汽车内燃机设计(教案初稿)

内燃机设计讲稿 第一章 内燃机设计总论 内燃机设计必须根据具体的用途，从内燃机的设计要求和设计指标出发，按一定的设计试制过程及方法进行。在设计工作中，最重要的是总体设计，既首先进行正确选型，确定主要结构参数与总布置，然后进行主要零部件与辅助系统的具体设计。本章主要介绍内燃机的设计要求、设计指标、设计试制过程与一般设计方法，以及内燃机零件强度计算的基础知识。 第一节 内燃机主要设计要求、设计指标与一般设计方法 一、内燃机的设计要求 内燃机的设计应满足使用和制造方面的一系列要求。这些要求是：动力性满足使用要求；燃油及机油消耗率要低；工作应安全可靠，寿命要长；外形尺寸小，重量应轻；工作适应性好；起动应迅速可靠；使用维修应简便；排放污染应少，噪声要小；工艺性好，制造应方便；造价应低廉等。 事实上，一台内燃机要满足上述所以要求是很困难的。因为其中有些要求相互矛盾。同时，内燃机具体用途不同，这些要求的重要性也不相同。因此，必须根据内燃机的具体胜任，在得保证主要设计要求前提下，尽量满足其它要求。 （一）汽车、拖拉机等车用内燃机的设计要求 车辆内燃机是车辆的心脏，车辆性能的好坏，在很大程度上决定于内燃机的优良与否。 这些内燃机的共同特点，都是大批量生产，功率范围和结构布置都比较相近，在结构设计和总布置设计时，许多考虑都是共同的。 要求尽可能采用一般钢材，零部件的工艺性要好，要适合于大量生产。附属系统（供油系、起动机、三滤、散热器等），往往都是专业化生产的，就更符合“三化”（产品系列化、零部件通用化、零件设计标准化）的现实，并根据工作情况的需要改变其标定功率、标定转速，同时来适应汽车、拖拉机等各种需要，来实现“一机多用”。如135系列。 具体要求： 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。必须注意部分负荷和不稳定工况下的经济性。 ③高的工作可靠性和足够的使用寿命。 汽车（运输）内燃机：30~60万公里。 拖拉机： 6000~10000小时。 ④结构紧凑，外形小，重量轻。 此外，对内燃机的起动性和制造工艺性以及使用维修方便性的要求也是很重量的。 设计的结构措施应在保证满足主要要求的前提下，尽可能地照顾到其他要求。 （二）工程机械内燃机的设计要求 工程机械内燃机的特点是使用地域广阔，气候差异甚大，使用条件，随配套机械而不同，对于工作环境恶劣，承受冲击力和急剧的变速，变负荷以及经常超负荷下工作的机械，一般采用专门设计的内燃机；对于工作条件较好的，可采用汽车、拖拉机内燃机经变型后使用。 对专用的工程机械内燃机的主要要求，除了与汽车、拖拉机内燃机相同之外，还要求能够在斜坡上安全作业，在寒带工作能保证起动，在热带工作应不产生过热，并能适应高原工作。在城市作业，特别是在坑道作业的工程机械的内燃机，还要求其排放污染少，噪声小。 二、内燃机主要设计指标 （一）动力性指标 内燃机的动力性指标是指内燃机的标定功率，标定转速，活塞平均速度，平均有效压力及扭矩，这些指标是根据配套的使用要求而确定的。 1、标定功率： 内燃机的有效功率按以下公式计算： （kw） 内燃机有效功率的标定随用途和使用技术的不同，按内燃机台架试验方法国家标准（GB1105-74）规定分以下四种： （1）15分钟功率——内燃机连续运转15分钟的最大有效功率。适用于汽车，摩托车，摩托艇等的功率标定。 （2）1小时功率标定——内燃机连续运转1小时的最大有效功率。适用于工业拖拉机工程机械，内燃机车，船舶。 （3）12小时功率——内燃机允许连续运转12小时的最大有效功率，适用于农用拖拉机，农用排灌动力，内燃机车，内河船舶等的功率标定。 （4）持续功率——内燃机允许长期连续运转的最大有效功率，适用于船舶，电站，农业排灌动力等功率标定。 由此，汽车内燃机功率是按15分钟功率的；工业拖拉机内燃机功率是按1小时功率的；农业拖拉机内燃机功率是按12小时功率的；工程机械内燃机功率是1小时功率标定，而农用内燃机则随具体配套机械的不同，按照12小时的功率或持续功率标定。 现代汽车内燃机，为了满足在较大范围内变速，变负荷，以及要求具有良好的加速性，一般汽车吨功率为4.4---51.5kw。其中重型重汽车功率一般4.4---7.4kw而中.轻型汽车,特别是小汽车,吨功率可达到51,5kw甚至更大。汽车内燃机的标定功率一般在15---370kw左右。 拖拉机内燃机的标定功率是根据拖拉机具体用途而确定的。手扶，小四轮拖拉机内燃机一般在2.2--8.8kw；大型轮式拖拉内燃机一般在58---88kw左右；连式拖拉机一般在25.7---88.3kw左右。 一般工程机械内燃机的标定功率在14.7~58.9 kw左右,由于目前工程规模不断扩大,建设周期要求缩短，因此需要高工效的工程机械。工程机械正向着大型化、高速化、高功率化方向发展。如单斗挖掘机容量以达8m3，功率为588.8kw。推土机已有88吨级，功率为467.4 kw，120吨刮土机的功率达到515.2 kw 。目前368~736 kw的工程机械内燃机已很多。 农用内燃机的标定功率,随配套机具而不同,一般从1.18 kw到110.4 kw的都有。 2、标定转速和活塞平均速度。 内燃机的标定转速和活塞平均速度是内燃机在标定功率时的转速和活塞平均速度。提高内燃机的标定转速与活塞平均速度是提高内燃机单位体积功率有效措施之一。（内燃机的转速影响其结构形式与性能。）但内燃机转速和活塞平均速度的是提高内燃机单位体积功率有效措施之一。（内燃机的转速影响其结构与性能。） （1）提高转速使活塞平均速度升高。运动件的惯性力增加，使内燃机的机械负荷增大，工作频率增加，工作循环次数增加，使活塞、气缸盖、气缸套、排气门等零件的热负荷增加，受热程度增加。 （2）提高转速内燃机摩擦损失功率增加，机械效率低，因而使燃油消耗升高。在液体摩擦和半液体摩擦中，摩擦阻力与速度成正比，即与活塞的平均速度成比例。同样的转速下，当行程较短时，活塞平均速度较低，同时运动件的惯性力较小，故转速较高的内燃机往往采用较短的行程。 （3）提高转速时活塞平均速度增加，作用于曲柄连杆机构零件的惯性力增加，加速磨损，特别是活塞环和气缸套的磨损加剧，缩短使用寿命。 （4）提高转速使内燃机的平衡和震动问题更加突出，噪音也随之增大。 （5）提高转速使进排气阻力增加，使充气系数下降。柴油机还受到过后燃烧的限制,涡流和预燃室柴油机中燃烧速率较高,汽油机是一种扰流燃烧。转速愈高扰流速度也越高，火焰传播速度增加，故汽油机转速提高受过后燃烧的限制较小，加上汽油机由于防止爆震的原因。气缸直径一般做得比柴油机小，故汽油机的转速一般比柴油机高。 采用短冲程而提高转速，使活塞平均速度在不至于过高的情况下，来提高内燃机的单位体积功率。 现代汽车内燃机的标定转速在2000~3000r/min之间,(个别小排量短行程汽车内燃机可提高转速达到此为止400/min),活塞平均速度一般在场7.5~12.5m/min之间。现代拖拉机内燃机的标定转速在案1500~2500r/min之间。活塞平均速度在场7~11m/min。农用内燃机标定转速范围较大，为400~6000r/min之间。 3、平均有效压力 内燃机在标定功率时的平均有效压力表示内燃机整个工作过程完善性和热力过程强烈程度的重要指标之一。它决定于混合气的形成方法、燃料的种类、混合气的形成的过程、燃烧过程、与换气过程的质量、机械效率、进气压力和温度以及内燃机的冷却方式和冲程数等。提高平均有效压力是目前提高内燃机单位体积功率的有效措施。目前提高内燃机平均有效压力的方法。除了改善混合气形成过程、燃烧过程、换气过程以及较少内燃机机械损失、等之外。柴油机采用增压方式。由于提高平均有效压力的同时必须解决一系列技术上的困难，因此平均有效压力的大小在一定程度上反映了所设计内燃机的先进程度。 汽车、拖拉机在标定功率时平均有效压力一般在此期间0.5~0.9mpa之间；工程机械内燃机一般在0.7~0.8之间。农用内燃机一般在此期间0.5~0.7mpa之间. 4、扭矩 内燃机的标定功率和标定转数确定之后,在标定工况下的扭矩也就确定了。 （牛顿/米） 汽车、拖拉机、工程机械和部分农用内燃机除对功率和转数有要求外，还要求具有一定的扭矩储备，即要求具有较好的扭矩特性。 扭矩特性一般用扭矩储备系数又称扭矩适应性系数。μm和转速适应性系数Kn及两者的乘积－－总适应系数K或总弹性系数μ 最大扭矩 M 标定工况下的扭矩 标定转速 最大扭矩对应的转速 扭矩适应性系愈大，内然机适应外界阻力变化的能力愈强。对车辆可减少换档的次数， 轻驾驶员的疲劳程度。转速适应系数愈大，工作愈稳定，对车辆，可减少机械传动变速的排档数，从而简化传动机构。 (二)经济性指标 内燃机的经济性指标是指生产成本,运转中的消耗,(燃油．机油)以及维修费用等，这些通常都是以燃油消耗率和机油消耗率，特别是燃油消耗率作为内燃机经济性的主要指标。 １、燃油消耗率 内燃机的燃油消耗率是随运转工况不同而变化的，一般常以标定工况时每千瓦有效功率每小时所消耗的燃油的克数作为衡量指标。燃油消耗率，主要与内燃机的工作过程，燃烧室的结构，以及机械效率等有关。 汽车、拖拉机、工程机械、汽油机的燃油消耗率一般在之间；柴油机；农用汽油机；柴油机。 2、机油消耗率 内燃机的机油消耗率是以内燃机在标定工况时,每千瓦时所消耗的机油量的克数来表示。它与活塞的密封性以及轴承的设计有密切的关系。 内燃机标定工况下的机油消耗率为。 （三）紧凑性指标 内燃机的紧凑性指标通常是指内燃机的重量和外形尺寸指标,它是评价内燃机结构紧凑性和金属材料利用程度的一个指标。各种类型的内燃机对重量和外形尺寸指标的要求不同:汽车内燃机对重量和外形尺寸的要求是尽量小,而拖拉机、工程机械和一般农用机械内燃机则可以稍大一些。 比重量（衡量内燃机重量的指标） （kg/kw） G：内燃机净重，即不包括燃油机油．冷却水以及其它不装在内燃机本体上的附属设备重量。 汽车柴油机gw =1.5-3 kg/kw，汽车汽油机 gw =1-3 kg/kw，拖拉机与工程机械柴油机 gw =4-5 kg/kw，农用柴油机 gw =7.6 kg/kw。 衡量内燃机外形尺寸的指标：单位体积功率Ｎ (kw/m3) V 内燃机外形体积 (kw/m3) 单位体积功率决定于升功率、排量、外形体积。 Ｋ称为总布置紧凑系数。 要提高单位体积功率，除了必须提高升功率外，还应该尽量提高总体布置结构的紧凑性，内燃机的结构紧凑性，除了与内燃机主要机构结构的布置方案直接有关外，并与附件的大小和布置有很大的关系，所以设计时不仅要注意内燃机主要机构的结构紧凑