毕业论文-柴油机设计说明书

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1530，二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。11柴油机技术概述及发展趋势111概述1882年德国人狄赛尔（RUDOLFDIESEL）提出了柴油机工作原理，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3050KW/L，扭矩储备系数可达到035以上，最低燃油耗可达到198G/KWH，标定功率油耗可达到204G/KWH；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92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。112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。12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排放限值要求，一些甚至可以达到欧排放限值要求。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，相信中国的内燃机工业也会有一个很大的提高。第二章整体设计21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。211480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；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212480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些。7、一般采用两级调速器。22480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、活塞平均速度、缸径D和缸MEPMC数I。高速柴油机的主要设计参数有如下众所周知的关系（21）30SMENIVPP式中，为有效功率（KW）；为平均有效压力（MPA）；N为转速（R/MIN）；IEPE为气缸数；为每缸活塞排量（L）；为冲程数。SV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3400R/MIN。所以只是需要对平均有效压力，活MEP塞的平均速度,行程与缸径的比值以及气缸中心距等的确定。MC221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、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09115范围内，中速柴油机在1125范围内，低速柴油机在1622范围内。经过综合考虑此次设计取的值为1116，进而算出行程为S106MM。222平均有效压力的确定MEP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，MEP是衡量发动机动力性能的重要指标，值的不断提高是内燃机技术发展的重要MEP标志。平均有效压力与混合气形成方法、燃料的种类、燃烧和换气过程的质MEP量、进气压力和温度以及机械效率等有关。越高，发动机功率也越大。根据E（摘自内燃机原理公式220）可知，合理组织燃烧过SAUETCMETLHP04853程，提高循环有效热效率；改善换气过程，提高气缸的冲量系数；提高发动ETC机转速；减小机械损失等均可达到提高的目的。但是，选择较大的值必须MEPMEP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,增压机型MPAE017,个别强化机型可达2。本次设计机型为非增压柴油机。MPAPME519020A可由下式求出（摘自内燃机原理公式NIVPSEME3065434213）。223活塞平均速度CM的确定活塞平均速度是表征活塞式内燃机强化程度（热负荷和机械负荷）的重要MC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。由于直MC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。此外愈高，则活塞做往复运动的惯性力也愈大，而且愈高，则换气MCM时流过气门的气体平均流速也愈高4。的提高会使发动机的功率增大，但同时MC受下列不利因素的限制1、提高后，使活塞组的热负荷和曲柄连杆机构的惯性负荷增大，气缸体M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MC动机的振动和噪音增大；3、提高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。虽然过高会带来以上缺点，但是,选取过低也是不恰当的。首先是对于MCMC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，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加剧。从内燃机的使用寿命和工作可靠性考虑，的取值应适当。现代一般认为汽油机不应超过15M/S，柴油机MC不应超过13M/S。活塞行程已经确定，本次设计活塞平均速度可由公式算出SMCSNM/7591034861033可见此次设计符合上述要求。224曲柄连杆比的确定LR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，值的选择应考虑以下因素1、选择较大的值，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、较大的值会增大连杆摆角和活塞侧压力，对缸套和活塞的磨损不利；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。目前值已大到1/32，常用范围为1/41/325。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，值可取小些。综合考虑，本次设计曲柄连杆比取0269。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和压力升高率相应上升，使发动机的负荷水平、振动和噪音PZ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17522增压柴油机11516超增压柴油机810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。23柴油机主要零部件的设计231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69MPA；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。232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81、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；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。233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，油孔的位置和尺寸的设计以及飞轮的设计。234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。具体详细见第三章。235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，气缸盖的正确设计是十分重要的。31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，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，这些因素都使应力了增加，因而在这些地方最容易产生裂纹。32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。33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，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。34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D105MM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。35气缸盖主要尺寸的确定351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H0912D。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H90MM。352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按照图31中0067D38MM为宜。图31缸盖底板厚度与缸径的关系指缸盖底面厚度范围查图31，缸盖厚度取9MM。353缸盖其余尺寸确定小型柴油机气缸盖顶面有1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33名称符号经验或统计公式480柴油机取值（MM）顶面壁厚AA0065D（适用于D140MM以下）5气门导杆孔壁厚V45（65D105）（MM）5气道壁厚K45（65D105）（MM）5螺栓孔壁厚SS0045005D5侧面壁厚TT004008D5安装喷油器壁厚NN0035004D5气门偏离气缸E1E1一般E11015MM，最小为35MM5气门中心距QQ045055D40总长L446总宽B199表33气缸盖其余尺寸表1036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。361燃烧室的选择燃烧室的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。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002D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一般比排气门喉口直径大1。通过经验公式SIDSEDDDSI450E3取；。30SID26S363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，偏置在燃烧室喉口边缘，顺气流倾斜喷射。302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32）14。一般偏移量为,。051DE12图32喷油器与燃烧室的位置关系37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9296。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1112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1214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。38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61、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适当措施。（1）进排气门之间的“鼻梁区”应尽可能大些，使水的流量加大，或者采用定向喷水管以便很好的冷却进排气道的壁面。（2）从铸造工艺角度出发，这里也不能太薄，不允许以尖角的形状通到气门间的低板，尖角的最小半径R不得小于3MM。（3）将进排气门座之间加工成R圆弧的小坑，以减薄此处的火力面壁厚，有利于热量的传递，同时，还可减少热应力而避免热疲劳裂纹。3、消除死水区冷却水不流动的地方传热效果差，会使温度升高。如果由于高温而出现沸腾状态，传热会进一步恶化，温度会进一步升高。如此恶性循环，使材料强度下降而出现裂纹。所以气缸盖的进水孔原则上应均布于气缸的周围，每缸48个，以免形成死区。另外，还要注意高温地区的清砂问题，以免清砂不干净影响传热。39气缸盖螺栓的布置气缸盖螺栓是气缸盖与机体的连接件，它的位置和数目对气缸盖和机体的受力情况、气缸盖与机体间接合面密封的可靠程度以及气缸盖的变形都有很大的影响。气缸盖螺栓数目及布置方案与气缸盖结构型式、气道、水孔、推杆孔位置及缸心距有关。它影响着柴油机的紧凑性和气缸垫片的密封性，同时也与柴油机的性能，可靠性和寿命有关。螺栓的数目要足够以保证密封要紧可靠，减少局部变形使密封可靠，因此设计时要充分考虑如下要求1、气缸盖螺栓的数目和布置有各种方案。一般柴油机每缸螺栓数目为48个。2、间距均匀布置，但不宜大于缸径，应尽可能取小些，同时螺栓应尽可能靠近缸边。螺栓中心连线以相切于气缸孔为好。图33气缸盖螺栓的布置示意图3、螺栓预紧力不宜太大，以免气缸盖变形和螺栓断裂。布置螺栓时要留有足够的套管扳手的活动余地。4、关于螺栓结构应尽量采用柔性螺栓。5、在气缸盖上螺栓宜采用一种直径。综合考虑，采用每缸六个螺栓，相邻两缸共用两个，共18个M12螺栓（如图21）。这样螺栓的布局相对于中心线分布，以免气缸受力不均引起局部变形，各个螺栓中心线沿缸体切线布置以增加密封性。310气缸盖垫片的设计要求为了保证燃烧室密封，必须选用合适的气缸盖衬垫，同时注意气缸盖螺栓的布置，保证均匀而可靠的压紧力。一个良好的气缸盖衬垫应满足以下的主要要求1）具有良好的弹性、导热性、防腐性、抗粘性和抗老化稳定性。足够的抗拉与抗剪强度，有耐高温高压燃气的性能。与缸垫相接触的零件，不应发生化学和电解作用。2）缸垫的设计，要考虑气缸盖螺栓拧紧后，缸垫承受气缸盖底面的比压差愈小愈好，以减小气缸盖的变形和漏气。3）装拆方便，可重复使用。4）造价低廉。在运输、贮存和安装中不易损坏和生锈。5）缸垫变形不应小于机体等各部分弹性变形的总和，同时考虑固紧螺栓不应有超负荷现象。6）中小型高速柴油机缸垫一般厚度约为0715MM，强化柴油机缸垫约为1222MM。大功率中速柴油机缸垫应采用16MM铜或钢制的圆环。中小型高速柴油机用铜或钢和铝皮制成油、水和气孔的卷边板，厚度一般为0103MM。第四章气缸盖的热力计算41参数选择一、已知参数1、缸径D80MM2、行程S86MM3、缸数I44、转速N3400R/MIN5、压缩比176、单缸工作容积LSVS4320D27、连杆比691LR8、大气状态BARP0KT2309、燃料低热值43995KJ/KGGJHU/4510、燃料成分C086H013O00111、燃烧室形式形半分开式二、选择参数1、过量空气系数可取范围1215取142、最高燃烧压力可取范围（6090）BAR取75BARZP3、燃烧终点热量利用系数可取范围065085取0664、残余废气系数可取范围003006取045、排气终点压力可取范围取015PBARR16、排气终点温度可取范围（700900）K取KT87、示功图丰满系数可取范围092096取940I8、机械效率可取范围078085取M9、进气终点压力可取范围取0580PBARPA6010、平均压缩多变指数可取范围138142取381N11、平均膨胀多变指数可取范围115125取2012、新鲜充量在气缸中加热量可取范围（1020）取T1542燃料热化学计算1、1KG燃料完全燃烧理论上所需空气量0L324120OHCLKGFUELMOLAIR/9501862、实际新鲜充气量M1M1L01404950693KMOLAIR/KGFUEL3、理论上完全燃烧是（1）的燃烧产物0M007921LHCKGFUELMOLAIR/58045364、当14时的过剩空气量为（141）049501L0198KMOLAIR/KGFUEL5、燃烧产物总量2M052801980020726KMOLAIR/KGFUEL6、理论分子变更系数00726/06931048120M7、实际分子变更系数（）/（1）（1048004）/（1004）104643燃烧过程的热力计算1、换气过程参数的计算1、进气终点温度AT32692K0418529310RA2、充气效率V10TAPV0419326870787可取范围07509，符合要求。2、压缩过程计算1、压缩过程中任意点X的压力AXPAXP1NCXS式中SC5375MM786SX1/4COSACOS2A/4R式中R/L43/1600269R43MM2、压缩终点压力和温度CPCT08642906BAR1NACP38173269295942KTTC95942273686423、压力升高比1748CZP9064275可取范围1722，符合要求。3、燃烧过程计算1、压缩终点空气平均等容比热VC从图41查得，在68642时，CT731KCAL/KGMOL19865324KCAL/KGMOLPCVP图41不同时，石油燃料完全燃烧产物和空气（）的平均等压摩尔比热CP、CP与温度的关系2、压缩终点残余废气平均等容比热VC从图41查得，在68642,14时CT777KCAL/KGMOL19865784KCAL/KGMOL“P“VP3、压缩终点混合气平均等容比热5342KCAL/KGMOLVC4017853251“V2236KJ/KG4、燃烧终点的温度ZT根据热力学第一定律，在燃烧阶段燃料放出的有效热量等于气缸内气体内能的增加及所做机械功的和，可推导得燃烧方程式ZUZTCCLH“270T1438T1PCCV0）（）（式中热量利用系数，高速柴油机065085此处取066。Z将已知数值代入041782369874138694832956“ZPTC6293976KJ/KG“PZT从图41查得14时，反复查得、代入得“PCZT1750ZT可以近似为假定值，所以1750，2023K，2023KMAXTMAXTZ5、初期预胀比的计算1262CZT4295037816可取范围110170，符合要求。四、膨胀过程计算1、后期膨胀比134726172、膨胀终点的压力和温度BPBTARPNZB314715202KTNZB612012973T3、计算膨胀过程中任意点X的压力BXPBARSPNCXBX2式中式中SC5375MM1S786SX1/4COSACOS2A/4R压力计算过程全部采用EXCEL2003,计算数据见表41曲轴转角（）任意点压力P（BAR曲轴转角（）任意点压力P（BAR18008636042905991900866253708350784200088553138056068312100919371390357382200970615400235285123010438114101635961240114599420120122525012884309258858260148686144074419062701770029450620041728021833994605328271290280696747047028923003786731480424861631054017594903917227320820407950036772423301326771510350783134022270065203395283350352113453033309373604290599540331表41五、绘制P图六、经济技术指标1、平均指示压力的计算IP理论平均指示压力I1738471320167482617481906238120112NNCIP857BAR则四冲程发动机实际平均指示压力IPBARPII068579402、指示热效率的计算IVIUIPPTHL0314883148061293503843、指示功率计算IP39856KW4304302106865NVPSII4、指示比油耗IG384095161063IUIHHKWG925、有效功率PEPE3985608031885KWMIP6、平均有效压力EP0808066448BARIEP7、有效热效率E08003840307IME8、有效比油耗EG542630749511063EUEHHKWG9、升功率LP184543001863065NPME1L第五章结论此次的480柴油机气缸盖设计中，在结构布局方面参考了国内工厂的图样、柴油机实体、一些研究资料和柴油机设计手册中关于气缸盖的部分；在主要尺寸方面主要依据了柴油机设计手册中的经验公式和统计数据。从整体上讲，气缸盖在材料的选取方面取得了实际的进展，在满足使用要求的前提下，尽可能的满足了经济性要求。在气道的设计方面，注意了气道内表面的光滑，这样可以减小进排气的阻力，减小功率的损失。在形位公差的选择方面，针对内燃机的使用条件和现有的加工条件，对气缸盖的各种公差和粗糙度的选择大部分都是高于国家标准的。由于我国气缸盖的机械加工工艺技术和整体工艺水平正在随着高技术含量内燃机的发展而日趋提高和完善，工艺水平随着与国际接轨和科技发展将由落后变为逐步接近产品开发水平。总的来说可以满足480高速柴油机生产需要。综上所述，在与其他多缸机相比，480高速柴油机在价格与性能方面都有很大优势。因此，480高速柴油机在农用和车用市场上有很大的竞争力和美好的发展前景。参考文献1杨江伟柴油机缸盖气道的设计和研究内燃机及配件，2010，923242张儒华气缸盖中一些关键功能结构的承载机理研究内燃机学报22322443史胜祥，杜黎清柴油机气缸盖座圈导管孔精加工工艺解析现代零部件，2010969704郭昌明等大功率柴油机整机铝合金气缸盖结构优化研究内燃机，2008，2595内燃机设计2372426杨连生内燃机设计北京中国农业机械出版社,1980，3944147刘永长内燃机原理华中科技大学出版社，2001,29318袁兆成内燃机设计北京机械工业出版社,2008,33399许道延,丁贤华,王之麒等高速柴油机概念设计与实践北京机械工业出版社，2004，476810徐灏，邱宣怀，蔡春源等机械设计手册第一卷北京机械工业出版社，1991，32633011符锡侯，杨杰民车辆用柴油机总体设计上海上海交通大学出版社，1992,22822912周龙保，刘巽俊，高宗英等内燃机原理北京机械工业出版社，2006，535913文九巴机械工程材料北京机械工业出版社，17918214陈家瑞，蒋兴阁，张宝生等汽车构造北京机械工业出版社，2004，545615王昆，何小柏，汪信远机械设计、机械设计基础课程设计北京高等教育出版社，1996，16717616何永熹，武充沛几何精度规范学北京北京理工大学出版社，2006，268283致谢紧张的毕业设计马上就要结束了，在本次设计中我翻阅了很多资料，把我以前学过的知识重新复习了一遍，同时也使我的专业知识得到了很大的提高。这次设计既是对我们以往所学知识的一次全面复习，同时也是对我们综合应用能力和创新能力的一种提高，是我大学期间的最后一个重要的学习任务，也为我今后的工作和学习奠定了很好的基础。在设计的过程中遇到一些问题都得到了杜慧勇老师耐心的指导