Z398柴油机(气缸盖)毕业设计说明书(共39页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上Z398柴油机设计（气缸盖）摘 要本文主要介绍Z398柴油机气缸盖的设计。在本次设计中，考虑到398柴油机主要应用于农业生产中的中小型机械，环境往往较为恶劣，需要内燃机具有较好的动力性能为农机产品提供足够的动力。本次设计在398柴油机基础上加大了活塞的工作行程，改球形燃烧室为W形燃烧室，使其动力性与经济性都有所提高。但由于工作行程的加大，平衡性变差，噪音与震动加大，在设计时对其采取一定的措施。燃烧系统采用直喷型，易启动，节能效果明显，可使经济性和动力性大大提高。发动机转速为2800r/min左右，标定功率约40kW，符合当今低速汽车对转速及功率的需求。通过参数及工艺性

2、能的控制可使燃油消耗率保持在250g/(kWh)以内。本文着重讨论了气缸盖重要部位的设计要求及特点。本人主要任务是设计Z398柴油机的气缸盖，首先根据柴油机的性能指标对柴油机主要的性能参数进行了选择。然后在参照398柴油机的气缸盖结构进行结构设计。在阐述气缸盖设计过程的同时也对主要零部件的设计要点作了总结。本说明书中重点论述了Z398柴油机气缸盖的设计依据与设计过程。同时，对气缸盖材料的选择、冷却水道的布置、进排气道的布置以及缸盖螺栓的布置等问题也进行了讨论。关键词： 柴油机，气缸盖，冷却水道，进气道，排气道专心-专注-专业THE DESIGN OF Z398 DIESEL ENGINE （C

3、YLINDER 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 internal

4、 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, noise

5、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 th

6、e current low power of the car needs. Through the parameters and process performance control can make fuel consumption in 250g/(kWh ).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 first, ac

7、cording 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 focused on

8、 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, intake,

9、 exhaust目 录第一章 前 言1.1 设计的依据与意义由于科学技术的进步和国际油价的不断上涨以及人们对柴油机性能要求的不断提高，现代柴油机正朝着高强化、轻质量、低油耗、工作可靠、寿命长、低有害物排放、低噪声、便于使用和维修等方向发展。与此同时近年来国家对农业越来越重视，并大力推行机械化生产，这给农业机械的应用带来了新的挑战。在我国的农机市场快速发展的大背景下，我们特此推出Z398系列柴油机：标定功率为40kW、标定转速为2800 r/min，其特点是油耗低、成本低、可靠性大、扭矩大、易启动、排放低、体积小、功率大、操作维修方便，主要适用于发电机组，小型农业机械，小型工程机械等等。国内匹配

10、此机型的发动机有上柴G128/135、C（121）、D(114)、P11C、105五大系列、山东潍柴40GF-R系列、玉柴YC4108、YC4110、YC6105、YC6108、YC6112等系列。可见国内这类产品还不是很多，因此Z398系列柴油机有很大的竞争空间。其与其它同类产品的优势如下：1：Z398采用废气涡轮增压技术，在我国农机产品中使用涡轮增压的还很少，在相同排量的情况下，最大限度优化了噪音，并在降低整机重量的同时，最大限度的挖掘出柴油机的动态性能，而且其效率并没有降低。在燃油消耗率上也比非增压的发动机低，性能得到很大的提升。2：Z398采用直列三缸排布，因此结构简单，造价成本低，维

11、修费用少，便于三化。作为农机用品，使用方便易于维修是Z398的一大优势。3：Z398采用废气涡轮增压技术，在排放要求上更易满足国标准，目前国内很少有农用非增压发动机能做到这一点，所以在同类产品中优势巨大，具有很大的发展潜力。1.2 柴油机技术概述及发展趋势1.2.1 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

12、储备系数可达到0.35以上，最低燃油耗可达到198g/（kWh），标定功率油耗可达到204g/（kWh）；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。在美国、日本以及欧洲100%的重型汽车使用柴油机为动力。 在欧洲，90%的商用车及33%的轿车为柴油车。在美国，90%的商用车为柴油车。在日本，38%的商用车为柴油车，9.2%的轿车为柴油车。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

13、普及与发展。 1.2.2 柴油机技术的发展趋势现代高性能柴油机由于热效率比汽油机高、污染物排放比汽油机少，作为汽车动力应用日益广泛。西欧国家不但载货汽车和客车使用柴油发动机，而且轿车采用柴油机的比例也相当大。最近，美国联邦政府能源部和以美国三大汽车公司为代表的美国汽车研究所理事会正在开发的新一代经济型轿车同样将柴油机作为动力配置。 经过多年的研究、大量新技术的应用，柴油机最大的问题烟度和噪声取得重大突破，达到了汽油机的水平4。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，下面是一些柴油机方面的新技术。一、电控喷射和高压共轨喷射 柴油机电控喷射系统由传感器、ECU（控

14、制单元）和执行机构三部分组成。其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、温度、压力等传感器，将实时检测的参数同步输入计算机，与ECU巳储存的参数值进行比较，经过处理计算按照最佳值对执行机构进行控制，驱动喷油系统，使柴油机运作状态达到最佳。为了使负荷调节更加精确，产生了共轨技术。共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统。所有气缸的喷嘴都连接着一根公共的油管（简称油轨），油轨里始终有恒定的压力，高压喷油泵将燃油送入油轨，然后才由油轨送入喷油器。喷油器的开启都由电磁阀内的燃油压差来控制，电控单元ECU根据负荷转速等信号确定应有的喷射压力和喷

15、油时刻，在恰当的时刻发出脉冲信号，使喷油器恰当开启。其特点是可以自由控制喷油量和压力、自由控制喷油速率和喷油正时。该系统的另一优点是通过对喷油器的电磁阀进行必要的设计和控制后，能实现预喷射和主喷射组成的二次喷射，对降低燃烧时的噪声和NOx排放很有利。二、增压中冷技术 增压可使柴油机在排量不变，重量增加不大的情况下达到增加输出功率的目的。与相同功率的非增压柴油机相比，增压柴油机不仅体积小，重量轻，功率大，而且还降低了单位功率的成本。因此，增压技术不仅广泛应用在柴油机上，而且还推广到汽油机，是改善内燃发动机的重要技术手段。但是空气压力的提高就是空气密度的提高，空气密度的提高必然会使空气温度也同时增

16、高。发动机涡轮增压器的出风口温度也会随着压力增大而升高，温度提高反过来会限制空气密度的提高，要进一步提高空气密度就要降低增压空气的温度。据实验显示，在相同的空燃比条件下，增压空气温度每下降10摄氏度，柴油机功率能提高3%5%，还能降低排放中的氮氧化合物（NOx），大大改善发动机的低速性能。因此，也就产生了中间冷却技术。柴油机中间冷却技术的类型分两种，一种是利用柴油机的循环冷却水对中冷器进行冷却，另一种是利用散热器冷却，也就是用外界空气冷却。当利用冷却水冷却时，需要添置一个独立循环水的辅助系统才能达到较好的冷却效果，这种方式成本较高而且机构复杂。因此，汽车柴油机大都采用空气冷却式中冷器。空气冷却

17、式中冷器利用管道将压缩空气通到一个散热器中，利用风扇提供的冷却空气强行冷却。空气冷却式中冷器可以安装在发动机水箱的前面、旁边或者另外安装在一个独立的位置上，它的波形铝制散热片和管道与发动机水箱结构相似，热传导效率高，可将增压空气的温度冷却到50至60摄氏度。工作循环温度的下降有助于NOx的低排放和PM的下降，故目前重型车用柴油机都普遍是增压中冷型，不仅有助于低排放而且燃油经济性良好。此外，涡轮前排气旁通阀的应用，不仅能降低PM和CO排放，还可以改善涡轮增压柴油机的瞬态性能和低速扭矩。三、排气再循环（EGR）技术的应用 EGR 是目前发达国家先进内燃机中普遍采用的技术，其工作原理是将少量废气引入

18、气缸内，这种不可再燃烧的CO2 及水蒸汽废气的热容量较大，能使燃烧过程的着火延迟期增加，燃烧速率变慢，缸内最高燃烧温度下降，破坏 NOx的生成条件。EGR技术可使机动车NOx排放明显降低，但对重型车用柴油机而言，目前倾向于使用中冷EGR技术，因为其不仅能明显降低NOx，还能保持其他污染物的低水平。四、后处理技术 柴油机后处理的目标是进一步改善PM和NOx的排放。目前主要采用加装氧化型催化转化器和研究开发NOx催化转化器以及具有良好再生能力的微粒捕集器。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，

19、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。1.3 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

20、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。

21、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

22、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2.1 柴油机设计的总体要求2.1.1 内燃机的设计要求在结构设计和总体布置设计时，要求尽可能采用一般钢材，零部件的工艺性要好，要适合于大量生产。它们的附属系统（如供油系、起动机、三滤、散热器等）往往都是专业化生产的。这就更严格地要求符合“三化”的规定。而且要求这些柴油机的重量轻、体积小、质量好、效率高、机构简单、使用方便，此外对于发动机的启动性和制造工艺性以及使用维修方便性的要求也是很重要的。例如动力性与经济性，重量轻与使用寿命长，性能指标

23、与制造成本等等。在柴油机的排放方面，由于柴油机排出有害气体（NOX、CO、HC等）连同噪音、臭味等共同构成了人类环境的污染源之一。国外已经严格控制发动机的排放，为其制定相应的标准，我国现在采用欧洲排放标准，法规规定到2008年一些较大城市（如北京、上海）实行欧排放标准，其它地区逐年实现。2.1.2 内燃机设计工作中的“三化”内燃机的产品系列化、零部件通用化、零件设计标准化统称为内燃机设计的“三化”。内燃机的“三化”是属于产品质量管理问题，它对国民经济将产生深远的影响，它是社会主义制度下的一项重要技术政策。它对提高产品质量、降低产品成本，发展新产品，合理组织企业生产，提高劳动生产率，便于使用。维

24、修和配件供应，零件互换等都具有重要的作用。1、产品系列化内燃机的系列化是指以极少的基本规格尺寸(一般以气缸直径和冲程)的内燃机通过改变气缸数目及其排列形式、增压度、转速，燃料、零件的材料、或者增加若干附件等方法来扩大其功率范围，改变其轮廓尺寸等，发展品种繁多的变型，以满足国民经济中不同用途的需要。例如：车用、拖拉机用、固定用、船用、工程机械用等不同用途的各种功率等级的内燃机。我国内燃机的“三化”是以缸径为基础制定国家型谱的，设计和制造内燃机新产品必须严格遵守国家系列化型谱的规定，以便用尽可能少的系列机型通过合理变型来满足各种用途的需要，以免产品系列繁多，生产管理混乱。凡属同一系列的内燃机要求主

25、要结构相同，主要零部件要求尽可能通用，易损件要能互换，否则不能称为同一系列的内燃机。2、零部件通用化零部件通用化是指同一系列的机型中。备机型的零部件能够互换通用并尽量采用标准件。不同系列的柴油机在设计时也要考虑某些零部件在可能的情况下尽量与别的系列的机型可以相互通用，如起动机、发电机、高压油泵、机油泵、化油器机油滤清器，燃油滤清器、空气滤清器、水箱、风扇等，以便尽量减少整个内燃机工业中零部件的数目和种类。3、零件设计标准化零件设计标准化是指在进行零部件设计时应尽量按照国家标准和部颁标准或厂际标准来决定零部件的尺寸、结构、材料、技术条件等，并按国家机械制图标准绘制零件工作图和零件图，遵照国家规定

26、使用名词和术语等 1,3 。2.2 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。 作为农用机械动力的Z398柴油机，因其配套种类繁多，其性能、结构和使用情况随地区不同而差别悬殊，且大部分农用柴油机工作环境恶劣，同时使用负荷不均，有时超负荷，有时负荷较低，而且可能性连续工作几十个小时以上，故柴油机的设计要求如下：1、使用的可靠性和耐久性，这是作为农用柴油机的重要要求，因此选用较低的活塞平均速度和平均有效压力，目前多数为四冲程柴油机。2、要有好的经济性，造价低廉，燃油和机油消耗率低。3、易起动、好操纵、

27、维修方便，适合于农村的使用条件。4、要有好的动力性，柴油机发出的功率要能够满足使用的要求。5、空气、燃油、机油滤清器的过滤面积要大，且容易清洗和 更换。2.3 Z398柴油机简介 Z398柴油机主要用于轮式拖拉机动力，经过一定改装和调整后，可用于排灌动力、发电机组和小型载重汽车上。其特点是结构紧凑、重量轻、性能好。Z398柴油机的技术参数：型式：增压、直喷、直列、三缸、立式、水冷、四冲程、形燃烧室活塞行程/气缸直径： 110/98（mm）标定功率/转速： 40（kW）/2800（r/min）压缩比： 17 ：1燃油消耗率： 238（g/(kWh）)润滑方式： 压力及飞溅复合式启动方式： 电启动

28、气缸盖和机体都是整体铸造的，机体下平面与曲轴线相平，因此结构轻巧。采用湿式气缸套，因此机体冷却效果良好。缸套材料为高磷合金铸铁，壁厚为7毫米。活塞由硅铝合金铸造，头部共有两道气环和一道油环。活塞销是浮式的。连杆用钢锻制成，具有平切口连杆大头。两个连杆螺栓加工有定位带以保证连杆盖的定位。球铁曲轴是全支承的，带平衡块，其轴向定位设在后轴承上。曲轴后端凸缘用螺钉将甩油盘和飞轮固定在一起。曲轴的前端装有皮带轮和起动爪。主轴瓦和连杆轴瓦都是高锡铝合金薄壁轴瓦。凸轮轴布置在机体的上部，具有三个支承。气门、摇臂直接由较长的菌形挺柱驱动。这样可使气门机构的刚性加大。气门上都设有两个气门弹簧座和两个气门弹簧。润

29、滑系统中，有转子式机油泵，固定在第一主轴承盖上，经中间齿轮由曲轴齿轮驱动。冷却系中的离心水泵和风扇都是由曲轴皮带轮直接驱动的。柴油机采用电起动，为了适应冬季冷起动的需要，在进气管内装有起动预热器。为了适应拖拉机工作的，Z398型柴油机采用带有一级旋风的纸质空气滤清器，具有较高的滤清效率。2.4 柴油机主要零部件的设计2.4.1 活塞活塞是在恶劣的条件下工作的。首先，它承受着很大的机械负荷。活塞顶上作用有不断变化的气体压力。对于柴油机来说，气体压力的最大值Pmax一般是在78MPa。目前，由于高增压强化，柴油机的最高气体爆发压力已达到1718MPa，有的甚至更高。同时，在高速内燃机中，循环的变化

30、频率很高。这样就使作用在活塞上的载荷是具有冲击性的。活塞在气缸里做高速运动，还会产生很大的往复惯性力。为了减小活塞组的往复惯性力，设计活塞时要尽量减小结构质量，选用密度小、强度高的材料。其次，活塞在工作中承受着很高的热负荷。活塞顶与燃烧室中最高温度为18002600，热量通过对流以及热辐射等方式传到活塞顶。由于柴油机燃烧的特点，使活塞受热强度分布不均匀，此外还因为在有效燃烧期中气体介质具有较高的密度和紊流的作用，也使得燃气传给活塞的热量增加。为了防止活塞受热部分温度过高，一般都力求减小燃气向活塞的传热量并使流入活塞的热量能很好的散走。再次，活塞沿气缸作高速滑动，活塞裙部受侧向力的作用，在润滑不

31、良的情况下，常常造成活塞、活塞环和气缸之间的剧烈磨檫和磨损。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。2.4.2 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

32、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。也就是说在力的作用下，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1,4：1、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；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

33、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。2.4.3 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注意的

34、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，只要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，是内燃机工作平稳。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。2.4.4 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5：1、气缸盖要与足够的刚度。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

35、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，以及气缸盖冷却的措施的设计。具体详细见第三章。2.4.5 机体组机体部分包括：气缸体、曲轴箱、机座（或油底壳）、主轴承盖等零件。一般柴油机的气缸体与曲轴箱合为一体。总称为机体。而机体又有机座式机体与无机座式机体之分。机体结构和受力情况复杂。它是安装运动件和附件的支承架，通常又是支承柴油机的安装基础。当柴油机工作时，机体承受着大小和方向作周期性变化的气体力、惯性力和力矩的作用。机体的结构设计必须保证它有足够的强度和刚度；曲轴箱部分的形状和尺寸要尽可能紧凑。水道和油道设

36、计时一定要注意，以及各部分的外轮廓的设计。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8：1、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。2、依据受力情况，合理设计受力部位的结构和形状，使作用力集中在某些限定区域内。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、目前柴油机的设计，趋向于将油、水和空气管道、水泵外壳等零件铸入机休内，使机体外部管子的数量和长度，安排得较少和较短。这样，既增加加机体刚度，亦可使外形布置紧凑和简洁。5、注意噪声的降低和考虑标准化、系列化和通用化问题。6、机体的接近性要好（即易接近气缸盖、运动件和附件等）

37、，便于零件和部件的装拆、维修和搬运。7、工艺性好，成本低廉；材料宜取，价廉材广。第三章 气缸盖设计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。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，如进排气门及其驱动机构、喷油器、检爆阀、空气启动阀等等。此外，还有一部分热量要通过它传给冷却介质。1、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

38、周期相同，频率较高。2、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。3、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1

39、0倍左右，如果不采取适当措施，往往使气缸盖底板发生裂纹。气缸盖底板上产生裂纹的原因，比较普遍的看法是由于材料的“热疲劳”。裂纹产生的工程如下：内燃机工作时，气缸盖底板上局部受热地区的温度可达300400，比四周要高得多，而热膨胀却受到限制，因此产生很高的压缩应力。金属在高温和应力的联合作用下会发生蠕变。如果气缸盖是铸铁材料，当温度超过350时，其抗蠕变性能下降；而铝合金气缸盖，抗蠕变性能下降的温度则更低。蠕变的结果便产生朔性变形。当停车后，温度降低，受热面的收缩却因朔性变形而受到阻碍，从而产生拉伸应力，成为残余拉伸应力。局部地区温度超过允许值愈多，使用时间愈长，残余拉伸应力也愈大。拉压应力的反

40、复交变作用，便产生疲劳裂纹。当材料本身有缺陷或加工中有细微裂纹时，便使疲劳裂纹迅速发展。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。3.2 气缸盖的设计要求气缸盖的工作条件是比较苛刻的，他要求承受燃烧气体产生的高温高压的作用。在柴油机和顶置气门的汽油机气缸盖上要布置气门、气门座、进排气道、燃烧室、火花塞以及冷却水道等等，气缸盖的结构就变得很复杂，铸造和加工也困难。从气缸盖的功用和工作条件出发，它的设计要求主要有下列几点1：1、具有足够的强度和刚度。气缸盖应具有足够的强度以承受机械应力和热应力。

41、要具有足够的刚度以保证气缸盖工作时变形最小，使气缸密封可靠。如果气缸盖的变形过大会加速气门座的剧烈磨损、气门咬死和气缸密封破坏，造成漏气、漏水、漏油，严重时造成内燃机无法工作。2、气门与气道的布置要合理，进排气道的流动阻力要小，以达到换气“干净”的目的。同时还要配合燃烧，组织进气气流的方向和合适的涡流强度。3、冷却良好，防止温度过高，使气缸盖的温度分布尽可能均匀，以避免过大的热应力。4、结构力求简单，布置力求对称，壁厚尽量均匀，以减少铸造的内应力和工作中的热应力。5、气缸盖上装有许多其它零件，如配气机构、喷油器、起动阀等，设计时必须考虑它们拆装和维修的方便。6、气缸盖螺栓孔的布置要合理。3.3

42、 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，其热应力特征系数值愈小，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征数之比值。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10；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铝合金、铸铁和钢三种。处在研究价段的有聚合物复合材料与蠕墨铸铁。然而就目前国内而言

43、，除了部分轿车采用铝合金外大部分还是采有铸铁材料。气缸盖常用几种材料的比较如下6：1、铝合金 由于铝合金的导热系数大（比钢大34倍），而弹性模数只要钢的1/3，在温度较低时（低于250）具有较高的热强度。而且它的熔点低，铸造流动性好。但它的强度低，且随温度升高其强度急剧下降，朔性变形大，热膨胀系数也大（比钢大一倍），当装在铸铁机体上时，气缸的密封较困难，而且价格昂贵。它广泛用作汽油机和风冷式柴油机的气缸盖材料，以充分利用其良好的导热性能。在要严格控制重量或要求低磁、无磁的柴油机上也用铝合金作为气缸盖的材料。2、铸铁 灰铸铁是做水冷柴油机气缸盖最常用的材料，因为它的铸造性能好，在350以内有足够

44、的热强度，膨胀系数小，价格低廉，但其导热性差。加入适量的合金元素可细化晶粒，提高其耐热性，能在350400下长期工作。所以对于强化程度较高的柴油机气缸盖都要求加合金元素。根据我国的材料来源，以加铜、铬、钼等合金元素较多。加入量大致如下：当含碳量在3%以上时，含铜量应为含铬量的34倍，含钼量应和含铜量相当。由于铜、铬、钼的加入量均不高，因此这种合金铸铁仍具有良好的铸造性能。3、钢 它的热强度最好，对于大功率的中、低速柴油机，由于气缸盖要承受更高的机械负荷和热负荷，所以常采用铸钢来铸造气缸盖。但铸钢的熔点高、流动性差、收缩大，因此也只在形状简单的二冲程柴油机上应用。对于结构复杂的四冲程柴油机的气缸

45、盖，由于性能上的需要而采用铸钢为材料时，也往往采用铸钢件和钢板通过焊接组合起来的铸焊结构。但这种铸焊结构的焊接工艺要求高，工艺流程长，成本昂贵，目前应用并不广泛。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。Z398柴油机也不例外在气缸盖材料方面也做了有益的探索并取得了显著的效果，对于上面所提及的几种气缸盖材料Z398柴油机都有应用，但本次设计以中国一拖集团公司的398柴油机气缸盖为基础。本着满足国内中低档市场需求的宗旨。因此，气缸盖材料采用传统的铸铁材料8。根据满足使用性能的条件下，尽量选用经济的材料，所以本次Z398柴油机气缸盖的设计选用灰

46、铸铁。对灰铸铁的选择如下表3-19：表3-1 常用灰铸铁材料的性能参数牌号b/MPabb/MPabc/MPaHBSHT200200400750170220HT2502504701000190240根据气缸盖的工作条件和气缸盖所受的应力情况，选用HT250。3.4 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。它的优点是可以省去两缸之间重复的水套壁厚，结构紧凑，零部件少，使内燃机的气缸中心距短，重量轻，制造成本低，因此为小型和高速轻型水冷式内燃机所广泛采用。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

47、单独的气缸盖来说压力均匀。单体式气缸盖还有便于制造和维修的优点，在制造中可以减少废品率，在使用中发生损坏时也便于单独更换。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Z398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。3.5 气缸盖主要尺寸的确定气缸盖底部必须有一定的厚度，过薄会引起底部变形以及引起气门座磨损和漏气。取气缸盖底面厚度值为=0.05D+2mm14。气缸盖的宽度取决于机体的宽度。气缸盖的高度，对于柴油机取决于进气道的截面积、排气道水夹层的高度、燃烧室型式和喷油器尺寸，气缸盖的高度大致为H=（0.831.00）d6。3.6 进、排气道的设计气缸盖的进、排气道的设计对内燃机的充气效率（表现在气流的压力损失，进气涡流，同名气门流量的差别等方面）和排气能量的利用有相当大的影响。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，表面要光洁3。1、排气道 从排气门座到气道喉口之间应有一个逐渐