内燃机学教学课件作者周龙保11_5课件

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1、第五节内燃机主要零件设计要点一、活塞组二、连杆、曲轴及轴承三、机体与气缸盖一、活塞组活塞组:包括活塞、活塞环、活塞销等，是活塞式内燃机中重要组件。设计要点：1、功用与工作条件2、基本结构和材料3、活塞的耐热设计4、活塞和活塞销的传力设计5、活塞的导向设计6、活塞与活塞环的密封设计（一）活塞的工作条件活塞顶要承受气缸内气体压力、温度的作用。活塞组承受很高的机械负荷、热负荷；活塞顶所受的压力传给连杆和曲轴。销座内上侧应力集中；活塞环既要在尽可能小的摩擦损失下保证漏气少，又要在很高的压力、温度下和极少的润滑油的条件下保证足够的耐久性；活塞组还要承受连杆摆动造成的侧向力；活塞组运动时产生很

2、大的往复惯性力。（二）基本结构和材料中小功率高速内燃机常用整体铸造的铝合金活塞（下图），简单轻巧。汽油机活塞（b）由于机械负荷和热负荷均较低，所以比柴油机活塞（a）更加轻巧。图11-2整体式铝合金活塞a)柴油机活塞b)汽油机活塞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应尽可能缩小。尺寸比例汽油机柴油机H1／D0.35~0.600.50~0.80H／D0.60~1.000.90~1.40H2／D0.40~0.800.50~0.90h／D0.04~0.100.12~0.20d／D0.22~0.300.30~0.40表11-1活塞的主

3、要尺寸比例（以缸径D为基准）制造活塞的材料应有小的密度ρ、足够的高温强度б、高的热导率λ、低的热胀系数α以及良好的摩擦性能（减摩性和耐磨性）。材料共晶铝硅合金过共晶铝硅合金合金铸铁AlSi12CuMgNiAlSi12CuMgNiAlSi12CuMgNi含Si质量分数×10011~1317~1923~261.8~2.1密度ρ/（kg·L-1）2.702.682.667.3工艺方法硬铸锻压硬铸锻压硬铸砂铸20℃时抗拉强度б20/（N·mm-2）200~250300~370180~220230~300170~210245~345250℃时抗拉强度б250/（N·mm-2）100~1501

4、10~170100~140100~160100~140245~34520~250℃间热导率λ20－250/（W·m-1·K-1）155~160160~165145~150157~163135~14033~4620~200℃间线胀系数α20－200/（10－6·K－1）21.021.419.920.319.311~12250℃时弹性模数E250／（N·mm－2）7250074000750007600081000108000~137000表11-2活塞材料的主要性能由燃气传给活塞的热量大部分经活塞环传给气缸再传到冷却介质，一部分经活塞内壁传给曲轴箱内的油雾和空气，小部分经裙部传给气缸。

5、汽油机活塞的热负荷一般较小。柴油机由于燃烧过程的持续高温高压、强湍流、强辐射的特点，其热负荷远高于汽油机。所以，活塞的耐热设计，主要是针对柴油机。（三）活塞的耐热设计要尽可能减小活塞顶的受热表面积，因此平顶活塞是最佳选择。但直喷柴油机的活塞顶形状复杂的燃烧室，使热负荷加重。一般铝合金活塞顶最高温度不应超过350℃。为了提高铝活塞顶的耐热性，可采用阳极氧化处理，生成硬质氧化铝薄膜。顶面喷涂ZrO2陶瓷层，也可提高活塞顶的耐热性。有些活塞开始采用高合金奥氏体铸铁护圈或用Al2O3+SiO2纤维、SiC或Al2O3颗粒强化的铝合金复合材料来强化环槽和燃烧室。（1）活塞顶汽油机的活塞头部断

6、面一般都在满足强度条件下尽量薄，以求轻量化。柴油机铝活塞头部一般很厚实，以便热的导出。从顶部到环带有很大的过渡圆角R，可降低活塞顶的温度和活塞头部的热应力。（2）活塞头部断面活塞环对活塞头部的散热起很大作用，尤其第一道环的热流量最大。所以，应选择适当的火力岸高度h（图11-2a）。h增大可降低第一道活塞环温度，但使活塞顶温度提高，同时活塞高度增大。第一活塞环槽的温度不应超过240℃，否则润滑油可能结胶甚至碳化，使活塞环在环槽中失去活动性，从而丧失其密封和传热功能。（3）火力岸高度（4）强制冷却如果在喷油冷却的活塞环带钻几个盲孔，可使第一环槽的温度下降20℃左右（图11-3）。图11

7、-3活塞环带钻孔对喷油冷却活塞温度场的影响当柴油机活塞功率PF＞0.2kw/时，需要向活塞内壁喷油冷却，一般通过固定在机体内壁上的喷嘴喷机油。a)有4个φ4mm的钻孔（D=110mm）b)无钻孔图11－4带盐芯铸出油腔（左）与带中空环槽镶圈（右）时活塞温度场的比较如果活塞功率PF＞0.3kw/时，为保持正常的活塞工作温度，需要在活塞上铸出冷却油腔（图11-4左）。用油腔冷却的活塞可使第一环槽温度下降20~30℃。图11-4右半部分表示的中空环槽圈，是在镶圈的内侧焊上由