4110型柴油机总体设计

毕业设计（论文）

题目：4110型柴油机总体设计

子题：

专业：机械工程及自动化指导教师：

学生姓名：班级-学号：机自

20 年月

大连工业大学本科毕业设计（论文）

大连工业大学毕业设计（论文）题目Subject of Undergraduate Graduation Project (Thesis) of DLPU

设计（论文）完成日期2011 年5 月28 日

学院：机械工程与自动化

专业：机械工程及自动化

学生姓名：

班级学号：机自

指导教师：

评阅教师：

201 年月

摘要

柴油机在现代动力机械中起着重要的作用。为了解和研究柴油机的总体结构及其动力性能，本次毕业设计涉及到“4110型柴油机总体设计”。文中详细地阐述了柴油机的机体组件、活塞连杆机构、配气机构、燃油系统、润滑系统、冷却系统、电气系统等七大系统的设计重点。理解柴油机工作原理、过程，并参照4110型柴油机原型及主要参数进行了柴油机的总体布局设计。通过热力、动力计算及使用情况的分析，对4110型柴油机提出了合理的建议并进行改进。经过改进，柴油机的动力性能和经济性能得以提升，以适应需求。此次毕业设计的选题意义在于提倡使用动力性能更好和节能环保的柴油机。

关键词：4110；柴油机；总体设计；改进；性能

Abstract

Diesel engine plays an important role in modern power machinery. In order to make a further research of diesel engine, this paper is mainly concerned with the system design of 4110 type diesel engine. It is within the significant designing of airframe components、piston and crank mechanism、modified atmosphere mechanism、fuel system、lubricating system、cooling system and electrical system in detail. With the better understanding of diesel engine working principle and process or 4110 type diesel engine primary form and main parameters, the general layout design can be conducted as soon as possible. What is more, through the analysis of heat calculation、power calculation and uers′ feedback, reasonable suggestions for the 4110 type diesel engine are put forward and then improved. As a result, power performance and economic performance are enhanced to meet demand for use. The important significance presented in this paper lies in advocating to use better power performance、energy conservation and environmental protection in diesel engine.

Key Words：4110; diesel engine; system design; improvement; performance

目录

摘要........................................................................................................................ I Abstract ......................................................................................................................... I I 引言.. (1)

第一章4110型柴油机的工作原理及应用范围 (4)

第二章4110型柴油机的总体设计 (10)

第三章4110型柴油机的结构设计 (13)

3.1 机体组件设计 (13)

3.2 曲柄连杆机构设计 (16)

3.3 配气机构和进排气系统设计 (25)

3.4 燃油系统设计 (32)

3.5 润滑系统设计 (35)

3.6 冷却系统设计 (38)

3.7电气起动系统设计 (40)

第四章4110型柴油机改进建议 (42)

结论 (43)

参考文献 (44)

附录A 热力计算 (45)

附录B 动力计算 (55)

致谢 (85)

引言

柴油机是一种功率范围广、可适应各种不同要求的动力机，较汽油机相比较，有其突出的特点。比如：(1)具有较高的热效率，比汽油机高出30%，节约能源、降低燃料成本；（2）柴油机可以采用较大的缸径或较高的增压比来提高单缸功率；（3）功率大，寿命长，动力性能好，工作的可靠性和使用耐久性优于汽油机；（4）柴油机排放产生的温室效应比汽油低45%，一氧化碳与碳氢排放也很低。

柴油机也有着其自身的劣势，如：由于最高燃烧压力高，结构比较笨重，转速低，加速较慢；燃烧比比较粗暴，噪声较大，且容易出现震动；排气微粒排放对人类健康产生很大威胁等。由于当前世界提倡低碳、环保、节能的理念，所以，为了节能，各国都在注重改善燃烧过程，研究燃用低质燃油和非石油制品燃料。此外，降低摩擦损失、广泛采用废气涡轮增压并提高增压度、进一步轻量化、高速化、低油耗、低噪声和低污染，都是柴油机的重要发展方向。目前，在燃烧与喷射技术、进气增压技术、多气门结构、电控共轨技术都取得了丰硕成果。

本次毕业设计的内容是“4110型柴油机总体设计”。根据热力计算和动力计算来验证4110型柴油机各性能参数的正确性，通过分析其整体结构及各个系统的选型来验证其结构的合理性是本次毕业设计的设计依据。柴油机的设计方法是在热力计算和动力计算验证4110型柴油机各性能参数正确性的基础上，并根据柴油机主要零部件的位置关系及配合间隙大小和标准件及非标准件正确画法进行CAD绘图。

4110型柴油机也存在动力性能和经济性能的缺点，建议和改进4110型柴油机的部分零件也是本次毕业设计的重点之一。如：提高4110型柴油机的额定转速可提高其动力性能，将额定转速提高到2000r/min，在增加额定转速的同时，活塞、连杆往复运动也随之增快，导致曲轴发生很大的扭转变形。为了避免曲轴产生强烈的扭转共振，因此柴油机曲轴自由端安装扭振减震器；4110型柴油机的进气管和排气管安装的同一侧，为了使进入气缸的空气不致受热而影响进气量，可将进气管和排气管分别安装在气缸盖的两侧等。

4110型柴油机纵剖面图

4110型柴油机横剖面图

第一章 4110型柴油机的工作原理及应用范围

一、柴油机工作原理

1.柴油机曲柄连杆机构

柴油机曲柄连杆机构的结构与原理如图1.1所示。它是由活塞、连杆、曲轴等所构成。

活塞只能沿气缸直线往复运动。曲轴是由两个中心线不在一直线的轴所构成，其中一个轴安置在集体中心孔内，称作主轴。主轴只能在机体座孔内绕本身中心线转动。另一个通过曲柄与主轴连接在一起，称作连杆轴。连杆为两端带有孔的一直杆，一端与活塞相连；另一端与连杆轴相连。它随着活塞移动和曲轴旋转而进行摆动。

当活塞往复运动时，通过连杆推动曲轴绕主轴中心产生旋转运动。活塞移动与曲轴转动是相互牵连在一起的。因此，活塞移动位置与曲轴转动位置是相对立的。

活塞能达到的最上端位置，叫做上止点。此时活塞与曲轴主轴中心距离最远。

活塞能达到的最下端位置，叫做下止点。此时活塞与曲轴主轴中心距离最上止点

下止点

行

程

图1.1 曲柄连杆机构原理图

1

2

3

41-活塞；2-气缸体；3-连杆；4-曲轴

近。

活塞从上止点移动到下止点，或从下止点移动到上止点时，所走过的距离叫做活塞行程（又叫做冲程）。通常用字母S 表示。

曲轴没转动半圈（即180°），活塞边移动一个冲程。若用字母r 表示曲柄半径（曲轴的主轴中心到连杆轴中心间的距离），则

r S 2=

即活塞行程等于两倍的曲柄半径长度

当曲轴匀速转动时，活塞往复直线运动的速度却在不断变化着的。活塞移动到上、下止点位置时速度等于零，而在中间某一位置时速度最高。根据曲轴转速和活塞行程，求出活塞在一个冲程内速度的平均值，称作活塞平均速度（单位米/秒）

活塞在气缸内往复运动的过程中，气缸内空间容积不断变化着。当活塞位于上止点位置时，活塞顶上面的空间叫燃烧室。这个空间容积叫燃烧室容积，用字母c V 表示。

活塞从上止点移动到下止点，它所扫过的空间容积叫做气缸工作容积，用字母h V 表示，

)(10432

升-??=S D V h π

式中 D —气缸直径（厘米）

S —活塞行程（厘米）

活塞位于下止点位置时，气缸内的容积叫做气缸总容积，用字母Va 表示，它等于燃烧室容积与气缸工作容积之和，即

h c a V V V +=

气缸总容积与燃烧室容积的比值，叫做压缩比，用字母ε表示，即

c

h c h c V V V V V +=+==1V V c a ε 压缩比表示了活塞从上止点移动到下止点时，气体在气缸内被压缩程度。压缩比越大，表示气体在气缸内被压缩得越厉害，压力和温度也升高得越大。

同时压缩比也表明了燃气膨胀时体积变化倍数。

压缩比是内燃机的一个重要参数。不同型式的内燃机，对压缩比的大小有不同要求。一般柴油机都要求较大的压缩比，ε=12—20，而汽油机的压缩比较低，ε=6.5—10。

而4110型柴油机的压缩比，ε=17。

多缸内燃机所有气缸工作容积之和，叫总排量，有称发动机工作容积，如用字母总V 表示，则

h V i V ?=总

式中 i —气缸数

综上所述，内燃机曲柄连杆机构的运动规律是：当活塞移动一个冲程时，曲轴旋转半圈（即180°），气缸容积由最小变到最大（或由最大变到最小），当曲轴旋转一周时（即360°），活塞完成两个冲程。

2.单缸四冲程柴油机工作原理

活塞连续运行四个冲程（即曲轴旋转两周）的过程中，完成一个工作循环（进气—压缩—燃烧膨胀—排气）的柴油机，叫做四冲程柴油机。

图1.2为单缸四冲程柴油机工作过程示意图。下面对照单缸四冲程柴油机工作过程示意图来说明它的工作过程：

图1.2 单缸四冲程柴油机工作过程示意图进气排气

进气过程

压缩过程工作过程排气过程1/2转1/2转1/2转1/2转

1）进气过程—将新鲜空气吸入气缸，提供燃料燃烧时所需要的氧气。燃烧1

公斤柴油，理论上需要14.3公斤空气，但由于柴油与空气的混合总是很不均匀，为了是使柴油得到充分的燃烧，空气总是要供应的富裕些，1公斤柴油往往要供给20多公斤空气。

2）压缩过程—将吸入气缸内的空气进行压缩，使其温度升高。对柴油机来讲，

压缩后的空气温度，必须超过柴油的自然点温度（约大于350℃）

3）燃烧膨胀过程—将燃烧喷入气缸，与氧发生急剧的氧化作用（即燃烧）将

放出大量热量，使气体温度和压力急剧上升，推动活塞做功。

4）排气过程—将膨胀做功后的废气排出，以便再吸入新鲜空气。

上述过程周而复始地不断重复进行着，如此周期循环地工作，实现柴油机连续不断地运转。

3.多缸四冲程柴油机工作原理

多缸柴油机具有两个或两个以上气缸，各缸的活塞连杆机构，都连接在同一根曲轴上。4110型柴油机有四个气缸组成，各气缸的活塞连杆机构都与曲轴相连接。对每个气缸来讲，却又构成一个完整的单气缸，都按照前述单缸柴油机中各过程进行工作。但在同一时刻，每缸所进行的工作过程却不相同，它是根据气缸数目和结构排列方式不同，并按照一定的工作，使各缸工作过程相互间隔一定的曲轴转角φ。

四冲程柴油机，曲轴转动两周（即720°）的时间内，每个气缸都要完成一个循环。为了保证运转均匀性，必须使每缸的工作冲程均匀地分布在720°曲轴转角内。

若多缸柴油机有i 个气缸，则间隔角度应为：

i

?

=720φ 则四缸柴油机为：

??

==1804

720φ 多缸柴油各缸发火顺序，可用气缸编号中间以短横线连接起来表示。4110

型柴油机发火顺序为1-3-4-2。即表示：第1缸发火后，依次第3、4、2缸顺序进行。表1.1表示4110型柴油机各缸冲程交替顺序表。

表1.1 4110型柴油机各缸冲程交替顺序表

曲轴转角曲轴位置各缸工作过程

0°

180°

360°

540°720°（0°）

1 4 1 3 4 2

2 3

2 3

工

作

压

缩

进

气

排

气1 4

1 4

排

气

工

作

压

缩

进

气2 3

2 3

进

气

排

气

工

作

压

缩

1 4 压

缩

进

气

排

气

工

作

1

23

4

发火顺序

1 - 3 - 4 - 2

4110型柴油机的曲轴是由四个曲拐构成，各曲轴平面之间的相互夹角为180°。当活塞1和4运行到上止点位置时，其中一个进入工作冲程；另外一个进入吸气冲程。在曲轴转过180°时，则活塞2和3运行到上止点位置，如此循环，使四个气缸每隔180°曲轴转角，交替进入工作冲程推动活塞做功。

二、4110型柴油机应用范围

4110柴油机可配以皮带轮、联轴器、离合器等作为农业排灌、发电机、

电焊机、空压机、水泵、碎石机及建筑机械等动力；船用时，配上倒顺车离合

器、减速齿轮箱后，可用作渔轮船动力，内河航运主机及轮船辅机。

第二章 4110型柴油机的总体设计

一、4110型柴油机总体布置

4110型柴油机的机体为整体铸件结构，上端为气缸体部分，有四个气缸套座孔，呈直列式，座孔内装有湿式气缸套。机体下端为曲轴箱部分，设有五个主轴承座，曲轴支撑在此座孔内。连杆连接在曲轴的连杆轴颈上，连杆小头一端通过活塞销与活塞相连。活塞沿气缸套内孔上下移动，通过连杆带动曲轴旋转，构成柴油机的曲柄连杆机构。

每个气缸套上端装有一个单体式气缸盖，将气缸套顶端密封，构成柴油机工作容积。气缸盖上装有气门组件、气门摇臂和喷油器等，外面用罩壳密封。

油底壳倒挂在机体下方，将曲轴箱密封并贮存机油。

机体的一侧装有凸轮轴，凸轮轴的前端装有正时齿轮，通过装在机体前端的齿轮系，由曲轴驱动凸轮凸轮轴转动。随着凸轮行程的变化，通过挺柱推动推杆上下移动，又由推杆推动气门摇臂控制着进、排气门的开启与关闭。由此构成了柴油机的配气系统。

4110柴油机的润滑系统各部件，集中布置在机体的右侧。机油泵安装在自由端下方。油底壳内的机油经机油泵压出，经单向阀、调压阀、机油冷却器和机油滤清器，经主油道，然后通过机体内的油路，分别送往各摩擦表面，构成本柴油机机的润滑系统。

从4110型柴油机的正面（设置高压油泵面）看，中间设置分配式高压油泵，4只高压油管分别联接各缸的喷油器，左面设置柴油滤清器，右边设置飞块离心全程式调速器和发电机，下面设置机油注入口。柴油机左面设置飞轮，飞轮上面设置仪表盘。柴油机的右面设置齿轮传动机构，皮带轮依靠V带带动发电机旋转。柴油机的后面设置机油冷却器，起动电机，机油滤清器以及进、排气管道。

二、4110型柴油机结构特点

由于4110型柴油机是高速柴油机，所以要求提高各部分零件的刚度和强度。例如，连杆小头横截面增大，整个气缸体采用曲面型设计，形成不断弯曲的波浪形，而不是简单的大平面。在气缸体的内壁和各缸之间的隔板上分别加加强筋和行架结构。在满足铸造要求的条件下，基本壁面要尽可能薄，减轻气缸体的重量，但局部要加厚，特别是在气缸体的上下平面和前后壁面要加厚。主要载荷尽可能直线传递，避免产生附加弯曲和扭矩。气缸体的过渡圆角要圆

滑过渡，角度不能太小，不能为直角。

柴油机的动力性能通过参数功率、扭矩、转速来体现，并且功率正比于扭矩和转速。增大扭矩或增加转速可提高功率，从而提高动力性能。

柴油机的动力性能通过参数功率、扭矩、转速来体现，并且功率正比于扭矩和转速。增大扭矩或增加转速可提高功率，从而提高动力性能。

柴油机经济性能

柴油机的经济性能主要通过柴油每马力小时和机油每马力小时的耗油量来衡量。柴油平均每马力小时的耗油量为160h ps g ?，机油平均耗油量则为4～5h ps g ?。

为提高柴油机经济性能，可通过以下方式提高：

（1）进气量（即充气系数c ?）

①空气滤清器有足够大的过滤面积，孔的大小及密度要合适；②进气管道要有足够大的断面面积，曲率半径尽量要圆滑，表面也要光滑；③进、排气门有足够大的面积，进气门直径应大于排气门直径；④排气系统、消声器要合理，排气道必须弯道最少，表面光滑，以使空气畅通流出。

（2）燃油供给系统

①增加供油量可通过增加喷油泵柱塞直径即可；②喷雾质量要高，雾化效果好，射程足够。

（3）配气系统

①改变凸轮结构，采用高次方凸轮；②时间断面面积应最大；③开启、关闭时间要适时。

（4）减少功率损失，提高机械效率

①零部件间隙选择要合适；②零部件的材料选择要正确，在保证强度、刚度、硬度的条件下，还要保证其磨合性能最佳；③附件的选择要合适，比如：风扇直径、机油泵的大小等；④润滑油选择要恰当。

三、4110型柴油机性能参数

气缸数目:4个；

机器型式：水冷四冲程直列涡流式燃烧室；

气缸直径：110mm ；

活塞行程：150mm ；

额定功率：60ps ；

额定转速：1500min r ；

发火次序：1-3-4-2；

压缩比：17：1；

活塞平均速度：7.5s m

平均有效压力：6.32cm kg ；

润滑油消耗率：≦5h ps g ?；

燃油消耗率：≦200h ps g ?；

喷油提前角：上止点前22°±2°；

润滑压力：1.5～32cm kg ；

柴油机总重量：815kg ；

外形尺寸（长X 宽X 高）：1296 X 774 X 1102mm ；

配气定时：进气门----开：上止点前 20°±4°

关：下止点后40°±4°

排气门----开：下止点前60°±4°

关：上止点后10°±4°。

第三章 4110型柴油机的结构设计

3.1 机体组件设计

机体组件包括机体（气缸体-曲轴箱）、气缸套、气缸盖、油底壳等零件，是柴油机的固定部分。

一、机体

机体的主要功用：

（1）支承柴油机所有的运动件，使它们在工作时保持相互准确的位置；（2）在机体上加工有水道和油道，保证各零件工作时必要的冷却与润滑；（3）安装柴油机各辅助系统部件；

（4）作为柴油机使用安装时的支承，将柴油机固定在底盘或支架上。

机体一般采用铸铁制成。气缸套嵌入机体内，在气缸套与机体壁之间行程冷却水套，通过机体上平面上的孔与气缸盖的水套相通。机体前端的箱体内安装传动齿轮和润滑油泵；后端则为动力输出端。喷油泵装在机体左侧（从飞轮端观察），在装喷油泵的座孔下面，有安装凸轮轴和滚轮轴的轴承孔。机体的左侧中部有两个进水孔，冷却水即由此引入，机体两侧都有盖板，揭开盖板可以检测曲轴连杆机构和轴承情况。

图3.1 4110型柴油机气缸体的结构型式

1．气缸体

气缸体部分作用是用来安装气缸套及其附件，要求其对气缸套有可靠的冷却条件。

4110型柴油机采用水冷式柴油机气缸体，如图3.1所示。依靠流经气缸体内部的冷却水进行冷却。气缸体内部铸有冷却水腔。冷却水腔构成型式是整个气缸套座孔内为一整体空腔，与气缸套外壁构成一个环形空间。

气缸体的顶部装有气缸盖螺栓，用作固定汽缸盖。为保证气缸盖可靠地密封，防止螺栓松脱，气缸盖螺栓与气缸体的连接都采用锁紧措施固定。

2．曲轴箱

机体曲轴箱部分的主要作用是支承曲轴，使柴油机各运动件在工作过程中保持一定的相对位置。

曲轴箱结构可分为悬挂式、龙门式、底座式。而4110型柴油机采用龙门式，龙门式的曲轴箱的主轴承座为一整体结构，与曲轴箱横隔板连成一体。曲轴安装是从机体轴向端面穿入。龙门式的结构特点是：刚性最好，结构紧凑，可大大缩短柴油机轴向尺寸，机体下平面的密封也最简单，但重量最重，并且曲轴拆装困难。曲轴箱为铸铁件。

为保证主轴承座孔在工作时具有一定的几何精度，除要求主轴承座与盖具有足够的刚度外，还必须保持两者之间可靠地连接。因此，装配时主轴承螺母必须严格按照规定扭紧力矩旋紧。

要使主轴承座孔保持必要的几何精度，除扭紧力矩的要求外，还要求主轴承盖具有可靠额定位，以防止位置发生错移。常见的主轴承盖定位方式有：侧面定位、套筒定位、锯齿面定位，本设计为侧面定位。

二、气缸套

气缸套的主要功用：

（1）与活塞、气缸盖构成气体压缩、燃烧和膨胀的工作空间；

（2）作为活塞往复运动的导向面；

（3）向周围冷却介质传递一部分热量，以保证活塞组件和气缸套本身在高温、高压环境中正常的工作。

气缸套的结构应满足以下要求：

(1)有足够的强度，能承受热负荷和机械负荷作用；

(2)内表面具有较高精度、光洁度和耐磨、抗腐蚀的能力；

(3)外表面对冷却水应有一定抗腐蚀能力；

(4)应保证对气缸工作容积及冷却水具有可靠的密封。

气缸套一般采用高磷铸铁和球墨铸铁。

气缸套的内壁为一光滑的圆柱面，具有较高的精度和光洁度。气缸套的上端有一凸缘作为气缸套安装定位用，安装时凸缘下端面与机体缸套座孔上端面应紧密贴合，上端面则与气缸盖下平面紧密贴合，在两贴合面中间加有垫片，以密封气缸工作容积及冷却水腔，如图3.2所示。

气缸套外圆有上定位面和下定位面。上定位面直径略大，与气缸套座孔尺寸配合较紧密。下定位面与座孔配合较松，通常装有橡胶密封圈以密封冷却水腔，并减震，减少冲击力、磨损和穴蚀。

三、气缸盖

气缸盖压在气缸套上凸缘平面上，用气缸盖螺栓紧固在气缸体上。它的主要功用：

（1） 密封气缸，与气缸套、活塞构成燃烧室空间；

（2） 构成柴油机的进、排气通道；

图3.2 气缸套各部分示意图上支撑(轴向定位)

径向定位

气缸垫D2

D3D5D2>D3>D5

下支撑

总高度H