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1、第十一章 内燃机的概念设计,第一节 内燃机的设计要求 第二节 内燃机类型的选择 第三节 内燃机基本参数的选择 第四节 内燃机开发的程序与方法 第五节 内燃机主要零件设计要点 第六节 配气机构设计要点 第七节 润滑系、冷却系与起动系,第一节 内燃机的设计要求,一、动力性能要求 二、环境性能要求 三、燃料经济性要求 四、工作可靠性和使用耐久性要求 五、结构紧凑性要求 六、制造工艺性要求 七、使用性能要求,一、动力性能要求,内燃机功率、转速、使用转速范围、最大转矩及转矩特性应满足汽车或其他工作机械动力性的要求。对载货汽车发动机来说，功率要求取决于汽车总质量。汽车总质量越大，吨功率越小。总质量在5t以
2、上的中、重型载货汽车，吨功率一般在515kW/t；总质量在5t以下的轻型货车，吨功率可达1550kW/t。这是因为轻型货车主要用于市内，要求加速性好，并尽量少换挡，而重型车多作长途运输，工况较稳定。轿车发动机的功率主要取决于自身质量以及最高车速和加速性，其吨功率高达50100kW/t，此外应有优异的瞬态响应性。,二、环境性能要求,内燃机的环境性能必须满足法规要求。人们希望使用对环境尽可能友好的动力机械。对内燃机来说，主要是指有害污染物的排放和运转噪声等。车用内燃机由于量大面广，集中在人口稠密的城市，环境法规要求越来越严格，面临着越来越尖锐的技术挑战。其他用途的内燃机，也有类似的要求。,三、燃料
3、经济性要求,内燃机生命周期内所消耗燃料的价值，约比内燃机本身价值高两个数量级，因此节约内燃机的燃料消耗极为重要。燃料经济性的评价指标为燃料消耗率be，常用的有额定功率燃料消耗率ben、外特性最低燃料消耗率benmin和万有特性最低或全工况最低燃料消耗率bemin。对于发电等固定动力以及工程、农业用动力来说，内燃机的ben、benmin以及接近全负荷的燃料消耗率比较重要。对于车用内燃机来说，bemin以及负荷、转速更低工况下的燃料消耗率更加重要。为使汽车单位行驶里程油耗最低，不仅要求发动机bemin值低，还要求低油耗的工况范围大，其特性与汽车的要求匹配良好。所以，车用内燃机要特别注意部分负荷下和
4、低转速下的燃料经济性，以及在瞬态工况下的经济性。用功率较大的发动机可以使汽车有较好的加速性和较高的最高车速，但在大部分使用工况下，发动机的负荷率较低，加上大功率发动机自身质量较大，使汽车的实际使用油耗高于配小发动机的汽车。,四、工作可靠性和使用耐久性要求,内燃机应有尽可能高的工作可靠性和足够的使用耐久性。可靠性是指在规定的使用条件下能持续正常工作的能力，它是以保证期内的停机和不停机故障数、更换主要和非主要零件数作为考核指标的。一般要求在保证期内主要零件不损坏，不发生影响主要附件功能的事故。 内燃机的耐久性或使用寿命，是指到首次大修或完全报废为止累计运转小时数。通常用大修期表征内燃机的耐久性。目
5、前，车用内燃机的大修里程一般为2050万km，中、小型高速柴油机的大修寿命为5 00010 000h。,五、结构紧凑性要求,车用内燃机尤其轿车发动机，结构紧凑、自身质量轻十分重要。发动机高度决定轿车发动机罩的高度，因而影响车身外形的流线性和驾车者的视野。发动机的长度影响汽车的有效长度利用率。当发动机在汽车前部横置时，其长度还受轮距的限制。 内燃机本身的质量，关系到原材料的消耗，对制造成本影响很大。减轻发动机、汽车底盘和车身质量能增大汽车的有效负荷，改善整车的动力性和经济性。同时，轻巧的动力装置为优化汽车轴间负荷分配提供方便，有利于汽车的通过性和操纵性。,六、制造工艺性要求,内燃机要求好的制造工
6、艺性，制造成本低。中小功率内燃机由于用途广泛，多为大量生产。在大量生产的条件下，同种零件数的增加，除了材料成本外，其他费用增加不多。因此，必须努力追求内燃机产品的系列化和零部件的通用化。,七、使用性能要求,由于中、小功率内燃机被广泛使用，使用者的技术水平高低相差悬殊，使用方便性显得非常重要。尤其是轿车发动机，使用者大多是外行，更应做成“傻瓜型”。具体来说，车用内燃机应有良好的起动性能，轿车发动机还要求瞬态响应快速，运转平顺。需要在车上进行保养的机件(如各种滤清器、调整件、机油尺、加机油口、加水口、放水开关等)都应布置在易于接近的地方。对于电控内燃机，应有车载诊断系统帮助使用者找到故障的原因和排
7、除方法。,第二节 内燃机类型的选择,一、使用燃料的选择 二、冲程数的选择 三、冷却方式的选择 四、气缸数和气缸布置的选择 五、进气状态的选择,一、使用燃料的选择,鉴于汽油机和柴油机各自的优缺点，考虑到石油产品汽油和柴油的生产和使用平衡，通常轻型移动机具、摩托车、摩托艇、小轿车用汽油机作为动力是合理的。轻型货车和客车经常用与轿车发动机类似的发动机，所以也大多用汽油机作为动力。重型货车、大型客车则应用柴油机。农用运输车、工程机械、农业机械、铁路内燃机车、内燃电站、除摩托艇外的内燃机船舶都用柴油机驱动。 值得注意的是，全世界的汽车受节能要求的推动，日益向柴油化发展。尤其在石油稀缺的西欧，在小轿车上也
8、越来越多地应用柴油机，努力向着百公里3L油耗的目标前进。但是，除非石油加工工艺发生重大变革(提高柴油产出率)，轻型轿车领域汽油机占优势的地位近期尚不会改变。,二、冲程数的选择,在量大面广的中、小功率高速内燃机中，占优势的是四冲程内燃机，因为它与二冲程内燃机相比燃料经济性好，功率强化潜力大。二冲程内燃机的燃料和润滑油消耗较大，HC排放严重，怠速和小负荷工况运转不够稳定，活塞组和气缸热负荷较大，气缸上的气口影响工作可靠性和耐久性。二冲程机如用扫气泵导致结构复杂，噪声较大；如用回流扫气则很难保证良好的扫气效率。但是，二冲程机在同样转速下的做功频率比四冲程机高一倍，摩擦损失又小，升功率可高出50%70
9、%，而且输出转矩变化较平顺。实际上，用曲轴箱作为扫气泵通过气缸上的气口进行回流扫气的二冲程汽油机是结构最为简单的内燃机，因此在摩托车、摩托艇、喷雾机、割草机、锯木机等小型移动式装置上广泛应用。但近年来，为降低燃油和润滑油消耗，尤其为减少HC排放，小型二冲程汽油机有逐渐被四冲程机淘汰的趋势。目前，车用汽油机几乎全是四冲程的。对于中、小功率高速柴油机，宁可通过增压提高比功率，也几乎没有二冲程机的立足之地。,三、冷却方式的选择,液体冷却式内燃机冷却有效、均匀、稳定、强化潜力比空气冷却(简称风冷)式内燃机大，因此绝大多数内燃机都是液冷式的。在条件相同时，主要由于充量系数的差别，液冷机的功率比风冷机高5
10、%10%。风冷机气缸盖局部高热负荷区不易得到充分的冷却，影响了可靠性和耐久性。对汽油机来说，过热易引发爆燃，限制了压缩比的提高。所以，汽油机与风冷的相容性不如柴油机。大缸径或增压内燃机热负荷大，更不宜采用风冷。,四、气缸数和气缸布置的选择,内燃机的气缸数和气缸布置方式，对其结构紧凑性、外形尺寸比例、平衡性(表10-1)、单机功率、制造和使用成本等都有很大影响。在平均有效压力pme和活塞平均速度vm不变的前提下，气缸数越多(气缸尺寸越小)，升功率就越高。也就是说，多缸内燃机比较紧凑轻巧。同时，多缸机平衡性好，输出转矩均匀，飞轮尺寸较小，运转平顺，起动容易，瞬态响应快速。目前，除了摩托车类型的小排
11、量汽油机和小功率农用柴油机采用单缸机外，绝大多数内燃机都用多缸结构。小轿车和轻型车除最小排量的车型用2缸或3缸外，绝大多数用4缸机，少数高级轿车用6缸机，极少数豪华轿车用8缸机。,五、进气状态的选择,柴油机增压是提高p的最有效手段。涡轮增压结构简单，不仅可提高功率，而且由于利用了部分排气能量，提高了机械效率，燃油消耗也有一定改善，因而几乎成了唯一实用的增压方式。增压现已成为降低柴油机排放的重要技术措施，所以现代车用柴油机几乎都是涡轮增压型的。与自然吸气式柴油机相比，增压机的机械负荷和热负荷较高，但在现代技术背景下，可靠性与耐久性问题可设法解决。优化设计和优质材料已使P=1.5MPa、pmax=
12、20MPa的柴油机能可靠运转。空-空中冷器的应用，有效冷却的活塞组设计，再加上较大的空燃比，使热负荷问题得以较好解决。,第三节 内燃机基本参数的选择,一、平均有效压力pme 二、活塞平均速度vm 三、气缸直径D和气缸数i 四、行程缸径比S/D和活塞行程S 五、综合评价参数,一、平均有效压力pme,pme是标志内燃机热力循环进行的有效性、结构合理性和制造完善性的综合指标。pme与内燃机的重要动力性指标转矩成正比。pme值的不断提高，是内燃机技术发展的重要标志,二、活塞平均速度vm,v是表征活塞式内燃机工作强度的重要参数。内燃机一般按v高低分为高速、中速与低速三类。习惯上指v9m/s的为高速内燃机
13、，v=69m/s的为中速内燃机，v6m/s的为低速内燃机。v对内燃机性能、工作可靠性和使用寿命有很大关系,三、气缸直径D和气缸数i,D是活塞式内燃机最重要的尺寸参数。从式(11-1)可以看出，内燃机的功率Pe是与D成正比的。不难证明，在pme、v等参数不变条件下，D的大小不影响机械应力、变形和热负荷。但内燃机单位功率的质量(比质量)与D成正比，而相对磨损与D成反比。因此当D增大时，内燃机结构变得笨重，而寿命可能延长。,四、行程缸径比S/D和活塞行程S,1. S/D对升功率PL的影响 2. S/D对燃烧室形状的影响 3. S/D对散热的影响 4. S/D对外形尺寸的影响,1. S/D对升功率PL
14、的影响,当vm不变时，S/D减小意味着n上升，因而与n成正比的PL跟着增大，使内燃机更加紧凑轻巧。但当n不是受限于vm而受限于其他因素不能随S/D的下降而升高时，上述结论便不能成立。例如，柴油机的燃烧过程往往受n制约，而与vm无关，所以柴油机往往不利用减小S/D进行强化。,2. S/D对燃烧室形状的影响,S/D小的短行程内燃机气缸余隙比较扁平，对压缩比高的柴油机尤其如此，使燃烧室有效容积比减小，燃烧过程较难组织。对汽油机来说，短行程机的燃烧室也显得不紧凑，燃烧较慢，且HC排放较高。,3. S/D对散热的影响,在其他相同的条件下，S/D下降使D增大，使得传到气缸冷却水套的热量减少，活塞组零件的温
15、度上升。风冷柴油机的研究表明，当S/D=1时，总散热量的2/3由气缸盖传出，1/3由气缸筒传出；而当S/D=1.5时恰恰相反。在气缸筒上布置足够的散热片不难，但在气缸盖上则要困难得多，所以，风冷内燃机尤其不宜采用短行程结构。,4. S/D对外形尺寸的影响,单列式内燃机的总长度主要取决于i和D，所以S/D小的短行程内燃机总长度较大。虽然它高度较小，但这一优点不太明显。因此，单列式内燃机应该用较大的S/D。对双列式内燃机来说，总长度一般取决于曲轴的轴向尺寸，气缸布置比较宽松，所以用短行程结构可以减小内燃机的高度和宽度而不牺牲总长度，获得总体上更好的紧凑性。,五、综合评价参数,内燃机的外形尺寸表征其
16、紧凑性。对车用内燃机来说，外形尺寸和形状应与车辆的总布置相配合才能进行确切的评价，单用外形尺寸(长宽高)表征紧凑性并不全面。初步评价内燃机的体积紧凑性可用V0和VL这两个指标。,第四节 内燃机开发的程序与方法,一、方案设计阶段 二、技术设计阶段 三、样机试制和调试阶段 四、鉴定和投产阶段,第四节 内燃机开发的程序与方法,图11-1 大批量生产的新型内燃机开发过程的典型流程,一、方案设计阶段,首先要进行仔细的调研和论证，明确新产品开发的必要性、可能性及其开发目标、主要技术经济指标、结构形式、进度计划等。,二、技术设计阶段,在技术设计阶段对选定的方案设计进行细化，以最终确定内燃机的总布置设计，完成所有零部件的结构设计和施工设计，选配好所有附件，完成全套图样和设计说明书、计算书等技术文件。 内燃机的总布置设计要绘制一系列总图，即纵、横剖视图，各向视图和重要的局部剖视图，局部视图。在这些图中应能显示内燃机的主要零部件(如活塞连杆组、曲轴飞轮组、机体和气缸盖等)的结构；显示所有辅助系统和附件(如供油、润滑、冷却、起动系部件，进排气管、增压器等)，以及由内燃机驱动的液压泵、真空
