480柴油机气缸盖设计毕业设计说明书

1、480 柴 油 机 气 缸 盖 设 计 毕 业 设 计 说 明 书第 一章 前 言内燃机以其热效率高、结构紧凑，机动性强，运 行维护简便的优 点 著 称 于 世 界 。柴 油 机 的 发 展 已 有 一 百 多 年 的 历 史 ，通 过 这 一 长 时 期 的不断改进和提高，已经发展到了比较完善的程度。目前世界上内燃机的拥有量大大超过了任何其它的热力发动机， 在 国 民 经 济 中 占 有 相 当 重 要 的 地 位 。现 代 内 燃 机 更 是 成 为 了 当 今 用 量 最 大 、用 途 最 广 、无 一 与 之 匹 敌 的 最 重 要 的 热 能 机 械 。而 柴 油 机 是 目 前 产

2、 业 化 应 用 的 各 种 动 力 机 械 中 热 效 率 最 高 、能 量 利 用 率 最 好 、最 节 能 的 机 型 ，它 已 经 成 为 汽 车 、农 业 机 械 、工 程 机 械 、船 舶 、内 燃 机 车 、 地 质 和 石 油 钻 机 、军 用 、通 用 设 备 、移 动 和 备 用 电 站 等 装 备 的 主 要 配 套动力。小型柴油机比汽油机节油15%30%，二氧化碳各种废气的排放 也比汽油机的要低。其应用范围越来越广。随着强化程度的提高，柴 油 机单位功率的重量也显著降低。为了节能，各国都在注重改善燃烧 过程， 研究燃用低质燃油和非石油制品燃料。此外， 降低摩擦损失、 广

3、泛采用废气涡轮增压并提高进气量、进一步轻量化、高速化、低 油 耗、低噪声和低污染， 都是柴油机的重要发展方向。随着柴油机技术的发展，加上柴油汽车在动力性、经济性和大修 期等方面比汽油车占优势，汽车柴油化的趋势越来越明显。交通部门 专 家 预 测 ：由 于 清 洁 燃 料 汽 车( 电 动 车 、太 阳 能 车 、燃 氢 汽 车 等 )近 期难以实现技术上的突破， 还无法达到实用普及， 21 世纪将是柴油 机 大行其 道的 时代 。§1.1 柴油 机技 术概 述及 发 展趋 势§1.1.1 概 述1882 年 德 国 人 狄 赛 尔 ( Rudolf Diesel ) 提 出

4、 了 柴 油 机 工 作 原 理 ， 1896 年 制 成 了 第 一 台 四 冲 程 柴 油 机 。 一 百 多 年 来 ， 柴 油 机 技 术 得 以全 面 的 发 展 ，应 用 领 域 越 来 越 广 泛 。大 量 研 究 成 果 表 明 ，柴 油 机 是 目 前 被 产 业 化 应 用 的 各 种 动 力 机 械 中 热 效 率 最 高 、能 量 利 用 率 最 好 、最 节能的机型。装备了最先进技术的柴油机，升功率可达到30 50kW/l ， 扭 矩 储 备 系 数 可 达 到 0.35 以 上 ， 最 低 燃 油 耗 可 达 到 198g/kW h,标定功率油耗可达到204g/kW

5、 h ；出于对能源和环保因素的考虑，汽车柴油化已经成为一种国际潮流。以美、日、欧柴油 车的发展势头足以说明这一点：在美国，汽油最便宜，只相当于欧洲 的 1/3 至 1/4 ， 可 是 美 国 的 商 用 车 大 部 分 仍 使 用 柴 油 发 动 机 ， 欧 洲 有 20%的轿车和 90%的商用车采用柴油机， 日本 9.2% 的轿车和 38%的 商用车采用柴油机， 并且这一比例还在逐年上升。柴油机被广泛应用于船舶动力、发电、灌溉、车辆动力等广阔的 领域，尤其在车用动力方面的优势最为明显，全球车用动力“柴油化” 趋 势 业 已 形 成 。 据 专 家 预 测 ， 在 今 后 20 年 ， 甚 至

6、 更 长 的 时 间 内 柴 油 机将成为世界车用动力的主流。世界汽车工业发达国家政府对柴油机 发 展 也 给 予 了 高 度 重 视 ，从 税 收 、燃 料 供 应 等 方 面 采 取 措 施 促 进 柴 油 机的普及与发展。§1.1.2 柴油机技术的发展趋势现代柴油机车无论是在动力性、环保性还是在舒适性、可靠性方 面都已经有了长足的进步，甚至已经超过了很多汽油机车。人们越来 越发现柴油机的无穷魅力：高扭矩、高寿命、低油耗、低 排放。尤 其 是在能源危机的今天，柴油机已成为解决汽车能源问题最现实和最可 靠 的 手 段 之 一 ， 现 在 100% 的 重 型 车 和 近 30% 的

7、 乘 用 车 都 在 使 用 。 大 量研究成果表明，柴油机是目前被产业化应用的各种动力机械中热效 率最高、能量利用率最好、最节能的机型。现在，科技的发展日新月异，柴油机新技术的开发和应用所需要 的时间也越来越短，尤其是现代，随着柴油机电控喷射和高压共轨喷 射，增压中冷及后处理技术，以及排气再循环（EGR ）技术等相关新 技术的不断应用， 柴油机的设计和制造已经发生了革命性的变化。今后，内燃机的发展将着重于改进燃烧过程，提高机械效率，减 少散热损失，降低燃料消耗率；开发和利用非石油制品燃料、扩大燃 料 资 源 ；减 少 排 气 中 有 害 成 分 ，降 低 噪 声 和 振 动 ，减 轻 对 环

8、 境 的 污 染 ； 采 用 高 增 压 技 术 ，进 一 步 强 化 内 燃 机 ，提 高 单 机 功 率 ；研 制 复 合 式 发 动 机 、绝 热 式 涡 轮 复 合 式 发 动 机 等 ；采 用 微 处 理 机 控 制 内 燃 机 ，使 之 在 最 佳 工 况 下 运 转 ；加 强 结 构 强 度 的 研 究 ，以 提 高 工 作 可 靠 性 和 寿 命 ， 不断创制新型内燃机。§1.2 我国 柴油 机技 术的 发 展我国柴油机产业起步相对较晚，但是自 20 世纪 80年代以来有了 较 快 的 发 展 。随 着 一 批 先 进 机 型 和 技 术 的 引 进 ，我 国 柴 油

9、 机 总 体 技 术 水 平 已 经 达 到 国 外 80 年 代 末 90 年 代 初 水 平 ，一 些 国 外 柴 油 机 近 几 年 开 始 采 用 的 排 放 控 制 技 术 在 少 数 国 产 柴 油 机 上 也 有 应 用 。最 新 开 发 投 产的柴油机产品的排放水平已经达到欧川排放限值要求，一些甚至可 以达到欧W排放限值要求。但我国柴油机产业的整体发展仍然面临着 许多问题，与国外柴油机相比还有一定的差距。我国柴油机产业的整体发展面临着许多问题：（1）柴油机行业投 入不足，严重制约了生产工艺水平、规模发展和自主开发能力的提高； （2）柴油品质差、柴油标准的修订严重滞后于汽车工业发

10、展的需要， 对柴油机技术的发展及各种新技术、改善柴油机排放措施的应用造成 障碍；（3）我国柴油机技术的落后、产品质量差以及车辆使用中维修 保养措施不力，导致低性能高排放柴油机在使用中对城市环境和大气 质量造成不良的影响。随着环保法规的日益严格，光靠增压中冷技术已不能满足日益严 格的环保要求，这就需要更新的柴油机电控喷射技术来支持。现在国 内的柴油机电控喷射系统正处在开发阶段。比如上海内燃机研究所、 无锡油泵油嘴研究所等正在积极研究之中。无锡油泵油嘴研究所已把 部分成果应用到双燃料机上实现了天然气和液化石油气的电控化，目 前正进行匹配试验。根据目前我国发动机的状况，提高我国柴油机技术水平急需解决

11、 下列的关键技术：1、关键 零部 件技术 ：如 油泵 油嘴 和 增压 中冷 。2、燃 油品 质：优质低硫的 柴油 是柴 油机满 足日 益严 格的排 放法 规的前提。3、电 控技 术 ：柴油机电控 技术 对于 发动机 综合 性能 的优化 和提 高至关重要。4、排放 后处理 关键技术：如 废气再 循环 技术（ EGR ）， 微粒捕 集技 术以 及 NOx 催化转化 技术 。5、整机开发及匹配技术：如柴油机燃油、进 气及燃烧系统的匹 配与优化技术，重型车用及轿车用柴油机技术。6、柴油 机的 制造、 工艺 及材 质等 技 术。随着 中国 机械 工业 的 发展 ，特别 是制造工艺水平 的提高，相 信中

12、国的内燃机工业也会有一个很大的提高。第二章 整体设 计§2.1 柴油 机的 设计 要求柴油机的总体设计是在注重节约能源的同时又加强了对排放性 的 要 求 ，提 高 了 产 品 的 适 用 性 。根 据 柴 油 机 的 设 计 要 求 对 其 主 要 参 数 进行选择。§2.1.1 480 高速柴油 机的 设计要求 高速柴油机设计应满足下列基本要求：1、最 佳的环保性 能 目 的在 于减 少有害 物质 的排 放。日益严 格的 环保法规对柴油机的废气排放提出了更高的要求。因此在设计阶段， 在燃烧过程的组织、排放后处理等方面，应考虑采取相应的措施。2、最佳的 使用 性能 包 括最

13、佳 的动 力性 能 、最 小的 外形尺 寸、 最轻的总质量，并能满足各种特定用途对发动机性能的要求。3、最佳的 经济 性能 主要 可以 概括 为下列 三方 面：（ 1 ）最 佳 的 使 用 经 济 性 包 括 完 善 的 工 作 过 程 ，特 别 是 组 织 良 好 的 燃 烧 过 程 ，以 降 低 燃 油 消 耗 ；精 心 设 计 润 滑 系 统 ，在 保 证 发 动 机 获 得良好润滑的前提下降低润滑油消耗量。（ 2 ）最 佳 的 制 造 经 济 性 包 括 优 化 设 计 ，使 整 机 及 零 部 件 具 有 良 好 的 加 工 工 艺 性 ；选 用 价 廉 适 用 的 制 造 材 料

14、；降 低 不 必 要 的 加 工 精 度 。（ 3）最好 的可 靠性和 最长 的使 用寿 命 首先在结 构上 要保证发动 机具 有 良 好 的 刚 度 ，在 各 种 工 况 下 工 作 时 ，各 零 部 件 不 允 许 发 生 不 正 常 的 变 形 和 振 动 。发 动 机 的 各 易 磨 损 件 要 有 必 要 的 寿 命 ，所 有 摩 擦 副 在 设 计时应考虑减摩措施和材料的配对等§2.1.2 480 柴油机作为载重 车用柴油机的要 求作 为 载 重 车 用 柴 油 机 ，其 主 要 在 部 分 负 荷 和 转 速 下 工 作 ，且 经 常 变 速 变 负 荷 ，需 能 经

15、受 高 原 、严 寒 ，高 温 、酷 暑 和 风 沙 泥 泞 等 恶 劣 环 境的长期考验，其设计应满足以下要求：1、柴油机要能够适应风沙泥泞等恶劣条件，因此柴油机需有良 好的过滤空气、燃料、机油的滤清器。柴油机外部零件应能防水防尘。2、要求外形尺寸小、重量轻，这能提高汽车驾驶员视野和便于 在汽车上布置。3、为保证柴油机的可靠性和寿命，柴油机应具有在超速、超负 荷和超高温的条件下工作的能力。4、柴油机要平衡性好，振动小。这样可以延长机器的寿命。5、设计排气管时，留有安排排气制动装置的位置。6、要具有很好的动力性能，以满足频繁的变速变负荷，并具有 良好的启动加速性能，标定功率和转速要尽可能定的高

16、些。7、一般采用两级调速器。§2.2 480柴油机主要技术参数内燃机的主要参数包括：平均有效压力Pme、活塞平均速度Cm、 缸径D和缸数i。高速柴油机的主要设计参数有如下众所周知的关系pPme niVse 30（ 2 1）式中，Pe为有效功率（KW）； Pme为平均有效压力（MPa）； n为转速（r/mi n ） ； i为气缸数；乂为每缸活塞排量（L ） ； t为冲程数。对上述参数的正确选择是设计一台较为实用发动机的前提。在本次的柴油机的设计中，任务书中已经给定缸数为四缸，缸径 为80mm。十五分钟功率为32KW，转速为3400 r/min 。所以只是需 要对平均有效压力Pme，活塞

17、的平均速度Cm,行程与缸径的比值以及气 缸中心距等的确定。§2.2.1行程缸径比的确定行程缸径比也是柴油机的重要结构参数。目前，为了适应高速的 要求，内燃机在结构上出现了不断降低行程缸径比的趋势，但是对于 柴油机来说不宜太低，因为不利于燃烧和扫气等。因此，的选择应视 具体设计要求而定。选择时,应考虑以下因素：1、选取较小的，可减小柴油机的高度和宽度而不牺牲总长度， 从而获得总体上更好的紧凑性；2、小的可以缩小行程，加大曲轴的连杆轴径和主轴径重叠度， 提高曲轴的弯曲和扭转刚度，以及疲劳强度；3、减小意味着转速上升（当不变时），因而与成正比例的升功 率跟着增大，使发动机更加紧凑轻巧；4、

18、但是，短行程发动机同样存在一定缺点：单列式发动机的 长度主要取决于气缸直径，因而短行程发动机就较长较重；随着减小， 由于减小了燃烧室的高度，使燃烧室有效容积比减小，燃烧过程较难 组织，而使工作粗暴；此外，短行程发动机的气缸盖热负荷也有所增 加；对于高速柴油机来说，的值在0.91.15范围内，中速柴油机 在11.25范围内，低速柴油机在1.62.2范围内。经过综合考虑此次设计取的值为1.116，进而算出行程为S=106mm。§222平均有效压力pme的确定Pme是标志柴油机整个循环过程的有效性及内燃机制造完善性的 指标之一，是衡量发动机动力性能的重要指标，Pme值的不断提高是 内燃机技

19、术发展的重要标志。平均有效压力Pme与混合气形成方法、 燃料的种类、燃烧和换气过程的质量、进气压力和温度以及机械效率 等有关。Pme越高，发动机功率也越大。根据Pme 3.485亠tH （摘a1 0Ts自内燃机原理公式2-20 ） 可知，合理组织燃烧过程，提高循环 有效热效率et ；改善换气过程，提高气缸的冲量系数c ；提高发动机 转速；减小机械损失等均可达到提高Pme的目的。但是，选择较大的Pme 值必须获得更加完善的结构、材料、工艺的支持。因此，设计新产品 时要慎重选择。目前，对柴油机来说，自然吸气机型Pme 0.7 1.0MPa ,增压机型 Pme 0.91.5MPa,个别强化机型可达2

20、.0MPa 2。本次设计机型为非增压柴油机。Pme可由下式求出：pme Vsnie0.432 3400 4仮咧（摘自内燃机原理公式2-13 ）。§223活塞平均速度Cm的确定活塞平均速度Cm是表征活塞式内燃机强化程度（热负荷和机械 负荷）的重要参数之一，它对内燃机的性能、工作可靠性和使用寿命 有很大的影响。由于Cm直接关系活塞相对于气缸壁的滑动速度，从 而也直接关系到内燃机的寿命和工作可靠性。此外Cm愈高，则活塞 做往复运动的惯性力也愈大，而且Cm愈高，则换气时流过气门的气 体平均流速也愈高4 o Cm的提高会使发动机的功率增大，但同时受 下列不利因素的限制：1、提高Cm后，使活塞组

21、的热负荷和曲柄连杆机构的惯性负荷增 大，气缸体和气缸盖的热负荷也相应增大；造成磨损加剧，影响内燃 机的寿命和工作可靠性；2、提高Cm使摩擦功率损失迅速增加，机械效率降低，燃油消耗 率升高，发动机的振动和噪音增大；3、提高Cm进排气气流的流速增加，进排气阻力与气流流速的平 方成正比例增加，使冲气效率降低，从而使发动机的动力性和经济性 下降。虽然Cm过高会带来以上缺点，但是，Cm选取过低也是不恰当的。 首先是对于给定工作容积的内燃机来说，所发出的功率将会减小，即 每升工作容积所发出的功率将过低，这是不利的；其次，Cm过低对 于像活塞环和气缸壁这样的摩擦副，由于表面间不能建立有效的润滑 油膜而使摩擦

22、加剧。从内燃机的使用寿命和工作可靠性考虑，Cm的 取值应适当。现代一般认为：汽油机不应超过15m/s，柴油机不应超 过 13m/s。活塞行程S已经确定，本次设计活塞平均速度5可由公式算出：Cm86 34003010 39.75m /s30可见此次设计符合上述要求§224曲柄连杆比R L的确定曲柄连杆比是曲柄半径与连杆长度的比值，是一项确定连杆长度 的重要参数。行程确定后，入值的选择应考虑以下因素：1、选择较大的入值，使连杆长度缩短、重量减轻，往复和离心 质量小，有利于柴油机的高速化，并可降低直列式柴油机的高度，对 减轻柴油机重量有利；2、较大的入值会增大连杆摆角和活塞侧压力，对缸套和

23、活塞的 磨损不利；3、在选择连杆长度时，要保证活塞在下止点时不与曲轴平衡重 相碰，活塞在上止点时曲柄不与缸套相碰；连杆在摆动时不能与机体 或缸套相碰。现代高速发动机设计中的总趋势是尽量缩短连杆长度。目前入值 已大到1/3.2，常用范围为1/41/3.2 5。重型汽车和工程机械用柴油 机为减小外形尺寸和希望有较高的转速，通常取较大的入值，机车柴 油机除要求紧凑的外形尺寸外，还要考虑有较长的寿命，入值可取小 些。综合考虑，本次设计曲柄连杆比取入=0.269。§225压缩比的确定压缩比反映了柴油机的强化程度，直接影响柴油机的性能、机械 负荷、起动性能以及主要零件的结构尺寸。在一定范围内，柴

24、油机的 热效率随压缩比的增加而提高，增大压缩比也可使柴油机的起动性能 获得改善。但压缩比的增加将使气缸的最高爆发压力Pz和压力升高 率相应上升，使发动机的负荷水平、振动和噪音大大增加5;同时， 各运动件的惯性力和摩擦磨损增加，机械损失增大，造成柴油机的使 用寿命下降。现代柴油机压缩比的一般范围如下：非增压柴油机直喷式燃烧室1518分开式燃烧室17.52211.5 16810增压柴油机 超增压柴油机此次设计的 压缩比选为 17,符合 直喷式燃烧室压缩比的一般范 围。§2.3 柴油 机主 要零 部件 的 设计§2.3.1 活 塞活塞的工作条件很恶劣，它的工作情况可以概括为以下几

25、点：一、承受很大的机械负荷在内 燃机 工作 中，活 塞组承 受的 机 械负 荷包 括气 体压力、惯 性力 及 此产生 的侧 作用 力。非增 压 的柴 油机 Pgmax 值为 6-9MPa ；由 于内 燃 机 的 转 速 不 断 提 高 ，活 塞 的 往 复 运 动 速 度 也 日 益 增 大 ，加 速 度 也 会 增大，所以活塞在运动中会产生很大的惯性力。二、承受很高的热负荷在内 燃机 工作 过程 中，活塞 顶直 接和燃气接触，燃 气的最高 温度 一般达到2000 C左右。此外，活塞还接受一部分摩擦产生的热。活 塞温度升高，使其材料的机械强度降低，抗弹性变形和抗塑性变形的 能力降低。由于受热不

26、均匀，还会引起活塞的变形并产生很大的热应 力。三、强烈的磨损内燃机在工作中产生的侧向力是较大的，特别在短连杆内燃机中 其侧向力更大。随着活塞在气缸中高速往复运动，在活塞组和气缸内 壁之间产生强烈磨损。 由于此处润滑不良， 磨损更严重。所以，活塞的设计任务就是根据活塞的功用，适应内燃机强化程 度提高的需要，从活塞各部分结构尺寸的选定和造型设计、活塞的材 料 和 表 面 处 理 、必 要 的 计 算 和 试 验 等 方 面 入 手 ，正 确 解 决 活 塞 的 工 作 能 力 、可 靠 性 、寿 命 和 机 械 负 荷 、热 负 荷 、磨 损 之 间 的 矛 盾 ，并 在 实 践中不断加以考核和改

27、进。活塞的设计要点包括：活塞头部的设计，活塞销座的设计，活塞 裙部及其侧面形状的设计对活塞设计的基本要求如下：1、结构 简 单， 质量 小， 并具 有 足够 的强 度和 刚 度 ；2、吸热 少 ，散 热快 ，有 较好 的 高温 性能 ；3、各摩 擦 部位 润滑 良好 ， 摩擦 损失 小 ， 耐 磨性 好。§2.3.2 连 杆 连杆（组）一般由连杆体、大头盖、连杆螺栓、轴瓦和连杆小 头 衬 套 等 组 成 。连 杆 把 活 塞 和 曲 轴 连 接 起 来 。连 杆 小 头 与 活 塞 销 连 接 ， 并 与 活 塞 一 起 作 往 复 运 动 ；连 杆 大 头 与 曲 轴 的 曲 柄

28、销 连 接 ，和 曲 轴 一 起 作 旋 转 运 动 ；连 杆 的 其 余 部 分 作 复 杂 的 平 面 运 动 。作 用 在 活 塞 上 的 力经连杆传给曲轴。连 杆 主 要 承 受 气 体 压 力 和 往 复 惯 性 力 所 产 生 的 交 变 载 荷 。连 杆 必 须具有足够的结构刚度和疲劳强度。也就是说在交变载荷的作用下， 杆 身 应 该 不 致 被 显 著 压 弯 ；连 杆 大 小 头 孔 不 致 显 著 失 圆 。在 设 计 时 候 应 遵 循 以 下 的 原 则 8 ：1、在 保 证 具有 足 够 强 度 和 刚 度 的 前 提下 ， 尽可 能减 轻 重 量 ，以 降低惯性力；

29、2、尽 量 缩 短长 度， 以降 低发 动 机的 总体 尺 寸和 总 重 量；3、结 构 简 单， 尺寸 紧凑 ，可 靠 耐用 ；4、大 小 头 轴承 工作 可靠 ，耐 磨 性好 ；5、连 杆 螺 栓疲 劳强 度高 ，连 接 可靠 ；6、易 于 制 造 ， 成 本 低 。很 显 然，为 了 增 加 连 杆 的强 度和 刚 度 ，不 能 简单 地 依 靠 加 大 结构 尺寸来达到，因为连杆重量的增加使惯性力增加。必须从材料选用、 构形设计、热处理及表面强化等方面采取措施。§2.3.3 曲 轴 飞 轮 组曲 轴 组由 曲轴 、飞 轮、平 衡 重以 及传 动 齿轮 等构 成。曲 轴 是 发

30、 动 机 中 最 重 要 的 机 件 之 一 ，是 由 一 个 或 者 多 个 彼 此 间 错 开 一 定 角 度 的 曲 柄，加上功率输出端和自由端组成，它是发动机最主要的部件之一。 它 的 尺 寸 参 数 在 很 大 程 度 上 不 仅 影 响 着 发 动 机 的 整 体 尺 寸 和 重 量 ，而 且 也 在 很 大 程 度 上 影 响 着 发 动 机 的 可 靠 性 与 寿 命 。曲 轴 的 功 用 是 把 活 塞的往复运动通过连杆转化成旋转运动以输出柴油机所产生的功率， 并驱动柴油机的配气机构、喷油泵、机油泵、水泵及其他的附件。在曲 轴的 设计 方面 有 几点 要注 意，首 先，因 为

31、曲 轴在工作中 要承 受 扭 转 力 矩 的 作 用 ，因 此 曲 轴 在 设 计 时 必 须 要 注 意 解 决 的 主 要 问 题 是 保 证 轴 颈 与 轴 承 工 作 可 靠 并 且 耐 用 ，再 者 要 有 足 够 的 抗 弯 刚 度 ，还 有 在 工 艺 上 也 应 注 意 ，设 计 尽 量 简 单 ，要 在 保 证 足 够 的 转 动 惯 量 的 情 况 下减小飞轮的质量。飞轮 的主 要功 用是 储 存做 功冲 程的 能 量，克 服辅 助冲 程的 阻 力以 保证曲轴旋转运动的均匀性，使内燃机工作平稳。曲轴组的设计要点包括：曲 柄销，主 轴颈，曲 柄，平 衡重，油 孔 的位置和尺寸

32、的设计以及飞轮的设计。§2.3.4 气 缸 盖气缸 盖的 工作 条件 是 非常 苛刻 的，它 要承受 燃烧 气体 的高 温 高压 的作用。设计时要注意以下的几点：1、气缸盖 要有 足够 的刚 度。2、要布置 好进 、排 气道 和气 缸 盖的 螺栓 。3、要组织 好气 缸盖的冷 却，以防气 缸盖 的 温度 过高 以及温 度分 布不均产生热应力过大。4、各个零 部件 以及 气门 机构 要 拆装 方便 。气缸盖的设计包括：气 缸盖形式的选择，气 门数的确定，缸盖螺 栓 数 量 的 选 择 与 布 局 ，进 排 气 道 的 设 计 与 布 局 ，以 及 气 缸 盖 冷 却 措 施 的设计。具

33、体详细见第三章。§2.3.5 机 体 组中小 型高 速水 冷柴油 机的 气缸 体与曲 轴箱 一般 做成 一 体，总 称为 机 体 。机 体 构 成 内 燃 机 的 骨 架 ，机 体 内 外 安 装 着 内 燃 机 所 有 主 要 零 件 和附件。机体在设计时一定要保证其具有一定的强度和足够的刚度。 机 体 的 外 轮 廓 尺 寸 应 该 紧 凑 以 减 小 质 量 ，机 体 设 计 时 应 遵 循 制 造 与 维 修方便的原则，还应保证各连接面具有一定的表面粗糙度以保证密 封，防止漏水、漏气和漏润滑油。为了保证内燃机活塞、连杆、曲轴、气缸等主要零件工作可靠、 耐 久 ，它 们 互 相

34、 之 间 必 须 严 格 保 持 精 确 的 相 对 位 置 ，因 此 在 机 体 设 计 中 必 须 对 重 要 表 面 的 尺 寸 、几 何 形 状 、相 互 位 置 等 提 出 很 严 格 的 公 差 要 求 。因 此 ，为 保 证 柴 油 机 可 靠 和 耐 久 性 的 工 作 ，应 考 虑 下 列 设 计 要 求：1、根据柴 油机 的用途， 合理选择机 体结 构 ，保 证有 足够的 刚度 强度，特别要有足够的刚度。2、依据受 力情 况，合理设 计受力部位的 结构和形状 。机 体壁的 圆角和厚度应无急剧变化，以免应力集中。3、要求尺 寸小 ，重 量轻 ，结 构 简单 。4、注意噪 声的

35、 降低 和考 虑标 准 化、 系列 化 和通用化 问题 。5、机 体的接近性要好（即易接近气缸盖、运 动件和附件等），便 于零件和部件的装拆、维修和搬运。6、工艺性 好， 成本 低廉； 材料 宜取 ，价廉 材广 。第 三 章 气 缸 盖 设 计气 缸 盖作 为发 动机 中 结构 形状 最 为 复 杂、功 能最 为 重 要 的 部 件之 一 ，也 是 提 高 整 机 性 能 的 重 要 结 构 件 之 一 ，是 发 动 机 技 术 竞 争 的 焦 点 。 其 内 部 包 含 有 进 气 道 、排 气 道 、喷 油 器 座 孔 、冷 却 水 通 道 和 润 滑 油 油 道等发动机工作时所必须的一些

36、功能结构。其外围要与进气管组件、 排 气 管 组 件 、配 气 机 构 组 件 、部 分 传 动 组 件 、气 门 室 罩 组 件 等 发 动 机 工 作 时 所 必 须 的 一 些 辅 助 部 件 相 连 接 。存 在 气 缸 盖 内 部 的 众 多 功 能 结 构 和 安 装 于 气 缸 盖 外 围 的 众 多 辅 助 部 件 ，决 定 了 气 缸 盖 总 体 结 构 的 多 变性机及复杂性，同时也决定了对气缸盖结构形式研究的困难性。气 缸 盖的 合理 设计 对 发动 机整 机的 正 常运 转有 着重 要 影 响 ，对 改 善 发 动 机 性 能 起 着 重 要 作 用 ，因 此 ，气 缸

37、 盖 的 正 确 设 计 是 十 分 重 要 的 。§3.1 气 缸 盖 的 工作 条 件气缸盖主要是用来密封气缸，并与活塞、气缸套共同形成燃烧空 间，并承受高温高压燃气作用。为了保证缸盖与气缸套之间的密封， 缸 盖 还 要 受 到 很 大 的 螺 栓 预 紧 力 ，气 缸 盖 各 部 分 温 度 很 不 均 匀 ，火 力 面 温 度 最 高 ，而 冷 却 水 套 部 分 温 度 较 低 ，进 气 道 和 排 气 道 温 度 也 不 相 同 ，因 此 气 缸 盖 的 机 械 应 力 和 热 应 力 很 大 。同 时 ，为 了 让 内 燃 机 的 正 常 工 作 ，要 在 气 缸 盖

38、内 外 安 装 许 多 零 部 件 ，所 以 在 柴 油 机 气 缸 盖 上 要 布 置 进 排 气 门 、气 门 座 、进 排 气 道 、螺 栓 孔 、喷 油 器 及 冷 却 水 道 等 等 ， 使气缸盖的结构变得复杂，所以铸造残余应力也很大。一、气体压力 气缸盖底面受到高压燃气作用时，气体压力不仅使底板受到弯 曲 ，而 且 还 会 通 过 气 缸 盖 内 部 而 传 到 气 缸 盖 的 各 个 部 位 。气 缸 盖 机 械 负 荷 的 大 小 一 般 就 用 最 高 压 爆 发 力 来 衡 量 。由 气 缸 爆 发 压 力 产 生 的 压 力 称 为 气 缸 盖 的 工 作 压 力 。它

39、具 有 脉 动 性 质 ，其 应 力 变 化 周 期 和 内 燃 机工作循环的周期相同，频率较高。二、气缸盖螺栓预紧力为了 确保 气缸 的密 封 ，气缸 盖螺 栓的 预紧 力 要比 最高 爆发 压力大 的多。由预紧力而产生的应力成为气缸盖的安装应力。工作应力和安装应力通常叫做机械应力。三、热应力气缸 盖上 各部 分的 温 度分 布是 很不 均 匀的 ，当各 部分 因温 差 而产 生 的 变 形 受 到 限 制 时 就 产 生 热 应 力 。它 的 变 化 周 期 同 内 燃 机 的 负 荷 改 变有关，相对工作应力来说，热应力的变化频率较低。实践证明，气缸盖底板的厚度受到铸造条件的限制不会很薄

40、，而 且 还 有 气 道 、喷 油 器 座 、气 门 导 管 座 等 部 分 加 强 了 它 的 承 载 能 力 ，所 以 由 气 体 压 力 所 产 生 的 机 械 应 力 并 非 十 分 危 险 。而 由 温 度 分 布 不 均 匀 所 产 生 的 热 应 力 要 比 机 械 应 力 大 得 多 ，尤 其 是 气 门 座 周 围 地 区 有 时 要 大 到 10 倍 左 右 ，如 果 不 采 取 适 当 措 施 ，往 往 使 气 缸 盖 底 板 发 生 裂 纹 。在气 门座 与喷 油器 座 孔附 近，不 但温度高，而且 温度分布也 不均 匀，壁厚分布也不一样，变形也不相同，这些因素都使应力

41、了增加， 因而在这些地方最容易产生裂纹。§3.2 气缸 盖的 设计 要求气缸 盖的 工作 条件 是比较 苛刻 的，它 要承受 燃烧 的高 温高 压气体 产 生 的 作 用 。在 柴 油 机 气 缸 盖 上 要 布 置 进 排 气 门 、气 门 座 、进 排 气 道 、 燃 烧 室 、喷 油 器 以 及 冷 却 水 道 等 等 ，气 缸 盖 的 结 构 就 变 得 很 复 杂 ，使 铸造和加工也变得困难。从气 缸盖 的功 用和 工作条 件出 发， 它 应当 满足 下列 要求7：一 、气 缸 盖 应 具 有 足 够 的 强 度 和 刚 度 ，工 作 时 缸 盖 变 形 最 小 并 保 证

42、 与 气 缸 的 接 合 面 和 气 门 座 的 接 合 面 有 良 好 的 密 封 。缸 盖 变 形 过 大 会 加速气门座磨损、气门杆咬死和气缸密封遭到破坏，造成严重漏气、 漏水和漏油，使柴油机无法工作。二 、要 根 据 混 合 气 形 成 和 燃 烧 方 式 布 置 出 合 理 的 燃 烧 室 形 式 ，气 门和气道布置合理，力求使柴油机性能良好。三 、气 缸 盖 形 状 要 尽 可 能 简 单 、对 称 ，在 拐 弯 处 要 采 用 圆 角 过 渡 ， 尽量使其平滑，各处相连壁厚不宜相差过大。四 、对 配 气 机 构 、喷 油 器 及 螺 栓 等 部 件 的 布 置 ，要 考 虑 维

43、修 与 调 整方便。五 、清 沙 孔 和 工 艺 孔 要 合 理 布 置 ，使 整 个 气 缸 盖 具 有 良 好 的 加 工 工艺性。六 、材 料 的 选 择 应 综 合 考 虑 铸 造 性 、焊 接 性 和 耐 磨 性 ，要 具 有 良 好的强度及导热性，热膨胀系数要小，成本低廉。七 、气 缸 盖 应 尽 量 消 除 内 应 力 和 热 应 力 。冷 却 合 适 ，缸 盖 温 度 场 分布均匀，避免气门座之间形成裂纹。§3.3 气缸 盖的 材料选择 合适 的材 料是 设 计工 作的 重要 环 节之 一。由 于气 缸盖 的 结构 复 杂 ，目 前 主 要 用 铸 造 的 方 法 生

44、 产 。因 此 对 于 气 缸 盖 材 料 的 铸 造 性 能 必须予以足够的重视。气缸盖是受热零件，其热应力特性数值愈小， 则 受 热 时 产 生 的 热 应 力 也 愈 小 。可 见 气 缸 盖 材 料 的 导 热 系 数 要 大 ，热 膨 胀 系 数 要 小 。材 料 的 热 强 度 用 材 料 的 强 度 系 数 表 示 ，它 是 材 料 的 拉 伸 极 限 强 度 与 材 料 的 热 应 力 特 性 数 之 比 值 。显 然 ，此 值 愈 大 ，则 热 强 度愈好。对 于 气 缸 盖 材 料 首 先 要 有 足 够 的 刚 度 、强 度 和 抗 热 疲 劳 性 能 ；其 次 应 该

45、价 格 低 廉 ，来 源 广 泛 ，良 好 的 浇 铸 和 切 削 性 能 ；对 于 柴 油 机 气 缸 盖 材 料 目 前 实 用 化 的 气 缸 盖 材 料 有 铸 铝 、铸 铁 和 钢 三 种 。处 在 研 究 阶 段 的 有 聚 合 物 复 合 材 料 与 蠕 墨 铸 铁 。然 而 就 目 前 国 内 而 言 ，除 了 部 分 轿 车 采 用 铝 合 金 外 大 部 分 还 是 采 有 铸 铁 材 料 13 。以新材料应用为主要途径的柴油机轻量化是柴油机发展的方向， 它 可 以 降 低 燃 油 消 耗 、节 约 能 源 、保 护 环 境 。在 满 足 使 用 性 能 的 条 件 下 ，

46、尽 量 选 用 经 济 的 材 料 ，所 以 本 次 480 柴 油 机 气 缸 盖 的 设 计 选 择 刚 度，铸造性能都很好的合金铸铁作为铸造材料。§3.4 气缸 盖结 构形 式的 选 择水冷内燃机的气缸盖有整体式、分块式和单体式三种。当缸径D < 105mm时，一般多采用整体式气缸盖。它的特点是：1 )气 缸 盖 内 部 空 间 较 大 ，水 腔 易 布 置 。气 缸 中 心 距 可 取 的 较 小 ， 结 构紧凑 ， 零 部件 数量 少。 柴 油机 刚度 有 所改善。2) 气缸盖 上的 油、 水管 路布 置 简单 。3 ) 气 缸 盖 局 部 损 坏 时 ， 整 个 气

47、 缸 盖 易 报 废 。4) 受力不 均匀 ， 热 应力 较高 ， 易翘 曲， 变 形大， 密 封性差 。 5) 若采用四气门气缸盖时，“鼻梁区”不能钻冷却水孔。 因此被小型和高速轻型水冷式内燃机广泛采用。从保证气缸密封来看，单体式的 气缸盖好，因为气缸盖压紧时互 不干扰，对每一个单独的气缸盖来说压力均匀。但是单体式气缸盖在 结 构上就 比较 困难 ，因为各部 分 壁厚 与泥 芯截 面 尺寸 受到 造型 和浇铸 条件的限制而不能按缸径比例缩小，这样就不能在保证有适当的壁厚 和泥芯尺寸的条件下得到既有足够的气道面积又有先进的气缸中心 距。分块式气缸盖介于整体式和单体式之间，它多用于六缸机以上的

48、发 动 机 。这 次 设 计 的 480 柴 油 机 采 用 的 是 整 体 式 气 缸 盖 ，这 样 有 利 于 制造和批量生产。§3.5 气缸 盖主 要尺 寸的 确 定§3.5.1气 缸 盖 高 度气缸盖高度是重要尺寸之一,影响刚度、强度、冷却效果以及缸 盖 垫 密 封 性 、螺 栓 动 应 力 和 气 缸 盖 安 装 应 力 。同 时 ，气 缸 盖 高 度 也 取 决于气道、水腔、壁厚、燃烧室结构和喷油器尺寸的布置。顶置气门内燃机由于有进排气道，高度较大，一般采用经验公式 H=(0.91.2)D 。现代中小型高速柴油机气缸盖的高度，特别是多缸整 体气缸盖的高度，有适当

49、加大的趋势。因为内燃机向高速高功率方向 发展，使气缸盖热负荷不断增加，适当加大气缸盖的高度，对气缸盖 设计时加强冷却、提高刚度、合理设计进排气道三者都有利。气缸盖高度的适当提高，其内腔高度也相应增大，冷却水阻力减小，流量增 大。同时，缸盖的刚度增大，对防止变形和防止三漏十分有利。当然， 这样做要增加一些内燃机高度和重量，但综合效果还是利多于弊。综上所述，本次设计的480高速柴油机的缸盖高度取H=90mm。§3.5.2气缸底面壁厚气缸盖底面壁厚与缸径和柴油机强化程度密切相关，选择恰当与 否，影响着柴油机工作的可靠性。目前多数柴油机缸盖按缸径大小来选择底面壁厚。一般铸铁材料 的 气缸盖

50、按照图3-1中S =0.067D+3.8mm 为宜。tolOv2OU3W触Hl>mm4rl图3-1 缸盖底板厚度与缸径的关系?- ?指缸盖底面厚度范围查图3-1 ,缸盖厚度S取9mm。§ 3.5.3 缸盖其余尺寸确定小型柴油机气缸盖顶面有1 °2。倾斜，可排除冷却水中的气 泡，有助于摇臂机构润滑油流回曲轴箱。推荐的气缸盖其余部分尺寸 的经验公式及统计数据，及480柴油机其他尺寸的取值见表3-3名称符号经验或统计公式480柴油机取值(mm)顶面壁厚S aS a=0.065D (适用于D<140mm 以下)5气门导杆孔壁厚S v4 5 ( 65 < D V 1

51、05 ) ( mm )5气道壁厚S k4 5 ( 65 < D V 105 ) ( mm )5螺栓孔壁厚S sS s=(0.045 0.05)D5侧面壁厚S TS t=(0.04 0.08)D5安装喷油器壁厚S nS n=(0.035 0.04)D5气门偏离气缸eiei一般e1 =1015mm ，最小为3 5mm5气门中心距qq=(0.45 0.55)D40总长i446总宽B199表3-3 气缸盖其余尺寸表10§3.6气缸盖火力面的布置气缸盖的设计应从火力面的布置开始。火力面布置包括：燃烧室 的布置；喉口尺寸的选择和布置；喷油器的布置。§3.6.1燃烧室的选择燃烧室的

52、布置决定于混合气的形成方式。本次设计的480高速柴 油机要求为直接喷射式柴油机。由于它的转速高，混合气形成和燃烧 的时间极短，每循环供油量又很少，单靠雾化混合，则喷孔直径必须 做得很小，喷油压力很高，使燃油系统制造困难。为了获得较好的性 能指标，须在较小的过量空气系数a时有较好的燃烧过程，则需采 用有涡流的深坑形燃烧室12 O§ 362喉口尺寸的选择和布置气缸盖底板上的气门座孔通常叫做喉口。从保证有尽可能大的进 排气时间-截面积和尽可能小的气流阻力出发，总是力求加大喉口直 径。但增大喉口直径受到一定限制，首先应使同一气缸的所有气门能 在气缸底板这一有限尺寸内安排的下，同时还须安排喷油

53、器。喉口到 气缸壁之间的距离不能太小，否则接近气缸壁面部分的气门通过面积 实际流通效率显著下降，阻力增加，加大喉口所取得的效果也受到影 响。根据统计，这个距离一般取0.02D为宜3。喉口之间的距离不能 太小，否则这里型芯强度不够，易造成金属堆积。两气门之间或气门 与喷油器座之间的冷却水套空间曲面最小半径应取3毫米左右，浇铸 壁厚一般取5毫米。在非增压柴油机中，因为进气阻力对内燃机性能的影响比排气的 大，所以进气门喉口直径dsi 一般比排气门喉口直径dse大1。通过经 验公式：dsi (0.400.45)Ddse (0.35 0.40)D取 dsi 30 ； dse 26。§ 3.6.

54、3喷油器的布置喷油器可布置在气缸中心线上，或做很小的偏移。竖直方向上与 气缸中心线夹角20 30，偏置在燃烧室喉口边缘，顺气流倾斜喷射。燃烧室、喷油器与气缸最好同心布置，但在二气门的气缸盖上对 称布置有困难，三者中心线不得不互相错开，并且由于进气门比排气 门大，使燃烧室中心和喷油器向排气门一侧偏移(见图3-2)14。一 般偏移量为e 0.05，鬼0.1。DD图3-2 喷油器与燃烧室的位置关系§3.7进、排气道的布置进、排气道的设计对内燃机性能有很大的影响，进气道影响进气 阻力和充气效率，排气道影响排气阻力和废气能量的利用。为了气门 驱动方便，当采用两气门时，一般都将气门中心线的连接线

55、放在平行 曲 轴 轴 线 方 向 。在 柴 油 机 中 ，为 了 减 小 排 气 通 道 对 进 气 的 加 热 ，以 提 高 充 气 系 数 ，一 般 采 用 将 进 排 气 通 道 布 置 在 气 缸 两 侧 ，而 且 在 总 布 置 上 经 常 将 凸 轮 轴 布 置 在 排 气 道 一 侧 ，将 喷 油 泵 和 喷 油 器 布 置 在 进 气 道 一侧。气道 设计 要符 合下 列 空气 动力 学的 要 求：气道截 面积要大，变化 要缓慢，拐弯圆角要顺，表面要尽量光滑。（一 ）排气 道 从排气门 座到 气道喉口之 间应 有一个逐渐 收缩 的过渡区作为引流段。气道喉口直径为排气门直径的92

56、96%。从喉 口 到排气道的出口 用一个大圆弧过渡，这一段的面积要逐渐扩大，排 气道出口 面积一般是喉口面积的 1.1 1.2 倍。 排气道在气缸盖内必 须尽可能短，以减少向冷却水的传热。（二）进气道 气流在进气道内的流动过程和排气道正好相 反 ，要 求 进 气 口 有 尽 可 能 大 的 面 积 ，然 后 逐 渐 收 缩 至 喉 口 。喉 口 处 的 面积为进口面积的 8090%，从喉口到气门座应有一段引流，进气道 喉口直径为进气门直径的 9296%。气道进口面积约为进气门面积的 1.2 1.4 倍。进 气道不但要求阻力小，根 据不同机型的实际情况，还 要求进入气缸后的气流具有一定的涡流运动

57、。§ 3.8 气 缸 盖 的 冷 却气缸盖结构复杂，各点间的温差很大，热应力比机械应力还大。 因此，必须重视冷却水套的设计，合理地布置水道和组织冷却水流， 排除水的流动死区。为 了 使 气 缸 盖 各 部 分 温 度 分 布 尽 可 能 均 匀 ，避 免 局 部 温 差 过 大 产 生 热 应 力 ，造 成 变 形 和 裂 纹 ，对 冷 却 水 道 的 设 计 ，应 遵 循 下 列 原 则 6 ：1、加快冷却水的流速提高水的 流速可是层流层减薄，有利于传热，从而减小底板两侧 的 温 差 ，以 降 低 热 应 力 ；并 且 降 低 受 热 面 的 最 高 温 度 值 ，使 材 料 处 在 较低的温度下工作，以保持较高的抗蠕变能力。2、加强高温区的冷却气门座之间和气门座与喷油器之间的底板部分，不但受高温燃气 的 冲 刷 ，而 且 气 门 和 喷 油 器 也 向 这 里 散 热 ，因 此 温 度 很 高 。加 上 这 里 金 属 的 厚 薄 差 别 很 大 ，温 度 分 布 不 均 匀 ，往 往 出 现 裂 纹 。设 计 时 ，对 这些地方的冷却需要采取