3102柴油机气缸盖设计

王永飞,姚龙水

(长安大学汽车学院，陕西西安 710061)

0 引言

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。设计时要注意以下几点[1]：

(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；

(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，以防气缸盖的温度过高以及温度分布不均产生热应力过大；

(4)各个零部件以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中的布置以及气缸盖冷却措施的设计。

1 3102柴油机简介

3102柴油机主要用于轮式拖拉机动力，经过一定改装和调整后，可用于大型排灌动力、发电机组和中小型载重汽车上。其特点是结构紧凑、质量轻、性能好。

3102柴油机的技术参数：

型式：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 mm/102 mm；

标定功率/转速： 44 kW/2 600 r/min;

压缩比： 17∶1;

燃油消耗率： ≤242 g/(kW·h)；

润滑方式： 压力及飞溅复合式；

启动方式： 电启动。

2 气缸盖设计

2.1 气缸盖材料的选择

在满足使用性能的条件下，尽量选用经济的材料，所以3102柴油机气缸盖的设计选用灰铸铁。灰铸铁是水冷柴油机气缸盖最常用的材料，因为其铸造性能好，在350 ℃以内有足够的热强度，膨胀系数小，价格低廉。灰铸铁的性能如表1所示。

表1 灰铸铁的性能参数

根据气缸盖的工作条件和气缸盖所受应力的情况，选用HT200。

2.2 气缸盖结构形式的选择

这次设计的3102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。当缸径D≤105 mm时，一般多采用整体式气缸盖[2]。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，质量轻，制造成本低，因此为小型和高速轻型水冷式内燃机广泛采用。

2.3 气缸盖主要尺寸的确定

气缸盖的外围尺寸必须和总体布置一起考虑，因而主要取决于气缸中心距和机体尺寸。气缸盖顶面厚度通常为0.09D～0.11D(D为气缸直径)[3]，这里取10 mm。而气道和水套的壁厚是由铸造条件决定的。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δ=(0.05～0.08)D+2 mm=10 mm[3]。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=(0.83～1.00)D=100 mm[3]。

2.4 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[4]。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。

2.4.2 进气道

气流在进气道内的流动过程和排气道正好相反，要求进气口有尽可能大的面积，然后逐渐收缩至喉口。喉口处面积为进口面积的80%～90%，从喉口到气门座应有一段引流，进气道喉口直径为进气门直径的92%～96%，取45 mm。气道进口面积约为进气门面积的1.2～1.4倍。进气道不但要求阻力小，根据不同机型的实际情况，还要求进入气缸后的气流具有一定的涡流运动。

2.4.1 排气道

从排气门座到气道喉口之间应有一个逐渐收缩的过渡区作为引流段。气道喉口直径为排气门直径的92%～96%，取28 mm。从喉口到排气道的出口用一个大圆弧过渡，这一段的面积要逐渐扩大，排气道出口面积一般是喉口面积的1.1～1.2倍。排气道在气缸盖内必须尽可能短，以减少向冷却水的传热。图1所示为进、排气道布置示意图。

2.5 冷却水道的设计

由于高温和各部分温度分布不均所引起的热应力往往是气缸盖故障的原因，因此，对气缸盖进行合理的冷却，是保证气缸盖工作可靠的重要环节。要组织良好的冷却，对冷却水道的设计，应遵循下列原则[5]：

2.5.1 加快冷却水的流速

提高水的流速可使层流层减薄，有利于传热，从而减小底板两侧的温差，以降低热应力；并且降低受热面的最高温度值，使材料在较低的温度下工作，以保持较高的抗蠕变能力。

2.5.2 加强高温区的冷却

气门座之间和气门座与喷油器之间的底板部分，不但受高温燃气的冲刷，而且气门和喷油器也向这里散热，因此温度很高。加上这里金属的厚薄差别很大，温度分布不均匀，往往出现裂纹。设计时，对这些地方地冷却需要采取适当措施；进排气门之间的“鼻梁区”应尽可能大些，使水的流量加大，以便很好地冷却进排气道的壁面；从铸造工艺角度出发，这里也不能太薄，不允许以尖角的形状通到气门间的低板，尖角的最小半径R不得小于3 mm。

2.5.3 消除死水区

冷却水不流动的地方传热效果差，会使温度升高。如果由于高温而出现沸腾状态，传热会进一步恶化，温度会进一步升高。如此恶性循环，使材料强度下降而出现裂纹。所以要在气缸盖的横隔板上的进气道一侧的最高处开设小孔，用来沟通隔板上下水腔，以免聚集气泡和出现死水区。

“鼻梁区”是气缸盖温度最高而热应力最大的区域。将进、排气门座之间加工成R圆弧的小坑，以减薄此处的火力面壁厚，减少热应力而避免热疲劳裂纹，如图2所示。

另外，还要注意高温地区的清砂问题，以免清砂不干净影响传热。

2.6 气缸盖螺栓的布置

该设计采用M14的螺栓，每缸6个，相邻两缸共用2个，共14个螺栓，如图3所示。这样螺栓相对于中心线分布，以免气缸受力不均引起局部变形。同时，各个螺栓中心线沿缸体切线布置可增加密封性。

3 结论

此次设计的3102柴油机，为获取更好的动力性和经济性，加大了排量，提高了功率，使整机的热负荷与机械负荷增加，从而带来一些负面影响。如在气缸盖方面，鼻梁区和三角区的温度会大大提高，需要对其加强冷却；由于转速提高、排量增大，需要加大进、排气门直径来提高充气效率，改进气道表面形状和粗糙度，这样可以减小进排气的阻力，减小功率的损失。

综上所述，3102柴油机的整机性能都有所提高，与其他多缸机相比，其性能虽说一般，但在价格与性能方面有很大优势。因此，3102柴油机在市场开发方面有较大的潜力和美好的前景。

【1】 陈家瑞，蒋兴阁，张宝生，等.汽车构造[M].北京:机械工业出版社，2004.

【2】 杨连生.内燃机设计[M].北京:中国农业机械出版社,1980.

【3】 史绍熙，孙永平，田广文，等.柴油机设计手册(上册)[M].北京:中国农业机械出版社,1984.

【4】 周龙保，刘巽俊，高宗英，等.内燃机原理[M].北京:机械工业出版社，2006.

【5】 谈荣望，俞文钦，宋国隆，等.内燃机结构设计[M].北京:中国铁道出版社，1990.