發(fā)動機設(shè)計總論xulun課件

1、 汽 車 發(fā)動機 設(shè) 計 主講：畢玉華車輛工程系 汽車的發(fā)展與發(fā)動機的進步有著直接的聯(lián)系。 發(fā)動機汽車的“心臟”車輛工程系 概念設(shè)計（CAD和CAE、數(shù)據(jù)庫支持平臺） 詳細設(shè)計（產(chǎn)品設(shè)計和制造工藝并行） CAE計算（CAD和CAE、數(shù)據(jù)庫支持平臺） 樣件制造和采購 樣機裝配 燃燒開發(fā) 機械開發(fā)和試驗驗證設(shè)計與CAE計算 發(fā)動機臺架完整試驗標(biāo)定 零部件功能試驗 發(fā)動機耐久試驗驗證 車輛和動力總成匹配和標(biāo)定 批量生產(chǎn)產(chǎn)品技術(shù)支持 電控柴油機售后服務(wù)產(chǎn)品技術(shù)支持概念設(shè)計詳細設(shè)計、CAE總體布置樣機制造和采購發(fā)動機臺架開發(fā)車輛匹配和標(biāo)定批量生產(chǎn) 歐4、歐5先進電控柴油機開發(fā)流程車輛工程系 性能開發(fā) 可

2、靠性 開發(fā) 整車標(biāo)定 產(chǎn)品設(shè)計 生產(chǎn)監(jiān)控 技術(shù)培訓(xùn)/咨詢 銷售支持降低油耗提升功率優(yōu)化燃燒室曲軸總成的強度測試曲軸總成的扭矩振動測試軸承強度測試設(shè)計氣缸蓋墊優(yōu)化發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)降低發(fā)動機噪聲 發(fā)動機的懸置發(fā)動機壽命評估發(fā)動機和交接點的耐久以及專門測試性能開發(fā)可靠性開發(fā)繪制發(fā)動機的所有參數(shù)曲線測定發(fā)動機曲線圖發(fā)動機各單元功能與可靠性試驗循環(huán)測試熱循環(huán)測試低溫工況測試整車標(biāo)定發(fā)動機裝車和匹配匹配標(biāo)定試驗建立匹配標(biāo)定系統(tǒng)平臺產(chǎn)品設(shè)計四氣門缸蓋設(shè)計產(chǎn)品設(shè)計方案樣機技術(shù)文檔編制開發(fā)樣機設(shè)計組裝 生產(chǎn)監(jiān)控生產(chǎn)工藝設(shè)計生產(chǎn)過程中工藝問題的分析與解決模具/夾具等的設(shè)計發(fā)動機零件外部采購車輛零件外部采購生產(chǎn)線設(shè)

3、計以及必要部件和零件設(shè)計組織生產(chǎn)線機械招標(biāo)設(shè)備安裝支持試運行技術(shù)支持質(zhì)量控制系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)支持技術(shù)培訓(xùn)/咨詢設(shè)計技術(shù)鑄造技術(shù)其它專業(yè)技術(shù) 銷售支持銷售開發(fā)流程CAE分析計算集成到產(chǎn)品開發(fā) 結(jié)構(gòu)力學(xué)分析（有限元） 非線性結(jié)構(gòu)動力學(xué)計算 （多體動力學(xué)方法） 聲學(xué)計算 熱力學(xué)分析 熱傳導(dǎo)分析 流體動力學(xué)計算（CFD） 發(fā)動機 / 整車匹配性能分析 材料力學(xué)計算車輛工程系第三篇 發(fā)動機總體及主要零部件的設(shè)計（31課時）第七章 汽車發(fā)動機設(shè)計總論第八章 發(fā)動機材科第九章 發(fā)動機的熱負荷目 錄車輛工程系第七章 汽車發(fā)動機設(shè)計 足夠的功率 能在較寬的轉(zhuǎn)速與負荷范圍內(nèi)穩(wěn)定運轉(zhuǎn) 燃料和機油消耗少 體積小、重量輕

4、工作可靠，壽命長 對環(huán)境的污染少，振動及噪聲小 能適應(yīng)多種使用條件，制造成本低，維修方便。車輛工程系車輛工程系7.1.1 對汽車發(fā)動機的要求 排放量及噪聲水平 使用方便性制造成本和產(chǎn)品系列化 可靠性和耐久性 結(jié)構(gòu)緊湊性 燃料經(jīng)濟性 發(fā)動機動力性 汽車發(fā)動機的要求車輛工程系車輛工程系發(fā)動機動力性汽車發(fā)動機應(yīng)有足夠的功率良好的扭矩特性一定扭矩適應(yīng)性系數(shù)和轉(zhuǎn)速適應(yīng)性系數(shù) 發(fā)動機能平穩(wěn)運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速范圍 保證汽車的動力性(車速和牽引力)、加速性和克服突然增大的行駛阻力的能力，并應(yīng)能迅速從怠速變換到全速全負荷。 車輛工程系車輛工程系燃料經(jīng)濟性汽車方面（1）汽車的設(shè)計情況(輪胎、車身、傳動系等)（2）保養(yǎng)情況

5、、道路質(zhì)量、（3）常用車速與載荷、空車率（4）駕駛方法車輛工程系燃料經(jīng)濟性發(fā)動機方面（1）在發(fā)動機功率和前述種種汽車情況及使用情況相同的條件下，發(fā)動機萬有特性上的最低耗油率越低，同時低耗油率工況區(qū)域又越寬闊則汽車的使用油耗越低。 （2）對同一汽車傳動系來說，用較大功率的發(fā)動機可以得到較高的最高車速。 車輛工程系結(jié)構(gòu)緊湊性發(fā)動機的重量原材料消耗量汽車的自重使用油耗車輛工程系結(jié)構(gòu)緊湊性發(fā)動機的外形尺寸 發(fā)動機罩的高度 發(fā)動機的長度 發(fā)動機的寬度 車身外形的流線形駕駛員的視野有效裝載面積 車架上的安裝可能性 前置發(fā)動機的汽車 車輛工程系可靠性 發(fā)動機的工作可靠性 指在設(shè)計規(guī)定的使用條件下能夠持續(xù)工作

6、，不致因故障而影響正常運行的能力。在保證期內(nèi)不發(fā)生故障的主要零部件 缸體、缸蓋、曲軸、連桿、軸瓦、活塞、活塞銷、活塞環(huán)、凸輪鈾、氣門、氣門彈簧等件的斷或裂，以及影響噴油泵和增壓器功能 車輛工程系耐久性或使用壽命 發(fā)動機的耐久性或使用壽命 指發(fā)動機從開始使用到第一次大修之前累計運行的里程數(shù)或小時數(shù)，也就是發(fā)動機的大修期。 決定于氣缸筒和曲軸的磨損速率，一旦磨損量大與一定程度，使得氣缸壓縮壓力、漏氣舉和機油消耗率達到不能接受的水平。 車輛工程系排放量 定義 汽車發(fā)動機的有害排放物有co，Hc，No，Pb，碳煙和微粒。Pb是汽油機使用含Pb汽油時排放的，碳煙和微粒是柴油機排放的。實際上，微粒指的是排

7、氣中的固態(tài)及液態(tài)濾出物，其中包含了碳煙。措施 自1970年以來各國先后以法令限制汽車發(fā)動機的有害排放量，這對汽車發(fā)動機的發(fā)展產(chǎn)生了很大的影響，因為必需采取多種措施降低有害排放量，同時又要補償由此引起的功率和油耗損失。正是限制排放的嚴格規(guī)定促進了近年來電子控制汽油噴射與點火、三元催化轉(zhuǎn)化、廢氣再循環(huán)等技術(shù)的發(fā)展。車輛工程系噪聲要求 要求 噪聲對人身也有害。因此各發(fā)達國家對各類汽車的加速行駛噪聲均有法規(guī)限制，力逐年加嚴。 例如歐共體1970年對各類汽車加速行駛噪聲的限制為829ldB(分貝)。1985年為7580dB，我國日前規(guī)定1985年以后生產(chǎn)的車輛加速噪聲不超過8289dB（轎車取下限，8噸

8、以上貨車取廣限)。車輛工程系噪聲要求發(fā)動機中引起機件振動而產(chǎn)生噪聲的來源有缸內(nèi)氣體燃燒過程中的壓力升高進排氣管系中氣流的脈動冷卻風(fēng)扇鼓風(fēng)在曲柄連桿機構(gòu)、配氣機構(gòu)和傳動機構(gòu)運動中的機械撞擊等等。 車輛工程系噪聲要求措施 要降低汽車噪聲： 一靠適當(dāng)?shù)钠帘危?二靠降低動力傳動系的噪聲其中主要是發(fā)動機噪聲。車輛工程系使用方便性（1）起動性能汽車發(fā)動機應(yīng)有良好的起動性能，通常要求汽油機在10、柴油機在一5的氣溫條件下，不采用特殊的低溫起動措施就能迅速可靠地起動，在更低溫度下利用輔助裝置也能順利起動。（2）安裝性能汽車發(fā)動機應(yīng)便于安裝、操縱和維修。（3）應(yīng)不同的地理和氣候條件車輛工程系制造成本和產(chǎn)品系列化

9、 制造成本方面與其重量、零部件數(shù)目、所用材料、附件等等有關(guān)，另一方面又與其生產(chǎn)批量、制造工藝等有關(guān)。 一般說來只有在大批量生產(chǎn)的條件下成本才能顯著降低，因此發(fā)動機產(chǎn)品的系列化和零部件的通用化就有了重要意義。 車輛工程系發(fā)動機的設(shè)計指標(biāo) 技術(shù)參數(shù) 與發(fā)動機的使用直接有關(guān)的參數(shù)(如功率、轉(zhuǎn)速、重量、外形尺寸等) 評價指標(biāo) 比較不同發(fā)動機的強化程度和設(shè)計水平的參數(shù)(如平均有效壓力、活塞平均速度、升功率、比重量、功率密度等) 車輛工程系額定功率和升功率 （1）額定功率 發(fā)動機發(fā)出的功率與環(huán)境空氣狀態(tài)(壓力、溫度、濕度)以及臺架試驗時所帶附件的多少有關(guān)。實測有效功率 根據(jù)臺架試驗實測的扭距和曲軸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)

10、計算出來的實際環(huán)境空氣狀態(tài)下的有效功率叫做實測有效功率；校正有效功率 按主管部門頒行的標(biāo)淮方法對實測有效功率進行標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)修正所得出的功率是校正有效功率；車輛工程系額定功率和升功率 （1）額定功率 發(fā)動機發(fā)出的功率與環(huán)境空氣狀態(tài)(壓力、溫度、濕度)以及臺架試驗時所帶附件的多少有關(guān)。凈功率 發(fā)動機帶上全部附件(包括空氣濾清器，汽車排氣系，水冷卻系的節(jié)溫器、散熱器、風(fēng)扇和護風(fēng)圈，發(fā)電機、調(diào)節(jié)器和蓄電池(柴油機可不帶，曲軸箱通風(fēng)裝置，催化轉(zhuǎn)化器等)時的校正有效功率叫做凈功率；總功率 而在不帶催化轉(zhuǎn)化器，并以試驗室排氣系代替汽車排氣系以試驗室冷卻系代替水冷發(fā)動機自身冷卻系，空氣濾清器也可帶可不帶的條

11、件下的校正有效功率叫做總功率。 車輛工程系額定功率和升功率（3）最大扭矩最大扭矩是在總功率試驗條件下得出的發(fā)動機外特性上扭矩最大點的扭矩，扭矩最大點的轉(zhuǎn)速通常是給一個范圍。（4）額定轉(zhuǎn)速車用汽油機的額定轉(zhuǎn)速一般就規(guī)定在批量產(chǎn)品最大功率轉(zhuǎn)速分散范圍的下限。確定柴油機的n就需要權(quán)衡動力性與燃料經(jīng)濟性、可靠性的矛盾。 車輛工程系車輛工程系車輛工程系車輛工程系 平均有效壓力 Pe是一個工作循環(huán)中單位工作容積的有效功，它決定于一個工作循環(huán)中在單位工作容積里放出的熱能和熱能的有效利用率， 車輛工程系平均有效壓力機械負荷的提高降低機械損失發(fā)動機熱負荷改善發(fā)動機的工作過程提高Pe車輛工程系平均有效壓力車輛工程

12、系活塞平均速度 車輛工程系活塞平均速度Cm和Pen共同決定發(fā)動機的熱負荷。Cm的提高還會使摩擦損失增大活塞環(huán)缸套套的磨損加劇噪聲升級。車輛工程系汽油機與柴油機提高Cm的措施 對于汽油機 Cm受進氣系設(shè)計的限制。 汽油機的1216m/S對汽車柴油機 Cm的選擇則要考慮混合氣形成與燃燒方面的限制。并結(jié)合具體用途，在追求高升功率指標(biāo)，還是追求低油耗和長壽命指標(biāo)之間作出適當(dāng)?shù)恼壑浴?汽車柴油機的Cm多為1013m/S車輛工程系單位活塞面積功率和強化系數(shù)（1）單位活塞面積功率（2）強化系數(shù) 在有些文獻里把PEnCm叫做發(fā)動機的強化系數(shù)。車輛工程系車輛工程系發(fā)動機的結(jié)構(gòu)型式 汽油機和柴油機 汽油機的主要優(yōu)

13、點是升功率高、比重量小、功率密度高，還具有低溫起動性能好、工作柔和、噪聲小、制造成本低等優(yōu)點。 柴油機相對汽油機的主要優(yōu)點則是： （1）燃料經(jīng)濟性好，不僅最低耗油率比般汽油機低1525，而且萬有持性上的低油耗區(qū)寬闊，因此柴油車的使用油耗只是一般汽油車的三分之二左右； （2）柴油機的可靠性相耐久性高于汽油機，發(fā)生故障較少，大部分零件的使用壽命高于汽油機的相應(yīng)零件； （3）柴油機可以采用較大的缸徑或采用較高的增壓比來提高單缸功率而汽油機的增壓比和缸徑的加大則受到容易發(fā)生爆震的限制。車輛工程系發(fā)動機的結(jié)構(gòu)型式 汽油機和柴油機 鑒于上述技術(shù)持性相我國近年來的燃料生產(chǎn)及分配情況以下的原則： （1）載重5

14、噸以上的貨車全部用柴油機； （2）載重2噸以下的輕型車全部用汽油機； （3）在中型車輛中，凡使用率高、低油耗帶來的經(jīng)濟效益大的車輛，如長途客車和貨車、城市公共汽車、農(nóng)用運輸車等要用柴油機；其它社會車輛用汽油機。車輛工程系發(fā)動機的結(jié)構(gòu)型式 二沖程機和四沖程機 目前汽車用的二沖程機產(chǎn)品很少，但近年來不斷有一些研制報導(dǎo)，并預(yù)測今后車用二沖程機有發(fā)展可能包括汽油噴射的二沖程汽油機，其燃料經(jīng)濟性會有提高。 摩托車因使用率低，對比重和制造成本的重視勝過燃料經(jīng)濟性要求，所以至大量使用著的二沖程汽油機。車輛工程系發(fā)動機的冷卻方式 風(fēng)冷機的主要缺點有： 由于機體無水套減振，風(fēng)扇和導(dǎo)風(fēng)罩的振動又大，故風(fēng)冷機噪聲較

15、大； 風(fēng)冷機風(fēng)扇消耗功率比水冷機的風(fēng)扇、水泵消耗的功率大些，前者約占發(fā)動機功率的68，后者約占45； 風(fēng)冷機零件的熱負荷較高，使平均有效壓力的提高受限制，般要比其它條件相同的水冷機低5左有；同時也限制了風(fēng)冷機的缸徑(不大于150mm)和增壓比； 由于采用大量鋁合金件、單體氣缸簡和風(fēng)扇一風(fēng)道系統(tǒng)，風(fēng)冷機成本較高； 因機油溫度較高，時機油質(zhì)量的要求提高，機油消耗率也較局； 由于溫度波動較大和熱能儲存較少，汽車采暖成問題。車輛工程系發(fā)動機的冷卻方式 風(fēng)冷機的主要缺點有： 不需要水和防凍液，不存在漏水、積水垢、沸騰、結(jié)冰等問題們且適用于缺水地區(qū)； 機體溫度較高，對環(huán)境溫度的變化不敏感，能在一50至60

16、高溫工作； 由于缸壁溫度較高，對燃料質(zhì)量(包括含硫量)也不敏感； 起動后暖車時間短，有利于減輕缸筒磨損和Hc排放； 缸蓋和缸筒是單體結(jié)構(gòu)，對同系列不向缸數(shù)的發(fā)動機都一樣， 受槍炮彈片的傷害小。車輛工程系發(fā)動機的冷卻方式 現(xiàn)有的四缸以上的汽車發(fā)動機大多數(shù)是水冷發(fā)動機，主要是考慮到價格、溫度。在沙漠和氣候條件惡劣地區(qū)行駛的汽車以及軍用汽車宜采用風(fēng)冷發(fā)動機。摩托車普遍采用小型單缸或雙缸風(fēng)冷機(用迎面風(fēng)冷卻)，取其簡單相輕巧。 車輛工程系發(fā)動機的冷卻方式 “無冷卻”方案 只向活塞內(nèi)壁噴射機油，對噴油器體也安排油流冷卻。燃燒室表面(活塞頂面、缸蓋底面、氣門頭表畫和缸簡壁面)覆蓋陶瓷涂層，或用整塊陶瓷制成

17、缸蓋底板和活塞頂。由于不強制冷卻缸蓋、缸體，以及由于陶瓷材料的導(dǎo)熱性差，發(fā)動機冷卻損失減少，而增多了的排氣熱能則通過廢氣渦輪增壓或再加動力渦輪回收部分。油冷方案 在氣缸筒靠近缸蓋的一段的周圍油冷卻，其高度只比活塞頭部高度略大一些；在缸蓋中排氣門和噴油器之間的最熱區(qū)也開有冷卻油道；還有鑄鐵的鉸接式活塞的內(nèi)壁噴機油冷卻；機體的其它部分都受強制冷卻。由于只冷卻最熱區(qū)，機件的溫度水平較高，但各處的溫差卻較小，熱應(yīng)力得到控制。這種油冷的增壓柴油機也具有燃料消耗率較低、能適應(yīng)多種燃料、以及取消水冷卻系所帶來的一系列好處(體積小、允許改善車身流線型、減少使用故障等等)。 車輛工程系增壓與自然吸氣 （1）增壓

18、的意義（2）增壓的機型范圍車輛工程系缸數(shù)與氣缸排列方式 選擇缸數(shù) 給定的Ne和n，可能達到的Pe和Cm，對外形尺寸的限制，允許的振級和成本。 現(xiàn)有各種汽車發(fā)動機最常見的缸數(shù)是4、6、8、12，也有2和3(微型、輕型車)，5和10(中型車)和16(重型車)。功率25kW以下二、三、四缸的都有功率為2575kw的幾乎全是四缸機功率7550kW的有五缸機和六缸機功率150一200kW，有六缸機和八缸機，六缸的居多；200一250kw的有六、八和十缸機，八缸的居多；250kw以上有八、十和十二缸機。車輛工程系缸數(shù)與氣缸排列方式車輛工程系汽油機的燃燒室型式與氣門數(shù)目 車輛工程系柴油機的燃燒室型式 汽車柴油機有用分隔燃燒室的，也有用直噴燃燒室的。分隔燃燒室多為渦流室，較少預(yù)燃室直噴室大多是形的。 車輛工程系發(fā)動機的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 行程缸徑比 車輛工程系發(fā)動機的主要結(jié)構(gòu)