发动机相关部件设计论发动机相关部件设计论胡景彦 钱江摩托股份有限公司 13396767913 机械专业摘要摘要: :在钱江摩托发动机研究所发动机相关设计工作中，主要从事发动机和性能相关方面分 析改进，发动机方面工作内容有进排气管路和气门正时改进设计、发动机冷却水套设计、 气道、燃烧室分析设计改进、发动机与整车性能匹配。对工作中涉及的这些方面都有不同 的体会和感触，下面主要从这些方面叙述说明。前言前言: :发动机是机车的心脏，机车的行驶速度、加速性、爬坡性、牵引力决定于发动机；机 车常见的故障大部分来自源于发动机；机车的燃料经济性和经常费用也主要决定于发动机， 由此可见发动机在设计中的中要地位。这就要求我们从事发动机设计工作的技术人员在发 动机设计中每个环节都要仔细考虑斟酌，发动机作为机车基础设计，对机车的后期设计好 坏起决定性作用。本论文主要从上面提到的发动机设计的几个方面着手，论述发动机各方 面设计的手段、方法、侧重点及成果。关键词关键词: :AVL 软件 发动机 进排气燃烧系统 配气机构 传动系统 性能匹配发动机进排气管路和气门正时改进设计、发动机冷却水套、气道、燃烧室分析设计改 进这些都属于发动机部件设计工作中的关键部分，可以归结到一起论述，但发动机冷却水 套只有针对于水冷机，所以这里水套的设计单独论证，下面以本厂一款主要从进排气管路、 气门正时、气道、燃烧室这四个方面阐述发动机设计中的手段和方法: 1.1.原机分析原机分析 1.11.1 整体性能分析整体性能分析根据实验结果计算出原机最大 IMEP=11.8bar，相对于现今技术水平，此值偏低。 1.21.2 缸头进气道测试分析缸头进气道测试分析测试结果显示进气道最大流量系数 0.53,比认为理想值 0.7 差距比较大,说明原机进气 气道有很大的改进余地。而且进气道是最关键部件之一，进气道流通性能好坏对性能影响 很大，气道是改进的基础和前提，配合新气道进气管、化油器、凸轮也作相应改进。 1.31.3 压缩比测试分析压缩比测试分析 原机是 80 年代的发动机，压缩比不高，但是燃油使用要求很低，最好的也就是 87#汽油， 而现在燃油的质量和牌号都相应提高了，抗暴性增强了，压缩比也要提高。而且原机燃烧 室无挤气面积，提高压缩比的同时加大挤气面积，可以提高爆发压力和产生大量的给气流， 可以进一步来提高燃烧速度，从而提升燃烧效率。尤其使发动机低速时燃烧恶劣的现象得 到很大的缓解和优化。 原机分析总结:由原机各项指标测试计算结果可得出，原机 IMEP 偏低，缸头流量系数偏小，压缩比也 偏小，说明原机有很大改进余地，下面就从气道、凸轮、进气管、化油器和压缩比这些方 面对原机改进计算，提出改进目标。 2.2. 进气道分析改进进气道分析改进提高中高速功率，主要途径是提高中高速的充量系数。即加大此转速段的进气质量， 同时由于中高转速下进气道的流通能力对充量系数影响明显，所以着手分析改进进气 道。气道的分析改进主要以 AVL-FIRE 软件计算辅助工具，结合实际经验要求进行。 2.12.1 原气道分析计算原气道分析计算 2.1.1 计算模型如下实测原气道最大流量系数 0.53 2.1.2 FIRE 软件对其建模并进行三维稳态的流动计算后的速度剖面图 2.1.3 原气道计算结果 上图圆圈处就是气体进入气缸的流动分离剧烈的地方，由于流动分离，使得气门与座 圈之间的空间没有得到完全利用，结果显示流量系数只有 0.55(实测 0.53)，当量流动 面积只有 240mm2，这对于高速的进气是十分不利的。对原气道的改进包括增大气门座 直径和优化气道的形状两方面进行。 2.22.2 改进的新气道分析计算改进的新气道分析计算 2.2.1 计算模型如下 模型采用 PROE 造型得到，PROE 造型产生的文件名称为.prt 文件，在调入前要进行相关处 理，升程.stl 文件，.prt 生成.stl 前要设置玄高和角度，这个步骤很关键，设计工作者 在取值时一定要注意，一般推荐取值角度最小，玄高取 0.001mm，计算模型的质量也有要 求，质量越好，形状越接近实际，计算出的结果精度越高，计算出的结果越可信，设计工 作者在计算时一定要把这个工作做得更细更精确。因为这项工作关系到设计与实际的对应 程度，要达到理论指导实际，必须让理论计算的模型贴近实际模型。2.2.2 FIRE 软件对其建模并进行三维稳态的流动计算后的速度剖面图 2.2.3 新改进气道计算结果 显然气道改进后，流动分离区消除了。结果显示气道流动的当量面积由原来的 240 mm2 增大到了 330 mm2，增大了 33%。随着气门直径加大，气门升程高度也要加大， 气道流通性变好，气门正时角度及时面值都可以又更好的调节空间，可以得到更大的 进气量，即发动机的容积效率水平可以提升更高。大量的事实已经证明了这一点。气 道的改进也是发动机改进的关键之一，是其它配气部件改进的前提和基础。 2.2.4 气道改进前后流量系数对比（实测值）注参考直径:原机取 23.5mm 新气道 25.6mm 气道改进分析总结：气道的改进主要是改进气道流通性能，尽量减少流动中的压力损失，对于特殊要求的 低速机当然还要考虑气道对燃烧组织气流的影响，这时就还要计算分析气道的滚流作用， 这里主要是提升中高速性能，对于滚流比的要求可以放松很多，不必要在进行特意的计算 和分析。气道的改进要根据发动机适用场合而定，即要了解发动机转速使用范围，对发动 机使用和功能了解的越透彻设计出的气道才越有针对性。另外，气道的设计是其它设计部 件的开端，其设计的好坏直接关系到发动机其他进排气部件设计提升空间，直接影响到发 动机性能水平。气道的设计尤为重要。 3.3. 凸轮设计分析改进凸轮设计分析改进 3.13.1 凸轮设计改进方法凸轮设计改进方法 凸轮匹配的首要条件是要计算出相对应的最佳正时及配气相位角度，再通过气门正时及摇 臂装配位置来反推凸轮型线，当然也要同时对凸轮型线校正，看 “力”满足情况。气门正 时曲线根据改进后新气道，采用 AVL BOOST 软件优化计算得到，优化的气门升程再用 AVL TYCON 软件匹配凸轮，分析“力”。 3.23.2 凸轮改进过程凸轮改进过程 3.2.1 BOOST 建模这个模型就代表一台发动机，各个元件分别代表发动机各个部分。 3.2.2 模拟计算匹配原机性能上面匹配是校验 BOOST 计算模型与实际发动机的一致性。 由上面数据可以看出，计算与实测外特性的误差都在 5%之内，计算与实测外特性匹配很好， 可以用此计算模型来模拟优化发动机性能。也就是说这个模型完全可以代替实际中的发动 机。 3.2.3 优化气门升程 原机最大气门升程 6.75mm，分析新气道，新气道流通性大幅度提升，再采用原来的气门升 程就偏小了，一般有一个很经验的气门最大升程选择公式Hv = Dv * 0.28 Hv-气门升程 Dv-气门直径 此发动机进气门直径为 29mm，大致计算取得最大进气升程为 8mm，最佳的气门正时曲线及 相位角度由 BOOST 软件进行系列计算确定。 优化气门升程与原机气门升程对比进气道流通性与改进后的进气正时配合，大大增加了发动机进气量，为了使发动机废气排 放量也同样增大，排气门升程设计偏大，也设计成为 8mm。这样才会是进排气量同时的增 加达到发动机性能更佳优化。3.2.3 优化 LIFT 前后发动机性能对比修 修 修 修 修 修 修 修 修 9500rpm修0123456789Liftmm0.0120.0140.0160.0180.020.0220.0240.0260.028 times排 排 mm排 排 mm修 修 修 修 修 修 修 修 9500rpm修050010001500200025003000350040004500Seat ForceN0.0120.0140.0160.0180.020.0220.0240.0260.028 times排 排 N排 排 N修 修 修 修 修 修 修 修 修 修 修 修 9500rpm)012345678Liftmm0.0140.0160.0180.020.0220.0240.0260.0280.03 times排 排 mm排 排 mm3.2.4 匹配校核优化的气门升程使用 AVL TYCON 软件对计算后的气门正时进行凸轮匹配分析，匹配出凸轮型线，再对凸 轮型线进行“力”校核，最终微调出满足要求的凸轮型线，之后再转化成气门升程曲线， 再采用发动机性能分析软件 BOOST 对微调后的气门正时进行性能模拟分析。 动态分析如下：经分析此气门升程匹配出的凸轮型线不能满足要求，存在严重的气门反跳，需要对气门正 时曲线进行修改，修改气门升程曲线，匹配相应凸轮后的动态校核如下：修 修 修 修 修 修 修 修 修 修 修 9500rpm修0100200300400500600700800Seat ForceN0.0140.0160.0180.020.0220.0240.0260.0280.03 times排 排 N排 排 N修改后的气门升程匹配出的凸轮型线基本满足要求，可以进行生产加工后，进行试验验 证。修改后气门升程与原 boost 提供气门升程对比：修改后的气门升程匹配的凸轮满足要求，还要对该凸轮匹配出的气门正时曲线进行发动机 性能校核，用修改的 LIFT 计算发动机性能4.4. 进气管化油器改进进气管化油器改进 根据新进气道的结构尺寸参数，对进气管、化油器作相应改进。因进气道入口(与化油器连 接处)直径由原来的 24mm 改为 26mm，为减小此处进气阻力，把进气管直径由原来的 24mm 也改为 26mm。同理，化油器由原来的 PD24 改为 PD26(喉管也相应加大)。这些管路改进的 方法就是以气道尺寸为基准，在管路设计上做依次延伸，要保证连接处无台阶，管路产生 的压力损失尽量小。 进气管化油器改进前后外特性对比：5.5. 提高压缩比提高压缩比 原机压缩比是 9.2，改进燃烧室形状(减小燃烧室容积)，使压缩比提高到 10.2,现在普遍民 用摩托车普遍使用的燃油是 90#，相对于以前抗暴性更好，压缩比加大后爆震的危险性几 乎没有提升。而且压缩比加大对发动机性能提升起到进一步贡献作用。 提高压缩比后计算性能对比 与上一步改进后比较容积效率几乎不变，说明压缩比的提升主要是提升发动机燃烧效率。6.6. 计算与实验结果对比计算与实验结果对比 6.16.1 性能对比曲线如下性能对比曲线如下6.26.2 计算与实验结果对比分析计算与实验结果对比分析 计算与实验容积效率比较接近，但实验结果低速扭矩偏大，高速功率偏小 。原因：实际中 低速燃烧效率有所提升(燃烧分析实验)，压缩比加大，高速机械效率有所下降(摩擦功实验)。 而在 BOOST 计算中燃烧参数始终没有变化，FMEP 也没有改变。 实验油耗率：(290295)g/kWh(60007000rpm)。7.7. 总结总结 计算与实验结果基本相同，改进后的发动机性能完全达到改进任务目标。BOOST:对发动机性能准确预计；TYCON:对配气机构进行了方便准确的动态校核；FIRE:对气道评价分析更方便直观，对气道改进指明方向。 性能分析改进的方法主要是利用工作实践经验和发动机性能相关设计辅助软件进行，我目 前应用的发动机性能分析软件是比较专业的，国内外知名，经过数十年世界各个汽车、摩 托车行业认可应用，从事发动机性能分析的主要是其中一个 BOOST 软件，我公司从 2003 年 够进该软件，2004 年正式应用于设计分析工作中。软件的操作应用是很方便简单的，主要 是实践和经验的紧密结合，2004 年我们对发动机性能分析改进还处于初期摸索阶段，对发 动机性能的认识还不是很深入，这段时间我们主要以试验为主，计算分析不断的验证试验 的结果和实际中的想法，这个阶段主要是总结实践