通用小型汽油机设计与开发技术研究

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1、1 天津内燃机研究所天津内燃机研究所 第一研究室第一研究室 林漫群林漫群 2006年年5月月 通用小型汽油机 设计与开发技术研究 通用小型汽油机 设计与开发技术研究 2 概述概述 1. 如何快速构建发动机主体尺寸 2. 细部尺寸统计规律 3. 如何合理寻求突破 4. 构建实验能力过程中的思考 5. CAD与CAE 3 1.如何快速构建发动机主体尺寸如何快速构建发动机主体尺寸 4 推荐推荐-基于统计构建发动机轮廓基于统计构建发动机轮廓 前人的设计经验具有非常重要的指导意 义，利用统计的方法可以指导我们在短时 间内构造新发动机的主题轮廓。 5 “测绘测绘”-双刃剑双刃剑 对原创者: 前期开发投入被

2、测绘者无偿占有,导致成本失利 同型产品争夺市场导致市场份额损失 测绘者 设计的精髓无法通过产品外形传递 测绘者因缺乏必要的”思考”而无法超越对手 6 建议设计思路建议设计思路借鉴前人经验借鉴前人经验 提出设计目标： 动力性、经济性； 排放； 用途特征； 参考样机：应参考多个品种的样机； 重新构建新发动机的主体结构： 排量 缸径/冲程 连杆长度 7 总体设计参数确定总体设计参数确定 由功率目标推算： 排量 缸径、行程 连杆长度 压缩比 干重 机油容积 8 示范示范 请设计一台四冲程发电机组 5kW/3600rpm 9 标定功率排量标定功率排量 标定功率排量 0 50 100 150 200 25

3、0 300 350 400 012345678 标定功率(kW) 排量（ml） 排量大约 230mL 10 升功率压缩比升功率压缩比 升功率压缩比 4 5 6 7 8 9 10 10152025303540 升功率(kW/L) 压缩比 压缩比 8.5 11 标定功率D/S标定功率D/S 标定功率-气缸直径/行程 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 12345678 标定功率(kw) 气缸直径/行程(mm) D/S大约 1.3 12 标定功率连杆长度标定功率连杆长度 标定功率连杆中心距 20 40 60 80 100 120 012345678 标定功率(

4、kW) 连杆中心距（mm） 连杆长度 88mm 13 标定功率干重（价格）标定功率干重（价格） 标定功率-干重 0 5 10 15 20 25 30 35 40 12345678 标定功率(kw) 干重(kg) 干重 20kg 14 主体结构尺寸小结（仅供参考）主体结构尺寸小结（仅供参考） 功率排量：估计排量约230mL 功率 D/S1.3 功率缸径：70mm 功率行程：53mm 功率连杆长度：88mm 功率压缩比：8.3 校验： 计算排量：231mL 与统计230mL基本一致 计算D/S1.321 与统计1.3相近 计算L/R=3.32 与统计3.4 接近，或可适度增大L至90mm 15 与

5、参考样机对比与参考样机对比 新发动机参考样机173F 标定功率/转速5.0kW / 3600rpm 5.1kw/3000rpm 缸径行程 （mm） 70 5373 58 排量（mL）230242 压缩比8.3 : 18.2 : 1 16 如何寻求突破如何寻求突破 17 发动机关键指标现状与分析发动机关键指标现状与分析 18 范例范例部分立轴发动机部分立轴发动机 实测数据分析实测数据分析 19 指示热效率偏低指示热效率偏低 机械效率按0.8计算 20 进气充量不足进气充量不足 21 升功率偏低升功率偏低 标定功率升功率 10 20 30 40 50 60 70 02468 标定功率(kW) 升功

6、率 1P68 CG125 22 平均有效压力pme是标志内燃机热力循环进行的有 效性及内燃机结构合理性和制造完善性最重要的指 标之一。pme值的不断提高，是内燃机技术发展的 重要标志。 平均有效压力 23 目前，各种现代化的内燃机的最大pme值的范围： 车用汽油机：0.91.3MPa 增压机型：1.21.5MPa 车用柴油机：0.71.0MPa 增压机型：0.91.5MPa 强化增压中冷柴油机：2MPa 返回 24 升功率平均有效压力升功率平均有效压力 升功率-平均有效压力 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 152025303540 升功率(kW/L) 平均有效压力(MPa) 车用汽油机

7、 25 活塞平均速度vm是表征活塞式内燃机工作强度最重要的参 数之一。 vm9m/s的内燃机为高速内燃机 vm=69m/s为中速内燃机 vm6m/s为低速内燃机。 vm对内燃机性能、工作可靠性能和使用寿命有很大关系。选择 新设计内燃机的活塞平均速度vm 这一参数必须极其慎重， 要以工作可靠的现有产品的数据为依据。随着vm的提高， 就有必要增大气门的有效流通面积，要创造在热负荷方面可 靠而结构轻巧的活塞组，要改进摩擦零件材料的质量，要规 定更高级别的加工精度，采取耐磨的表面处理等。 活塞平均速度 26 当前通机基本属于中低速发动机当前通机基本属于中低速发动机 标定功率活塞平均线速度 0 2 4

8、6 8 10 012345678 标定功率(kW) 活塞平均线速度(m/s) 27 功率密度功率密度 排量标定功率/干重 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 050100150200250300350400450 排量(ml) 标定功率/干重(kW/kg) 28 排量干重/标定功率 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 050100150200250300350400450 排量(ml) 干重/标定功率 (kg/kW) 排量(ml) 干重/标定功率 (kg/kW) 29 配气机构配气机构 凸轮型线设计凸轮型线设计 30 常用测绘手段常用测绘手段反靠反靠 原型凸轮原型凸轮“母母”凸轮（

9、靠模）凸轮（靠模）复制凸轮复制凸轮 31 测绘的凸轮型线不能直接用测绘的凸轮型线不能直接用 -5000 -3000 -1000 1000 3000 5000 0100200300400 曲轴转角(度) 排气凸轮加速度(m/s2) 32 实测气门位移推导的速度与加速度实测气门位移推导的速度与加速度 33 凸轮型线需要妥善拟合凸轮型线需要妥善拟合 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 090180270360 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 090180270360 曲轴转角（度） 位移(mm) / 速度(m/s) 曲轴

10、转角（度） 位移(mm) / 速度(m/s) -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 加速度(m/s2)加速度(m/s2) 实测值(mm)实测值(mm)拟合升程(mm)拟合升程(mm)拟合速度(m/s)拟合速度(m/s) 理论值理论值拟合加速度(m/s2)拟合加速度(m/s2) 34 4. 构建研发用途的实验能力构建研发用途的实验能力 35 研发通常需要哪些测试？研发通常需要哪些测试？ 常规台架常规测试能力 气体流量： 发动机进气流量测

11、量 冷却风流量 点火： 点火提前角 点火能量 空燃比 温度 压力 缸内压力：示功图 进排气压力 振动噪声 36 开发测试开发测试气体流量气体流量 37 进气充量进气充量如何选择流量计如何选择流量计 38 要注意不同流量计之间的差异要注意不同流量计之间的差异 39 注意校准测试仪器注意校准测试仪器 y = 0.8055x - 0.1089 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 05101520 层流流量(m3/h) 涡轮流量(m3/h) 40 冷却风流量测量冷却风流量测量 41 开发测量开发测量点火提前角点火提前角 42 电调节点火提前角的优势电调节点火提前角的优势 第一研究室

12、已经成功开发了适用于通机开发的电 调节点火提前角控制装置，该装置： 精度高； 便捷，只需在几秒钟的时间就可以在仪器面板上进行 设定和更改； 更改过程不必停机，大大减少了变更前后诸多点火提 前角以外的其他因素干扰； 不必通过机加工来制造飞轮样件，减少研发成本。 43 应用实例应用实例 44 案例案例 发动机使用点火调整装置点火正常启动发动机使用点火调整装置点火正常启动 测功机控制发动机在相同工况下运转测功机控制发动机在相同工况下运转 测量发动机的排放，空燃比，油耗，排气 温度等 测量发动机的排放，空燃比，油耗，排气 温度等 另外使用另外使用ONO SOKKI点火提前角仪实时监 控点火提前角的变化

13、 点火提前角仪实时监 控点火提前角的变化 45 应用实例应用实例 试验结果 300 350 400 450 500 550 600 650 700 10152025303540 点火提前角度（度） ppm 500 1000 1500 2000 2500 ppm NOX HC 46 应用实例应用实例 试验结果 燃油消耗量 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 10152025303540 点火提前角度（度） kg/h 燃油消耗量 47 应用实例应用实例 试验结果 120 130 140 150 10152025303540 点火提前角度（度） 缸盖温度 350 400 450 500 55

14、0 排温 垫片温度排气温度 48 应用实例应用实例 试验结果 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 10152025303540 点火提前角度（度） CO2 CO 49 被测发动机被测发动机 168F 排量：163cm 缸径行程6845mm 冷却方式：强制风冷 点火方式：电子点火 压缩比：8.5：1 50 改变点火提前角改变点火提前角 0 100 200 300 400 500 600 700 10152025303540 点火提前角 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8比油耗垫片温度 排气温度功率 51 总排放总排放CO 303 268 2

15、44 0 50 100 150 200 250 300 350 259025E1019-E10 CO (g/kWh) 52 总排放总排放THC 9.7 9.2 6.9 0 2 4 6 8 10 12 259025E1019-E10 HC (g/kWh) 53 总排放总排放NOx 4.7 6.3 4.7 0 1 2 3 4 5 6 7 259025E1019-E10 NOx (g/kWh) 54 开发测量开发测量噪声测试噪声测试 55 发电机组噪声测试环境发电机组噪声测试环境 56 割草机噪声测试环境割草机噪声测试环境 57 58 开发测量开发测量其他测试其他测试 59 燃烧分析手段燃烧分析手段 燃烧分析仪 ONNO SOKI CB566 Kistler A) Kistler 6117BFD16 - Measuring spark plug with resistor b) Kistler 5011B10 - Charge Amplifier 60 一室测功器覆盖一室测功器覆盖1.5300kW Engine Dynamometers (13) 1.5 kW 3 kW 5.5 kW (3) 7 kW (2) 11 kW (2) 15 kW 30 kW 120 kW 300 k