新型发动机的改进设计-润滑与冷却系统的结构设计

1、 新型发动机的改进设计润滑与冷却系统的结构设计1 前言本课题属工程学科应用基础研究项目，在2006、2007、2008、2009年毕业设计课题中已开展了前期研究工作，省教育厅于2005年11月批准立项资助，项目名称“新型节能农用柴油发动机设计理论的探讨与研究”（批准文号：5J0626D已结题验收合格）；省科技厅于2006年11月批准立项资助，项目名称：“更新四冲程内燃机能量转换机构的理论研究与试验”（项目号2006E0040M，在研课题），在前期研究工作中已完成实验用样机BZ165B10000（活塞摆转、活塞直径65mm、曲轴回转半径100mm、单缸、柴油机）的设计并制造出样机，本次毕业设计将

2、在前期研究工作的基础上进一步改进、完善实验用样机BZ165A10000发动机的结构设计并试制样机。目前柴油机冷却方式有：水冷、风冷、油冷。由于本设计中采用曲柄摇块机构，整体上与传统发动机有本质的区别。因此冷却方式与传统方式不同。在前期已完成的BZ165B10000发动机样机基础上进一步改进完善。在借鉴传统发动机的基础上，采用油冷方式。目前柴油机润滑方式有飞溅和油槽等润滑形式。本设计中的发动机重点润滑的部件有：摆转主轴支承轴承、回转曲轴支承轴承、配气机构凸轮轴支承轴承、供油机构凸轮轴支承轴承。本设计采用压力和飞溅结合的润滑方式。本次结构设计与前几次的方案比较，不同之处在于：把立式结构改为卧式结构

3、，润滑冷却系统也作了较大的改进，原结构在发动机缸套周围设有循环冷却水，本次结构设计放弃了缸套周围设循环冷却水，改为用润滑油将热量带出，通过蛇形冷却散热管在水箱中以热交换方式进行冷却，同时，在润滑油底壳上加装散热片，帮助散热。具体结构详见润滑与冷却系统部件总图BZ165A10400。柴油机工作时运动件的各个摩擦副都必须得到良好的润滑，以减少摩擦损失和零件的磨损，保证柴油机的正常运转。正确的使用柴油机的机油，关系到柴油机的动力性、经济性和使用寿命。润滑油在柴油机中主要有六个方面的作用；润滑、密封、冷却、清洗、减振、防锈蚀。由于本设计的小组成员理论水平和经验不足，工艺知识欠缺。因此在设计中有许多不足

4、之处，敬请各位专家、老师提出宝贵意见。2设计方案论证2.1本项目的研究内容（1）分析、整理前期设计计算结果，在前期研究工作的基础上进一步改进、完善实验用样机BZ165A10000发动机的结构设计，完成该机的部件与零件设计，形成完整技术文件。（2）设计调研并完成新型节能农用柴油发动机结构设计方案的比较与优选。2.2重点解决的科学问题是如何用一种新机构更新取代旧的传力特性，在把燃气爆发产生的气缸压力传递给曲轴的过程中不产生侧向分力，活塞与气缸壁摩擦力较小，在同等工况条件下，新机构可使曲轴获得更大的输出扭矩和更高的输出功率，应用于低转速、大扭矩输出的四冲程内燃机，并要求妥善的密封结构和供油措施的方法

5、。2.3解决的思路和方法先在燃油的低压供油系统中实现燃油的动静分离以降低密封难度，然后将经过改制的A型高压油泵安装于“活塞摆转内燃机”的摆动主轴上，将已供入的低压燃油加压后经高压油管进入喷油嘴喷入摆动主轴上的燃烧室中，同时拟采取一边向制造密封材料相关厂家商请定做专用密封圈，一边研究更妥善的密封结构和供油措施的方法，经过这样的处理来来完成箱体零部件的结构设计合理。国内外传统四冲程燃气（指汽油或柴油以下同）发动机的核心机构是曲柄直线滑块机构，燃气爆发压力作用于活塞（即滑块）后，通过连杆传力至曲柄；由于滑块在往复移动过程中始终作直线运动，而连杆则随曲柄的转动左右摆动，因此，滑块将燃气爆发力通过连杆传

6、递时，不可避免地产生侧向分力，导致爆发燃气所做功的一部分用于克服侧向分力所产生的活塞与气缸壁摩擦力，使传统四冲程燃气发动机的效率降低。要提高四冲程燃气发动机的效率，设计出新型节能农用柴油发动机，必须从根本上对发动机的核心机构进行创新设计，经初步分析研究，发现曲柄摆转滑块机构能从根本上有效解决侧向分力问题，由于曲柄摆转滑块机构的滑块在从上止点到下止点的往复运动过程中始终与连杆一起随曲柄的转动而左右摆动，在每一瞬时滑块的移动速度方向均与连杆的传力方向保持一致，因此，在理论上曲柄摆转滑块机构的滑块在每一瞬时都将100%地把燃气爆发力传递给连杆，滑块在从上止点到下止点的往复运动过程中始终无侧向分力产生

7、。3 计算部分3两个运动零件的工作表面，从微观角度看是粗糙不平的，在相对运动中会因为摩擦发热而消耗一定功率，同时引起磨损。为了减少上述磨损和功率消耗，在两个零件的工作表面之间加入一层润滑油使其完全或部分隔开，两表面的摩擦系数会减小，摩擦引起的功率消耗和磨损就大为减小。3润滑部分目前柴油机润滑方式有飞溅和油槽等润滑形式。本设计中的发动机重点润滑的部件有：摆转主轴支承轴承、回转曲轴支承轴承、配气机构凸轮轴支承轴承、供油机构凸轮轴支承轴承。本设计采用压力和飞溅结合的润滑方式。3润滑油在柴油机中的作用柴油机工作时运动件的各个摩擦副都必须得到良好的润滑，以减少摩擦损失和零件的磨损，保证柴油机的正常运转。

8、正确的使用柴油机的机油，关系到柴油机的动力性、经济性和使用寿命。润滑油在柴油机中主要有六个方面的作用：润滑、密封、冷却、清洗、减振、防锈蚀。对于发动机的润滑油，美国石油协会根据油的品质或质量以及应用范围二大类：S类和C类，其中S类主要用于汽油机，C类主要用于柴油机。3润滑系统的组成（1）机油泵：作用是将一定压力和一定数量的润滑油压供到润滑表面；（2）机油滤清器：作用是把机油当中的固体颗粒或胶质过滤掉，以保持润滑油的清洁，延长润滑油的使用期限，保证发动机正常工作；（3）机油散热器：作用是通过散热器把高温润滑油从进油孔流入机油冷却器，各散热片将热量传递给冷却液，从而降低润滑油温度，以防止由润滑油温

9、度过高，润滑不良造成发电机各部件的损坏。（4）油底壳：作用是大量存储润滑油，分为干式油底壳和湿式油底壳。3（1）压力润滑：指的是润滑油在机油泵的作用下，以一定的压力输送至摩擦表面；（2）飞溅润滑：指的是依靠运动零件飞溅起来的润滑油滴或油雾，散落在外露的摩擦表面或经汇集后从油孔流到摩擦表面进行润滑；（3）复合式润滑：指的是同时采用压力式和飞溅式分别对不同部位的摩擦表面供油润滑；（4）定期加注一滴油润滑：指的是将机油注入油杯内，利用油本身的重力，滴入所需要的部位进行润滑。3所选择的润滑油的密度 （t=20）通过查询资料得出普通发动机润滑油管压力截面的直径为又根据通过查表取雷诺数=2000 液体的运

10、动黏度=63 v/ 油管直径=6mm通过截面A的流量q=平均流速=流过截面A的液体质量宗上所得根据查机械设计手册得到所选择齿轮泵为型号流量L/min压力MPa转速r/min容积效率 重量kg驱动功率KWCB-B441450=85表（1）外形尺寸图（1）齿轮泵 表（2）技术规格型号CEHDdTbMCB-B48265952530355012dc35304M6 3发动机在工作时，由于燃料的燃烧以及运动零件间的摩擦产生大量的热量，使零件温度升高，特别是直接与燃烧气体接触的零件温度很高，如果没有适当的冷却，将不能保证发动机的正常工作。冷却系统的作用就是维持发动机在最适宜的温度下工作。可见，保持发动机的正

11、常工作温度是保证发动机良好工作、提高工作可靠性及延长使用寿命的一个重要条件。发动机的冷却，单纯依靠零件本身对外散热是不够的，必须对某些零件，特别是与高温气体直接接触的零件进行强制冷却，才能保证发动机正常运转。3根据所用的冷却介质不同可分为：水冷却式和风冷却式。1 风冷式风冷发动机工作产生的热量直接由缸壁和缸盖传递给空气，结构较简单。由于它的零部件较少，省去了水泵、水套、水箱等附件，所以可靠性较高，重量和体积都较水冷发动机小些。但是由于风和缸体的接触面积有限，彼此的热导性能也不及水箱高，冷却能力较低，所以风冷发动机的强化度或者功率受到了限制。风冷发动机的突出特点使得它在某些地区，如寒冷地区和沙漠

12、地区得到了广泛的应用。2 水冷却式以水（现多用冷却液）为传热介质，不断地循环吸收发动科水套中的热量，再流到散热器将热量传递给空气。水冷却的强度容易调节，能保持发动机的正常温度。冬季起动时也能用热水预热发动机，便于起动。水冷却又可分为开式和闭式冷却方式。开式冷却系统利用水蒸气而带走发动机的燃烧热量。由于它的冷却能力有限和维护不方便，仅用于小型农用柴油机。闭式冷却系统依靠风扇冷却散热器中的水而带走发动机的燃烧热量，水可循环利用，冷却能力高，维护方便，得到了广泛的应用。3（1）水套及其作用：水套指的是气缸体和气缸盖的双层壁所形成的空间，其间充满冷却液；水套各处应保证冷却液畅通和迅速循环，不应有使冷却

13、液可能停滞的死角；（2）水泵及其作用：水泵的位置一般在气缸体的前端上部或在缸盖前端；作用是将冷却水由气缸体的中部进入水套分向两端；（3）冷却风扇：作用是提高流经散热器的空气流速和流量，以增强散热器的散热能力；同时，对发动机其它附件也有一定的冷却作用；（4）散热器：作用是将水套中出来的热水，分成许多小股，使水与散热器的接触面积很大，水的热量传给冷却管和冷却管外面的散热片，再通过它们将热量散发到周围的空气，使水的温度降低；（5）膨胀箱：作用是避免了冷却液的消耗，保持冷却系内的水位不变。它解决了水气分离和防止冷却液消耗问题。3水箱的规格尺寸为：L = 0.4m W = 0.21m H = 0.28m

14、;水套的规格尺寸为：m 水的热导率； t = 20水的比热容；t = 20润滑油的热导率； t = 20润滑油的比热容； t = 20由于设 则 又燃烧所产生的热量40由水吸收，30由润滑油吸收，30由排气管排出。即 3由于通过计算得出该发动机的质量较重，考虑到安全可靠性以及制作的方便性，所以根据经验公式，选择的角钢制作。由于所用材料为型钢，所以在焊接时应采用手工电弧溶化焊接。在焊接过程中应该注意焊接顺序，防止工件产生应力变形。在加工完成后，还应该对工件进行 去应力退火或者时效处理等工序。图（2）原机架结构示意图 图（3）改进后机架机构示意图4结构设计部分4.1润滑系统的结构设计在此次方案设计

15、中，润滑系统并没有使用润滑油冷却器，这主要是因为通过计算可以得出：润滑油只带走发动机燃烧时所释放内能的30%，润滑后流入油底壳的润滑油也能由于油底壳与外界的接触而散热，并且由于此次所涉及到的发动机是单缸，所以润滑油的温度不会上升太高，所以就没有加入润滑油冷却系统。如果在实验过程中出现了因为润滑油温度过高而使发动机不能正常运转的情况，就采用备选方案。即：可以在油底壳外壁上加上散热片，此方法相比较在发动机壳体上加散热片要容易实现，因为加了散热片后，其结构强度会受到影响，不能保证发动机的正常可靠工作；而油底壳因为不做任何机械运动，所以结构强度可以作一定降低，而且发动机壳体复杂，加工散热片不容易。除此之外，还可在齿轮泵的出口处加入一条通过一个独立水箱的蛇形冷却管，使润滑油通过冷却管散热，以保证发动机的正常运转。4.2冷却系统的结构设计本次设计采用水冷和油冷的混合式冷却。由于通过计算得出发动机所产生的热量有40%由水带走，所以主要的冷却都由水来完成。相比较上一次的设计方案来说，本次的水冷却系统设计并没有按传统使用水泵来供水。这主要是由于此次相比较上次的方案来看，由于采用了曲柄摆转滑块机构，使得摆转中心下移，并且在摆转主轴上加入了随轴摆转的水套，所以根据热水总是在冷水上的原