02 发动机设计总论

2 摩托车发动机设计总论
2.1 摩托车发动机简介
摩托车发动机是将燃料的化学能通过和空气的燃烧变为热能并将热能直接转换为机械能的热机。

摩托车发动机的分类方法有很多。

根据气缸的数目可分为单缸机和多缸机，而多缸机根据其气缸的排列方式又可分为直列立式、直列卧式、V型、H 型、星型等。

其中，V型机根据它们之间的夹角还可细分为不同的系列，常见的有450、500、900、1800（通常又称为对置式）等系列。

目前，在摩托车中多缸机还是以双缸机为主。

双缸V型发动机是指气缸的数目为二，这两个气缸的中心线分别在两个平面内，且两平面相交呈V型排列的发动机。

双缸V型发动机综合了直列立式发动机和直列卧式发动机的优点，从而吸引了众多的开发者。

2.1.2 摩托车发动机的组成
不论二冲程发动机还是四冲程发动机都必须包括以下各个部分：
曲柄连杆机构—气缸内的气体压力推动活塞连杆，再由连杆推动曲轴旋转，这样使活塞的直线往复运动变为曲轴的旋转运动，带动了后轮的旋转。

配气机构—使混合气及时吸入气缸，废气及时排出。

冷却系—是保持发动机能具有正常的工作温度。

一般在摩托车上采用的是散热片空气冷却方式。

润滑系—是在机件摩擦表面上供给润滑油，以减小机件运动时的摩擦阻力和磨损。

燃料系—是保证按发动机的工作要求，以供给适合需要的混合气。

它主要是靠化油器来完成的。

点火系—是及时供给足够强度的电火花，以点燃气缸内的可燃混合气而产生动力。

起动系—用来起动发动机，起动方式有惯性起动、电起动等。

脚蹬起动属于惯性起动。

2.2 摩托车发动机主要设计指标和设计要求
2.2.1 摩托车发动机的主要设计指标
2.2.1.1 动力性指标
1、功率和转速
在摩托车车型确定后，发动机排量亦大致确定，其功率和转速的具体数值要根据用途而定，在设计任务书中常作为原始数据给出。

功率和其他参数的关系为
)(30kW in V p P s e e τ=
可见，提高功率的方法是提高发动机转速n 和平均有效压力e p ，增加
发动机排量s iV ，减少冲程数τ。

提高转速以增加功率是摩托车发动机一贯
采用的主要措施，其转速一般在min /8000~6000r ，四冲程发动机的最高转数达min /16000r 以上，二冲程发动机达min /12000r ，转速的提高受到惯性力的增大，摩擦损耗功率和磨损增加，机械效率下降以及振动、噪声、可靠性等因素的制约。

增加平均有效压力，主要是靠改善燃烧过程，改进进气系统，增大充气效率，降低机械损失等。

2、转矩及其相应转速
发动机转矩说明其做功能力，对摩托车起步、加速、爬坡等有很大影响，是重要的动力性指标。

转矩与功率的关系为：
)(9550m N n P T e e ⋅=
摩托车为追求高速性，常将最大转矩时的转速定得很高，与最大功率点转速较近，转速一旦降低，输出功率也随之急剧下降，发动机转矩特性曲线比较陡峭。

最大转矩与最大功率时转矩的比值称为转矩适应系数t μ，摩托车发动机t μ=1.0~1.12。

最大转矩时的转速与最大功率时的转速之比称
为转速适应性系数n μ，一般n μ=0.65~1.0。

2.2.1.2 经济性指标
发动机的经济性指标主要指燃油消耗率指标，即每千瓦小时的燃料消耗重量。

对于固定工况使用的发动机是指标定功率时的燃油消耗率。

对变工况使用的发动机，则一般是指外特性曲线上的最低油耗率。

如说某发动机的最低油耗率，则是指万有特性上的最低油耗率。

当然，万有特性上油耗区越宽广，则变工况使用的发动机的使用经济性也越好。

降低油耗率的途径有二：一为提高发动机的指示功率，如改变燃烧，减小散热损失等。

二为提高机械效率，如减少机械损失等。

2.2.1.3 可靠性和耐久性指标
发动机工作可靠性是指在规定的运转条件下，具有持续工作，不致因故障而影响正常运转的能力。

可靠性指标是用在保证期内的不停车故障数、停车故障数、更换非主要零件数和主要零件数来考核的。

对于可靠性指标高的发动机应在保证期内不发生停车故障和更换主要或非主要零件的故障。

以下各零件被规定为主要零件：机体（包括机座、曲轴箱）、油底壳、曲轴、齿轮、凸轮轴、油泵凸轮轴、气缸盖、缸套、活塞、连杆、连杆轴瓦、连杆螺钉、活塞销、进排气门、气门弹簧、摇臂、调速器弹簧、调速器飞块和销子、机油泵齿轮、活塞环、油泵柱塞偶件、出油阀偶件。

发动机的耐久性指标常以寿命表示。

它是指发动机从开始使用到第一次大修前累计运转的小时数。

发动机的大修期一般决定于缸套和曲轴磨损到达极限尺寸的时间，此时发动机不能继续正常工作。

2.2.1.4重量和外形尺寸指标
发动机的重量和外形尺寸指标是评价发动机结构紧凑性和对金属材料利用程度的一个指标。

不同用途的发动机对重量和外形尺寸指标的要求是迥然不同的。

衡量发动机重量指标的参数是比重量g w
g w = e N G
(kg / kW)
式中 G — 发动机净重 ， kg ；
N e — 发动机有效功率，kw 。

在系列发动机中，随着气缸数的增多、转速的提高和平均有效压力的提高，发动机的比重量降低。

发动机外形尺寸的紧凑性指标用体积功率N v 来评价。

N v = V N e
(kW / m 3)
式中 V=发动机长×宽×高（m 3）=发动机轮廓体积（m 3）
有些国家用气缸每升排量所需的轮廓体积来表征发动机的紧凑性。

2.2.1.5 低公害指标—人类环境保护对发动机提出的要求
由于发动机数量的大增，它的排放物和噪音等，直接威胁人类的安全。

发动机排出的有害气体（NO x 、CO 、HC 等）连同噪音、臭味等共同构成了人类环境的污染源之一。

其中CO 为无色无味的毒性气体，因为它对血液中的血红素的亲和力比氧强，并结合生成一种很稳定的化合物，从而破坏血液的输氧能力。

CO 的毒性影响，决定于浓度和时间，经常吸入尽管是少量的CO ，也将导致贫血。

空气中只要有11800体积的CO ，就能在半小时内，致人死亡，因为它能麻痹人的呼吸管。

HC 则产生讨厌的气味，刺激人的呼吸系统，还生成有害的光化学烟雾。

特别是不饱和硝酸盐等组成的烟雾产物，具有强氧化作用，刺激眼、鼻、喉等粘膜组织，对植物的生长也有害。

发动机中燃烧高温下生成的NO x 主要是NO 占95～96%。

其余NO x 占3～4%和少量的N 2O 、N 2O 3 、N 2O 5等。

常温下NO 易于同氧反应生成NO 2 。

NO x 也能与血红素起作用，但其最大毒性还是与水蒸气结合，在肺部生成稀硝酸，威胁人类健康。

NO x 还是产生光化学烟雾的反应成分。

此外，油料中含硫燃烧后生成的SO 2 和少量微粒物质都是严重的公害物。

人类不能用自己的智慧，和劳动创造的文明与技术，来毁灭人类自己，
因此近年来世界上各个国家对废气净化和噪音引起了很大的重视，许多国家相继制定了噪声法规、排气法规和排烟法规。

若产品不符合法规，就不准出厂，就要罚款等。

而且这些法规规定愈来愈严，要求愈来愈高。

关于炭烟排量，德国规定缸径在100mm以下的发动机排烟量不得超过波许烟度4，功率越大，排烟的总量愈多，要求也愈严。

有的地区已规定排烟不许超过波许烟度2.5。

发动机的噪音来自三个方面：燃烧噪音、进排气噪音和机械噪音。

燃烧噪音和排气噪音是主要的。

评定噪音的标准是噪音级的大小，它可以用
噪音仪直接测
量出来。

噪音级的单位是分贝，简写为db或dB。

有时噪音也以响度级表示。

为了保护人类环境，发动机设计工作者必须采取种种措施，来满足各种法规的要求。

例如在汽油机中减少挤气面积来减少排气中HC的含量。

设计性能较好的进排气消音器来减少进排气噪音；改善工作过程，降低燃烧噪音；改进结构，采用隔音材料来降低机械噪音，总之，由于低公害的要求，在一定程度上改变了和正在改变着发动机的
设计概念。

特别是在人烟稠密地区使用的发动机更是这样。

2.2.1.6 要求使用、维修、制造方便
发动机首先要求好用（包括前面五项指标），满足各种性能的要求，同时也要求使用方便（操纵性好、起动性好）、好修、好造。

操纵性好是指使用者不需要特别的专门技能，即可顺利进行操作，而且在运行中不需要经常进行特别的调整就能维持稳定的运转工况；维护保养方便；调速器的静态调速率、动态调速率、转速波动率、超调都在规定的范围以内。

有些大型发动机还要求如水温、机油温度和压力等能自动报警、自动停车等。

起动性好是指冷车起动迅速可靠，对于船用、固定式及机车柴油机一般要求在5 0C以下环境温度下能顺利起动。

对汽车、拖拉机、中小型移动电站及农用柴油机则要求在-5 0C的气温条件下，不附加任何辅助装置能顺利起动。

为了使发动机便于维护保养、好修、好造，应使各调整部位便于接近，结构简单合理，工艺性良好。

2.2.2 对摩托车发动机的一般要求
1）具有足够的功率：发动机应具有较大的功率。

在测功实验台上测试，在标准大气压状态下，发动机应保持连续运转15min发出最大功率，且应不低于出厂说明书额定功率的要求；
2）要有良好起动、怠速和加速性能：良好起动性能是发动机技术性能的一项重要指标。

要求在环境温度在-5 0C～+300C范围内，起动时允许关闭阻风门或打开限压阀，在15s内能顺利起动，则说明该机起动性能良好。

如果采用脚踏起动冷发动机时起动踏蹬不超过3次，热发动机起动踏蹬不超过1次者为良好。

怠速运转稳定，说明发动机技术状况良好和油电路调整正确。

突然，加大油门，发动机转速能迅速增加；突然把油门关小，发动机能稳定运转不熄火，则说明该怠速性能良好。

加速性能随油门突然加大转速迅速升高，有前冲的感觉，则说明加速性能良好。

若转速增加缓慢，则说明加速性能差。

3）体积小、质量轻、结构简单、工作可靠和维修方便；
4）转速高、运转平稳；
公路用摩托车发动机转速可达8000r/min；竞赛用摩托车发动机最高转速达17000r/min，要求发动机能在这样高转速运转且平稳。

5）燃料消耗低，经济性好；
6）废气排放污染少、噪声低即公害要少；结构完善、工作可靠、维修方便即制造成本低、工艺简单。

2.2.3 摩托车发动机设计工作中的“三化”
发动机的产品系列化、零部件通用化、零件设计标准化统称为发动机设计的“三化”。

发动机的“三化”是属于产品质量管理问题，它对国民经济将产生深远的影响，它对提高产品质量、降低产品成本、发展新产品、合理组成企业生产，提高劳动生产率，便于使用、维修和配件供应、零件互换等都具有重要的作用。

2.2.
3.1 产品系列化
发动机的系列化是指以极少的基本规格尺寸（一般以气缸直径和冲程）的发动机通过改变气缸数目及其排列形式、增压度、转速、燃料、零件的材料或者增加若干附件等方法来扩大其功率范围，改变其轮廓尺寸等，发展品种繁多的变型，以满足国民经济中不同用途的需要。

我国发动机的“三化”是以缸径为基础制定国家型谱的，设计和制造发动机新产品必须严格遵守国家系列化型谱的规定，以便用尽可能少的系列机型通过合理变型来满足各种用途的需要，以免产品系列繁多，生产管理混乱。

凡属同一系列的发动机要求主要结构相同，主要零部件要求尽可能通用，易损件要能互换，否则不能成为同一系列的发动机。

2.2.
3.2 零部件通用化
零部件通用化是指同一系列的机型中，各机型的零部件能够互换通用并尽量采用标准件。

不同系列的发动机在设计时也要考虑，某些零部件在可能的情况下尽量与别的系列的机型可以相互通用，如起动机、发电机、高压油泵、化油器、机油滤清器、燃油滤清器、空气滤清器、水箱、风扇等，以便尽量减少整个发动机工业中零部件的数目和种类。

常用下列参数来表征发动机系列产品的通用化程度：
零件通用化系数=件）总零件数（不包括标准通用零件数
零件品种通用化系数=标准件）总零件品种数（不包括
通用零件品种数
总通用化系数=）总零件数（包括标准件标准件数通用零件数
2.2.
3.3 零件设计标准化
零件设计标准化是指在进行零部件设计时应尽量按照国家标准和颁布标准或厂际标准来决定零部件的尺寸、结构、材料、技术条件等，并按国家机械制图标准绘制零件工作图和部件图，遵照国家规定使用名词和术语等。

发动机设计工作中的“三化”是发动机生产专业化的基础，发动机生产专业化特别有利于调动各个方面的积极因素，集中精力在技术上精益求精，开展深入的单项科学研究，从而保证产品质量的不断提高，成本不断降低。

2.3 发动机选型
目前，在汽车、拖拉机、干线机车、船舶和农用动力装置中占统治地位的还是往复活塞式发动机。

这是由于发动机技术的发展和它固有的优点所决定的。

往复式发动机的主要优点是效率高、结构紧凑、机动性好，因而应用极广。

因此，本设计选用往复活塞式发动机。

2.3.1 柴油机还是汽油机
在设计发动机时，首先碰到的问题是选用柴油机还是汽油机。

着就必须全面地考虑问题，不仅有发动机本身的技术经济性，而且还有国家的经济因素：燃料的资源和开采情况、燃料的使用平衡、各地区和各时期的特点等等。

由于摩托车发动机新产品开发的主要方向是发动机的结构简单、重量轻、操作维修方便、功率大、油耗低、排放污染少、经久耐用、运转平稳。

而汽油机突出的优点是重量轻、尺寸小和低温起动性能好，其次就是工作柔和、运转平顺、制造成本低，所以它在摩托车上应用较为广泛。

因此，本设计选用汽油机。

2.3.2 四冲程还是二冲程
从理论上讲，二冲程发动机的升功率应是四冲程发动机的二倍，运转较平稳，由于没有专门的配气机构，构造亦简单，维修容易，价格便宜，但由于扫气时不可能做到将废气全部扫净、不跑掉新鲜混合气，所以油耗高，排放差，且因扫气时要减少部分有效的膨胀行程，使实际升功率只有四冲程发动机的1.5～1.6倍。

如今随着技术的发展，四冲程发动机由于采用顶置气门、顶置凸轮轴和多气门结构，使四冲程发动机的转速得以提高，一般可达8 000～15 000r/min之间，升功率也随之提高，其指标已接近二冲程机，而油耗指标和排气污染却比二冲程发动机低得多，加之四冲程发动机在单缸排量方面也逐渐向小的方向发展，因此当前四冲程发动机除在大排量摩托车发动机上应用外，在中小排量摩托车发动机上也越来越多地被采用。

2.3.3 水冷还是风冷
在拟订新发动机的结构时，还需要确定是采用水冷还是风冷。

这时要全面分析发动机的使用条件和制造条件，同时还要辩证地比较这两种系统的利弊。

风冷是摩托车发动机的传统冷方式。

风冷式发动机最根本的优点就是不用水，冷却系统结构简单，不会发生漏水、冻结、沸腾等故障，发动机的工作可靠性高，同理使用方便。

此外风冷式发动机在部分负荷下的热状况也比较好（即不会过冷），冷起动以后能在较短的时间内使发动机主要零件温度升高到正常工作湿度，能以最短时间使发动机承受全负荷工作。

风冷式发动机对燃料（特别是含硫量）的敏感性低，气缸的磨损量也小。

风冷式发动机的气缸和气缸盖系单体结构，这对发展系列产品非常有利，如果一个气缸损坏就不必报废整台发动机，而只要更换一个气缸就行。

风冷气缸可采用先进的压铸工艺使生产成本降低。

此外还可节省制造冷却水散热器所耗用的铜材。

此外，风冷式发动机对不同气候（严寒或酷热环境）及各种恶劣工作条件（缺水或沙漠地带）适应性强。

综上所述，本设计选用风冷式冷却系统。

2.3.4 气缸布置单列还是双列
单列式发动机结构简单、工作可靠、成本低、使用维修方便，能满足一般要求，但其体积较大。

目前，在世界范围内，越来越多地采用V型双列式发动机结构。

经验表明，从直列6缸过度到V型8缸，在其他相同条件下，可以缩短发动机的长度约30%，减轻重量约25%。

特别是在气缸排量大于5～6升的情况下，采用高转速、短冲程V型发动机，不仅结构紧凑，而且使机体、曲轴、凸轮轴和连杆的结构刚度较大，平衡性良好，进气系统完善，外形空间利用率高。

2.4发动机主要参数的选择
发动机的主要参数反映了产品的性能和设计的质量。

因此选择主要参数必须紧密结合我国工业生产发展的实际情况，同时还要对同类型国内外发动机的参数进行分析比较和试验研究。

这样选定的参数，才能保证设计既先进又现实。

保证所要求的功率和尽可能地提高功率输出（在燃料经济性最佳的前提下），是对发动机提出的基本要求之一，而发动机的有效功率可用下式表达。

N e =
τ
300n
ZV
p
h
e = 0.07854
τ
2 ZD
V
p
m
e（KW）
式中 P e —平均有效压力，MPa;
Z —发动机气缸数；
V h—单缸工作容积，L；
n —发动机转速，r/min；
τ—行程数，四冲程发动机τ=4，二冲程发动机τ=2；
m
V—活塞平均速度，m/s；
D —气缸直径，cm。

从此式可知，当缸径D、缸数Z和冲程数τ已选定时，在燃料经济性最佳的前提下，要尽可能提高发动机的功率，一般应从以下几个方面来考虑。

1、平均有效压力
平均有效压力P e是标志发动机整个循环过程的有效性及发动机制造完善性的指标之一。

因此P e值的不断提高，是发动机技术发展的重要标志。

平均有效压力P e与混合气形成方法、燃料的种类、燃烧和换气过程的质量、进气压力和温度，以及机械效率等有关。

具体地对汽油机来说，平均有效压力与充气系数ηv，指示效率和过量空气系数之比ηi /α和机械效
率
m
η成正比。

为了提高发动机的充气系数ηv，可采用合理的进气系统，减少进气阻力；合理的配气机构和配气定时（如气门顶置、多气门布置、大的进气门直径、完善的凸轮外形、最佳的气门重叠角度等）。

对于汽油机还可应用多腔化油器或多个化油器、汽油喷射、适当的进气预热等以改善混合器形成和分配均匀性。

提高汽油机的指示效率ηi主要是提高压缩比ε，但到ε=10以后，对常规的燃烧系统一般好处就不大了这是因为除要求高辛烷值汽油外，还有爆燃、表面点火等不正常燃烧现象，以及带来工作粗暴、发动机运动件的负荷加大、对燃烧室和曲柄连杆机构的加工精度要求提高、提前
点火角要求严格控制、机械效率等缺点。

所以压缩比不能太高，转而靠采用紧凑高紊流燃烧室来提高充气系数。

近年来，汽油机中燃烧稀混合气的成就，对提高部分负荷下ηi值具有一定的意义，但不能提高最大功率。

提高机械效率
的方法有：选择最佳的配合间隙、优质润滑油、摩擦
m
副材料和减磨涂层；发动机保持最佳的热状况；合理设计活塞结构，精心安排活塞裙部尺寸，适当减小轴承尺寸，减少活塞环数；从工艺上保证加工精度，改善表面质量；改善充量更换，减少泵气损失，减小发动机运转必需附件的功率损失。

总之，平均有效压力P e值决定了发动机的强化程度，反映了发动机结构与制造要达到的质量，故必须慎重地选择。

进行产品设计时，平均有效压力应根据同类型发动机的实际数据初步选定，在发动机制成后，再通过实验来确定。

2、活塞平均速度
活塞平均速度
V也是表征活塞式发动机强化程度（热负荷和机械负荷）
m
的重要参数之一。

活塞平均速度
V对发动机的性能、工作可靠性和使用寿
m
命有很大影响。

一般来说，
V增大会使发动机的功率增高，但活塞组的热
m
负荷和曲柄连杆机构的惯性负荷增大，运动件摩擦副的磨损加剧，寿命下降。

同时，由于进排气流速增大，进排气阻力与气流速度的平方成正比例增加，会使充气系数ηv下降。

所以，随着
V的提高，就有必要增大气门通
m
路断面、增大气门个数、选用较好的材料、较高的加工精度、采用特殊的表面处理、设计高热负荷下工作可靠且结构轻巧的活塞组。

目前，一般认为，汽油机的
V不宜大于15m/s。

m V的上限在很大程度
m
上受到燃烧系统的高速性和摩擦功率随转速增长所制约。

因为
V=ns/30 (m/s)，这里s是活塞冲程（m），n是发动机转速（r/min），m
所以，为使
V不超过允许值，当欲提高n时，就必须减小冲程s。

对于已m
定的缸径D来说，发动机的冲程缸径比S/D将相应减小。

于是
V的选择牵
m
涉程径比S/D。

现代汽车发动机的S/D值一般在0.8～1.2之间，高速汽油机的S/D在0.7～1范围内。

短行程发动机的基本优点是：有可能提高转速来强化发动
机（
V不增大，机械效率m 和充气系数ηv就有保证）。

其次就是短行程结m
合V型布置可使结构紧凑，因为V型发动机的长度不决定于曲轴各轴承所要求的最小轴向尺寸。

此外，短行程在结构上还有一定好处：由于曲柄半径r=s/2减小，曲轴轴颈的重叠度增大。

刚度增高，应力状态改善，连杆也可以做得短些，这对强度、刚度都有利。

短行程发动机同样也有缺点：随着S/D值的减小，由于减小了燃烧室的高度，混合气形成的条件可能变差，而使工作粗暴。

短行程发动机的气缸热负荷一般也有所增加。

从以上分析可知，S/D值的影响因素是多方面的，因此选定S/D值时，必须对于具体情况作具体的分析，如对竭力要求提高转速，缩小外形尺寸和降低单位马力重量的高速发动机，特别是采用V型结构时，选用短行程是合理的，而对大缸径的较低速发动机，对尺寸重量没有严格要求，本身转速低，活塞平均速度也较低，就不必要用减小S/D值来降低
V值，而且
m
大缸径发动机热负荷本身较大，因此从降低热负荷，创造有利的混合气形成和燃烧条件的角度来看，选用较大的S/D值还是较合适的。

3、评定参数
发动机型式和主要参数选择的合理性和结构的完善性，常用以下三个参数来评定。

强化指标：平均有效压力P e与活塞平均速度
V的乘积通常称为发动机
m
的强化指标。

它与单位活塞面积的功率成正比，它一方面代表了功率和转速的强化，另一方面又代表了强化程度的提高，发动机的热负荷和机械负荷相应迅速增加，气缸内最高燃烧压力和零件惯性力都随之增大，如果再进一步提高时，就不得不在结构上采用一些特殊的措施，一般要求加大曲柄直径，增大曲柄的刚度，采用可变压缩比的活塞以降低最高燃烧压力，以及采用提早关闭进气门或排气门两次开启以降低热负荷等。

比重量G/N e：比重量是单位千瓦的净重（kg/kw），它表征工作过程的强化程度和结构设计的完善程度。

降低这一数值，就可以节约金属材料、降低制造成本。

自重的减轻意味着功率消耗的节约或有效载重的增加，从而提高了运输效率。

因此，在设计发动机时，在保证所要求的强度、刚度和制造条件许可的情况下，应不断地降低公害。

发动机重量分布的分析表明。

铸件重量在必要和可能情况下可用冲压件或冲压-焊接件来代替。

采用轻合金铸造的机体、气缸盖、正时齿轮盖、飞轮壳等，可大大减轻发动机的重量。

此外，用短连杆、短活塞、空心曲轴、选用尺寸重量轻的新型附件、单列多缸发动机过渡到V型的结构等等都有利于重量的减轻。