發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)課件

第一章

總論§1—1發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的一般過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和研製可以分為三類：1、

在原有（現(xiàn)有）產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)：如改進(jìn)結(jié)構(gòu)提高工藝性、延長(zhǎng)壽命；降低排放；改進(jìn)燃燒系統(tǒng)提高經(jīng)濟(jì)性；改非增壓為增壓等2、

在現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)同一型式的系列化發(fā)動(dòng)機(jī)（系列化設(shè)計(jì)）：如在四缸機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)六缸機(jī)；在直列機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)V型機(jī)；在車用發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)工程機(jī)械用、發(fā)電用發(fā)動(dòng)機(jī)等3、

設(shè)計(jì)新型的發(fā)動(dòng)機(jī)（開發(fā)新機(jī)型）一、

發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的一般過(guò)程以新發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)為例，其一般過(guò)程包括四個(gè)階段：計(jì)畫與方案設(shè)計(jì)階段；樣機(jī)試製與調(diào)試階段；技術(shù)設(shè)計(jì)階段；鑒定與小批試生產(chǎn)階段1、計(jì)畫與方案設(shè)計(jì)階段：在調(diào)查、研究的基礎(chǔ)上，確定（1）

發(fā)展該新產(chǎn)品的原因，主要用途，適用範(fàn)圍（2）

所設(shè)計(jì)機(jī)型的主要技術(shù)規(guī)範(fàn)，包括：①

內(nèi)燃機(jī)型式：汽油機(jī)還是柴油機(jī)；燃燒室型式；缸徑，行程（活塞排量）；缸數(shù)，氣缸排列；衝程數(shù)；冷卻方式；吸氣方式（NA/TC）

②動(dòng)力性指標(biāo)：標(biāo)定功率，標(biāo)定轉(zhuǎn)速；最大扭矩及最大扭矩轉(zhuǎn)速等③經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)：燃油耗率，機(jī)油耗率④強(qiáng)化指標(biāo)：平均有效壓力，活塞平均速度⑤運(yùn)轉(zhuǎn)性能：最高轉(zhuǎn)速，最低怠轉(zhuǎn)速，調(diào)速率和轉(zhuǎn)速波動(dòng)率⑥重量和外形尺寸指標(biāo)：淨(jìng)重，外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）⑦排放、雜訊要求⑧可靠性、壽命（3）

內(nèi)燃機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，包括主要零部件結(jié)構(gòu)（4）

內(nèi)燃機(jī)系列化和變型產(chǎn)品情況，進(jìn)一步強(qiáng)化的可能性（5）

其他技術(shù)要求，如冷起動(dòng)等2、技術(shù)設(shè)計(jì)階段①總體方案設(shè)計(jì)：確定主要結(jié)構(gòu)參數(shù)、主要零部件結(jié)構(gòu)，總體佈置、設(shè)計(jì)（縱、橫剖面圖），熱計(jì)算與動(dòng)力學(xué)計(jì)算②單缸試驗(yàn)機(jī)和主要零部件的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)研究：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核與試驗(yàn)，配氣機(jī)構(gòu)、油泵試驗(yàn)（與凸輪有關(guān)），氣道實(shí)驗(yàn)，固定件剛性、強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)（重量）③樣機(jī)設(shè)計(jì)3、樣機(jī)試驗(yàn)與調(diào)試階段

①樣機(jī)試製與性能試驗(yàn)（性能試驗(yàn)前要磨合、調(diào)整）②可靠性和耐久試驗(yàn)（裝配前要先檢驗(yàn)零部件，磨合以後要換機(jī)油、清洗）③配套試驗(yàn)、擴(kuò)大用戶試驗(yàn)4、鑒定與小批試生產(chǎn)階段①

樣機(jī)鑒定：需提供一系列檔（設(shè)計(jì)任務(wù)書，技術(shù)檔，性能試驗(yàn)與耐久性試驗(yàn)報(bào)告，擴(kuò)大用戶試驗(yàn)、鑒定試驗(yàn)大綱等）；提供樣機(jī)供抽查、進(jìn)行性能試驗(yàn)②

小批試製與批量生產(chǎn)到此，為一輪試製完畢。

§1—2內(nèi)燃機(jī)選型一、各種類型內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)要求，內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)1、

車用發(fā)動(dòng)機(jī)（1）高的動(dòng)力性能：足夠的功率和良好的扭矩特性以保證車輛的動(dòng)力性（車速和牽引力）、加速性和克服突然增大的行駛阻力的能力。

①

功率：比功率（Pe/G，G為汽車總重）

G>20t的重型貨車、自卸車：4—7kW/tG=5—19t的汽車：7—13kW/tG<4t的汽車：10—22kW/t,有的輕型貨車達(dá)50kW/t

轎車：50—90kW/t，主要是保證加速性好，車速高②

扭矩適應(yīng)性係數(shù)與轉(zhuǎn)速適應(yīng)性係數(shù)扭矩適應(yīng)性係數(shù)：轉(zhuǎn)速適應(yīng)性係數(shù)：對(duì)於載重汽車：要求發(fā)動(dòng)機(jī)外特性的扭矩適應(yīng)性係數(shù)和轉(zhuǎn)速適應(yīng)性係數(shù)都盡可能大一些。兩者越大，汽車的加速性、爬坡能力和克服突然增大的行駛阻力的能力都提高，行駛過(guò)程中換檔的次數(shù)減少。目前載重汽車的適應(yīng)性係數(shù)範(fàn)圍大致為：=1.07-—1.25,

=1.5—2.0。適應(yīng)性係數(shù)取決於—關(guān)係。對(duì)於轎車：由於比功率很高，沒有必要注意發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性系③發(fā)動(dòng)機(jī)能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速範(fàn)圍應(yīng)盡可能地寬一些，並應(yīng)能迅速?gòu)牡∷僮儞Q到全速全負(fù)荷。

（2）

燃油經(jīng)濟(jì)性好：發(fā)動(dòng)機(jī)生命週期內(nèi)消耗的燃油價(jià)值為發(fā)動(dòng)機(jī)本身價(jià)值的幾十乃至百餘倍。車用發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性有多種評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)於車用發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，不僅要考察外特性最低油耗率，還應(yīng)使低油耗率區(qū)域盡可能寬廣，以降低使用油耗；發(fā)動(dòng)機(jī)的的功率配置是否合理亦影響使用油耗，不應(yīng)配備過(guò)大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)。（3）

結(jié)構(gòu)緊湊（結(jié)構(gòu)完善性）：不可太重、太高、太寬、太長(zhǎng)，除外形尺寸、總品質(zhì)外常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)有：①

比品質(zhì)（品質(zhì)功率比，）：

kg/kW,m—發(fā)動(dòng)機(jī)淨(jìng)品質(zhì)，Pe—標(biāo)定功率上世紀(jì)末，國(guó)外車用柴油機(jī)，3.5—5kg/kW;

國(guó)內(nèi)車用柴油機(jī)，4.8—9.3kg/kW

②

升功率（每升氣缸工作容積發(fā)出的功率，）：

kW/L車用汽油機(jī)：40—50kW/L

③

單位體積功率（，也稱功率密度）：

kW/m3，V—發(fā)動(dòng)機(jī)外形尺寸所表示的體積（4）可靠性高，壽命長(zhǎng)（耐久性）

①可靠性：可靠性以在保證期內(nèi)的不停車故障數(shù)、停車故障數(shù)、更換主要零件數(shù)和非主要零件數(shù)來(lái)考核。廣義的可靠性還包括產(chǎn)品的可維修性?？煽啃愿撸瑒t維修費(fèi)用低，提高汽車的使用率（通常汽車的故障中，發(fā)動(dòng)機(jī)的故障占主要部分），降低使用成本。一般要求在使用期內(nèi)（民用柴油機(jī)一般1500小時(shí)，汽油機(jī)500小時(shí)）不發(fā)生主要零件（如氣缸體、氣缸蓋、曲軸、連桿、軸瓦、活塞、活塞銷、活塞環(huán)、凸輪軸、氣門、氣門彈簧等件的斷或裂，以及影響噴油泵和增壓器功能的主要故障。②

壽命：通常以發(fā)動(dòng)機(jī)從開始使用到第一次大修期之前的累計(jì)運(yùn)行里程或小時(shí)數(shù)來(lái)表示，通常決定於氣缸和曲軸的磨損速率。二者有一個(gè)磨損極限值：

氣缸孔和曲軸軸頸磨損極限值

氣缸直徑D（mm）主軸頸直徑D1（mm）曲柄銷直徑D2（mm）50—100100—200允許極限磨損值(1/500—1/200）D（1/800）D(1/800）D1(1/800）D2允許最大橢圓度

(1/1250)D1(1/1250)D2通常柴油機(jī)的加工精度較高，壽命長(zhǎng)於汽油機(jī)，現(xiàn)代車用柴油機(jī)的使用壽命可達(dá)40×104—60×104km。

（5）低排放、低雜訊（低排放指標(biāo)）有害排放物：NOX，CO，HC，微粒，SO2（6）生產(chǎn)成本：為控制成本，除要注意產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)工藝性、注意現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)和條件外，還有注意產(chǎn)品的“三化”要求：即產(chǎn)品系列化、零部件通用化、零件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。不同用途車輛對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)要求的重點(diǎn)用途最重要較重要次重要城市公共汽車

長(zhǎng)途客貨車省燃料可靠性高維修簡(jiǎn)便有害排放少（公共汽車）振動(dòng)、雜訊?。ü财嚕┲亓枯p體積小壽命長(zhǎng)有害排放物少（長(zhǎng)途客貨車）振動(dòng)、雜訊?。ㄩL(zhǎng)途客貨車）製造成本轎車變工況範(fàn)圍寬有害排放少振動(dòng)雜訊小可靠性高維修簡(jiǎn)便製造成本低省油重量輕體積小壽命長(zhǎng)摩托車重量輕體積小製造成本低雜訊小有害排放物少可靠性高維修簡(jiǎn)便省油壽命長(zhǎng)振動(dòng)小其他用途車輛：越野車，一般要求在前後傾斜20度—30度、側(cè)向傾斜20度的條件下能正常使用；高寒地帶工作的發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)能在-40度—+40度的情況下仍能正常工作；在高原、沙漠環(huán)境下應(yīng)有專用機(jī)型。2、

機(jī)車用內(nèi)燃機(jī)（1）

可靠性，壽命（2）

動(dòng)力性（注：這裏的功率與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定有區(qū)別）（3）

經(jīng)濟(jì)性（4）

緊湊性：要考慮橋樑的承載能力和隧道的空間，內(nèi)燃機(jī)一般占機(jī)車總重量的15%，通常小於20噸。如東風(fēng)4幹線內(nèi)燃機(jī)車總重132噸，而16V240ZL柴油機(jī)（24/27.5，4000馬力，1100rpm，Cm:10.0）重19噸

3、

船用內(nèi)燃機(jī)一般要求：A、可靠性、壽命：一般，高速機(jī)（轉(zhuǎn)速在1000轉(zhuǎn)/分及以上）：10000—25000小時(shí)中速機(jī)（轉(zhuǎn)速在300—1000轉(zhuǎn)/分之間）：20000—50000小時(shí)低速機(jī)（轉(zhuǎn)速在300轉(zhuǎn)/分以下）：50000—100000小時(shí)B、經(jīng)濟(jì)性：上世紀(jì)末水準(zhǔn)：高速機(jī)200—220（燃油），0.9—2

g/kW.h

中速機(jī)175—200（燃油），0.8—2

g/kW.h

低速機(jī)160—190（燃油），<0.8

g/kW.hC、結(jié)構(gòu)合理：品質(zhì)、體積小，便於維修。D、起動(dòng)方便E、曲軸可直接反轉(zhuǎn)的內(nèi)燃機(jī)，其換向時(shí)間不大於15s，臺(tái)架上測(cè)得的倒車功率不小於正車功率的75%

F、曲軸回轉(zhuǎn)不均勻度不大於1/30—1/40，常用轉(zhuǎn)速範(fàn)圍內(nèi)無(wú)禁區(qū)G、在船舶縱、橫搖擺條件下能正常運(yùn)轉(zhuǎn)

具體（1）對(duì)艦用內(nèi)燃機(jī)：最重要的要求就是運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，生命力強(qiáng)；具有抗衝擊能力；振動(dòng)、雜訊小；排氣中的火花、熱量少。①

登陸艦：a.最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速小，約為持續(xù)轉(zhuǎn)速的1/4—1/3.5；

b.倒車功率大②

掃雷艦：a.能在最低轉(zhuǎn)速和最低負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)；

b.內(nèi)燃機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度小；

c.超負(fù)荷能力大；

d.振動(dòng)、雜訊小

③

潛艇：a.能在一定的真空度與背壓環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)，併發(fā)出要求的功率；

b.能適應(yīng)航行、充電等多種工作要求，內(nèi)燃機(jī)功率範(fàn)圍寬廣④

快艇：a.功率大,且內(nèi)燃機(jī)的功率特性能適應(yīng)滑行艇或水翼艇的推進(jìn)特性（PB=CnBm，m一般為3，快艇航行時(shí)m=2.8—3.9,過(guò)渡狀態(tài)時(shí)m=1.9—2.2,滑行狀態(tài)時(shí)m=1.4—1.6）；b.比品質(zhì)小，通常用強(qiáng)載度（PE.Cm）大的高速?gòu)?qiáng)載型大功率柴油機(jī)；c.加速性好

（2）

對(duì)漁船、拖船、船舶電站用內(nèi)燃機(jī)：①

漁船：能燃用劣質(zhì)燃料；能一機(jī)多用，在自由端有功率輸出裝置，以驅(qū)動(dòng)起重機(jī)、起網(wǎng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、空壓機(jī)、水泵等；能在最大傾斜度下工作；有較小的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。②

拖船：能適應(yīng)航速不變時(shí)，推進(jìn)軸扭矩隨拖載的增加而增加③船舶電站：轉(zhuǎn)速波動(dòng)小，回轉(zhuǎn)不均勻度要求通常為直流發(fā)電1/100—1/150，交流發(fā)電1/150—1/300；有負(fù)荷限制裝置；能適應(yīng)並車運(yùn)行，保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速與負(fù)荷分配

二、發(fā)動(dòng)機(jī)選型1、汽油機(jī)還是柴油機(jī)汽油機(jī)優(yōu)點(diǎn)：（1）

升功率高（主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)速高）、比品質(zhì)小、功率密度高；（2）

低溫起動(dòng)性能好；（3）

工作柔和，振動(dòng)、噪音??；（4）

製造成本低柴油機(jī)優(yōu)點(diǎn)：（1）

燃油經(jīng)濟(jì)性好，不僅最低油耗低，而且萬(wàn)有特性上的低油耗區(qū)寬，因此柴油機(jī)的使用油耗只有汽油機(jī)的2/3左右；（2）

柴油機(jī)可靠性、耐久性高於汽油機(jī)，發(fā)生故障少，大部分零件的使用壽命高於汽油機(jī)；（3）

柴油機(jī)可以採(cǎi)用較大的缸徑、較高的增壓比來(lái)提高單缸功率，而汽油機(jī)受爆震限制，缸徑不能太大、增壓比不可太高2、

四衝程還是二衝程二衝程機(jī)燃油、潤(rùn)滑油消耗大，HC排放量大，怠速、低負(fù)荷工況運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定；活塞、缸套熱負(fù)荷大；用掃氣泵時(shí)雜訊大；採(cǎi)用回流掃氣難於獲得良好的掃氣效率。但缸徑、行程、轉(zhuǎn)速相同時(shí)，與四衝程相比功率大50—70%，功率密度大、比品質(zhì)?。桓咨w簡(jiǎn)單，NOX排放少。

3、

風(fēng)冷還是水冷風(fēng)冷缺點(diǎn)：（1）雜訊大

因機(jī)體無(wú)水套減振，且風(fēng)扇和導(dǎo)風(fēng)罩的振動(dòng)大；（2）機(jī)械效率低

風(fēng)冷機(jī)的風(fēng)扇消耗的功率比水冷機(jī)的水泵、風(fēng)扇消耗的功率大，水冷機(jī)為發(fā)動(dòng)機(jī)功率的4—5%，風(fēng)冷為6—8%；（3）熱負(fù)荷高

使pe受限制，一般要比相同條件下的水冷機(jī)低

5%左右，同時(shí)也限制了風(fēng)冷機(jī)的缸徑（不大於150mm）和增壓比；（4）成本高

採(cǎi)用大量鋁合金、單體氣缸、風(fēng)扇—風(fēng)道系統(tǒng)；（5）機(jī)油消耗率高，對(duì)機(jī)油品質(zhì)要求高，且消耗率高；

風(fēng)冷優(yōu)點(diǎn)：（1）不需要水和防凍液，不存在漏水、積水垢、沸騰、結(jié)冰等問(wèn)題，冷卻系統(tǒng)工作可靠，適於缺水地區(qū)；

（2）因機(jī)體溫度高，對(duì)環(huán)境溫度變化不敏感，能在-50oC—+60oC範(fàn)圍內(nèi)正常工作；

（3）

起動(dòng)後暖機(jī)時(shí)間短，有利於減輕氣缸磨損和HC排放；

（4）缸壁溫度高，對(duì)燃料品質(zhì)不敏感；

（5）缸蓋、氣缸體為單體結(jié)構(gòu)，有利於同系列不同缸數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)組織；

（6）受槍炮彈片的傷害小

4、

氣缸數(shù)及其排列發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)和氣缸排列方式對(duì)其外形尺寸、平衡性、制造成本等都有影響，也和產(chǎn)品系列化有關(guān)。（1）氣缸數(shù)由發(fā)動(dòng)機(jī)功率計(jì)算式

式中

為平均有效壓力，MPa

為氣缸工作容積，l

為氣缸數(shù)

為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

為衝程數(shù)保持衝程數(shù)、額定工況下的功率、平均有效壓力、活塞平均速度都相同，S/D也不變，上式可改寫成即，，，

，，由，，可以看出：當(dāng)Pe

，pe，Cm，S/D和τ一定而缸數(shù)z增加時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的單缸工作容積Vh和發(fā)動(dòng)機(jī)總工作容積zVh都減小；曲軸轉(zhuǎn)速和升功率PL則加大；此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度增加，但寬度、高度都減小，發(fā)動(dòng)機(jī)的重量、體積都減小。

功率、強(qiáng)化程度（pe，Cm）都相同時(shí)，氣缸數(shù)多，則：發(fā)動(dòng)機(jī)比品質(zhì)小（因缸數(shù)多時(shí)，飛輪尺寸因扭矩均勻性的改善而減?。?、結(jié)構(gòu)緊湊、同為單列式機(jī)時(shí)平衡性好。但缺點(diǎn)是：面積比（）大，散熱損失大，單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的零件總數(shù)多，結(jié)構(gòu)複雜，製造維修成本高。因此要綜合考慮以下因素來(lái)確定氣缸數(shù)：A．Pe，nB．可達(dá)到的pe，CmC．外形尺寸的限制D．允許振級(jí)和成本一般①對(duì)於車用，常為4、6、8、12缸；也有2、3缸（微型、輕型車），5、10缸（中型車），16缸（重型車），按Pe劃分<25kW2、3、4缸25—75kW4缸75—150kW5，6缸，多為6缸150—200kW6、8缸，多為6缸200—250kW6、8、10缸，多為8缸>250kW8、10、12缸②對(duì)於船用機(jī)，按轉(zhuǎn)速分低速機(jī)

5—12缸，常用5—10缸中速機(jī)

5—10缸，常用6、8、9，個(gè)別為4、12，直列機(jī)8—20缸，常用12—18缸，V型機(jī)高速機(jī)

上述各種缸數(shù)都出現(xiàn)過(guò)，根據(jù)缸數(shù)有直列、V型等

（2）氣缸排列方式有單列（其氣缸中心線所在平面或與地面垂直，或與地面成一定角度）、V型、W型、星型等，以單列式、V型為多。氣缸排列方式列數(shù)太多則發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)複雜，難於製造，且軸承負(fù)荷大；優(yōu)點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、長(zhǎng)度短、曲軸與機(jī)體的剛性好。如V型機(jī)比同樣缸數(shù)、行程的單列式發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度縮短35—45%，重量輕15—20%。通常缸數(shù)大於等於8的發(fā)動(dòng)機(jī)考慮用V型佈置。

5、

燃燒室型式、氣門數(shù)目（1）汽油機(jī)：側(cè)置氣門式燃燒室結(jié)構(gòu)不緊湊，面容比大、散熱損失多，燃燒速率低，許用壓縮比小，目前在ε>7的汽油機(jī)上已很少採(cǎi)用。現(xiàn)多用頂置氣門式燃燒室。頂置氣門式燃燒室有四種：契形、蓬形（半球形）、盆形、碗形四種：a)契形(b)蓬形(c)盆形(d)碗形汽油機(jī)燃燒室

①可能達(dá)到的平均有效壓力pe:(b)>(a)>(d)>(c)②排放：CO、HC：（b）最少，（a）、（d）次之，（c）較多③可達(dá)到的轉(zhuǎn)速：（b）最高，可達(dá)5000—6000轉(zhuǎn)/分以上，（a）、(d)次之，(c)較低，主要是（b）中的球形在同一D、Vh和ε下可佈置較大的進(jìn)氣門④製造成本：（b）最高，（d）最低⑤爆震傾向：契形室、碗形室擠氣渦流強(qiáng)，爆震傾向相對(duì)最小，盆形室次之，半球形室最大，一般要用高辛烷值汽油；用相同牌號(hào)的汽油時(shí)，契形室、碗形室許用壓縮比最大。

（2）柴油機(jī)：燃燒室有分隔室式、直噴式。分隔室式主要為渦流室，預(yù)燃室少。分隔室式優(yōu)點(diǎn)是有害排放物NOX，微粒，CO和HC排放量都比直噴式少，振動(dòng)、雜訊小，自然吸氣（NA）時(shí)pe較直噴式機(jī)大；缺點(diǎn)是燃油消耗率高（預(yù)燃室又比渦流室高），散熱損失大導(dǎo)致起動(dòng)困難，增壓機(jī)受熱負(fù)荷限制pe較直噴式機(jī)小。一般大缸徑用直噴，小缸徑用渦流室?！?—3發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)選擇一、發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化指標(biāo)

發(fā)動(dòng)機(jī)功率

kW

式中

為平均有效壓力，MPa

為氣缸工作容積，l

為氣缸數(shù)

為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

為衝程數(shù)

活塞平均速度，m/sD氣缸直徑，mm由上式可知，當(dāng)z、τ、D確定後，功率Pe的提高只能靠提高pe、Cm了，一般用此二參數(shù)作為內(nèi)燃機(jī)的強(qiáng)化指標(biāo)：用peCm積或peCm/τ表示強(qiáng)化係數(shù)peCm/τ值:四衝程非增壓機(jī)

6.5—

9MPa.m/s四衝程增壓中高速機(jī)

12—34

MPa.m/s二衝程低速機(jī)

7.5—10

MPa.m/s1、平均有效壓力pe：是標(biāo)誌發(fā)動(dòng)機(jī)工作迴圈的有效性和製造完善性的指標(biāo)之一由於

(非增壓)

（增壓）（

Pa：?jiǎn)挝粴飧坠ぷ魅莘e所作的指示功，反映發(fā)動(dòng)機(jī)工作迴圈的熱功轉(zhuǎn)換的有效程度和氣缸工作容積的利用效率）因此，提高pe必須：提高ηV：a.合理設(shè)計(jì)進(jìn)氣系統(tǒng)，尤其是進(jìn)氣道，以減小進(jìn)氣阻力，提高流量係數(shù)

b.合理的配氣機(jī)構(gòu)和配氣定時(shí)：加大進(jìn)氣門直徑，採(cǎi)用頂置式凸輪軸，增加氣門數(shù)、完善凸輪外形、最佳氣門重疊角

c.汽油機(jī)採(cǎi)用多腔化油器、多個(gè)化油器、汽油噴射，以減小進(jìn)氣阻力，並兼顧各工況性能

d.降低排氣系統(tǒng)阻力，採(cǎi)用可變進(jìn)排氣系統(tǒng)（利用其中的動(dòng)態(tài)效應(yīng)）等提高ηi：a.對(duì)於汽油機(jī)適當(dāng)提高壓縮比

b.改善燃燒過(guò)程提高ηm：

減少活塞環(huán)數(shù)目；選擇適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑油；保持發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳熱狀態(tài)；提高加工精度和表面品質(zhì)；合理設(shè)計(jì)活塞形狀；減少附件功率損失提高γs：具體措施即增壓，是提高pe主要措施，對(duì)柴油機(jī)一般可提高30—40%，增壓中冷可提高50—70%，而成本只增加8—10%，發(fā)動(dòng)機(jī)品質(zhì)增大3—5%；對(duì)於汽油機(jī)，化油器式僅用於高原恢復(fù)功率（海拔每增加1000m，功率下降10%）?，F(xiàn)代四衝程增壓柴油機(jī)pe最高可達(dá)3.2Mpa，車用機(jī)上達(dá)到1.4—1.8Mpa降低α：對(duì)汽油機(jī)α=0.85—1.10，改變?chǔ)琉N地不大，要受火焰?zhèn)鞑ニ俣认拗?/p>

對(duì)柴油機(jī)α=1.2—2.2左右（低速1.8—2.0，高速1.2—1.5，增壓1.7—2.2），採(cǎi)用合適的燃燒方式組織燃燒可提高pe

總趨勢(shì)：平均有效壓力是一個(gè)提高的過(guò)程，但要考慮熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷。一般：非增壓四衝程柴油機(jī)

pe=0.6—1.0MPa

增壓四衝程機(jī)

pe=1.0—2.5MPa（二級(jí)增壓可達(dá)2.5MPa）

非增壓二衝程機(jī)

pe=0.4—0.65MPa2、活塞平均速度

Cm=Sn/30,Cm上升，則

①機(jī)械負(fù)荷上升：因曲柄連桿機(jī)構(gòu)的往復(fù)慣性力

(汽油機(jī)ajmax=500—1500g,柴油機(jī)ajmax=200—800g，g—重力加速度)

②熱負(fù)荷上升：

③進(jìn)排氣阻力增加，充氣係數(shù)ηv下降（應(yīng)加大氣門或增加氣門數(shù)目）

④摩擦加劇，磨損加快，機(jī)械效率下降，燃油耗率上升，壽命下降但Cm過(guò)小，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率不利，對(duì)提高升功率不利。對(duì)於柴油機(jī)，Cm選擇要顧及混合氣形成與燃燒的限制；對(duì)於汽油機(jī)，Cm的選擇與進(jìn)氣系統(tǒng)有關(guān)：因?yàn)椴煌蜋C(jī)在各自額定轉(zhuǎn)速下有差不多的進(jìn)氣口處速度vg，而vg=Cm.Fh/(μmiFv)通常：高速柴油機(jī)

Cm=9—13m/s（其中車用柴油機(jī)10—13m/s）

中速柴油機(jī)

Cm=6—9m/s低速柴油機(jī)

Cm=5—7m/s汽油機(jī)

Cm=12—13m/s

二、主要結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇主要參數(shù)有：缸數(shù)z，缸徑D，活塞行程S，連桿長(zhǎng)度L，缸心距L0。其中：發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式確定以後，z、L0

已確定；L隨曲柄半徑與連桿長(zhǎng)度比λ（λ=R/L）而定：船用低速二衝程機(jī)

λ=1/3.5—1/4船用中速機(jī)

λ=1/3.8—1/4.6船用高速機(jī)

λ=1/3.5—1/4.3汽車發(fā)動(dòng)機(jī)

λ=1/3.2—1/3.8λ大致選定，即L也可隨R也就是S而定，因此主要結(jié)構(gòu)參數(shù)中尚需確定的只剩下D、S。D的確定：要考慮系列化、功率型譜銜接、機(jī)型發(fā)展前景。D增大，零件尺寸增大、品質(zhì)增加，機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷上升。S的確定：S增大，Cm增大，摩擦加劇，磨損加快，壽命下降，機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷上升，通常要由Cm和S/D來(lái)確定。

通常D、S二者的選定應(yīng)同時(shí)考慮，先要確定S/D。S/D對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、外形尺寸和性能的影響（假定Pe、pe、Cm不變）：1、S/D對(duì)外形尺寸的影響如Vh不變，S/D↑對(duì)於直列機(jī)高度↑，長(zhǎng)度↓，寬度變化較小，但對(duì)於V型機(jī)，寬度增大的幅度與高度是相同的。下圖為對(duì)一臺(tái)直列四衝程高速機(jī)的外形尺寸計(jì)算結(jié)果，從中可以看出對(duì)於同一Vh，取較小的S/D值則單列式發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度加大，高度、寬度減小，其中長(zhǎng)度受S/D值的影響最大。

可知，S/D↓，則慣性力上升↑；當(dāng)然Cm不變時(shí)，S/D↓，n可加大，從而PL↑。

PL↑。

2、S/D對(duì)慣性力的影響最大往復(fù)慣性力

3、S/D對(duì)燃燒室的影響①

S/D↑，則內(nèi)燃機(jī)壓縮室容積與其表面積之比ξ=FC/VC↓，設(shè)計(jì)時(shí)希望ξ↓，以減少燃燒室散熱，改進(jìn)燃燒，提高經(jīng)濟(jì)性②

S/D↑，則Vm/Vc↓，Vk/Vc↑，熱效率↑，平均有效壓力pe↑，有害排放物減少若Vh、ε一定：4、對(duì)曲軸強(qiáng)度、剛性的影響Vh一定時(shí)，S/D↓，則R↓，重疊度Δ=0.5(d1+d2)-R加大，曲軸的彎曲、扭轉(zhuǎn)剛性加大，疲勞強(qiáng)度↑，扭振固有頻率↑。

綜上所述，Pe、pe、Cm不變時(shí)：

S/D較小，則可降低發(fā)動(dòng)機(jī)高度，提高升功率，減小V型機(jī)寬度，提高曲軸的強(qiáng)度和剛性；但熱效率下降，有害排放物增加，慣性力增大，單列機(jī)長(zhǎng)度增加。一般：車用汽油機(jī)S/D=0.90—1.05車用柴油機(jī)S/D=1.0—1.2船用高速機(jī)S/D=0.9—1.25船用中速機(jī)S/D=1.0—1.4，轉(zhuǎn)速較高；1.4—1.8,轉(zhuǎn)速較低船用低速機(jī)回流掃氣S/D=1.7—2.05（多為1.7—1.8）（二衝程）直流掃氣S/D=1.85—2.25（多為2.0以上）長(zhǎng)行程機(jī)S/D=2.8—3.85V型機(jī)比直列機(jī)略小選定S/D後，因Pe、pe已知，故可求出S、D值：①

由

得

（l）（dm）（dm）

②

將D，S取為整數(shù)，再複算Vh和S/D③

由Vh、S複算

（MPa）(m/s)

二者應(yīng)與先進(jìn)機(jī)型水準(zhǔn)相當(dāng)§1—4發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法一、CAD技術(shù)的應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程從總體方案設(shè)計(jì)到零部件設(shè)計(jì)都可以應(yīng)用CAD技術(shù)。CAD支撐軟體有：1、

圖形軟體：包括圖形輸入和編輯、圖形變換和輸出、尺寸及工藝資訊標(biāo)住、由零件圖畫裝配圖及漢字標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容，有二維、三維兩種。2、

工程資料庫(kù)：包括圖形和非圖形兩部分。圖形部分包含有圖形管理系統(tǒng)和圖庫(kù)（標(biāo)準(zhǔn)件、標(biāo)準(zhǔn)畫法等），非圖形部分包含有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)資料數(shù)據(jù)等。3、

工程分析方法資料庫(kù)：包括常用演算法庫(kù)、優(yōu)化方法庫(kù)、有限元前後處理及分析程式庫(kù)、疲勞和可靠性設(shè)計(jì)分析程式、局部應(yīng)力-應(yīng)變分析法和斷裂力學(xué)分析程式等。

設(shè)計(jì)時(shí)先要借助電腦進(jìn)行整機(jī)性能預(yù)測(cè)（工作過(guò)程模擬），再進(jìn)行具體的CAD設(shè)計(jì)過(guò)程。1、發(fā)動(dòng)機(jī)性能模擬計(jì)算***THEMAINDATAOFINPUT***dd0.1650s0.1850nn1800xne01100.00paa0.960taa312.00etw0.8800tcw322.00pn1.1000epc15.40***THEMAINOUTPUTDATA***NH:9XNE:1099.8169PE:11.5846ET:0.8112GE:195.4217GI:173.2285EK:0.7598PK:2.3207TK:429.7889XNT:48666.57PS:2.2898TS:334.9347EMM:0.8864PT:2.1434TT:783.5820TR:663.5142Pat:1.1000PZ:134.3893PAA:0.9600GK:2.0922SGT:2.1411PM1:-0.2889ENG:234429.WK:232471.NN:1800tecli:693.87tz:1606.77pz:134.392、缸內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算流動(dòng)域計(jì)算網(wǎng)格TheCalculationGridofFlowRegionAA（a）（b）A-A剖面BBB-B剖面-130°CA時(shí)的流動(dòng)速矢圖和燃油濃度雲(yún)圖TheVectorgraphofVelocityandContourGraphofFuelconcentrationat-130°CA140°CA時(shí)的流動(dòng)速矢圖和燃油濃度雲(yún)圖TheVectorgraphofVelocityandContourGraphofFuelconcentrationat140°CA（c）3、強(qiáng)度校核

二、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的核心內(nèi)容之一，就是將數(shù)學(xué)中的優(yōu)化方法應(yīng)用於設(shè)計(jì)中，以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)品質(zhì)，提高經(jīng)濟(jì)性，縮短設(shè)計(jì)週期。優(yōu)化設(shè)計(jì)方法包含兩個(gè)方面的內(nèi)容：1、

建立數(shù)學(xué)模型，具體步驟是：①確定目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)即優(yōu)化設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)。設(shè)計(jì)任務(wù)不同，目標(biāo)函數(shù)也不同。最優(yōu)方案就是使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小值或最大值的一個(gè)方案。②確定設(shè)計(jì)變數(shù)一個(gè)設(shè)計(jì)方案通常包含兩種設(shè)計(jì)參數(shù)，一種是根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求所確定的設(shè)計(jì)常量；另一種是需要經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算確定的設(shè)計(jì)變數(shù)。優(yōu)化設(shè)計(jì)就是調(diào)整設(shè)計(jì)變數(shù)，以得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案③確定約束條件約束條件就是設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)遵守的、應(yīng)予以滿足的條件（要求）。約束條件可分為：反映設(shè)計(jì)性能或狀態(tài)要求的性能約束（包括等式約束和不等式約束）；反映設(shè)計(jì)變數(shù)許可變化範(fàn)圍的界限約束。兩者都是設(shè)計(jì)變數(shù)的函數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題就是如何建立約束方程，這也是優(yōu)化設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。確定了上述目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變數(shù)、約束條件後，即建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型：求設(shè)計(jì)變數(shù)，使目標(biāo)函數(shù)

為最?。ɑ蜃畲螅﹣K滿足約束條件：

（不等式約束）

（等式約束）

（設(shè)計(jì)變數(shù)變化範(fàn)圍）如有多個(gè)優(yōu)化準(zhǔn)則時(shí)，可以建立一個(gè)多目標(biāo)函數(shù)：

其中F1（X）、F2（X）等分別代表一個(gè)準(zhǔn)則，W1、W2等是加權(quán)係數(shù)。其作用是把F（X）的各分項(xiàng)調(diào)整到同一個(gè)量級(jí)並區(qū)別出主次。2、選擇優(yōu)化計(jì)算方法並編程計(jì)算。選擇優(yōu)化方法應(yīng)依據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)。

目前優(yōu)化設(shè)計(jì)方法已在工作過(guò)程、零部件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、增壓配合運(yùn)行等多個(gè)方面得到應(yīng)用。

三、可靠性設(shè)計(jì)方法可靠性指系統(tǒng)或產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間內(nèi)、在規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的能力；可靠性設(shè)計(jì)方法即是從正常使用壽命出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法，用概率統(tǒng)計(jì)理論分析結(jié)構(gòu)問(wèn)題、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。應(yīng)用可靠性理論知識(shí)，可將系統(tǒng)或產(chǎn)品的可靠程度由一般的定性分析提高到定量分析，從可靠性角度對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，並預(yù)測(cè)起可靠度。在發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)中，將載荷、材料強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)都採(cǎi)用概率分佈函數(shù)表示，在設(shè)計(jì)中考慮各種因素的影響：應(yīng)力

強(qiáng)度通常假設(shè)它們遵循某種分佈規(guī)律（如正態(tài)分佈等），通過(guò)計(jì)算求出合成的應(yīng)力和強(qiáng)度，建立應(yīng)力—強(qiáng)度模型，引入可靠度R：R=P（r>σ）上式右邊即為強(qiáng)度r超過(guò)工作應(yīng)力σ的概率，以此作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。可靠性設(shè)計(jì)的有效性依賴於工程材料和工藝強(qiáng)化的性能統(tǒng)計(jì)資料、系統(tǒng)或產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累。以可靠度等於或大於指定的概率值作為確定結(jié)構(gòu)尺寸的依據(jù)?！?—4發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)的發(fā)展一、發(fā)動(dòng)機(jī)增壓增壓就是將空氣預(yù)先壓縮然後再供入氣缸,以期提高空氣密度,增加進(jìn)氣量.採(cǎi)用增壓技術(shù)是提高升功率、降低發(fā)動(dòng)機(jī)比品質(zhì)的最有效措施，增壓方式有：（1）機(jī)械增壓（2）廢氣渦輪增壓（3）諧波增壓（4）氣波增壓其中廢氣渦輪增壓在機(jī)械效率與燃油經(jīng)濟(jì)性、降低CO與HC排放、降低雜訊、改善高原地區(qū)工作適應(yīng)性等方面有很大的優(yōu)越性，因此在柴油機(jī)和汽油機(jī)上都得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

按增壓比劃分可分為低增壓(增壓比小於1.6)、中增壓(增壓比在1.6到2.5)和高增壓(增壓比大於2.5)

1、柴油機(jī)增壓改型設(shè)計(jì)內(nèi)容（1）降低壓縮比，加大過(guò)量空氣係數(shù)（2）調(diào)整供油系統(tǒng)（3）調(diào)整配氣相位（4）重新設(shè)計(jì)進(jìn)排氣系統(tǒng)（5）提高主要承載件強(qiáng)度2、汽油機(jī)增壓（1）降低壓縮比（2）減小點(diǎn)火提前角（3）重新設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)3、渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展（1）增壓中冷技術(shù)A、水—空中冷B、空—空中冷（2）變工況調(diào)節(jié)

A、柴油機(jī)：多採(cǎi)用可調(diào)渦輪截面（VGT）

可調(diào)截面渦輪原理如圖：如果兩個(gè)管內(nèi)壓力相同，氣體流過(guò)有頸縮的管要比流過(guò)無(wú)頸縮的管速度快。由此看出，截面縮小產(chǎn)生兩個(gè)效果：①衝擊渦輪葉片的氣流速度增加，動(dòng)能增大；②渦輪葉片前排氣管阻力增大，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞推動(dòng)功增加，氣體的壓力能增大。這兩個(gè)效果都使得排氣可用能增大，從而彌補(bǔ)了部分工況時(shí)的渦輪功不足的問(wèn)題。B、汽油機(jī)：多採(cǎi)用旁通放氣系統(tǒng)

4、諧波增壓進(jìn)氣系統(tǒng)原理：利用進(jìn)氣氣流的慣性導(dǎo)致的在進(jìn)氣管中的壓力波來(lái)增壓?，F(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)大多為諧波增壓進(jìn)氣系統(tǒng)或廢氣渦輪增壓進(jìn)氣系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)間斷進(jìn)氣所引起的進(jìn)氣壓力波對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量影響很大，進(jìn)氣管長(zhǎng)度、直徑進(jìn)氣系統(tǒng)參數(shù)會(huì)改變進(jìn)氣壓力波,因而適當(dāng)調(diào)整這些參數(shù),可以有效利用進(jìn)氣管的壓力波,提高充氣效率,改善扭矩特性。

低轉(zhuǎn)速時(shí)閥板關(guān)閉,使用長(zhǎng)進(jìn)氣管,提高低轉(zhuǎn)速扭矩,高速時(shí)(4000r/min)閥板打開,轉(zhuǎn)換為短進(jìn)氣管

二、多氣門技術(shù)

如：某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)採(cǎi)用5氣門技術(shù),進(jìn)氣流通面積極大化(φ38.2x1～φ25.5x3,增大34%),提高發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率三、可變配氣定時(shí)（VVT）機(jī)構(gòu)

1、配氣相位就是進(jìn)、排氣門的實(shí)際開閉時(shí)刻,通常用相對(duì)於上、下止點(diǎn)曲拐位置的曲軸轉(zhuǎn)角的環(huán)形圖來(lái)表