2016,武汉理工大学,发动机设计复习重点ppt-2016.

第一章总论§1—1发动机设计的一般过程发动机的设计和研制可以分为三类：1、在原有（现有）产品基础上进行改进设计：如改进结构提高工艺性、延长寿命；降低排放；改进燃烧系统提高经济性；改非增压为增压等2、在现有发动机基础上，设计同一型式的系列化发动机（系列化设计）：如在四缸机的基础上设计六缸机；在直列机的基础上设计V型机；在车用发动机的基础上设计工程机械用、发电用发动机等。3、设计新型的发动机（开发新机型）一、发动机设计的一般过程以新发动机的设计为例，其一般过程包括四个阶段：计划与方案设计阶段；样机试制与调试阶段；技术设计阶段；鉴定与小批试生产阶段1、计划与方案设计阶段：在调查、研究的基础上，确定（1）发展该新产品的原因，主要用途，适用范围（2）所设计机型的主要技术规范，包括：①内燃机型式：汽油机还是柴油机；燃烧室型式；缸径，行程（活塞排量）；缸数，气缸排列；冲程数；冷却方式；吸气方式（NA/TC）②动力性指标：标定功率，标定转速；最大扭矩及最大扭矩转速等③经济性指标：燃油耗率，机油耗率④强化指标：平均有效压力，活塞平均速度⑤运转性能：最高转速，最低怠转速，调速率和转速波动率⑥重量和外形尺寸指标：净重，外形尺寸（长×宽×高）⑦排放、噪声要求⑧可靠性、寿命（3）内燃机的主要结构，包括主要零部件结构（4）内燃机系列化和变型产品情况，进一步强化的可能性（5）其它技术要求，如冷起动等①功率：比功率（Pe/G，G为汽车总重）G20t的重型货车、自卸车：4—7kW/tG=5—19t的汽车：7—13kW/tG4t的汽车：10—22kW/t,有的轻型货车达50kW/t轿车：50—90kW/t，主要是保证加速性好，车速高②扭矩适应性系数与转速适应性系数扭矩适应性系数：转速适应性系数：eNeMMM/maxMNnnn/②升功率（每升气缸工作容积发出的功率，）：kW/L车用汽油机：40—50kW/L③单位体积功率（，也称功率密度）：kW/m3，V—发动机外形尺寸所表示的体积（4）可靠性高，寿命长（耐久性）LPheLVPP/VPVPPeV/①可靠性：可靠性以在保证期内的不停车故障数、停车故障数、更换主要零件数和非主要零件数来考核。广义的可靠性还包括产品的可维修性。可靠性高，则维修费用低，提高汽车的使用率（通常汽车的故障中，发动机的故障占主要部分），降低使用成本。一般要求在使用期内（民用柴油机一般1500小时，汽油机500小时）不发生主要零件（如气缸体、气缸盖、曲轴、连杆、轴瓦、活塞、活塞销、活塞环、凸轮轴、气门、气门弹簧等件的断或裂，以及影响喷油泵和增压器功能的主要故障。②寿命：通常以发动机从开始使用到第一次大修期之前的累计运行里程或小时数来表示，通常决定于气缸和曲轴的磨损速率。二者有一个磨损极限值：4、气缸数及其排列发动机的气缸数和气缸排列方式对其外形尺寸、平衡性、制造成本等都有影响，也和产品系列化有关。（1）气缸数由发动机功率计算式式中为平均有效压力，MPa为气缸工作容积，l为气缸数为发动机转速，r/min为冲程数30znVpPheeephVzn（2）气缸排列方式有单列（其气缸中心线所在平面或与地面垂直，或与地面成一定角度）、V型、W型、星型等，以单列式、V型为多。气缸排列方式(a)契形(b)蓬形(c)盆形(d)碗形汽油机燃烧室①可能达到的平均有效压力pe:(b)(a)(d)(c)②排放：CO、HC：（b）最少，（a）、（d）次之，（c）较多③可达到的转速：（b）最高，可达5000—6000转/分以上，（a）、(d)次之，(c)较低，主要是（b）中的球形在同一D、Vh和ε下可布置较大的进气门④制造成本：（b）最高，（d）最低⑤爆震倾向：契形室、碗形室挤气涡流强，爆震倾向相对最小，盆形室次之，蓬形室最大，一般要用高辛烷值汽油；用相同牌号的汽油时，契形室、碗形室许用压缩比最大。（2）柴油机：燃烧室有分隔室式、直喷式。分隔室式主要为涡流室，预燃室少。分隔室式优点是有害排放物NOX，微粒，CO和HC排放量都比直喷式少，振动、噪声小，自然吸气（NA）时pe较直喷式机大；缺点是燃油消耗率高（预燃室又比涡流室高），散热损失大导致起动困难，增压机受热负荷限制pe较直喷式机小。一般大缸径用直喷，小缸径用涡流室。§1—3发动机主要参数选择一、发动机的强化指标发动机功率kW式中为平均有效压力，MPa为气缸工作容积，l为气缸数为发动机转速，r/min为冲程数活塞平均速度，m/sD气缸直径，mm23107854.030zDCpznVpPmeheeephVznmC由上式可知，当z、τ、D确定后，功率Pe的提高只能靠提高pe、Cm了，一般用此二参数作为内燃机的强化指标：用peCm积或peCm/τ表示强化系数peCm/τ值:四冲程非增压机6.5—9MPa.m/s四冲程增压中高速机12—34MPa.m/s二冲程低速机7.5—10MPa.m/s1、平均有效压力pe：是标志发动机工作循环的有效性和制造完善性的指标之一由于(非增压)（增压）（Pa：单位气缸工作容积所作的指示功，反映发动机工作循环的热功转换的有效程度和气缸工作容积的利用效率）/iVmimepp/siVmimepphiVWip2、活塞平均速度Cm=Sn/30,Cm上升，则①机械负荷上升：因曲柄连杆机构的往复惯性力(汽油机ajmax=500—1500g,柴油机ajmax=200—800g，g—重力加速度)②热负荷上升：222'232max/)1(6022)1(mmjjCDSCDKnSKDRmPmeCpKq''S/D对发动机结构、外形尺寸和性能的影响（假定Pe、pe、Cm不变）：1、S/D对外形尺寸的影响如Vh不变，S/D↑对于直列机高度↑，长度↓，宽度变化较小，但对于V型机，宽度增大的幅度与高度是相同的。下图为对一台直列四冲程高速机的外形尺寸计算结果，从中可以看出对于同一Vh，取较小的S/D值则单列式发动机的长度加大，高度、宽度减小，其中长度受S/D值的影响最大。可知，S/D↓，则惯性力上升↑；当然Cm不变时，S/D↓，n可加大，从而PL↑。PL↑。2、S/D对惯性力的影响DSCDKnSKDRmPmjj/)1(6022)1(22'232max最大往复惯性力3、S/D对燃烧室的影响①S/D↑，则内燃机压缩室容积与其表面积之比ξ=FC/VC↓，设计时希望ξ↓，以减少燃烧室散热，改进燃烧，提高经济性②S/D↑，则Vm/Vc↓，Vk/Vc↑，热效率↑，平均有效压力pe↑，有害排放物减少若Vh、ε一定：4、对曲轴强度、刚性的影响Vh一定时，S/D↓，则R↓，重叠度Δ=0.5(d1+d2)-R加大，曲轴的弯曲、扭转刚性加大，疲劳强度↑，扭振固有频率↑。综上所述，Pe、pe、Cm不变时：S/D较小，则可降低发动机高度，提高升功率，减小V型机宽度，提高曲轴的强度和刚性；但热效率下降，有害排放物增加，惯性力增大，单列机长度增加。一般：车用汽油机S/D=0.90—1.05车用柴油机S/D=1.0—1.2船用高速机S/D=0.9—1.25船用中速机S/D=1.0—1.4，转速较高；1.4—1.8,转速较低船用低速机回流扫气S/D=1.7—2.05（多为1.7—1.8）（二冲程）直流扫气S/D=1.85—2.25（多为2.0以上）长行程机S/D=2.8—3.85V型机比直列机略小§1—4发动机新技术的发展一、发动机增压增压就是将空气预先压缩然后再供入气缸,以期提高空气密度,增加进气量.采用增压技术是提高升功率、降低发动机比质量的最有效措施，增压方式有：（1）机械增压（2）废气涡轮增压（3）谐波增压（4）气波增压其中废气涡轮增压在机械效率与燃油经济性、降低CO与HC排放、降低噪声、改善高原地区工作适应性等方面有很大的优越性，因此在柴油机和汽油机上都得到了越来越广泛的应用。按增压比划分可分为低增压(增压比小于1.6)、中增压(增压比在1.6到2.5)和高增压(增压比大于2.5)1、柴油机增压改型设计内容（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）重新设计进排气系统（5）提高主要承载件强度2、汽油机增压（1）降低压缩比（2）减小点火提前角（3）重新设计排气系统二、多气门技术如：某汽车发动机采用5气门技术,进气流通面积极大化(φ38.2x1～φ25.5x3,增大34%),提高发动机充气效率1、活塞位移：（精确式）（近似式）)sin11()cos1()coscos()(22LRRLRLxIIIxxRRx)2cos1(4)cos1(近似式与精确式相比误差很小，如当λ=1/3.5时，曲柄转角为90度时误差为最大，在0.003R左右，此精度在工程上已足够。2、活塞速度：（精确式）（近似式）cos)sin(RvIIIvvRRRv2sin2sin)2sin2(sin由近似式可得出活塞最大速度及最大速度时曲轴转角由活塞速度精确式，近似取cosβ=1，在近似估计时，可认为最大速度出现在α+β=90º时，即连杆中心线与曲柄成直角位置，此时与精确式相比，计算α=k×90º时的速度，近似式没有误差；其余角度时的误差很小，如当λ=0.32时，最大误差不大于0.0057Rω，相对误差小于0.83%。)2sin2(sinmaxmaxmaxvvRv18141arccos2maxv2max2221cos111cosRRvRLL由近似式可得出活塞平均速度活塞的最大速度和平均速度之比是反映活塞运动交变程度的一个指标：（此值约为1.6）302)2sin2(sin10SnRdRcm22max1221RRcvm3、活塞加速度（精确式）（近似式）用近似式计算加速度在α=0º、180º时没有误差，在α=90º、270º时误差最大。以λ=0.32时为例，相对误差约为5.3%322coscoscoscosRaIIIaaRRRa2coscos)2cos(cos222由近似式可得出活塞加速度的最大值和最小值：①当λ1/4时，α=0º时活塞正向最大加速度（极大值）α=180º时活塞负向最大加速度（极小值）②λ1/4时，α=0º时活塞正向最大加速度（极大值）时活塞负向最大加速度（极小值，在180º—360º范围内还有一个）（极大值）)1(2minRa)41arccos(812minRaα=180º时活塞的加速度已不是最大负向加速度)1(2minRa)1(2maxRa)1(2maxRa二、偏心曲柄连杆机构（偏置曲柄连杆机构）1、采用偏心曲柄连杆机构的原因凡是曲轴回转中心线或者活塞销中心线不与气缸中心线相交的曲柄连杆机构都是偏心机构。根据偏心方向的不同，分为正偏心机构和负偏心机构。正偏心机构（如图a、图b所示）在活塞下行时连杆摆角较小，使得作功行程中活塞侧推力有所减小。（a）曲轴正偏心（b）活塞销正偏心（c）活塞销负偏心偏心曲柄连杆机构主推力侧次推力侧正偏心机构多用于柴油机，目的是改善散热，减轻主推力边的热负荷，使顶环隙整个圆周上不积碳。负偏心机构广泛应用于车用汽油机中，目的是减轻活塞对气缸壁的敲击，降低运转噪声。（a）进、排气上止点前后（b）压缩上止点前后活塞销负偏置的作用§2—2曲柄连杆机构受力分析气体作用力惯性力作用在曲柄连杆重力机构上的作用力负荷的反作用扭矩及机构的支撑反力机构相对运动的摩擦力一、曲柄连杆机构的惯性力惯性力：加速度质量（一）曲柄连杆机构的换算质量曲柄连杆机构加速度有往复运动加速度和离心运动加速度两种，计算两种加速度引起的惯性力需将整个曲柄连杆机构的质量分别换算成往复