内燃机设计

S1118柴油机曲柄连杆机构仿真模型
SL4105Z柴油机连杆组件的动态应变能分析
SL4105Z柴油机连杆组件的动应力分析
SL4105Z柴油机曲柄连杆机构的仿真分析
1E39汽油机气缸体模型
第二章 内燃机运动学和动力学
目的：了解曲柄连杆机构的运动规律和受力分析，为零部件的 结构强度分析提供必要的理论数据。
第三节 内燃机主要参数的选择
主要参数：
。 平均有效压力、活塞平均速度 、气缸直径、S/D、 一 平均有效压力 pme ( pe ) H p pme 3.485 c i m u s a loTs c —— 充气效率； a —— 过量空气系数； 式中： i —— 指示效率； —— 机械效率； m H u —— 燃烧低热值； ps —— 进气压力； l o —— 理论空气量； Ts —— 进气温度。 平均有效压力标志了：热力循环的效率，结构的合理性，制 造的完善性。
气 缸 布 置
直列式：平衡性好、综合性能好。 斜置式：降低总体高度 。 卧式：改善空间利用率、视野好，润滑系复杂。 V型： 结构紧凑、比质量小，机体刚度好，制造成 本高。
五 进气状态
自然吸气：结构简单、使用维修方便、可靠性好：但 升功率低，排放较差。 增压中冷：平均有效压力高、燃油耗低、工作平稳、 噪声低：但成本高、使用要求高。
当λ →0时，X=X1， 由此可见λ 越大，各曲轴 转角下的活塞位移X越大， 即活塞位移曲线饱满。 λ 是曲柄连杆机构的 一个重要参数，它表示了 连杆的相对长度。λ 越大，连杆越短，发动机总高度减小，重量 减轻，金属利用率高，现代发动机的发展趋势是增大λ 。 （4）活塞的速度：
活塞速度的最大值Vmax：

柴油机：
↑、指示效率↑，输出功率↑，起动容易，但工作
粗暴，可靠性 ↓ 。 压缩比的稳定性对发动机的动力性能、排放性能、经济性能 的生产一致性有很多影响，所以对压缩比要严格控制。 V sVc 根据定义：

式中：Vc —— 余隙容积。 余隙容积与发动机的零部件的制造工艺、尺寸的制造精度有 很大关系，对于现代发动机制造要严格控制制造精度，才能保 证压缩比的稳定性。
7 使用维护性指标
使用方便、易维修，起动性能好。
四 内燃机的组成
机体组、曲柄连杆机构、配气机构、供油系统、进排气系统、 冷却系统、润滑系统、起动系统、（排放物后处理系统、增压 系统、电控系统）。
桑塔纳轿车JV汽油发动机
桑塔纳轿车JV汽油发动机
上海大众帕萨特ANQ汽油发动机
上海大众帕萨特ANQ汽油发动机
3 排放指标 HC、CO、NOx、颗粒（烟度） 4 可靠性指标
耐久性试验：柴油机： 1500小时 汽油机： 500小时 车用柴油机： 800小时
5 结构、重量指标
车用：结构紧凑、外形尺寸小、矮而胖，重量轻。 拖拉机：外型高而窄、重量不受限制。
6 工艺性指标
产品系列化、标准化、通用化。 变形产品应保持最大的工艺与结构的继承性。
提高平均有效压力的途径： (1) 增大气门直径、气门数量，改善气道的流动性能；c↑ (2) 改善燃烧过程； i↑ (3) 增加机体、气缸套、运动件的刚度，减小变形量；m↑
（4）采用增压技术； （5）采用中冷技术； （6）汽油机提高压缩比； （7）合理地设计附件（水泵、机油泵）
汽油机 0.9~1.3 MPa 柴油机 0.7~0.9 MPa 发动机各部分机械效率%：
Vc
第四节 现代设计方法在内燃机设计中的应用
一 计算机辅助设计（CAD） CAD的五大功能： （1）获取原始信息和数据； （2）设计新产品； （3）分析计算和决策； （4）绘图、储存； （5）综合评价。 CAD的发展过程： CAD起源于美国，由二维设计发展到三维设计，三维设计经 历了四次革命。 （1）曲面造型系统的创立，简单的线框模型，60年代初；到 70年代，CATIA公司用计算机进行曲线、曲面的处理； （2）79年，美国的SDRC公司推出基于实体造型技术的大型软 件I-DEAS；同时美国的CV公司在曲面算法上取得突破；
第一节 曲柄连杆机构的运动学
一 曲柄连杆机构的分类 （1）中心曲柄连杆机构 （2）偏心曲柄连杆机构 ① 曲轴中心与缸套中 心偏心：减小侧压力。用 于中、大型低速柴油机。 ② 活塞销偏心：减小 活塞的拍击噪声。用于高 速车用发动机。 （3）关节曲柄连杆机构：用于V型发动机。
二 中心曲柄连杆机构
（1）机构特点：曲轴作旋转运动，活塞作 往复运动，连杆作平面运动。 （2）重要参数：曲轴旋转角速度ω ； 连杆比λ = R/L。 （3）活塞位移：
CA6110B柴油机
CA6110B柴油机
第二节 内燃机类型的选择
一 燃料的选择 汽油机、柴油机
汽油机：优点：转速高、升功率高、结构紧凑、比质量小、 成本低、工作柔和、噪声小、冷起动性能好，成本低。 缺点：热效率低、油耗高、排放较差、功率覆盖面 小，可靠性差。 柴油机：优点：热效率高、油耗低、可靠性好、排放较好、 功率覆盖面广。 缺点：结构笨重、工作粗暴、噪声大、振动大。
二 活塞平均速度
Vm 3 ↑ 热负荷↑、燃烧恶化↓、供油紊乱，输出功率↓燃油耗↑； 三 缸径D和气缸数 i 汽油机：D≤ 102mm； 柴油机：D≥ 60mm； 缸数： 农用：单缸； 车用：3~6缸； 拖拉机：35以下用2缸、35以上用3~4缸； 工程机械：2~12缸 四 S/D S/D↓ n↑、升功率↑、整机高度↓适用于车用发动机； S/D↑ 压缩比易控制，燃烧过程↑、排放改善，扭矩↑适用于 拖拉机、工程机械、农用发动机； S/D↑ 缸套的散热面积↑，适用于风冷发动机。 五 压缩比 压缩比的大小对发动机的性能有很大的影响。 汽油机： ↑，指示效率↑，输出功率↑，但易爆燃 。
发动机的输出功率：
me m e m
nS Vm (Cm ) m/s 30 式中： S —— 发动机的冲程（m）。 高速机 Vm ＞ 9 m/s Vm = 6~9 m/s Vm ＜6 m/s 1 Vm ↑ 强化程度↑、升功率↑、进气阻力↑摩擦损失↑、机械效率 ↓平均有效压力↓、寿命↓； 2 Vm ↑ 惯性力↑、平衡性能↓、运动件的安全系数↓；
ps ↑ Ts ↑ i ↑ m ↑
pme
增压 1.2~1.5 MPa 增压 0.9~2.0 MPa
汽油机 柴油机 40 50 活塞与环 30 26 连杆、主轴承 16 12 换气 6 4 气门机构 8 8 附件
pme iVs n Pe ( N e) kW 30 式中： Vs (Vh ) —— 单缸排量（L）； —— 缸数； i n —— 发动机标定点转速（r/min); —— 冲程数，二冲程 =2 、四冲程 =4 发动机的强化指标： p V ( p C )MPa.m / s
内燃机设计
第一章 内燃机总体设计
第一节 内燃机设计要求
一 设计思想
1 市场的需求 2 企业的生产水平和生产能力 3 设计的是商品，不是新产品 商品 —— 具有商业价值，从性能来讲并不完善，但性能价 格比低，维修方便。 产品 —— 在各方面追求先进性，但制造工艺难、成本高， 不易组织批量生产，效益差。
1/3
73°42’
1/3.2 1/3.4 1/3.6 1/3.8 1/4
74°28” 75°11’ 75°51’ 76°27’ 77°1”
1/4.2 1/4.4
77°32’ 78°1’
1.656
1.646
1.637
1.63
1.624
1.619 1.615
1.611
活塞的平均速度Vm：
式中：S —— 活塞行程（m）； n —— 发动机转速（r/min）。 （5）活塞的加速度：
10柴油机活塞
CA6110柴油机连杆组件
CA6110柴油机曲轴组件
二 计算机辅助设计（CAE）
有限元技术是最有效的分析零部件结构强度的方法之一。 有限元的基本思想：将连续的物体离散成有若干个单元组 成的离散体来进行应力、应变、动应力、应变能、安全系数、 寿命、疲劳裂纹等参数的分析。 线性问题：用ANSYS公司的ANSYS软件或MSC公司的 Nastran、Patran软件进行分析。 非线性问题：用HKS公司的ABAQUS、MSC公司的Nastran （Marc）或ADINA公司的ADINA软件进行分析。 大变形（汽车碰撞）：用LSTC公司的LS-DYNA软件进行分析 动应力：用ANSYS、Nastran进行分析。 疲劳裂纹分析：用ADAMS、Nastran、Patran、FATIGUE联 合使用，进行分析。 前处理（划分网格）：用Altair公司Hypermesh划分网格。 (ANSA) 有限元是一种精确的数学方法，但其计算精度取决于力的 边界条件和约束边界条件的合理性。
ZL4105柴油机曲轴应力分析
ZL4105Z柴油机机体应力分析
ZS1105柴油机原机体应力分析
ZS1105柴油机改进机体应力分析
三 优化技术：机械优化设计 试验优化技术 最优控制
四 可靠性技术 讨论实际系统在寿命期内故障随机发生的问题。 定义：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能 的能力。 五 虚拟样机技术：数字化物理样机； 功能虚拟样机； 虚拟工厂仿真。 （1）数字化物理样机；实现造型、装配、浏览、运动轨迹包络， 冲突检验等功能。 （2）功能虚拟样机； 精确预测产品的操作性能，振动噪声、 疲劳强度、可靠性、安全性、舒适性等。 （3）虚拟工厂仿真：对产品的制造和装配进行仿真。
活塞加速度最大值Jmax：
第二种情况只有在λ >1/4时出现。
第二节 曲柄连杆机构的动力学
目的：在曲柄连杆机构中力和力矩的作用情况，为后续的平衡 计算，输出扭矩、运转均匀程度及主要零部件强度、刚度计算 提供必要的载荷数据。 一 曲柄连杆机构运动零件的质量换算 为了确定曲柄连杆机构中各运动件产生的惯性力，不仅要 知道各运动件的加速度，且需要知道各运动件的质量。 在以往的设计中，只有等零件制造出来后，才能通过测量 或称重得到，或者根据经验或类似已有的零件估计其质量，其 误差较大。 在现代设计中可以借助三维造型软件进行零部件设计，并 精确确定各零件的质量和质心位置，如PRO/E、UG、I-DEAS 等软件。 1 活塞组（活塞、活塞环、活塞销、挡圈） 活塞组作往复运动。 可以近似认为活塞组质量mP集中在活塞销的轴线中心上，
二
设计准则
1 在性能上能否取代或超过目前市场已有的某一产品。
2 性能的优势、价格的优势，必有其一。
三 设计要求
1 动力性要求： 功率： 15分钟功率 1 小时功率 车用 工程机械 115~120% 110%
12小时功率 拖拉机、工程机械、农用 100%
持续功率
中型车（5~19t)
发电、船用
4~10kW/t 7~13kW/t
70%
柴油机 柴油机
吨功率： 重型车（20t以上）
轻型车（4t以下）
农用车（4~10t) 轿车
10~22kW/t
2~5kW/t
汽、柴油机
柴油机
50~100kW/t 汽油机
拖拉机、工程机械：中等转速（1500~2600r/min) 大转矩，扭矩储备系数（15~25%） 等功率输出
2 燃料经济性指标
燃油消耗率 车用：外特性最低燃油耗 拖拉机、工程机械、农用： 标点定燃油耗 机油消耗率
（3）90年代PTC公司推出PRO/E参数化造型软件，麦道公司推出 了UG软件。 （4）SDRC公司已参数化设计为蓝本，提出变量化技术的设想。 这是目前CAD技术的最新动态。
目前常用的CAD软件有：PRO/E、UG、CATIA、I-DEAS、 Solid-Work。 早期的设计都是二维设计，这需要工程技术人员有很强三维 空间概念，而且经常会出现错误。用三维设计可以克服上述不足 之处，而且可以得到很多二维设计无法得到的信息，如零件的体 积、表面积、质量、转动惯量、极惯矩等。 今后的设计要从二维设计完全过渡到三维设计
二 冲程数的选择 二冲程、四冲程 二冲程：优点：工作频率高、摩擦损失小、升功率高、 转矩均匀、结构简单、重量轻。 缺点：燃油耗高、排放差、怠速不稳、热负 荷高、噪声大。 四冲程：优点：工作可靠、经济性好、性能稳定、排 放较好。
缺点：结构复杂、重量重、升功率低。 三 冷却方式的选择 水冷、风冷、油冷 水冷 —— 冷却均匀、工作可靠、平均有效压力高、 综合性能高。 风冷 —— 冷却不均匀、可靠性差、噪声大、结构简 单、综合性能差。 油冷 —— 结构简单、热负荷高、但温差小、热变形 小、成本高。 四 气缸数和气缸布置 缸 单缸：成本低、维修方便、可靠性好、对制造和 使用要求低，但振动大、平衡性差，功率覆盖面小。 数 多缸：结构紧凑、轻巧、平衡性好、振动噪声 小、运转平 稳、易起动、加速响应好；但结构复杂、 成本高。