《汽车与发动机设计》PPT课件.ppt

汽车与发动机设计,主讲：陈辛波、高云凯、胡志远,Tel: 69589981 E-mail: ,发动机,发动机设计,目 录,一、概述 二、内燃机概念设计 三、曲柄连杆机构设计 四、配气机构设计 五、机体与气缸盖设计 六、润滑系统及冷却系统设计,一、概述,内燃机的出现和发明可以追溯到十九世纪六十年代。 1867 年奥托 (Nicolaus A.Otto ，1832-1891 年 ) 和浪琴 (Eugen LAnger1，1833-1895 年 ) 发明了一种更为成功的大气压力式内燃机。这种发动机热效率可达 11%。 1876 年奥托提出了一种四冲程循环的内燃机，成为汽油机的雏形。 即进气、着火前的压缩、膨胀与排气，这种发动机的热效率提高到了14%，而质量则减少了近70%， 从而有效地投入工业使用而形成了内燃机工业。至1890 年，有 50 万台机器销往欧洲和美国。,奥托 (Nicolaus A.Otto )， 1832-1891 浪琴 (Eugen LAngen)， 1833-1895, 1890年前，英国的克拉克 (D. Clerk，1854-1913 年 ) 和罗伯逊 (J. Robson，1833-1913年，德国的卡尔奔驰 (K.Benz，1844-1929年) 成功地发明了二冲程内燃机， 1892 年德国的工程师鲁道夫 狄塞尔 (Rudolf Diesel，1858-1913年) 提出了一种新型内燃机的专利， 即在压缩终了将液体燃油喷入缸内，利用压缩终了气体的高温将燃油点燃 ， 这种构想在1897年终于变为压燃式发动机-柴油机。 1957 年由汪克尔 (F.Wankel) 成功地试验了他发明的转子发动机，这种发动机在一定领域(如赛车中)得到应用。,Rudolf Diesel 1858-1913年 （22岁时）,From： C.Lyle Cummins Jr， “Diesels Engines”,Rudolf Diesel 1894年（36岁时）全家合影,Rudolf Diesel 1912年（54岁时）,Deutz -1,Deutz-2,Deutz-3,Harz Diesel（1910）,Harz Diesel（1918）,Harz Diesel（1928）,Harz Diesel（1948）,工业总产值 Industrial output value,总产量 Total output,总功率 Total power,4100亿元 410 billion RMB Yuan,8000万台 80 million sets,18亿千瓦 1.8 billion kilowatt,中国内燃机产业现状2013年统计数据,2013年，面对严峻复杂的国内外形势，内燃机行业坚持稳中求进，实现了全行业稳定增长。 2013年全年全国内燃机累计突破18亿千瓦，同比增长22.70%。,产业规模：内燃机产业规模迅速扩大，国际地位提高,产业规模：内燃机产业规模迅速扩大，国际地位提高,2001-2013年我国内燃机产量（万台）,产业规模：内燃机产业规模迅速扩大，国际地位提高,根据中国内燃机工业协会全国内燃机销售月报显示，2013年全年全国内燃机销量超过8000多万台，同比增长5.43%。,2013内燃机产业分布图,2013年 我国内燃机产品 占世界产量的 %,汽车占世界31%,农机占世界47%,工程占世界40%,小型通用占世界40%,摩托车占世界31%,多种产品产量居世界第一,一. 内燃机工业发展现状 Internal Combustion Engine Industry status quo,产量：1679.16,销量：1661.89,车用汽油机,车用汽油机全年产量1679.16万台，同比增长17.80%，销量1661.89万台，同比增长17.33%。,产量：356.31,销量：358.16,车用柴油机,车用柴油机全年销量358.16万台，同比增长10.06%； 车用柴油机全年产量356.31万台，同比增长11.88%.,发动机的总体构造,机体组 Engine Block and Cylinder Head 曲柄连杆机构 Crankshaft and Connecting Rod 配气机构 Valve Train System 燃油供给系统 Fuel Supply System 润滑系统 Lubrication system 冷却系统 Cooling system 点火系统 Ignition System 起动系统 Starting System,进排气系统 Intake and Exhaust System 涡轮增压系统 Turbocharger System,缸体(Engine Block)是构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础,气缸盖(Cylinder Head)安装在气缸体的上面，密封气缸上部并与活塞顶部和气缸一起构成燃烧室。,机体组 Engine Block and Cylinder Head,曲柄连杆机构 Crankshaft and Connecting Rod,将活塞的直线往复运动变为曲轴的旋转运动，并输出动力。,使新鲜可燃混合气(汽油机)或空气(柴油机) 及时进入气缸； 使燃烧后的废气及时从气缸排出。,配气机构 Valve Train System,燃油供给系统 Fuel Supply System,根据发动机工况的需求，定时定量供应合适的燃油进入发动机气缸。,点火系统 Ignition System,保证汽油机在压缩接近上止点时，在气缸内适时、准确、可靠地产生电火花，以点燃可燃混合气，从而燃烧对外作功。,冷却系统 Cooling System,使发动机在所有工况下都保持在适当温度范围内，保证其正常工作。,润滑系统 Lubrication System,在发动机工作时持续不断的把润滑油输送到全部运动部件的摩擦表面，减少摩擦和降低磨损，并部分冷却摩擦零件，清洗摩擦表面。,起动系统 Starting System,使发动机曲轴在外力作用下开始转动,直到发动机进入自动运转（怠速）,进排气系统 Intake and Exhaust System,进气系统：均匀地向各缸供应合适的燃空混合气或干净空气进入气缸。 排气系统：尽可能小的排气阻力和噪声，将废气排到大气。,涡轮增压系统 Turbocharger System,将空气预先压缩后再供入气缸，以提高空气密度和增加进气量。,发动机的工作性能与评价指标,内燃机的工作指标 内燃机的工作指标很多 , 主要有： 动力性能指标 ( 功率、转矩（扭矩）、转速 ) ； 经济性能指标 ( 燃料与润滑油消耗率 ) ； 运转性能指标 ( 冷起动性能、噪声和排气品质 ) ； 耐久可靠性指标 ( 大修或更换零件之间的最长运行时间与无故障长期工 作能力，用平均无故障时间表示，即有MTBF Mean Time between Failures)。,动力性能指标 曲轴对外作功能力的指标。,有效转矩Ttq 发动机通过飞轮对外输出的净转矩Ttq (Nm)。它是内燃机曲轴传给汽车传动系的力矩。它是作功过程产生的气体作用力P，克服了各部分阻力之后，曲轴能够供给外界使用的扭矩。 转动曲轴的切向力（） 曲柄半径（m）,连杆,活塞,曲柄,连杆轴颈,有效功率Pe 发动机通过飞轮对外输出的功率Pe (kW)，等于有效转矩与曲轴角速度的乘积。,式中：Ttq 有效扭矩，单位为Nm； n 曲轴转速，单位为r/min,发动机转速 指发动机曲轴每分钟的转数，单位为r/min。,发动机每发出1kW有效功率，在1h内所消耗的燃油质量(以g为单位) ，燃油消耗率越低，经济性越好。单位是 gkWh，燃料消耗率用下式计算：,经济性能指标:燃油消耗率,式中：b内燃机每小时耗油量（kg/h）。,运转性能指标,排放 有害气体CO，HC，NOx，以及PM 2. 噪声,速度特性 发动机的功率，转矩和燃油消耗率三者随转速变化的规律。 负荷特性 发动机的燃油消耗率，排温和烟度等随负荷变化的规律。 发动机工况 发动机工作状况，一般用功率与曲轴转速来表征，有时也可用负荷与曲轴转速来表征。,2. 发动机的工作特性,速度特性,油量调节机构(油量调节齿条、拉杆或节气门)保持不变的情况下，主要性能指标(转矩、油耗、功率、排气温度、烟度等)随内燃机转速的变化关系。,负荷特性,转速保持不变的情况下，主要性能指标(油耗、排气温度、烟度等)随内燃机负荷的变化关系。,万有特性,万有特性，其中横坐标通常是发动机转速，纵坐标是发动机平均有效压力，或有效扭矩等。,指示性能指标,有效性能指标,平均指示压力Pmi 指示功率Pi 指示热效率it 指示燃油消耗率bi,有效指示压力Pme 有效功率Pe 升功率PL 有效热效率ie 有效燃油消耗率be,机械效率m,过量空气系数a,充量系数c,过量空气系数 Excess air coefficient,对于可燃混合气成分： 燃烧1kg燃油实际供给的空气质量与完全燃烧1kg燃油的理论空气质量之比为过量空气系数，记作 a。,可燃混合气a=1：理论混合气 a1：浓混合气 a1：稀混合气,a,空燃比 Air-fuel ratio,空燃比 = 空气质量 / 燃油质量。对于可燃混合气成分： 理论上，l kg汽油完全燃烧需要空气14.7kg。 理论混合气 空燃比为14.7的可燃混合气（理论空燃比或化学计量比）。 浓混合气 可燃混合气的空燃比小于14.7，则汽油过量 。 稀混合气 空燃比大于14.7的可燃混合气，即空气过量。,充气效率c,新鲜空气或可燃混合气被吸进气缸愈多，则发动机可能发出的功率愈大。新鲜空气或可燃混合气充满气缸的程度，用充气效率来表示。 充气效率-在进气行程中，实际进入气缸内的新鲜空气或可燃混合气的质量与在进气系统进口状态下充满气缸工作容积的新鲜空气或可燃混合气的质量之比。 c=M/M0 M-进气过程中，实际充入气缸的充量； M0-进气状态下，充满气缸工作容积的理论充量,二、内燃机的概念设计,第一节 内燃机的设计要求 第二节 内燃机的选型 第三节 内燃机主要参数的选择 第四节 内燃机开发的程序与方法,第一节 内燃机的设计要求 对车用内燃机提出的主要要求可归纳如下： 1)功率、转速、使用转速范围、最大转矩及转矩特性应满足汽车动力性的要求。对载货汽车发动机来说功率决定于汽车总质量。 轿车的功率主要决定于最高车速 ( 可达 140-200 km/h) 和加速性， 其吨功率高，达到 50-100 kW / t 。 此外，轿车内燃机应有优异的工况变动响应性。 2) 内燃机的环境性能满足法规要求 3) 尽可能高的燃料经济性 4)尽可能高的工作可靠性和足够的使用耐久性,5) 为了减小内燃机的自身质量，要尽力优化其主要铸、锻件 (如机体、气缸盖、曲轴、连杆等) 的形状设计，在满足刚度、强度的前提下合理分配材料。 一般主机厂出于战略考虑 ，除了总装配调试外，都要自行生产机体 (其成本占内燃机总成本 10 % 左右 ) 、曲轴 (10 %) 、 气缸盖 (6 %) 、连杆 (4 副一组占 4 %) 和凸轮轴 (1.5 %)( 国际上习惯统称 5C 零件 ) 。它们对内燃机性能和可靠性影响很大 ， 成本要占 1/3 左右 ， 必须特别仔细地加以设计。 内燃机供油系、活塞组、进排气门等虽然也很重要，但它们大多委托专业厂代为开发。 对车用内燃机来说，减轻质量可以增大汽车的有效负荷，改善整车的动力性和经济性。,6) 制造工艺性好 ， 制造成本低 大量生产条件下产品成本的主要部分是材料成本 ， 所以节约材料消耗 ， 少用特种昂贵的材料具有首要意义。在自动化设备流水生产的条件下 ， 同种零件数的增加 ， 除了材料成本外 ， 其他费用增加很少。因此 ， 为了增加同种零件的生产批量 ， 内燃机产品的系列化和零部件的通用化有重要的意义。 所谓内燃机的系列化，是指以某个主要用途的内燃机为基础，通过改变部分结构参数或结构型式，例如： 增减气缸数 改变气缸排列形式 自然吸气改增压或改变增压比 升降额定转速 改换燃料 改变燃烧室型式 变气缸直径 (一般在不改变气缸轴距条件下) 或活塞行程 (一般在不改变机体基本结构条件下) 或两者同时适当改变，或者增减或改变若干附件，形成同一系列的多种内燃机品种，扩大功率范围，以多种使用特性满足不同用途的需要。 7) 使用方便,引自日齐藤孟汽车柴油机发动机一书表3.8,引自日齐藤孟汽车柴油机发动机一书表3。9,引自日齐藤孟汽车柴油机发动机一书表3.10,第二节 内燃机的选型 一、使用燃料的选择 汽油机、柴油机还是气体燃料发动机？ 与柴油机相比 ， 汽油机有下列主要优点 : 1）由于汽油挥发性好，与空气混合迅速 ，易形成均匀的可燃混合气 ， 燃烧快速而完全，所以空气利用充分，转速可以很高 ，导致很高的升功率，结构紧凑 。 2) 由于功率高，最高燃烧压力低，结构轻巧 ，比质量小 ( 一般只有柴 油机的一半左右 ) 。 3) 由于质量小，省材料，又不必要用柴油机燃油系那种超精密的零件 ， 使制造成本较低( 大概只有同功率柴油机的一半左右 ) 。 4) 由于燃烧柔和 ， 所以运转噪声较小。 5) 冷起动性能好。,汽油机的主要缺点 : 1）由于压力受爆燃限制，热效率较低，而且负荷用量调节（对进气进行节流），使小负荷时燃油经济性急剧恶化 。 2) 排气中有害污染物 CO、HC 和 NOx 排放较多，加上汽油蒸发排放 ，对环境污染较严重。,柴油机相对汽油机的主要优点是 : 由于采用压燃工作原理，压缩比高，燃油经济性好，不仅最低燃油消耗率比一般汽油机低 1525，而且万有特性上低油耗区宽阔，这对于经常在部分负荷运转的发动机来说是非常重要的。大量统计和专门的测试表明，装柴油机的汽车，其使用油耗只有对应汽油车的 2/3 左右。 2) 柴油机的工作可靠性和使用耐久性优于汽油机。由于不用点火系统而使故障较少，由于不存在燃油对曲轴箱机油的稀释而使零件寿命延长。 3) 柴油机排放的CO和 HC 比汽油机少得多。 4) 柴油机可以采用较大的缸径或较高的增压比来提高单缸功率，而汽油机则受爆燃限制，单缸功率很难超过 30kW。,柴油机的主要缺点 : 1) 由于最高燃烧压力高 ， 结构比较笨重。 2) 由于燃烧比较粗暴 ， 噪声较大。 3) 排气微粒排放是对人类健康的很大威胁。 载质量 5t 以上的重型货车和同等级的大客车、公共汽车则应用柴油机。 农用运输车、工程机械、农业机械、铁路机车、中等以上船舶当然都用柴油机。 值得注意的是，西欧和日本除了中型以上的汽车全部柴油化外，也开始在轿车和轻型汽车上应用柴油机，努力向着百公里 3L 油耗的目标前进。,二、冲程数的选择 二冲程内燃机还是四冲程内燃机 ? 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更加坚固、可靠、耐磨，经济性好，指标稳定。 二冲程内燃机的燃料和润滑油消耗较大 ，HC 排放量大 ， 怠速和小负荷工况运转不够稳定 ， 活塞和气缸套的热负荷较大。 如用扫气泵导致噪声较大，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比四冲程机工作频率高一倍，摩擦损失小，升功率可高出 5070 %， 而且转矩变化比较均匀。用曲轴箱作为扫气泵对气缸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、割草机等小型动力装置上应用很广。但近年来，为节约燃油与润滑油消耗，尤其为减少 HC 排放，小型二冲程汽油机有逐渐被高速四冲程汽油机淘汰的趋势。车用汽油机目前几乎全是四冲程的。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 一 液体冷却、空气冷却( 简称风冷 )还是油冷 ? 液体冷却式内燃机由于冷却均匀稳定 ， 强化潜力比空气冷却 式内燃机大 ，且工作可靠 ， 因此绝大多数内燃机都是液冷式的。在其他相同的条件下，液冷机的平均有效压力比风冷机高 510 %，主要由于充量系数的差别。 风冷内燃机的主要困难是气缸盖的火花塞或喷油嘴以及排气门附近局部高热负荷区不易得到足够强度的冷却，影响了可靠性和耐久性。 对汽油机来说 ，过热导致爆燃，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。大缸径内燃机和增压内燃机热负荷重，更不宜采用风冷。,四、气缸数和气缸布置的选择 一 直列式、卧式、还是 V 形 ? 在给定的功率要求下，如果平均有效压力和活塞平均速度不变 ， 则内燃机的升功率将与缸数的平方根成正比。 也就是说 ， 多缸内燃机比较紧凑轻巧。同时 ， 往复质量平衡性好 ， 转矩均匀性改善 (飞轮尺寸较小也有助于轻巧)， 使多缸发动机运转平顺 ， 而且起动容易 ， 加速响应特性好。 当然 ， 小缸径内燃机 (特别是柴油机) 由于燃烧室面容比变大 ， 散热损失增加 ， 使燃料经济性下降。此外 ， 多缸机零件数增加 ， 结构复杂化 ， 可靠度下降 ， 制造和使用成本都较高。,在内燃机的整个家族中 ， 4 缸机和 6 缸机占压倒多数 摩托车类型内燃机和小型农用柴油机采用单缸机。 工程机械与农业机械用内燃机常用2、3 、4 缸结构 ， 大功率者用 6 缸结构。 小轿车和轻型车除最小排量车型用 2 缸或 3 缸外 ， 绝大多数用4 缸机 ， 少数高级轿车用 6 缸机。中型汽车多用 4 缸机 ， 少数用 6 缸机。 重型汽车则绝大多数为 6 缸机 ， 少数超重型汽车用 8 缸 或 12缸机。 内燃机车或舰艇等大功率高速柴油机多为 12 缸或 16 缸机。,气缸布置 直列式、卧式、还是 V 形 ? 6 缸以下的内燃机绝大多数是单列的气缸布置，其气缸轴线所在平面 与地面垂直 ( 称为直列式内燃机 ) 或倾斜某一角度 ( 称为斜置式内 燃机 )， 后者是为了降低内燃机总高度 ， 多用于小轿车。 当气缸轴线平面呈水平时称为卧式内燃机 ， 这时机器总高度大大减小 ， 可以布置在汽车底盘中部的车箱底板下面 ， 有利于改善汽车面积的利 用率、视野性操纵性 ( 轴负荷分布比较合理 ) 和机动性 ( 前轮活 动性好 ， 转弯半径可能减小 )， 适用于大型客车和重型货车。不过 ， 内燃机的冷却和操纵系统比较复杂 ， 保养和检修需要专门设备。, 货车用的 6 缸柴油机基本都是直列式的； 高级小轿车用的 6 缸汽油机却多是 V形的， 长度短 ， 特别适于采用横置 ， 与整车匹配十分紧凑 ， 但其平衡性不如直列 6 缸机。 V 形 8 缸内燃机在气缸夹角为 90 时 ， 不仅结构紧凑 ， 比质量小 ， 机体刚度好 ， 曲轴扭振固有频率较高 ， 且有接近理想的平衡特性。 重型车用柴油机 ， 通过采用高增压加中冷 ， 直列 6 缸结构一般也已足够 ， 很少用 V 形 8 缸机。 V 形 12 缸机用于少数超重型汽车。,五、进气状态的选择 - 自然吸气还是增压 ? 增压机的滞燃期缩短，燃烧粗暴性改善，噪声相对下降。由于可用较大的空燃比，增压机的微粒排放量较少。通过推迟喷油可以抑制 NOx的排放。 当然，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，可靠性与耐久性总是不难解决的。优化设计和优质材料已使平均有效压力高达 1.5 MPa 的柴油机可靠运转 。 空气一空气中冷器的引用， 采用有效冷却的活塞组设计， 再配上较大的空燃比 ， 使热负荷问题得以缓解。 过去， 内燃机车、船舶、发电等大功率柴油机都是增压的， 而汽车只有重型长途运输用车才用增压柴油机。 现在，要满足欧-1以上排放，一般卡车柴油机都要用增压。,第三节 内燃机主要参数的选择 内燃机的主要参数，如平均有效压力、活塞平均速度、转速、气缸直径和活塞行程等，反映了内燃机的工作性能和设计质量。这些参数要针对设计任务的要求选择，既反映市场的要求，又要结合国内外技术发展的实际情况，加上设计者自己的经验和研究工作的积累。这样选定的参数 ， 才能保证设计既先进又现实。 保证所要求的功率和在燃料经济性最佳的前提下尽可能提高功率输出，是内燃机设计的基本任务。,一、平均有效压力pme 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。 为了提高内燃机的充量系数c，可采用合理的进气系统，减小流动阻力 ； 优化配气机构和配气定时。 对汽油机： 从化油器改为进气道汽油喷射。如进一步用缸内汽油直接喷射和分层充量燃烧技术。 提高汽油机的指示效率i 主要靠提高压缩比c ，但受到汽油辛烷值的限制。不过，利用爆燃传感器反馈控制点火定时，使汽油机的c 可以提高到最大限度。一般c 不超过 10，否则还可能造成燃烧粗暴。,对于柴油机来说： 为提高平均有效压力Pme 要尽可能降低燃烧过量空气系数a，为此必须改善混合气形成，即改善空气与喷入燃料的宏观与微观混合。要优化燃烧室形状、燃料喷射和气流运动的配合。宏观的进气涡流要适度，微观的湍流要加强，后者可用燃烧室的缩口和多角形化实现。使用多孔小喷孔油嘴。 提高柴油机 Pme 最有效的措施就是采用涡轮增压技术。 除了改善内燃机工作过程和采用增压外，要获得高的平均有效压力Pme 必须尽可能降低内燃机的摩擦损失和其他机械损失，提高机械效率。为此，要尽可能减小运动件的质量，减小惯性负荷。,二、活塞平均速度Vm 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。习惯上指 Vm 9m/s 的内燃机为高速内燃机 ， Vm = 69m/s 为中速内燃机 ， Vm 6m/s 为低速内燃机。 1. Vm 对内燃机性能的影响 当其他参数不变时，Vm 的提高使内燃机功率 Pe 提高。但是当内燃机结构不变时，进、排气阻力p与Vm2 成正比，活塞组的摩擦损失平均压力pmm 与 Vm成正比，故Vm 的提高导致平均有效压力下降。 2. Vm 对内燃机受力件机械应力的影响 曲柄连杆机构的零件由惯性力引起的机械应力近似与 Vm2 成正比。,3. Vm对内燃机受热件热负荷的影响 气缸的热负荷，即单位时间、单位面积发散的热量与 Vm 成正比。 4. Vm 对内燃机摩擦件磨损和寿命的影响 气缸活塞组的磨损可认为与气缸压力和 Vm 乘积成正比，也就是说，随着 Vm 的提高，内燃机的寿命可能急剧下降。 随着 Vm 的提高，就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。 目前，非增压高速车用汽油机的 Vm 最大值可达 18 m/s，而增压汽油机则限于 15 m/s。 轻型非增压柴油机 Vm 的上限为 14 m/s，而重型高速、大功率增压柴油机的 Vm 一般限制在 12 m/s 以下。,三、气缸直径和气缸数 发动机的功率 Pe 是与 D2 成正比的。 在其他参数如 Pme、Vm 等不变且结构相似的条件下，D 不影响机械应力、机械变形和单位面示热负荷。 D 增大时，内燃机的比质量 M0 M / Pe (M为内燃机净质量) 增加。 由此可见，内燃机气缸直径 D 增大时，结构变得笨重 (比质量增大)； 散热困难 (使汽油机易于爆燃，使风冷内燃机难于强化)；活塞组、气缸、气缸盖、气门等热负荷加重；但柴油机由于热损失小和燃烧完全 (因 Vm 不变 ， D 加大时 n 必下降)， 燃油经济性有所改善。,汽油机的气缸直径几乎没有下限，而最大缸径不超过100 mm 。 车用汽油机缸径大多在 6090 mm 之间。 柴油机最小缸径为 60 mm （55 mm）左右，最大缸径在低速船用柴油机上可达 1000 mm 左右。 车用柴油机的缸径大多在 80140 mm 之间 ， 其中 80100 mm 者用于轻型车， 如大柴498机（缸径为98mm）； 100120 mm 者用于中型车，如上柴D114机（缸径为114mm）； 120140 mm 者用于重型车，如潍柴WD615机（缸径为126mm）。,小轿车用汽油机往往以总排量 Vst = iVs 来分类： Vst 1.2 L (24 缸) 的汽油机配普及型 (低档)车 ； Vst = 1.22.5 L(4 缸) 配标准型(中档)车 ； Vst = 2.5 3.5 L(6 缸 ) 配豪华型(中、高档)车 ； Vst 3.5 L(8 或 12 缸)配超豪华型(高档)车。,四、活塞行程S和行程缸径比S/D S/D 值对内燃机的尺寸和质量指标等有很大影响。在同样的 D 和 n 下 ，S/D 与Vm 成正比，因而 S/D 也通过Vm 产生很大影响。 1. S/D 对升功率 PL 的影响 当Vm不变时，S/D的下降意味着n上升，因而乘积Pmen 成正比的升功率 PL 跟着增大，结果使内燃机更加紧凑轻巧。 2. S/D 对缸内燃烧过程的影响 S/D比值较小的短行程内燃机气缸余隙容积比较扁平，对压缩比高的柴油机尤其如此，使燃烧室容积比比较小，燃烧过程较难组织。 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，使得传到冷却系的热量减少，活塞组零件的温度上升。风冷柴油机研究表明，当 S/D = 1 时，总散热量的 2/3 由气缸盖传出，1/3由气缸体传出，而当 S/D = 1.5 时恰恰相反。,4. S/D 对外形尺寸的影响 单列式内燃机的长度决定于 i 和 D， 所以 S/D 较小的短行程内燃机长度较大。 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。 目前： 车用汽油机的 S/D 值多数在 0.91.1 之间； 高速柴油机的 S/D 值多数在 1.0 1.2 之间； V 形和其他双列式内燃机的 S/D 值一般要比单列式机略小些； 风冷机的 S/D 值一般比液冷机大一些。,五、综合评价参数 内燃机选型和基本参数选择结果的合理性和内燃机结构的完善性，用升功率PL、单位活塞面积功率 PF 、比质量 Mo、比体积V0等综合评价参数来表示。 一般把乘积 PmeVm 称为内燃机强化指标（系数）。 升功率PL(kW/L)表征内燃机工作过程的强化和完善程度。 单位活塞面积功率 PF (kW/cm2) 简称活塞功率。PF 近似正比于额定功率工况下通过燃烧室单位表面积的平均热流量，可以代表内燃机 (尤其活塞组) 的热负荷。PF 还可在一定程度上表示内燃机机械负荷的高低。PF 对活塞组的设计有决定性的影响。 用单位功率的质量定义的内燃机比质量 Mo 也是重要指标， 现代车用汽油机的Mo在1.2-3.0 kg/kW之间， 车用柴油机Mo在3-6 kg/kW之间， 增压机型和高速机型趋下限。,第四节 内燃机开发的一般程序与方法 一、方案设计阶段 方案设计又称概念设计。在此阶段要进行仔细的调研和论证，以明确新产品开发的必要性、可能性和发展目标，主要的技术经济指标、结构型式和进度计划。 新产品开发的必要性决定于市场对产品的要求，因此要仔细调研其主要用途和需求的紧迫程度、拓展其他用途的潜力、预计产量、发展成多种缸数的系列产品的可能性、技术发展趋势的适应性等。 新产品开发的可能性则包括资金、技术力量、知识积累、生产条件和零部件专业厂的配套等。 新机型应达到的技术水平反映在所确定的技术经济指标上，如平均有效压力Pme、活塞平均速度Vm、升功率 PL、比质量 M0、最低燃油消耗率 bemin、成本、寿命等。,二、技术设计阶段 在技术设计阶段对选定的结构设计方案进行细化，以最终确定内燃机的总布置设计、所有零部件的设计以及附件的选配，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表现为一系列总图，即 纵横剖视图、各向视图和重要的局部剖视图、局部向视图。,图1-5 奥迪 A4 型汽油机纵横剖面图,图1-7 中国第一汽车集团公司无锡柴油机厂生产的 6110/ 125ZL 柴油机(纵剖面）,6110/ 125ZL柴油机（横剖面）,细化零部件设计时需要进行广泛的分析和计算，包括: 利用工作循环模拟估算与热力过程有关的参数和零部件设计 (例如进 气管的形状和尺寸、最佳配气定时、最佳增压比和增压器的匹配等)； 曲柄连杆机构的动力计算、平衡块计算和曲轴扭振分析 ； 主要受力件 (例如连杆、曲轴、机体等) 的应力分析 ； 主要受热件 (例如活塞、气缸盖、气门等) 的温度场、应力场和振动模态有限元法计算分析 ； 配气机构运动学和动力学计算(包括凸轮型线和气门弹簧的设计计算)； 连杆轴承和主轴承等的润滑计算。,在技术设计阶段还要进行一些先期试验， 例如： 关于柴油机燃烧室形状与尺寸、喷油器参数、位置的选择等，如果过去积累的试验研究资料不足，则需要建造单缸试验机进行试验优选。 直喷式柴油机的进气道一般都需要在专门的气道试验台上进行试验和优化，以尽可能小的流动损失获得必要的进气涡流，或者提供几组不同的流量系数-涡流比组合，进一步进行单缸试验。,三、样机制造和调试阶段 在此阶段要进行的工作有 : 加工装配出一批样机，进行整机性能调试以达到预期的性能指标，进行机械方面的研究与改进以达到要求的可靠性和寿命。 内燃机样机试制中工序最多、周期最长的是毛坯的制造，而铸造占全部毛坯工作量的 70 % 以上。 近来开始出现一种快速成型制造技术，它集现代数控技术、 CAD/CAM技术、激光加工技术及新型材料技术等领域最新成果的新技术为一体。自动而迅速地将设计思想转化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评价和修改，以适应市场要求。它不需要传统方法所要求的大量工装模具，节省了成本，缩短了周期，实现了高效、低耗、智能化生产的目的。,在性能调试有了初步结果后， 应进行零部件可靠性专项试验，如： 活塞温度场测定； 曲轴扭振和减振器效果测定； 低温室冷起动试验； 有些试验，如连杆、曲轴疲劳试验，可在疲劳强度试验机上先期进行 ； 配气机构也可在反拖的试验装置上进行动力学性能检验。,样机要按有关技术标准规定进行可靠性试验 车用内燃机要进行全速、全负荷可靠性试验 ： 轿车及总质量 2.5t 的货车为 300 h； 2.5t 15t 者为 1000 h 加 500 h 超速、超负荷试验 ( 每循环 1h：105 % np、100% Pep 20min + 怠速 10min +105 % np、 110 %Pep 20min+ 停车10min， 共 500 循环 ) 。 车用柴油机还要进行 500 h (3000 循环 ) 热冲击试验 ( 每循环10min: 全速、全负荷、出水温度 (90 士 5) 下运转 7min + 空载怠速、出水温度 (40 5) 下运转3min，工况过度时间15秒) 。 台架试验通过后还要进行使用试验，如对车用内燃机，一般要进行 5 万 km 道路试验。,四、鉴定与投产阶段 样机通过各项试验并达到技术任务书的要求后，应按国家有关标准和行业管理规程进行新产品定型鉴定。 通过鉴定后先进行小批试生产，考察在批量生产后是否会出现质量问题并予以解决。 即使在正式大批生产后，也还要定期抽取产品进行 100h ( 汽油机 ) 或 250h ( 柴油机 ) 的全速、全负荷试验，以监督产品的可靠性。,95,谢 谢,胡志远：02169589981 ,