Z398柴油机(气缸盖)毕业设计说明书.doc
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车辆与动力工程学院毕业设计说明书
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。
通过参数及工艺性能的控制可使燃油消耗率保持在250g/(kW·h)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
I
THEDESIGNOFZ398DIESELENGINE(CYLINDERHEAD)
ABSTRACT
ThispapermainlyintroducesthedesignoftheZ398dieselenginecylinderhead.Inthisdesign,consideringtheZ398dieselenginesaremainlyappliedinsmallandmedium-sizedmachinery,agriculturalproductionenvironmentisbad,needoftenhasbetterperformanceforinternalmachineryproductsprovideenoughpower.TheDieselZ398whichdesignedthistimeisonthebasisoftheoldDiesel398andincreasingthepistonstroke,withitspowerperformanceandeconomicalefficiencyenhanced.However,becauseoftheworkitineraryincreased,itsbalancebecameworse,noiseandvibrationalsoincreased.Sointhisdesign,Ihavetotakesomecertainmeasures.CombustionChamberusinginjectiontype,easytostart,energysavingeffect,andcanmaketheefficiencyandperformanceimprovedgreatly.Theenginespeedis2800r/min,about40kWcalibrationpower,speedandthecurrentlowpowerofthecarneeds.Throughtheparametersandprocessperformancecontrolcanmakefuelconsumptionin250g/(kW·h).Thispaperdiscussesthedesignrequirementsandcharacteristicsofthecylinderimportantparts。
MymaintaskistodesignZ398enginecylinderhead.Onthefirst,accordingtothediesel’sperformancetarget,Ishouldtochoosethemainperformancemarkofthediesel.Theninthelightofthedesignof398dieselcylinderheadtodesignthestructure.Whenexplainedtheprocessofthecylinderheaddesign,Ialsosummarizedthemainparts.ThisthesisfocusedonexpoundingthefoundationandprocessoftheZ398dieselenginecylinderheaddesign.Meanwhile,thecylinderheadmaterialselection,thecoolingchannel,intake,exhaustandthecylinderheadbolts,arrangementalsowerediscussed.
KEYWORDS:
dieselengine,cylinderhead,coolingchannel,intake,exhaust
III
目录
第一章前言 1
§1.1设计的依据与意义 1
§1.2柴油机技术概述及发展趋势 2
§1.2.1概述 2
§1.2.2柴油机技术的发展趋势 2
§1.3我国柴油机技术的发展 4
第二章整体设计 6
§2.1柴油机设计的总体要求 6
§2.1.1内燃机的设计要求 6
§2.1.2内燃机设计工作中的“三化” 6
§2.2柴油机的设计要求 7
§2.3Z398柴油机简介 8
§2.4柴油机主要零部件的设计 9
§2.4.1活塞 9
§2.4.2连杆 10
§2.4.3曲轴飞轮组 10
§2.4.4气缸盖 11
§2.4.5机体组 11
第三章气缸盖设计 13
§3.1气缸盖的工作条件 13
§3.2气缸盖的设计要求 14
§3.3气缸盖的材料 15
§3.4气缸盖结构形式的选择 16
§3.5气缸盖主要尺寸的确定 17
§3.6进、排气道的设计 17
§3.7冷却水道的设计 19
§3.8气缸盖螺栓的布置 20
第四章热力计算 22
§4.1热力计算的意义 22
§4.2热力计算的过程[16] 22
§4.2.1热力计算所用参数参考 22
§4.2.2燃料热化学计算 23
§4.2.3换气过程参数的计算 24
§4.2.4压缩过程的计算 25
§4.2.5燃烧过程的计算 25
§4.2.6膨胀过程的计算 26
§4.2.7指示性能参数的计算 27
§4.2.8有效性能参数的计算 28
§4.2.9热力计算数据表 28
§4.2.10绘制P-Φ图 33
第五章结论 34
参考文献 35
致谢 36
V
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2800r/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Ⅱ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(RudolfDiesel)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30~50kW/L,扭矩储备系数可达到0.35以上,最低燃油耗可达到198g/(kW·h),标定功率油耗可达到204g/(kW·h);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,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Ⅲ排放限值要求,一些甚至可以达到欧Ⅳ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。
30
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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Ⅳ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、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。
§2.3Z398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、ω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
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7~8MPa。
目前,由于高增压强化,柴油机的最高气体爆发压力已达到17~18MPa,有的甚至更高。
同时,在高速内燃机中,循环的变化频率很高。
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1800~2600℃,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
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