Z398柴油機(jī)(氣缸蓋)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、車輛與動(dòng)力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)Z398柴油機(jī)設(shè)計(jì)（氣缸蓋）摘 要本文主要介紹Z398柴油機(jī)氣缸蓋的設(shè)計(jì)。在本次設(shè)計(jì)中，考慮到398柴油機(jī)主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的中小型機(jī)械，環(huán)境往往較為惡劣，需要內(nèi)燃機(jī)具有較好的動(dòng)力性能為農(nóng)機(jī)產(chǎn)品提供足夠的動(dòng)力。本次設(shè)計(jì)在398柴油機(jī)基礎(chǔ)上加大了活塞的工作行程，改球形燃燒室為W形燃燒室，使其動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性都有所提高。但由于工作行程的加大，平衡性變差，噪音與震動(dòng)加大，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其采取一定的措施。燃燒系統(tǒng)采用直噴型，易啟動(dòng)，節(jié)能效果明顯，可使經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性大大提高。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2800r/min左右，標(biāo)定功率約40kW，符合當(dāng)今低速汽車對(duì)轉(zhuǎn)速及功率的需求。通過(guò)參數(shù)及

2、工藝性能的控制可使燃油消耗率保持在250g/(kW·h)以內(nèi)。本文著重討論了氣缸蓋重要部位的設(shè)計(jì)要求及特點(diǎn)。本人主要任務(wù)是設(shè)計(jì)Z398柴油機(jī)的氣缸蓋，首先根據(jù)柴油機(jī)的性能指標(biāo)對(duì)柴油機(jī)主要的性能參數(shù)進(jìn)行了選擇。然后在參照398柴油機(jī)的氣缸蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在闡述氣缸蓋設(shè)計(jì)過(guò)程的同時(shí)也對(duì)主要零部件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)作了總結(jié)。本說(shuō)明書(shū)中重點(diǎn)論述了Z398柴油機(jī)氣缸蓋的設(shè)計(jì)依據(jù)與設(shè)計(jì)過(guò)程。同時(shí)，對(duì)氣缸蓋材料的選擇、冷卻水道的布置、進(jìn)排氣道的布置以及缸蓋螺栓的布置等問(wèn)題也進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞： 柴油機(jī)，氣缸蓋，冷卻水道，進(jìn)氣道，排氣道ITHE DESIGN OF Z398 DIESEL ENGINE

3、（CYLINDER HEAD）ABSTRACTThis paper mainly introduces the design of the Z398 diesel engine cylinder head. In this design, considering the Z398 diesel engines are mainly applied in small and medium-sized machinery, agricultural production environment is bad, need often has better performance for intern

4、al machinery products provide enough power. The Diesel Z398 which designed this time is on the basis of the old Diesel 398 and increasing the piston stroke, with its power performance and economical efficiency enhanced. However, because of the work itinerary increased, its balance became worse, nois

5、e and vibration also increased. So in this design, I have to take some certain measures. Combustion Chamber using injection type, easy to start, energy saving effect, and can make the efficiency and performance improved greatly. The engine speed is 2800r/min, about 40kW calibration power, speed and

6、the current low power of the car needs. Through the parameters and process performance control can make fuel consumption in 250g/(kW·h ).This paper discusses the design requirements and characteristics of the cylinder important parts。My main task is to design Z398 engine cylinder head. On the f

7、irst, according to the diesels performance target, I should to choose the main performance mark of the diesel. Then in the light of the design of 398 diesel cylinder head to design the structure. When explained the process of the cylinder head design, I also summarized the main parts. This thesis fo

8、cused on expounding the foundation and process of the Z398 diesel engine cylinder head design. Meanwhile, the cylinder head material selection, the cooling channel, intake, exhaust and the cylinder head bolts, arrangement also were discussed.KEY WORDS： diesel engine, cylinder head , cooling channel,

9、 intake, exhaustIII目 錄第一章 前 言1§1.1 設(shè)計(jì)的依據(jù)與意義1§1.2 柴油機(jī)技術(shù)概述及發(fā)展趨勢(shì)2§1.2.1 概述2§1.2.2 柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)2§1.3 我國(guó)柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展4第二章 整體設(shè)計(jì)6§2.1 柴油機(jī)設(shè)計(jì)的總體要求6§2.1.1 內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)要求6§2.1.2 內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)工作中的“三化”6§2.2 柴油機(jī)的設(shè)計(jì)要求7§2.3 Z398柴油機(jī)簡(jiǎn)介8§2.4 柴油機(jī)主要零部件的設(shè)計(jì)9§2.4.1 活塞9§2.4.2 連桿10

10、§2.4.3 曲軸飛輪組10§2.4.4 氣缸蓋11§2.4.5 機(jī)體組11第三章 氣缸蓋設(shè)計(jì)13§3.1 氣缸蓋的工作條件13§3.2 氣缸蓋的設(shè)計(jì)要求14§3.3 氣缸蓋的材料15§3.4 氣缸蓋結(jié)構(gòu)形式的選擇16§3.5 氣缸蓋主要尺寸的確定17§3.6 進(jìn)、排氣道的設(shè)計(jì)17§3.7 冷卻水道的設(shè)計(jì)19§3.8 氣缸蓋螺栓的布置20第四章 熱力計(jì)算22§4.1 熱力計(jì)算的意義22§4.2 熱力計(jì)算的過(guò)程1622§4.2.1 熱力計(jì)算所用參數(shù)參考22&

11、#167;4.2.2 燃料熱化學(xué)計(jì)算23§4.2.3 換氣過(guò)程參數(shù)的計(jì)算24§4.2.4 壓縮過(guò)程的計(jì)算25§4.2.5 燃燒過(guò)程的計(jì)算25§4.2.6 膨脹過(guò)程的計(jì)算26§4.2.7 指示性能參數(shù)的計(jì)算27§4.2.8 有效性能參數(shù)的計(jì)算28§4.2.9 熱力計(jì)算數(shù)據(jù)表28§4.2.10 繪制P-圖33第五章 結(jié) 論34參考文獻(xiàn)35致 謝36V第一章 前 言§1.1 設(shè)計(jì)的依據(jù)與意義由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和國(guó)際油價(jià)的不斷上漲以及人們對(duì)柴油機(jī)性能要求的不斷提高，現(xiàn)代柴油機(jī)正朝著高強(qiáng)化、輕質(zhì)量、低油耗、工作可靠

12、、壽命長(zhǎng)、低有害物排放、低噪聲、便于使用和維修等方向發(fā)展。與此同時(shí)近年來(lái)國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)越來(lái)越重視，并大力推行機(jī)械化生產(chǎn)，這給農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。在我國(guó)的農(nóng)機(jī)市場(chǎng)快速發(fā)展的大背景下，我們特此推出Z398系列柴油機(jī)：標(biāo)定功率為40kW、標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2800 r/min，其特點(diǎn)是油耗低、成本低、可靠性大、扭矩大、易啟動(dòng)、排放低、體積小、功率大、操作維修方便，主要適用于發(fā)電機(jī)組，小型農(nóng)業(yè)機(jī)械，小型工程機(jī)械等等。國(guó)內(nèi)匹配此機(jī)型的發(fā)動(dòng)機(jī)有上柴G128/135、C（121）、D(114)、P11C、105五大系列、山東濰柴40GF-R系列、玉柴YC4108、YC4110、YC6105、YC6108、YC

13、6112等系列?？梢?jiàn)國(guó)內(nèi)這類產(chǎn)品還不是很多，因此Z398系列柴油機(jī)有很大的競(jìng)爭(zhēng)空間。其與其它同類產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)如下：1：Z398采用廢氣渦輪增壓技術(shù)，在我國(guó)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品中使用渦輪增壓的還很少，在相同排量的情況下，最大限度優(yōu)化了噪音，并在降低整機(jī)重量的同時(shí)，最大限度的挖掘出柴油機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，而且其效率并沒(méi)有降低。在燃油消耗率上也比非增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)低，性能得到很大的提升。2：Z398采用直列三缸排布，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)成本低，維修費(fèi)用少，便于三化。作為農(nóng)機(jī)用品，使用方便易于維修是Z398的一大優(yōu)勢(shì)。3：Z398采用廢氣渦輪增壓技術(shù)，在排放要求上更易滿足國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，目前國(guó)內(nèi)很少有農(nóng)用非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)能做到這一點(diǎn)，所以

14、在同類產(chǎn)品中優(yōu)勢(shì)巨大，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?#167;1.2 柴油機(jī)技術(shù)概述及發(fā)展趨勢(shì)§1.2.1 概述1882年德國(guó)人狄賽爾（Rudolf Diesel）提出了柴油機(jī)工作原理，1896年制成了第一臺(tái)四沖程柴油機(jī)。一百多年來(lái)，柴油機(jī)技術(shù)得以全面的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。大量研究成果表明，柴油機(jī)是目前被產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的各種動(dòng)力機(jī)械中熱效率最高、能量利用率最好、最節(jié)能的機(jī)型。裝備了最先進(jìn)技術(shù)的柴油機(jī)，升功率可達(dá)到3050kW/L，扭矩儲(chǔ)備系數(shù)可達(dá)到0.35以上，最低燃油耗可達(dá)到198g/（kW·h），標(biāo)定功率油耗可達(dá)到204g/（kW·h）；柴油機(jī)被廣泛應(yīng)用于船舶動(dòng)力、

15、發(fā)電、灌溉、車輛動(dòng)力等廣闊的領(lǐng)域，尤其在車用動(dòng)力方面的優(yōu)勢(shì)最為明顯，全球車用動(dòng)力“柴油化”趨勢(shì)業(yè)已形成。在美國(guó)、日本以及歐洲100%的重型汽車使用柴油機(jī)為動(dòng)力。 在歐洲，90%的商用車及33%的轎車為柴油車。在美國(guó)，90%的商用車為柴油車。在日本，38%的商用車為柴油車，9.2%的轎車為柴油車。據(jù)專家預(yù)測(cè)，在今后20年，甚至更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)柴油機(jī)將成為世界車用動(dòng)力的主流。世界汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家政府對(duì)柴油機(jī)發(fā)展也給予了高度重視，從稅收、燃料供應(yīng)等方面采取措施促進(jìn)柴油機(jī)的普及與發(fā)展。 §1.2.2 柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)代高性能柴油機(jī)由于熱效率比汽油機(jī)高、污染物排放比汽油機(jī)少，作為汽車動(dòng)力應(yīng)用

16、日益廣泛。西歐國(guó)家不但載貨汽車和客車使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，而且轎車采用柴油機(jī)的比例也相當(dāng)大。最近，美國(guó)聯(lián)邦政府能源部和以美國(guó)三大汽車公司為代表的美國(guó)汽車研究所理事會(huì)正在開(kāi)發(fā)的新一代經(jīng)濟(jì)型轎車同樣將柴油機(jī)作為動(dòng)力配置。 經(jīng)過(guò)多年的研究、大量新技術(shù)的應(yīng)用，柴油機(jī)最大的問(wèn)題煙度和噪聲取得重大突破，達(dá)到了汽油機(jī)的水平4。現(xiàn)在，科技的發(fā)展日新月異，柴油機(jī)新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用所需要的時(shí)間也越來(lái)越短，下面是一些柴油機(jī)方面的新技術(shù)。一、電控噴射和高壓共軌噴射 柴油機(jī)電控噴射系統(tǒng)由傳感器、ECU（控制單元）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成。其任務(wù)是對(duì)噴油系統(tǒng)進(jìn)行電子控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油量以及噴油定時(shí)隨運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)控制。采用轉(zhuǎn)速、溫度

17、、壓力等傳感器，將實(shí)時(shí)檢測(cè)的參數(shù)同步輸入計(jì)算機(jī)，與ECU巳儲(chǔ)存的參數(shù)值進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)處理計(jì)算按照最佳值對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)噴油系統(tǒng)，使柴油機(jī)運(yùn)作狀態(tài)達(dá)到最佳。為了使負(fù)荷調(diào)節(jié)更加精確，產(chǎn)生了共軌技術(shù)。共軌技術(shù)是指高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環(huán)系統(tǒng)。所有氣缸的噴嘴都連接著一根公共的油管（簡(jiǎn)稱油軌），油軌里始終有恒定的壓力，高壓噴油泵將燃油送入油軌，然后才由油軌送入噴油器。噴油器的開(kāi)啟都由電磁閥內(nèi)的燃油壓差來(lái)控制，電控單元ECU根據(jù)負(fù)荷轉(zhuǎn)速等信號(hào)確定應(yīng)有的噴射壓力和噴油時(shí)刻，在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻發(fā)出脈沖信號(hào)，使噴油器恰當(dāng)開(kāi)啟。其特點(diǎn)是可以自由控制噴油量和壓力、自由控制噴油速率和噴油正時(shí)。該系統(tǒng)的

18、另一優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)對(duì)噴油器的電磁閥進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)和控制后，能實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射和主噴射組成的二次噴射，對(duì)降低燃燒時(shí)的噪聲和NOx排放很有利。二、增壓中冷技術(shù) 增壓可使柴油機(jī)在排量不變，重量增加不大的情況下達(dá)到增加輸出功率的目的。與相同功率的非增壓柴油機(jī)相比，增壓柴油機(jī)不僅體積小，重量輕，功率大，而且還降低了單位功率的成本。因此，增壓技術(shù)不僅廣泛應(yīng)用在柴油機(jī)上，而且還推廣到汽油機(jī)，是改善內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的重要技術(shù)手段。但是空氣壓力的提高就是空氣密度的提高，空氣密度的提高必然會(huì)使空氣溫度也同時(shí)增高。發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器的出風(fēng)口溫度也會(huì)隨著壓力增大而升高，溫度提高反過(guò)來(lái)會(huì)限制空氣密度的提高，要進(jìn)一步提高空氣密度就要降低增

19、壓空氣的溫度。據(jù)實(shí)驗(yàn)顯示，在相同的空燃比條件下，增壓空氣溫度每下降10攝氏度，柴油機(jī)功率能提高3%5%，還能降低排放中的氮氧化合物（NOx），大大改善發(fā)動(dòng)機(jī)的低速性能。因此，也就產(chǎn)生了中間冷卻技術(shù)。柴油機(jī)中間冷卻技術(shù)的類型分兩種，一種是利用柴油機(jī)的循環(huán)冷卻水對(duì)中冷器進(jìn)行冷卻，另一種是利用散熱器冷卻，也就是用外界空氣冷卻。當(dāng)利用冷卻水冷卻時(shí)，需要添置一個(gè)獨(dú)立循環(huán)水的輔助系統(tǒng)才能達(dá)到較好的冷卻效果，這種方式成本較高而且機(jī)構(gòu)復(fù)雜。因此，汽車柴油機(jī)大都采用空氣冷卻式中冷器?？諝饫鋮s式中冷器利用管道將壓縮空氣通到一個(gè)散熱器中，利用風(fēng)扇提供的冷卻空氣強(qiáng)行冷卻?？諝饫鋮s式中冷器可以安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)水箱的前面、旁

20、邊或者另外安裝在一個(gè)獨(dú)立的位置上，它的波形鋁制散熱片和管道與發(fā)動(dòng)機(jī)水箱結(jié)構(gòu)相似，熱傳導(dǎo)效率高，可將增壓空氣的溫度冷卻到50至60攝氏度。工作循環(huán)溫度的下降有助于NOx的低排放和PM的下降，故目前重型車用柴油機(jī)都普遍是增壓中冷型，不僅有助于低排放而且燃油經(jīng)濟(jì)性良好。此外，渦輪前排氣旁通閥的應(yīng)用，不僅能降低PM和CO排放，還可以改善渦輪增壓柴油機(jī)的瞬態(tài)性能和低速扭矩。三、排氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)的應(yīng)用 EGR 是目前發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)內(nèi)燃機(jī)中普遍采用的技術(shù)，其工作原理是將少量廢氣引入氣缸內(nèi)，這種不可再燃燒的CO2 及水蒸汽廢氣的熱容量較大，能使燃燒過(guò)程的著火延遲期增加，燃燒速率變慢，缸內(nèi)最高燃燒溫度下降

21、，破壞 NOx的生成條件。EGR技術(shù)可使機(jī)動(dòng)車NOx排放明顯降低，但對(duì)重型車用柴油機(jī)而言，目前傾向于使用中冷EGR技術(shù)，因?yàn)槠洳粌H能明顯降低NOx，還能保持其他污染物的低水平。四、后處理技術(shù) 柴油機(jī)后處理的目標(biāo)是進(jìn)一步改善PM和NOx的排放。目前主要采用加裝氧化型催化轉(zhuǎn)化器和研究開(kāi)發(fā)NOx催化轉(zhuǎn)化器以及具有良好再生能力的微粒捕集器。今后，內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展將著重于改進(jìn)燃燒過(guò)程，提高機(jī)械效率，減少散熱損失，降低燃料消耗率；開(kāi)發(fā)和利用非石油制品燃料、擴(kuò)大燃料資源；減少排氣中有害成分，降低噪聲和振動(dòng)，減輕對(duì)環(huán)境的污染；采用高增壓技術(shù)，進(jìn)一步強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)，提高單機(jī)功率；研制復(fù)合式發(fā)動(dòng)機(jī)、絕熱式渦輪復(fù)合式發(fā)動(dòng)機(jī)

22、等；采用微處理機(jī)控制內(nèi)燃機(jī)，使之在最佳工況下運(yùn)轉(zhuǎn)；加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究，以提高工作可靠性和壽命，不斷創(chuàng)制新型內(nèi)燃機(jī)。§1.3 我國(guó)柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展我國(guó)柴油機(jī)產(chǎn)業(yè)起步相對(duì)較晚，但是自20世紀(jì)80年代以來(lái)有了較快的發(fā)展。隨著一批先進(jìn)機(jī)型和技術(shù)的引進(jìn)，我國(guó)柴油機(jī)總體技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到國(guó)外80年代末90年代初水平，一些國(guó)外柴油機(jī)近幾年開(kāi)始采用的排放控制技術(shù)在少數(shù)國(guó)產(chǎn)柴油機(jī)上也有應(yīng)用。最新開(kāi)發(fā)投產(chǎn)的柴油機(jī)產(chǎn)品的排放水平已經(jīng)達(dá)到歐排放限值要求，一些甚至可以達(dá)到歐排放限值要求。但我國(guó)柴油機(jī)產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展仍然面臨著許多問(wèn)題，與國(guó)外柴油機(jī)相比還有一定的差距。我國(guó)柴油機(jī)產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展面臨著許多問(wèn)題：（1）柴

23、油機(jī)行業(yè)投入不足，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)工藝水平、規(guī)模發(fā)展和自主開(kāi)發(fā)能力的提高；（2）柴油品質(zhì)差、柴油標(biāo)準(zhǔn)的修訂嚴(yán)重滯后于汽車工業(yè)發(fā)展的需要，對(duì)柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展及各種新技術(shù)、改善柴油機(jī)排放措施的應(yīng)用造成障礙；（3）我國(guó)柴油機(jī)技術(shù)的落后、產(chǎn)品質(zhì)量差以及車輛使用中維修保養(yǎng)措施不力，導(dǎo)致低性能高排放柴油機(jī)在使用中對(duì)城市環(huán)境和大氣質(zhì)量造成不良的影響。隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，光靠增壓中冷技術(shù)已不能滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，這就需要更新的柴油機(jī)電控噴射技術(shù)來(lái)支持?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)的柴油機(jī)電控噴射系統(tǒng)正處在開(kāi)發(fā)階段。比如上海內(nèi)燃機(jī)研究所、無(wú)錫油泵油嘴研究所等正在積極研究之中。無(wú)錫油泵油嘴研究所已把部分成果應(yīng)用到雙燃料機(jī)上實(shí)現(xiàn)

24、了天然氣和液化石油氣的電控化，目前正進(jìn)行匹配試驗(yàn)。根據(jù)目前我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀況，提高我國(guó)柴油機(jī)技術(shù)水平急需解決下列的關(guān)鍵技術(shù)：1、 關(guān)鍵零部件技術(shù)：如油泵油嘴和增壓中冷。2、 燃油品質(zhì)：優(yōu)質(zhì)低硫的柴油是柴油機(jī)滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)的前提。3、 電控技術(shù)：柴油機(jī)電控技術(shù)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能的優(yōu)化和提高至關(guān)重要。4、 排放后處理關(guān)鍵技術(shù)： 如廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR），微粒捕集技術(shù)以及NOx催化轉(zhuǎn)化技術(shù)。5、 整機(jī)開(kāi)發(fā)及匹配技術(shù)： 如柴油機(jī)燃油、進(jìn)氣及燃燒系統(tǒng)的匹配與優(yōu)化技術(shù)，重型車用及轎車用柴油機(jī)技術(shù)。6、 柴油機(jī)的制造、工藝及材質(zhì)等技術(shù)。隨著中國(guó)機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，特別是制造工藝水平的提高，相信中國(guó)的內(nèi)燃

25、機(jī)工業(yè)也會(huì)有一個(gè)很大的提高。30車輛與動(dòng)力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第二章 整體設(shè)計(jì)§2.1 柴油機(jī)設(shè)計(jì)的總體要求§2.1.1 內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)要求在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和總體布置設(shè)計(jì)時(shí)，要求盡可能采用一般鋼材，零部件的工藝性要好，要適合于大量生產(chǎn)。它們的附屬系統(tǒng)（如供油系、起動(dòng)機(jī)、三濾、散熱器等）往往都是專業(yè)化生產(chǎn)的。這就更嚴(yán)格地要求符合“三化”的規(guī)定。而且要求這些柴油機(jī)的重量輕、體積小、質(zhì)量好、效率高、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，此外對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性和制造工藝性以及使用維修方便性的要求也是很重要的。例如動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，重量輕與使用壽命長(zhǎng)，性能指標(biāo)與制造成本等等。在柴油機(jī)的排放方面，由于柴油機(jī)排出

26、有害氣體（NOX、CO、HC等）連同噪音、臭味等共同構(gòu)成了人類環(huán)境的污染源之一。國(guó)外已經(jīng)嚴(yán)格控制發(fā)動(dòng)機(jī)的排放，為其制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)現(xiàn)在采用歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)，法規(guī)規(guī)定到2008年一些較大城市（如北京、上海）實(shí)行歐排放標(biāo)準(zhǔn)，其它地區(qū)逐年實(shí)現(xiàn)。§2.1.2 內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)工作中的“三化”內(nèi)燃機(jī)的產(chǎn)品系列化、零部件通用化、零件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)稱為內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)的“三化”。內(nèi)燃機(jī)的“三化”是屬于產(chǎn)品質(zhì)量管理問(wèn)題，它對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，它是社會(huì)主義制度下的一項(xiàng)重要技術(shù)政策。它對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本，發(fā)展新產(chǎn)品，合理組織企業(yè)生產(chǎn)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，便于使用。維修和配件供應(yīng)，零件互換等都具有重要的作

27、用。1、產(chǎn)品系列化內(nèi)燃機(jī)的系列化是指以極少的基本規(guī)格尺寸(一般以氣缸直徑和沖程)的內(nèi)燃機(jī)通過(guò)改變氣缸數(shù)目及其排列形式、增壓度、轉(zhuǎn)速，燃料、零件的材料、或者增加若干附件等方法來(lái)擴(kuò)大其功率范圍，改變其輪廓尺寸等，發(fā)展品種繁多的變型，以滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)中不同用途的需要。例如：車用、拖拉機(jī)用、固定用、船用、工程機(jī)械用等不同用途的各種功率等級(jí)的內(nèi)燃機(jī)。我國(guó)內(nèi)燃機(jī)的“三化”是以缸徑為基礎(chǔ)制定國(guó)家型譜的，設(shè)計(jì)和制造內(nèi)燃機(jī)新產(chǎn)品必須嚴(yán)格遵守國(guó)家系列化型譜的規(guī)定，以便用盡可能少的系列機(jī)型通過(guò)合理變型來(lái)滿足各種用途的需要，以免產(chǎn)品系列繁多，生產(chǎn)管理混亂。凡屬同一系列的內(nèi)燃機(jī)要求主要結(jié)構(gòu)相同，主要零部件要求盡可能通用，

28、易損件要能互換，否則不能稱為同一系列的內(nèi)燃機(jī)。2、零部件通用化零部件通用化是指同一系列的機(jī)型中。備機(jī)型的零部件能夠互換通用并盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件。不同系列的柴油機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮某些零部件在可能的情況下盡量與別的系列的機(jī)型可以相互通用，如起動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、高壓油泵、機(jī)油泵、化油器機(jī)油濾清器，燃油濾清器、空氣濾清器、水箱、風(fēng)扇等，以便盡量減少整個(gè)內(nèi)燃機(jī)工業(yè)中零部件的數(shù)目和種類。3、零件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化零件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化是指在進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和部頒標(biāo)準(zhǔn)或廠際標(biāo)準(zhǔn)來(lái)決定零部件的尺寸、結(jié)構(gòu)、材料、技術(shù)條件等，并按國(guó)家機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)繪制零件工作圖和零件圖，遵照國(guó)家規(guī)定使用名詞和術(shù)語(yǔ)等 1,3 。§

29、;2.2 柴油機(jī)的設(shè)計(jì)要求柴油機(jī)的總體設(shè)計(jì)是在注重節(jié)約能源的同時(shí)又加強(qiáng)了對(duì)排放性的要求，提高了產(chǎn)品的適用性。根據(jù)柴油機(jī)的設(shè)計(jì)要求對(duì)其主要參數(shù)進(jìn)行選擇。 作為農(nóng)用機(jī)械動(dòng)力的Z398柴油機(jī)，因其配套種類繁多，其性能、結(jié)構(gòu)和使用情況隨地區(qū)不同而差別懸殊，且大部分農(nóng)用柴油機(jī)工作環(huán)境惡劣，同時(shí)使用負(fù)荷不均，有時(shí)超負(fù)荷，有時(shí)負(fù)荷較低，而且可能性連續(xù)工作幾十個(gè)小時(shí)以上，故柴油機(jī)的設(shè)計(jì)要求如下：1、使用的可靠性和耐久性，這是作為農(nóng)用柴油機(jī)的重要要求，因此選用較低的活塞平均速度和平均有效壓力，目前多數(shù)為四沖程柴油機(jī)。2、要有好的經(jīng)濟(jì)性，造價(jià)低廉，燃油和機(jī)油消耗率低。3、易起動(dòng)、好操縱、維修方便，適合于農(nóng)村的使用

30、條件。4、要有好的動(dòng)力性，柴油機(jī)發(fā)出的功率要能夠滿足使用的要求。5、空氣、燃油、機(jī)油濾清器的過(guò)濾面積要大，且容易清洗和 更換。§2.3 Z398柴油機(jī)簡(jiǎn)介 Z398柴油機(jī)主要用于輪式拖拉機(jī)動(dòng)力，經(jīng)過(guò)一定改裝和調(diào)整后，可用于排灌動(dòng)力、發(fā)電機(jī)組和小型載重汽車上。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、性能好。Z398柴油機(jī)的技術(shù)參數(shù)：型式：增壓、直噴、直列、三缸、立式、水冷、四沖程、形燃燒室活塞行程/氣缸直徑： 110/98（mm）標(biāo)定功率/轉(zhuǎn)速： 40（kW）/2800（r/min）壓縮比： 17 ：1燃油消耗率： 238（g/(kWh）)潤(rùn)滑方式： 壓力及飛濺復(fù)合式啟動(dòng)方式： 電啟動(dòng)氣缸蓋和機(jī)體都

31、是整體鑄造的，機(jī)體下平面與曲軸線相平，因此結(jié)構(gòu)輕巧。采用濕式氣缸套，因此機(jī)體冷卻效果良好。缸套材料為高磷合金鑄鐵，壁厚為7毫米。活塞由硅鋁合金鑄造，頭部共有兩道氣環(huán)和一道油環(huán)?；钊N是浮式的。連桿用鋼鍛制成，具有平切口連桿大頭。兩個(gè)連桿螺栓加工有定位帶以保證連桿蓋的定位。球鐵曲軸是全支承的，帶平衡塊，其軸向定位設(shè)在后軸承上。曲軸后端凸緣用螺釘將甩油盤(pán)和飛輪固定在一起。曲軸的前端裝有皮帶輪和起動(dòng)爪。主軸瓦和連桿軸瓦都是高錫鋁合金薄壁軸瓦。凸輪軸布置在機(jī)體的上部，具有三個(gè)支承。氣門(mén)、搖臂直接由較長(zhǎng)的菌形挺柱驅(qū)動(dòng)。這樣可使氣門(mén)機(jī)構(gòu)的剛性加大。氣門(mén)上都設(shè)有兩個(gè)氣門(mén)彈簧座和兩個(gè)氣門(mén)彈簧。潤(rùn)滑系統(tǒng)中，有轉(zhuǎn)

32、子式機(jī)油泵，固定在第一主軸承蓋上，經(jīng)中間齒輪由曲軸齒輪驅(qū)動(dòng)。冷卻系中的離心水泵和風(fēng)扇都是由曲軸皮帶輪直接驅(qū)動(dòng)的。柴油機(jī)采用電起動(dòng)，為了適應(yīng)冬季冷起動(dòng)的需要，在進(jìn)氣管內(nèi)裝有起動(dòng)預(yù)熱器。為了適應(yīng)拖拉機(jī)工作的，Z398型柴油機(jī)采用帶有一級(jí)旋風(fēng)的紙質(zhì)空氣濾清器，具有較高的濾清效率。§2.4 柴油機(jī)主要零部件的設(shè)計(jì)§2.4.1 活塞活塞是在惡劣的條件下工作的。首先，它承受著很大的機(jī)械負(fù)荷?；钊斏献饔糜胁粩嘧兓臍怏w壓力。對(duì)于柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，氣體壓力的最大值Pmax一般是在78MPa。目前，由于高增壓強(qiáng)化，柴油機(jī)的最高氣體爆發(fā)壓力已達(dá)到1718MPa，有的甚至更高。同時(shí)，在高速內(nèi)燃機(jī)中，

33、循環(huán)的變化頻率很高。這樣就使作用在活塞上的載荷是具有沖擊性的。活塞在氣缸里做高速運(yùn)動(dòng)，還會(huì)產(chǎn)生很大的往復(fù)慣性力。為了減小活塞組的往復(fù)慣性力，設(shè)計(jì)活塞時(shí)要盡量減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量，選用密度小、強(qiáng)度高的材料。其次，活塞在工作中承受著很高的熱負(fù)荷?；钊斉c燃燒室中最高溫度為18002600，熱量通過(guò)對(duì)流以及熱輻射等方式傳到活塞頂。由于柴油機(jī)燃燒的特點(diǎn)，使活塞受熱強(qiáng)度分布不均勻，此外還因?yàn)樵谟行紵谥袣怏w介質(zhì)具有較高的密度和紊流的作用，也使得燃?xì)鈧鹘o活塞的熱量增加。為了防止活塞受熱部分溫度過(guò)高，一般都力求減小燃?xì)庀蚧钊膫鳠崃坎⑹沽魅牖钊臒崃磕芎芎玫纳⒆摺Ｔ俅?，活塞沿氣缸作高速滑?dòng)，活塞裙部受側(cè)向力的作用

34、，在潤(rùn)滑不良的情況下，常常造成活塞、活塞環(huán)和氣缸之間的劇烈磨檫和磨損。所以，活塞的設(shè)計(jì)任務(wù)就是根據(jù)活塞的功用，適應(yīng)內(nèi)燃機(jī)強(qiáng)化程度提高的需要，從活塞各部分結(jié)構(gòu)尺寸的選定和造型設(shè)計(jì)、活塞的材料和表面處理、必要的計(jì)算和試驗(yàn)等方面入手，正確解決活塞的工作能力、可靠性、壽命和機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷、磨損之間的矛盾，并在實(shí)踐中不斷加以考核和改進(jìn)。活塞的設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：活塞頭部的設(shè)計(jì)，活塞銷座的設(shè)計(jì)，活塞裙部及其側(cè)面形狀的設(shè)計(jì)。§2.4.2 連桿連桿（組）一般由連桿體、大頭蓋、連桿螺栓、軸瓦和連桿小頭襯套等組成。連桿把活塞和曲軸連接起來(lái)。連桿小頭與活塞銷連接，并與活塞一起作往復(fù)運(yùn)動(dòng)；連桿大頭與曲軸的曲柄銷

35、連接，和曲軸一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；連桿的其余部分作復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)。作用在活塞上的力經(jīng)連桿傳給曲軸。連桿主要承受氣體壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷。連桿必須具有足夠的結(jié)構(gòu)剛度和疲勞強(qiáng)度。也就是說(shuō)在力的作用下，桿身應(yīng)該不致被顯著壓彎；連桿大小頭孔不致顯著失圓。在設(shè)計(jì)時(shí)候應(yīng)遵循以下的原則1,4：1、在保證具有足夠強(qiáng)度和剛度的前提下，盡可能減輕重量，以降低慣性力；2、盡量縮短長(zhǎng)度，以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的總體尺寸和總重量；3、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸緊湊，可靠耐用；4、大小頭軸承工作可靠，耐磨性好；5、連桿螺栓疲勞強(qiáng)度高，連接可靠；6、易于制造，成本低。很顯然，為了增加連桿的強(qiáng)度和剛度，不能簡(jiǎn)單地依靠加大結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)達(dá)到，因?yàn)?/p>

36、連桿重量的增加使慣性力增加。必須從材料選用、構(gòu)形設(shè)計(jì)、熱處理及表面強(qiáng)化等方面采取措施。§2.4.3 曲軸飛輪組曲軸組由曲軸、飛輪、平衡重以及傳動(dòng)齒輪等構(gòu)成。曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的機(jī)件之一，是由一個(gè)或者多個(gè)彼此間錯(cuò)開(kāi)一定角度的曲柄，加上功率輸出端和自由端組成，它是發(fā)動(dòng)機(jī)最主要的部件之一。它的尺寸參數(shù)在很大程度上不僅影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的整體尺寸和重量，而且也在很大程度上影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性與壽命。曲軸的功用是把活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過(guò)連桿轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以輸出柴油機(jī)所產(chǎn)生的功率，并驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)、噴油泵、機(jī)油泵、水泵及其他的附件。在曲軸的設(shè)計(jì)方面有幾點(diǎn)要注意，首先，因?yàn)榍S在工作中要承受扭轉(zhuǎn)力矩

37、的作用，因此曲軸在設(shè)計(jì)時(shí)必須注意的解決的主要問(wèn)題是保證軸頸與軸承工作可靠并且耐用，再者要有足夠的抗彎剛度，還有在工藝上也應(yīng)注意，設(shè)計(jì)盡量簡(jiǎn)單，只要保證足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的情況下減小飛輪的質(zhì)量。飛輪的主要功用是儲(chǔ)存做功沖程的能量，克服輔助沖程的阻力以保證曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的均勻性，是內(nèi)燃機(jī)工作平穩(wěn)。曲軸組的設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：曲柄銷，主軸頸，曲柄，平衡重，油孔的位置和尺寸的設(shè)計(jì)以及飛輪的設(shè)計(jì)。§2.4.4 氣缸蓋氣缸蓋的工作條件是非常苛刻的，它要承受燃燒氣體的高溫高壓的作用。設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下的幾點(diǎn)5：1、氣缸蓋要與足夠的剛度。2、要布置好進(jìn)、排氣道和氣缸蓋的螺栓。3、要組織好氣缸蓋的冷卻，以防氣缸蓋的

38、溫度過(guò)高以及溫度分布不均產(chǎn)生熱應(yīng)力過(guò)大。4、各個(gè)零部件以及氣門(mén)機(jī)構(gòu)要拆裝方便。氣缸蓋的設(shè)計(jì)包括：氣缸蓋形式的選擇，氣門(mén)數(shù)的確定，缸蓋螺栓數(shù)量的選擇與布局，進(jìn)排氣道的設(shè)計(jì)與布局，以及氣缸蓋冷卻的措施的設(shè)計(jì)。具體詳細(xì)見(jiàn)第三章。§2.4.5 機(jī)體組機(jī)體部分包括：氣缸體、曲軸箱、機(jī)座（或油底殼）、主軸承蓋等零件。一般柴油機(jī)的氣缸體與曲軸箱合為一體?？偡Q為機(jī)體。而機(jī)體又有機(jī)座式機(jī)體與無(wú)機(jī)座式機(jī)體之分。機(jī)體結(jié)構(gòu)和受力情況復(fù)雜。它是安裝運(yùn)動(dòng)件和附件的支承架，通常又是支承柴油機(jī)的安裝基礎(chǔ)。當(dāng)柴油機(jī)工作時(shí)，機(jī)體承受著大小和方向作周期性變化的氣體力、慣性力和力矩的作用。機(jī)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須保證它有足夠的強(qiáng)

39、度和剛度；曲軸箱部分的形狀和尺寸要盡可能緊湊。水道和油道設(shè)計(jì)時(shí)一定要注意，以及各部分的外輪廓的設(shè)計(jì)。因此，為保證柴油機(jī)可靠和耐久性的工作，應(yīng)考慮下列設(shè)計(jì)要求8：1、根據(jù)柴油機(jī)的用途，合理選擇機(jī)體結(jié)構(gòu)，保證有足夠的剛度強(qiáng)度。2、依據(jù)受力情況，合理設(shè)計(jì)受力部位的結(jié)構(gòu)和形狀，使作用力集中在某些限定區(qū)域內(nèi)。機(jī)體壁的圓角和厚度，應(yīng)無(wú)急劇變化，以免應(yīng)力集中。3、要求尺寸小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。4、目前柴油機(jī)的設(shè)計(jì)，趨向于將油、水和空氣管道、水泵外殼等零件鑄入機(jī)休內(nèi)，使機(jī)體外部管子的數(shù)量和長(zhǎng)度，安排得較少和較短。這樣，既增加加機(jī)體剛度，亦可使外形布置緊湊和簡(jiǎn)潔。5、注意噪聲的降低和考慮標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化問(wèn)

40、題。6、機(jī)體的接近性要好（即易接近氣缸蓋、運(yùn)動(dòng)件和附件等），便于零件和部件的裝拆、維修和搬運(yùn)。7、工藝性好，成本低廉；材料宜取，價(jià)廉材廣。車輛與動(dòng)力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第三章 氣缸蓋設(shè)計(jì)§3.1 氣缸蓋的工作條件氣缸蓋主要是用來(lái)密封氣缸，并與活塞、氣缸套共同形成燃燒空間。同時(shí)，為了讓內(nèi)燃機(jī)的正常工作，要在氣缸蓋內(nèi)外安裝許多零部件，如進(jìn)排氣門(mén)及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、噴油器、檢爆閥、空氣啟動(dòng)閥等等。此外，還有一部分熱量要通過(guò)它傳給冷卻介質(zhì)。1、氣體壓力 氣缸蓋底面受到高壓燃?xì)庾饔脮r(shí)，氣體壓力不僅使底板受到彎曲，而且還會(huì)通過(guò)氣缸蓋內(nèi)部而傳到氣缸蓋的各個(gè)部位。氣缸蓋機(jī)械負(fù)荷的大小一般就用最高壓爆發(fā)力

41、來(lái)衡量。由氣缸爆發(fā)壓力產(chǎn)生的壓力稱為氣缸蓋的工作壓力。它具有脈動(dòng)性質(zhì)，其應(yīng)力變化周期和內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)的周期相同，頻率較高。2、氣缸蓋螺栓預(yù)緊力 為了確保氣缸的密封，氣缸蓋螺栓的預(yù)緊力要比最高爆發(fā)壓力大的多。由預(yù)緊力而產(chǎn)生的應(yīng)力成為氣缸蓋的安裝應(yīng)力。工作應(yīng)力和安裝應(yīng)力通常叫做機(jī)械應(yīng)力。3、熱應(yīng)力 氣缸蓋上各部分的溫度分布是很不均勻的，當(dāng)各部分因溫差而產(chǎn)生的變形受到限制時(shí)就產(chǎn)生熱應(yīng)力。它的變化周期同內(nèi)燃機(jī)的負(fù)荷改變有關(guān)，相對(duì)工作應(yīng)力來(lái)說(shuō)，熱應(yīng)力的變化頻率較低。實(shí)踐證明，氣缸蓋底板的厚度受到鑄造條件的限制不會(huì)很薄，而且還有氣道、噴油器座、氣門(mén)導(dǎo)管座等部分加強(qiáng)了它的承載能力，所以由氣體壓力所產(chǎn)生的機(jī)械

42、應(yīng)力并非十分危險(xiǎn)。而由溫度分布不均勻所產(chǎn)生的熱應(yīng)力要比機(jī)械應(yīng)力大得多，尤其是氣門(mén)座周圍地區(qū)有時(shí)要大到10倍左右，如果不采取適當(dāng)措施，往往使氣缸蓋底板發(fā)生裂紋。氣缸蓋底板上產(chǎn)生裂紋的原因，比較普遍的看法是由于材料的“熱疲勞”。裂紋產(chǎn)生的工程如下：內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，氣缸蓋底板上局部受熱地區(qū)的溫度可達(dá)300400，比四周要高得多，而熱膨脹卻受到限制，因此產(chǎn)生很高的壓縮應(yīng)力。金屬在高溫和應(yīng)力的聯(lián)合作用下會(huì)發(fā)生蠕變。如果氣缸蓋是鑄鐵材料，當(dāng)溫度超過(guò)350時(shí)，其抗蠕變性能下降；而鋁合金氣缸蓋，抗蠕變性能下降的溫度則更低。蠕變的結(jié)果便產(chǎn)生朔性變形。當(dāng)停車后，溫度降低，受熱面的收縮卻因朔性變形而受到阻礙，從而產(chǎn)生

43、拉伸應(yīng)力，成為殘余拉伸應(yīng)力。局部地區(qū)溫度超過(guò)允許值愈多，使用時(shí)間愈長(zhǎng)，殘余拉伸應(yīng)力也愈大。拉壓應(yīng)力的反復(fù)交變作用，便產(chǎn)生疲勞裂紋。當(dāng)材料本身有缺陷或加工中有細(xì)微裂紋時(shí)，便使疲勞裂紋迅速發(fā)展。在氣門(mén)座與噴油器座孔附近，不但溫度高，而且溫度分布也不均勻，壁厚分布也不一樣，變形也不相同，這些因素都使應(yīng)力了增加，因而在這些地方最容易產(chǎn)生裂紋。§3.2 氣缸蓋的設(shè)計(jì)要求氣缸蓋的工作條件是比較苛刻的，他要求承受燃燒氣體產(chǎn)生的高溫高壓的作用。在柴油機(jī)和頂置氣門(mén)的汽油機(jī)氣缸蓋上要布置氣門(mén)、氣門(mén)座、進(jìn)排氣道、燃燒室、火花塞以及冷卻水道等等，氣缸蓋的結(jié)構(gòu)就變得很復(fù)雜，鑄造和加工也困難。從氣缸蓋的功用和工

44、作條件出發(fā)，它的設(shè)計(jì)要求主要有下列幾點(diǎn)1：1、具有足夠的強(qiáng)度和剛度。氣缸蓋應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度以承受機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力。要具有足夠的剛度以保證氣缸蓋工作時(shí)變形最小，使氣缸密封可靠。如果氣缸蓋的變形過(guò)大會(huì)加速氣門(mén)座的劇烈磨損、氣門(mén)咬死和氣缸密封破壞，造成漏氣、漏水、漏油，嚴(yán)重時(shí)造成內(nèi)燃機(jī)無(wú)法工作。2、氣門(mén)與氣道的布置要合理，進(jìn)排氣道的流動(dòng)阻力要小，以達(dá)到換氣“干凈”的目的。同時(shí)還要配合燃燒，組織進(jìn)氣氣流的方向和合適的渦流強(qiáng)度。3、冷卻良好，防止溫度過(guò)高，使氣缸蓋的溫度分布盡可能均勻，以避免過(guò)大的熱應(yīng)力。4、結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單，布置力求對(duì)稱，壁厚盡量均勻，以減少鑄造的內(nèi)應(yīng)力和工作中的熱應(yīng)力。5、氣缸蓋上裝有許

45、多其它零件，如配氣機(jī)構(gòu)、噴油器、起動(dòng)閥等，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮它們拆裝和維修的方便。6、氣缸蓋螺栓孔的布置要合理。§3.3 氣缸蓋的材料選擇合適的材料是設(shè)計(jì)工作的重要環(huán)節(jié)之一。由于氣缸蓋的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前主要用鑄造的方法生產(chǎn)。因此對(duì)于氣缸蓋材料的鑄造性能必須予以足夠的重視。氣缸蓋是受熱零件，其熱應(yīng)力特征系數(shù)值愈小，則受熱時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力也愈小。可見(jiàn)氣缸蓋材料的導(dǎo)熱系數(shù)要大，熱膨脹系數(shù)要小。材料的熱強(qiáng)度用材料的強(qiáng)度系數(shù)表示，它是材料的拉伸極限強(qiáng)度與材料的熱應(yīng)力特征數(shù)之比值。顯然，此值愈大，則熱強(qiáng)度愈好。對(duì)于氣缸蓋材料首先要有足夠的剛度、強(qiáng)度10；其次應(yīng)該價(jià)格低廉，來(lái)源廣泛，良好的澆鑄和切削性能；

46、對(duì)于柴油機(jī)氣缸蓋材料目前實(shí)用化的氣缸蓋材料有鋁合金、鑄鐵和鋼三種。處在研究?jī)r(jià)段的有聚合物復(fù)合材料與蠕墨鑄鐵。然而就目前國(guó)內(nèi)而言，除了部分轎車采用鋁合金外大部分還是采有鑄鐵材料。氣缸蓋常用幾種材料的比較如下6：1、鋁合金 由于鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)大（比鋼大34倍），而彈性模數(shù)只要鋼的1/3，在溫度較低時(shí)（低于250）具有較高的熱強(qiáng)度。而且它的熔點(diǎn)低，鑄造流動(dòng)性好。但它的強(qiáng)度低，且隨溫度升高其強(qiáng)度急劇下降，朔性變形大，熱膨脹系數(shù)也大（比鋼大一倍），當(dāng)裝在鑄鐵機(jī)體上時(shí)，氣缸的密封較困難，而且價(jià)格昂貴。它廣泛用作汽油機(jī)和風(fēng)冷式柴油機(jī)的氣缸蓋材料，以充分利用其良好的導(dǎo)熱性能。在要嚴(yán)格控制重量或要求低磁、無(wú)磁

47、的柴油機(jī)上也用鋁合金作為氣缸蓋的材料。2、鑄鐵 灰鑄鐵是做水冷柴油機(jī)氣缸蓋最常用的材料，因?yàn)樗蔫T造性能好，在350以內(nèi)有足夠的熱強(qiáng)度，膨脹系數(shù)小，價(jià)格低廉，但其導(dǎo)熱性差。加入適量的合金元素可細(xì)化晶粒，提高其耐熱性，能在350400下長(zhǎng)期工作。所以對(duì)于強(qiáng)化程度較高的柴油機(jī)氣缸蓋都要求加合金元素。根據(jù)我國(guó)的材料來(lái)源，以加銅、鉻、鉬等合金元素較多。加入量大致如下：當(dāng)含碳量在3%以上時(shí)，含銅量應(yīng)為含鉻量的34倍，含鉬量應(yīng)和含銅量相當(dāng)。由于銅、鉻、鉬的加入量均不高，因此這種合金鑄鐵仍具有良好的鑄造性能。3、鋼 它的熱強(qiáng)度最好，對(duì)于大功率的中、低速柴油機(jī)，由于氣缸蓋要承受更高的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，所以常采

48、用鑄鋼來(lái)鑄造氣缸蓋。但鑄鋼的熔點(diǎn)高、流動(dòng)性差、收縮大，因此也只在形狀簡(jiǎn)單的二沖程柴油機(jī)上應(yīng)用。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的四沖程柴油機(jī)的氣缸蓋，由于性能上的需要而采用鑄鋼為材料時(shí)，也往往采用鑄鋼件和鋼板通過(guò)焊接組合起來(lái)的鑄焊結(jié)構(gòu)。但這種鑄焊結(jié)構(gòu)的焊接工藝要求高，工藝流程長(zhǎng)，成本昂貴，目前應(yīng)用并不廣泛。以新材料應(yīng)用為主要途徑的柴油機(jī)輕量化是柴油機(jī)發(fā)展的方向，它可以降低燃油消耗、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境。Z398柴油機(jī)也不例外在氣缸蓋材料方面也做了有益的探索并取得了顯著的效果，對(duì)于上面所提及的幾種氣缸蓋材料Z398柴油機(jī)都有應(yīng)用，但本次設(shè)計(jì)以中國(guó)一拖集團(tuán)公司的398柴油機(jī)氣缸蓋為基礎(chǔ)。本著滿足國(guó)內(nèi)中低檔市場(chǎng)需求的宗旨

49、。因此，氣缸蓋材料采用傳統(tǒng)的鑄鐵材料8。根據(jù)滿足使用性能的條件下，盡量選用經(jīng)濟(jì)的材料，所以本次Z398柴油機(jī)氣缸蓋的設(shè)計(jì)選用灰鑄鐵。對(duì)灰鑄鐵的選擇如下表3-19：表3-1 常用灰鑄鐵材料的性能參數(shù)牌號(hào)b/MPabb/MPabc/MPaHBSHT200200400750170220HT2502504701000190240根據(jù)氣缸蓋的工作條件和氣缸蓋所受的應(yīng)力情況，選用HT250。§3.4 氣缸蓋結(jié)構(gòu)形式的選擇水冷內(nèi)燃機(jī)的氣缸蓋有整體式、分塊式和單體式三種。當(dāng)缸徑D105mm時(shí)，一般多采用整體式氣缸蓋。它的優(yōu)點(diǎn)是可以省去兩缸之間重復(fù)的水套壁厚，結(jié)構(gòu)緊湊，零部件少，使內(nèi)燃機(jī)的氣缸中心距短

50、，重量輕，制造成本低，因此為小型和高速輕型水冷式內(nèi)燃機(jī)所廣泛采用。從保證氣缸密封來(lái)看，單體式的氣缸蓋好，因?yàn)闅飧咨w壓緊時(shí)互不干擾，對(duì)每一個(gè)單獨(dú)的氣缸蓋來(lái)說(shuō)壓力均勻。單體式氣缸蓋還有便于制造和維修的優(yōu)點(diǎn)，在制造中可以減少?gòu)U品率，在使用中發(fā)生損壞時(shí)也便于單獨(dú)更換。但是單體式氣缸蓋在結(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鑄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)谋诤窈湍嘈境叽绲臈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。分塊式氣缸蓋介于整體式和單體式之間，它多用于六缸機(jī)以上的發(fā)動(dòng)機(jī)。這次設(shè)計(jì)的Z398柴油機(jī)采用的是整體式氣缸蓋，這樣有利于制造和批量生產(chǎn)。&#

51、167;3.5 氣缸蓋主要尺寸的確定氣缸蓋底部必須有一定的厚度，過(guò)薄會(huì)引起底部變形以及引起氣門(mén)座磨損和漏氣。取氣缸蓋底面厚度值為=0.05D+2mm14。氣缸蓋的寬度取決于機(jī)體的寬度。氣缸蓋的高度，對(duì)于柴油機(jī)取決于進(jìn)氣道的截面積、排氣道水夾層的高度、燃燒室型式和噴油器尺寸，氣缸蓋的高度大致為H=（0.831.00）d6。§3.6 進(jìn)、排氣道的設(shè)計(jì)氣缸蓋的進(jìn)、排氣道的設(shè)計(jì)對(duì)內(nèi)燃機(jī)的充氣效率（表現(xiàn)在氣流的壓力損失，進(jìn)氣渦流，同名氣門(mén)流量的差別等方面）和排氣能量的利用有相當(dāng)大的影響。氣道設(shè)計(jì)要符合下列空氣動(dòng)力學(xué)的要求：氣道截面積要大，變化要緩慢，拐彎圓角要順，表面要光潔3。1、排氣道 從排

52、氣門(mén)座到氣道喉口之間應(yīng)有一個(gè)逐漸收縮的過(guò)渡區(qū)作為引流段。氣道喉口直徑為排氣門(mén)直徑的9296%。從喉口到排氣道的出口用一個(gè)大圓弧過(guò)渡，這一段的面積要逐漸擴(kuò)大，排氣道出口面積一般是喉口面積的1.11.2倍。排氣道在氣缸蓋內(nèi)必須盡可能短，以減少向冷卻水的傳熱6（如圖31）。圖 31 氣缸蓋排氣道的布置示意圖2、進(jìn)氣道 氣流在進(jìn)氣道內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程和排氣道正好相反，要求進(jìn)氣口有盡可能大的面積，然后逐漸收縮至喉口。喉口處的面積為進(jìn)口面積的8090%，從喉口到氣門(mén)座應(yīng)有一段引流，進(jìn)氣道喉口直徑為進(jìn)氣門(mén)直徑的9296%。氣道進(jìn)口面積約為進(jìn)氣門(mén)面積的1.21.4倍。進(jìn)氣道不但要求阻力小，根據(jù)不同機(jī)型的實(shí)際情況，還

53、要求進(jìn)入氣缸后的氣流具有一定的渦流運(yùn)動(dòng)（如圖32）。圖 32 氣缸蓋進(jìn)氣道的布置示意圖§3.7 冷卻水道的設(shè)計(jì)由于高溫和各部分溫度分布不均所引起的熱應(yīng)力往往是氣缸蓋故障的原因，因此，對(duì)氣缸蓋進(jìn)行合理的冷卻，是保證氣缸蓋工作可靠的重要環(huán)節(jié)。氣缸蓋的溫度分布很不均勻，因此，對(duì)高熱區(qū)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆椒?，?yōu)先集中冷卻。對(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)局部高熱區(qū)（如氣門(mén)座、噴油器或燃燒室三角地帶）以噴水管或隔

54、板引水冷卻；對(duì)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(guò)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(duì)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(dòng)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4

55、8個(gè)，多的超過(guò)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。要組織良好的冷卻，對(duì)冷卻水道的設(shè)計(jì)，應(yīng)遵循下列原則6：1、加快冷卻水的流速 提高水的流速可是層流層減薄，有利于傳熱，從而減小底板兩側(cè)的溫差，以降低熱應(yīng)力；并且降低受熱面的最高溫度值，使材料處在較低的溫度下工作，以保持較高的抗蠕變能力。2、加強(qiáng)高溫區(qū)的冷卻 氣門(mén)座之間和氣門(mén)座與噴油器之間的底板部分，不但受高溫燃?xì)獾臎_刷，而且氣門(mén)和噴油器也向這里散熱，因此溫度很高。加上這里金屬的厚薄差別很大，溫度分布不均勻，往往出現(xiàn)裂紋。設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)這些地方的冷卻需要采取適當(dāng)措

56、施。進(jìn)排氣門(mén)之間的“鼻梁區(qū)”應(yīng)盡可能大些，使水的流量加大，以便很好的冷卻進(jìn)排氣道的壁面，從鑄造工藝角度出發(fā)，這里也不能太薄，不允許以尖角的形狀通到氣門(mén)間的低板，尖角的最小半徑R不得小于3mm。3、消除死水區(qū) 冷卻水不流動(dòng)的地方傳熱效果差，會(huì)使溫度升高。如果由于高溫而出現(xiàn)沸騰狀態(tài)，傳熱會(huì)進(jìn)一步惡化，溫度會(huì)進(jìn)一步升高。如此惡性循環(huán)，使材料強(qiáng)度下降而出現(xiàn)裂紋。所以要在氣缸蓋的橫隔板上的進(jìn)氣道一側(cè)的最高處開(kāi)設(shè)小孔，用來(lái)溝通隔板上下水腔，以免聚集氣泡和出現(xiàn)死水區(qū)。另外，還要注意高溫地區(qū)的清砂問(wèn)題，以免清砂不干凈影響傳熱。§3.8 氣缸蓋螺栓的布置氣缸蓋螺栓是氣缸蓋與機(jī)體的連接件，它的位置和數(shù)目對(duì)氣缸蓋和機(jī)體的受力情況、氣缸蓋與機(jī)體間接合面密封的可靠程度以及氣缸蓋的變形都有很大的影響，氣缸蓋螺栓數(shù)目及布置方案與氣缸蓋結(jié)構(gòu)型式、氣道、水孔、推桿孔位置及缸心距有關(guān)。它影響著柴油機(jī)的緊湊性和氣缸墊片的密封性，同時(shí)也與柴