分配泵结构简单 零件少 体积少 质量轻 使用中故障少 容易维修 供油均匀性好等特点 但其成本高 但由于本方案中设计的是四缸柴油机所以选择柱塞式 喷油泵 2 5 2 调速器的选型调速器的选型 调速器的功用是根据发动机负荷变化而自动调节供油量 保证发动机的转速稳定在很 小的范围内变化 调速器按功能分主要有两极式调速器与全程式调速器 按转速传感分有 气动式调速器 机械离心式调速器和复合式调速器 两极式调速器主要用于控制最高转速 和最低转速 在其他任何转速不起作用 两极式 两速 调速器 只能自动稳定和限制柴油机最低与最高转速 全程式 全速 调速器 不仅能限制超速和稳定怠速 而且能使发动机在其工作转速 范围内的任一选定的转速下稳定地工作 如 VE 泵调速器 机械离心式调速器的组成主要有两个基本组成部分 即转速感应元件和与之间配合的 调整供油拉杆位置的执行机构 转速感应是通过惯性元件转动时的离心力来实现的 目前应用最广的为机械离心式调速器 在本设计中选择机械离心式调速器 2 62 6 本章小结本章小结 本章主要叙述了喷油器的设计 首先对其进行选型 并分析了这种孔式喷油嘴的特点 与功用 随后分析了燃烧室与喷油器的匹配 最后着重分析了喷油器的结构的设计 16 第三章 活塞的设计和校核 3 13 1 活塞的工作条件和设计要求活塞的工作条件和设计要求 活塞组包括活塞 活塞销 活塞环等 在气缸里作往复运动的零件 它们是活塞式发 动机中工作最严酷的组件 发动机的工作可靠性与使用耐久性 在很大程度上与活塞组的 工作情况有关 活塞组件与气缸一起保证发动机工质的可靠密封 否则活塞式发动机就不 能正常运转 活塞组零件工作情况的共同特点是工作温度很高 并且可能产生滑动表面的 拉毛 烧伤等故障 实践经验证明 活塞组零件的寿命决定发动机的修理间隔 在大功率 强化发动机中 活塞组的热负荷往往限制了发动机的强化潜力 由此可见 提高活塞组件 的工作可靠性和耐久性具有极其重要的意义 3 1 1 活塞的工作条件和设计要求活塞的工作条件和设计要求 1 活塞的机械负荷 活塞组在工作中受周期性变化的气压力直接作用 一般在膨胀冲程上止点附近达到最 大值 这些机械负荷作用在形状复杂的活塞是会造成不均匀的应力和变形 严重时会使活 塞销座从内侧开始纵向开裂 第一道环岸裂 变形卡死 活塞组工作中受周期性变化的气 压力直接作用 一般在膨胀冲程上止点附近达到最大值 Pz 101 4 1 3 2 Np D pFP zzpz 式中 Fp 活塞投影面积 cm 2 D 气缸直径 mm Pz 气缸内工质的最高燃烧压力 bar 一般柴油机为 90 60bar 活塞组在气缸里作高速往复运动 产生极大的往复惯性力 其最大值 1 2 max Nr g G Pj 式中 G 活塞组的重量 N 17 由于连杆的摆动 作用在活塞上的力传给连杆时 活塞还受一个交变的侧压力 PN 使 活塞不断撞击缸套 往往导致裙部变形 缸套振动 为适应机械负荷 设计活塞时要求各 处有合适的壁厚和合理的形状 即在保证足够的强度 刚度前提下 结构要尽量简单 轻 巧 截面变化处的过渡要圆滑 以减少应力集中 此外 希望采用强度好 比重小的材料 2 活塞的热负荷 活塞工作时 顶面直接受到高温燃气 2000 左右 周期性加热 承受瞬变高温燃气 的作用 使活塞顶的温度很高 而分布很不均匀 各部分的温度梯度大 所产生热应力容 易使活塞顶表面开裂 所以要求在任何工作温度下都不会发生热疲劳开裂 且仍有足够的 机械性能 在结构上尽量减小活塞顶的吸热量 而已吸收的热量则应能很好地散走 使活 塞顶和环区内的最高温度限制在一定范围内 减小温度梯度 3 活塞高速滑动 润滑不良 活塞在侧压力作用下 在气压内气缸高速滑动 而缸壁飞溅润滑差 因此磨损大 摩 擦损失大 3 2 活塞材料的选择活塞材料的选择 3 2 1 活塞的材料活塞的材料 根据上述对活塞设计的要求 活塞的材料应满足如下要求 1 热强度高 即在 300 400 高温下仍有足够的机械性能 使零件不致损坏 2 导热性好 吸热性差 以降低顶部及环区的温度 并减少热应力 3 膨胀系数小 使活塞与气缸间能保持较小间隙 4 比重小 以降低活塞组的往复惯性力 降低了曲轴连杆组的机械负荷和平衡配重 5 有良好的减磨性能 耐磨 耐蚀 6 工艺性好 价廉 在活塞式发动机中 灰铸铁由于耐磨性 耐蚀性好 膨胀系数小 热强度高 成本低 工艺性好等原因 曾广泛地被作为活塞材料 由于发动机转速日益提高 工作过程不断强 化 灰铸铁活塞因比重大和导热性差两个根本缺点而逐渐被铝基轻合金活塞所淘汰 而铝 合金比重小 结构重量仅铸铁活塞的 70 50 因此其惯性力小 此外 铝合金导热性好 使活塞温度显著下降 但缺点是温度升高时 强度和硬度下降较快 线膨胀系数较大 为 控制变形使结构设计复杂化 且成本较高 综合而言 共晶铝硅合金较合适作为活塞材料 3 2 2 活塞环的材料活塞环的材料 气环选用球墨铸铁 因为球墨铸铁具有接近钢的力学性能 抗拉强度大于 500MPa 18 抗弯强度大于 1000MPa 特别是抗折强度大 为灰铸铁的 2 3 倍 弹性模量大 油环选用不锈钢 钢的机械强度高 弹性模量高 热稳定性好 为了改善钢环与气缸 间的滑动性 钢环的外圆面和端面均需镀铬 3 2 3 活塞销的材料活塞销的材料 活塞销材料为低碳合金钢 表面渗碳处理 硬度高 耐磨 内部冲击韧性好 表面加 工精度及粗糙度要求极高 高温下热稳定性好 3 3 活塞结构设计活塞结构设计 3 3 1 活塞头部的设计活塞头部的设计 活塞头部包括活塞顶和环带部分 其主要功用是承受气压力 并通过销座把它传给连 杆 同时与活塞环一起配合气缸密封工质 活塞头部的设计要点是 具有足够的机械强度 与刚度 以免开裂和产生过大变形 保证温度不过高 防止产生过大的热变形和热应力 尺寸尽可能紧凑 如图 3 1 图 3 1 活塞头部 1 1 活塞环形状及主要尺寸设计活塞环形状及主要尺寸设计 本设计中采用三道活塞环 第一和第二环为气环 第三环为油环 第一道活塞环为桶 19 形扭曲环 材料为球墨铸铁 表面镀铬 桶形环与缸筒为圆弧接触 对活塞摆动适应性好 并容易形成楔形润滑油膜 第二道为鼻形环 材料为铸铁 鼻形环可防止泵油现象 活塞 向上运动时润滑效果好 第三道是油环 是钢带组成环 重量轻 比压高 刮油能力强 活塞环的主要尺寸为环的高度 h 环的径向厚度 t 气环mmb3 5 1 油环 mmb5 3 取 b1 3 0mm b2 2 3mm 油环 b3 4 0mm 2 2 压缩高度 压缩高度 H H1 1的确定的确定 活塞全高 H 0 8 1 1 D 64 88 8 取 80mm D 80mm 活塞压缩高度 H1 由火力岸高度 h 环带高度 h3 和上裙尺寸 h 三部分组成的 活塞 环的数目 环的位置和轴向高度 环与环之间的环岸高度等都直接影响尺寸 H1 对于四 冲程发动机 一般 H1 0 45 0 6 D 36 48 取 46mm 3 3 火力岸高度火力岸高度 h h 根据活塞环的布置确定压缩高度时 首先须定出第一环的位置 即火力岸高度 h 为 缩小 H1 当然希望 h 尽可能小 但 h 过小会使第一环温度过高 导致活塞环弹性松弛 粘结等故障 四冲发动机一般取 h 0 1 0 2 D 8 16 取 12 5mm 4 4 活塞环数 活塞环数 活塞环数目对活塞头部的高度 H1有很大影响 在满足足够的密封作用 降低活塞和 整台发动机的高度 减少惯性力和摩擦功率损耗 应该力求减少环数 所以选择 2 道气环 和 1 道油环 5 5 环岸高度 环岸高度 为了减少活塞高度 活塞环槽轴向高度 b 应尽可能小 这样活塞环惯性力也小 会减 少对环槽侧面冲击 有助于提高环槽耐久性 但 b 太小 使制环工艺困难 设计中取气环 b1 3 1mm b2 2 3mm 油环 b3 4 0mm 环岸的高度 c 应保持它在气压力造成的负荷下不会破坏 实践证明第二环岸负荷要 比第一环岸小得多 温度也低 只有在第一环岸已破坏的情况下 它们才会可能被破坏 因此 环岸高度一般第一环最大 其他较小 c1 1 5 2 5 b1 取 c1 4 4mm c2 1 2 b1 取 c2 3 2mm 所以 h3 b1 b2 b3 c1 c2 17mm 6 6 活塞销上面的裙部长度 活塞销上面的裙部长度 活塞销上面的裙部长度对于活塞裙在气缸内的良好道向也有很大影响 如果能使 20 裙部与缸壁配合间隙很小 裙两端的尖角负荷就不会太严重 那么 h 小些也无妨 活塞销 中心上部的裙部长度 h H1 h h3 16 5mm 7 7 活塞顶和环带断面活塞顶和环带断面 活塞顶的形状主要取决于燃烧室的选择和设计 仅从活塞设计角度 为了减轻活塞组 的热负荷和应力集中 希望采用受热面积最小 加工最简单的活塞顶形状 即平顶 实际 统计数据表明 活塞顶部最小厚度 柴油机为D 0 2 0 1 取为 11mm 活塞顶接受 的热量 主要通过活塞环传出 专门的实验表明 对无强制冷却的活塞来说 经活塞环传 到气缸壁的热量占 70 75 经活塞本身传到气缸壁的占 10 20 而传给曲轴箱空气 和机油的仅占 10 左右 所以活塞顶厚度 从中央到四周逐渐加大 环带断面 为了保证高热负荷活塞的环带有足够的壁厚 使导热良好 不让热量过 多地集中在最高一环 其平均值为 1 5 2 0 t 正确设计环槽断面和选择环与环 槽的配合间隙 对于环和环槽工作的可靠性与耐久性十分重要 槽底圆角一般为 0 5 1 0mm 活塞环岸锐边必须有适当的倒角 否则当岸部与缸壁压紧出现毛刺时 就可 能把活塞环卡住 成为严重漏气和过热的原因 但倒角过大又使活塞环漏气增加 一般该 倒角为 0 5 1 0 45 3 3 2 活塞裙部的设计活塞裙部的设计 活塞工作时在销轴方向尺寸伸长相对较多 为使裙部在工作时具有比较均匀的间隙 不致在销孔附近卡住 在设计时把裙部做成长轴位于垂直销轴方向 短轴位于平行销轴方 向的椭圆形 3 3 3 销孔的位置销孔的位置 活塞销与活塞裙轴线不相交 而是向承受膨胀侧压力的一面偏移了 1 2mm 这是因为 如果活塞销中心布置 即销轴线与活塞轴线相交 则在活塞越过上止点 侧压力作用方向 改变时 活塞从次推力面贴紧气缸壁的一面突然整个地横扫过来变到主推力面贴紧气缸壁 的另一面 与气缸发生 拍击 产生噪音 有损活塞耐久性 如果把活塞销偏心布置 则能使瞬时的过渡变成分布的过渡 并使过渡时刻先于达到最高燃烧压力的时刻 因此改 善了发动机的工作平顺性 3 3 4 装配端隙 装配端隙 d 活塞的装配端隙越小 环的密封作用越好 但最小的 d 以运转中开口端而互不相碰 且留有适当治量为宜 d 3 14D t a 21 式中 t 温差 取 100 a 线膨胀系数 通常缸径为 50 75mrn 时 d 为 0 20 0 45mm 本设计取 d 0 30mm 3 3 5 活塞销的结构和尺寸活塞销的结构和尺寸 设计要领是 应使活塞销和销座的刚度相适应 活塞销要有较高的刚度 减小其弯曲 变形和椭圆变形 销座除能承受很高的压力外 还要有一定的弹性 使之适应活塞销的变 形 活塞销的结构为一圆柱体 中空形式 可减少往复惯性质量 有效利用材料 活塞销 与活塞销座和连杆小头衬套孔的连接配合 采用 全浮式 活塞销的外径对销的弯曲刚 度有决定性的影响 活塞销的内径对销的弯曲刚度影响较小 但是 如果内径过大 销壁 过薄 会使销断面失圆 因此 活塞销的外径基本上按活塞销的弯曲变形的要求设计 活塞销的外直径取 d1 26mm 取活塞销的内直径 d2 0 65 0 75 d1 取 d2 18mm 活 塞销长度 l 0 8 0 9 D 取 l 64mm 3 3 6 活塞销座结构设计活塞销座结构设计 活塞销座用以支承活塞 并由此传递功率 销座应当有足够的强度和适当的刚度 使 销座能够适应活塞销的变形 避免销座产生应力集中而导致疲劳断裂 同时要有足够的承 压表面和较高的耐磨性 活塞销座的内径 mmd25 0 活塞销座外径 mmd35 3 4 活塞其余部分的尺寸设计活塞其余部分的尺寸设计 销座间距 Di 0 3 0 4 D 取 Di 30 加工基准直径 Ds 0 92D 73 6 顶部厚度 Th 0 075D 6 裙部销孔中心壁厚 Tp 0 035D 2 8 裙部最小壁厚 Tn 0 03D 2 4 部头内圆弧半径 R 1 4D 112 连接圆弧半径 R1 0 1D 8 R2 0 07D 5 6 R3 0 12D 9 6 R4 0 05D 4 5 环区壁厚 销孔垂向 d 0 12D 9 6 环区壁厚 销孔方向 dp 0 15D 12 3 5 活塞校核活塞校核 活塞组包括活塞 活塞销和活塞环等在汽缸里往复运动的零件 是内燃机的关键零部 件之一 活塞的结构和所处的工作环境十分复杂 因此必须了解活塞的变形和应力分布情 22 况 对改进活塞设计 提高其工作可靠性具有重要意义 发动机的工作可靠性与使用耐久 性在很大程度上与活塞组的工作情况有关 而活塞的强度是首先必须被保证的 已知 最高爆发压力 pz 7 78719Mpa 活塞头部直径 D1 80mm 活塞顶厚度 0 12D 9 6mm 缸径 D 80mm 第一环岸高度 h1 4 4mm 裙部高度 H2 63mm 最高燃气 作用力 Pz 23783 6N 3 5 1 活塞顶的校核活塞顶的校核 活塞顶的机械应力 u 0 68pz D1 2 2 44 08mpa u 49 02MPa 在许用范围内 3 5 2 第一环岸的校核第一环岸的校核 弯曲应力 错误错误 未找到引用源 未找到引用源 4 5pz D1 h1 2 10 3 5 62 pa 剪切应力 3 14pz D1 h1 2 10 3 12 313 pa 总应力 错误错误 未找到引用源 未找到引用源 21 4 pa 16 3 1 02 21 89MPa 29 41MPa 在许用范围之内 3 5 3 裙部比压裙部比压 最大侧压力 z p D N 40 2 max 3920N 裙部比压 2 max 1 DH N q 0 78 q1 q1 5 合格 本章参考 柴油机设计手册 对480Q柴油机活塞进行了机械应力 第一环岸总应力及 裙部比压的计算 所得结果均小于许用值 故 所设计的活塞满足强度要求 是合格的 但是 由于公式计算的局限性 与实际工作条件存在差异 故需进行试验方可得到更加精 确的结果 23 第四章 气缸盖的设计 4 1 气缸结构选择气缸结构选择 气缸结构有三种 无气缸套式 干式气缸套式 湿式气缸套式 无气缸套式机体即不镶嵌任何气缸套 在机体上直接加工出气缸 优点是 可以缩短 气缸中心距 从而使机体的尺寸和质量减小 且机体的刚度大 工艺性好 湿式气缸套机体外壁直接与冷却液接触 其优点是机体上没有封闭的水套 容易铸造 传热好 分度分布均匀 修理也方便 但机体刚度差 容易漏水 干气缸套式机体不与冷却液接触 其机体刚度大 气缸中心距小 质量轻 加工工艺 简单 但其传热较差 温度分布不均匀 考虑我们只是两缸机 散热相对容易再加上干式 气缸套机体的优点 本次设计选择干式气缸套机体 4 2 气缸盖设计气缸盖设计 气缸盖承受很高的机械负荷和热负荷 且几何形状复杂 各部分受热不均 气缸盖内 表面受炽热燃气的作用 外表面则受冷却空气的吹刷 因此 在气缸盖中存在着较大的热 应力 有时还产生较大的变形 所以设计要求气缸盖应根据混合气形成和燃烧方式布置出 合理的燃烧室 气门和性能良好的气道 各部分温度应尽可能均匀分布等等 4 2 1 气缸盖的材料气缸盖的材料 气缸盖的材料应具有铸造性能良好 具有良好的导热性和耐热性 热强度高 并价格 低廉的特点 据资料显示 当温度低于 250 时 铝合金具有相当高的热强度 但温度高 于 250 时 铸铁具有较高的热强度 因此 铝合金气缸盖的工作温度一般不应超过 220 而铸铁气缸盖的工作温度一般不应超过 375 400 由于铸铁气缸盖的工作温度较高 并且在常用温度范围内 热强度已能满足设计要求 同时价格低廉 所以一般水冷式内燃机多数采用铸铁来制造气缸盖 以提高拉伸极限强度 和耐热性 所以本设计中选择 HT250 作为气缸盖材料 4 2 2 气缸盖结构形式及特点气缸盖结构形式及特点 24 水冷式内燃机气缸盖的结构型式分为整体式 分体式 单体式以及连体式 整体式是 整列气缸共用一