内燃机设计

2 t < GVM≤3.5 t
79
77
M2(3.5 t < GVM≤5 t )，或M2(GVM>5 t)：
P<150 kW
82
80
P≥150 kW
85
83
N1(3.5 t < GVM≤12 t )，或N1(GVM>12 t)：
P<75 kW
83
81
75kW≤P<150kW
86
83
P≥150 kW
88
五、低公害指标 1. 噪音 内燃机噪音分为： 燃烧噪音、进排气噪音和 机械噪音
汽车分类
噪声限值dB(A)
第一阶段
第二阶段
2002.10.1~2004.12.30期间生 产的汽车
2005.1.1以后生产的汽车
M1
77
74
M2(GVM≤3.5 t )，或N1(GVM≤3.5 t)：
GVM≤2 t
78
76
1500~2500
船舶 低速
300~850
发电机组内燃机受电网频率和磁极对数的限制，转速应为
n 60 f (转 / 分) f –电网频率（50Hz）, P—发电机磁极对数。 p
3. 最大扭矩Memax 及 nMe
Me

Pe n
30000


Pe n
9549.3
31.831pme


• 气体燃料发动机主要使用压缩天然气（Compressed Natural Gas—CNG）、 液化天然气（Liquified Natural Gas—LNG）、液化石油气（Liquified Petrol Gas—LPG）。 • 可以汽油/LPG、汽油/天然气切换（Bi-fuel两用燃料）或天然气/柴油混 合（Dual Fuel双燃料），也可以单独使用； • 辛烷值超过100，单独使用时可以提高压缩比以保证功率不损失； • 排放指标比较低、不冒黑烟； • 一般情况下使用经济性较好，价格也比汽油便宜； • 可以节省石油资源； • 燃料供给采用多点电控喷射才能使混和气比较均匀。
论证)，这个环节应该是企业产品规划中确定的，有长期规划，也有 短期规划。 2. 组织设计组—根据任务挑选合适人选 人员结构合理
技术结构合理
3. 调查研究— a 访问市场和用户，征求对产品的要求 b 了解制造厂的工艺条件、设备能力以及配件供应情况 c 收集同类先进产品的资料，考察同类产品 d 确定参考样机
柴油 0.64 0.56
0.5 0.05 ——
欧洲Ⅱ号 1995年—2000年
CO HC+NOx Particulate 蒸发量
汽油 2.2 0.5
2.0 g/T
柴油 IDI DI 1.0 1.0 0.7 0.9 0.08 0.10
——
欧洲Ⅳ号 2005年底起施行
CO HC+NOx
HC NOx PM 蒸发量
本章开始
第二节 内燃机的主wenku.baidu.com设计指标
一、动力性指标 1. 功率Pe
Pe pme Vh z n 0.785 pme Vm z D2 (千瓦)
30

式中 Pme— 平均有效压力（MPa），Vm—活塞平均速度（m/s）， Vh—气缸排量(L)，Z—气缸数，n – 转速（r/min），D—气缸直径 （mm），τ—冲程数，四冲程τ=4，二冲程τ=2。
3) 高的工作可靠性和足够的使用寿命。现代内燃机寿命指标较先进 的大致为：
汽车内燃机 40～80万公里； 拖拉机及农用内燃机 6000～10000小时； 工程机械用内燃机 10000～28000小时。 4）对于汽车用内燃机，还要求尽量低的振动和噪声，也就是所说 的NVH（Noise、Vibration and Harshness）性能。
1.9～2.9 1.15～1.4
1.9～2.6
1.15～ 1.25
1.6～2 1.6～2
1.85～2.8 1.85～2.5
二、经济性指标 1.燃油消耗率 ge (克/千瓦小时) 降低 ge的措施： 提高 ηi 和ηm
车用汽油机 260--400 车用柴油机 200—260 2.机油消耗率 gm (克/千瓦小时) 1.3—2.6 克/千瓦小时 三、耐久性、可靠性指标 可靠性—在规定的运转条件下，规定的时间内，具有持续工作， 不会因为故障而影响正常运转的能力。 耐久性—从开始使用起到大修期的时间。 四、重量、尺寸、外形指标 是评价设计的紧凑性和金属利用程度的指标。 比重量 gw=G/Pe(kg/kw)； 体积功率 Pv=Pe/V(kw/m3)
端出线的速度 b) 大于61km/h，其限值增加1dB(A)
2. 排污 CO—破坏人体的输氧能力，麻痹呼吸器官 HC—破坏呼吸系统 NOx—与水蒸气混合，在肺部生成稀硝酸。
总质量<2.5t ≤6人
转毂试验台排 放测试 g/km
总质量<2.5t ≤6人.
转毂试验台排 放测试 g/km
欧Ⅰ、欧Ⅱ
欧洲Ⅰ号 1995年底之前
0.06
PM
0.005
蒸发量 2.0 g/T
0.23 HC+NOx
0.17
HC
0.1
0.18 0.005 ——
NOx 0.06 0.08 0.00
PM 0.005 5
蒸发量 2.0 g/T — —
六、制造、使用、维护指标
1）高的动力性能。功率、扭矩、使用转速范围，均适合于工作机 械的需要。
2) 高的燃料经济性。汽车发动机还必须注意部分负荷和不稳定工况 下的经济性，还要求燃油经济区尽可能宽，这在混合动力中尤为重要。
CO HC+NOx Particulate 蒸发量
汽油
柴油 IDI+DI
2.72(3.16) 2.72(3.16)
0.97(1.13) 0.97(1.13)
0.14(0.18)
2.0 g/T
——
欧Ⅲ、欧Ⅳ
欧洲Ⅲ号 2000年—2005年
CO HC+NOx
HC NOx PM 蒸发量
汽油 2.3
0.2 0.15 — 2.0 g/T
a. 样机鉴定. b. 小批量生产 4. 内燃机设计的“三化”
a. 产品系列化：基本尺寸相同，不同的排列、缸数、增压度，达到提高 Pe
b. 零部件通用化：同一系列的主要零件能够通用。 c. 零件设计标准化：按照国标、部标或企标设计 “三化”可以提高产品的质量、减少设计成本、组织专业化生产、提高劳动生 产率、便于使用、维修和配件供应
2．小批量生产和扩大用户试验
• 内燃机是一个十分复杂的技术系统，涉及到水、 油、气的流动与密封；
• 工质燃烧、做功与传热； • 机械传动等多个复杂的物理和化学过程， • 用户的要求和使用工况变化非常大，因此必须
经过小批量生产和逐步扩大用户使用试验，经 过严密的设计完善和严格的生产工艺调整，才 能最终进行正式商业化生产。
桑塔纳1.6升轿车汽油机
Audi轿车汽油机
6110柴油机
平分式铸铁机体整体气缸汽油机
龙门式机体轻型柴油机
图 1-8 奔驰增压汽油机
采用双轴平衡机构的1.8L奥迪FSI发动机横剖面
大众V10 TDI 柴油机横剖面
三、检验阶段 1. 试制多缸机样机 2. 多缸机试验（磨合、调整、性能试验、耐久试验、可靠性试验、配套试 验和扩大用户试验） 3. 改进与处理阶段
③. 主要结构说明 燃烧室、零部件（活塞连杆、曲轴飞轮、机体缸盖、配气机构、供油润 滑、冷却、起动……）
④. 产品系列化和变型、强化的可能性
二、设计实施阶段 1. 内燃机总布置设计，确定主要零部件的允许运动尺
寸、结构方案、
三维实体造型和虚拟装配、外形图。
2. 按照企业标准编制零部件图纸目录。 3. 部件三维图细致设计、零部件工作图、纵横剖面图。
4. 确定基本性能参数和结构形式（概念设计阶段）。 主要是通过: 同类型机型对比、 热力学计算、 动力学计算和整机一维模型仿真分析。
5．拟订设计任务书 ① 说明产品的原因、用途、适用范围等 ② 说明内燃机的主要设计参数和要达到的技术指标
如：a. 型式（汽或柴）、气门数、直立或卧式 b. 冲程数 （4 或 2）、缸径D、冲程S c. 冷却方式（水 或 风） d. 汽缸排列方式 （直列、V型） e. 功率Ne、转速n、扭矩M f. 燃油消耗率ge(克/千瓦.小时) g. 机油消耗率gm(克/千瓦.小时) h. 大修期、保用期、一般大修期是保用期的2倍 i. 重量和外型尺寸—与用途有关（大车、小车、固定） j. 排污指标（噪声、废气） k. 平均有效压力 pme l. 活塞平均速度Cm
本章开始
第三节 内燃机的选型
一、柴油机、汽油机或气体燃料发动机
现在广泛使用的内燃机主要是柴油机、汽油机和气 体燃料发动机。在选择内燃机时首先碰到的问题就是选 择什么内燃机。
从两方面考虑 • 内燃机本身的技术经济特点和市场需求。 • 地区或国家对环境和能源应用分布的要求。
柴油机： • 燃料经济性好； • 工作可靠性和耐久性好，因为没有点火系统； • 可以通过增压、扩缸来增加功率； • 防火安全性好，柴油挥发性差； • CO和HC的排放比汽油机少。 汽油机： • 空气利用率高，转速高，因而升功率高。化油器式的过量空气系数α
较高，在1.1左右，电控喷射要求α=1； • 因为没有柴油机喷油系统的精密偶件，制造成本低； • 低温起动性、加速性好，噪音低； • 由于升功率高，最高燃烧压力低，所以结构轻巧，比质量小（一般只
有柴油机的一半重量）； • 不冒黑烟，颗粒排放少。 目前来讲，柴油机的优点就是汽油机的缺点，反之亦然。
燃气发动机：
• 第一节 内燃机设计的一般流程 • 第二节 内燃机的主要设计指标 • 第三节 内燃机的选型 • 第四节 内燃机主要参数的选择 • 第五节 现代内燃机设计与技术的发展
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第一章 内燃机设计总论
第一节 内燃机设计的一般流程 一、计划阶段
此阶段由下述环节组成： 1. 确定任务 — 主要是根据市场需要和法规需要 (进行必要性、可行性
可见，有效功率Pe受到上面各参数的影响。在设计转速和结构参 数基本确定下来之后，影响有效功率的主要参数就是平均有效压 力。
2. 转速 n
n 增加 对提高 Pe有利，但是转速增加后：
⑴ 惯性力 ，导致负荷增加，平衡、振动问题突出，噪音增加；
⑵. 工作频率增加——热负荷增加；
⑶. 摩擦损失增加，导致 ηm 下降、ge 升高、磨损加剧，寿命缩短； ⑷. 进排气系统阻力增加 ，使ηv 变小； 内燃机转速范围 1000转/分以上为高速、300~1000转/分为中速、300转以下 为低速。
用途
柴油机（r/min）
汽油机（r/min）
汽车
1500~5000
2500~6000
工程机械与拖拉机
1500~2800
2000~3600
内燃机车、发电机组
900~1500
2800~3600
摩托车、摩托艇
5000~10000
中小型农用动力
1200~3000
3000~6000
船舶 高速
1000~2000
内燃机设计
第一章 内燃机设计总论 第二章 曲柄连杆机构受力分析 第三章 内燃机的平衡 第四章 曲轴系统的扭转振动 第五章 配气机构设计 第六章 曲轴飞轮组设计 第七章 连杆组设计 第八章 活塞组设计 第九章 内燃机滑动轴承设计 第十章 机体与缸盖设计 第十一章 内燃机冷却与润滑系设计
第一章 内燃机设计总论
四、改进与处理阶段
• 1．样机鉴定与改进. • 在总结了单缸机试验 、多缸机试制、样机性能试验和用户配套实验的基础上，往
往要进行多方面的综合改进和进一步的试验观察，然后由企业或者地方主管部门 组织新厂品鉴定。鉴定时设计和试制单位要提供下列文件：
– 设计任务书 – 内燃机研发试制总结 – 内燃机动力性、经济性、耐久性、排放特性、噪声水平等性能试验报告 – 内燃机生产产量成本盈亏分析 – 零部件标准审查报告 – 市场需求预测分析 – 用户使用报告 • …… • 单缸机试验
汽油 2.2
0.1 0.08
2.0 g/T
柴油 0.5 0.3
0.25 0.025 ——
总质量<2.5t ≤6人.
欧Ⅴ、欧Ⅵ 欧Ⅴ号 2008年10月—2012年
欧洲Ⅵ号 2012年底起施 行
汽油
柴油
汽油 柴油
CO
1.0
0.5
CO
1.0 0.5
HC+NOx
转鼓试验台
排放测试
HC
0.1
g/km
NOx
Vh
(Nm)
扭矩适应性系数 转速适应性系数
m

Memax Men
1
n

nne nme
1
总适应系数 μ=μmμn
随用途而有不同的要求。
动力装置 μm
汽车
1.1～1.25
汽油机 μn
1.5～2
μ
μm
1.65～2.5 1.05～1.2
柴油机
μn
μ
1.1～1.25 1.1～1.25
工程机械 1.2～1.45 1.6～2 拖拉机 1.2～1.3 1.6～2
84
说明：
a) M1，M2(GVM≤3.5 t )和N1类汽车装用直喷式柴油机时，其限值增加1dB(A)。 b) 对于越野汽车，其GVM>2 t时： 如果P<150kW，其限值增加1 dB(A)； 如果P≥150 kW，其限值增加2dB(A)。 a) M1类汽车，若其变速器前进档多于4个，P>150kW，P/GVM之比大于75kW/t，并且用第三档测试时其尾