汽车发动机设计(上)

使用成本 可靠性、耐久性好，使用油耗低，保养费少，提高 汽车的有效利用程度。 二、发动机方案设计（概念设计） 发动机方案设计要抉择的内容有： • 机种 汽油机和柴油机。
• 冲程数 四冲程 二冲程
• 冷却方式 水冷式发动机风冷式发动机 •气缸数及其排列
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• 缸径、行程 汽油机适宜于较小缸径，例如70~90mm，超过100mm时容易 发生爆震。 柴油机适宜于较大缸径，例如100~150mm，缸径过小难于组 织直喷式燃烧，如采用涡流室热效率将降低。 汽车发动机采用短行程的优点是换气效率较好、曲轴主轴颈与 连杆轴颈的重叠度较大，适宜于高转速。长行程燃烧较完全， 因而向降低转速采用略大于1的行程缸径比(S/D)变。 •系列化
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第二节 曲柄连杆机构上的作用力 一、气体压力
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二、惯性力
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1．往复惯性力
2．旋转惯性力
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三、作用在曲柄连杆机构上的力
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四、发动机的扭矩 1．单缸扭矩
发动机的翻倒力矩M’
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2．多缸机扭矩、各主轴颈和曲柄销扭矩 知道了单缸扭短在一个循环的变化规律,考虑 各缸的着火间隔角将各缸扭矩作移相叠加就得多缸 扭矩。
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相对自然吸气式发动机设计来说，增压发动 机的设计有其特殊性，下面分别就汽、柴油机增压 和中冷作一简述。 1．柴油机增压 柴油机增压后，机械负荷和热负荷都增大。 机械负荷一般以最高燃烧压力Pz的大小为标志。增 压时进气压力Pa、压缩压力Pa(始点)、Pc(终点)和 Pmax都随之提高。 热负荷一般以活塞温度和涡轮前废气温度为标 志。增压后，柴油机的进气温度提高，工作循环温 度升高，热负荷增大。热负荷过高，热应力加大可 引起燃烧室壁、气门座面和活塞表面产生裂纹；发 生活塞环结碳、零件间隙变化、润滑油高温结焦、 油耗增高等故障。 37
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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S／D在0.8~l范围，高速柴油机考虑到有 利于混合气形成和燃烧，一般用稍大于1的S／D值。 平均有效压力和活塞平均速度都是表征活塞式 发动机强化程度的重要参数。两者乘积通常称为发动 机的强化指标。这两个主要参数应当慎重选择。
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在D,Cm确定后,就可以合理选择S/D： 1）选择较小的S/D可以减小发动机的高度，宽度和重量。
增压机热负荷的增加往往比机械负荷的影响 更为严重，因而是提高增压度的主要障碍。增压器 的最高比压一般可达3~3.5。四冲程增压柴油机Pe最 高可达3.2MPa左右，在车用发动机上实际达到的较 好水平是Pe＝1.4~1.8MPa。 设计增压柴油机时应采取以下技术措施： 1)降低压缩比,加大过量空气系数 2)调整供油系统 3)调整配气相位 4)匹配好涡轮增压器和进排气系统
汽车发动机设计
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第一章 总
论
第一节 发动机总体设计
一、主要设计指标和设计要求
结构空间 外形尺寸小，体积功率(Pe／V，KW／㎡)大，升体 积(V／Vh，㎡／L)小。
总质量 总质量G、比质量(G／Pe，kg／kw)、升质量(G／Vh， kg/L)均小。
功率 有效功率Pe满足所装汽车适宜的最高车速要求，升功率 (Pe／Vh，kw/L)大。 环境保护 废气排放和噪声达到法规要求。 生产成本 生产能耗小，材料费用降低，结构设计适于组织经 济批量生产。 2
(2)采用合理的配气机构和配气定时(如气门顶置、大 的进气门直径、多气门布置、完善的凸轮外形、最佳 的气门重量角度等)。 (3)汽油机用多腔化油器、多个化油器或汽油喷射， 后者是发展方向。
(4)适当的进气预热。
提高热效率的方法；
(1)汽油机提高压缩比。
(2)合理组织燃烧工作过程。
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提高机械效率的方法有： (1)选择最佳的配合间隙、优质润滑油、摩擦副材料和 减磨涂层。 (2)发动机保持最佳的热状况。 (3)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。 (4)从工艺上保证加工精度，改善表面质量。
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扭矩 Pe*Vh*i
Me=318.31*_________
τ 汽油机：Me=K*ηv/α*ηi*ηm 柴油机：Me=K*ηi*ηm*⊿g 扭矩储备系数：μm=Memax/Men
转速适应系数：μn=nn/nMemax
总弹性系数： μ=μm*μn
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燃油消耗率 g/kw.h
柴油机：215~260(直喷式)
2）小的 S/D可以减小 S，加大曲轴的连杆轴颈和主轴颈的重 叠度，提高曲轴的弯曲和扭转刚度，以及曲轴的疲劳强度。
3）当S/D减小时，发动机的转速可以增加，提高发动机的升 功率，但增加了运动件的惯性力和发动机的噪声。 4）S/D小，柴油机为保证一定的压缩比以及燃烧室容积与压 缩容积之比，必须将活塞与气缸之间的间隙设计得更小，这 就增加了制造上的困难，如果间隙不能保证，将使发动机各 项性能指标难以达到。 5）风冷发动机应考虑散热片的布置，保证足够的散热面积， 一般风冷机S/D较大。
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汽车发动机增压中冷普遍采用空对空中间冷却 器，进气温度可冷却到60℃左右。若将冷却器与散热 器并列，用柴油机上的风扇抽吸冷却空气来冷却，则 有一个缺点, 在低负荷运转冷却器也以高效工作，引 起充气过冷和不完全燃烧冒白烟问题。为此，发展出 了紧凑的带空气涡轮风扇的中间冷却装置，其管道配 置也大为缩短(图1—25)。这种冷却系利用压气机出口 空气推动空气涡轮，推动能量与压气机出口压力和温 度相关，从而与柴油机的负荷相关。在低负荷时压比 上升是极小的，所以没有能量供给空气涡轮，因而风 扇不动，可以避免过冷冒白烟问题。
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3．发动机指示功率和平均指示压力
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五、曲轴轴颈和轴承的负荷 1，曲柄销负荷矢量固
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2．连杆轴承负荷矢量固
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第三章 发动机的平衡
第一节 概 述 发动机在稳定工况运转时，如果传给支承的作用 力的大小和方向都不随时间而变化，则称它是平衡的。 平衡性差的发动机会在支承上振动，传给车架、 车身、有损于汽车的行驶乎顺性和乘座舒适性、加速 驾驶员疲劳，影响行车安全。此外，声频域(20Hz一 20kHz)内的机械振动还会辐射噪声；振动消耗能量， 降低发动机的总效率；振动还可能引起紧固连接件的 松动和过载，降低机件的耐久性。
240~270(分隔式) 汽油机:：300~350
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第三节 典型发动机的结构分析
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181920源自212223
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第四节 活塞式发动机的发展
一、废气涡轮增压
柴油机用废气涡轮增压，一般可提高功率 30%~40%，增压中冷可提高到50%~70%，而成 本只增高8%~10%,重量只增加3%~5%。
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二、发动机的电子控制
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1．汽油机电子控制
1)汽油喷射
A．单点喷射(SPl)
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B．多点喷射(MPI)
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2)电子点火
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A.点火触发器
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B．霍尔效应发生器
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2．柴油机电子控制
高速柴油机应用电子技术有如下一些优点： a)提高燃料经济性 由于电子喷油泵控制自由度大、 柔性好、响应快，可在任何工况条件下选择最佳的喷油 量和喷油定时，从而可进一步提高燃料经济性 (约10％)。 b)提高动力性能 电子调速器可显著改善柴油机的扭 矩特性(见固1—40)，可使常用转速范围的扭短有较大 提高，汽车的加速性得到改善。 c)调速特性最佳化，可使汽车的加速反应性和行驶稳 定性有所提高。 d)改善冷起动性能和排放。 e)降低怠速噪声和振动。
(5)改善充量更换减小泵气损失，减小发动机运行必需 附件的功率损失。
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对柴油机提高平均有效压力的最有效措施是采 用废气涡轮增压、增压一中冷，它还能兼收改善燃 料经济性和降低发动机噪声的效果。 平均有效压力的选择要有基础性试验研究依据,并 且应参考同类型发动机的实际数据。 二、活塞平均速度
Sn
Vm=
5)提高主要承载件的强度
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2．汽油机增压 与柴油机增压相比，汽油机增压有许多不同点， 诸如：汽油机是点燃式，被压缩的是油气混合气，压缩 终点温度过高就会发生爆震，它使汽油机增压大受限制， 增压压力一般在135~155kPa范围；汽油机的压缩比小， 过量空气系数范围窄(0.85~1.05)，增压时在变负荷变转 速工况下工作要求如此严格控制n的范围，燃料系统的 供油特性必须精心调整；汽油机吸入缸内的是油气混合 气，因而不能用较大的进排气门重叠角组织完善的扫气， 并利用进气降低热负荷；汽油机工作转速范围宽，对增 压器的性能及其与发动机的匹配要求更高。
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第二节 平衡分析方法 发动机的平衡分析，实质上就是对由各缸往复 惯性力Pj和各曲拐旋转惯性力Kr构成的空间力系进 行合成，如果合成结果主矢量、主矩均为零，则发 动机的运动质量是平衡的。反之就不平衡，这时要 求出不平衡量随曲轴转角的变化规律，以便研究平 衡措施.
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Vmax和Vm是影响活塞和气缸磨损的重要指标。 3.活塞加速度、最大加速度
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4．连杆的运动
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二、偏心曲柄连杆机构
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实用上的偏心曲柄连杆机构有图2—3所示三种。 图中a，活塞销中心向主推力边偏置是为了减轻活塞 对气缸壁的敲击，多用于汽油机。图中b，活塞销中 心向次推力边偏置，多用于柴油机。柴油机用中心曲 柄连杆机构可能发生这详的情况：次推力边顶环隙不 结碳，而主推力边严重结碳，导致活塞环粘着。若将 活塞销向次推力边偏置一个小距离，运行中可使主推 力边边活塞顶岸与缸壁问的间隙比燃烧开始时的值变 小，从而改善导热，减轻了主推力边的热负荷，使顶 环隙整个圆周上不结碳。图中c曲轴中心与气缸中心 线偏置的曲柄连杆偏置机构，上、下止点的曲柄转角 分别为：