3105柴油機(jī)設(shè)計(jì)氣缸蓋

1、目錄第一章 前言3§1.1 柴油機(jī)設(shè)計(jì)及技術(shù)的發(fā)展3§1.2 我國柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展3第二章 3100柴油機(jī)的設(shè)計(jì)總論4§2.1 柴油機(jī)設(shè)計(jì)的總體要求4§2.1.1 內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)總體要求4§2.1.2 內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)工作中的“三化”4§2.2 柴油機(jī)的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)5§2.2.1 動力性指標(biāo)5§2.2.2 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)5§2.2.3 可靠性和耐久性指標(biāo)6§2.2.4 重量和外形尺寸指標(biāo)6§2.2.5 低公害指標(biāo)6§2.3 3105柴油機(jī)主要參數(shù)的選擇7§2.3.1 柴油機(jī)的設(shè)

2、計(jì)要求7§2.3.2 3105柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)7§2.3.3 基本尺寸的確定8第三章 3105柴油機(jī)氣缸蓋的設(shè)計(jì)8§3.1 概述及設(shè)計(jì)要求8§3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9§3.2.1 氣缸蓋結(jié)構(gòu)形式選擇9結(jié)構(gòu)工藝性9§3.2.3 氣門及氣道的布置10§3.2.4 缸蓋螺栓的布置11§3.2.5 冷卻水道的布置11§3.3 材料的選擇12第四章熱力計(jì)算12§4.1 熱力計(jì)算的意義12§4.2 熱力計(jì)算的過程13第五章結(jié) 論19參考文獻(xiàn)20致謝20第一章 前言§1.1 柴油機(jī)設(shè)計(jì)及技術(shù)的

3、發(fā)展現(xiàn)代柴油機(jī)不僅具有較高的熱效率，良好的燃油經(jīng)濟(jì)性，較低的故障率，并且能滿足日益嚴(yán)格的排放要求而得到越來越廣泛的應(yīng)用。同時(shí)要求柴油機(jī)動力性更強(qiáng)、更加安靜。受到大環(huán)境的影響，作為汽車動力的內(nèi)燃機(jī)不斷進(jìn)行技術(shù)革新，許多新結(jié)構(gòu)、新材料、新的加工方法得到應(yīng)用，尤其是內(nèi)燃機(jī)新的設(shè)計(jì)理論和方法得到廣泛推廣，促進(jìn)了內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的迅速提高。這些主要表現(xiàn)在：一、 新結(jié)構(gòu)、新材料、新技術(shù)、新工藝的采用1、新結(jié)構(gòu) 如新型燃燒室、多氣門、可變配氣相位（VVT）、可變進(jìn)氣管長度、可變增壓器（VGT、VNT）、頂置凸輪機(jī)構(gòu)（DOHC或SOHC）等。2、新技術(shù) 如廢氣渦輪增壓、柴油機(jī)高壓噴射系統(tǒng)、混合動力等。3、新工藝 如

4、以鑄造代替鍛造、壓力鑄造、表面處理技術(shù)等。4、新材料 如活塞環(huán)、進(jìn)氣管、齒輪、風(fēng)扇（高分子材料），活塞（復(fù)合材料），缸套、軸瓦（新配方金屬），油底殼（三明治夾層、高分子涂層）等，主要目的是減輕質(zhì)量，減小阻力，減小磨損，隔振，降噪降音。二、 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與分析方法由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的飛速發(fā)展，現(xiàn)代柴油機(jī)得設(shè)計(jì)方法有了根本性的改變，主要表現(xiàn)在：1、 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制圖（1） 計(jì)算機(jī)制圖 提高了繪圖的速度和質(zhì)量，便于保存和修改處理。（2） 工程分析計(jì)算 縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本，提高了準(zhǔn)確性。2、 仿真設(shè)計(jì) 如三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)、氣體、液體流動分析，冷卻水溫度場分析，配氣相位性能優(yōu)化，噴霧模擬

5、，燃油噴射模擬，燃燒模擬，震動模擬分析，噪聲仿真等。3、 優(yōu)化設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化（以質(zhì)量或應(yīng)力最小或變形最小或阻力最小等為優(yōu)化目標(biāo)），多采用線性規(guī)劃法、復(fù)合性法、函數(shù)法等。4、 工程數(shù)據(jù)庫 用來積累和管理技術(shù)數(shù)據(jù)，擺脫對某個(gè)技術(shù)人員的依賴，提高設(shè)計(jì)技術(shù)的繼承性，方便技術(shù)咨詢、數(shù)據(jù)查詢，進(jìn)行設(shè)計(jì)流程管理。5、 可靠性設(shè)計(jì)方法 它也成為概率設(shè)計(jì)，主要是利用應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型，求出零件的失效概率和可靠度。§1.2 我國柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展隨著世界汽車對汽車發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放提出了更高要求和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，柴油機(jī)被公認(rèn)為節(jié)能的代表和減少汽車尾氣排放污染的有力工具，汽車柴油化也是汽車發(fā)

6、動機(jī)發(fā)展的一大趨勢。近幾年，我國車用柴油機(jī)行業(yè)發(fā)展較快，隨著科技的進(jìn)步，特別是當(dāng)共軌技術(shù)成功運(yùn)用于柴油發(fā)動機(jī)上后，柴油發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢立馬體現(xiàn)出來，而冒黑煙之類的弊病也不再存在。越來越多的車輛都開始使用柴油動力。作為柴油發(fā)動機(jī)的傳統(tǒng)優(yōu)勢，低速大扭矩是汽油發(fā)動機(jī)無法比擬的，而通過新技術(shù)的運(yùn)用，柴油車功率不足，提速慢的缺點(diǎn)也得以改善。近年來，我國政府相繼出臺了各種燃油法規(guī)，其目的之一就在于鼓勵(lì)我國柴油轎車的發(fā)展。隨著國家“費(fèi)改稅”政策的推行和汽油價(jià)格可能存在的進(jìn)一步上漲，消費(fèi)者也將進(jìn)一步接受柴油車。因此，柴油轎車將有一個(gè)很燦爛的發(fā)展前景。第二章 3100柴油機(jī)的設(shè)計(jì)總論§2.1 柴

7、油機(jī)設(shè)計(jì)的總體要求§ 內(nèi)燃機(jī)的總體設(shè)計(jì)要求內(nèi)燃機(jī)的總體設(shè)計(jì)是整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)工作的第一個(gè)階段，按照工作次序可分為：產(chǎn)品開發(fā)的戰(zhàn)略決策；產(chǎn)品主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的論證和選擇；方案計(jì)算和總體設(shè)計(jì)圖的繪制等幾個(gè)階段?？傮w設(shè)計(jì)的水平和決策的正確與否，對產(chǎn)品的水平和市場競爭力將產(chǎn)生決定性的影響，如有失誤，在大多數(shù)的情況下，不易通過投產(chǎn)后的改進(jìn)加以挽回。因此，總體設(shè)計(jì)者責(zé)任重大，要有高度的負(fù)責(zé)精神和使命感。產(chǎn)品決策階段首先要進(jìn)行市場調(diào)研，對開發(fā)機(jī)型的配套對象和各種用途的市場容量發(fā)展前景，類似機(jī)型的技術(shù)水平，生產(chǎn)成本，生產(chǎn)規(guī)模作出定量的分析，其次，就企業(yè)對所開發(fā)產(chǎn)品的投資能力，生產(chǎn)規(guī)模提出可

8、行性分析報(bào)告。編制產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)任務(wù)書，具體規(guī)定產(chǎn)品的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和配套要求。產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)時(shí)要選擇和確定內(nèi)燃機(jī)的主要參數(shù)，完成各主要工作系統(tǒng)如供油系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)的構(gòu)思，繪制機(jī)體、氣缸蓋、活塞、連桿、曲軸的方案圖和整機(jī)縱橫剖面圖，不同缸數(shù)及典型配套機(jī)型的外形布置圖，編制總體設(shè)計(jì)說明書。內(nèi)燃機(jī)種類多樣，使用條件各異，對總體設(shè)計(jì)也提出不同的要求。§ 內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)工作中的“三化” “三化”可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，減少設(shè)計(jì)成本，組織專業(yè)化生產(chǎn)，提高勞動生產(chǎn)率，便于使用、維修和配件供應(yīng)。一、 產(chǎn)品系列化 它是指基本尺寸相同，不同的排列、缸數(shù)、增壓度，以滿足不同需求。二、 零部件通用化 它

9、是指同一系列的主要零件能夠通用，以減少開發(fā)成本。三、 零件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化 它是指按照國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)圖樣和資料的可讀性和交流性，便于技術(shù)交流，同時(shí)也起到減少生產(chǎn)和采購成本的作用。總之，柴油機(jī)的設(shè)計(jì)與開發(fā)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程。一個(gè)型號產(chǎn)品往往要經(jīng)過幾年的設(shè)計(jì)與開發(fā)周期才能得以完善。§2.2 柴油機(jī)的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)§ 動力性指標(biāo)動力性指標(biāo)包括有效功率（Pe）、轉(zhuǎn)速（n）、最大扭矩Memax和最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速。1、有效功率Pe=Pme*Vh*Z*n/（30T）Pme為平均有效壓力（Mpa）；Vm為活塞的平均速度（m/s）；Vh為氣缸的工作容積（L）；Z為氣缸數(shù)；n

10、為轉(zhuǎn)速（r/min）；T為沖程數(shù)?？梢?，有效功率受到上面各參數(shù)的影響。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu)參數(shù)基本確定下來之后，影響有效功率的主要參數(shù)就是平均有效壓力。2、轉(zhuǎn)速（n）柴油機(jī)由于其混合氣形成速度和燃燒速度比較慢的原因，轉(zhuǎn)速不會太高。轉(zhuǎn)速在1000r/min以上為高速，6001000r/min為中速，600r/min以下為低速。提高內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速可以使功率提高，因而使單位功率的體積減小、重量輕。但是轉(zhuǎn)速提高會導(dǎo)致一系列的問題，比如慣性力增加，導(dǎo)致機(jī)械負(fù)荷增加，平衡、振動問題突出，噪聲增加；工作頻率增加，導(dǎo)致活塞、氣缸蓋、氣缸套、排氣門等零件的熱負(fù)荷增加；摩擦損失增加，機(jī)械效率下降，燃油消耗率增加，磨損壽

11、命變短；進(jìn)排氣系統(tǒng)阻力增加，充氣效率下降等。表1-1 各種用途的內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速范圍 【單位：（r/min）】（內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)袁兆成主編）用途柴 油 機(jī) 汽 油 機(jī)汽車1500500025006500工程機(jī)械與拖拉機(jī) 1500280020003600內(nèi)燃機(jī)車、發(fā)電機(jī)組900150028003600摩托車、摩托艇500010000中小型農(nóng)用機(jī)械1200300030006000船舶（高速）1000200015002500船舶（低速）3008503、最大扭矩Memax和最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速實(shí)際上內(nèi)燃機(jī)給出的轉(zhuǎn)矩指標(biāo)都是最大扭矩。最大扭矩對應(yīng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速就是最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速。§ 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)主要指

12、燃油消耗率指標(biāo)，即每千瓦小時(shí)的燃料的消耗重量。對于固定工況使用的柴油機(jī)是指標(biāo)定功率時(shí)上網(wǎng)燃油消耗率。對變工況的柴油機(jī)，則一般是指外特性曲線上的最低油耗率。比如，某內(nèi)燃機(jī)的最低油耗率，則是指萬有特性上的最低油耗率。當(dāng)然，萬有特性上低油耗區(qū)越寬廣，則變工況使用的經(jīng)濟(jì)性就越好。1、 燃油消耗率ge【（g/（kw*h）】降低ge的措施主要有指示效率和機(jī)械效率。一般車用柴油機(jī)的燃油消耗率為250380 g/（kw*h）。柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性是內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)師和使用者永遠(yuǎn)追求的目標(biāo)。2、 機(jī)油消耗率gm【（g/（kw*h）】機(jī)油的價(jià)格遠(yuǎn)高于燃料油，希望使用中的消耗量盡量減少，而且要求在兩個(gè)保養(yǎng)期之間不要添加機(jī)油，一

13、般車用柴油機(jī)機(jī)油消耗率為1.32.6g/（kw*h）。§ 可靠性和耐久性指標(biāo)1、 可靠性可靠性是指在規(guī)定的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，具有持續(xù)工作，不會因?yàn)楣收隙绊懻＿\(yùn)轉(zhuǎn)的能力。對于可靠性的內(nèi)燃機(jī)應(yīng)在保證期內(nèi)不發(fā)生停車故障和需要更換主要或非主要零件的故障。2、 耐久性耐久性是指從開始使用起到大修期的時(shí)間。內(nèi)燃機(jī)的大修期一般決定于缸套和曲軸磨損到達(dá)極限尺寸的時(shí)間（小時(shí)數(shù)），此時(shí)內(nèi)燃機(jī)不能繼續(xù)正常工作，使用中的對外表現(xiàn)通常為：內(nèi)燃機(jī)啟動困難甚至無法啟動、排氣冒藍(lán)煙、機(jī)油消耗量明顯加大、動力性明顯下降、內(nèi)燃機(jī)工作噪聲變大等。§ 重量和外形尺寸指標(biāo)質(zhì)量、外形尺寸是評價(jià)設(shè)計(jì)的緊湊性

14、和金屬利用程度的指標(biāo)。不同用途的內(nèi)燃機(jī)對質(zhì)量和外形尺寸指標(biāo)的要求不盡相同。比如汽車發(fā)動機(jī)要求質(zhì)量和外形尺寸都要小，而工程機(jī)械和拖拉機(jī)則可稍大一些。不管怎么樣，設(shè)計(jì)緊湊、質(zhì)量輕總是內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)者追求的目標(biāo)。衡量內(nèi)燃機(jī)質(zhì)量的指標(biāo)是比質(zhì)量（kg/kw）：m/Pe。柴油機(jī)得比質(zhì)量范圍為：表1-3內(nèi)燃機(jī)得比質(zhì)量范圍（內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)袁兆成主編） 用 途 柴 油 機(jī) 的 比 質(zhì) 量（kg/kw）汽 車 用46小 型 農(nóng) 用單缸1626 多缸5.516 工 程 機(jī) 械 用 47機(jī) 車3.47.5船 用13.519衡量柴油機(jī)外形尺寸緊湊性的指標(biāo)是體積功率（千瓦每立方米）：Pv=Pe/V。§ 低公害指標(biāo)1、

15、噪聲內(nèi)燃機(jī)的噪聲主要來自燃燒噪聲、氣體流動噪聲和機(jī)械噪聲三個(gè)方面。內(nèi)燃機(jī)的噪聲大小用聲壓級Lp（dB）來表示，一般還要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行各種計(jì)權(quán)處理，仿照人耳的聽力，一般采用A計(jì)權(quán)。在噪聲數(shù)據(jù)上所見到的噪聲單位多為dBA或者dB(A)。燃燒噪聲主要取決于缸內(nèi)氣壓的壓力升高率。一切有利于縮短滯燃期和減少該期間燃油注入量的措施，都有利于降低燃燒噪聲，比如增壓、分段噴射、推遲噴油提前和減少點(diǎn)火提前角等。降低壓縮比也是很常見的效的措施，一般與增壓同時(shí)采用，否則會降低柴油機(jī)的動力性。氣體流動噪聲主要通過進(jìn)排氣消聲器來控制。機(jī)械噪聲主要是通過合理設(shè)計(jì)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)參數(shù)和合理控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來達(dá)到控制目的。2、 有害氣體

16、的排放汽車的排放，就是內(nèi)燃機(jī)的排放，說到對于環(huán)境和空氣的污染，實(shí)際上是內(nèi)燃機(jī)的排放污染。目前全世界對汽車的污染問題都十分重視。在設(shè)計(jì)柴油機(jī)時(shí)，尤其是車用柴油機(jī)時(shí)，一定要根據(jù)本地實(shí)行的法規(guī)制定合適的設(shè)計(jì)方案。§2.3 3105柴油機(jī)主要參數(shù)的選擇§ 柴油機(jī)的設(shè)計(jì)要求內(nèi)燃機(jī)首先要求好用，能滿足各種性能的要求，同時(shí)也要求使用方便（操縱性好、起動性好），好修和好造。對冷起動而言，要迅速可靠。對于船用、固定式及機(jī)車柴油機(jī)一般要求在-5以上環(huán)境溫度下能夠順利起動。對于汽車、拖拉機(jī)、中小型移動電站及農(nóng)用柴油機(jī)則要求在-5甚至更低的氣溫條件下，不附加任何輔助裝置能夠順利起動。對于汽車、拖拉

17、機(jī)、工程機(jī)械和農(nóng)用內(nèi)燃機(jī)，所有的要求可概括為：（1） 高的動力性能 功率、轉(zhuǎn)矩、使用轉(zhuǎn)速范圍，均適用于工作機(jī)械的需要。（2） 高的燃料經(jīng)濟(jì)性 汽車發(fā)動機(jī)還必須注意部分負(fù)荷和不穩(wěn)定工況下的經(jīng)濟(jì)性，還要求燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)盡可能寬，這在混合動力中尤為重要。（3） 高的工作可靠性和足夠的使用壽命 （4） 對于汽車內(nèi)燃機(jī)，還要求盡量低的振動和噪聲§ 3105柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)一、 平均有效壓力Pme 平均有效壓力Pme是標(biāo)志內(nèi)燃機(jī)整個(gè)工作過程的有效性和內(nèi)燃機(jī)制造完善性的指標(biāo)之一。平均有效壓力Pme與燃料的種類、燃燒和換氣的質(zhì)量、進(jìn)氣溫度和壓力以及機(jī)械效率等有關(guān)。平均有效壓力Pme與充氣效率，指示熱效

18、率和過量空氣系數(shù)之比有關(guān)、機(jī)械效率成正比，當(dāng)然也與是否增壓直接有關(guān)。二、 活塞的平均速度VmVm是表征發(fā)動機(jī)強(qiáng)化程度的主要參數(shù)。Vm=2*s*n/60=s*n/30式中，s為活塞的行程（mm）；n為發(fā)動機(jī)得轉(zhuǎn)速（r/min）。在結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，Vm提高，實(shí)際上就是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高，可以使內(nèi)燃機(jī)功率增加，但是Vm會帶來許多的副作用，例如，摩擦損失增加、機(jī)械效率下降、熱負(fù)荷增加，慣性力增加、震動加劇、壽命降低，進(jìn)排氣流速增加、充氣效率下降等。一般情況下，對柴油機(jī) Vm13m/s。三、 氣缸直徑D和氣缸數(shù)Z車用柴油機(jī)的氣缸直徑D在80160mm之間，機(jī)車和船用柴油機(jī)的氣缸直徑根據(jù)需要可以做的很大

19、，但是速度隨著氣缸的直徑的增加要降低，否則會產(chǎn)生很大的慣性力。 氣缸數(shù)Z與氣缸直徑D、轉(zhuǎn)速n有著密切的聯(lián)系，在同樣功率要求下，氣缸數(shù)越多，氣缸直徑就可以縮小，轉(zhuǎn)速就可以繼續(xù)提高。氣缸數(shù)增加，平均有效壓力線性提高，發(fā)動機(jī)長度增加，平衡性改善，通過增加氣缸數(shù)是比較好的提高內(nèi)燃機(jī)功率的辦法。四、 行程S行程S增加，可以提高平均有效壓力，但是在氣缸直徑不變的情況下，S的增加即行程缸徑比S/D增加，導(dǎo)致活塞普年均速度Vm增加，有磨損加速、壽命降低等問題。一般S的變化主要用于：（1） 調(diào)節(jié)整機(jī)排量 Vh*Z=*D*D*S*Z/4（2） 調(diào)節(jié)耐久性 減小行程S，即降低S/D，可以減小側(cè)鄉(xiāng)力和 Vm，減小磨損

20、。（3） 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩值 MFt*r=Ft*S/2 式中，F(xiàn)t為切向力。§ 基本尺寸的確定氣缸蓋的基本尺寸一般參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定最后用實(shí)驗(yàn)的方法確定。（1）高度 氣缸蓋的高度影響剛度、強(qiáng)度、和冷卻效果以及氣墊的密封性，螺栓的應(yīng)力和氣缸蓋的安裝應(yīng)力。 H =（0.91.2）D，視燃燒室形式、氣道布置、水套布置而定。對于3105柴油機(jī)：D=105mm，H=（0.91.2）D=94.5126mm 取H=95mm。（2）底面厚度 氣缸蓋的底面厚度與缸徑和柴油機(jī)強(qiáng)化程度密切相關(guān)，它影響著柴油機(jī)工作的可靠性。一般底面厚度為10mm15mm，以保證氣缸蓋有足夠的抗彎剛度和強(qiáng)度。對于3105柴油機(jī)：取底

21、面厚度為10mm。第三章 3105柴油機(jī)氣缸蓋的設(shè)計(jì)§3.1 概述及設(shè)計(jì)要求氣缸蓋的作用是密封氣體，并與活塞共同形成燃燒空間；氣缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常布置了進(jìn)，排氣道和為了潤滑裝在汽缸蓋上配氣機(jī)構(gòu)零件的機(jī)油孔道等。在水冷式發(fā)動機(jī)中，氣缸蓋上設(shè)有冷卻水道，而在風(fēng)冷式內(nèi)燃機(jī)中，氣缸蓋設(shè)有散熱片。同時(shí)，在氣缸蓋上還裝有噴油器，或電火花塞，進(jìn)排氣管和氣門及其傳動件等。它承受著螺栓預(yù)緊力和燃燒室，內(nèi)燃燒壓力的作用，同時(shí)氣缸蓋燃燒室與排氣門附近，受到高溫作用，而水腔又受到強(qiáng)烈冷卻，進(jìn)氣道流過冷空氣，各個(gè)部位溫度很不均勻，容易產(chǎn)生熱應(yīng)力，反復(fù)作用往往形成熱疲勞裂紋。這些裂紋通常出現(xiàn)在氣門座和火花塞之間

22、，特別是鼻梁區(qū)，再加上鑄造殘余應(yīng)力也大，因此氣缸蓋工作狀況的好壞，對汽油機(jī)工作性能和可靠性有著重大影響。同時(shí)，氣缸蓋受熱時(shí)候引起的變形如果過大，會影響與氣缸的接合面和氣門座接合面的 密封，加速氣門座的磨損，產(chǎn)生氣門桿“咬死”，甚至造成漏氣，漏水和漏油等現(xiàn)象，使內(nèi)燃機(jī)無法工作。氣缸蓋的設(shè)計(jì)對整個(gè)柴油機(jī)的設(shè)計(jì)有著至關(guān)重要的作用，它關(guān)系到整個(gè)機(jī)器的高度和長度；同時(shí)也關(guān)系到部分零件的設(shè)計(jì)，比如，氣門導(dǎo)桿，氣缸蓋罩、挺桿的設(shè)計(jì)。對配氣機(jī)構(gòu)、噴油器及螺栓等零部件的布置，要考慮調(diào)整與維修的方便。另外，氣缸蓋的形狀盡可能簡單、對稱，在拐角處圓角過度要平滑，各處相連壁厚不宜相差過大。實(shí)際上，氣缸蓋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀

23、和結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)要優(yōu)先考慮內(nèi)部氣道、燃燒室、噴油器或火花塞、氣門等功能部件的布置，然后在保證壁厚均勻、受力均勻、剛度足夠的條件下考慮內(nèi)部冷卻水套的布置。氣缸蓋的設(shè)計(jì)要求： 1）氣缸蓋應(yīng)根據(jù)混合氣形成和燃燒方式布置出合理的燃燒室、氣門和性能良好的氣道，力求使發(fā)動機(jī)性能良好。 2）氣缸蓋各部分溫度應(yīng)盡可能均勻分布，工作溫度應(yīng)不超過其材料的臨界溫度，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)均有足夠的強(qiáng)度。 3）氣缸蓋散熱片表面積的大小應(yīng)與散出的熱量相適應(yīng)。 4）發(fā)動機(jī)工作時(shí)，氣缸蓋不發(fā)生變形。5）氣缸蓋應(yīng)有良好的工藝性。§3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)§ 氣缸蓋結(jié)構(gòu)形式選擇水冷式內(nèi)燃機(jī)的氣缸蓋有整體式、分塊

24、式和單體式三種。但氣缸直徑D105mm時(shí)，一般多用整體式氣缸蓋，因?yàn)樗牧慵?，結(jié)構(gòu)緊湊，制造成本低。如果選用單體式氣缸蓋在結(jié)構(gòu)上就比較困難，因?yàn)楦鞑糠直诤衽c泥芯截面尺寸受到造型和澆注條件的限制而不能按缸徑比例縮小，這樣就不能在保證有適當(dāng)?shù)谋诤窈托托境叽绲臈l件下得到既有足夠的氣道面積又有先進(jìn)的氣缸中心距。當(dāng)D140mm時(shí)，一般都用單體式（一缸一蓋）氣缸蓋。這樣可以使鑄造廢品率降低，尤其供給同一系列而缸數(shù)不同的內(nèi)燃機(jī)通用，便于組織系列化的批量生產(chǎn)，降低制造成本，且維修方便。當(dāng)125mmD140mm時(shí)，采用單體式、整體式和分塊式（每兩缸或三缸一蓋）或兼而有之。§結(jié)構(gòu)工藝性 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，

25、除了滿足產(chǎn)品的使用性能要求之外，還要滿足它的結(jié)構(gòu)工藝性，否則將影響零件的生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性，甚至無法生產(chǎn)。我們要保證產(chǎn)品在滿足使用要求的前提下，能以高的生產(chǎn)率，最少的勞動量及材料消耗，以最低的成本制造出來。零件結(jié)構(gòu)要素標(biāo)準(zhǔn)化，是指螺紋等應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。零件結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化了，不僅簡化了設(shè)計(jì)工作，也減少了工藝裝備的規(guī)格，還由于不需要專門的工藝裝備而縮短了零件的生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，降低了制造成本。盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件和通用件，比如缸蓋上的噴油器。這樣可以減少產(chǎn)品中零件的種類，擴(kuò)大了零件制造批量等。盡量采用同樣的標(biāo)準(zhǔn)件，減少刀具和量具的種類，簡化工藝過程，降低缸蓋的制造成本零件的結(jié)構(gòu)要有可靠的定位面和加緊

26、表面，要易于保證零件的加工。盡量保證缸蓋的安裝次數(shù)和加工次數(shù)，盡量減少缸蓋的加工表面，要保證刀具能夠正常工作，不能因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工藝而損壞刀具。結(jié)構(gòu)工藝性應(yīng)滿足缸蓋在裝配的過程中零件間的相互位置關(guān)系。缸蓋的尺寸應(yīng)滿足總的裝配精度要求；應(yīng)使零件機(jī)械加工時(shí)便于安裝、調(diào)整和測量等。§ 氣門及氣道的布置（一） 氣門的布置方案氣門數(shù)目是氣缸蓋設(shè)計(jì)中的重要因素之一。雖然氣缸蓋有多種氣門結(jié)構(gòu)形式，但目前多采用2、4氣門氣缸蓋的結(jié)構(gòu)形式。對于D135mm的小型或低增壓型高速柴油機(jī)，宜選用2氣門氣缸蓋的結(jié)構(gòu)；對于D135mm對于大中型高速、高增壓柴油機(jī)一般選用4氣門氣缸蓋形式。3105柴油機(jī)采用2氣門布置。

27、因?yàn)?氣門布置結(jié)構(gòu)簡單，零件少，氣道布置方便。工藝性好，成本低。噴油器為斜裝或側(cè)裝與偏離氣缸中心線的位置，使取得較大的直徑使得多進(jìn)氣。（二） 氣道的布置方案根據(jù)氣門數(shù)目、直徑、氣門座外徑和柴油機(jī)用途及其總體布置，恰當(dāng)?shù)剡x擇氣道方案，要盡量滿足一下要求：1、氣門傳動機(jī)構(gòu)簡單，氣道形狀和金屬分布要合理。2、設(shè)計(jì)時(shí)，要分析進(jìn)、排氣道同側(cè)或異側(cè)的優(yōu)缺點(diǎn)。 3、氣道流動阻力要小，氣道截面積不應(yīng)有突變。 4、不采用相鄰2缸共用一進(jìn)氣道或排氣道。排氣道要短。3105柴油機(jī)采取進(jìn)、排氣道布置為異側(cè)的方案，因?yàn)檫@樣可避免進(jìn)氣管受到排氣管預(yù)熱的影響，使進(jìn)入缸內(nèi)的氣體的量增多，從而提高發(fā)動機(jī)的性能。圖3-1為310

28、5柴油機(jī)氣道布置方案這樣布置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)布置均勻，搖臂機(jī)構(gòu)布置較好；噴油泵在進(jìn)氣管一側(cè)，凸輪軸布置與排氣管一側(cè)，維修方便，噴油器為斜裝，可增大氣門直徑。§ 缸蓋螺栓的布置氣缸蓋螺栓數(shù)量及布置方案，與氣缸蓋結(jié)構(gòu)形式、氣道、水孔、推桿孔位置及缸心距有關(guān)。它影響著柴油機(jī)設(shè)計(jì)的緊湊性和氣缸墊的密封性，同時(shí)也與柴油機(jī)得性能、可靠性和壽命有關(guān)。氣缸蓋螺栓數(shù)量和布置有多種方案。一般柴油機(jī)每缸螺栓數(shù)量為48個(gè)，單體式氣缸蓋螺栓較多，整體式氣缸蓋螺栓較少。小型或強(qiáng)化程度不高的柴油機(jī)，一般采用每缸4個(gè)螺栓，多數(shù)采用56個(gè)，強(qiáng)化程度較高時(shí)可取78個(gè)。螺栓間距最好均勻分布，但不宜過大，進(jìn)可能取小些，同時(shí)螺栓

29、應(yīng)盡可能靠近氣缸邊。每缸的螺栓總預(yù)緊力應(yīng)大于最高爆發(fā)壓力。布置螺栓時(shí)要留有足夠的套筒扳手活動的余地，螺栓的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能采用柔性螺栓，同時(shí)螺栓宜采用一種直徑，必要時(shí)可采用兩種直徑。圖3-2 3105柴油機(jī)缸蓋螺栓的布置§ 冷卻水道的布置氣缸蓋的溫度分布很不均勻，因此，對高熱區(qū)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆椒?，?yōu)先集中冷卻。對于中小型高速柴油機(jī)氣缸蓋，多采用鉆孔、導(dǎo)流板或鑄管等對鼻梁區(qū)、噴油器或燃燒室進(jìn)行噴水冷卻。以鉆孔方法進(jìn)行冷卻較好。應(yīng)該合理選擇冷卻水孔的布置、水流動方式和進(jìn)出水孔尺寸。一般進(jìn)水孔位置，宜靠近高熱區(qū)。排氣道處應(yīng)有進(jìn)水孔。對局部高熱區(qū)（如氣門座、噴油器或燃燒室三角地帶）以噴水管或隔板引

30、水冷卻；對于整體式氣缸蓋水孔的布置可以設(shè)置倒流擋板，已保證冷卻水的分布和集中冷卻，力求避免短路流出；設(shè)置擋板時(shí)，為避免形成蒸汽阻滯而產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象，在擋板死角處一般應(yīng)設(shè)有排蒸汽小孔；水孔布置時(shí)，要配合冷卻系統(tǒng)型式和布置方案，氣缸蓋到蒸發(fā)箱之間，水孔宜大，以便于冷卻水的對流和蒸汽的排出。出水孔布置的原則;（1）一般直列式柴油機(jī)氣缸蓋出水孔在排氣道一側(cè)；（2）V型柴油機(jī)氣缸蓋出水孔應(yīng)布置在最高點(diǎn)上。冷卻水流動方式取決于氣缸蓋結(jié)構(gòu)與柴油機(jī)負(fù)荷的大小。進(jìn)出水孔的尺寸、數(shù)目和位置，要以經(jīng)驗(yàn)作為參考。進(jìn)入氣缸蓋的冷卻水應(yīng)分布于其四周，燃燒室（或噴油器）、排氣道下部的進(jìn)水孔應(yīng)大一些。一般進(jìn)水孔為每缸48個(gè)

31、，多的超過10個(gè)。其頂面出水孔一般每缸12個(gè)。整體式氣缸蓋出水孔多在前后兩端。出水孔與進(jìn)水孔總截面積比，中小型柴油機(jī)一般為0.81.2。§3.3 材料的選擇氣缸蓋的材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)熱性和耐熱性，在高溫時(shí)能保持必要的強(qiáng)度。 氣缸蓋材料的選擇，通常要滿足以下要求：1、 取材容易，價(jià)格低廉，適合大浪生產(chǎn)，有良好的耐熱強(qiáng)度、鑄造性以及導(dǎo)熱和耐磨性。熱膨脹小，變形小，能承受交變熱應(yīng)力。2、 普通鑄鐵價(jià)格低廉，澆注性好，延伸率小。片狀石墨灰鑄鐵為氣缸蓋的理想材料。缺點(diǎn)是導(dǎo)熱性差，熱強(qiáng)度稍差。目前各種類型柴油機(jī)廣泛采用鑄鐵氣缸蓋。3、 目前高速、大功率、機(jī)車和增壓柴油機(jī)氣缸蓋，多采用片狀石墨灰鑄

32、鐵，并添加Mo、Cr、Cu、Ni等合金元素，以增加材料耐高溫強(qiáng)度和耐磨性。4、 鑄鋼的熱強(qiáng)度較高，焊接性較好。缺點(diǎn)是澆注流動性差，成本高，不宜用于形狀復(fù)雜的中小型柴油機(jī)氣缸蓋，適用于大功率中速柴油機(jī)氣缸蓋。鑄鍛焊接氣缸蓋。成本高，有時(shí)用于高負(fù)荷中速柴油機(jī)氣缸蓋。5、 鋁合金有良好的導(dǎo)熱性和澆注性，重量比鋼和鑄鐵氣缸蓋輕一半。其缺點(diǎn)為熱強(qiáng)度低，變形大，成本稍貴，多用于輕型高速柴油機(jī)氣缸蓋。綜上所述，3105柴油機(jī)氣缸蓋的材料采用灰鑄鐵。第四章 熱力計(jì)算§4.1 熱力計(jì)算的意義氣缸蓋形狀復(fù)雜，受力也復(fù)雜，產(chǎn)生彎曲應(yīng)力、拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和熱應(yīng)力，要進(jìn)行精確的強(qiáng)度計(jì)算和分析較為困難，通常用簡單

33、的估算和核算。對氣缸蓋進(jìn)行熱力計(jì)算，然后判斷這個(gè)結(jié)果是否滿足以往的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，如果不滿足可以進(jìn)行修改，直到滿足為止。這樣即節(jié)省了大量的時(shí)間和資金，避免了勞動力的大量浪費(fèi)，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率。進(jìn)行熱力計(jì)算后，保證了發(fā)動機(jī)的足夠的剛度和強(qiáng)度，使工作變形小、密封性好，同時(shí)也使它的工藝性良好，溫度場也比較均勻進(jìn)而使熱應(yīng)力盡可能地減小，盡量地避免熱裂現(xiàn)象，從而保證了發(fā)動機(jī)的工作性能。§4.2 熱力計(jì)算的過程1熱力計(jì)算用參數(shù)參考：轉(zhuǎn)速：2600氣缸直徑：105活塞行程：110工作容積：Vh0.952L余隙容積Vc=Vh/（-1）=0.056L壓縮比：18大氣壓力：P00.1MPa大氣溫度：T030

34、0K燃料低熱值：Hu43995 kJ/kg燃料重量成份：C0.86H=0.13O=0.01過量空氣系數(shù)：1.4進(jìn)氣終點(diǎn)壓力：0.088MPa排氣終點(diǎn)壓力：0.108MPa排氣終點(diǎn)溫度：=800新鮮充量溫升：20最高燃燒壓力：8MPa熱量利用系數(shù)：0.70示功圖豐滿系數(shù)：n0.94機(jī)械效率：0.80平均壓縮多變指數(shù)：1.38平均膨脹多變指數(shù)：1.21殘余廢氣系數(shù)：0.02312燃料熱化學(xué)計(jì)算（1）理論所需空氣量 （2）新鮮空氣量（3）理論上完全燃燒（）時(shí)的燃燒產(chǎn)分量 （4）當(dāng)時(shí)的多余空氣量為 （5）燃燒產(chǎn)物總量 （6）理論分子變更系數(shù) （7）實(shí)際分子變更系數(shù) 3換氣過程參數(shù)的計(jì)算（1）取Pa0.

35、88P0，則進(jìn)氣終點(diǎn)壓力為Pa=0.088MPa（2）取進(jìn)氣加熱溫升，則進(jìn)氣終點(diǎn)溫度Ta為 K （3）充氣效率 4壓縮過程的計(jì)算（1）選取平均多變壓縮指數(shù)n1=1.38；（2）壓縮過程中任意點(diǎn)x的壓力 MPa式中 x點(diǎn)的氣缸容積，它等于 其中 為x點(diǎn)從上止點(diǎn)算起的曲線轉(zhuǎn)角；。 可以取數(shù)個(gè)x點(diǎn)，求出和，在繪制示功圖時(shí)用以畫出壓縮線。（3）壓縮終點(diǎn)壓力Pc和溫度Tc （4）壓力升高比 5燃燒過程的計(jì)算（1）壓縮終點(diǎn)的空氣平均等容比熱，在時(shí), ;在時(shí), ;則在時(shí)，利用插值法得，于是 （2）壓縮終點(diǎn)的殘余廢氣平均等容比熱，在，時(shí)的，所以 （3）壓縮終點(diǎn)的混合氣平均等容比熱 （4）燃燒終點(diǎn)的溫度，根據(jù)式

36、 將已知數(shù)值代入 先估計(jì)一值，查出。并算出，視其數(shù)值與9906.54是否相符，然后按其差值再選另一，如此逐步試算，直至求得一值和其相應(yīng)的乘積等于9906.54為止。照此方法求得燃燒終點(diǎn)溫度。 1988 （5）初期膨脹比 6膨脹過程的計(jì)算（1）后期膨脹比 （2）選取平均多變膨脹指數(shù)n21.21（3）膨脹過程任意點(diǎn)x的壓力Pbx 式中 x點(diǎn)的氣缸容積，求法與前述同。在求得數(shù)個(gè)x點(diǎn)的和值后，即可畫出示功圖的膨脹線 。如圖1。圖4-1 P-圖用Execl計(jì)算的結(jié)果如下：曲軸轉(zhuǎn)角余隙容積工作容積缸內(nèi)容積壓縮壓力膨脹壓力X/°Vc/LVs/LVcx/LPcx/MpaPbx/Mpa-1800.05

37、60.9520091.0080090.678429-1700.0560.9427120.9987120.759764-1600.0560.915290.971290.853778-1500.0560.8711140.9271140.962586-1400.0560.8123470.8683471.088585-1300.0560.7417830.7977831.234421-1200.0560.6626390.7186391.402905-1100.0560.5783290.6343291.596835-1000.0560.4922370.5482371.818674-900.0560.407

38、5150.4635152.070034-800.0560.3269220.3829222.350903-700.0560.2527230.3087232.658603-600.0560.1866350.2426352.986528-500.0560.1298430.1858433.322928-400.0560.0830660.1390663.650196-300.0560.046650.102653.945365-200.0560.0206950.0766954.182455-100.0560.0051660.0611664.33679400.05600.0564.390438100.0560.0051660.06116612.36082200.0560.0206950.0766959.316024300.0560.