FSAE大学生方程式赛车发动机缸盖及配气机构设计.doc

FSAE大学生方程式赛车发动机缸盖及配气机构设计摘 要以FSAE大学生方程式赛车中最常用的HONDA CBR600-F4i发动机为例，探讨了该型号发动机中缸盖及配气机构的结构，并计算缸盖总体尺寸，凸轮型线方程式，并校核气门弹簧力。气缸盖是提高整机性能的重要结构件之一，是发动机技术竞争的焦点。气缸盖的气门排列方式与气道结构形式影响进气充量和气流在气缸内的运动，从而影响了燃烧效率，对整机的动力性、经济性以及排放都有直接的影响；配气机构的形式影响充气系数和整机噪声等；缸盖燃烧室决定了影响整机动力性能的压缩比，影响HC排放的F/V和对挤流起决定性作用的挤气面积以及挤气间隙，所以燃烧室对整机动力性、经济性、排放等都有重要的影响；气缸盖是整机热负荷与热应力最大的部件之一，热负荷过高将不利于发动机寿命以及可靠性的提高。在实际中要特别防止发动机的局部过热，因而对缸盖必须要有充分的冷却。关键词 FSAE；发动机；缸盖；气门AbstractIn this paper, Formula in FSAE college students the most commonly used HONDA CBR600 - F4i engine as an example, discusses the model of Cylinder head and gas distribution agencies, and calculate overall size of cylinder head, equation of CAM contour line, and check valve spring force. Cylinder head is one of the core parts that affect the performance of the engine. It is the the focus of the competition. The disposal of the valves and intake manifold structure not only affect fresh air charge but airflow in the cylinder, which immediately affect combustion efficiency and the performance of dynamic, economic and emission. The structure of the air distributing institution has influence on charging efficiency and the noise of engine. The combustion chamber affects compression scale which has great influence on dynamical performance; F/V which affects the exhaust of HC; Squash area and clearance which have great influence on the intensity of squash. So, combustion chamber has great influence on dynamical performance, economical performance, emission and so on. Cylinder head is one of the highest temperature parts. Higher heat stress will lower the engines useful life and security. In practical, it is important to avoid local overheating. To full cool to cylinder head is necessary.Key words: FSAE; Engine; Cylinder head; The valve30目 录摘要1Abstract11 绪论11.1 FSAE大学生方程式大赛31.1.1 赛事起源31.1.2 赛事简介31.1.3 FSAE大赛的意义41.2 论文的研究背景及意义41.3 论文研究的主要内容52 发动机52.1 发动机的发展历程52.2 我国发动机发展现状62.3 提高发动机动力性的途径82.3.1 涡轮增压技术82.3.2 燃油直喷技术82.3.3 分层燃烧技术102.3.4 连续可变气门正时机构103 气缸盖103.1 气缸盖的工况及设计要求103.2 气缸盖的材料113.3 气缸盖结构形式的选择113.4 进排气道的布置123.5 气缸盖螺栓的布置134 气缸盖罩 4.1进气门室罩 4.2排气门室罩 4.3盖板5 配气机构145.1 配气机构的作用及要求145.1.1 配气机构的功用145.1.2 配气机构的要求145.2 配气机构采用的新技术145.2.1 顶置凸轮轴技术145.2.2 多气门技术155.2.3 可变气门正时配气机构(VVA)155.3 总布置设计165.3.1 气门的布置形式165.3.1.1 气门顶置式配气机构165.3.1.2 凸轮轴的布置形式165.3.1.3 凸轮轴的传动方式165.3.1.4 每缸气门数及其排列方式165.3.1.5 气门间隙175.3.2 配气定时工作原理176 配气机构的零件和组件186.1 气门186.2 凸轮型线设计206.2.1 简介206.2.2 缓冲段设计206.2.3 工作段设计206.3 气门弹簧设计226.3.1 气门弹簧特性的确定226.3.2 气门弹簧基本尺寸的确定226.3.2 弹簧的疲劳强度校核236.3.3 弹簧的振动校核23参考文献24设计总结26致谢27附录1 附录21 绪论 1.1 FSAE大学生方程式大赛1.1.1 赛事起源FSAE方程式（Formula SAE）系列赛源于1978年。第一次比赛于1979年在美国波斯顿举行，13支队伍中有11支完赛。当时的规则是制作一台5马力的木制赛车。SAE方程式（Formula SAE）系列赛将挑战本科生、研究生团队构思、设计与制造小型具有越野性能的方程式赛车的能力。为给车队最大的设计弹性和自我表达创意和想象力的空间，在整车设计方面将会限制很少。赛前车队通常用8至12个月组的时间设计、建造、测试和准备赛车。在与来自世界各地的大学代表队的比较中，赛事给了车队证明和展示其创造力和工程技术能力的机会。为了达到比赛的目的、学生可以把自己假想设计人员。某一制造公司聘请他们为其设计、制造和论证一辆用来评估该公司某一量产项目的原型车。预期的销售市场是周末业余汽车比赛。因此，该车必须在加速，制动和操控性能方面表现出色。该车必须成本低廉、易于维修、可靠性好。此外，考虑到市场销售的因素，该车需美观、舒适，零部件也需要有通用性。制造企业计划每天生产四辆该型车, 并要求原型车实际耗资应低于2.5万美元（该规则09年已经取消）。设计小组受到的挑战是设计和组装一辆满足各种要求的车。各个设计环节将作为竞赛比较和评判的内容。1.1.2 赛事简介中国大学生方程式汽车大赛（简称“中国FSC”）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。2010年第一届中国FSC由中国汽车工程学会、中国二十所大学汽车院系、国内领先的汽车传媒集团易车（BITAUTO）联合发起举办。中国FSC秉持“中国创造擎动未来”的远大理想，立足于中国汽车工程教育和汽车产业的现实基础，吸收借鉴其他国家FSC赛事的成功经验，打造一个新型的培养中国未来汽车产业领导者和工程师的交流盛会，并成为与国际青年汽车工程师交流的平台。中国FSC致力于为国内优秀汽车人才的培养和选拔搭建公共平台，通过全方位考核，提高学生们的设计、制造、成本控制、商业营销、沟通与协调等五方面的综合能力，全面提升汽车专业学生的综合素质，为中国汽车产业的发展进行长期的人才积蓄，促进中国汽车工业从“制造大国”向“产业强国”的战略方向迈进。中国FSC是一项非盈利的社会公益性事业，利在当代，功在未来。项目的运营和发展结合优秀高等院校资源、整车和零部件制造商资源，获得了政府部门和社会各界的大力支持以及品牌企业的资助。社会各界对项目投入的人力支持和资金赞助全部用于赛事组织、赛事推广和为参赛学生设立赛事奖金。1.1.3 FSAE大赛的意义目前，中国汽车工业已处于大国地位，但还不是强国。从制造业大国迈向产业强国已成为中国汽车人的首要目标，而人才的培养是实现产业强国目标的基础保障之一。大学生方程式赛车活动将以院校为单位组织学生参与，赛事组织的目的主要有：一是重点培养学生的设计、制造能力、成本控制能力和团队沟通协作能力，使学生能够尽快适应企业需求，为企业挑选优秀适用人才提供平台；二是通过活动创造学术竞争氛围，为院校间提供交流平台，进而推动学科建设的提升；大赛在提高和检验汽车行业院校学生的综合素质，为汽车工业健康、快速和可持续发展积蓄人才,增进产、学、研三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。毫无疑问，对于对汽车的了解仅限于书本和个人驾乘体验的大学生而言，组成一个团队设计一辆纯粹而高性能的赛车并将它制造出来，是一段极具挑战，同时也受益颇丰的过程。在天马行空的幻想、大脑一片空白的开始、兴奋的初步设计、激烈的争执、毫无方向的采购和加工、无可奈何的妥协、令人抓狂的一次次返工、绞尽脑汁的解决难题之后，参与者能获得的不仅仅是CATIA UG ANSYS以及焊接、定位、机加工技能,更有汽车工程师的基本素养和丰富实践经验。与此同时，管理和运营整个团队让未来的企业管理者接受了一次难度十足的锻炼。FSAE赛事也给了汽车厂商发现优秀人才和创意想法的机会。1.2 论文的研究背景及意义目前，随着人们生活水平的提高，汽车、摩托车日益成为人们生活当中重要交通工具，对机械产品的需求量是越来越大，产品质量要求是越来越高。同时，随着科学技术的发展，机械产品与设备也日益向高速、高效、精密、轻量化和自动化方向发展。产品的结构也日趋复杂，对其工作性能的要求也越来越高，为使产品能够安全可靠地工作，其结构系统必须具有良好的静动态特性。同时，设备在工作时产生的振动和噪声，会损害操作者的身心健康，污染环境。因此必须对机械产品进行动态分析和动态设计，以满足机械结构静、动态特性与低振动、低噪声的要求。这一切都要求工程师在设计阶段就能精确的预测出产品或工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场等技术参数进行分析计算。为了在工程应用中节约成本、提高设计效率、缩短设计周期，很多厂家已经把前期的软件模拟作为检验设计成败的一个关键步骤。发动机在车辆中是动力部件，其性能直接影响车辆在使用中的工作状况和可靠性。发动机的发展向着大功率轻重量的方向发展，使得其刚度不断减少，从而加剧了发动机的振动和结构噪声，这类振动将直接影响发动机的寿命。因此对发动机必须进行动态设计与分析，把动态特性作为设计的重要目标。气缸盖是燃烧室的组成部分，燃烧室的形状对发动机的工作影响很大，由于汽油机和柴油机的燃烧方式不同，其气缸盖上组成燃烧室的部分差别较大。汽油机的燃烧室主要在气缸盖上，而柴油机的燃烧室主要在活塞顶部的凹坑。气缸盖的作用是密封气缸套并与活塞共同形成燃烧室空间，结构及形状复杂，除须承受高温、高压燃气的作用外，还须承受很大的螺栓预紧力。气缸盖各部分的温度分布很不均匀，如底面燃烧室部分温度很高，而冷却水套部分的温度较低，进、排气道温度相差也很大。因此，气缸盖承受的机械应力和热应力都很大。此外，其结构形状复杂，铸造残余应力大，是发动机设计难度最大的零件之一。要把气缸盖布置得既紧凑又合理，既要能组织有效的冷却水流，又避免产生应力集中，是非常重要的。压缩比、进气量、进气温度、燃油雾化质量、进排气系统的构造、燃烧室积碳情况、配气相位、活塞与气缸的配合间隙、发动机的气缸数与排量等，这些都会影响发动机的动力性，而这些参数都与发动机的气缸盖的结构有直接的关系，所以为增加发动机的动力性必须注重气缸盖的设计。配气机构是发动机的重要组成部分，发动机配气机构，经常处在高温、高压下工作，因此气门机构是发动机最容易发生故障的零部件之一。而配气机构性能的好坏, 直接影响到发动机的经济性、可靠性, 并对发动机噪声与振动产生直接影响。而配气机构的主要零件气门既是燃烧室的组成部分，又是气体进、出燃烧室的通道，工作时需承受很高的机械负荷和热负荷，尤其是排气门，由于经常受到高温燃气的冲刷，从而更加容易产生漏气、腐蚀与烧损等现象，工作条件也就更为严酷。其后果将影响气缸内的换气质量，严重时会导致燃烧恶化，从而降低了发动机的经济性、动力性和可靠性。因此，对发动机的配气机构特别是气门进行深入研究是非常有必要的。随着发动机强化程度的不断提高, 气缸盖和配气机构已经成为发动机发展过程中的一个重要而且困难的环节。这不只是由于内燃机转速的急剧增长, 使机构零件惯性力和振动迅速提高,而且还由于内燃机平均有效压力的增加。因此气缸盖及配气机构动力学的研究已经成为研究小型高速内燃机的重要课题。此外随着发动机低排放、高速化的发展趋势，对其性能指标要求越来越高，要求其在高速运行的条件下仍然能够平稳、可靠地工作，因此对气缸盖和配气机构设计的要求也越来越高。1.3 论文研究的主要内容（1）根据实际应用情况，做详细的调研，并在此基础上确定合理的方案。 （2）设计合理的发动机气缸盖内部结构方案。 （3）对系统进行必要的参数计算。 （4）绘制零件图。 （5）编写设计说明书 在发动机方面，我综合了赛道的条件和比赛要求对发动机内部的气缸盖、配气机构等部件进行了结构设计。2 发动机2.1 发动机的发展历程18世纪中叶，瓦特发明了蒸气机，此后人们开始设想把蒸汽机装到车子上载人。法国的居纽（N.J.Cugnot）是第一个将蒸汽机装到车子上的人。1770年，居纽制作了一辆三轮蒸汽机车。这辆车全长7.23米，时速为3.5公里,是世界上第一辆蒸汽机车。1858年，定居在法国巴黎的里诺发明了煤气发动机，并于1860年申请了专利。发动机用煤气和空气的混合气体取代往复式蒸汽机的蒸汽，使用电池和感应线圈产生电火花，用电火花将混合气点燃爆发。这种发动机有气缸、活塞、连杆、飞轮等。煤气机是内燃机的初级产品，因为煤气发动机的压缩比为零.1867年，德国人奥托（Nicolaus August Otto）受里诺研制煤气发动机的启发，对煤气发动机进行了大量的研究，制作了一台卧式气压煤气发动机，后经过改进，于1878年在法国举办的国际展览会上展出了他制作的样品。由于该发动机工作效率高，引起了参观者极大的兴趣。在长期的研究过程中，奥托提出了内燃机的四冲程理论，为内燃机的发明奠定了理论基础。德国人奥姆勒和卡尔本茨根据奥托发动机的原理，各自研制出具有现代意义的汽油发动机，为汽车的发展铺平了道路。1892年，德国工程师狄塞尔根据定压热功循环原理，研制出压燃式柴油机，并取得了制造这种发动机的专利权。1957年，德国人汪克尔发明了转子活塞发动机，这是汽油发动机发展的一个重要分支。转子发动机的特点是利用内转子圆外旋轮线和外转子圆内旋轮线相结合的机构，无曲轴连杆和配气机构，可将三角活塞运动直接转换为旋转运动。它的零件数比往复活塞式汽油少40%，质量轻、体积小、转速高、功率大。1958年汪克尔将外转子改为固定转子为行星运动，制成功率为22.79千瓦、转速为5500转/分的新型旋转活塞发动机。该机具有重要的开发价值，因而引起各国的重视。日本东洋公司（马自达公司）买下了转子发动机的样机，并把转子发动机装在汽车上，可以说，转子发动机生在德国，长在日本。2.2 我国发动机发展现状首先回顾一下中国新能源汽车的发展道路。中国新能源汽车基本上从八五时期，90年代初期，我们国家有了国家的投入开始正式在做，当年就是国家纪委立项，拿到850万块钱，当时委托清华在做，当时在做纯电动汽车的技术；在九五期间，国家投入的主体从当时的纪委变成了科技部，当时还是科委，大体上有两千万左右的投入去做示范运行，当时实际上在当时技术不是很成熟的情况下，就已经去做示范运行；当然我们国家新能源汽车比较大规模的启动还是从十五初期，现在我们科技部长万钢先生，当时还是同济大学的校长，他倡导的做新能源汽车，当时把新能源汽车从几个技术分成三纵三横，三纵就是作为纯电动汽车、混合动力汽车，燃料电池汽车；三横：电池、电机、整车控制技术，这样来进行了发展。并且提高到国家能源安全这样一个比较重要的角度来做这个事情，当然在十一五，当然十五就已经把这个投入，我们国家投资发展到十亿以上，十一五试图把十五成果更加实用化，大型的投资提高了20亿左右。从后两个五年计划比较大的投入，产生的结果来看。因为在当时提的是，我们和国外站在同一起跑线上，但是经过十年左右的发展，我们已经全面地落后，就是从整体技术上来讲，方方面面都与国外有了更大的差距，无论是在电池还是在做电机以及整车技术上，这个当然是现实，不是谁说，我跟人家同步或者什么，这个基本上是趋势，我们国家推出“十城千辆”，政府有了补贴，这样拿单子的基本上是国外的，你的电机、电池、整车控制器，自己的产品基本上拿不出来，基本上还是用国外的这些方案。实际上我们需要反思，这十年来，这新能源发展的路，走得对还是不对，从大的方向上来讲，你是不是找到了这个新能源汽车的关键？这个需要我们进行反思的。第二，谈一谈我们国家在新能源汽车方面技术的进展，当然从三纵三横来谈一谈，首先电机，当然电机确实技术上还是有了非常大的进步，但是总体体现是投入不足，到现在为止，还没有形成一个能够提供在汽车上可以用的电机产品，现在还是一个样机的阶段，一个做个十台八台，没有上百台的电机的出现，因此电机主要的差距一个是效益方面，我们电机效率基本上无论是充电还是发电效率跟国外差十个百分点左右。另外，就是它的寿命和可靠性，这些还有比较大的差距，第二个横向的技术就是电池了，电池也是一样的，到目前为止，说的厂家一些资金投入有一些了，现状还是拿不出，这个能够产业化的产品出来，因为很多企业从宣传来讲，它都说他的电池研发怎么样，但是实际上还是拿不出实际的东西来，这个电池差距主要体现几个方面，充、放电的效力，你的充电效率和放电效率跟人家有很大的差距，第二就是一致性，你充多少，有的好，有的没有，这个一致性还是有很大的差异，其他综述 图片的由于一致性导致的差异的可靠性或者性能优一定的差距的。整车控制器来讲，我们国家跟国外差距小一些，整车的控制器差距小一些，基本上由于电池、电机的制约，当然使得整车集成方面存在着非常大的障碍，这个还是现状，另外一个在动力和自动变速这两个方面，我们国家变速这一块跟国外有很大的差距，新能源汽车，如果还是手动挡，这个是不可行的，现在我们有一些混合动力汽车是手动挡，混合动力汽车有混合驱动模式，还有发动机驱动模式，还有两个一起驱动模式，一个人靠手动挡怎么适应这样一个，你的驱动模式是自动变化的，而你的换挡还要手动，这个根本就是不可能实现的，所以必须要有自动变速的重力耦合器，才能实现这样一个技术。 另外三纵，混合动力汽车，从现在来讲，实际上我们过去都开发了一些混合动力汽车，并且很多混合动力汽车得到了国家的奖励，但是实际上拿出来用得时候，基本还都是不可用的，基本上是一些验收工程的东西，这样相对来说比较多，这样纯电动汽车，由于技术门槛比较低，纯电动汽车在这些里面技术门槛比较低的车，这些有一些应用，但是由于他成本问题，一次购车的成本以及它的应用的成本，是一个区域内应用的设备，主要是局限在区域用的车，不可能是一个大范围的用车。当然燃料电池的车子，我们国家从燃料电池的汽车，也可能和国际上差距最小的品种，从燃料电池来讲也是跟国际上差距最小的，当然这个燃料电池汽车，我自己感觉也是最不实用的，由于他的成本的问题，是现有汽车的几十倍的成本，由于应用受到限制，从国外来讲也没花很大的力气在做这个事情。从新能源汽车的前景来讲，我觉得今后的道路非常艰辛，绝不是一帆风顺的就走得通的，也不是国家拿点财政，给点补贴，或者说刺激你有一定的规模就能解决的问题，我自己的感觉就是新能源汽车假如采用目前的方案，混合动力、纯动力、燃料电池新材料来讲，新的资源来讲，假如说没有突破的话，现在新能源汽车是不可能普及应用的。因为新能源汽车的目标当然从我们国家来讲，从世界来讲，首先是能源安全，很可能现在是放在第一位的，然后很可能才是节能，才是它的低碳，才是环保等等。由于能源的安全，很高的成本是可能需要要做的事情，但是由于受资源的限制，因为你节能，节省了很多能源的资源，但是新能源汽车消耗的材料都是地球上稀缺的材料。比如说做电机的，你的铜的材料，前一些日子智利发生地震，铜发生一些反弹，智利铜影响不是很大，智利地震的时候，他现在是世界上85%的铜矿在他们那里，而它的储量只有两亿吨，全球目前的储量不超过三亿吨，铜的销量我们国家去年一年是800万吨，铜金矿的储量200万吨左右，另外200万可能是回收铜产生的，但是如果做新能源汽车都是新增的铜的消耗，必须采用矿山铜用的，不是回收铜的，很可能冶炼了以后可能还要用到那个行业，新增的只有那么多储量，不可能保持普及或者增长，你做导向必须要有新的东西出来，没有新的替代铜的材料出来，新能源汽车量非常小，这个矛盾是不突出的，你等到量增大了，你的矛盾就会非常突出，现在有的铜的储量不足以支撑新能源汽车一个品种新增的一些量。另外，你的有色材料，制造电机的有色材料也是稀缺有色材料，地球上资源并不多，真正这个电机都拿它做他的材料，以后他会受到很大的制约。今后，假如说新能源汽车不能在制造新能源汽车的资源方面有突破的话，它的前景并不乐观，所以我在这里所说的描绘了一个相对来讲并不是很光明的前景，但是为了能源的安全，你必须要走这条路，因此这个路将会是非常艰辛的。2.3 提高发动机动力性的途径2.3.1 涡轮增压技术其实简单的来说就是其利用发动机排放的尾气来驱动空气压缩机，以此增大气缸单位时间的进气流量，从而提高发动机的功率和扭矩。一台发动机装上涡轮增压器后，其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加40%甚至更高。这样也就意味着同样一台的发动机在经过增压之后能够产生更大的功率。就拿我们最常见的1.8T涡轮增压发动机来说，经过增压之后，动力可以达到2.4L发动机的水平，但是耗油量却比1.8发动机并不高多少，在另外一个层面上来说就是提高燃油经济性和降低尾气排放。不过也有它的缺点，其中最大的就是动力输出的滞后性，现在全世界很多国家的汽车制造商都热衷于这项技术，并在不断研发与改进，以前在中国几乎这就是一个盲区，随着近几年自主品牌的快速发展，像奇瑞和吉利等的这种技术也很快就会出现在量产的车型当中。2.3.2 燃油直喷技术就像是从化油器到电喷一样，直喷技术又是发动机供油系统的一大改革，N多年后一样会像电喷代替化油器那样取代了电喷普及在所有的汽油发动机上。在构造上，传统多点喷射系统的喷油嘴是位于进气歧管前方，在引擎需要供油时，由计算机计算出最佳的供油量并与进入引擎的空气混合后，经由进气阀门到达汽缸内部，并进行压缩、爆炸等动作。至于缸内直喷系统，则是将喷油嘴置于汽缸内部，其特色在于引擎燃油的取得不需要经过气门的开启，而能够藉由计算机主动控制喷油时间、压力与喷射量。与传统喷射系统相较，缸内直喷不受限于传统机械构造的进气方式，而且能够依照引擎所需随时调整空燃比例等特点，均使其表现拥有无限的想象空间。图1 燃油直喷系统众所皆知，内燃机在一般工作状态中所需的理想油气比例为1：14.7，这种调配是传统化油器的专长，不论天候、温度，永远进行着一成不变的工作。然而在少数状态下如冷车启动、怠速运转、急加速或低气压环境等，这样固定的供油方式实际上并无法全面满足引擎的运转需求，甚至可能因而产生黑烟、燃烧不全与马力不足等状况。至于喷射供油系统，则相对显得智能许多，其中枢系统会随时侦测引擎温度、进气流量、转速变化、震动状况，并依照实际需求调整供油量与点火时间，因此在动力输出、燃油经济与排污表现上可以取得相当不错的平衡。但是由于引擎构造的先天限制，喷射引擎所吸进油气的时间只有在气门开启状态下才能进行，故行车计算机所能控制的因子其实也相当有限。直到缸内直喷系统问世后将喷油嘴内移到汽缸内部后，才开启了全新的视野，其能直接由计算机主动决定喷油时机与份量，至于气门则仅看管“纯空气”的进入时程，两者则是在进入到汽缸内才进行混合的动作。也由于油、气的混合空间、时间都相当短暂，故缸内直喷系统的喷油嘴必须辅以高增压系统，以大幅提高燃油的喷射压力与效率，并达到高度雾化的效果，期有更佳的混合表现。此外，缸内直喷系统的燃烧室、活塞也大多具有特殊的导流槽，以供油气在进入燃烧室后能够产生气旋涡流，藉以提高混合油气的雾化效果与燃烧效率。在构造改变之后，供油动作已完全独立于进门与活塞系统之外，中央计算机也因而拥有更多的主导权。于是乎，超乎传统喷射理论的稀薄燃烧与更多元的混合比便得以发生。在稳定行进或低负载状态下，采用缸内直喷设计的引擎得以进入Ultra lean(精实)模式。在此设定下，引擎于进气行程时只能吸进空气，至于喷油嘴则在压缩行程才供给燃料，以达到节约效果。根据实际测试，其最高能达到1：65的油、气比例，除了节能表现相当惊人，整体动力曲线也能够维持在相当高的平顺程度。然而本模式由于会产生相当大量的NOx(硫化物)与高温气体，所幸在近期由于技术与材料科学的突破，故也已得到相当程度的解决。3.2升的奥迪A6L的百公里油耗仅为11升。这要归功于FSI发动机的缸内直喷技术。FSI发动机与传统发动机相比，最大的亮点在于发动机的经济性提高了15%。奥迪FSI增加了火花塞点燃式发动机的扭矩和输出，与常规的点燃式发动机相比，FSI可将燃油直接喷入燃烧室，从而增大了输出功率并降低了燃油消耗。2.3.3 分层燃烧技术在这里举例大众的FSI发动机 大众FSI发动机利用一个高压泵，使汽油通过一个分流轨道（共轨）到达电磁控制的高压喷射气门。它的特点是在进气道中已经产生可变涡流，使进气流形成最佳的涡流形态进入燃烧室内，以分层填充的方式推动，使混合气体集中在位于燃烧室中央的火花塞周围。如果稀燃技术的混合比达到25：1以上，按照常规是无法点燃的，因此必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点火的浓混合气，混合比达到12：1左右，外层逐渐稀薄。浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层。 FSI特点是：能够降低泵吸损失，在低负荷时确保低油耗，但需要增加特殊催化转换器以有效净化处理排放气体。现在集结了上述技术的发动机很少，但值得一提的就是大众的TSI发动机，不光拥有上述技术还有机械增压，其实就是双增压了，使发动机动力更加强劲，可谓是非常先进的发动机了。要想提高汽车的动力性和经济性不光只对发动机进行改进，也有其他途径，想想除了发动机外另一个主要部件就是变速器了。2.3.4 连续可变气门正时机构就拿已经相当成熟的本田的VTEC技术为例吧，VTEC是本田开发的先进发动机技术，也是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程两种不同情况的气门控制系统。VTEC（Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System）的意思“可变气门配气相位和气门升程电子控制系统”。与普通发动机相比，VTEC发动机所不同的是凸轮与摇臂的数目及控制方法，它有中低速用和高速用两组不同的气门驱动凸轮，并可通过电子控制系统的调节进行自动转换。通过VTEC系统装置，发动机可以根据行驶工况自动改变气门的开启时间和提升程度，即改变进气量和排气量，从而达到增大功率、降低油耗及减少污染的目的。目前本田车型都使用i-VTEC(智能可变气门配气相位和气门升程电子控制系统)，i-VTEC技术作为本田公司VTEC技术的升级技术，其不仅完全保留了VTEC技术的优点，而且加入了当今世界流行的智能化控制理念。3 气缸盖3.1 气缸盖的工况及设计要求气缸盖的作用是密封气缸，并与活塞共同形成燃烧空间，并承受高温高压燃气的作用。为了保证缸盖与气缸套之间的密封，缸盖还要受到很大的螺栓预紧力(一般为爆发压力的34倍)；气缸盖各部分温度很不均匀，如缸盖底面燃烧室部分(称为火力面)温度最高，而冷却水套部分温度较低，进气道和排气道温度也不相同，因此，气缸盖的机械应力和热应力很大。实践表明，“鼻梁区”(气门座孔和喷油器孔之间的地区)所产生的裂纹，大多数由于热疲劳造成。再加上气缸盖的结构复杂，铸造残余应力也很大。因此，气缸盖应当满足下列要求：1)气缸盖应具有足够的强度和刚度，：作时缸盖变形最小并保证与气缸的接合面和气门座的接合面有良好的密封。缸盖变形过大会加速气门座磨损、气门杆咬死和气缸密封遭到破坏，造成严重漏气，漏水和漏油，使内燃机无法工作。2)要根据混合气形成和燃烧方式布置出合理的燃烧室形式，气门和气道布置合理，力求使内燃机性能良好。3)结构力求简单、铸造工艺良好；力求避免气门座之间形成裂纹。3.2 气缸盖的材料根据工作条件，气缸盖应该用抗热疲劳性能好的材料铸造。材料的导热性愈好，膨胀系数愈小，高温疲劳强度愈高，愈能承受热负荷的反复作用。气缸盖中热应力很大。当变形受到限制时，各种材料中产生热应力的大小可以用热应力特性数 (E/)表示，其中为材料的线膨胀系数，E为弹性模数，为导热系数。为了比较材料的热强度，用材料的拉伸极限强度与(E/)相比而得到热强度系数。特性数愈小，热应力愈小，热强度系数愈大，热强度也愈大。目前有铸铁、铝合金和钢三种材料的气缸盖。当温度低于250度时，铝合金具有相当高的热强度，当温度在300度左右时，铸铁、铝合金和和钢的热强度系数差不多。当温度高于300度时，铸铁和钢的热强度比较好。当温度达到400度时，铸铁的热强度也迅速下降。里卡图公司认为：铸铁气缸盖的工作温度不应超过375400度，铝合金气缸盖的工作温度不应超过220度。否则，铸铁气缸盖的“鼻梁区”由于热膨胀产生应力而在高温下发生塑性变形，但在冷态时又因冷缩受到拉伸，这样热胀冷缩交变作用，由于热疲劳而发生裂纹。铝合金气缸盖由于高温而使强度迅速下降。所以，要采取有效冷却措施，使“鼻梁区”温度不要超过上述数值。3.3 气缸盖结构形式的选择水冷内燃机的气缸盖有整体式、分块式和单体式三种。当缸径D105毫米时，一般多用整体式气缸盖，它的零件数少，结构紧凑，制造成本较低。如果选用单体式气缸盖在结构上就比较困难，因为各部分壁厚与泥芯截面尺寸受到造型和浇铸条件的限制而不能按缸径比例缩小，这样就不能在保证有适当的壁厚和泥芯尺寸的条件下得到既有足够的气道面积又有先进的气缸中心距。当D140毫米时，一般都用单体式(一缸一盖)气缸盖。这样可以使铸造废品下降，尤其可以供给同一系列而缸数不同的内燃机通用，便于组织系列化的批量生产，降低制造成本，且使维修方便。当125D140毫米时，采用单体、整体和分块(每两缸或三缸一盖)或者兼而有之，视各厂传统习惯和其它条件而定。D105毫米左右是采用分块式气缸盖的下限值；D125毫米左右是采用单体式气缸盖的下限值。但在产品品种比较单一且产量很大时， 由于铸造技术设备比较完善，加工生产线负荷率较高，即使缸径较大，还是以整体式气缸盖比较经济。整体式气缸盖结构如下图所示。具体尺寸参见图纸。图2 整体式气缸盖结构3.4 进排气道的布置进排气道的设计对内燃机性能有很大的影响，进气道影响进气阻力和充气效率，排气道影响排气阻力和废气能量的利用(如废气涡轮增压)。在汽油机中，采用将进排气道布置在气缸两侧的方案，但这时也要从排气通道中引出一部分废气预热进气管。为了保证内燃机有尽可能高的充气系数，进排气通道应当有足够大的面积，气道断面要避免突变，最好由气道口起向进气道的进口和排气道的出口通道面积分别均匀增大20左右，同时铸出的气道表面要尽量光滑。因此，要选取若干进排气通道截面，绘制图形，计算通过面积。如下图所示。图3 进排气道的布置图3.5 气缸盖螺栓的布置气缸盖螺栓是气缸盖与气缸体之间的联接件，它的位置和数量对于气缸盖和气缸体的受明蹲汽缸盖与机体之间接合面密封的可靠程度、以及气缸套的变形大小都有很大的影响。螺栓数目要足够，以保证压紧均匀，减小局部交形，密封可靠。增加螺栓数目，每个甥校直径可以相应减小，相对于气缸盖的柔性变大，故能减小螺栓上载荷的交变分量，因而相应地可降低预紧力，同时两螺栓问的距离减小，对气缸垫片的压紧力更加均匀，减少了冲垫漏气的可能性。但是，螺栓的布置又受到气道、推杆孔、水孔和气缸中心距等具体结构的限制，所以螺栓数目也不能随意增多。顶置气门汽油机，每缸4个螺栓一般就够了，有时也用5个螺栓。高速柴油机由于气压力高，一般每缸要58个螺栓。螺栓的布置应尽量相对于气缸中心线均匀分布，否则可能由于气缸受力不均引起局部变形，各螺栓、中心连线最好沿气缸周边切线布置，以增加密封能力；各螺栓所分摊的压紧面积要基本相同，以保证压力均匀。当每缸用4个螺栓时，气缸盖螺栓的布置最方便。气缸盖螺栓的预紧力要足够，以保证必要的密封压力，防止长期工作后发生松弛。但预紧力过大会使机体、气缸盖过度变形，反而损坏密封。经验证明，当每缸周围所有螺栓的总预紧力等于作用在一缸气缸盖上最大气压力的3倍以上时，密封的可靠性才能得到较好的保证。气缸盖螺栓受力很大，一般都用优质中碳钢45或合金钢40Cr。等制造，并经调质处理。螺栓的尺寸对汽油机为Ml 214，对应项紧力矩为80150牛顿米。 在装配发动机拧紧气缸盖螺栓时，为避免气缸盖衬垫和气缸盖局部变形，引起压力不均匀，必须依次由气缸盖的中央向四周对角地逐渐拧紧。如预紧扭矩在50牛顿米以下，可分两次拧紧，50100分三次，100160分34次，160250分45次拧紧。如有可能，最好在暖车运转后再拧紧一次。如已松弛，则再拧紧到规定扭矩值，如未松弛，则不宜再增大扭矩。4 气缸盖罩4.1气缸盖罩的功能 虽然某些气缸盖罩独具特色, 但所有气缸盖罩都有一些通用功能。第一个且最基本的功能是遮盖并密封气缸盖, 将机油保持在内部, 同时将污垢和湿气等污染物隔绝于外。这听起来似乎简单, 但通常是最难做好的一个方面。气缸盖罩的第二个功能是将机油与空气隔离。在发动机的运转过程中会形成油雾。气缸盖罩较冷的内表面会聚集油雾, 使机油冷凝并向下流回机油壳。气缸盖罩还肩负曲轴箱通风的责任。当活塞在气缸中运动时, 发动机内部会集聚压力。如果置之不理, 此压力会使各个密封件泄漏, 导致发动机效率降低。为了避免这种情况, 用一个管子连接气缸盖罩和进气道, 以便燃烧通风空气。该管可以使用带槽软管接头、螺纹管接头或快换接头来连接。气缸盖罩内的挡油板或过滤器用来尽量避免机油流向进气道。气缸盖罩的另一功能是充当机油加注口。这种结构可以简单至一个孔, 在其中拧入机油加注口盖即可；也可以是更加复杂的注油管。气缸盖罩还可以作为传感器安装支座, 包括凸轮轴位置和凸轮轴正时传感器。当然, 是否包括这些传感器取决于发动机的复杂程度。4.2设计考虑因素 在设计PA66气缸盖罩时, 必须考虑 到各种因素。以下段落将讨论材料相关 的考虑因素, 密封及NVH（噪声, 振动和声振粗糙度）, 这些都会对采用PA66的成功气缸盖罩设计产生影响。1）材料相关的考虑因素 所选材料的特性是首要设计考虑因素。PA66是一种热塑性塑料, 因此其特性会随着环境变化。使用增强材料可以减弱环境变化的影响, 但这种影响在某种程度上仍会发生。 这些环境因素中最重要的是温度。对于泛达R533H（PA66，33GF）等典型气缸盖罩材料, 在从23C移至150C的环境时其强度将损失一半。这种特性下降对于所有聚合材料都是正常的, 应该在设计过程的开始阶段予以考虑。另外两个环境因素是老化及与机油接触。泛达R533H等产品中的稳定剂体系使得这些材料在长期高温下特性不会有显著变化。尼龙66在机油中也非常稳定, 但它确实存在塑化效应。根据具体的接触情况, 材料特性通常将降低10%到20%。蠕变通常表现为载荷或应力松弛下的变形。它是压紧力和螺栓载荷的主要问题, 并且在温度的共同作用下, 还需更多考虑这种因素。与材料相关的因素应该在设计的早期阶段解决。在有限元分析中结合使用信息时, 可以在各调整级别考虑材料特性。如果使用了数据表特性但未考虑调整级别, 将导致最终零件失效。2）密封 设计气缸盖罩的密封系统时, 压缩永久变形和密封力保持性能是两大考虑要素。密封系统的压缩永久变形对于保持紧固件的压紧力非常重要。密封力保持性能是在气缸盖罩与气缸盖相对运动的条件下保持密封的能力。 目前, 有四种材料用于密封气缸盖罩。 第一种材料即室温硫化（RTV）硅橡胶目前已很少使用了。在早期的PA66气缸盖罩中, 该密封系统最为普遍。RTV是一种硅橡胶, 在涂敷时为液态。与空气接触后, 这种材料会固化形成一个衬垫。RTV具有卓越的压缩永久变形和密封力保持性能。主要缺点是在固化过程中排放挥发性有机化合物（VOC）, 以及需要在发动机装配过程而不是之前涂敷RTV。目前最为广泛采用的系统是VMQ合成橡胶。VMQ是一种成型硅橡胶, 温度范围非常宽泛。但是, 其密封力保持性能差并且通常会渗油是人所共知的。为了弥补VMQ的不足, 人们采用了乙烯-丙烯酸酯橡胶（AEM）。AEM具有 优异的密封和高温特性。然而在低温下这种材料会变硬, 导致密封不良。有时还会采用聚酰胺橡胶（PA）。 PA与VMQ相比具有较低的机油溶胀性和均衡的特性。PA在低温下同样表现不佳并且会泄漏。3）噪声、振动和声振粗糙度 (NVH)当今的客户期望他们的汽车噪声更小, 并且法规要求更低的驾驶噪声级别。 因此, 在气缸盖罩设计中, 噪声、振动和声振粗糙度（NVH）是一个重要问题。PA66较之于它所取代的金属具有更低的硬度和密度, 因而会削弱降噪功能。人们可以通过声学分析来找出有噪声问题的区域, 通常这些问题可以通过为零件增加加强筋或轮廓以提高其表观模量来解决。另一种降低噪声的方法是将气缸盖罩隔离。通常, 我们考虑将气缸盖罩 紧密地安装到气缸盖上。这样, 所有噪声都将从发动机传递至气缸盖罩。通过使用带肩螺栓和橡胶垫圈隔离摇臂罩, 可以显著减少噪声传递。4.3具体尺寸汽缸盖罩长为367mm，宽为205mm，拉深高度为47mm左右。6个14mm螺栓孔和一个加油口都是位于平行于底面的平面上,具体详细尺寸见图纸。5配气机构5.1 配气机构的作用及要求5.1.1 配气机构的功用配气机构是完成换气过程，根据发动机气缸的工作循环次序，定时地开启和关闭进、排气门，不断的用新鲜的气体来气缸内上一循环的的废气。5.1.2 配气机构的要求对于一个正常工作的配气机构应该具有如下的要求：1 进、排气门的时间足够大，泵气损失小，配气正时恰当，在排气过程中能较好的排出废气，进气过程中能吸入较多的新鲜空气，因而使发动机具有较高的充量系数和合适的扭矩特性。2 振动、噪声较小，并且工作可靠和耐磨。3 结构简单、紧凑。4 为了减轻惯性负荷，使配气机构运动零件的质量减到最小。5.2 配气机构采用的新技术配气机构的作用是根据内燃机工况的需要适时适度地开闭进排气门，对气缸进行换气。目前广泛采用的是气门凸轮式配气机构，它具有保证气缸密封性的优点。气门凸轮式配气机构按气门布置分侧置气门和顶置气门机构。现代发动机配气机构采用的技术主要有以下三方面：顶置凸轮轴技术，多气门技术，可变配气定时及气门升程技术。5.2.1 顶置凸轮轴技术顶置气门配气机构，内燃机的充气系数较高，燃烧室比较紧凑，内燃机有较好的性能指标，是侧置气门机构所不能达到的，故侧置气门机构已被淘汰。顶置气门配气机构又由凸轮轴的放置位置分成凸轮轴下置型和顶置凸轮轴型。绝大部分发动机采用凸轮轴下置型，但这种机构高速运转时产生较大的惯性力和振动及噪声，消耗较大的动力。目前的趋向是把凸轮轴放在气门上方，省去了推杆、挺柱，称顶置凸轮轴型(OHC)；还有些机构将顶置凸轮轴放在气门室罩里，凸轮直接作用于气门上，这种机构省去了摇臂，高速时气门工作良好，零件惯性力极小，工作平稳。顶置凸轮轴型(OHC)又可分成SHOC型和DHOC型。前者只用一根凸轮轴来驱动进、排气门；而后者采用两根凸轮轴来分别驱动进、排气门。这种结构适用于进、排气门呈V形排列的内燃机。凸轮轴的传动类型有三种：正时齿轮传动、正时链轮传动和驱动带传动。其中，正时齿轮传动主要用于要求长寿命和大载荷的内燃机，如船用、商用车和赛车内燃机；正时链轮传动，广泛应用于轿车内燃机，一般来说，它比正时齿轮传动机构噪音小；驱动带传动或齿形带传动是最新出现的传动方式，主要用于顶置凸轮轴内燃机上。5.2.2 多气门技术配气机构的最新发展是改善燃料经济性，其关键在于如何提供更多的新鲜空气，多气门内燃机很早就己经出现了，但仅用于赛车，目的是减轻排气门的热负荷和机械负荷，但并未能在内燃机制造业得到推广。意大利布加奇公司首先创出具有四个排气门和一个进气门的内燃机。促进多气门内燃机产量迅速提高的原因在于自动控制技术的快速发展和生产的工艺水平越来越高，可以充分发挥多气门配气方案的优越性，保证内燃机在整个负荷和速度范围内形成最佳混合气，并适时适度送入气缸。多气门内燃机优点很明显，如用两个进气门取代一个进气门，流通截面加大30%左右，可大大改进充气系数。因此，多气门内燃机可以提高功率。四气门内燃机曲轴在中低转速范围内，扭矩一般比二气门内燃机大10%15%，高转速范围内大10%20。多气门内燃机不仅可以提高内燃机功率，还可以降低燃油消耗，减少排污。据分析，四气门内燃机燃油消耗比二气门内燃机燃油消耗低%68%。多气门内燃机的优越性是二气门内燃机无法比拟的。因而，世界各国的内燃机制造业都将生产转向多气门内燃机的制造。船用内燃机则多为四气门配气机构，如PA6，620等船用机。由于新的设计技术和加工技术的应用，不仅研制新内燃机时间短、投产快，而且生产周期也短。90年代日本多气门内燃机有了很大的发展，几乎所有的新内燃机系列都是多气门内燃机。美国几大公司于1990.1991年已开始并正在大量生产多气门内燃机。多气门配气方式是配气机构发展的大势所趋。5.2.3 可变气门正时配气机构(VVA)常规内燃机配气相位都是按内燃机性能要求，通过试验确定某一转速和负荷条件下较为适合的配气相位，自然只达到一种转速最为有利。然而为了在更大的曲轴转速范围内提高功率指标，降低燃料消耗，现代多气门内燃机气门开启相位可以改变、升程也可以改变，称作可变气门运动配气机构(VVA)。通过这套机构对配气过程的调节和控制，低、中转速时，活塞运动速度低，气流动力学特性差，因而要求“缩小”相位重叠角，以减少工作混合气倒流，保证低、中转速时扭矩曲线形状较好，可显著地降低燃油消耗率。在中高转速时，活塞运动速度快，气流动力学特性好，因而要求“放大”相位重叠角，废气排放彻底，进气量充分可相应增加内燃机扭矩。显然，采用这一机构，可以提高内燃机性能、降低污染、改善怠速性能。目前，可变气门正时配气系统，大致可分成两种形式，一种称为可变凸轮相位的配气机构(WT)，另一种称为可变配气正时及气门升程的配气机构(WT&WL)。当今内燃机配气机构的发展趋向是，在排量不变的前提下，提高内燃机性能指标。不论是多气门配气机构还是在此基础上演化而来的可变气门运动配气机构，其基本出发点都是，在更大范围内使内燃机动力指标、经济指标和生态指标等达到最优，这是传统配气机构无法完成的。5.3 总布置设计5.3.1 气门的布置形式5.3.1.1 气门顶置式配气机构气门顶置式配气机构应用广泛，其进气门和排气门都倒挂在气缸顶上。发动机工作时，曲轴通过定时齿轮驱动凸轮轴旋转。当凸轮轴转到凸轮的凸起部分顶起挺柱时，通过推杆和调整螺钉使摇臂绕摇臂轴摆动，压缩气门弹簧，使气门离座，当凸轮凸起部分离开挺柱后，气门便在气门弹簧的作用下落座，即气门关闭。四冲程发动机每完成一个工作循环，曲轴旋转两周，各缸的进、排气门各开启一次，此时凸轮轴只旋转一周。曲轴与凸轮轴转速比为2：1。在此，选用气门顶置式配气机构。5.3.1.2 凸轮轴的布置形式凸轮轴位于曲轴箱内的配气机构称为凸轮轴下置式配气机构。凸轮轴下置式配气机构的主要优点是凸轮轴离曲轴近，可以简单地用一对齿轮传动，缺点是零件多，传动链长，整机机构的刚度差。在发动机高速时，可能破坏气门的运动规律和气门的定时启闭。在此，选用凸轮轴下置式配气机构。5.3.1.3 凸轮轴的传动方式凸轮轴下置、中置的配气机构大多采用圆柱形定时齿轮传动。一般曲轴与凸轮轴之间的传动只需一对定时齿轮，必要时加装中间齿轮。为了啮合平稳，减小噪声，定时齿轮多采用斜齿轮。在中小功率发动机上，曲轴定时齿轮用钢来制造，而凸轮定时齿轮则用铸铁或夹布胶木制造，以减小噪声。在此，选用齿轮传动。5.3.1.4 每缸气门数及其排列方式一般发动机都采用每缸量气门，即一进一排的结构。为了进一步改善气缸的换气，在可能的情况下，应尽量加大气门的直径，特别是进气门的直径。但是，由于燃烧室尺寸的限制，气门直径最大一般不能超过气缸直径的一半。当气缸直径较大，活塞平均速度较高时，每缸一进一排的气门机构就不能保证良好的换气质量。因此，可采用4气门，甚至5气门的机构，采用这种结构后，进气门总的通过面积较大，充量系数较高，排气门的直径可适当减小，使其工作温度相应降低，提高了工作可靠性。此外，采用四气门后，还可适当减小气门升程，改善配气机构的动力性，多气门的汽油机还有利于改善HC与CO的排放性能。当每缸用两个气门时，为使结构简化，大多数采用气门沿机体纵向轴线排成一列的方式。这样，相邻两缸的同名气门就有可能合用一个气道，这样有助于气缸盖冷却均匀。柴油机的进、排气道一般分置于机体的两侧，以免排气对进气加热。在此，采用两气门沿凸轮轴轴线成一列的方式。5.3.1.5 气门间隙发动机工作时，气门将因温度的升高而膨胀。如果气门及其传动件之间在冷态时无间隙或间隙过小，则在热态下，气门及其传动件的受热膨胀势必引起气门关闭不严，从而使功率下降，严重时不易启动。气门间隙的大小一般由发动机制造厂根据试验确定。在冷态时，进气门的间隙一般为0.230.3mm，排气门的间隙为0.3