柴油机各系统 设计

3．1活塞组

第三章 各系统的设计及主要零部件的结构特点

活塞组包括活塞，活塞销和活塞环。它们在气缸里做往复惯性运动，活塞主要作用是承受气缸的气体压力，并将此力通过活塞销传给连杆，以次推动曲轴旋转。它还和气缸壁面一起活动构成密封装置，保证燃烧室的良好密封，这个功能是通过装在活塞头部环槽的一系列带开口的弹性活塞实现的。在高温，高负荷，高速和少量的机油消耗的情况下，它一方面要保证漏气量少，另一方面又要使摩擦损失不大，同时还要保证足够的耐久性。因此设计时要选用热强度好，耐磨，比重小，热膨胀系数小，导热性好，具有良好减磨性，工艺性的材料。目前制造活塞常用的材料有共晶铝硅合金，过晶铝硅合金和铝铜合金。设计选用共晶铝硅合金材料。

1、活塞设计的主要尺寸

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（1）活塞高度H：

根据《柴油机设计手册》，对于中小型柴油机而言，H/D范围在1.0-1.1，而D=110mm，取H=113.5mm。在选择活塞高度时要注意在合理布置的情况下尽量选择小的活塞高度，如果转速越高，要使H越小，尽量减轻活塞重量，从而控制由于转速高而应引的惯性力的增大。 （2）压缩高度H1：

根据《柴油机设计手册》，H1/D范围在0.6-0.8，取H1=67mm。HI=H5（换带高度）+H4（上裙高度）+h（顶岸高度）。在保证气环良好良好工作情况下，宜缩短H1高度，以便降低整机的高度尺寸 。

（3）顶岸高度h（第一活塞环至活塞顶部距离）：

根据《柴油机设计手册》，对铝活塞h/D范围在0.07-0.20，取h=13.4mm。在保证第一道环可靠工作下，也要使h尽量小，降低活塞重量和高度，但h越小，会使第一道环的热负荷越高，。一般第一道环的温度不应该超过240度，否则润滑油可能粘结甚至结碳，易使活塞环在活塞中失去活动性，散失了密封和传热的功能 （4）活塞环数目及排列：

根据《柴油机设计手册》，中速机气环3-4道，油环1-2道，取气环2道，油环一道。2道气环在上面，1道油环在气环下面。为了降低活塞和整台发动机的高度，减少惯性力和摩擦功率损耗，应该减少环数。 （5）环岸高度：

根据《柴油机设计手册》，第一道环岸h1(第一道气环下面的环岸)/D范围在0.04-0.06,其余环岸h2(h3)范围在0.03-0.04。取第一环岸h1=5.8mm，h2=2.6mm，h3=4.2mm。第一道环温度较高，承受的气体压力最大，又容易受环的冲击而断压，所以第一环岸高度比其它环岸高度要大一些。

（6）活塞顶厚度?`：

根据《柴油机设计手册》，铝活塞?`/D范围在0.1-0.2，取?`=20mm。 （7）活塞裙部长度H2：

根据《柴油机设计手册》，中高速柴油机H2/D范围在0.65-0.88，取H2=74mm，对于上裙部H4也不要过小，否则会产生尖峰负荷，会造成活塞拉毛及擦伤。 （8）裙部壁厚?`g：

根据《柴油机设计手册》，铝活塞裙部最小壁厚为（0.03-0.06）D,取最小壁厚为3.8mm。薄壁对减轻活塞重量有利，但是要使活塞具有足够的刚性，也可以通过设置加强筋来达到。 （9）活塞销直径d和销座间隔B：

活塞销的功能是连接活塞和连杆小头，并把活塞承受的气体压力传给连杆。根据《柴油机设计手册》，d/D在0.33-0.40间，普通的销座B/D在0.35-0.42间，取d= 44mm，B=46 mm。要使活塞销的变形在d的范围内。 2、活塞的结构

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活塞可分为三部分：活塞顶部、活塞头部和活塞裙部。

（1）活塞顶部：活塞顶的形状是根据燃烧系统要求设计的，燃烧室采用凹坑型的。活塞顶部的

形状可分为四大类，平顶活塞、凸顶活塞、凹顶活塞和成型顶活塞（如下图）。设计时选用凹顶活塞。

（2）活塞头部：活塞头部指第一道活塞环槽到活塞销孔以上部分。它有数道环槽，用来安装活

塞环，起密封作用，又称为防漏部。活塞头部设计成具有良好导热的“热流型”， 并且采用大圆弧的过渡，增加从顶部到群部的传热面积，降低活塞顶的温度和热应力，这样可提高活塞的承载能力。此外，为提高第一道环的耐磨性，延长其寿命，采用镶环座，即在第 一道环槽处铸入一个耐磨铸铁环座，环座的截面形状一般为梯形，这使铝合金冷却时沿径向收缩，以卡紧环座。

（3）活塞裙部：活塞裙部指从油环槽下端面起至活塞最下端的部分，它包括装活塞销的销座孔。

它对活塞在气缸内的往复运动起导向作用，并承受侧压力。所谓侧压力是指在压缩行程和作功行程中，作用在活塞顶部的气体压力的水平分力使活塞压向气缸壁。 设计裙部要注意：

(a)活塞裙部应该预先做成椭圆形。由于活塞裙部的厚度很不均匀，活塞销座孔部分的金属厚，受热膨胀量大，沿活塞销座轴线方向的变形量大于其他方向。另外，裙部承受气体侧压力的作用，导致沿活塞销轴向变形量较垂直活塞销方向大。这样，如果活塞冷态时裙部为圆形，那么工作时活塞就会变成一个椭圆，使活塞与气缸之间圆周间隙不相等，造成活塞在气缸内卡住，发动机就无法正常工作。因此，在加工时预先把活塞裙部做成椭圆形状，工作时才趋近正圆。 (b)活塞裙身要预先做成阶梯形，锥形。活塞沿高度方向的温度很不均匀，活塞的温度是上部高、下部低，膨胀量也相应是上部大、下部小。为了使工作时活塞上下直径趋于相等，即为圆柱形，就必须预先把活塞制成上小下大的阶梯形或者锥形。

3．2连杆组

连杆组包括连杆体，连杆盖，连杆螺栓，和连杆轴瓦。而连杆体又包括连杆大头，连杆小头和杆身。连杆的作用是能够将活塞的往复惯性运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用于活塞组上的力传给曲轴。

连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷。因此设计时要保证连杆有足够的疲劳强度和结构刚度。如果强度不够，会发生连杆大头，连杆螺栓或杆身的断裂；如果刚度不够，会使曲轴连杆机构的工作受影响。连杆一般都采用优质中碳钢，合金钢经模锻或辊锻而成，然后经机加工和热处理，毛坯要经调质处理，非加工表面通常要喷丸强化。 1、连杆设计的主要尺寸：

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（1）连杆长度L(连杆大小头的空中心距)：

L=210mm，通常用连杆比?= r/L 来说明，?越大，连杆越短，可以降低发动机的总高度，减轻运动间重量和整机重量。但连杆过短会引起活塞侧压力的加大，会增加活塞与汽缸的摩擦和磨损，实验证明，直到?=1/3 时这种一向都不太大。 （2）连杆小头的结构设计： 1）小头轴承孔直径d: d=42 mm

2）小头宽度B1：根据《柴油机设计手册》，B1范围在（0.9-1.2）d之间，小头设计成斜面形状,这样可以增加活塞销座和连杆小头的支承面积，有强化作用。取小头最小宽度31mm，小头最大宽度40mm。

3）小头外径D1：根据《柴油机设计手册》，D1范围在（1.2-1.4）d之间，取D1=60mm。 4）小头衬套厚度?：根据《柴油机设计手册》，?范围在(0.04-0.08)d之间,取?=2mm。 5）小头成衬套外径d1：根据《柴油机设计手册》，d1= d +2*?，得d1=46 mm。 6）小头衬套宽度：在通常情况下，衬套和小头制成同样宽度。

连杆小头与活塞销相连接，与活塞一起做往复运动。连杆小头孔要有足够的壁厚外，还要特别注意小头到杆身过渡的圆滑性，这个过渡结构决定小头的刚度及支承情况，对小头变形和应力有很大影响，应该尽量减小圆弧处的应力集中。 （3）杆身的结构尺寸：

连杆杆身采用“工”字形截面，这样有助于杆身向小、大头的过渡，这种杆身在较小的重量下能得到较大的刚度。

1）杆身断面的平均高度H：根据《柴油机设计手册》，H范围在(0.3-0.4)D之间，取H=34mm。

2）连杆厚度B：根据《柴油机设计手册》，H/B范围在1.4-1.8之间，取B=25 mm。 为使连杆从小头到大头传力比较均匀，把杆身断面H设计成从小头到大头逐渐加大，在杆身到大头的过渡采用了较大的过渡圆。 （4）连杆大头的尺寸及结构：

1）连杆大头轴瓦厚度?：取?= 2.5mm

2）连杆大头轴承孔内径D2：根据连杆轴颈直径有Dp=74+2*2.5=79 mm。 3）连杆大头轴承外径D3：取D3=86 mm。 4）连杆大头宽度B3：取B3= 42mm。

5）连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连，应该要有足够的强度和刚度，否则会影响薄壁轴瓦，连杆螺栓等。为了便于维修，使连杆能够从汽缸中取出，要求大头在摆动平面内的总宽度B0必须小于汽缸直径。

2、连杆大头有整体式和分开式两种。一般都采用分开式，分开式又分为平分和斜分两种。 平分——分开面与连杆杆身轴线垂直，汽油机多采用这种连杆。

斜分——分开面与连杆杆身轴线成30～60°夹角。柴油机多采用这种连杆。因为，柴油机压缩比大，受力较大，曲轴的连杆轴颈较粗，相应的连杆大头尺寸往往超过了气缸直径，为了 使连杆大头能通过气缸，便于拆装，一般都采用斜切口。故本次设计选用斜切口方式。根据《柴油机设计手册》，斜角范围在30度-60度之间，取斜角为45度。 斜切口连杆常用的定位方式：止口定位，销套定位和锯齿定位。

3、连杆盖：即连杆大头可取下的部分。连杆与连杆盖配对加工，加工后，在它们同一侧需要打上

配对记号，安装时不得互相调换或变更方向。为此，在结构上采取了定位措施。

4、连杆螺栓：连杆螺栓将连杆盖和连杆大头连在一起，它在工作中承受很大的冲击力，如果折断或

松脱，将造成严重事故。因此，连杆螺栓都采用优质合金钢，并精加工和热处理特制而成。安装 连杆盖拧紧连杆螺栓螺母时，要用扭力板手分2～3次交替均匀地拧紧到规定的扭矩，拧紧后还 应可靠的锁紧。连杆螺栓损坏后绝不能用其它螺栓来代替。连杆螺栓必须用中碳合金钢制造，经 调质以保证高强度。

5、连杆轴瓦：为了减小摩擦阻力和曲轴连杆轴颈的磨损，连杆大头孔内装有瓦片式滑动轴承，简称连杆轴瓦。轴瓦分上、下两个半片。连杆轴瓦上制有定位凸键，供安装时嵌入连杆大头和连杆盖的定位槽中，以防轴瓦前后移动或转动，有的轴瓦上还制有油孔，安装时应与连杆上相应的油孔对齐。目前多采用薄壁钢背轴瓦，在其内表面浇铸有耐磨合金层。耐磨合金层具有质软，容易保持油膜，磨合性好，摩擦阻力小，不易磨损等特点。连杆轴瓦的背面有很高的光洁度。半个轴瓦在自由状态下不是半圆形，当它们装入连杆大头孔内时，又有过盈，故能均匀地紧贴在大头孔壁上，具有很好的承受载荷和导热的能力，并可以提高工作可靠性和延长使用寿命。轴瓦在轴承孔中真正的定位是靠过盈来保证的，一般在瓦口向外冲压一个定位唇，在轴承座加工一个定位槽，保证轴向定位。 3．3 机体组

水冷发动机的气缸体和上曲轴箱常铸成一体，称为气缸体——曲轴箱，也可称为气缸体。气缸体上半部有一个或若干个为活塞在其中运动导向的圆柱形空腔，称为气缸；下半部为支承曲轴和曲轴箱，其内腔为曲轴运动的空间；下曲轴箱是一个简单的储油箱，称为油底壳。气缸体与气缸盖之间用气缸盖衬垫密封。机体中还有往复运动的气缸套。 1、 机体 [2]

机体的工作表面由于经常与高温，高压燃气相接触，且有活塞在其中作高速往复运动，所以必须耐高温，耐磨损，耐腐蚀，应该具有足够的强度和刚度，即不能发生裂纹和损坏，也不能出现多大的变形，尤其是机体与气缸盖的结合处，气缸套，主轴承座等处，若刚度不够就会产生气缸密封失效，机体振动加剧等严重后果。机体是一个内部有很多搁板的箱形结构，它的刚度主要取决于机体壁的形状而并非厚度，因此常将壁厚减薄到铸造工艺所允许的最小值，在最轻巧的前提下获得很大的刚度。机体的质量要占内燃机总质量的1/4左右，而制造成本约占总成本的1/10，故机体设计要注意减轻其质量和改善铸造和加工工艺性。其材料通常用灰铸铁和铝合金铸造。

（1）机体的三种结构形式（如下图）：

1）一般式机体：是油底壳安装平面和曲轴旋转中心在同一高度。这种气缸体的优点是机体高度小，重量轻，结构紧凑，便于加工，曲轴拆装方便；但其缺点是刚度和强度较差。 2）龙门式机体：其特点是油底壳安装平面低于曲轴的旋转中心。它的优点是强度和刚度都好，结构紧凑，筋条分布合理而均匀，能承受较大的机械负荷；但其缺点是工艺性较差，结构笨重，加工较困难。

3）隧道式机体 ：这种形式的气缸体曲轴的主轴承孔为整体式，采用滚动轴承，主轴承孔较大，曲轴从气缸体后部装入。其优点是结构紧凑、刚度和强度好，但其缺点是加工精度要求高，

工艺性较差，曲轴拆装不方便。

设计中根据所需的强度和刚度，选用龙门式机体。

（2）机体的主要尺寸

机体在曲轴箱部分的基本尺寸决定于连杆曲轴组件旋转运动的需要，使它们能在机体内自由运动，另一方面则又要使机体外形尽可能紧凑。

机体刚心距Lo：它影响柴油机纵向尺寸的紧凑性，取决于曲轴轴向尺寸，冷却水腔厚度，气缸套和气缸盖的选型。设计选用湿式缸套，全支承曲轴。根据《柴油机设计手册》，Lo/D范围在1.25-1.4，取Lo=140mm。 （3）机体的细节设计 [4]

一个重要原则就是要使主要载荷尽可能直线传递，避免产生附加的弯曲和扭转。

1）在气缸盖螺栓和主轴承螺栓的布置时要注意：拉力完全直线传递，螺孔下沉很深，使力线很短。从力的传递角度来看，每气缸周围布置4个气缸盖螺栓最好。

2）机体上尺寸比较大的壁面最好设计成不断弯曲的波浪形，而不是简单的大平面。可以使平壁改成弯壁，加大结构刚度，相邻两缸间的气缸盖螺栓的轴线也靠近刚度较大的侧壁和下面主轴承螺栓的轴线。

3）为使壁面的刚度加强，可以设置加强筋，且尽可能的布置成不易变形的三角形。为加强局部的刚度，可以使壁面尽可能的减薄，但必须加强局部的厚度。注意壁面变化要圆滑过渡。 （4）机体内水道的布置

[4]

1）设计时水道布置于机体的上部，使气缸套上部先进行冷却，而下部可以利用温差产生对流来进行冷却。这样布置水路比较紧凑，水泵装拆也比较方便。但是分水口水流比较急速。 2）布置水道要注意：

a．水道最好设计成平滑和逐渐变化的管道，以避免死水区及涡流区； b．水道截面前端要大些，向后端逐渐缩小；

c．水道应该要通畅，不得存在气泡的死区，特别是与气缸壁上部相接触的地方，应该避免造成局部过热。 3）水腔的尺寸

a．活塞在上止点位置时，其第一环的位置应该在水腔区域内。根据《柴油机设计手册》，ho为0.2D左右，取ho=15mm。

b．活塞在下止点位置时，活塞裙部露出不宜过大。根据《柴油机设计手册》，hu范围在(0.17-0.2)D之间。

（5）机体内油道的布置及设计要点

1）机体内的主油道位于机体的腰部，若靠近凸轮轴一边，有利于减少管道和钻孔的长度。 2）油道如果越长，孔径应该稍大一些。

3）主轴承为滚动轴承时，油道孔径可略小于一般结构。如果需要喷油冷却，油孔不宜过小。 4）机体侧面的油孔与螺栓中心线尽可能相互平行，以便于加工。

5）机体主轴承用的润滑油，一般沿着纵向主油道，通过机体横壁上的孔流往主轴承。 6）主油道孔径尺寸：根据《柴油机设计手册》，主油道孔径尺寸范围在12-28 mm。 （6）提高机体刚度和强度的方法和措施 1）加强筋的布置

a．直列式龙门式机体的横截面主轴承座处，螺栓搭子上一般应有数条横筋和竖筋。竖筋最好从轴承座搭子延伸到水腔壁，与气缸盖螺栓搭子相连，可减轻固紧螺栓时机体的变形，有利于力的传递。

b．凸轮轴孔，油孔，水孔等，力求不直接位于作用线上，可布置成稍倾斜的加强筋，使作

用里从凸轮轴孔的侧面传递过去，能减小孔边缘局部应力。

c．固紧气缸盖螺栓搭子和机体壁部中心线不重合时，搭子下面应有加强筋。螺栓搭子应有大

圆弧或锥度过渡。 2）加强筋的尺寸与断面结构

一般加强筋的厚度大致等于壁厚，高度不宜小于壁厚。否则，承载面难以减轻加强筋所引

起的应力不均匀。 2、气缸与气缸套

气缸是气体压缩，燃烧和膨胀的空间，并对活塞起导向作用。气缸套受到相当大的机械应力和热应力。因此要求气缸套要有足够的强度和刚度，并保证在工作时不致有过大的变形。气缸套还要承受活塞的侧压力，而且活塞在它的表面做高速的运动，使气缸内壁受到强烈的摩擦。它是内燃机磨损最严重的表面之一，也是决定内燃机大修期的最重要表面。大修不但增加使用成本，而且降低机器的使用寿命。气缸镜面还必须具有一定的耐磨性。气缸套外壁还受到冷却水的穴蚀，它也决定气缸套的使用寿命。因此，气缸套外壁也应该有抗“穴蚀作用”。设计缸套要注意提高刚度和耐磨性，防止拉缸，穴蚀和支承凸肩断袋，减少热变形和安装变形。 （1）气缸及气缸套材料

气缸通常与机体一样，采用灰铸铁。设计也选用灰铸铁。气缸套一般都用耐磨性好，铸造方便，成本低的合金铸造而成。常用的铸铁有高磷铸铁和硼铸铁两类，设计中选用高磷铸铁。其硬度可以达600-800HV。 （2）缸套的分类

缸套分为干式缸套，湿式缸套和整体式缸套。

1）干式缸套：干式缸套是在气缸内压入一个具有较高耐磨性的薄壁套筒。一般是动配合或者过渡配合装入机体中。干式缸套外表面不与冷却水接触，不存在冷却水的密封问题，一般壁厚在1-3 mm。但是铸造工艺要求高，废品率较高，散热效果比较差。

2）湿式缸套：湿式缸套冷却较好，更换方便，制造容易。它的外表面与冷却水直接接触，冷却和散热效果比较好，气缸套的热应力和变形较小，对于机体上的污物，水垢容易清除。但是易发生穴蚀，比干式缸套重。

3）整体式缸套：气缸套与机体连成一体，刚度和强度高于干式缸套和湿式缸套，但铸造复杂，维修与更换不方便。

由于缸径比较大，在设计中采用湿式缸套。 （3）湿式缸套的结构和尺寸

缸套的壁厚?n与?m（如上图）：根据《柴油机设计手册》，?n范围在（0.05-0.075）D之间，

(0.05-0.075)D?m范围在（0.08-0.12）D之间。取?n=6.2 mm.，?m=9.2 mm 。

2）圆角及圆弧的过渡：取R=R1=1.5 mm。

3）缸套的长度L：根据《柴油机设计手册》，L的范围在2S左右，而S=130mm ，取L=220 mm。 4）气缸套凸肩应该高于气缸体上平面?=0.05-0.15 mm，这样当紧固气缸盖时，可将气缸盖衬垫压得更紧，以保证气缸的密封性，防止冷却水和气缸内的高压气体的窜漏，要求相邻的两个气缸套的凸肩高出机体顶面高度应大致相等。但这个凸肩会使凸缘根部产生裂纹。为了减少凸缘所受的弯曲应力，在缸套顶面加工倒角。

（4）湿缸套的定位四个定位带支承在气缸体中作为径向定位。缸套的轴向定位采用环形支承凸肩，

设在机体的上部，这种定位加工简单，拆装方便。 3、气缸盖

（1）气缸盖的作用是密封气缸，并与活塞，气缸构成燃烧室空间。同时承受高温高压燃气的作

用，为保证气缸盖与气缸套之间的密封，气缸盖还要受到很大的螺栓预紧力，而气缸盖的各部分温度分布很不均匀，因此燃烧压力和交变热应力很大。故气缸盖应该具有足够的强度和刚度，工作时使故气缸盖的变形最小并保证与气缸的结合面和气门座的结合面有良好的密封。缸呆变形过大，气门损坏，等密封破坏，都会使内燃机无法工作。所以气缸盖的好坏直接影响柴油机的动力性，经济性和可靠性。常用的气缸盖的材料有铸铁，铝合金和钢。设计选用HT20-40灰铸铁。

（2）在气缸盖内一般有近排气道，气门导管孔，冷却水腔，润滑油孔道，起动阀，安全阀等装

置，并装有配气机构和喷油器等零部件。气缸盖上部装有气缸罩。

（3）气缸盖设计受燃烧室，配气机构，气门等零部件的影响。气缸盖分单体气缸盖、块状气缸

盖和整体式气缸盖。在设计中选用“?型”燃烧室，一个缸用一个盖，即单体气缸盖，一缸一个进气门一个排气门。气缸盖的布置应该从火力面的布置开始。火力面布置包括燃烧室的布置，喷油器的布置。现将气缸盖设计成“鼻梁型”，气缸盖的高度为105 mm，气缸盖的最小壁厚为4左右，在气缸座的气缸盖底面厚度加大到12，以减少翘曲，保证气门的密封性。在“鼻梁区”（气门座孔和喷油器孔之间的区域），由于热疲劳，最容易产生热裂纹，应该首先保证有足够的冷却，设计中在鼻梁区钻水孔以加强冷却。 4、气缸垫

气缸垫装在气缸盖和气缸体之间，是由两铜片中夹着石棉网制成的，在水孔和燃烧室孔周围加镶边，用来增加强度和耐用性。其做用是保证气缸盖与气缸体接触面的密封，防止漏气，漏水和漏油。 5、气缸盖螺栓布置

气缸盖螺栓是气缸盖和气缸体之间的联结件，其位置和数量对气缸盖和气缸体的受力情况，气缸盖和气缸体之间密封的可靠程度，及气缸套的变形大小有很大影响。螺栓数目要足够，以保证压紧均匀，减小局部变形，密封可靠。每缸使用4个螺栓。螺栓的布置应该尽量相对气缸中心线均匀分布，否则可能由于气缸受力不均引起局部变形。 6、曲轴箱

曲轴箱分上曲轴箱和下曲轴箱。上曲轴箱与气缸体铸成一体，下曲轴箱用来贮存润滑油，并封闭上曲轴箱，故又称为油底壳。

3．4 曲轴飞轮组

曲轴飞轮组主要由曲轴，飞轮等一些附件组成。 1、曲轴

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曲轴是发动机中最重要的机件之一。曲轴将连杆传来的力变为旋转的动力（扭矩），并向外输出。它承受周期性变化的气体压力、往复惯性力、离心力以及由它产生的弯曲和扭转载荷的作用。因此要求曲轴有足够的刚度和强度，耐磨损且润滑良好，并有很好的平衡性能。 （1）曲轴的材料

曲轴要求强度，冲击韧度和耐磨性好的材料制造，一般采用中碳钢或中碳合金钢模锻而成。为提高曲轴的耐磨性，主轴颈和曲柄销表面上需要经高频淬火或氮化处理，并经精磨加工。在设计中选用球墨铸铁。

（2）曲轴的结构及尺寸

机型是X2110。设计中用全支承，整体式的曲轴。全支承的优点是提高曲轴的刚度和弯曲强

度，并可减轻主轴承的载荷。 1）主轴颈

a）主轴颈：主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座中。 b）主轴颈直径D j：

根据《柴油机设计手册》，直列式的非增压柴油机，D j 在（0.70?0.80)D范围内，取D j = 84 mm。主轴颈的粗细影响曲轴的刚度。如果加粗主轴颈尺寸，可以增加曲轴轴颈的重叠度，提高曲轴的刚度，还可以提高自振频率，减轻扭振。但是主轴颈过粗，会因轴承圆周速度过大，使摩擦损失增加，轴承温度升高。 c）主轴颈的长度L j：

根据《柴油机设计手册》，非增压柴油机L j 在(0.35?0.5)D范围之间，取L j = 44 mm。短的主轴颈可增强刚性及保证良好的润滑要求，同时轴承的宽度小，使曲轴的变形可能也小。但是主轴颈过小，会使轴承的负荷能力变坏。 d）主轴颈过渡圆角R：

根据《柴油机设计手册》，主轴颈圆角R约为0.045D左右，取R = 4.5mm。圆角 曲轴应力最大的部位，所以曲轴的圆角半径应该足够大，避免应力的集中。 2）曲柄销

a）曲柄销：曲轴与连杆的连接部分，通过曲柄与主轴颈相连。 b）曲柄销直径Dp：

根据《柴油机设计手册》，直列式的非增压柴油机，Dp在（0.60?0.70)D范围内， Dp = 74 mm。如果采用较大的 Dp。可降低曲柄销比压，提高连杆轴承工作的可靠性，提高曲轴的刚度。但是曲柄销直径Dp过大，会使连杆大头也加大，使不平衡旋转质量的离心力加大，对曲轴及轴承的工作不利。同时还会增加轴承摩擦功率的损失，导致油温的升高，增加润滑油的热负荷。

设计中，由于缸径较大，曲柄销直径也较大，使不平衡的离心力也较大，为减小这种离心力，设计时曲柄销做成空心的，同时还可以减少曲轴的质量，改善圆角应力的分布，提高曲轴强度。

c）曲柄销减重孔直径d：

根据《柴油机设计手册》，d 在(0.3?0.6)D范围之间，取d = 31mm。曲柄销减重缩孔直径

d1=30 mm。 d）曲柄销长度Lp：

根据《柴油机设计手册》，Lp在(0.35?0.45)D范围之间，取Lp = 44 mm。如果Lp过长，

则流过轴承的机油流量减少，冷却差，轴承温度升高，使润滑粘度下降，轴承的承载能力反而降低。

e）连杆轴颈过渡圆角R：取R = 4.5mm。 3）曲柄臂

a）曲柄臂：它是曲轴中最薄弱的部分之一，在曲柄平面的抗弯刚度和强度较差。

b）曲柄臂厚度h：根据《柴油机设计手册》，h在(0.3?0.6)D范围之间，取h = 26 mm。 增加曲柄臂厚度h，可使过渡圆角处的压力流线分布更加的均匀，即可以提高它的强度和抗弯能力。但是它受到缸心距的限制。

c）曲柄臂宽度b：根据《柴油机设计手册》，b在（0.9?1.3）D范围之间，取b = 120 mm。在曲柄臂厚度无法增加时，通常会通过增加曲柄臂的宽度来提高它的强度，但是曲柄臂的宽度越宽，会使应力的分布越不均匀。设计曲柄的形状采用椭圆形，其中心偏离主轴颈中心28 mm，长轴为 80 mm，短轴 60 mm，如下图所示。 4）曲轴的两端

a）曲轴的两端为自由端与输出端。

b）曲轴前端：也叫自由端，一般安装机油泵，水泵，正时齿轮等。

c）曲轴后端：也叫输出端，一般安装飞轮。在曲轴后端还有安装飞轮的凸缘。为阻止机油向后窜漏，通常在曲轴轴颈与飞轮凸缘之间制成档油凸缘与回油螺纹。 5）曲轴的润滑油孔

? 油孔直径d?6mm，与垂直轴夹角为45。主轴颈上的斜油道与曲柄的润滑油道相通。润滑

油经主轴颈上的斜油道流向曲柄销孔，以润滑连杆轴瓦和曲柄销。 6）曲轴的平衡块

a）曲轴的平衡块是用来平衡曲轴的不平衡的离心惯性力和离心惯性力矩，尽量减小主轴承的

最大负荷。平衡块的重心要尽量远离曲轴的中心线，用来提高平衡效果。但是平衡块一般不能够超过曲轴旋转所扫过的范围，否则易使平衡块和其它的部件相干涉。设计平衡块时应该尽量不增加曲轴的尺寸，但又要尽量增加重量。 b）平衡块的布置方案

1：在曲轴上用两个平衡块。（如下图左）

2：在曲轴上用四个平衡块。（如下图右）

如果用四个平衡块还不能够达到平衡的目的，可以将平衡块加宽，再用螺栓嵌上去；或者将平衡块掏空一部分，注入铅。这样可以增加重量来达到平衡。

设计中选用在曲轴上布置四个平衡块。因为布置两个平衡块时，无法使整机得到平衡，所以选

用四个平衡块，此时整机基本平衡。平衡块形状见平衡块的平衡计算。 7）曲轴的轴向定位

为了限制曲轴工作时前后窜动量，保证曲柄连杆机构的正确位置，需要轴向定位。通常用止推片或止推轴承。 8）曲轴的止推及油封

a）曲轴的止推由曲轴的止推边限制曲轴的轴向移动，曲轴止推凸肩与止推片的轴向间隙为

(0.05?0.2)mm。使曲轴相对与机体可以自由的沿轴向做热膨胀。

b）为了防止曲轴的前后端沿着轴向漏油，曲轴应该有油封装置。设计中选用甩油盘和橡胶骨架

式油封。 2、飞轮

（1）飞轮用来贮存作功行程的能量，用于克服进气、压缩和排气行程的阻力和其它阻力，使曲

轴能均匀地旋转，是传动系中摩擦离合器的驱动件。在保证有足够的转动惯量的前提下，应该尽可能减小飞轮的质量，应使飞轮的大部分质量都集中在轮缘上，因而轮缘通常做得宽而厚。飞轮是高速旋转的零件，平衡性能要好，因此，飞轮与曲轴在制造时一起进行过动平衡实验，在拆装时为了不破坏它们之间的平衡关系，飞轮与曲轴之间应有严格不变的相对位置。通常用定位销和不对称布置的螺栓来定位。 （2）飞轮材料

飞轮一般由灰铸铁、球墨铸铁或铸钢制造。 （3）飞轮尺寸

飞轮外径D：根据《柴油机设计手册》，D的范围在400-600mm之间。 取飞轮外径D = 464mm； 飞轮内径D1= 411mm； 飞轮厚度b = 53 mm 。

3．5重要附件 1、喷油器

（1）喷油器是柴油机燃烧供给系中实现燃烧喷射的重要部件，作用是根据柴油机混合气形成的

特点，将燃油雾化成细小的油滴，并将其喷射到燃烧室的特定部位。目前采用的喷油器都是闭式喷油器，有孔式和轴针式两种。

（2）在设计中选用孔式喷油器，有四个小喷孔。喷射压力大，喷射的位置和燃烧室相配合，其

主要结构包括针阀，针阀体，喷油嘴，调压弹簧等部件。在喷射方向有特定的定位，在喷射器体和针阀体间设有定位销，用来保证喷射时的准确位置。 2、喷油泵

（1）喷油泵是柴油供给系中最重要的另件，它的作用是按照柴油机的运行工况和气缸的工作顺

序，按照一定的规律，适时的，定量的向喷油器输送高压燃油。它的性能和质量对柴油机影响极大，被称为柴油机的\心脏\。

（2）设计中用的是直列式柱塞喷油泵。工作时，在喷油泵凸轮轴上的凸轮与柱塞弹簧的作用

下，迫使柱塞作上、下往复运动，从而完成泵油任务。

（3）喷油机构包括柱塞套，柱塞，柱塞弹簧，出油阀，出油阀座等组成。

（4）喷油泵供油量调节是根据柴油机的负荷变化，每个工作循环的供油量主要取决于调节拉

杆的位置。此外，还受到发动机转速的影响。在调节拉杆位置不变时，随着发动机曲轴转速增大，柱塞有效行程略有增加，而供油量也略有增大；反之，供油量略有减少。这种供油量随转速变化的关系称为喷油泵的速度特性。 3、机油泵

（1）机油泵可以布置方在机体的端部，也可以布置在机体底面上。

（2）设计中将机油泵布置在机体底面上。机油泵由主动齿轮通过惰齿轮来传动设计中将机油

泵布置在机体底平面上。这种布置不需要油封结构，轴承润滑较好，可以减少磨损。机油泵安装位置底，柴油机起动后，瞬时即能吸上机油。但是维修保养不便。若将机油泵布置在机体的端部，虽然传动结构简单，但是机油泵的转速较底，安装位置如果较高，起动后吸上机油比较困难。 4、调速器

调速器是一种自动调节装置，它是根据柴油机负荷的变化，自动增减喷油泵的供油量，从而保证柴油机的转速稳定在很小的范围内变化。当发动机的负荷减小，转速升高时，会导致柱塞泵循环供油量增加，循环供油量增加又导致转速进一步升高，这样不断地恶性循环，造成发动机转速越来越高，最后导致飞车；反之，当负荷增大时，转速降低，转速降低导致柱塞泵循环供油量减少，循环供油量减少又导致转速进一步降低，这样不断地恶性循环，造成发动机转速越来越低，最后熄火。而减速器就可以改变这种恶性循环，使发动机在规定的转速范围内稳定运转的自动控制机构。通过移动供油拉杆，来改变循环供油量，使发动机的转速基本不变。因此，柴油机要满足使用要求，就必须安装调速器。 5、机油滤清器

（1）机油滤清器的作用：使循环流动的机油在送往运动零件表面之前得到净化处理。由于金属 磨屑和大气中的尘埃以及燃料燃烧不完全所产生的炭粒会渗入机油中，机油本身也因受 热氧化而产生胶状沉淀物，机油中含有这些杂质。如果把这样的脏机油直接送到运动零件表面，机油中的机械杂质就会成为磨料，加速零件的磨损，并且引起油道堵塞及活塞环、气门等零件胶结。因此必须在润滑系中设有机油滤清器，使循环流动的机油在送往运动零件表面之前得到净化处理。保证摩擦表面的良好润滑，延长其使用寿命。

（2）一般润滑系中装有几个不同滤清能力的滤清器，集滤器、粗滤器和细滤器，分别串联和并联在主油道中。与主油道串联的滤清器称为全流式滤清器，一般为粗滤器；与主油道并联的滤清器称为分流式滤清器，一般为细滤器，过油量约为10-30％。

3．6 配气机构

配气系统由气门组和传动组零件组成。 1、气门组

气门组包括气门，气门导管，气门座，气门弹簧、锁片、卡簧等零件。

（1）气门 1）气门的布置

根据气门的安装位置可分为气门顶置式配气机构和气门侧置式配气机构。

a）气门顶置式配气机构：由凸轮，挺柱，推杆，摇臂，气门和气门弹簧等组成。特点是进气阻力小，燃烧室结构紧凑，气流扰动大，能达到较高的压缩力。

b）气门顶侧置式配气机构：省去了推杆，摇臂，它的进排气门在气缸的一侧，压缩比受到限制，进排气门阻力较大，发动机的动力性和高速性均较差。 设计中选用气门顶置式配气机构。 2）气门的材料

气门由头部和杆部两部分组成。头部的工作温度很高，尤其是排气门的温度，还要承受气体压力，气门弹簧力以及传动组零件惯性力的作用，其冷却和润滑条件较差。因此，要求气门必须具有足够的强度，刚度，耐热和耐磨的能力。

进气门采用合金钢（铬钢或镍铬等），排气门采用耐热合金钢（硅铬钢等），在设计中选用40Cr。 3）气门的尺寸

设计中发动机采用每缸两个气门，即一个进气门和一个排气门的结构。为了改善换气，在可

能的条件下，应尽量加大气门的直径，特别是进气门的直径。

a) 进气门直径di：根据《柴油机设计手册》，di的范围在(0.32-0.50) D之间，取di=46.5mm。 b) 排气门直径de：根据《柴油机设计手册》，di比de大15-20%左右，取de=39.5mm。 c) 气门锥角r：根据《柴油机设计手册》，一般r为450或者300。设计取r=450。

d) 气门总长度lv：根据《柴油机设计手册》，lv的范围在(1.1-1.3) D之间,取lv=137.5 mm。 e) 气门杆部直径dv：根据《柴油机设计手册》，dv的范围在(0.2-0.25) D之间，取dv=9.5mm。 4）气门头顶部形状

气门头顶部形状有平顶，球面顶和喇叭形顶等。

在设计中选用平顶式。

（2）气门座

气门座与气门头部密封锥面配合密封气缸，气门头部的热量亦经过气门座外传。气门座可以在缸盖或缸体上直接镗出，也可以采用镶嵌式结构。 （3）气门弹簧

气门弹簧的作用在于保证气门回位。气门弹簧多为圆柱形螺旋弹簧，它的一端支承在气缸盖上，另一端压靠在气门杆尾端的弹簧座上，弹簧座用锁片固定在气门杆的尾端。 2、气门传动组 （1）凸轮轴 1）凸轮轴材料

凸轮轴控制气门的开启和关闭，每一个进、排气门分别有相应的进气凸轮和排气凸轮。凸轮轴的材料一般用优质钢模锻造而成，也可用合金铸铁或球磨铸铁铸造。凸轮轴各轴颈的工作表面一般要经过热处理后精磨，可以改善凸轮轴的耐磨性。 2）凸轮轴的布置形式

a) 凸轮轴布置形式分为下置，中置，上置三种。在设计中选用凸轮轴下置式。

b) 下置式凸轮轴通过挺柱，推杆和摇臂驱动气门。凸轮轴离曲轴较近，由曲轴的正时齿轮通过惰轮来传动，机构比较简单，广泛运用。其缺点是配气机构质量较差。凸轮轴的轴向尺寸取决于发动机的总布置。凸轮轴的轴向位置应与气门的轴相位置一致，为了防止凸轮轴的窜动，凸轮轴有轴向定位装置，锁紧垫片，止推凸缘定螺栓。这种布置结构简单，通用性好。 3）凸轮轴的尺寸

凸轮轴直径de：凸轮轴的断面尺寸取决于轴的刚度和装拆条件。根据《柴油机设计手册》，de

的范围在(0.25-0.35)D之间，取de=38mm。 (2)挺柱

挺柱的功用是将凸轮的推力传给推杆（或气门杆），并承受凸轮轴旋转时所施加的侧向力。顶柱在其顶部装有调节螺钉，用来调节气门间隙。挺柱常用镍铬合金铸铁或冷激合金铸铁制造，其磨擦表面应经热处理后研磨。设计中选用20钢。

挺柱尺寸：挺柱工作面直径 34 mm 挺柱柱直径 18 mm

挺柱总长 69 mm

(3)推杆

推杆的作用是将从凸轮轴传来的推力传给摇臂，它是配气机构中最容易弯曲的零件。要求有很高的刚度，在动载荷大的发动机中，推杆应尽量地做得短些。 (4)摇臂

摇臂实际上是一个双臂杠杆，将推杆传来的力改变方向，作用到气门杆端打开气门。

3、配气相位

（1）配气相位是用曲轴转角表示的进、排气门的开启时刻和开启延续时间。理论上讲进、压、功、

排各占180°，也就是说进、排气门都是在上、下止点开闭，但实际表明，简单配气相位对实际工作是很不适应的，它不能满足发动机对进、排气门的要求。 （2）为满足实际要求，常需要使进气门早开、晚关，排气门早开、晚关。

a)进气门早开：增大了进气行程开始时气门的开启高度，减小进气阻力，增加进气量。

进气提前角 一般α=10°-30°

b)进气门晚关：延长了进气时间，在大气压和气体惯性力的作用下，增加进气量。 进气延迟角 一般β=40°-80°

c)排气门早开：借助气缸内的高压自行排气，大大减小了排气阻力，使排气干净。

排气提前角 一般γ=40°-80°

d)排气门晚关：延长了排气时间，在废气压力和废气惯性力的作用下，使排气干净。

排气延迟角 一般δ=10°-30°

4、气门间隙

气门间隙是指气门完全关闭（凸轮的凸起部分不顶挺柱）时，气门杆尾端与摇臂或挺柱之间的间隙。一般冷态时，排气门间隙大于进气门间隙，进气门间隙约为0.25-0.3mm，排气门间隙约为0.3-0.35mm。

3．7 燃油供给系统

（1）燃油供给系统的作用是为内燃机缸内混合气的形成与燃烧提供所需的燃料。 （2）燃油供给系统包括油箱，输油泵，柴油滤清器，喷油泵，喷油器等。

1）柴油滤清器：通常采用纸质滤芯。柴油从油箱流进滤杯，通过纸质滤芯过滤，杂质被留在滤芯外面，清洁的柴油从滤芯内腔流出，经输油管流向输油泵，在滤清器上设有开关来控制油路。

2）油路：有高压油路和低压油路。

a) 高压油路主要包括喷油泵、调压阀、共轨管、流量限制器、限压阀和电控喷油器等。 b) 低压油路主要包括由低压油路、高压油路、传感与控制等。

3．8 冷却系统

（1）冷却系的作用：把受热零件吸收的部分热量及时散发出去，使发动机在所有工况下能够保持

在适当的温度范围。冷却系即要防止发动机的过热，也要防止冬季发动机过冷。 （2）水冷却系统的主要部件：

由散热器、风扇、水泵、冷却水套和节温器等组成。

1）散热器：散热器又称为水箱，由上进水室、散热器芯和出水室等组成。将冷却水在水套中

所吸收的热量传给大气，增大散热面积，加速水冷却。 2）风扇：提高通过散热器芯的空气流速，加速水的冷却。

3）水泵：对冷却水加压，加速冷却水的循环流动，保证冷却可靠。通常多采用离心式水泵，离心式水泵具有结构简单、尺寸小、排水量大、维修方便等优点。离心式水泵主要由泵体、叶轮和水泵轴组成。

4）节温器：控制冷却液流动路径的阀门。节温器装在冷却水循环的通路中（一般装在气缸盖的出水口），根据发动机负荷大小和水温的高低自动改变水的循环流动路线，以达到调节冷却系的冷却强度。

（3）冷却方式

冷却系按冷却介质不同可以分为风冷和水冷。本设计机型是船用柴油机，采用的是双循环闭

式水冷却系统，带有海水和淡水的热交换和膨胀水箱。水冷却系是以水作为冷却介质，把发动机受热零件吸收的热量散发到大气中去。目前采用的水冷系大都是强制循环式水冷系，利用水泵强制水在冷却系中进行循环流动。 （4）水的循环

冷却水在冷却系内的循环流动路线有两条，一条为大循环，另一条为小循环。所谓大循环是水温高时，水经过散热器而进行的循环流动；而小循环就是水温低时，水不经过散热器而进行的循环流动，从而使水温升高。散热器内的冷却水加压后通过气缸体进水孔压送到气缸体水套和气缸盖水套内，冷却水在吸收了机体的大量热量后经气缸盖出水孔流回散热器。由于有风扇的强力抽吸，空气流由前向后高速通过散热器。因此，受热后的冷却水在流过散热器芯的过程中，热量不断地散发到大气中去，冷却后的水流到散热器的底部，又被水泵抽出，再次压送到发动机的水套中，如此不断循环，把热量不断地送到大气中去，使发动机不断地得到冷却。

3．9 润滑系统

润滑的作用是在摩擦表面上覆盖一层润滑油，使相互运动的零件表面之间形成一层油膜，以减小摩擦阻力，降低功率损失，减轻零件磨损，延长使用寿命。 （1）润滑方式

设计中采用复合式润滑，即用压力润滑，飞溅润滑，也用润滑脂润滑。

1）压力润滑：将具有一定压力的润滑油源源不断地送往摩擦表面。如曲轴主轴承，连杆轴承，凸轮轴承，气门和气门摇壁等机油泵强制润滑，用压力润滑，以保证润滑可靠。并且有强烈

的清洗和冷却作用。

2）飞溅润滑：利用发动机工作时运动零件飞溅起来的油滴或油雾，来润滑摩擦表面。像负荷轻（如气缸），滑动速度低（如活塞销），或润滑条件有利（如凸轮和挺柱）也用飞溅润滑。 3）润滑脂润滑：通过润滑脂嘴定期加注润滑脂来润滑零件的表面。如水泵，发动机等轴承用润滑脂润滑。 （2）润滑系统的功用

润滑作用：润滑运动零件表面，减小摩擦阻力和磨损，减小发动机的功率消耗； 清洗作用：机油在润滑系内不断循环，清洗摩擦表面，带走磨屑和其它异物； 冷却作用：机油在润滑系内循环还可带走摩擦产生的热量，起冷却作用；

密封作用：在运动零件之间形成油膜，提高它们的密封性，有利于防止漏气或漏油； 防锈蚀作用：在零件表面形成油膜，对零件表面起保护作用，防止腐蚀生锈； 液压作用：润滑油还可用作液压油，如液压挺柱，起液压作用； 减震缓冲作用：在运动零件表面形成油膜，起减震缓冲作用。 （3）润滑系的零部件

润滑系包括机油泵，机油冷却器，机油滤清器，油底壳，集滤器。 1）机油泵：提高机油压力，保证机油在润滑系统内不断循环。 2）机油冷却器：在热负荷的情况下用来降低润滑油的温度。

3）机油滤清器：使循环流动的机油在送往运动零件表面之前得到净化处理。

4）集滤器：用来滤除润滑油中的粗大的杂质。

第二章 各系统及零件简介

2.1活塞连杆组 2.1.1活塞

2.1.1.1活塞的结构和选型

为保持良好的继承性及设计流行样式，本机选择整体式铝活塞，材料为ZL109。燃烧室为流行的?型直喷燃烧室。根据《柴油机设计手册》，中速机气环3-4道，油环1-2道，取气环2道，油环一道。2道气环在上面，1道油环在气环下面，如图1所示。为了降低活塞和整台发动机的高度，减少惯性力和摩擦功率损耗，应该减少环数。

图 1 活塞简图 图 2 活塞销简图

2.1.1.2活塞的主要尺寸

1．活塞的高度H：活塞的高度决定于下列因素

[1]：

1） 对柴油机高度尺寸的要求; 2） 转速n;

3） 燃烧室形状及尺寸； 4） 活塞裙部承压面积。

《柴油机设计手册》介绍H/D的一般范围为（1.0~1.3），推荐值为1.1左右。参照这个范围以及原机尺寸。

取值：H=115.5。H/D=1.05。

2．压缩高度H1：压缩高度决定活塞销的位置。在保证气环良好工作的条件下，宜缩 短H1。《柴油机设计手册》介绍，对于小型高速柴油机H1/D为（0.5--0.7）。

取值：H1=66，H1/D=0.6。

3．火力岸高度h：h越小，第一道环本身的热负荷也越高。一般要求第一道活塞环的工作温度不超过允许极限（约180~220℃）一般参考范围高速柴油机铝活塞(0.14~0.20)D， 取值：h=20, h/D=0.182 4．活塞裙部壁厚

一般为（0.03~0.06） 取值：?g?4.55,?g/D?0.041。 2.1.1.3环槽耐磨性的措施

环槽磨损对活塞的使用性能有很大影响，为了延长活塞使用寿命，要特别注意提高第一道环的耐磨性。为此，本机采用镶环座，在第一道环槽处铸入一个耐磨铸铁环座，环座与活塞材料依靠互相扩散形成金属分子结合。环座材料为锰奥氏体铸铁，这种材料的热膨胀系数与铝合金相近，因而能避免环座在运行时发生松动，以及防止中间层产生龟裂、剥落，并且耐磨性好。

2.1.1.4活塞裙部及其表面形状的设计

活塞裙部的作用在与保证裙部有足够的贴合面，起到导向作用。为了能够避免活塞裙部与曲轴平衡块或机体的主轴承座圈相碰，将裙部下端铣去两块，半径为112mm，这样，既能避免干涉，又使活塞重量减轻，并不影响活塞的导向长度。裙部的结构与曲轴的设计有着很大联系，故，要和曲轴的设计联系起来。 2.1.1.5活塞销设计

[1]

1、结构：如图2所示，销子内孔制成锥形，锥形内孔比销座支承长度稍长些，端部壁厚为中部的1/2。这样的形式能使销子重量降低20%左右。

2、 尺寸：

外径：d=(0.28~0.48)D, 取值：d=41mm. 内径：d0=(0.45~0.65)d， 取值：d0=20mm 长度：l=(0.82~0.88)D, 取值： l=96mm.

3、轴向定位：本机采用大多数柴油机所用的浮式活塞销，工作时在销座中有相对滑动。定位方式为弹性挡圈定位。挡圈用钢板冲成。 2.1.2连杆

连杆的运动情况和受力状态都比较复杂。在内燃机运转过程中，连杆小头中心与活塞一起作往复运动，承受活塞组产生的往复惯性力；大头中心与曲轴的连杆轴颈一起作往复运动，承受活塞连杆组往复惯性力和不包括连杆大头盖在内的连杆组旋转质量惯性力；杆身作复合平面运动，承受气体压力和往复惯性力所产生的拉伸.压缩交变应力，以及压缩载荷和本身摆动惯性力矩所产生的附加弯曲应力。

为了顺应内燃机高速化趋势，在发展连杆新材料、新工艺和新结构方面都必须既有利于提高刚度和疲劳强度，有能减轻质量，缩小尺寸。

对连杆的要求

[2]

1、结构简单，尺寸紧凑，可靠耐用。

2、在保证具有足够强度和刚度的前提下，尽可能的减轻重量，以降低惯性力。

3、尽量缩短长度，以降低发动机的总体尺寸和总重量。 4、大小头轴承工作可靠，耐磨性好。 5、连杆螺栓疲劳强度高，连接可靠。

但由于本设计是改型设计，故良好的继承性也是一个考虑的方面。 2.1.2.1连杆主要尺寸

1、连杆长度l：曲柄连杆比?一般均大于0.3，这样可以使柴油机的机体高度降低，净质量减少，而且连杆长度减小后，其材料也相应减少，从而成本降低。但是，过小的曲柄连杆比会引起活塞侧压力增加，从而导致柴油机摩擦损失的增加，加速活塞、活塞环、气缸套的磨损，影响可靠性。

文献2中指出：当曲柄连杆比??0.32时，对柴油机寿命及可靠性影响不大。参照原机及总体布置，选择和原机一样的曲柄连杆比，

,??r/l?65/210?0.3095。 即：l?210mm2、小头的结构尺寸：小头主要尺寸为连杆衬套内径d和小头宽度b1。《柴油机设计手册》中介绍的各个尺寸范围为：

d?(0.28~0.42)D

??(0.04~0.08)d,小缸径柴油机一般为2~4mm.b1?(0.9~1.2)d.d2?(1.2~1.4)d1

参照原机及《柴油机设计手册》中的统计数据。各个尺寸设计如下：

d?42mm?0.382D ??2.5mm?0.06d, d2?55?1.31d1考虑到小头上下面所承受的压力不同，将其设计成锥形，如图3所示。

图 3 小头示意图 图 4 连杆杆身示意图

这样既能达到强度要求，又能减轻整个连杆的质量，减轻往复惯性力。

d11?33.5mmd12?43.5mm

校核小头轴承的比压：

pz81.35?105???1102?10?6??422.9?105 Pa ? 422.9bar q??3?3db43.5?10?42?10?4《柴油机设计手册》中给出，q 许用值为630bar,可见是在安全范围之内的。 注：式中 Pz???最高燃气作用力,Pz?pz

?4D2；

d???衬套内径;b1???衬套支承长度;

3、连杆杆身:连杆杆身采用典型的工字形截面。尺寸如图4所示。

4、连杆大头定位方式为舌槽定位。这种定位方式定位可靠，贴面紧密，抗剪切能力强尺寸紧凑。但要注意舌槽部位要减小应力集中，以防疲劳损坏。 2.1.2.2连杆螺栓

连杆螺栓将连杆盖和连杆大头连在一起，它在工作中承受很大的冲击力，如果折断或松脱，将造成严重事故。因此，连杆螺栓为M22,采用标准细牙螺纹,都采用优质合金钢40Cr制造，并精加工和热处理特制而成。安装连杆盖拧紧连杆螺栓螺母时，要用扭力板手分2～3次交替均匀地拧紧到规定的扭矩，拧紧后为了防止连杆螺栓松动,还应可靠的锁紧。连杆螺栓损坏后绝不能用其它螺栓来代替。连杆螺栓必须用中碳合金钢制造，经调质以保证高强度。 2.1.2.3连杆轴瓦

为了减小摩擦阻力和曲轴连杆轴颈的磨损，连杆大头孔内装有瓦片式滑动轴承，简称连杆轴瓦。轴瓦分上、下两个半片。连杆轴瓦上制有定位凸键，供安装时嵌入连杆大头和连杆盖的定位槽中，以防轴瓦前后移动或转动，有的轴瓦上还制有油孔，安装时应与连杆上相应的油孔对齐。目前多采用薄壁钢背轴瓦，在其内表面浇铸有耐磨合金层。耐磨合金层具有质软，容易保持油膜，磨合性好，摩擦阻力小，不易磨损等特点。连杆轴瓦的背面有很高的光洁度。半个轴瓦在自由状态下不是半圆形，当它们装入连杆大头孔内时，又有过盈，故能均匀地紧贴在大头孔壁上，具有很好的承受载荷和导热的能力，并可以提高工作可靠性和延长使用寿命。轴瓦厚度和宽度根据《柴油机设计手册》上提供的范围分别别取2.5mm和38mm。 2.2曲轴飞轮组 2.2.1曲轴

1、曲轴的结构形式及材料选择

[3]：整体曲轴结构简单，重量轻，工作可靠，使用广泛，

尤其在中高速柴油机上应用更为普遍。并且原机器6110也是使用的整体式曲轴，考虑通用性和继承性，以及加工能力的原则，在本设计中选择整体式全支承曲轴。 在材料的选择上，我们秉承“以铸代锻，以铁代钢”的发展要求，结合设计实际要求，选择球墨铸铁作为曲轴的材料，相应地，制造方法为铸造。球墨铸铁曲轴的抗拉强度一般不亚于普通中碳钢，但由

于其伸长率，冲击韧度和弹性模量较低，综合力学性能还比锻钢差一点。但是本机由于只是普通的非增压机，强化程度并不高，所以其强度可以胜任。另外，球墨铸铁曲轴中的球状石墨对减磨性能有一定好处，所以球墨铸铁的曲轴的耐磨性能要比锻钢曲轴好。

2、曲轴的具体尺寸见零件设计 2.2.2飞轮 2.2.2.1飞轮的功用

飞轮主要功用是保证柴油机运转均匀。运行中当扭矩大于平均扭矩时，飞轮将多余能量储存起来；当扭矩小于平均扭矩时，飞轮释放能量，以避免转速急剧下降。此外，飞轮还是传递柴油机动力的主要零件。 2.2.2.2飞轮尺寸

公式：M?MR?IVdw (2－1) dt M：发动机的输出扭矩 MR发动机的阻力矩 IV发动机的转动发惯量

?1?E??2I0222????M?Md??????I?? (2－2) Rmaxmin0?2?E??E；?：盈亏功系数。对于两缸机，统计资料为0.5----0.8,本设计取0.7。

E=12?104Ne?----------------------一循环有效功

发动机总转动惯量中，飞轮占一大部分，令If??I0,?为飞轮的转动惯量占发动机的总转动惯量的分数。一般为0.8—0.9。在本设计的选择0.85。引用???n30得

If?90??E8??Ne?10.8?10 (2－3) n2??n328 飞轮矩：GfDm?4gIf?4.32?10 发电用时：??1/200??1/300。

??Ne (2－4) 3?n 对于本机：

2GfDm?4gIf?4.32?108??Ne?n3

?4.32?1080.85?0.7?22

1/200?15003 =355.104（N?M）

由于这个值比较大，所以我们以材料的限制来取，并且由于本机不均匀度要求较高，取上限值。我们选择铸铁作为飞轮的材料，其圆周速度限制在30~50m/s，取45，则 D2?60?v60?45??0.5732m ?n3.14?1500考虑到材料限速及过大飞轮对曲轴的不利影响，在原机基础上把飞轮径加大到440mm,

宽度加大到100mm，内径为333.5mm。 验算：

24GfDm??b?(D2?D14)g/8 (2－5)

3.14?0.1?7.4?103(0.444?0.3334)?9.8 =

8 = 141.69 （N?M）

可见，离理论要求来说还有一定的差距，但这是受缸数的限制。所以通常要求作发电用的柴油机有较多的缸数。对于本机来说，可以通过合理设计曲轴平衡等方法来尽量向要求靠拢。飞轮采用灰铸铁制造，为了保证有足够的转动惯量，尽可能减小飞轮的质量，使飞轮的大部分质量集中在轮缘上，为了在装拆时不破坏它们的平衡状态，飞轮与曲轴之间利用定位销或不对称布置螺栓保证其相对位置。为了便于检查机子的配气定时和供油角度，在飞轮外圆上刻有上止点标记和曲轴转角的度数。 2.3机体组 2.3.1气缸盖

2.3.1.1气缸盖类型、结构选择

本机采用一缸结构，喷油器采用斜装方案，由于是二气门结构，喷油器偏离气缸中心线。材料为铸铁（HT20-40），取材容易，应用广泛。

进排气道布置方案：根据气门数目、直径、气门座外径和柴油机用途及总体布置选择。并注意以下几点：

1、气门传动机构简单，气道形状和金属分布要合理。

2、要分析进、排气道同侧或异侧的优缺点。目前多数柴油机进、排气道布置为异侧方案，这样，可避免进气管受排气预热的影响。

3、气道阻力要小，气道截面不应有突变。本机气道方案如图5所示： 这种方案有如下特点：

1、结构布置较均匀，摇臂机构布置亦好。

2、喷油泵在进气道一侧，凸轮轴布置在排气道一侧，维修较方便。 3、喷油器斜装好，可增大气门直径。 4、广泛应用于中小型高速柴油机。 其它结构：气缸盖的最小壁厚为4mm左右，在气门座的气缸盖底面厚度加大到10~15mm,以减少翘曲，保证气门密封性。气缸盖内部也有冷却水套，其端面上的冷却水孔与气缸体的冷却水孔相通以便得用循环水来冷却燃烧室等高温部分。气缸盖与活塞顶部和气缸壁一起形成燃烧室。气缸盖上部装有气缸罩。减压机构安装在气缸罩内，减压机构和缸罩之间有橡胶圈封油。气缸盖中亦有水道连通机体冷却水套，并与水箱相通。

气缸盖火力面的布置：在气缸盖底板上的气门座孔上镶有气门座，材料为合金铜铬钼铸铁，以加强气门座的耐磨性和耐热性。气门座之间的“鼻梁区”以及喷油器座与气门之间的狭壁是气缸盖中最容易产生热烈的地方，应首先保证有足够的冷却，其冷却水道的最小半径不小于3mm，本机在“鼻梁区”中钻水孔以加强冷却。 2.3.1.2气缸盖螺栓布置

本机采用常的用的两缸机布置方案，如图6所示：

图 5 气道方案简图 图 6螺栓布置简图

2.3.1.3气缸盖基本尺寸

1、气缸盖的高度H：一般柴油机气缸盖高度为（0.75~0.103）D的范围内。 本机为H=105mm,H/D=0.954

2、气缸盖底面厚度：根据《柴油机设计手册》中推荐公式：??0.67D?3.8计算，本机为：11．17 mm，圆整到12mm.。 2.3.2气缸垫

气缸垫要求具有良好的弹性、导热性、防蚀性、抗粘性和抗老化稳定性。足够的抗拉与抗剪强度，有耐高温高压燃气的性能。厚度为0.7~1.5mm。材料为铜皮—石棉。 2.3.3气缸套

1、结构型式：从改型设计的原则和加工能力上考虑，本设计选用和原机同类型的气缸套。即湿气缸套，其特点是：

1）、湿式气缸套外表面直接与冷却水接触，冷却和散热效果较好，气缸套的热应力和变形较小。

2）、采用湿式气缸套，机体内部水套的铸造与清砂方便。 3）、气缸套装拆方便，互换性好，在制造相比较简单。 4）、机体水腔内若有污物、水垢，容易清除。

2、材料及主要尺寸：气缸套材料应具有良好的机械强度、耐磨性和耐蚀性、保油性和润滑性。本机选用价格低廉，制造方便的高磷铸铁作为材料，含磷量为0.6~0.8%.。

主要尺寸：长度L=219.6mm 厚度?=7mm.

3、气缸套的定位：缸套有两个带支承在气缸中作径向定位。为了安装方便及结构简单，下定位带的直径比上定位带直径小。并分别有一定的公差配合。缸套的轴向定位采用定位凸肩，设在机体上部，这种定位加工简单，拆装方便。

4、缸套的水封：缸套的上部靠凸缘压紧密封，下部有3个耐耐热、耐腐蚀的“o”形的橡胶密封圈。为了装橡胶圈的槽做成矩形，这样能使橡胶能产生较大的弹力，有较好的密封效果。 2.3.4 机体

本机选用和原机6110相的龙门式机体。这种机体把缸体与曲轴箱合成一体，外形尺寸较小（与隧道式相比），重量轻，剖分面少，加工方便，加工时数较少。由于属于水套壁和轴承壁受力系统，因此，壁上有加强筋布置。这些可以从横剖图上看出来。此种机体用于中小型柴油机时，无检查窗口，对气缸套，连杆的检修不便。

1、材料：机体材料有铸铁、铸铝和钢板与钢焊接三种。大多数机器采用铸造工艺，因而多用铸铁与铸铝。铸铝机体相比铸铁机体来说，有着重量轻，防磁性能优良等做点。但本机是用作固定发电用，故选用价格低廉的铸铁材料。

2、机体内水道的布置：设计时水道布置于机体的上部，使气缸套上部先进行冷却，而下部可以利用温差产生对流来进行冷却。这样布置水路比较紧凑，水泵装拆也比较方便。但是分水口水流比较急速。

3、机体内油道布置：本机的主油道布置在机体腰部，靠近凸轮轴一边，这样有利于减少管道和钻孔长度。

4、机体加强筋设计：按力的传递要求，在直列龙门式机体的横截面主轴承座处、螺栓搭子上布置横筋和竖筋。竖筋从轴承座搭子延伸到水腔壁，与气缸螺栓搭子相连，这样可减轻固紧螺栓时机体的变形，有利于力的传递。按照设计规范，加强筋厚度为7mm,与机体壁厚相当。

5、主轴承盖：本机选用普通倒挂式主轴承，这种轴承结构相对于正置式轴承来说，具有结构简单，加工工艺性好和装拆方便优点。但也有不能承受过大弯矩，刚度较差的缺点。 柴油机工作时，主轴承盖受侧向力而产生横向位移，使紧固螺栓承受剪切力，以到轴颈磨损或引起轴瓦，因此轴承盖定位必须牢固。本机选用主轴承座侧面定位方式。根据轴承受力情况，主轴承盖中间部位附近是受弯曲应力最大的危险横截面。故本机采用具有最大截面系数的I型横截面结构。如图7所示。

图 7 主轴承盖简图 图 8 凸轮轴传动示意图

2.4配气机构

2.4.1气门数目，布置和驱动

1、气门数目：考虑柴油机的用途、市场，以及和原机的继承性，本机选用每缸两个气 的结构。两气门结构简单，可靠，并能满足要求。布置时，将进，排气道布置于发动机的两侧。气门通过机体中的凸轮轴、挺柱、推杆和摇臂来驱动。

2、进气门：材料为40Cr。气门结调质处理后其硬度要达到HR30~40。本机仿照原机采用平顶气门。《柴油机设计手册》提供数据，直径d=(0.32~0.50)D,取值46.5mm。气门锥角为45°，气门总长度147mm，气门管径为9.5mm。

3、排气门：排气门的工作条件比较恶劣。有高温，又有高压，所以要求材料在高温下仍有良好的稳定性。并且强度要求也高。还有，由于气门的润滑条件比较差，所以最好材料能有保油性。本机选用4CrSi2Mo，这种材料具有高热强度和耐腐蚀性，Mo能使气门耐磨性、热稳定性和高温强度得到加强。排气门直径比进气门小。 2.4.2凸轮轴布置和传动

采用常用的下置式凸轮布置方案。传动齿轮布置在曲轴自由端，其优点是曲轴前轴直径小，齿轮尺寸小，拆卸方便，便于维修保养，中小功率柴油机多采用此方案。在曲轴齿轮和凸轮轴齿轮间安装正时齿轮。如图8所示。本机选用和原机6110一样的整体式凸轮轴，凸轮形线和制造材料都可以不变，这样可以节约设计成本和生产成本，使整个产品具有良好的继承性。同样，其它的不需要改变的零件也可以不变。 2.5燃油系

燃油系由油箱、柴油滤清器、输油泵、输油管、喷油泵、高压油管、喷油器、回油管等组成。系统安排如图9所示：

图 9 燃油系简图

1---燃油箱 2---输油泵 3—粗滤器 4---精滤器 5---喷油泵 6—喷油器 7溢流阀

本机在油底壳的吸油盘上装有粗滤器。精滤采用纸质滤芯。柴油从油箱流入滤杯，经过纸质滤芯过滤，杂质被留在滤芯外，清洁的柴油从滤芯内腔流出，经输油管流向喷油泵。油泵选择一只两缸的整体泵。喷油器选择两只4孔的喷油器，具体型号可以和原机一样。 2.6润滑系 2.6.1系统的组成

1、储油装置：柴油机的储油池有干式和湿式之分。干式油底壳不作储存机油用，机油储存在另一专门机油箱中，结构复杂，仅适用于军用车辆、高要求越野车和矿山、工地用自卸车以及一些船用柴油机。因为干式油底壳使整台柴油机的管路增多，设备和布置复杂，在这里选湿式油底壳。并且，本机为固定的发电机组，因而没有较大的倾斜，因而也不必要另设储油箱。为防止漏油，在油底壳和机体之间用一层橡胶垫片密封。

2、机油输送装置：本机选用齿轮泵作为输送装置。这种泵结构简单，机加工方便，工作可靠，寿命长。如果作为外购件的话，成本应该比较低。

3、机油冷却和滤清装置：选择管片水冷式机油冷却器作为冷却装置。滤清器由离心式精滤器和纸质滤心的机滤器并联组成。 2.6.2循环油量计算

Qe?qeQf (2－6)

Qe--机油每小时带走的热量

Qf--每小时加入柴油机的总热量 qe--比例系数

内燃机传给机油的热量Q0一般约为进入气缸的燃料发热量Qf的1.5-2.0% 取2.0%.

[4]. 在这里

Qf?3600Ne/?e (2－7)

?e--有效热效率，一般在35%左右，取35%

V0?Q0 (2－8) ?c?t?--机油密度，一般为085—0。9kg/L,取0.85。 c—机油比热容，一般为1.7—2.1kJ/kg?℃，取2.0 ?t--机油温差，一般为8--12℃，取10。

通过公式的估算得循环油量 V0?3600?22?0.02=266.2（L/h）

0.35?0.85?2.0?102.3.3润滑方式

本机采用压力润滑和飞溅润滑相结合的润滑方式。对于相对速度高，以及飞溅不能达到要求的部位，如曲轴轴承、连杆轴瓦，气门和气门摇臂等处均采用压力润滑。这种方式润滑效果好，并且有强烈的清洗和冷却作用。而气缸壁、活塞销、凸轮轴承处则采用飞溅润滑。 2.7燃烧系统

本设计采用直喷式，?型燃烧室，空间混合为主，中等强度的进气涡流挤压涡流。主要尺寸将在活塞一节中。

进气道的设计和原机一样，采用螺旋气道，在气门座上方的气道内做成螺旋形,流经气道的空气一部分在气道内形成绕气门中心的旋转运动,其强度仅与气道本身结构有关;另一部分近于切向气道,形成绕气缸中心的旋转,其强度与气道相对于气缸的布置有关。它能够产生中等或较高涡流强度。

第二章JX493Q1增压柴油机总体设计方案

柴油机的总体设计包括：机体组和曲柄连杆机构的设计、配气机构的设计、燃油系统的设计、冷却系统的设计，润滑系统的设计、起动系统的设计以及增压系统的设计。

1.1 机体组的设计

汽车发动机机体主要是由机体、气缸盖、气缸衬垫、气缸盖罩、主轴承盖以及油底壳等组成。 1.1.1机体

机体是汽缸体与曲轴箱的连铸体。机体是发动机中最大的零件，在发动机工作时，机体承受拉、压、弯、扭等不同形式的机械负荷，同时还因为气缸壁面与高温燃气直接接触而承受很大的热负荷。因此，机体应具有足够的强度和刚度，且耐磨损和耐腐蚀，并应对气缸进行适当的冷却，以免机体损坏和变形。机体也是最重的零件，应该力求结构紧凑、质量轻，以减小整机的尺寸和质量。

在此设计中，采用灰铸铁材料。在机体壁和前后壁的内外表面以及缸间的横隔板上铸有加强肋，在减少机体质量的同时保证机体有足够的强度和刚度。在集体的前后壁和横隔板上铸有支撑曲轴的主轴承座以及满足润滑需要的纵横油道，气缸外壁铸有冷却水套和布水室，已增加散热。

采用直列式，干式汽缸套，平底式机体，直列式特点是机体宽度小而且高度和长度大，干式汽缸套的优点是机体刚度大，汽缸中心距小，质量轻和加工工艺简单。平底式机体的地面与曲轴轴线齐平，高度小、质量轻加工方便。 1.1.2气缸盖

气缸盖工作条件及要求

气缸盖承受气体力和紧固气缸盖螺栓所造成的机械负荷，同时还由于与高温燃气接触而承受很高的热负荷。为了保证气缸的良好密封，气缸盖既不能损坏，也不能变形。为此气缸盖应具有足够的强度和刚度。为了使气缸盖的温度分布尽可能的均匀，避免进、排气门座之间发生热裂纹，应对气缸盖进行良好的冷却。

气缸盖材料采用灰铸铁铸造。

气缸盖是结构复杂的箱形零件。其上加工有进、排气门座孔，气门导管孔，喷油器安装孔(柴油机)。在气缸盖内还铸有水套、进排气道和燃烧室或燃烧室的一部分。

水冷发动机的气缸盖有整体式、分块式和单体式3种结构形式。在本次设计中采用整体式汽缸盖。整体式汽缸盖结构紧凑，可缩短汽缸中心距。当汽缸直径小于105时，一般都采用整体式汽缸盖。 1.1.3 气缸衬垫

（1） 气缸衬垫的功用、工作条件及要求

气缸衬垫是机体顶面与气缸盖底面之间的密封件。其作用是保持气缸密封不漏气，由机体流向气缸盖的冷却和机油不泄露。气缸衬垫应该具有足够的强度，并且要耐压、耐热和耐腐蚀。另外，还需要有一定的弹性。

（2） 按所用材料的不同，气缸衬垫可分为金属—石棉衬垫、金属—复合材料衬垫和全金属衬垫等多种。

在本次设计中采用金属—复合材料衬垫，因为没有石棉夹层，从而消除衬垫中气囊的产生，也减少了工业污染，是当前的发展方向。全金属衬垫强度高，抗腐蚀能力强，多用于强化程度较高的发动机上。

1.1.4，油底壳 油底壳的主要功用是储存机油和封闭机体。

油底壳用薄钢板冲压。油底壳内设有挡板，用以减轻汽车颠簸时油面的震荡。此外，为了保证汽车倾斜时机油泵能正常吸油，通常将油底壳局部做得较深。油底壳底部设放油螺塞。放油螺塞带磁性，可以吸引机油中的铁屑。

为保证油底壳用薄钢板与机体之间的密封，油底壳的密封凸缘应具有一定得刚度

1.2曲柄连杆机构的设计

曲柄连杆机构由活塞组、连杆组、和曲轴飞轮组的零件组成。 1.2.1活塞组 1.2.1.1活塞

活塞是发动机中工作条件最严酷的零件。作用在活塞上的有气体力和往复惯性力。活塞顶与高温燃气直接接触，使活塞顶的温度很高。活塞在侧压力的作用下沿气缸壁面高速滑动，由于润滑条件差，因此摩擦损失大，磨损严重。

活塞材料：采用铝合金活塞，用含硅12%左右的共晶硅合金制造外加镍和铜，以提高热稳定性和高温力学性能。在铝合金中增加硅的含量，可以提高活塞的耐磨性。

活塞可视为由顶部、头部和裙部等3部分构成。

为了使内燃机整体结构紧凑、减小整机高度和质量，减小往复惯性力，活塞总高度H、特别是压缩高度H1要尽可能缩小。

根据内燃机学表11-1活塞的主要尺寸比例 尺寸比例 柴油机 选定：

H1=46 H=85 H2=58 h=10 d=20

1.2.1.2 活塞环

H1/D 0.50-0.80 H/D 0.90-1.40 H2/D 0.50-0.90 h/D 0.12-0.20 d/D 0.30-0.40 其中H2指活塞裙部高度、H活塞总高度、h火力岸高度、d活塞销孔直径

活塞环有气环和油环之分

气环的主要功用是密封和传热。保证活塞与气缸壁间的密封，防止气缸内的可燃混合气和高温燃气漏入曲轴箱，并将活塞顶部接受的热传给气缸壁，避免活塞过热。油环的主要功用是刮除飞溅到气缸壁上的多余的机油，并在气缸壁上涂布一层均匀的油膜。活塞环工作时受到气缸中高温、高压燃气的作用，并在润滑不良的条件下在气缸内高速滑动。由于气缸壁面的形状误差，使活塞环在上下滑动的同时还在环槽内产生径向移动。这不仅加重了环与环槽的磨损，还使活塞环受到交变弯曲应力的作用而容易折断。 活塞环材料及表面处理

根据活塞环的功用及工作条件，制造活塞环的材料应具有良好的耐磨性、导热性、耐热性、冲击韧性、弹性和足够的机械强度。活塞环材料为优质灰铸铁，第一道活塞环外圆面进行镀铬处理。多孔性铬层硬度高，并能储存少量机油，可以改善润滑减轻磨损。 ．气环

气环开口形状： 开口形状对漏气量有一定影响。直开口工艺性好，但密封性差；阶梯形开口密封性好，工艺性差；斜开口的密封性和工艺性介于前两种开口之间，斜角一般为30°或45°。所以在此设计中选择斜开口形状。

气环断面形状：如下图，有矩形环、锥面环、扭曲环、梯形环、桶面环、开槽环、顶岸环。在这里，活塞第一道环选用梯形环。断面为梯形。其主要优点是抗粘结性好。当活塞头部温度很高时，窜入第一道环槽中的机油容易结焦并将气环粘住。在侧向力换向活塞左右摆动时，梯形环的侧隙、径向间隙都发生变化将环槽中的胶质挤出。第二道环采用扭曲环，由于扭曲环的上下侧面与环槽的上下侧面相接触，从而防止了环在环槽内上下窜动，消除了泵油现象，减轻了环对环槽的冲击而引起的磨损。在作功行程中，巨大的燃气压力作用于环的上侧面和内圆面，足以克服环的弹性内力使环不再扭曲。 油环

油环类型：油环有槽孔式、槽孔撑簧式和钢带组合式3种类型。

在本次设计中油环选用的是钢带组合式。其结构形式很多， 钢带组合油环由上、下刮片和轨形撑簧组合而成。撑簧不仅使刮片与气缸壁贴紧，而且还使刮片与环槽侧面贴紧。这种组合油环的优点是接触压力大，既可增强刮油能力，又能防止上窜机油。另外，上下刮片能单独动作，因此对气缸失圆和活塞变形的适应能力强。

1.2.1.3 活塞销

活塞销用来连接活塞和连杆，并将活塞承受的力传给连杆或相反。活塞销在高温条件下承受很大的周期性冲击负荷，且由于活塞销在销孔内摆动角度不大，难以形成润滑油膜，因此润滑条件较差。为此活塞销必须有足够的刚度、强度和耐磨性，质量尽可能小，销与销孔应该有适当的配合间隙和良好的表面质量。 活塞销材料及结构

活塞销的材料为低碳钢。外表面渗碳淬硬，再经精磨和抛光等精加工。这样既提高了表面硬度和耐磨性，又保证有较高的强度和冲击韧性。

活塞销的结构形状很简单，基本上是一个厚壁空心圆柱。其内孔形状有圆柱形、两段截锥形和组合形。圆柱形孔加工容易，但活塞销的质量较大；两段截锥形孔的活塞销质量较小，且因为活塞销所受的弯矩在其中部最大，所以接近于等强度梁，但锥孔加工较难。在这里 我们选用组合型活塞销。 1.2.2连杆组

连杆组包括连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴承等零件。习惯上常常把连杆体、连杆盖和连杆螺栓合起来称作连杆，有时也称连杆体为连杆。 连杆组的功用及工作条件：

连杆组的功用是将活塞承受的力传给曲轴，并将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆小头与活塞销连接，同活塞一起作往复运动；连杆大头与曲柄销连接，同曲轴一起作旋转运动，因此在发动机工作时连杆作复杂的平面运动。连杆组主要受压缩、拉伸和弯曲等交变负荷。最大压缩载荷出现在作功行程上止点附近，最大拉伸载荷出现在进气行程上止点附近。在压缩载荷和连杆组作平面运动时产生的横向惯性力的共同作用下，连杆体可能发生弯曲变形。

连杆组材料：

强度优质结构钢45模锻，并采用提高强度的工艺措施，如毛坯经调质，喷丸强化。 连杆尺寸：

连杆长度l=172mm，小头半径R1=21.5mm，大头半径R2=38.5mm，连杆螺栓2xM12

连杆构造 ：连杆由小头、杆身和大头构成。

杆身断面为工字形，刚度大、质量轻、适于模锻。杆身内加工有油道，用来润滑小头衬套和冷却活塞，在小头的顶部加工出喷油孔。

连杆大头除应具有足够的刚度外，还应外形尺寸小，质量轻，拆卸发动机时能从气缸上端取出。连杆大头是剖分的，连杆盖用螺栓或螺柱紧固，为使结合面在任何转速下都能紧密结合，连杆螺栓的拧紧力矩必须足够大。

在本次设计中，采用的是平切口连杆。

平切口连杆体大端的刚度较大，因此大头孔受力变形较小，而且平切口连杆制造费用较低。连连杆盖装合到连杆体上时须严格定位，以防止连杆盖横向位移。

平切口连杆利用连杆螺栓上一段精密加工的圆柱面与精密加工的螺栓孔来实现连杆盖的定位。斜切口连杆的连杆螺栓由于承受较大的剪切力而容易发生疲劳破坏。

连杆螺栓：

工作时连杆螺栓承受交变载荷，因此在结构上应尽量增大连杆螺栓的弹性，而在加工方面要精细加工过渡圆角，消除应力集中，以提高其抗疲劳强度。连杆螺栓用优质合金钢制造。经调质后滚压螺纹，表面进行防锈处理。 1.2.3曲轴飞轮组的设计 1.2.3.1 曲轴

（1）．曲轴的功用及工作条件

曲轴的功用是把活塞、连杆传来的气体力转变为转矩，用以驱动汽车的传动系统和发动机的配气机构以及其他辅助装置。曲轴在周期性变化的气体力、惯性力及其力矩的共同作用下工作，承受弯曲和扭转交变载荷。因此，曲轴应有足够的抗弯曲、抗扭转的疲劳强度和刚度；轴颈应有足够大的承压表面和耐磨性；曲轴的质量应尽量小；对各轴颈的润滑应该充分。 （2）．曲轴材料

采用球墨铸铁曲轴。球墨铸铁价格便宜，耐磨性能好，轴颈不需硬化处理，同时金属消耗量少，机械加工量也少。为提高曲轴的疲劳强度，消除应力集中，轴颈表面应进行喷丸处理，圆角处要经滚压处理。 (3)．曲轴构造

本设计采用全支撑、整体式曲轴。全支承的优点是提高曲轴的刚度和弯曲

强度，并可减轻主轴承的载荷。 1.2.3.2飞轮

对于四冲程发动机来说，每四个活塞行程作功一次，即只有作功行程作功，而排气、进气和压缩三个行程都要消耗功。因此，曲轴对外输出的转矩呈周期性变化，曲轴转速也不稳定。为了改善这种状况，在曲轴后端装置飞轮。

飞轮是转动惯量很大的盘形零件，其作用如同一个能量存储器。在作功行程中发动机传输给曲轴的能量，除对外输出外，还有部分能量被飞轮吸收，从而使曲轴的转速不会升高很多。在排气、进气和压缩三个行程中，飞轮将其储存的能量放出来补偿这三个行程所消耗的功，从而使曲轴转速不致降低太甚。

除此之外，飞轮还有下列功用：飞轮是摩擦式离合器的主动件；在飞轮轮缘上镶嵌有供起动发动机用的飞轮齿圈；在飞轮上还刻有上止点记号，用来校准点火定时或喷油定时以及调整气门间隙。

飞轮结构形状的特征是其大部分质量集中在轮缘上，所以轮缘做的又宽又厚，以便在较小的飞轮质量下获得较大的转动惯量。

飞轮材料为灰铸铁。 飞轮尺寸：

根据柴油机设计手册， 取飞轮外径D = 310mm；

飞轮内径D1=260mm； 飞轮厚度b =62 mm 。 1.3配气机构的设计

气门式配气机构由气门组和气门传动组两部分组成 1.3.1气门组 1.3.1.1气门

（1）.气门的工作条件

气门的工作条件非常恶劣。首先，气门直接与高温燃气接触，受热严重，而散热困难，因此气门温度很高。其次，气门承受气体力和气门弹簧力的作用，以及由于配气机构运动件的惯性力使气门落座时受到冲击。第三，气门在润滑条件很差的情况下以极高的速度启闭并在气门导管内作高速往复运动。此外，气门由于与高温燃气中有腐蚀性的气体接触而受到腐蚀。 （2）.气门材料

进气门一般用中碳合金钢制造，如铬钢、铬钼钢和镍铬钢等。排气门则采用耐热合金钢制造，如硅铬钢、硅铬钼钢、硅铬锰钢等。 （3）.气门构造及尺寸：

汽车发动机的进、排气门均为菌形气门，由气门头部和气门杆两部分构成。气门顶面有平顶、凹顶和凸顶等形状。本设计采用的是平顶气门，其结构简单，制造方便，受热面积小，进、排气门都可采用。

气门与气门座或气门座圈之间靠锥面密封。气门锥面与气门顶面之间的夹角称为气门锥角。进、排气门的气门锥角取为30°，

气门尾端的形状决定于上气门弹簧座的固定方式。采用剖分成两半且外表面为锥面的气门锁夹来固定上气门弹簧座，结构简单，工作可靠，拆装方便，因此得到了广泛的应用 根据柴油机设计手册：

进气门直径di： di的范围在(0.32-0.50) D之间，取di=38mm。 排气门直径de：de比di小15-20%左右，取de=32mm。 气门锥角r：一般r为45°或者30°。设计取r=30°。 气门总长度lv：取lv=120mm。 （4）.每缸气门数

一般发动机每个气缸有两个气门，即一个进气门和一个排气门。进气门头部直径比排气门大15％～20％，目的是增大进气门通过断面面积，减小进气阻力，增加进气量。 （5）气门布置

根据气门的安装位置可分为气门顶置式配气机构和气门侧置式配气机构。 设计中选用气门顶置式配气机构。顶置气门结构的进排气阻力比侧置门的要小，有利于进排气。 1.3.1.2气门座与气门座圈：

气缸盖上与气门锥面相贴合的部位称气门座。气门座的温度很高，又承受频率极高的冲击载荷，容易磨损。因此，铝气缸盖和大多数铸铁气缸盖均镶嵌由合金铸铁或粉末冶金或奥氏体钢制成的气门座圈。在气缸盖上镶嵌气门座圈可以延长气缸盖的使用寿命。 1.3.1.3气门导管 ：

气门导管的工作温度较高，而且润滑条件较差，靠配气机构工作时飞溅起来的机油来润滑气门杆和气门导管孔。气门导管由灰铸铁、球墨铸铁或铁基粉末冶金制造。在以一定的过盈将气门导管压入气缸盖上的气门导管座孔之后，再精铰气门导管孔，以保证气门导管与气门杆的正确配合间隙。 1.3.1.4气门弹簧：

气门弹簧的作用在于保证气门回位。气门弹簧多为圆柱形螺旋弹簧，它的一端支承在气缸盖上，另一端压靠在气门杆尾端的弹簧座上，弹簧座用锁片固定在气门杆的尾端。 1.3.2气门传动组 1.3.2.1凸轮轴

本设计采用的是凸轮轴中置式配气机构。与凸轮轴下置式配气机构的的组成

相比，减少了推杆，从而减轻了配气机构的往复运动质量，增加了机构的刚度 （1）凸轮轴工作条件及材料

凸轮轴承受周期性的冲击载荷。凸轮与挺柱之间的接触应力很大，相对滑动速度也很高，因此，凸轮工作表面的磨损比较严重。

凸轮轴由球墨铸铁铸造，轴颈和凸轮工作表面经热处理后磨光。 （2）凸轮轴轴承

凸轮轴的轴承一般制成衬套压入整体式轴承座孔内，再加工轴承内孔，使其与凸轮轴轴颈相配合。轴承材料多与主轴承相同，在低碳钢钢背上浇敷减摩合金层。

（3）凸轮轴传动机构

凸轮轴由曲轴驱动，其传动机构有齿轮式、链条式及齿形带式。本次设计中采用齿轮传动机构，柴油机需要同时驱动喷油泵，所以增加一个中间齿轮。

为了保证正确的配气定时和喷油定时，在传动齿轮上刻有定时记号，装配时必须对正记号。

（4）凸轮轴轴向定位

为了限制凸轮轴在工作中产生的轴向移动或承受螺旋齿轮在传动时产生的轴向力，凸轮轴需要轴向定位。在本设计中采用止推板定位。 （5）凸轮轴的尺寸

凸轮轴直径de凸轮轴的断面尺寸取决于轴的刚度和装拆条件。根据内燃机设计手册，de的范围在(0.25-0.35)D之间，取de=24mm。 1.3.2.2挺柱

挺柱是凸轮的从动件，其功用是将来自凸轮的运动和作用力传给推杆或气门，同时还承受凸轮所施加的侧向力，并将其传给机体或气缸盖。制造挺柱的材料有碳钢、合金钢、镍铬合金铸铁和冷激合金铸铁等。本设计中采用机械挺柱。 机械挺柱的结构结构简单，质量轻，在中、小型发动机中应用比较广泛。挺柱上的推杆球面支座的半径比推杆球头半径略大，以便在两者中间形成楔形油膜来润滑推杆球头和挺柱上的球面支座 1.3.2.3 ,推杆

推杆处于挺柱和摇臂之间，其功用是将挺柱传来的运动和作用力传给摇臂。在凸轮轴下置式的配气机构中，推杆是一个细长杆件，加上传递的力很大，所以极易弯曲。因此，要求推杆有较好的纵向稳定性和较大的刚度。推杆一般用冷拔无缝钢管制造，两端焊上球头和球座。也可以用中碳钢制成实心推杆，这时两端的球头或球座与推杆锻成一个整体。 1.3.2.4 摇臂

摇臂的功用是将推杆和凸轮传来的运动和作用力，改变方向传给气门使其开启。摇臂在摆动过程中承受很大的弯矩，因此应有足够的强度和刚度以及较小的质量。摇臂由锻钢、可锻铸球、球墨铸铁或铝合金制造。摇臂是一个双臂杠杆，以摇臂轴为支点，两臂不等长。短臂端加工有螺纹孔，用来拧入气门间隙调整螺钉。长臂端加工成圆弧面，是推动气门的工作面。 1.4 燃油系统的设计

柴油机燃油系统包括喷油泵、喷油器和调速器等主要部件及柴油箱、输油泵、油水分离器、柴油滤清器、喷油提前器和高、低压油管等辅助装置。 1.4.1，喷油器

（1）喷油器是柴油机燃烧供给系中实现燃烧喷射的重要部件，作用是根据柴油机混

合气形成的特点，将燃油雾化成细小的油滴，并将其喷射到燃烧室的特定部位。 （2）在设计中选用孔式喷油器，有四个小喷孔。喷射压力大，喷射的位置和燃烧室

相配合，其主要结构包括针阀，针阀体，喷油嘴，调压弹簧等部件。在喷射方向有特定的定位，在喷射器体和针阀体间设有定位销，用来保证喷射时的准确位置。 1.4.2，喷油泵

（1）喷油泵是柴油供给系中最重要的零件，它的作用是按照柴油机的运行工况和

气缸的工作顺序，按照一定的规律，适时的，定量的向喷油器输送高压燃油。它的性能和质量对柴油机影响极大，被称为柴油机的\心脏\。

（2）设计中用的是直列式柱塞喷油泵。工作时，在喷油泵凸轮轴上的凸轮与柱塞

弹簧的作用下，迫使柱塞作上、下往复运动，从而完成泵油任务。 （3）喷油机构包括柱塞套，柱塞，柱塞弹簧，出油阀，出油阀座等组成。 （4）喷油泵供油量调节是根据柴油机的负荷变化，每个工作循环的供油量主要取

决于调节拉杆的位置。此外，还受到发动机转速的影响。在调节拉杆位置不变时，随着发动机曲轴转速增大，柱塞有效行程略有增加，而供油量也略有增大；反之，供油量略有减少。这种供油量随转速变化的关系称为喷油泵的速度特性。 1.4.3机油泵

机油泵可以布置方在机体的端部，也可以布置在机体底面上。设计中将机油泵布置在机体底面上。机油泵由主动齿轮通过惰齿轮来传动设计中将机油泵布置在机体底平面上。这种布置不需要油封结构，轴承润滑较好，可以减少磨损。机油泵安装位置底，柴油机起动后，瞬时即能吸上机油。但是维修保养不便。若将机油泵布置在机体的端部，虽然传动结构简单，但是机油泵的转速较底，安装位置如果较高，起动后吸上机油比较困难。

1.4.4燃烧室

采用直喷式深坑形燃烧室。浅盆形燃烧室不组织进气涡流或利用弱进气涡流，而深坑形燃烧室一般都组织比较强的进气涡流。与浅盆形相比，深坑形燃烧室对燃油系统要求降低，由于利用进气涡流加强混合气形成，使空气利用率大大提高，并保持燃油消耗率低和启动容易的优点。在直喷式燃烧室的柴油机中，喷油器将燃油直接喷入燃烧室凹坑内，使其与运动气流相混合，形成可燃混合气并燃烧。

1.5冷却系统的设计

柴油机在运转时，高温燃气及摩擦生成的热会使活塞、缸套、缸盖和气门等零件的温度升高，引起工作过程恶化，零件强度降低，机油变质零件磨损加剧，最终导致发动机力性、经济性、可靠性及耐久性全面下降。柴油机的运转温度过低时，会引起燃烧恶化、摩擦损失增加等不良后果。冷却系的任务就是使柴油机的零部件在运转过程中保持适宜的温度，保证它的工作可靠性。

冷却系的主要功用是把受热零件吸收的部分热量及时散发出去，使发动机在所有工况下都保持在适当的温度范围内。冷却系统既要防止发动机过热，也要防止冬季发动机过冷。在发动机冷起动之后，冷却系统还要保证发动机迅速升温，尽快达到正常的工作温度。

由于水冷系冷却均匀，效果好，而且发动机运转噪音小，所以在本次设计中选择水冷却系统。这种系统包括水泵、散热器、冷却风扇、节温器、补偿水桶、发动机机体和气缸盖中的水套以及其他附加装置等。 1.5.1 水泵

水泵的功用是对冷却液加压，保证其在冷却系统中循环流动。

设计中采用离心式水泵。当水泵叶轮旋转时，水泵中的冷却液被叶轮带动一起旋转，并在离心力的作用下被甩向水泵壳体的边缘，同时产生一定的压力，然后从出水管流出。在叶轮的中心处由于冷却液被甩出而压力下降，散热器中的冷却液在水泵进口与叶轮中心的压差作用下经进水管流入叶轮中心。叶轮由铸铁制造，叶轮上通常有6～8个径向直叶片或后弯叶片。水泵壳体由铸铁铸制，进、出水管与水泵壳体铸成一体。

水泵一般由曲轴通过V带驱动。传动带环绕在曲轴带轮和水泵带轮之间，因此水泵转速与发动机转。 1.5.2，冷却风扇

冷却风扇置于散热器后面。当发动机在车架上纵向布置时，风扇一般安装在水泵轴上，并由驱动水泵和发电机的同一根V带传动。风扇的功用是当风扇旋转时吸进空气使其通过散热器，以增强散热器的散热能力，加快冷却液的冷却速

度。汽车发动机水冷系多采用低压头、大风量、高效率的轴流式风扇，即风扇旋转时，空气沿着风扇旋转轴的轴线方向流动。 1.5.3节温器

节温器是控制冷却液流动路径的阀门。当发动机冷起动时，冷却液的温度较低，这时节温器将冷却液流向散热器的通道关闭，使冷却液经水泵入口直接流入机体或气缸盖水套，以便使冷却液能够迅速升温。如果不装节温器，让温度较低的冷却液经过散热器冷却后返回发动机，则冷却液的温度将长时间不能升高，发动机也将长时间在低温下运转。节温器国产的多为波纹筒式，通常节温器是用来改变冷却水的循环流量，以达到自动控制冷却强度的目的。

水冷系统的冷却液都是由发动机的机体流进，从气缸盖流出。节温器布置在气缸盖出水管路中。这种布置方式的优点是结构简单，容易排除冷却系统中的气泡。

1.5.4膨胀补偿水箱

当冷却液受热膨胀时，部分冷却液流入补偿水桶；而当冷却液降温时，部分冷却液又被吸回散热器，所以冷却液不会溢失。由于冷却器布置的比较低，为了补偿水室高度的不足，将补偿水箱布置在冷却器的上方，这样就可以驱除高速柴油机冷却系统冷却水中由空气和蒸汽组成的水泡 1.6 润滑系统的设计

润滑系的功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。并对零件表面进行清洗和冷却。润滑系通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。 1.6.1 润滑方式

由于发动机传动件的工作条件不尽相同，因此，对负荷及相对运动速度不同的传动件采用不同的润滑方式。 压力润滑

压力润滑是以一定的压力把机油供入摩擦表面的润滑方式。这种方式主要用于主轴承、连杆轴承及凸轮轴承等负荷较大的摩擦表面的润滑。 飞溅润滑

利用发动机工作时运动件溅泼起来的油滴或油雾润滑摩擦表面的润滑方式，称飞溅润滑。该方式主要用来润滑负荷较轻的气缸壁面和配气机构的凸轮、挺柱、气门杆以及摇臂等零件的工作表面。 润滑脂润滑

通过润滑脂嘴定期加注润滑脂来润滑零件的工作表面，如水泵及发电机轴承等。 1.6.2 机油泵

机油泵的功用是保证机油在润滑系统内循环流动，并在发动机任何转速下都能以足够高的压力向润滑部位输送足够数量的机油。

在这里选用齿轮式机油泵。 1.6.3 机油滤清器

机油滤清器的功用是滤除机油中的金属磨屑、机械杂质和机油氧化物。如果这些杂质随同机油进入润滑系统，将加剧发动机零件的磨损，还可能堵塞油管或油道。

全流式机油滤清器串联于机油泵和主油道之间，因此全部机油都经过它滤清。因此在本次设计中也选用全流式机油滤清器。 1.7 启动系统的设计

要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行，所以柴油机需要有外力的起动系统。起动时必需要有足够大的起动力矩去克服柴油机的起动阻力，使曲轴转动。其次还必需使曲轴达到足够高的转速。 启动预热装置.电热塞

柴油发动机由于燃烧室表面积大，在压缩行程中的热量损失较大，更难以起动。为此，在柴油机的燃烧室中可以安装预热塞，在起动时对燃烧室内的空气加以预热。常用的电热塞有开式电热塞、密封式电热塞等多种形式。每缸一个电热塞，每个电热塞的中心螺杆并联与电源相接。发动机起动前首先接通电热塞的电路，电阻丝通电后迅速将发热体钢套加热到红热状态，使气缸内的空气温度升高，从而可提高压缩终了时的温度，使喷入气缸的柴油容易着火。

在中小功率柴油机上，电起动用得比较广泛。大功率柴油机用空气起动或电起动。因此本设计中 起动系为电起动系。

电起动中的起动系统是由起动机、蓄电池和发电机三部分组成。起动机由直流电动机、传动机构和起动开关组成。传动机构包括单向接合器和起动机齿轮等。而发电机有直流发电机和交流发电机两种，因为交流发电机和直流发电机比较具有重量轻、体质小、结构简单、维修方便、低速充电性能好，并使配合工作的调节器结构简化等优点，所以起动系的发电机选用为交流发电机。

1.8增压系统的设计

采用排气涡轮增压方式，压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器，涡轮在排气能量的推动下旋转，带动压气机工作，实现进气增压。内燃机排气涡轮增压系统包括：压气机、涡轮机、中冷器等部件。 1.8.1 本设计中采用的是废气涡轮增压，优点： ? 平均有效压力高，比油耗低

? 采用增压后，扩大系列化的范围（各种增压度可适应更大的功率范围的要求） ? 减少排气污染。增压加中冷，过量空气系数增大，压缩终点温度，最高燃烧温

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