天津理工大学2013届本科毕业设计说明书第一章 发动机气密性研究的背景1.1 前言我国汽车产业在近几年内飞速发展，2012年我国汽车产销双双突破1900万辆，再次突破记录，增速超过了4%，连续四年蝉联世界第一。但是，目前我国的先进汽车制造技术还处于起步阶段，为了跟上产量和市场需求，国内汽车生产商不得不大量采购生产精度高，自动化程度大的国外设备，然而这些设备购置费用较高，而国内的设备产生的次品率又很高。所以部分国内厂家已经开始了相关设备的研制，并取得了一些成绩，但由于技术力量不足，所开发的设备生产精度低、自动化程度较小，有些项目的测试只能用手动操作，准确率较低，而且检测项目较少，与国外的产品相比缺乏竞争力，更无法替代进口产品1。本课题研究的内容是一台对发动机壳体气密检测的自动化设备。主要用于汽车发动机壳体压铸过程中可能会产生的缺陷进行在线检测。检测手段采用正压法检漏，通过对被测工件充气加压以空气作为介质,然后对其压力,压差或流量(与比较容积间)进行抽样分析,从而判断工件是否泄漏,此方法结构简单、监测方便、快捷、清洁、准确、成本低、自动化程度高，深受人们关注。根据中国汽车工业协会公布，2011年中国本土累计生产汽车1841.89万辆，再次刷新了全球历史记录。鉴于发动机还得满足维修市场的需要，那么中国去年发动机的生产量接近2000万台。目前，汽车发动机壳体采用压铸铝生产工艺制造，对于压铸过程中产生的缺陷采用在线正压气密检测工艺，可以避免后续不必要的加工造成的浪费。1.2 关于汽车发动机的概述1.2.1汽车发动机的历史汽车中最重要的那就是发动机了，可以说如果没有发动机，那就不会有汽车。发动机的进步决定了汽车行业的进步。汽车的心脏必然是发动机，发动机为汽车的行驶提供了动力，发动机的性能决定了汽车的动力性能、经济性能以及环保性能。简单的来说发动机就是一个能量转换器，也就是将汽油(柴油)燃烧从而产生热能，在密封气缸内燃烧，这样气缸内的气体会发生膨胀，从而推动活塞做功，将热能转化为机械能，这是发动机工作的基本原理2。发动机的全部构成结构都是为进行更好的能量转换所服务的，虽然发动机跟随者汽车的发展，已经有了100多年的历史，因此发动机无论是在设计、制造、工艺、性能还是制造控制上，都有长足的进步与提高，但是其基本原理仍然保持不变。这是一个富于创造的年代，众多发动机设计工程师们，不断地将最新科技运用到发动机的生产制造上，把发动机变成了一个复杂的、机电一体化的高端技术产品，使发动机性能不断突破与提高，世界各著名汽车生产厂商也将发动机的性能作为相互竞争的亮点。所以可以说发动机的发展史也就是是汽车工业的发展史。而发动机的发展也经历了无数代人的努力，融合了无数人的智慧与汗水。发动机是汽车的动力源泉。汽车发动机大多数都是热能动力相互转化装置，可以简称卫热力机。热力机是借助在工质的状态变化下，将燃料进行燃烧从而产生的热能转变为机械能的机器。1.2.2汽车发动机的特点1.按结构分类一台汽车发动机一般都会具有3个以上的气缸，对于汽车发动机主要的分类方式，我们一般是根据气缸的布局及其排列方式来划分的。一般的有直列、V型、W型以及水平对置等几种结构。(1)直列发动机：它的所有气缸都按照同一角度肩并肩排成一个平面，它的优点是缸体和曲轴的组成结构十分的简单，而且只需要使用一个气缸盖，不仅制造成本较低，而且尺寸紧凑。直列发动机具有稳定性高、低速扭矩特性好并且燃料消耗少等优点，但缺点就是功率较低，并且不太适合被6缸以上的发动机采用。直列发动机在国产汽车中应用非常广泛，几乎所有中档以下的国产汽车以及采用四缸发动机的车型,都是采用直列发动机3。(2)V型发动机：将所有气缸分成了两组，把相邻气缸以一定的夹角来布置在一起，使两组气缸形成一个夹角的平面，从侧面看上去，气缸呈V字形，所以称V型发动机。V型发动机的高度以及长度的尺寸都较小，在汽车生产中，组装布置起来较为方便。尤其是韩国的现代汽车，其比较重视空气动力学在汽车中的应用，所以要求汽车迎风面是越小越好，因此也就要求发动机盖需要越低越好。另外，如果将发动机的长度缩短，也就能留出更大的驾乘空间。由于气缸之间采用相互错开布置的设计，这有利于通过扩大气缸直径来提高排量和功率，适合于较高的气缸数。此外，V型发动机气缸是对向布置，这样可抵消一部分振动，使发动机运转得更加平顺。V型发动机的缺点则是必须使用两个气缸缸盖，并且结构较为复杂且成本较高。另外其宽度加大后导致发动机两侧空间变小，对安排其它装置造成一定的影响。(3)W型发动机：它是德国大众专属的发动机技术，其是将V型发动机的每侧气缸，在原来的基础上面，再进行小角度的错开(如帕萨特W8的小角度为15度)，造就了W型发动机。或者可以说W型发动机的气缸排列形式，是由两个小V形组成一个大V形。严格的来说W型发动机还应该是属于V型发动机的变种。W型和V型发动机相比，W型可将发动机做得更短一些，曲轴也相对来说短一些，这样就能节省发动机在汽车中所占的空间，同时重量也会降低，但它的宽度会变得更大，使得发动机室更满。W型发动机目前最大的问题是，发动机被由一个整体分割成为了两个部分，运作时必然会产生很大的振动。面对这一问题，大众在W型发动机上面设计了两个反向转动的平衡轴，从而使两个部分的振动在内部得以相互抵消。(4)水平对置发动机:如果将直列发动机看成是夹角为0度的V型发动机，那么当两排气缸的夹角扩大到180度，气缸水平对置排列，这就是水平对置发动机。水平对置发动机的最大的优点就是重心低。由于它的气缸是“平放”的，因此降低了汽车的重心，所以能将车头设计得又扁又低。这些因素都能够增强汽车行驶的稳定性。此外，水平对置的汽缸布局是一种对称稳定结构，这使得发动机的运转平顺性比V型发动机更好，运行时的功率损耗也是最小。(5)转子发动机:传统的汽车发动机都是通过气缸内的活塞的往复运动，最终来驱动汽车前进，发动机及其气缸本身相对来说都是不动的，而转子发动机则是一种三角活塞旋转式的发动机，它利用三角转子旋转运动的原理来控制压缩和排放。转子发动机的优点也十分的明显，它不仅尺寸小，重量轻，功率大，而且振动和噪声都极低。但是由于转子技术较为复杂，导致其制造成本极其昂贵，耐用性也远低于传统发动机。2.按发动机布局分类按照发动机在汽车车身上面的布局，还可以大致分成三种：前置发动机、中置发动机以及后置发动机。目前在国内汽车市场上所能看到的绝大部分的车型，都是采用的前置发动机，即发动机位于车前轮轴的前面。前置发动机的优点在于其简化了汽车变速器和驱动桥的结构，特别是对于目前在市面上占绝对主流地位的前轮驱动车型来说，发动机是将动力直接输送到前轮上面，省略了传动轴，这样的设计不但减少功率传递过程中的损耗，并且还大大降低动力传动机构的复杂性以及故障率。将发动机放置在汽车车身前部，当发生正面撞击时，发动机可以减少驾驶员受到的正面冲击，从而提高车辆的安全性4。与前置发动机对应的就是后置发动机了，后置发动机对应一些后轮驱动的大马力车型，典型车型是保时捷911系列跑车。此外，还有一种布局便是中置发动机，即发动机位于汽车的前后轮轴之间，一些极端追求性能的汽车发烧友而言，发动机中置是一种最理想的发动机放置方式，因为发动机的正好位于汽车的重心附近，这样发动机的重量就不会过于集中在车头或车尾，从而达到最佳的配重比，这将大大提高汽车的操控性以及行驶稳定性。包括法拉利、兰博基尼等在内的很多款经典跑车，都采用的是中置发动机的布局5。3.按燃料分类按所使用的燃料来进行划分，汽车发动机可分为汽油机和柴油机两大类。汽油与柴油的不同在于，汽油沸点低、容易发生气化，汽油发动机通过利用气缸压缩，使吸入的汽油发生气化，并与缸内的空气相互混合，从而形成可燃性的混合气体，最后由火花塞放电打火，点燃混合气体，推动气缸活塞来作功；柴油的特点是柴油的自燃温度较低，所以柴油发动机不需要火花塞这样的点火装置，它利用压缩空气来提高气缸内的空气温度，使温度超过柴油的自燃极限。这时，再喷入柴油，使柴油喷雾和空气相互混合，同时产生自燃。两种发动机相互比较来说，一般情况下，由于汽油发动机需要对汽油的喷入量、喷入时间及点火时间控制得非常准确，因此结构上往往会比柴油机更加的复杂和精密一些，而柴油机由于气缸的压力远远大于汽油机的气缸压力，因而柴油机对发动机材料的结构强度和刚度的要求更高一些。从性能角度上说，汽油发动机的长处在于，当发动机处于最大功率和转速高时，发动机能保持运转安静平顺，并且排放低。而柴油发动机的优点则在于燃料燃烧效率高、油耗较低，当处在低转速扭矩时，最大扭矩远远超过汽油机。这些区别体现在驾驶感受上的话，驾乘人员会发现使用柴油机的汽车起步十分的迅速，在山路及坡道上仍能保持良好的动力输出，然而在加速性以及最高车速方面，又会逊于相同档次的汽油机。国内传统的柴油机一直给人的印象就是体积笨重、振动噪声大和排放污染严重等，因此国产汽车一般都采用汽油发动机。随着近年来经济以及技术的发展，国外知名制造商开始将一些最新的柴油机制造技术引入中国，技术的提高，大大改善了国人对柴油机的传统看法。一汽大众前不久推出了一款采用TDI柴油发动机的宝来汽车，其环保性、动力性以及高速性方面都不逊于汽油机，同时又具有柴油机特有的特性，市场前景十分看好。1.2.3 汽车发动机的构成发动机是一个由很多机构以及系统相互配合组成的复杂机器（如图1.1）。无论是汽油机还是柴油机；无论是四行程发动机还是二行程发动机；无论是单缸发动机还是多缸发动机。都必须要具备以下机构和系统，才能完成能量转换，实现工作循环，并且保证长时间的连续正常工作6。图1.1 汽车发动机示意图Fig.1.1 Schematic diagram of automobile engine.曲柄连杆机构 发动机实现工作循环，并且完成能量之间相互转换的主要运动部件是曲柄连杆机构(如图1.2)。曲柄连杆机构是由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等构成的。在做工的行程中，活塞需要承受巨大的燃气压力才能在气缸里作直线运动，通过连杆的转换，使曲轴来做旋转运动，并利用曲轴对外输出动力。而气缸在进气、压缩空气和排气的过程中，飞轮释放出能量并且把曲轴的旋转运动转化成为了活塞的直线运动。图1.2 发动机曲柄连杆机构Fig.1.2 Engine crank and connecting rod mechanism.配气机构 发动机配气机构（如图1.3）的作用是依据发动机的工作顺序和过程，来定时的开启和定时的关闭进气门以及排气门，使可燃性的混合气体或者空气进入气缸，并使燃烧产生的废气从气缸里排出，达到换气的目的。配气机构一般都采用顶置气门式配气机构，一般是由气门组、气门传动组和气门驱动组等构成。图1.3 发动机配气机构Fig.1.3 Engine valve mechanism3.燃料供给系统 发动机燃料供给系统（如图1.4）的功用是根据各个型号的发动机的具体要求，配制出符合要求数量和浓度的混合气，压入气缸中，并将燃烧后产生的废气从气缸内排出；柴油机的燃料供给系统是把柴油和空气分别供入气缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧，最后将燃烧后的废气排出。图1.4 发动机燃料供给系统Fig.1.4 Engine fuel supply system4.润滑系统 发动机润滑系统(如图1.5)的功用是润滑相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。并对零件表面进行清洗和冷却。润滑系通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。图1.5 发动机润滑系统Fig.1.5 Engine lu