1、 车辆与动力工程学院毕业设计说明书- 1 -480 柴油机气缸盖设计毕业设计说明书车辆与动力工程学院毕业设计说明书- 2 -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
2、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
3、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 0.35 以上，最低燃油耗可达到车辆与动力工程学院毕业设计说明书- 3 -198g/kWh，标定功率油耗可达到 204g/kWh；出于
4、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
5、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
6、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。1.2 我国柴油机技术的发展车辆与动力工程学院毕业设计说明书- 4 -我国柴油机产业起步相对较晚，但是自 20
7、 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
8、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
9、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。车辆与动力工程学院毕业设计说明书- 5 -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
10、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
11、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
12、油机需有良好的过滤空车辆与动力工程学院毕业设计说明书- 6 -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。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 、活塞平均速度 、缸径 D
13、和mepmC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（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 3400 r/min。所以只是需要对平均有效压力 ，mep活塞的平均速度 ,行程与缸径的比值以及气缸中心距等的确定。mC2.2.1 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
14、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，从而获得车辆与动力工程学院毕业设计说明书- 7 -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
15、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。2.2.2 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
16、关。 越高，发动机功率也越大。根据e（摘自内燃机原理公式 2-20） 可知，合理组织燃烧过sauetcmeTlHp0485.3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et c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MPae0.17,个别强化机型可达 2。本次设计机型为非增压柴油机。MPapme5.1902.0a可由下式求出：（摘自内燃机原理公niVpseme30654.34.式 2-13） 。2.2.3 活塞平均速
17、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车辆与动力工程学院毕业设计说明书- 8 -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mC m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
18、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mCmC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， 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
19、经确定，本次设计活塞平均速度 可由公式算出：S mCsnm /75.91034861033可见此次设计符合上述要求。2.2.4 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，活塞车辆与动力工程学院毕业设计说明书- 9 -在上止点时曲柄不与缸套相碰；连杆在
20、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1/3.2，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 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 =0.269。2.2.5 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
21、，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 17.522增压柴油机 11.516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。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，
22、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、承受很高的热负荷车辆与动力工程学院毕业设计说明书- 10 -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
23、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。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；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；
