1、 江苏大学 2015 届毕业设计汽车与交通工程学院School of Automotive and Traffic Engineering本 科 毕 业 设 计CY4100ZLQ 柴油机缸盖设计计算The Design and Calculation of Cylinder Head of CY4100ZLQ Diesel Engine学院名称： 专业班级： 学生姓名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 2015 年 6 月江苏大学 2015 届毕业设计目 录摘要 .IAbstract.II第一章 绪论 .11.1 内燃机气缸盖的研究及发展现状 .11.2 所要解决的问题和注意事项 .2第二章
2、CY4100 柴油机的设计参数 .32.1 主要技术指标 .32.2 整机技术规格 .3第三章 气缸盖的设计 .43.1 气缸盖的工作条件 .43.2 气缸盖的设计要求 .53.3 气缸盖材料的选择 .53.4 气缸盖结构设计 .93.5 气缸盖基本尺寸的确定 .16第四章 曲柄连杆机构的动力学计算 .194.1 参数选择 .194.2 设计计算及说明 .20第五章 气缸盖的热力计算 .265.1 参数选择 .265.2 燃料热化学计算 .275.3 燃烧过程的热力计算 .28总结 .31致谢 .32参考文献 .33江苏大学 2015 届毕业设计摘要柴油机以其较高的热效率、扭矩特性和可靠性被广
3、泛用作船舶、固定式装备及各种车辆。随着世界范围内燃油价格的持续升高和公众环保意识的提高，经济性优越和低污染的直喷式柴油机尤其受到越来越多用户的青睐。随着人们对柴油机要求的不断提高，发动机设计者们开始做大量细致的工作，以期在不牺牲其它指标的情况下达到提高功率，减少外形尺寸，增加使用寿命和降低制造成本的目的。这就对柴油机中的气缸盖的设计提出了更高的要求。本文通过参考柴油机设计手册，进行 CY4100 柴油机缸盖的设计计算。然后运用 Autocad 软件对其进行绘图。运用 Excel 软件进行活塞运动规律计算，在此基础上进行强度校核，同时，对气缸盖材料的选择、冷却水道的布置、进排气道以及缸盖螺栓的布
4、置等问题进行了讨论，以满足现代高速发动机的要求。关键词：柴油机，气缸盖，设计，强度校核江苏大学 2015 届毕业设计IAbstractDiesel engine with its higher thermal efficiency and torque characteristics and reliability are widely used in ships, fixed equipments and a variety of vehicles. With the worldwide rise in fuel price and the continued improvement of
5、public awareness of environmental protection, direct injection diesel engine with its economy and superior low-pollution is favored by more and more customers. As the requirements for the continuous improvement of diesel engine, engine designers have begun to do a lot of painstaking work, with a obj
6、ect that without sacrificing other indicators to improve power, decrease size, increase service life and reduce manufacturing costs. This makes a higher demand on the design of cylinder head of diesel engine.In this paper,the cylinder head of CY4100 Diesel engine has been designed reference to “Dies
7、el Engine Design Manual“.Then the Autocad software was used for drawing. The Excel software was used to calculate the regularity of the moving parts of pistons.On this basis items,the moving parts strength has been verified.Meanwhile the cylinder head material selection,the cooling channel collocati
8、on,collocations of intake port and exhaust port and the cylinder head bolts arrangement were also discussed to meet the requirements of modern high-speed engine.Key words：Diesel Engine,Cylinder Head,Design,Strength Verify江苏大学 2015 届毕业设计0第一章 绪论1.1 内燃机气缸盖的研究及发展现状目前,柴油机技术发展的重点是加快开发与配套主机更加适应的节能、节材和高可靠性的
9、新一代机型；现有产品提高可靠性和改善噪声、烟度等强制性指标是当务之急；直喷化、轻量化、适当强化和多缸化都是未来的发展方向。但只能根据经济形势发展逐步实现，还必须与主机的匹配性能提高、匹配合理化相结合，与配套主机的改进、提高及更新换代同步发展。对于缸盖的气道的研究。从充气效率分析，发动机动力性与充气效率成正比，进气排气对充气效率的影响是不同的，进气的影响更大。对于柴油机本身，要求进气要带有涡流，以保证正常的燃烧效果，但是在缸盖气道方面，充气效率和涡流比是相反的，提高涡流比就会使充气效率降低。在设计时，自然吸气式发动机进排气门直径合适比例为 1.2:1，并对低流阻的进气道和低流阻的排气道的结构进行
10、了分析。气缸盖燃烧室侧直接受到高温、高压燃气的作用。其结构复杂工况严酷，为了保证可靠性，对缸盖的承载机理做了研究。主要集中在：燃气爆发压力作用在气缸盖底板上时，机械载荷在气缸盖整体结构中的分布；气缸盖的底板作为气缸中直接承受燃气压力的机构区域，气缸内的爆发压力传递到气缸盖其他各结构部分的方式。主要研究部位为气道、气门导管座孔、中隔板和加强筋等。气门座圈和导管压入气缸盖后的精加工作为气缸盖机械加工的关键,其加工质量将直接影响气门的密封性,对整机性能及排放起着至关重要的作用。对气门座圈加工的定位、精加工工艺、刀具的结构形式、加工工艺对精度的影响做了分析。针对不相同的结构，用不同刀具加工，及对加工精
11、度的分析。针对不同的产品前景，对加工机床有这不同选择。提出了随刀具材料、结构形式的发展，对工艺的改进，精度提升，效率提高的展望。近年来，已开展的有关研究工作，主要集中于缸盖，冷却水腔等的三维造型设计，气道内气体流动的三维数值模拟计算以及建立完整的、以应用于实际江苏大学 2015 届毕业设计1工程设计为目的的 CAD 等，同时在其他方面也做了先期的预研究工作。1.2 所要解决的问题和注意事项在缸盖的设计与改进中，目前最主要的目标是优化冷却水的流动和提高结构的疲劳强度。缸盖不同位置处的冷却强度应根据不同位置处的温度和热流密度来确定，冷却不足则局部热负荷过高，由于过热容易产生裂纹等。冷却过度则不利于
12、发动机效率的提高和对有害气体排放物的控制。同时，冷却水腔的体积应在满足冷却要求的前提下尽可能地减小，以利于尽可能缩短暖机时间。通过优化冷却水腔结构，可控制关键部位的温度，以获得较均匀的温度分布，降低损失功率及散热量，从而提高零部件的可靠性及发动机的性能。在缸盖的设计与改进中，目前最主要的目标是优化冷却水的流动和提高结构的疲劳强度。缸盖不同位置处的冷却强度应根据不同位置处的温度和热流密度来确定，冷却不足则局部热负荷过高，由于过热容易产生裂纹等。冷却过度则不利于发动机效率的提高和对有害气体排放物的控制。同时，冷却水腔的体积应在满足冷却要求的前提下尽可能地减小，以利于尽可能缩短暖机时间。通过优化冷却
13、水腔结构，可控制关键部位的温度，以获得较均匀的温度分布，降低损失功率及散热量，从而提高零部件的可靠性及发动机的性能。缸盖上有进排气气道，水道等等。缸盖气道的性能影响着柴油机的动力性，根据自然吸气的特点，最大限度多进气，多排气，从结构上考虑，主要是气道的布置及结构能降低流动损失，同时不影响进气涡流的形成及质量。进气涡流的质量影响着燃烧室中可燃混合气的形成质量，进而影响燃烧质量，影响发动机的动力性。而进气涡流的性能会增大进气阻力损失。在缸盖上的“鼻梁区”是热负荷比较高的地方，应力比较集中。缸盖中水道的布置不仅仅要考虑水道结构对水的流动性的影响，保证水的正常循环，同时要注意对“鼻梁区”的冷却，避免“
14、鼻梁区”的破裂。水道的布置不仅要利于发动机的正常工作，还要能保证发动机的寿命。江苏大学 2015 届毕业设计2第二章 CY4100 柴油机的设计参数2.1 主要技术指标标定功率 kW 70标定转速 r/min 3200最大扭矩 N.m 235最大扭矩转速 r/min 18002000全负荷最低燃油消耗率 g/(kW.h) 220机油消耗率 g/(kW.h) 8.0排气烟度 FSN （型式认证）.2排气温度 （涡前）7最高空车稳定转速 r/min 360最低空载稳定转速 r/min 5机油消耗百分比 % .稳态调速率 % 1排放 欧2.2 整机技术规格型式 立式直列水冷四行程废气涡轮增压中冷气缸
15、数缸径行程 4100118mm气缸套 薄壁干式燃烧室形式 直接喷射四角形燃烧室压缩比 17.5:1活塞总排量 3.707L各缸工作顺序 1-3-4-2旋转方向(从飞轮端看) 逆时针起动方式 电起动停机方式 断油式润滑方式 压力润滑与飞溅润滑混合式江苏大学 2015 届毕业设计3冷却方式 强制循环闭式外形尺寸(长宽高) 791mm694mm755mm净重 340kg第三章 气缸盖的设计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
16、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爆发压力来衡量。由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、螺栓预紧力为了确保气缸的密封，气缸盖螺栓预紧力
17、要比最高爆发压力大得多。由预紧力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称为机械应力。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，而且还有气江苏大学 2015 届毕业设计4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
18、生裂纹。3.2 气缸盖的设计要求气缸盖的作用是密封汽缸，并与活塞共同形成燃烧空间，并承受燃烧气体的高温高压作用。为了保证可靠性能，因此必须具备下列要求：（1）气缸盖要有足够的强度和刚度，以保证工作时变形小，从而避免气门的磨损、气门杆咬死、气门密封失效等故障，同时缸盖变形与气缸接合面和气门座的接合面有良好的密封；（2）设计合理的气门（数目、大小）和进排气道，保证高充气效率，对直喷式燃烧室还要求有合适的进气涡流强度；（3）要组织好气缸盖的冷却，以防气缸盖温度过高以及温度分布不均产生热应力过大；（4）各个零部件及气门机构要拆装方便，结构力求简单，铸造工艺性良好，布置力求对称，壁厚尽量均匀；（5）气缸
19、盖螺栓孔的布置要合理。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，气门、燃烧室及喷油器在气缸盖中的布置以及气缸盖冷却措施的设计。3.3 气缸盖材料的选择3.3.1 选材的一般原则（ 1） 材 料 的 机 械 性 能在设计零件并进行选材时，应根据零件的工作条件和损坏形式找出所选材料的主要机械性能指标，这是零件经久耐用的先决条件。江苏大学 2015 届毕业设计5（ 2） 材 料 的 工 艺 性 能金属材料的基本加工方法有铸造、锻压、冲压、焊接、切削加工和热处理等。各种加工工艺均有其工艺性能要求。材料的工艺性能的好坏对零件加工生产有直接的影响。（
20、 3） 材 料 的 经 济 性 能在满足使用性能的前提下，选用零件的还应注意降低零件的总成本。一般来说，应优先选用价格低廉的材料。如尽可能选用碳素钢和灰铸铁，在难以满足要求时再选用合金钢、球墨铸铁、铸钢或其它材料。3.3.2 零件材料的选择由于零件的工作状态，工作零件条件的要求，因此零件的材料必须具有综合机械性能，耐高温、抗氧化性和组织稳定性等。根据查阅有关资料：缸盖材料通常选用铸铁，其详细介绍如下：（ 1） 灰 铸 铁灰铸铁的显微镜组织由金属机体（铁素体和珠光体）和片状石墨所组成，相当于在纯铁或钢的基础上嵌入了大量石墨片。因其中的碳主要从游离石墨形式存在，并成片段状，断口为灰色。由于片状石墨的存在破坏了基本的连续性，石墨尖端容易造成应力集中，所以灰铸铁的抗拉强度低，塑性和韧性差，属于脆性材料，不能锻造和冲压，并且焊接性能材料很差，不过其抗压强度受石墨的影响较小，但是灰铸铁铸造性能和切削性能优良。石墨的存在使其有如下优越性能：优良的减震性，耐磨性好，缺口敏感性小。a.铁的化学成分包括 C、Si、Mn、P、S 以及一些其他合金元素，各成分所占比重见下表 3-1（以 HT250 为例）。表 3-1 灰 铸 铁 HT250 的 主 要 化 学 成 分 及 所 占 比 重 （ %）C Si Mn P S
