汽车发动机设计(上)

1汽车发动机设计2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。3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4•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•主要指标功率、扭矩、油耗、重量和外形尺寸.•燃烧室•新技术的采用三、发动机布置设计5第二节发动机主要参数的选择6—、平均有效压力平均有效压力Pe是标志发动机工作循环过程的有效性和制造完善性的指标之一对于自然吸气式四冲程发动机，有对于增压四冲程发动机，有7提高的充气系数方法有:(1)采用合理的进气系统，减少进气阻力。(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。8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。(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。9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SnVm=3010活塞平均速度Vm对发动机的性能、工作可靠性和使用寿命有很大影响。一般说来Vm增大会使发动机的功率增高，但活塞组的热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，会使充气系数下降。所以，随着Vm的提高，就有必要增大气门通路断面、增加气门个数、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。11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。12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。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。13扭矩Pe*Vh*iMe=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*μn14燃油消耗率g/kw.h柴油机：215~260(直喷式)240~270(分隔式)汽油机:：300~35015第三节典型发动机的结构分析16171819202122232425262728293031323334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%。353637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。38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5)提高主要承载件的强度392．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。40汽油机增压除引起机械负荷、热负荷和NOn排放增高之外，还有爆震点的工作转速下降、扭矩特性和动态性能变差问题。汽油机增压的技术措施:1)爆震控制(1)降低压缩比(2)推迟点火(3)进气中冷2)增压器选用与匹配41汽油机要求和其匹配的涡轮增压器在较宽的流量范围内具有较高效率，在低流量时仍可达到较高的压缩比。其基本匹配点在部分负荷工况，这就需要放气系统，使标定工况时增压压力得到限制，避免爆震。施放排气方案较好，它可用较小型增压器，由于其惯性较小，加速响应性较好。3．增压中冷中冷是一种很有效的措施，有试验例子表明，增压空气每降低10℃，油耗率大约下降0.5%，而功率可提高2%~4%。42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。43二、发动机的电子控制441．汽油机电子控制1)汽油喷射A．单点喷射(SPl)45464748B．多点喷射(MPI)49505152535455562)电子点火57A.点火触发器58B．霍尔效应发生器592．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。601)电子调速616263642)喷油定时执行器65第二章曲柄连杆机构受力分析本章分析曲柄连杆机构的运动规律和作用在主要零件上的力，作为分析计算强度、刚度、振动和磨损问题的依据。第一节曲柄连杆机构运动学一、中心曲柄连杆机构1．活塞位移66672．活塞速度、最大活塞速度和平均活塞速度68Vmax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69704．连杆的运动71二、偏心曲柄连杆机构72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：7374第二节曲柄连杆机构上的作用力一、气体压力75二、惯性力761．往复惯性力2．旋转惯性力777879三、作用在曲柄连杆机构上的力8081四、发动机的扭矩1．单缸扭矩发动机的翻倒力矩M’822．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。833．发动机指示功率和平均指示压力84五、曲轴轴颈和轴承的负荷1，曲柄销负荷矢量固85862．连杆轴承负荷矢量固8788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。89研究发动机不平衡力和力矩体系对外界(支承)的影响，称为外平衡。一般取内燃机在最大不平衡力和力矩的作用下的最大位移与气缸直径之比作为内燃机外不平衡性的判据，当该比值超过0.01时，就应采取平衡措施，而轿车发动机则要求严格得多。对外平衡了的发动机进行曲袖和机体内部所受弯矩和剪力的分析与计算。如果这类负荷过大，也应采取乎衡措施(例如加平衡块)加以消减，以求减小机体的工作应力和轴承负荷。这种平衡分析称内平衡分析，如果曲轴不承受内弯矩和剪力，则称它是内平衡。9091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.92分析平衡时，均假定各缸的运动质量、运动件的主要有关尺寸都相同，所得结果表示发动机的理论平衡情况。实际上不可避免有制造误差。为了保证高速发动机的实际平衡接近理想情况，必须对曲柄连杆机构主要运动件的重量、尺寸规定严格的公差，必要时分组装配。严格控制公差的主要项目有：活塞组重量相等、各连杆组重量相等和重心位置相同、曲拐夹角均匀、曲柄半径和连杆长度相等、曲轴动平衡、飞轮静平衡等等。93一、单列式发动机的