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
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
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本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：（签名）单位：（盖章）
年月日
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
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3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
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建议成绩：□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：（签名）单位：（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
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2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
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三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
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2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：□优□良□中□及格□不及格教研室主任（或答辩小组组长）：（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：（签名）
年月日
目录
摘要 ................................................................................................................................................ I Abstract................................................................................................................................... II 第一章绪论 (1)
1.1内燃机气缸盖的研究及发展现状 (1)
1.2 所要解决的问题和注意事项 (2)
第二章 CY4100柴油机的设计参数 (3)
2.1 主要技术指标 (3)
2.2 整机技术规格 (3)
第三章气缸盖的设计 (4)
3.1 气缸盖的工作条件 (4)
3.2 气缸盖的设计要求 (5)
3.3 气缸盖材料的选择 (5)
3.4 气缸盖结构设计 (9)
3.5 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 (19)
4.1参数选择 (19)
4.2设计计算及说明 (20)
第五章气缸盖的热力计算 (26)
5.1 参数选择 (26)
5.2 燃料热化学计算 (27)
5.3 燃烧过程的热力计算 (28)
总结 (31)
致谢 (32)
参考文献 (33)
摘要
柴油机以其较高的热效率、扭矩特性和可靠性被广泛用作船舶、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
Abstract
Diesel 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 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 object 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 "Diesel 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 collocation,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
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“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。
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 1800~2000
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 0.2
≤（型式认证）排气温度℃700
≤（涡前）
≤最高空车稳定转速r/min 3600
≤最低空载稳定转速r/min 750
≤机油消耗百分比% 6.0
≤稳态调速率% 15排放欧Ⅱ
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数－缸径×行程4－100×118mm
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
冷却方式强制循环闭式
外形尺寸(长×宽×高) 791mm×694mm×755mm
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。
（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。
（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
3.0～3.3 1.4～1.7 0.8～1.0 ＜0.15 ≤0.12
b.对灰铸铁性能都有着重要的影响，详见《机械加工工艺手册》
c.铸铁的牌号有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350等6种，牌号右边的数字表示该牌号灰铸铁的抗拉强度最低值。
d.铁的机械性能与铸件壁厚有关，同一牌号的灰铸铁因铸件壁厚不同具有不同的抗拉强度。各种牌号不同壁厚的灰铸铁性能达到强度参考值见《机械加工工艺手册》。机械性能见下表3-2以HT250为例。
表3-2灰铸铁HT250的各种机械性能
牌号抗拉强度
（MPa）
抗切强度
（MPa）
弹性模量
E(MPa)
疲劳极限
（MPa）
硬度HB
HT250 785～981 277 108～127 98～127 143～269
（2）耐磨灰铸铁
在灰铸铁中由于加入少量合金元素，可不同程度地减小铁素体的数量，同时珠光体也相应的细化。而且在珠光体内的铁素体的数量中固溶数量的合金元素，石墨也一定程度的细化。由于上述组织的特点，显著地提高了铸铁的强度和硬度，具有很好地保持连续油墨的能力，即保持良好的润滑性，能抵抗咬合或擦伤，在工作温度中能保持较高的机械性能，如机床导轨、汽缸套、油塞环、凸轮轴等。
耐磨灰铸铁的切削加工性能都较好，但是刀具磨损比一般灰铸铁高。含磷较高时，刨削应注意边缘处产生崩裂现象。磨削时，工时稍有增加，可采用大孔隙砂轮，磨后表面粗糙度变细。人工刮研与攻丝等较困难。
（3）球墨铸铁
球墨铸铁（简称球铁）是将接近灰铸铁成分（也可包括某些合金元素）的铁水，经镁或镁合金或者其它球化剂球化处理后而获得具有球状石墨的铸铁。由于这种铸铁中的石墨呈球状，所以大大减轻了石墨对基体的分割作用和尖口作用。球墨铸铁具有灰铸铁的优良性能，又兼有钢的高强度性能，有比钢更好的耐磨性、抗氧化性、减震性及小的缺口敏感性。它可以进行多种热处理以提高强度。
可锻铸铁是将一定成分的白口铸铁经过石墨化退火（或脱碳退火）处理的一种铸铁，也称韧铁或马铁。石墨退火时把共晶渗碳体和二次渗碳体全部分解，而共析渗碳体则不可分解货部分分解货全部分解。因此，按基体组织又可分为铁素体可锻铸铁和珠光体可锻铸铁。
可锻铸铁的性能优于灰铸铁，适用于动态载荷下要求塑性和韧性较高的铸件，尤其是复杂薄壁的小件。厚度大的铸件需要采用复杂孕育处理。可锻铸铁的切削性能好，车削加工性能优于易切钢。退火时产生的表层优于组织不均匀，对可锻铸铁的切削性极为有害。可断铸铁有较好的减震性能优于球墨铸铁，低于灰铸铁，适用于承受振动的零件，尤其是黑心可锻铸铁的，它的减震能力约为铸钢的3倍，球墨铸铁的2倍。
（5）蠕墨铸铁
蠕虫状石墨铸铁的石墨形似蠕虫，较短而厚，头部较圆蠕墨铸铁。国内过去将这种铸铁称为稀土铸铁或稀土高强度铸铁，现称蠕墨铸铁。宏观断口呈暗墨色至浅灰色。
蠕墨铸铁的机械性能介于基本组织的相同的优质灰铸铁和球墨铸铁之间。优于石墨形态岁基体的破坏小，且具有一定的韧性。另一方面，又由于石墨是相互连接的，强度和韧性都不如球墨铸铁。
蠕墨铸铁主要用于：
①经受热循环载荷的铸件，如钢锭模、玻璃模具、柴油机缸盖、排气歧管等
②要组织致密、耐压的铸件，如齿轮泵体、叶片泵体、换向阀体等。
③要求强度高、形状复杂、断面尺寸差别大，用球墨铸铁、高牌号合金灰铸铁都不易浇成的铸件。
（6）特种铸铁
特种铸铁是特殊性能铸铁的简称，它是在腐蚀介质中，高温条件下或剧烈摩擦、磨损等场合使用的铸铁，与相似条件下使用的合金钢相比，熔炼简便，成本廉价，有很好的使用性能。特种铸铁的缺点是机械性能比合金钢低，脆性较大，容易破碎。
合金铸铁是指在普通铸铁中加入合金元素而具有特殊性能的铸铁。通常加入的合金元素有硅、锰、磷、镍、铬、钼、铜、铝、硼、钒、钛、锑、锡等。合金铸铁根据合金元素的加入量分为低合金铸铁 (合金元素含量<3%)、中合金铸铁（合金元素含量为>10%）。合金元素能使铸铁基体组织发生变化，从而使铸铁获得特殊的耐热、耐磨、耐腐蚀、无磁和耐低温等物理-化学性能，因此这种铸铁也叫“特殊性能铸铁”。合金铸铁广泛用于机器制造、冶金矿山、化工、仪表工业以及冷冻技术等部门。
根据选材的一般原则以及发动机缸盖工作的需要，结合各种铸铁材料的性能特性及应用范围，发动机缸盖的材料选为合金铸铁。
3.4 气缸盖结构设计
3.4.1 气缸盖结构形式的选择
水冷内燃机对的气缸盖有整体式、分块式和单体式三种。当缸径mm
≤
D105时，一般多采用整体式气缸盖，它的优点是零件数少，使内燃机的气缸中心距缩短，结构紧凑，质量轻，制造成本低。如果选用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型芯尺寸的条件下得到既有足够的起到面积又有先进的气缸中心距。综上，本次设计的4100柴油机气缸盖是采用的四缸一体式结构。
3.4.2 结构的工艺性
气缸盖的结构工艺性能影响其生产率和经济性，及生产的顺利进行。在保证产品使用要求的前提下，提高生产率，减少劳动量及材料消耗，降低生产成本。
零件结构要素标准化，不仅简化了设计工作，而且减少了工艺装备的规格，还由于不需要专门的工艺装备而缩短了零件的生产周期，降低制造成本。
尽量采用标准件和通用件，例如缸盖上的喷油器。这样一来，减少了产品中的零件种类，减少了刀具和量具的种类，简化了工艺过程，降低了缸盖的制造成本，扩大了零件制造的批量。
零件的结构要有可靠的定位面和夹紧面，要保证零件易于加工。尽量保证缸盖的加工次数和安装次数，尽量减少缸盖的加工表面，要保证刀具能够正常工作，不能因为结构工艺而损坏刀具。
结构工艺性能应满足缸盖在装配过程中零件的相互位置关系。缸盖的尺寸应该满足总的装配精度要求；应使零件机械加工时易于安装、调整和测量等。
3.4.3 气门的布置
气门数目的确定是缸盖设计的重要环节。目前采用的大多是2、4气门的结构形式。表3-3显示了不同气门数的优缺点：
表3-3 不同气门数的优缺点
气门数目优点缺点
两气门1.气门结构简单
2.型芯相对简单，铸造工
艺好
3.成本低
1.充量更换差
2.喷油器偏置，影响性能
四气门1.充量更换潜力大
2.喷油器垂直放在中央
3.气门小，机械强度和热
强度高
4.热应力分布比较均匀
1.气门机构复杂
2.气道复杂，进气道研制
时间长
3.型芯复杂且空间很小
4.要增加气缸中心距
又因为对于mm
D135
≤小型低增压柴油机，宜选用二气门气缸盖结构。因此，本次4100柴油机的设计是采用的两气门结构，如图3-1。