汽汽 车车 发动机发动机 设设 计计 主讲：毕玉华主讲：毕玉华车辆工程系 汽车的发展与发动机的进步有着直接的联系。 发动机汽车的“心脏”车辆工程系 概念设计（概念设计（CADCAD和和CAECAE、数据库支持平台）数据库支持平台） 详细设计（产品设计和制造工艺并行详细设计（产品设计和制造工艺并行） CAECAE计算（计算（CADCAD和和CAECAE、数据库支持平台）数据库支持平台） 样件制造和采购样件制造和采购 样机装配样机装配 燃烧开发燃烧开发 机械开发和试验验证设计与机械开发和试验验证设计与CAECAE计算计算 发动机台架完整试验标定发动机台架完整试验标定 零部件功能试验零部件功能试验 发动机耐久试验验证发动机耐久试验验证 车辆和动力总成匹配和标定车辆和动力总成匹配和标定 批量生产产品技术支持批量生产产品技术支持 电控柴油机售后服务产品技术支持电控柴油机售后服务产品技术支持概念设计概念设计详细设计、详细设计、CAECAE总体布置总体布置样机制造和采购样机制造和采购发动机台架开发发动机台架开发车辆匹配和标定车辆匹配和标定批量生产批量生产 欧欧4、欧、欧5先进电控柴油机开发流程先进电控柴油机开发流程车辆工程系 性能开发 可靠性 开发 整车标定 产品设计 生产监控 技术培训/咨询 销售支持降低油耗提升功率优化燃烧室曲轴总成的强度测试曲轴总成的扭矩振动测试轴承强度测试设计气缸盖垫优化发动机的冷却系统降低发动机噪声 发动机的悬置发动机寿命评估发动机和交接点的耐久以及专门测试性能开发性能开发可靠性开发可靠性开发绘制发动机的所有参数曲线测定发动机曲线图发动机各单元功能与可靠性试验循环测试热循环测试低温工况测试整车标定整车标定发动机装车和匹配匹配标定试验建立匹配标定系统平台产品设计产品设计四气门缸盖设计产品设计方案样机技术文档编制开发样机设计组装 生产监控生产监控生产工艺设计生产过程中工艺问题的分析与解决模具/夹具等的设计发动机零件外部采购车辆零件外部采购生产线设计以及必要部件和零件设计组织生产线机械招标设备安装支持试运行技术支持质量控制系统开发技术支持技术培训技术培训/咨询咨询设计技术铸造技术其它专业技术 销售支持销售支持销售开发流程开发流程CAE分析计算集成到产品开发n 结构力学分析（有限元）n 非线性结构动力学计算 （多体动力学方法）n 声学计算n 热力学分析n 热传导分析n 流体动力学计算（CFD）n 发动机 / 整车匹配性能分析n 材料力学计算车辆工程系第三篇第三篇 发动机总体及主要零部件的设计发动机总体及主要零部件的设计（31课时）课时）第七章第七章 汽车发动机设计总论汽车发动机设计总论第八章第八章 发动机材科发动机材科第九章第九章 发动机的热负荷发动机的热负荷目目 录录车辆工程系第七章第七章 汽车发动机设计汽车发动机设计p 足够的功率足够的功率p 能在较宽的转速与负荷范围内稳定运转能在较宽的转速与负荷范围内稳定运转p 燃料和机油消耗少燃料和机油消耗少p 体积小、重量轻体积小、重量轻p 工作可靠，寿命长工作可靠，寿命长p 对环境的污染少，振动及噪声小对环境的污染少，振动及噪声小p 能适应多种使用条件，制造成本低，维修方便。能适应多种使用条件，制造成本低，维修方便。车辆工程系车辆工程系7.1.1 7.1.1 对汽车发动机的要求对汽车发动机的要求 排放量及排放量及噪声水平噪声水平 使用方便性使用方便性制造成本和制造成本和产品系列化产品系列化 可靠性和耐久性可靠性和耐久性 结构紧凑性结构紧凑性 燃料经济性燃料经济性 发动机动力性发动机动力性 汽车发动机汽车发动机的要求的要求车辆工程系车辆工程系发动机动力性发动机动力性n汽车发动机应有足够的功率n良好的扭矩特性n一定扭矩适应性系数和转速适应性系数 n发动机能平稳运转的转速范围 保证汽车的动力性(车速和牵引力)、加速性和克服突然增大的行驶阻力的能力，并应能迅速从怠速变换到全速全负荷。 车辆工程系车辆工程系燃料经济性燃料经济性n汽车方面（1）汽车的设计情况(轮胎、车身、传动系等)（2）保养情况、道路质量、（3）常用车速与载荷、空车率（4）驾驶方法车辆工程系燃料经济性燃料经济性n发动机方面（1）在发动机功率和前述种种汽车情况及使用情况相同的条件下，发动机万有特性上的最低耗油率越低，同时低耗油率工况区域又越宽阔则汽车的使用油耗越低。 （2）对同一汽车传动系来说，用较大功率的发动机可以得到较高的最高车速。 车辆工程系结构紧凑性结构紧凑性发动机的重量原材料消耗量汽车的自重使用油耗车辆工程系结构紧凑性结构紧凑性前置发动机的汽车 发动机的外形尺寸 发动机罩的高度 发动机的长度 发动机的宽度 车身外形的流线形驾驶员的视野有效装载面积 车架上的安装可能性 车辆工程系可靠性可靠性 n发动机的工作可靠性 指在设计规定的使用条件下能够持续工作，不致因故障而影响正常运行的能力。n在保证期内不发生故障的主要零部件 缸体、缸盖、曲轴、连杆、轴瓦、活塞、活塞销、活塞环、凸轮铀、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 车辆工程系耐久性或使用寿命 n发动机的耐久性或使用寿命 指发动机从开始使用到第一次大修之前累计运行的里程数或小时数，也就是发动机的大修期。 决定于气缸筒和曲轴的磨损速率，一旦磨损量大与一定程度，使得气缸压缩压力、漏气举和机油消耗率达到不能接受的水平。 车辆工程系排放量排放量 n定义 汽车发动机的有害排放物有co，Hc，No，Pb，碳烟和微粒。Pb是汽油机使用含Pb汽油时排放的，碳烟和微粒是柴油机排放的。实际上，微粒指的是排气中的固态及液态滤出物，其中包含了碳烟。n措施 自1970年以来各国先后以法令限制汽车发动机的有害排放量，这对汽车发动机的发展产生了很大的影响，因为必需采取多种措施降低有害排放量，同时又要补偿由此引起的功率和油耗损失。正是限制排放的严格规定促进了近年来电子控制汽油喷射与点火、三元催化转化、废气再循环等技术的发展。车辆工程系噪声要求 n要求 噪声对人身也有害。因此各发达国家对各类汽车的加速行驶噪声均有法规限制，力逐年加严。 例如欧共体1970年对各类汽车加速行驶噪声的限制为829ldB(分贝)。1985年为7580dB，我国日前规定1985年以后生产的车辆加速噪声不超过8289dB（轿车取下限，8吨以上货车取广限)。车辆工程系噪声要求n发动机中引起机件振动而产生噪声的来源有缸内气体燃烧过程中的压力升高进排气管系中气流的脉动冷却风扇鼓风在曲柄连杆机构、配气机构和传动机构运动中的机械撞击等等。 车辆工程系噪声要求n措施 要降低汽车噪声： 一靠适当的屏蔽； 二靠降低动力传动系的噪声其中主要是发动机噪声。车辆工程系使用方便性使用方便性（1）起动性能n汽车发动机应有良好的起动性能，通常要求汽油机在10、柴油机在一5的气温条件下，不采用特殊的低温起动措施就能迅速可靠地起动，在更低温度下利用辅助装置也能顺利起动。（2）安装性能n汽车发动机应便于安装、操纵和维修。（3）应不同的地理和气候条件车辆工程系制造成本和产品系列化制造成本和产品系列化 n制造成本方面与其重量、零部件数目、所用材料、附件等等有关，n另一方面又与其生产批量、制造工艺等有关。 一般说来只有在大批量生产的条件下成本才能显著降低，因此发动机产品的系列化和零部件的通用化就有了重要意义。 车辆工程系发动机的设计指标发动机的设计指标 n技术参数技术参数 与发动机的使用直接有关的参数与发动机的使用直接有关的参数(如功率、转速、重量、外形尺寸等如功率、转速、重量、外形尺寸等) n评价指标评价指标 比较不同发动机的强化程度和设计水平的参数比较不同发动机的强化程度和设计水平的参数(如平均有效压力、活塞平均速度、升功率、比重量、如平均有效压力、活塞平均速度、升功率、比重量、功率密度等功率密度等) 车辆工程系额定功率和升功率额定功率和升功率 （1）额定功率 发动机发出的功率与环境空气状态(压力、温度、湿度)以及台架试验时所带附件的多少有关。n实测有效功率 根据台架试验实测的扭距和曲轴转速数据计算出来的实际环境空气状态下的有效功率叫做实测有效功率；n校正有效功率 按主管部门颁行的标淮方法对实测有效功率进行标准大气状态修正所得出的功率是校正有效功率；车辆工程系额定功率和升功率额定功率和升功率 （1）额定功率 发动机发出的功率与环境空气状态(压力、温度、湿度)以及台架试验时所带附件的多少有关。n净功率 发动机带上全部附件(包括空气滤清器，汽车排气系，水冷却系的节温器、散热器、风扇和护风圈，发电机、调节器和蓄电池(柴油机可不带，曲轴箱通风装置，催化转化器等)时的校正有效功率叫做净功率；n总功率 而在不带催化转化器，并以试验室排气系代替汽车排气系以试验室冷却系代替水冷发动机自身冷却系，空气滤清器也可带可不带的条件下的校正有效功率叫做总功率。 车辆工程系额定功率和升功率额定功率和升功率（3）最大扭矩n最大扭矩是在总功率试验条件下得出的发动机外特性上扭矩最大点的扭矩，扭矩最大点的转速通常是给一个范围。（4）额定转速n车用汽油机的额定转速一般就规定在批量产品最大功率转速分散范围的下限。n确定柴油机的n就需要权衡动力性与燃料经济性、可靠性的矛盾。 车辆工程系车辆工程系车辆工程系车辆工程系 平均有效压力平均有效压力 nPe是一个工作循环中单位工作容积的有效功，它决定于一个工作循环中在单位工作容积里放出的热能和热能的有效利用率， 车辆工程系平均有效压力平均有效压力机械负荷的提高降低机械损失发动机热负荷改善发动机的工作过程提高Pe车辆工程系平均有效压力平均有效压力车辆工程系活塞平均速度 车辆工程系活塞平均速度nCm和Pen共同决定发动机的热负荷。nCm的提高还会使摩擦损失增大n活塞环缸套套的磨损加剧n噪声升级。车辆工程系汽油机与柴油机提高Cm的措施 n对于汽油机 Cm受进气系设计的限制。 汽油机的1216m/Sn对汽车柴油机 Cm的选择则要考虑混合气形成与燃烧方面的限制。并结合具体用途，在追求高升功率指标，还是追求低油耗和长寿命指标之间作出适当的折衷。 汽车柴油机的Cm多为1013m/S车辆工程系单位活塞面积功率和强化系数（1）单位活塞面积功率（2）强化系数 在有些文献里把PEnCm叫做发动机的强化系数。车辆工程系车辆工程系发动机的结构型式 n 汽油机和柴油机汽油机和柴油机 汽油机的主要优点是升功率高、比重量小、功率密度高，还具有低温起动性能好、工作柔和、噪声小、制造成本低等优点。 柴油机相对汽油机的主要优点则是： （1）燃料经济性好，不仅最低耗油率比般汽油机低1525，而且万有持性上的低油耗区宽阔，因此柴油车的使用油耗只是一般汽油车的三分之二左右； （2）柴油机的可靠性相耐久性高于汽油机，发生故障较少，大部分零件的使用寿命高于汽油机的相应零件； （3）柴油机可以采用较大的缸径或采用较高的增压比来提高单缸功率而汽油机的增压比和缸径的加大则受到容易发生爆震的限制。车辆工程系发动机的结构型式 n 汽油机和柴油机汽油机和柴油机 鉴于上述技术持性相我国近年来的燃料生产及分配情况以下的原则： （1）载重5吨以上的货车全部用柴油机； （2）载重2吨以下的轻型车全部用汽油机； （3）在中型车辆中，凡使用率高、低油耗带来的经济效益大的车辆，如长途客车和货车、城市公共汽车、农用运输车等要用柴油机；其它社会车辆用汽油机。车辆工程系发动机的结构型式 n二冲程机和四冲程机二冲程机和四冲程机 目前汽车用的二冲程机产品很少，但近年来不断有一些研制报导，并预测今后车用二冲程机有发展可能包括汽油喷射的二冲程汽油机，其燃料经济性会有提高。 摩托车因使用率低，对比重和制造成本的重视胜过燃料经济性要求，所以至大量使用着的二冲程汽油机。车辆工程系发动机的冷却方式发动机的冷却方式 n风冷机的主要缺点有： 由于机体无水套减振，风扇和导风罩的振动又大，故风冷机噪声较大； 风冷机风扇消耗功率比水冷机的风扇、水泵消耗的功率大些，前者约占发动机功率的68，后者约占45； 风冷机零件的热负荷较高，使平均有效压力的提高受限制，般要比其它条件相同的水冷机低5左有；同时也限制了风冷机的缸径(不大于150mm)和增压比； 由于采用大量铝合金件、单体气缸简和风扇一风道系统，风冷机成本较高； 因机油温度较高，时机油质量的要求提高，机油消耗率也较局； 由于温度波动较大和热能储存较少，汽车采暖成问题。车辆工程系发动机的冷却方式发动机的冷却方式 n风冷机的主要缺点有： 不需要水和防冻液，不存在漏水、积水垢、沸腾、结冰等问题们且适用于缺水地区； 机体温度较高，对环境温度的变化不敏感，能在一50至60高温工作； 由于缸壁温度较高，对燃料质量(包括含硫量)也不敏感； 起动后暖车时间短，有利于减轻缸筒磨损和Hc排放； 缸盖和缸筒是单体结构，对同系列不向缸数的发动机都一样， 受枪炮弹片的伤害小。车辆工程系发动机的冷却方式发动机的冷却方式 n 现有的四缸以上的汽车发动机大多数是水冷发动机，主要是考虑到价格、温度。n在沙漠和气候条件恶劣地区行驶的汽车以及军用汽车宜采用风冷发动机。n摩托车普遍采用小型单缸或双缸风冷机(用迎面风冷却)，取其简单相轻巧。 车辆工程系发动机的冷却方式发动机的冷却方式 n “无冷却”方案 只向活塞内壁喷射机油，对喷油器体也安排油流冷却。燃烧室表面(活塞顶面、缸盖底面、气门头表画和缸简壁面)覆盖陶瓷涂层，或用整块陶瓷制成缸盖底板和活塞顶。由于不强制冷却缸盖、缸体，以及由于陶瓷材料的导热性差，发动机冷却损失减少，而增多了的排气热能则通过废气涡轮增压或再加动力涡轮回收部分。n油冷方案 在气缸筒靠近缸盖的一段的周围油冷却，其高度只比活塞头部高度略大一些；在缸盖中排气门和喷油器之间的最热区也开有冷却油道；还有铸铁的铰接式活塞的内壁喷机油冷却；机体的其它部分都受强制冷却。由于只冷却最热区，机件的温度水平较高，但各处的温差却较小，热应力得到控制。这种油冷的增压柴油机也具有燃料消耗率较低、能适应多种燃料、以及取消水冷却系所带来的一系列好处(体积小、允许改善车身流线型、减少使用故障等等)。 车辆工程系增压与自然吸气增压与自然吸气 （1）增压的意义（2）增压的机型范围车辆工程系缸数与气缸排列方式缸数与气缸排列方式 选择缸数选择缸数 给定的给定的NeNe和和n n，可能达到的，可能达到的PePe和和CmCm，对外形尺寸的限制，对外形尺寸的限制，允许的振级和成本。允许的振级和成本。 现有各种汽车发动机最常见的缸数是现有各种汽车发动机最常见的缸数是4 4、6 6、8 8、1212，也，也有有2 2和和3(3(微型、轻型车微型、轻型车) )，5 5和和10(10(中型车中型车) )和和16(16(重型车重型车) )。n功率功率25kW25kW以下二、三、四缸的都有以下二、三、四缸的都有n功率为功率为2575kw2575kw的几乎全是四缸机的几乎全是四缸机n功率功率7550kW7550kW的有五缸机和六缸机的有五缸机和六缸机n功率功率150150一一200kW200kW，有六缸机和八缸机，六缸的居多；，有六缸机和八缸机，六缸的居多；n200200一一250kw250kw的有六、八和十缸机，八缸的居多；的有六、八和十缸机，八缸的居多；n250kw250kw以上有八、十和十二缸机。以上有八、十和十二缸机。车辆工程系缸数与气缸排列方式缸数与气缸排列方式车辆工程系汽油机的燃烧室型式与气门数目汽油机的燃烧室型式与气门数目 车辆工程系柴油机的燃烧室型式柴油机的燃烧室型式 n 汽车柴油机有用分隔燃烧室的，也有用直喷燃烧室的。n分隔燃烧室多为涡流室，较少预燃室n直喷室大多是形的。 车辆工程系发动机的主要结构参数 n行程缸径比 车辆工程系发动机的主要结构参数 n行程缸径比 车辆工程系发动机的主要结构参数 n行程缸径比 车辆工程系发动机的主要结构参数 n行程缸径比 车辆工程系发动机的主要结构参数n从提高升功率、降低发动机高度、减小V型机宽度、提高曲轴的强度和刚度考虑，宜取较小的SD；n而从改善热效率、减小轴承惯性力载荷、缩短单列式发动机长度相减小比重量考虑，则取较大的SD值。n目前车用汽油机的SD值多数在090105之间，n车用柴油机的SD值多数在10一12之间。V型机的SD值一般要比单列式机略小些。车辆工程系发动机的主要结构参数n 气缸数、气缸工作客积、缸径和活塞行程气缸数、气缸工作客积、缸径和活塞行程 车辆工程系发动机的主要结构参数n气缸中心距 车辆工程系车辆工程系