3102柴油機(jī)氣缸蓋設(shè)計(jì)

王永飛,姚龍水

(長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西西安 710061)

0 引言

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)要注意以下幾點(diǎn)[1]：

(1)氣缸蓋要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證工作時(shí)變形小，從而避免氣門的磨損、氣門桿咬死、氣門密封失效等故障；

(2)設(shè)計(jì)合理的氣門(數(shù)目、大小)和進(jìn)排氣道，保證高充氣效率，對(duì)直噴式燃燒室還要求有合適的進(jìn)氣渦流強(qiáng)度；

(3)要組織好氣缸蓋的冷卻，以防氣缸蓋的溫度過高以及溫度分布不均產(chǎn)生熱應(yīng)力過大；

(4)各個(gè)零部件以及氣門機(jī)構(gòu)要拆裝方便，結(jié)構(gòu)力求簡單，鑄造工藝性良好，布置力求對(duì)稱，壁厚盡量均勻；

(5)氣缸蓋螺栓孔的布置要合理。

氣缸蓋的設(shè)計(jì)包括：氣缸蓋形式的選擇，氣門數(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，氣門、燃燒室及噴油器在氣缸中的布置以及氣缸蓋冷卻措施的設(shè)計(jì)。

1 3102柴油機(jī)簡介

3102柴油機(jī)主要用于輪式拖拉機(jī)動(dòng)力，經(jīng)過一定改裝和調(diào)整后，可用于大型排灌動(dòng)力、發(fā)電機(jī)組和中小型載重汽車上。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、性能好。

3102柴油機(jī)的技術(shù)參數(shù)：

型式：直噴、直列、三缸、立式、水冷、四沖程、ω形燃燒室；

活塞行程/氣缸直徑： 110 mm/102 mm；

標(biāo)定功率/轉(zhuǎn)速： 44 kW/2 600 r/min;

壓縮比： 17∶1;

燃油消耗率： ≤242 g/(kW·h)；

潤滑方式： 壓力及飛濺復(fù)合式；

啟動(dòng)方式： 電啟動(dòng)。

2 氣缸蓋設(shè)計(jì)

2.1 氣缸蓋材料的選擇

在滿足使用性能的條件下，盡量選用經(jīng)濟(jì)的材料，所以3102柴油機(jī)氣缸蓋的設(shè)計(jì)選用灰鑄鐵。灰鑄鐵是水冷柴油機(jī)氣缸蓋最常用的材料，因?yàn)槠滂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。灰鑄鐵的性能如表1所示。

表1 灰鑄鐵的性能參數(shù)

根據(jù)氣缸蓋的工作條件和氣缸蓋所受應(yīng)力的情況，選用HT200。

2.2 氣缸蓋結(jié)構(gòu)形式的選擇

這次設(shè)計(jì)的3102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)。當(dāng)缸徑D≤105 mm時(shí)，一般多采用整體式氣缸蓋[2]。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，質(zhì)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)廣泛采用。

2.3 氣缸蓋主要尺寸的確定

氣缸蓋的外圍尺寸必須和總體布置一起考慮，因而主要取決于氣缸中心距和機(jī)體尺寸。氣缸蓋頂面厚度通常為0.09D～0.11D(D為氣缸直徑)[3]，這里取10 mm。而氣道和水套的壁厚是由鑄造條件決定的。氣缸蓋底部必須有一定的厚度，過薄會(huì)引起底部變形以及引起氣門座磨損和漏氣。取氣缸蓋底面厚度δ=(0.05～0.08)D+2 mm=10 mm[3]。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=(0.83～1.00)D=100 mm[3]。

2.4 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，同名氣門流量的差別等方面)和排氣能量的利用有相當(dāng)大的影響[4]。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。

2.4.2 進(jìn)氣道

氣流在進(jìn)氣道內(nèi)的流動(dòng)過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。喉口處面積為進(jìn)口面積的80%～90%，從喉口到氣門座應(yīng)有一段引流，進(jìn)氣道喉口直徑為進(jìn)氣門直徑的92%～96%，取45 mm。氣道進(jìn)口面積約為進(jìn)氣門面積的1.2～1.4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，還要求進(jìn)入氣缸后的氣流具有一定的渦流運(yùn)動(dòng)。

2.4.1 排氣道

從排氣門座到氣道喉口之間應(yīng)有一個(gè)逐漸收縮的過渡區(qū)作為引流段。氣道喉口直徑為排氣門直徑的92%～96%，取28 mm。從喉口到排氣道的出口用一個(gè)大圓弧過渡，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1.1～1.2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。圖1所示為進(jìn)、排氣道布置示意圖。

2.5 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)。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[5]：

2.5.1 加快冷卻水的流速

提高水的流速可使層流層減薄，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，使材料在較低的溫度下工作，以保持較高的抗蠕變能力。

2.5.2 加強(qiáng)高溫區(qū)的冷卻

氣門座之間和氣門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)這些地方地冷卻需要采取適當(dāng)措施；進(jìn)排氣門之間的“鼻梁區(qū)”應(yīng)盡可能大些，使水的流量加大，以便很好地冷卻進(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間的低板，尖角的最小半徑R不得小于3 mm。

2.5.3 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)的最高處開設(shè)小孔，用來溝通隔板上下水腔，以免聚集氣泡和出現(xiàn)死水區(qū)。

“鼻梁區(qū)”是氣缸蓋溫度最高而熱應(yīng)力最大的區(qū)域。將進(jìn)、排氣門座之間加工成R圓弧的小坑，以減薄此處的火力面壁厚，減少熱應(yīng)力而避免熱疲勞裂紋，如圖2所示。

另外，還要注意高溫地區(qū)的清砂問題，以免清砂不干凈影響傳熱。

2.6 氣缸蓋螺栓的布置

該設(shè)計(jì)采用M14的螺栓，每缸6個(gè)，相鄰兩缸共用2個(gè)，共14個(gè)螺栓，如圖3所示。這樣螺栓相對(duì)于中心線分布，以免氣缸受力不均引起局部變形。同時(shí)，各個(gè)螺栓中心線沿缸體切線布置可增加密封性。

3 結(jié)論

此次設(shè)計(jì)的3102柴油機(jī)，為獲取更好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，加大了排量，提高了功率，使整機(jī)的熱負(fù)荷與機(jī)械負(fù)荷增加，從而帶來一些負(fù)面影響。如在氣缸蓋方面，鼻梁區(qū)和三角區(qū)的溫度會(huì)大大提高，需要對(duì)其加強(qiáng)冷卻；由于轉(zhuǎn)速提高、排量增大，需要加大進(jìn)、排氣門直徑來提高充氣效率，改進(jìn)氣道表面形狀和粗糙度，這樣可以減小進(jìn)排氣的阻力，減小功率的損失。

綜上所述，3102柴油機(jī)的整機(jī)性能都有所提高，與其他多缸機(jī)相比，其性能雖說一般，但在價(jià)格與性能方面有很大優(yōu)勢(shì)。因此，3102柴油機(jī)在市場(chǎng)開發(fā)方面有較大的潛力和美好的前景。

【1】 陳家瑞，蔣興閣，張寶生，等.汽車構(gòu)造[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

【2】 楊連生.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社,1980.

【3】 史紹熙，孫永平，田廣文，等.柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)(上冊(cè))[M].北京:中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社,1984.

【4】 周龍保，劉巽俊，高宗英，等.內(nèi)燃機(jī)原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

【5】 談榮望，俞文欽，宋國隆，等.內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:中國鐵道出版社，1990.