袁兆成 内燃机设计

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1、内燃机设计,吉林大学汽车学院 热能与动力专业 袁兆成 主讲,内燃机设计,第一章 内燃机设计总论,第二章 曲柄连杆机构受力分析,第三章 内燃机的平衡,第四章 曲轴系统的扭转振动,第五章 配气机构设计,第六章 曲轴飞轮组设计,第七章 连杆组设计,第八章 活塞组设计,第九章 内燃机滑动轴承设计,第十章 机体与缸盖设计,第十一章 内燃机冷却与润滑系设计,第一章 内燃机设计总论,第一节 内燃机设计的一般流程,第二节 内燃机的主要设计指标,第四节 内燃机主要参数的选择,第五节 发动机设计的发展,第三节 内燃机的选型,返回开始,第一章 内燃机设计总论,第一节 内燃机设计的一般流程 一、计划阶段 此阶段由下述

2、环节组成： 1. 确定任务 主要是根据市场需要和法规需要 (进行必要性、可行性论证)，这个环节应该是企业产品规划中确定的，有长期规划，也有短期规划。 2. 组织设计组根据任务挑选合适人选 人员结构合理 技术结构合理,3. 调查研究 a 访问市场和用户，征求对产品的要求 b 了解制造厂的工艺条件、设备能力以及配件供应情况 c 收集同类先进产品的资料，考察同类产品 d 确定参考样机 4. 确定基本性能参数和结构形式（概念设计阶段）。 主要是通过: 同类型机型对比、 热力学计算、 动力学计算和整机一维模型仿真分析。,5拟订设计任务书 说明产品的原因、用途、适用范围等 说明内燃机的主要设计参数和要达到

3、的技术指标 如：a. 型式（汽或柴）、气门数、直立或卧式 b. 冲程数 （4 或 2）、缸径D、冲程S c. 冷却方式（水 或 风） d. 汽缸排列方式 （直列、V型） e. 功率Ne、转速n、扭矩M f. 燃油消耗率ge(克/千瓦.小时) g. 机油消耗率gm(克/千瓦.小时) h. 大修期、保用期、一般大修期是保用期的2倍 i. 重量和外型尺寸与用途有关（大车、小车、固定） j. 排污指标（噪声、废气） k. 平均有效压力 pme l. 活塞平均速度Cm . 主要结构说明 燃烧室、零部件（活塞连杆、曲轴飞轮、机体缸盖、配气机构、供油润滑、冷却、起动） . 产品系列化和变型、强化的可能性,二

4、、设计实施阶段 1. 内燃机总布置设计，确定主要零部件的允许运动尺寸、结构方案、,三维实体造型和虚拟装配、外形图。,2. 按照企业标准编制零部件图纸目录。 3. 部件三维图细致设计、零部件工作图、纵横剖面图。,桑塔纳1.6升轿车汽油机,Audi轿车汽油机,平分式铸铁机体整体气缸汽油机,6110柴油机,龙门式机体轻型柴油机,图 18 奔驰增压汽油机,采用双轴平衡机构的1.8L奥迪FSI发动机横剖面,大众V10 TDI 柴油机横剖面,三、检验阶段 1. 试制多缸机样机 2. 多缸机试验（磨合、调整、性能试验、耐久试验、可靠性试验、配套试验和扩大用户试验） 3. 改进与处理阶段 a. 样机鉴定. b

5、. 小批量生产 4. 内燃机设计的“三化” a. 产品系列化：基本尺寸相同，不同的排列、缸数、增压度，达到提高Pe b. 零部件通用化：同一系列的主要零件能够通用。 c. 零件设计标准化：按照国标、部标或企标设计 “三化”可以提高产品的质量、减少设计成本、组织专业化生产、提高劳动生产率、便于使用、维修和配件供应,四、改进与处理阶段 1样机鉴定与改进. 在总结了单缸机试验 、多缸机试制、样机性能试验和用户配套实验的基础上，往往要进行多方面的综合改进和进一步的试验观察，然后由企业或者地方主管部门组织新厂品鉴定。鉴定时设计和试制单位要提供下列文件： 设计任务书 内燃机研发试制总结 内燃机动力性、经济

6、性、耐久性、排放特性、噪声水平等性能试验报告 内燃机生产产量成本盈亏分析 零部件标准审查报告 市场需求预测分析 用户使用报告 单缸机试验,2小批量生产和扩大用户试验,内燃机是一个十分复杂的技术系统，涉及到水、油、气的流动与密封； 工质燃烧、做功与传热； 机械传动等多个复杂的物理和化学过程， 用户的要求和使用工况变化非常大，因此必须经过小批量生产和逐步扩大用户使用试验，经过严密的设计完善和严格的生产工艺调整，才能最终进行正式商业化生产。,本章开始,第二节 内燃机的主要设计指标 一、动力性指标 1. 功率Pe 式中 Pme 平均有效压力（MPa），Vm活塞平均速度（m/s），Vh气缸排量(L)，Z

7、气缸数，n 转速（r/min），D气缸直径（mm），冲程数，四冲程=4，二冲程=2。 可见，有效功率Pe受到上面各参数的影响。在设计转速和结构参数基本确定下来之后，影响有效功率的主要参数就是平均有效压力。,2. 转速 n n 增加 对提高 Pe有利，但是转速增加后： 惯性力 ，导致负荷增加，平衡、振动问题突出，噪音增加； . 工作频率增加热负荷增加； . 摩擦损失增加，导致 m 下降、ge 升高、磨损加剧，寿命缩短； . 进排气系统阻力增加 ，使v 变小； 内燃机转速范围 1000转/分以上为高速、3001000转/分为中速、300转以下为低速。 发电机组内燃机受电网频率和磁极对数的限制，转速

8、应为 f 电网频率（50Hz）, P发电机磁极对数。,3. 最大扭矩Memax 及 nMe 扭矩适应性系数 转速适应性系数 总适应系数 =mn 随用途而有不同的要求。,二、经济性指标 1.燃油消耗率 ge (克/千瓦小时) 降低 ge的措施： 提高 i 和m 车用汽油机 260-400 车用柴油机 200260 2.机油消耗率 gm (克/千瓦小时) 1.32.6 克/千瓦小时 三、耐久性、可靠性指标 可靠性在规定的运转条件下，规定的时间内，具有持续工作，不会因为故障而影响正常运转的能力。 耐久性从开始使用起到大修期的时间。 四、重量、尺寸、外形指标 是评价设计的紧凑性和金属利用程度的指标。

9、比重量 gw=G/Pe(kg/kw)； 体积功率 Pv=Pe/V(kw/m3),五、低公害指标 1. 噪音 内燃机噪音分为： 燃烧噪音、进排气噪音和 机械噪音,2. 排污 CO破坏人体的输氧能力，麻痹呼吸器官 HC破坏呼吸系统 NOx与水蒸气混合，在肺部生成稀硝酸。,六、制造、使用、维护指标,1）高的动力性能。功率、扭矩、使用转速范围，均适合于工作机 械的需要。 2) 高的燃料经济性。汽车发动机还必须注意部分负荷和不稳定工况下的经济性，还要求燃油经济区尽可能宽，这在混合动力中尤为重要。 3) 高的工作可靠性和足够的使用寿命。现代内燃机寿命指标较先进的大致为： 汽车内燃机 4080万公里； 拖拉

10、机及农用内燃机 600010000小时； 工程机械用内燃机 1000028000小时。 4）对于汽车用内燃机，还要求尽量低的振动和噪声，也就是所说的NVH（Noise、Vibration and Harshness）性能。,本章开始,第三节 内燃机的选型 一、柴油机、汽油机或气体燃料发动机 现在广泛使用的内燃机主要是柴油机、汽油机和气体燃料发动机。在选择内燃机时首先碰到的问题就是选择什么内燃机。 从两方面考虑 内燃机本身的技术经济特点和市场需求。 地区或国家对环境和能源应用分布的要求。,柴油机： 燃料经济性好； 工作可靠性和耐久性好，因为没有点火系统； 可以通过增压、扩缸来增加功率； 防火安全

11、性好，柴油挥发性差； CO和HC的排放比汽油机少。 汽油机： 空气利用率高，转速高，因而升功率高。化油器式的过量空气系数较高，在1.1左右，电控喷射要求=1； 因为没有柴油机喷油系统的精密偶件，制造成本低； 低温起动性、加速性好，噪音低； 由于升功率高，最高燃烧压力低，所以结构轻巧，比质量小（一般只有柴油机的一半重量）； 不冒黑烟，颗粒排放少。 目前来讲，柴油机的优点就是汽油机的缺点，反之亦然。,燃气发动机： 气体燃料发动机主要使用压缩天然气（Compressed Natural GasCNG）、液化天然气（Liquified Natural GasLNG）、液化石油气（Liquified P

12、etrol GasLPG）。 可以汽油/LPG、汽油/天然气切换（Bi-fuel两用燃料）或天然气/柴油混合（Dual Fuel双燃料），也可以单独使用； 辛烷值超过100，单独使用时可以提高压缩比以保证功率不损失； 排放指标比较低、不冒黑烟； 一般情况下使用经济性较好，价格也比汽油便宜； 可以节省石油资源； 燃料供给采用多点电控喷射才能使混和气比较均匀。 一般，6吨以上用柴油机，3-6吨混用，3吨以下汽油机居多，燃气则有较宽的使用范围。但是燃气汽车续航里程短，大部分地区加气站不如汽、柴油加油站分布广泛，所以燃气汽车多用于城市公交车、城市出租车。,二、冲程 四冲程：使用可靠，工作柔和，耐磨，经

13、济性好，指标稳定，生 产、使用经验丰富； 二冲程：单位时间内工作循环多一倍，实际功率输出大5070%，体积小，重量轻，结构简单，但经济性差。 三、冷却形式 水冷： 1. 冷却均匀效果好； 2.v 大，pe大； 3.受外界影响小; 4.噪音低. 风冷： 1. 散热不好，热负荷高，油嘴易堵，机油易变稀，磨损大； 2. 可在沙漠等缺水地带使用，无冻裂； 3. 噪音大，因为无水套吸音； 4. 铸造困难； 5. 冷却系结构简单，无漏水； 6. 单体结构，维修成本低。,四、气缸的布置 主要由发动机的使用环境决定。 单列：结构简单，使用维修方便。 双列：在增加功率，提高车厢面积有效利用要求下，趋向采用双列，

14、双列有V型、错缸型（缸心线平行和缸心线不平行两种） 卧式：可布置在底盘中部或后部，大幅度降低高度，改善面积利用率，开阔视野，提高了操纵性、机动性。,本章开始,第四节 内燃机主要参数的选择 一、平均有效压力 pme Hu燃料低热值， s 进口状态下空气密度， l0理论空气量 提高pme的途径： 1. v , 采用合理的进气系统，合理的配气机构（相位、型线、多气门） 2. i , ， 传热损失（绝热活塞、绝热气缸），加强燃烧室密封 3. m ，减小配合间隙，选择摩擦材料，提高工艺水平。 柴油机还要注意燃油系统的调整，使1；采用增压提高空气密度。当然，增压会带来： 机械负荷增加机械应力增加 热负荷增

15、加 热应力增加 应从结构、冷却、加工、材料等方面加以保证。,二、活塞平均速度 Vm是表征发动机强化程度的主要参数 Vm可以使平均有效压力Pe增加，但是Vm的副作用是： 1摩擦损失增加，导致热负荷增加、机油承载能力下降、发动机寿命降低。 2惯性力增加，导致机械负荷和机械振动加剧、机械效率降低。 3进排气流速增加，导致进气阻力增加、充气效率v下降。 一般 汽油机 柴油机,三、气缸直径和缸数 气缸直径 D 加大，Pe 以平方的速度增加。但是惯性力也增加明显，导致振动和机械负荷加剧。 缸数Z增加，Pe线性提高，发动机长度加大，平衡性改善。,气缸直径改变之后，要做如下必要的工作： 计算气缸工作容积。 计

16、算标定功率和标定转速下的扭矩Me。利用表（1-2）估算最大扭矩Memax和对应转速。 压缩比验算和调整、燃烧室重新设计。 工作过程计算。 重新选配活塞组零件，计算活塞组质量。 确定是够需要改变气门直径和气门最大升程，是够需要重新设计凸轮型线。 重新曲轴平衡分析、重新设计曲轴的平衡块及布置。 进行曲柄连杆机构动力计算，计算活塞侧向力、连杆力、切向力、径向力和单缸扭矩，计算轴颈积累扭矩。 连杆轴承表面压力校核。 曲轴系统的扭转振动计算以确定是否要重新匹配减振措施。 冷却水流动和散热能力计算分析。,四 、行程S 行程S增加，可以提高Pe，但活塞平均速度Cm提高，有磨损加速、寿命降低等问题。一般S的变化主要用于： 1调节整机排量