混合动力车车用小排量发动机的主体虚拟样机的三维视图 毕业论文.doc

第1章 绪论第1章 绪 论1.1 发动机概述1.1.1 发动机定义及发展发动机(engine)是将某一种形式的能量转换为机械能的机器。发动机为汽车提供动力。广泛应用于交通运输机械、农业机械、工程机械和发电机组等各个方面。1876年德国人奥托(nicolaus a.otto)在大气压力式发动机基础上，发明了复活塞式四冲程汽油机，由于采用了进气、压缩、做功和排气四个冲程，发动机的热效率从大气压力式发动机的11%提高到14%，而发动机的质量却降低了70%。1892 年德国工程师狄塞尔(rudolf diesel)发明了压燃式发动机(即柴油机)，实现了内燃机历史上的第二次重大突破。由于采用高压缩比和膨胀比，热效率比当时其他发动机又提高了1倍。1956年，德国人汪克尔(f.ankel)发明了转子式发动机，使发动机转速有较大幅度的提高。1926 年，瑞士人布希(a.buchi)提出了废气涡轮增压理论，利用发动机排出的废气能量来驱动压气机，给发动机增压。50 年代后，废气涡轮增压技术开始在车用内燃机上逐渐得到应用，使发动机性能有很大提高，成为内燃机发展史上的第三次重大突破。 1967 年德国博世(bosch)公司首次推出由电子计算机控制的汽油喷射系统(electronic fuel injection，efi)，开创了电控技术在汽车发动机上应用的历史。经过 30年的发展，以电子计算机为核心的发动机管理系统(engine management system，ems)已逐渐成为汽车、特别是轿车发动机上的标准配置。由于电控技术的应用，发动机的污染物排放、噪声和燃油消耗大幅度地降低，改善了动力性能，成为内燃机发展史上第四次重大突破。 20 世纪 50年代中期，我国有了自己成批制造的汽车发动机ca10型六缸 5.56l 汽油机，用于解放牌 ca10 型中型货车上。在以后的 20 年中，又成批制造了跃进 nj70 型六缸 3.5l 汽油机、东风 eq6100 型六缸 5.42l 汽油机和黄河 6135q 型六缸 12l 柴油机等。轿车用发动机有红旗 8v100型 5.6l 汽油机和上海 680q型 2.23l 汽油机。改革开放以后，随着汽车工业的高速发展，我国先后从发达国家引进生产了一批较为先进的汽车发动机。如从意大利引进sofim 8140系列四缸2.5l柴油机；从美国引进cummins6bt5.9系列六缸 5.8l 柴油机；从奥地利引进 steyr wd615系列六缸 9.72l柴油机等。此间，对原有一些产品改进和更新。同时，我国自主开发和研制了一批具有较先进水平的车用发动机，如 yc6105q 型 6.5l 柴油机、6110a 型 6.8l 柴油机和 x6130 型 11.95l柴油机等。用于桑塔纳 2000gli型轿车上的 afe 型 1.8l 电控汽油喷射发动机已批量生产。1998 年 3 月问世的 air 型 1.8l 无分电器电控汽油喷射发动机使我国制造轿车发动机的水平提高到一个新的台阶。 1.1.2 发动机的分类 发动机是汽车的动力源。汽车发动机大多是热能动力装置，简称热力机。热力机是借助工质的状态变化将燃料燃烧产生的热能转变为机械能。 热力机分内燃机和外燃机两种。直接以燃料燃烧所生成的燃烧产物为工质的热机为内燃机，反之则为外燃机。内燃机包括活塞式内燃机和燃气轮机。外燃机则包括蒸汽机、汽轮机和热气机(也称斯特灵发动机)等。内燃机与外燃机相比，具有结构紧凑、体积小、质量轻和容易启动等优点。因此，内燃机尤其是活塞式内燃机被广泛地用作汽车的动力装置。 活塞式内燃机按不同的特征分类【1】 (1)按活塞运动方式的不同，分为往复活塞式和旋转活塞式两种。前者活塞在汽缸内做往复直线运动，后者活塞在汽缸内做旋转运动。旋转活塞式发动机也称转子发动机。(2)根据所用燃料种类的不同，分为汽油机、柴油机和气体燃料发动机三类。以汽油或柴油为燃料的活塞式内燃机分别称作汽油机或柴油机。使用天然气、液化石油气和其他气体燃料的活塞式内燃机称作气体燃料发动机。 (3)按冷却方式的不同，分为水冷式和风冷式两种。以水或冷却液为冷却介质的称为水冷式内燃机，而以空气为冷却介质的则称为风冷式内燃机。 (4)按在一个工作循环期间活塞往复运动的行程数，分为四冲程和二冲程发动机。在一个工作循环中活塞往复四个行程的内燃机称作四冲程往复活塞式内燃机，而活塞往复两个行程完成一个工作循环的则称作二冲程往复活塞式内燃机。 (5)按进气状态不同，分为增压和非增压两类。若进气是在接近大气状态下进行的，称作非增压内燃机或自然吸气式内燃机；若利用增压器增高进气压力，进气密度增大，则称作增压内燃机。 (6)根据汽缸布置形式的不同，分为l型(直列式)发动机、v 型发动机、w 型发动机、斜置式发动机和对置式发动机等。1.2混合动力电动车技术的发展概况世界第一辆由汽油机与电动机组合的混合动力汽车（hybird vehicle）于1899年由费迪- 保时捷研制成功。但由于受其他技术（如电动机、电池和控制等）发展的制约，加上环境、能源问题未被引起足够重视等，使混合动力汽车技术在其后的几十年里未被重视。直到近十几年才引起世界各大汽车公司的重视。日本大发工业公司曾于1970年展出过轻型乘用混合动力车。混合动力汽车技术引起重视的时间大约是1990年前后，近10余年来已推出了乘用车，载货车，大小客车等各种车型的混合动力电动汽车。混合动力汽车指携带有不同动力源的，可根据汽车的行驶需要，同时或分别使用不同的动力源而行驶的汽车。混合动力电动汽车（hev）是在目前还找个到型想的高质量比能量和质量比功率的车载电源之前，电动汽车的发展暂时受到阻挠而发展起来的新型车型，恤既是一种过渡型车型，也是种独大型午型，在21世纪hev将会得到迅速的发展hev既要用发动机作为动力，又要对发功机的节能和环保作出种种限制，使发动机的燃料消耗降低到最低使发动机的有害气体的徘放达到“超低污染”标难的要求。要用发动机的动力来保证hev正常行驶时所需要的基本动力：采用控制发动机转速范围降低发动机的最高转速、保持发动机稳定均衡地运转、并采取“开关”的控制方式，使发动机避开起动、怠速和转速突然变化时，燃料燃烧个完全而引起的燃料经济性降低和增加有害废气的排放从而控制发动机始终处于最佳状态下运转。另外，hev还可以广泛地采用转了发动机、燃气轮机,斯特林发动机作为hev的发动机。hev上是以电动机驱动作为发动机驱动的辅助动力，但又必须对电池组的质量和整车的整备质量进行限制，以减轻hev的总质量。因此，一般电动/发电机只是在hev发动机启动、车辆起动、加速成爬坡时起作用：电动发电机又是发动机的飞轮起调节发动机输出功率作用。电功发电机还起发电机的作用，将发动机的动能转换为电能，储存到电池组中去，在hev下坡或制动时，将汽车惯性动能转换为电能，储存到电池组中去。因此，hev有了电动机的辅助作用，就可以使hev达到节能和“超低污染”的要求。hev能够充分利用内燃机汽车的生产技术和生产工艺，现有的汽车制造厂只需添加些工装设备就完全可以用于生产hev。hev不需要另外建立燃料的储存、运输、添加等装置、可充分利用现成的加油站。hev也不需要另外建立保养、维修等后勤服务体系。因此深受汽车制造公司的赏识，从20世纪90年代起，全世界又掀起研究开发和制造hev的竞争热潮。21世纪hev有可能成为汽车工业的主导产品。1.3混合动力电动车技术的优点和发展前景现在全球都面临着环境污染，石油资源枯竭的威胁，而内燃机汽车(icev)是造成这种危机的重要原因之一，内燃机汽车不仅消耗石油资源，而且还排放出co2 、nox 和co 等有害物质。然而内燃机汽车的保有量一直在持续增长，目前已经达到8.2亿辆。节约石油能源、减排温室气体和保护大气环境是传统汽车工业面临的三大挑战。应对挑战，世界各大汽车公司和有关研究机构都在积极开展节能和新能源汽车的研究，其中重点的研究内容就是电动汽车。汽车发展趋势的传统观点认为，内燃机汽车最终会被燃料电池汽车替代。纯电动汽车、清洁柴油和替代燃料的研究进展, 使汽车的发展趋势变得多样化。但是由于电池的性能和价格的制约,bev 一直没有实现商业化;由于燃料电池的性能、寿命和成本的影响,fcv 的商业化还有很长的路要走;在现阶段,利用电网充电的插电式混合动力汽车（phev）技术可能成为一种成本低、容易实现,可以长期使用的过渡性电动汽车的解决方案。插电式混合动力汽车单独依靠电池就能行使较长的距离，需要的时候仍可以像通常的混合动力汽车一样工作。如一辆完全靠电池行驶的phev 可行驶60km，超过60km后可以转入混合动力模式。到了目的地，再插入外接电源对电池充电。p h e v 具有很多优势：首先p h e v 有纯电动汽车的全部优点，可利用晚间低谷电对电池充电，改善电厂的机组效率，节约能源；减少温室气体和各种有害物的排放；降低对石油燃料的依赖，减少石油进口，增加国家能源的安全；如果是在城市内行驶，距离较短，就可以不使用汽油；可以利用外部公网对车载电池组充电，而用电比石油价钱便宜，可降低车辆的使用成本。由于phev 有这些优点，使phev成为了混合动力汽车研究的重要发展方向。1.4本章小结汽车已成为当今人类社会不可缺少的交通工具，它对人类社会的进步产生了不可替代的巨大推动作用。但同时也面临着来自环境保护、能源短缺、道路交通事故等方面越来越严峻的挑战，并带来了一系列负面效应。随着汽车保有量的增长，石油的供应日趋紧张，汽车研发和制造行业必须加大对汽车新能源的研究和开发的力度。由于混合动力汽车具有突出的优势，特别是在环保方面的优势，使得混合动力汽车的开发和研究成为各国开发绿色汽车的主流。混合动力汽车使用的能源是可以用于发电的一切能源。因此使用混合动力汽车可以摆脱汽车对化石燃料的依赖，改善能源结构，使能源供给多样化，使能源的供给得到有效保障。混合动力汽车在解决道路交通事故方面和传统汽车相比也具有一定优势。因此，开发混合动力汽车是迎接汽车面临挑战的重要对策之一。53第2章 混合动力车发动机工作原理第2章 混合动力车发动机工作原理2.1发动机工作原理往复活塞式内燃机所用的燃料主要是汽油(gasoline)或柴油(diesel)。由于汽油和柴油具有不同的性质，因而在发动机的工作原理和结构上有差异。 汽油机是将空气与汽油以一定的比例混合成良好的混合气，在进气行程被吸入汽缸，混合气经压缩点火燃烧而产生热能，高温高压的气体作用于活塞顶部，推动活塞作往复直线运动，通过连杆、曲轴飞轮机构对外输出机械能。四冲程汽油机在进气行程、压缩行程、做功行程和排气行程内完成一个工作循环。 以汽缸容积 v为横坐标、汽缸内气体压力p为纵坐标构成示功图(如图2-1所示)，表示活塞在不同位置时各个行程中p与v的变化关系。【2】图2.1图2-1 汽油机p、v图下面结合示功图来说明汽油机的工作过程。 (1)进气行程(intake stroke) 活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点。此时进气门开启，排气门关闭，曲轴转动180。在活塞移动过程中，汽缸容积逐渐增大，汽缸内气体压力从pr 逐渐降低到pa，汽缸内形成一定的真空度，空气和汽油的混合气通过进气门被吸入汽缸，并在汽缸内进一步混合形成可燃混合气。由于进气系统存在阻力，进气终点(图中a点)汽缸内气体压力小于大气压力p0，即pa = (0.800.90)p0。进入汽缸内的可燃混合气的温度，由于进气管、汽缸壁、活塞顶、气门和燃烧室壁等高温零件的加热以及与残余废气的混合而升高到 340400k。在示功图上，进气行程为曲线 r-a。 (2)压缩行程(compression stroke) 压缩行程时，进、排气门同时关闭。活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动 180。活塞上移时，工作容积逐渐缩小，缸内混合气受压缩后压力和温度不断升高，到达压缩终点时，其压力 pc可达 8002 000kpa，温度达 600750k。在示功图上，压缩行程为曲线 ac。 (3)做功行程(power stroke) 当活塞接近上止点时，由火花塞点燃可燃混合气，混合气燃烧释放出大量的热能，使汽缸内气体的压力和温度迅速提高。燃烧最高压力pz达3 0006 000kpa，温度tz达2 2002 800k。高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动，并通过曲柄连杆机构对外输出机械能。随着活塞下移，汽缸容积增加，气体压力和温度逐渐下降，到达 b 点时，其压力降至 300500kpa，温度降至 1 2001 500k。在做功行程，进气门、排气门均关闭，曲轴转动 180。在示功图上，做功行程为曲线 c-z-b。 (4)排气行程(exhaust stroke) 排气行程时，排气门开启，进气门仍然关闭，活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动180。排气门开启时，燃烧后的废气一方面在汽缸内外压差作用下向缸外排出，另一方面通过活塞的排挤作用向缸外排气。由于排气系统的阻力作用，排气终点 r 点的压力稍高于大气压力，即pr=(1.051.20)p0。排气终点温度 tr=9001100k。活塞运动到上止点时，燃烧室中仍留有一定容积的废气无法排出，这部分废气叫残余废气。在示功图上，排气行程为曲线 b-r。 2.2混合动力车的工作原理混合动力电动汽车的动力系统主要由控制系统、驱动系统、辅助动力系统和电池组等部分构成。以串联混合动力电动汽车为例，介绍一下混合动力电动汽车的工作原理。 在车辆行驶之初，蓄电池处于电量饱满状态，其能量输出可以满足车辆要求，辅助动力系统不需要工作。电池电量低于60时，辅助动力系统起动：当车辆能量需求较大时，辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量； 当车辆能量需求较小时，辅助动力系统为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。由于蓄电池组的存在，使发动机工作在一个相对稳定的工况，使其排放得到改善。混合动力汽车采用能够满足汽车巡航需要的较小发动机，依靠电动机或其它辅助装置提供加速与爬坡所需的附加动力。其结果是提高了总体效率，同时并未牺牲性能。混合动力车设计成可回收制动能量。在传统汽车中，当司机踩制动时，这种本可用来给汽车加速的能量作为热量被白白扔掉了。而混合动力车却能大部分回收这些能量，并将其暂时贮存起来供加速时再用。当司机想要有最大的加速度时，汽油发动机和电动机并联工作，提供可与强大的汽油发动机相当的起步性能。在对加速性要求不太高的场合，混合动力车可以单靠电机行驶，或者单靠汽油发动机行驶，或者二者结合以取得最大的效率。比如在公路上巡航时使用汽油发动机。而在低速行驶时，可以单靠电机拖动，不用汽油发动机辅助。即使在发动机关闭时电动转向助力系统仍可保持操纵功能，提供比传统液压系统更大的效率。【3】2.3本章小结本节主要介绍常用汽油机发动机工作原理以及混合动力车的基本组成和基本工作原理。第3章 发动机的总体构造及主要参数第3章 发动机的总体构造及主要参数3.1发动机的总体构造发动机是一部由许多机构和系统组成的复杂机器。发动机的类型各不相同，但其基本构造相似。通常，汽油机由两大机构五大系统组成，柴油机由两大机构四大系统组成(无点火系)。 下面以图3-1为例，介绍四冲程汽油机的一般构造。【4】 图3-1 四冲程汽油机的一般构造第3章 发动机的总体构造及主要参数(1)机体组(engine body) 发动机的机体组包括汽缸盖 3、汽缸盖罩盖、汽缸垫 4、汽缸体 17及油底壳12等。在进行结构分析时，常把机体组列为曲柄连杆机构。 (2)曲柄连杆机构(crankshaft and connecting rod system) 曲柄连杆机构包括活塞 9，连杆总成 10，曲轴 14和飞轮等。这是发动机借以产生动力，并将活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动而输出动力的机构。 (3)配气机构(valve system) 配气机构包括进气门、排气门、液力挺杆总成、凸轮轴 18、凸轮轴正时齿轮 2、曲轴正时齿轮、正时传动带 5。其作用是将可燃混合气更多地充入汽缸并及时从汽缸排出废气。 (4)燃料供给系统(fuel system) 燃料供给系统包括汽油箱、汽油泵、汽油滤清器、油管、空气滤清器、喷油器(或化油器)、进气歧管、排气歧管、排气消声器等。其作用是根据发动机各种工况要求，配制具有一定数量和浓度的可燃混合气供入汽缸，并将燃烧生成的废气排出发动机。 (5)点火系统(ignition system) 点火系统包括电源(蓄电池和发电机)、分电器、点火开关、点火线圈、火花塞等。其作用是保证按规定时刻及时点燃汽缸中被压缩的可燃混合气。 (6)冷却系统(cooling system) 冷却系统主要包括水泵、散热器、风扇、节温器、水温表以及汽缸体17 和汽缸盖3 里铸出的水套等。其功用是散发受热机件的热于大气之中，以保证发动机在最适宜的温度下工作。 (7)润滑系统(lubrication system) 润滑系统包括油底壳12、机油集滤器、机油泵、限压阀、润滑油道及油管、油温和油压传感器、油温和油压表、油标尺 15 等。润滑系统的功用是将润滑油不断地供给作相对运动的零件以减少它们之间的摩擦阻力，减轻机件的磨损，并部分地冷却摩擦零件，清洗摩擦表面。 (8)启动系统(starting system) 包括启动机、冷启动加热器及其附属装置，用以使静止的发动机启动并转入自行运转。3.2发动机主要参数3.2.1发动机主要结构参数车辆发动机的主要结构参数，是指决定发动机总体尺寸的参数【4】，主要包括以下四个参数：(1) 活塞冲程与气缸直径比；(2) 曲柄半径与连杆长度之比；(3) 气缸中心距与缸径之比；(4) v形发动机的气缸夹角3.2.1.1活塞冲程与气缸直径比活塞冲程与气缸直径之比s/d是决定发动机的基本尺寸(缸径与冲程)的主要参数【5】。发动机有效功率 （3-1）式中 为发动机的有效功率（kw）； 为发动机的平均有效压力（mpa）； 为汽缸的工作容积（l）； 为发动机的汽缸数目； 为发动机的转速（r/min）； 为发动机的行程数；气缸工作容积 （3-2）由气缸工作容积公式知同一的位可以由不同的缸径d和冲程s组合而成。要正确定出s与d值，必须正确选择活塞冲程与气缸直径之比。这一参数的选择对发动机有重大影响。当工作容积一定时，采用较小的s/d值具有以下优点：(1)可以相应地提高发动机曲轴转速而不致于使活塞平均速度超过许可值，这样可以提高升功率。(2)对于v形发动机来说，可以减小外形尺水井相应减轻重。因为对v形发动机说、发动机的长度主要取决于曲轴长度与轴颈载荷，因此可降低高度和进度而不致波长度增加。(3)由于发动机曲柄个径减小，曲轴直径与连杆轴颈的重叠度便增大，因此曲轴的刚度、强度都增加。(4)由于发动机的缸径增大，气缸益上气道与配气机构的安排较容易，所以提高转速不仅不妨碍进气，而且由于气阀通道的加大还能改善抽汽条件。(5)由于气缸增大，散热面对气缸容积的比值减小，因而在燃烧过程中传给冷却水的热量减少，既改善了热量的利用，还可适当减少水冷式发动机的水散热器的尺寸。在确定好s与d 之后，可根据设计要求拟定其他几何尺寸。3.2.2发动机主要性能参数发动机的性能指标用来表征发动机的性能特点，并作为评价各类发动机性能优劣的依据。发动机的性能指标主要有：动力性指标、经济性指标、环境指标、可靠性指标和耐久性指标【5】。 3.2.2.1动力性指标 动力性指标是表征发动机做功能力大小的指标，一般用发动机的有效转矩、有效功率、发动机转速等作为评价指标。 (1)有效转矩 发动机对外输出的转矩称为有效转矩，记作 te，单位为 nm。有效转矩与曲轴角位移乘积即为发动机对外输出的有效功。 (2)有效功率 发动机在单位时间对外输出的有效功称为有效功率，记作 pe，单位为kw。它等于有效转矩与曲轴角速度的乘积。发动机的有效功率可以用台架试验方法测定，也可用测功器测定有效转矩和曲轴角速度，然后用如下公式计算出发动机的有效功率 （3-3）式中 有效转矩(nm)； n曲轴转速(r/min)； (3)发动机转速 发动机曲轴每分钟的回转数称为发动机转速，用 n表示，单位为 r/min。 发动机转速的高低，关系到单位时间内做功次数的多少或发动机有效功率的大小，即发动机的有效功率随转速的不同而改变。因此，在说明发动机有效功率大小时，必须同时指明其相应的转速。在发动机产品标牌上规定的有效功率及其相应的转速分别称作标定功率和标定转速。发动机在标定功率和标定转速下的工作状况称作标定工况。标定功率不是发动机所能发出的最大功率，它是根据发动机用途而制定的有效功率最大使用限度。同一种型号的发动机，当其用途不同时，其标定功率值并不相同。 有效转矩也随发动机工况而变化。因此，汽车发动机以其所能输出的最大转矩及其相的转速作为评价发动机动力性的一个指标。 3.2.2.2 经济性指标 发动机经济性指标一般用有效燃油消耗率表示。发动机每输出1kwh的有效功所消耗的燃油量(以g为单位)称为有效燃油消耗率，记作be，单位为g/ (kwh)。be可按下式计算： （3-4） 式中 b发动机在单位时间内的耗油量(kgh)，可由试验测定； 发动机的有效功率(kw)； 显然，有效燃油消耗率越低，经济性越好。 3.2.2.3环境指标 环境指标主要指发动机排气品质和噪声水平。由于它关系到人类的健康及其赖以生存的环境，因此各国政府都制定出严格的控制法规，以期削减发动机排气和噪声对环境的污染。当前，排放指标和噪声水平已成为发动机的重要性能指标。 排放指标主要是指从发动机油箱、曲轴箱排出的气体和从汽缸排出的废气中所含的有害排放物的量。对汽油机来说主要是废气中的一氧化碳(co)和碳氢化合物(hc)含量；对柴油机来说主要是废气中的氮氧化物(nox)和颗粒(pm)含量。通过发动机台架试验，采用专门的测试设备，按有关标准制订的测试方法测得这些含量。 3.2.2.4可靠性指标和耐久性指标 可靠性指标是表征发动机在规定的使用条件下，在规定的时间内，正常持续工作能力的指标。可靠性有多种评价方法，如首次故障行驶里程、平均故障间隔里程等。 耐久性指标是指发动机主要零件磨损到不能继续正常工作的极限时间。通常用发动机的大修里程，即发动机从出厂到第一次大修之间汽车行驶的里程数来衡量。大修里程的长短与发动机的结构特点、强化程度、零件的材料及加工精度以及使用条件等诸多因素密切相关。 3.2.2.5发动机速度特性 汽车发动机的工况能在很广泛的范围内变化。当发动机的工况(即功率和转速)发生变化时，其性能(包括动力性、经济性、排放性和噪声等)也随之改变。发动机性能指标随调整状况及运行工况而变化的关系称为发动机特性。利用特性曲线可以简单而又方便地评价发动机性能。 3.3本章小结本节主要介绍发动机的总体结构以及各种参数的概念和怎样选取，为以后的设计工作打下基础。第4章 总体方案设计第4章 总体方案设计4.1汽油机结构形式的设计 4.1.1汽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、平稳性及制造使用成本都有很大影响。目前小轿车各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缸机或八缸机。至于气缸布置，不超过6缸的内燃机绝大数是单列的，单列式发动机结构简单，工作简单，成材本低，使用维修方便，能满足一般要求，而且以各气缸线所在平面与地面垂直居多【6】。结合国内制造使用成本，生产条件及运转平衡性等，初步选用直列4缸机。目前汽车发动机多采用直列4缸、6缸和v型8缸的结构。根据现有的国产汽油发动机的功率和汽缸数目的匹配关系，设计1.3升的汽油发动机，所要匹配的汽缸数目定为直列4缸机。4.1.2冷却方式常用的冷却方式有水冷和风冷两种，水冷式发动机由于冷却较好而且均匀，强化的潜力要比风冷式发动机大，因此在汽车发动机上至今大多数还是水冷式发动机。参考文献5在条件相同时，主要由于充量系数的差别，水冷机比风泠机高5%10%。此外风冷发动机功率和燃料消耗受气温变化影响较大，不如水冷发动机指标稳定。综合以上各因素，本设计冷却方式选用水冷方式。4.2发动机结构参数的选取4.2.1汽缸直径的确定根据设计任务书要求，所要设计的汽油发动机的排量为1.3l；根据杨连生版内燃机设计1.3l发动机平均有效压范围大概取值为 ；活塞平均速度：15m/s 18m/s。根据内燃机学的基本计算公式： （4-1） 式中 发动机的有效功率（kw）；取=52.68kw 发动机的平均有效压力（mpa）；取=1.0mpa 汽缸的工作容积（l）； 发动机的汽缸数目 ，根据设计取值为4 发动机的转速（r/min）； 活塞的平均速度（m/s）；取12m/s 发动机活塞的行程（mm）； 发动机汽缸直径（cm）； 发动机的行程数，依题为4根据以上的条件代入公式得： （4-2）计算化简后取d=74mm 4.2.2缸径行程比s/d 参考内燃机设计（杨连生）s/d的取值范围在0.81.2之间，取s/d=1.03，则s=1.03d=1.0374=76.22，简化取s=76mm4.2.3转速n的确定转速r/min，取整r/min根据内燃机设计（杨连生），1.3l发动机转速在2500-6000r/min之间，符合要求。4.2.4汽缸工作容积气缸工作容积 （4-3）4.2.5曲柄半径与连杆长度之比的选取 曲轴半径mm，连杆长度由杆比，根据内燃机设计（杨连生），值范围为1/3.21/3.8。取=0.292，则mm，取整4.2.6缸心距的确定汽油机干缸套的缸心矩为1.12-1.24，所以初选1.19，得=116.06mm，取整=1164.2.7压缩比与燃烧室容积vc,总容积va根据内燃机设计（杨连生），取压缩比，由于+，气缸工作容积 将以上数值代入公式得： 4.3本章小结本节主要内容是设计发动机的总体方案，以及发动机各个参数的详细选取等。第5章 活塞组件设计第5章 活塞组件设计5.1活塞设计5.1.1活塞的材料制造活塞的材料应有小的密度、足够的高温强度、高的热导率、低的线胀系数以及良好的摩擦性能(减摩性和耐磨性)，常用材料为铝硅合金。共晶铝硅合金具有满意的综合性能，工艺性良好，应用最为广泛。过共晶铝硅合金中的初生硅晶体使耐热性、耐磨性改善，膨胀系数减小，但加工工艺性恶化。过共晶铝硅合金广泛用于高热负荷活塞。【7】5.2活塞主要尺寸设计 a）柴油机活塞 b）汽油机活塞 图5-1 常见活塞【7】表5-1 活塞比例尺寸比例汽油机柴油机0.350.600.500.800.61.000.901.400.40.800.500.900.040.100.120.200.220.300.300.405.2.1活塞高度hh=1d 选择h=74mm5.2.2压缩高度h1=0.5d选择h=37mm5.2.3火力岸高度hh=0.07d=5.18mm选取h=5mm5.2.4环带高度h3现代四行程发动机一般采用二道气环和一道油环。根据汽车发动机设计可知气环的厚度一般为2.03.0mm。环岸要求有足够的强度，使其在最大气压下不致被损坏。第一道环的环岸高度b1一般为1.52.5c（c指环槽高度），第二道环的环岸高度b2为12c。第一环岸高 c1=0.030.04d=0.0474=2.96mm 取3mm环高b1 为2.03.0mm取2.0mm环高b2 为2.03.0mm取2.0mm环高b3 油环为4.06.0mm取4.0mm环岸高c2 为2b1取4.0mmb1=2,b2=2, b3=4,c1=4, c2=4。则环带高度为h3=16mm5.2.5活塞顶部厚度为0.060.10d取=0.08d=5.92mm取整6mm。 5.2.6活塞侧壁厚度及内部过渡圆角活塞头部要安装活塞环，侧壁必须加厚，一般取（0.050.1）d，现取0.1d，厚度则为7.4mm，取整数则为7mm为改善散热状况，活塞顶与侧壁之间应该采用较大的过度圆角，一般取r=0.050.1d，则圆角半径取为7.4mm，取整数为r=7mm。5.2.7活塞销座间距b=0.35-0.40d取0.4则活塞销座间距为29.6mm，取整数为29mm。表5-2 有关活塞的尺寸设计结果名称数值单位压缩高度取h1 37mm环带高度h316mm火力岸高度h45mm总高度74mm壁厚6mm内圆直径d58mm外圆直径d72mm第一道环的环岸高度b12mm第二道环的环岸高度b22mm第一道环槽高度c14mm第二道环槽高度c24mm环槽深度8mm5.3活塞裙部及其侧表面形状的设计活塞裙部及其侧表面形状设计的关键，在于保证裙部有足够的贴切合面积和良好的润滑条件，以及保证发动机在不同工况下都具有最小的活塞间隙。5.3.1裙部椭圆（1）将裙部设计成椭圆。 （2）将销座附近的裙部外侧部位设计成凹陷状。裙部椭圆的规律【8】：为了使活塞在正常工作温度下于气缸壁之间保持右比较均匀的间隙，不至于在气缸内卡死或是引起局部磨损，必须在常温下预先把活塞裙部的横断面加工成椭圆形，其长轴垂直于活塞销轴线方向，其矩轴于长轴的差值视发动机的不同而不同，一般为0.080.025mm。为了视铝合金活塞在工作状态下（热态）接近一个圆柱形，害必须把活塞做成上小下大的近似圆锥形。其锥度视发动机的不同而不同，一般为0.050.1mm。实际取：对活塞下下部和头部取0.1mm；对活塞裙中部取0.08mm5.3.2配缸间隙为了视铝合金活塞在工作状态下（热态）接近一个圆柱形，害必须把活塞做成上小下大的近似圆锥形。其锥度视发动机的不同而不同，一般为0.050.1mm。活塞顶部间隙：0.240mm（活塞销中心平面内）；0.210mm垂直于活塞销中心线平面内活塞裙部间隙：0.09mm（活塞销中心平面内）；0.04mm垂直于活塞销中心线平面内5.4活塞销的设计活塞工作时顶部承受很大的大气压力，这些力通过销座传给活塞销，再传给连杆。因而活塞销座和活塞销的设计必须保证足够的强度、足够的承压面积和耐磨性。5.4.1活塞销的材料活塞销一般用低碳钢或低碳合金钢（如20cr）制造，经表面参碳淬火处理，以提高表面硬度，使中心具有一定的冲击韧性。表面需进行精磨和抛光。5.4.2活塞销与销座的结构设计d=（0.250.3）d=0.3d=22.2mm，取22mmd0=(0.60.79)d=0.6d=13.2mm，取14mm l=(0.80.9)d=0.9d=66.6mm， 取66mm活塞销外径d=22mm；活塞销内径d=14mm；活塞销长度l=66mm。5.4.3活塞销与销座的配合活塞顶所承受的气压力通过活塞销座和活塞销传给连杆。由于结构上的限制，活塞销的直径d不可能超过0.4d，活塞销的长度不可能超过0.85d，因此活塞销总的承压面积极为有限，还要在活塞销座与连杆小头衬套之间合理分配。所以，不论在销与销座之间，还是在销与连杆之间，承压面积都很小，表面比压很高。加上活塞销与销座或活塞销与连杆衬套之间相对运动速度很低，液体润滑油膜不易形成。在这种高压低速条件下，要保证可靠的液体润滑，配合副的工作间隙要尽可能小。经验表明，当活塞销与销座以及活塞销与连杆小头衬套之间的工作状态(热态)间隙在(13) 10-4d时，可以可靠工作。于是，在装配状态(冷态)，销与销座则有(13) 10-4d的过盈，以补偿铝合金活塞销孔在工作时较大的热膨胀。为了稳定地保持极小的间隙而又转动灵活，活塞销外圆、活塞销孔和连杆小头衬套孔都应有极高的加工精度。不但尺寸公差要严格，尤其要保证严格的圆柱度和表面粗糙度。如果尺寸公差偏大，而圆柱度和表面粗糙度值足够小，则可以按尺寸分组选配的办法保证配合副的理想间隙。5.5活塞环设计活塞与活塞环一起防止气缸内的高压气体下窜到曲轴箱，同时把很大一部分活塞顶接收的热量传给气缸壁，起这种作用的活塞环称为气环。此外，还设置专门的油环，在活塞下行时把气缸壁上多余的机油刮回油底壳，以减少上窜机油量。一般要求通过环组的窜气量不超过总进气量的0.5%，机油消耗量不超过燃油消耗量的0.5%。【8】 5.5.1活塞环的密封机理内燃机活塞组与气缸之间应用带开口的弹性金属环实现往复式密封。由于开口的存在，漏气通路不可能完全消除。为了防止大量漏气，一般采用多个活塞环形成随活塞运动的迷宫式密封。为减小活塞组与气缸之间的漏气通路，活塞环的外周面必须以一定的弹力与气缸壁紧密贴合，形成第一密封面。这样一来，缸内气体不能短路直接通过环周与气缸之间，而是进入环与环槽之间，一方面轴向不平衡力将环向环槽的侧面压紧，形成第二密封面，同时，作用在环背的气压力造成的径向不平衡力又大大加强了第一密封面。尽管环背气压力有时大大超过环本身弹力，但的作用仍是关键。如果降到零，即环周与缸壁之间出现缝隙(一般称为活塞环“漏光”)，第一密封面被破坏，气体就直接从缝隙处短路外泄，任何环背压力和fr都建立不起来。只要在整个环周上还剩下一个哪怕是很小的弹力，被密封气体就会自行帮助密封，而且要密封的气体压力越高，附加的密封力也越大。可以认为，具有这种自适应特性的简单环式密封系统，是往复活塞式内燃机有强大生命力的结构保证之一。必须指出，活塞组的密封作用不仅取决于活塞环，而且与活塞的设计有很大关系。活塞应保证活塞环工作温度不会过高。环带部分与气缸的间隙应尽可能小。环槽应加工精确，且在工作中不发生过大变形。环槽与环之间的间隙要合适。5.5.2气环的设计5.5.2.1气环的断面形状根据活塞环的密封机理，形状简单、加工方便的矩形(断面)环完全可以满足要求。但这种环磨合性较差，作用在活塞环上的力及其密封面密封性不理想。桶面环(如图)的外周面是直径等于缸径的球面的中段，其特点是能适应活塞的摆动，并且活塞上行和下行时均能在环的外周面上形成润滑油膜，摩擦面不易烧伤。环与气缸接触面积小，比压大，密封性好。桶面环广泛用作高速、高负荷的强化内燃机的第一环。【9】图5-2 常用的活塞环断面形状a)矩形环 b)桶面环 c)锥面环。d)梯形环 e)内切正扭曲环 f)锥面内倒角反扭曲环锥面环(图c)外周面具有很小的斜角(一般为3060)，它新装入气缸时与气缸线接触，磨合快，下行时有良好的刮油作用。安装时不能上下装反，否则使窜机油加剧。这种环适用于第二、三气环。梯形环(图d)两侧面夹角多为150左右。装这种环的活塞在气缸中工作时的侧向位移使环与环槽侧面间的间隙不断变化，可防止环槽中机油结胶甚至碳化，适用于热负荷较高的柴油机作为第一环。扭曲环(图e)采用内切或倒角造成断面相对弯曲中性轴不对称，使环装入气缸发生弯曲变形后发生不超过10的盘状正扭曲。它有与锥面环类似的作用，但加工容易些，不过扭曲环的扭曲角沿环周是不均匀的。反扭曲环(图f)工作时扭曲成盖子状，配合外圆的锥面，具有很强的密封性和刮油能力，常用于紧挨油环的那道气环。 5.5.2.2气环的尺寸参数 在保证密封的前提下，活塞环的数目应尽可能少，因为减少环数可缩小活塞高度，减轻活塞质量，减小发动机总高度，降低发动机摩擦损失。现代高速内燃机大多采用2道气环(另有1油环)，重型强化柴油机则用3道气环。气环的尺寸参数主要有环的径向厚度、轴向高度以及环的自由状态形状和自由开口端距s0。减小环高b有利于缩短活塞高度，减小环的颤振倾向，目前已达到1mm左右的极限。过小的b使环和环槽的加工困难。径向厚度t较大的环弯曲刚度大，对气缸表面畸变的跟随性差，但耐磨性相对较好。刚性环在较小的端距s0下就可得出要求的平均径向壁压，但在套装到活塞头部上时易于折断。对合金铸铁的活塞环来说；=0.10.2mpa，。环槽深度取0.09d=2mm5.5.2.3活塞环的材料活塞环是内燃机中磨损最快的零件，因此适当选择材料和表面处理工艺十分重要。活塞环一般是由合金铸铁铸造，高强度环用球墨铸铁，经热处理以改善材料的热稳定性。少数活塞环用合金钢制造。活塞环的工作表面通常用各种镀层或涂层，以提高其耐磨性、耐蚀性或改善磨合性。最常用的耐磨层为镀铬和喷钼。松孔镀铬不仅硬度高，耐磨耐蚀，而且储油，抗胶合，广泛用于汽油机和自然吸气柴油机。钼熔点高，喷钼层抗胶合、抗磨损性能好，能适应高温下工作。喷涂法能造成一定多孔性，也有一定储油能力。喷钼环主要用于增压强化柴油机的第一环。所有活塞环都要进行磷化、镀锡或氧化处理，以改善磨合性和防锈。【9】5.5.3油环的设计气缸与活塞运动副用飞溅的机油润滑。油环的作用是把飞溅到气缸壁上的多余润滑油刮下来，回到油底壳，以减少发动机的机油消耗量。为了能在高速运动中对抗机油的流体动压力刮下机油，只留下很薄的油膜，油环工作面的着壁压力应足够大。因为油环没有环背气压力帮助压向气缸壁，着壁压力完全靠本身的弹力产生。单体铸铁油环(图a)，由于材料强度所限，只能通过减小与气缸接触的工作面积来提高壁压，最高只能达到0.5mpa左右。如用高强度材料，用较大的径向厚度，壁压可能进一步提高，但环刚性大，对气缸变形的追随性差，刮油能力不好。用具有切向弹力的螺旋衬簧的铸铁油环(图b)可使壁压达到0.8mpa以上，即使环的外圆磨损，壁压也比较稳定，因为壁压主要由衬簧产生。这种环厚度t小，柔性好，在气缸变形较大的条件下也能很好地刮油。这种油环目前应用很广，尤其在高速柴油机上。铸铁环表面要通体镀铬。【10】上述两种单体油环与环槽不可避免地有侧向间隙，在环正常轴向移动或颤振而悬浮在环槽中间时，机油可能通过侧隙上窜。这种影响在高转速时更大，所以现代高速汽油机常用无侧隙钢片组合式油环。为了使油环刮油有效，除了油环结构外，还应注意活塞的配合。用单体油环时必须保持环槽侧隙尽可能小，这意味着环槽加工精度要高，变形要小。还应注意环槽须有面积足够的泄油通道，以免回油受节流造成过高动压，使油环浮起。一般希望在油环槽底和槽下都加工出很多泄油孔，使泄油通畅。5.6设计过程1. 进入软件，拉伸活塞本体，具体尺寸如图所示【14】图5-3 活塞本体2. 旋转切除活塞内部，如图所示图5-4 旋转切除活塞内部3. 拉伸凸台，如图所示图5-5 拉伸出凸台4. 旋转切除槽，如图所示图5-6 旋转切除槽5. 倒角成型图5-7 倒角成型图5-8 倒角成型5.7本章小结本节主要介绍活塞设计以及活塞的详细参数的选取。第6章 连杆的设计第6章 连杆的设计连杆是发动机的重要组成部分，主要由连杆大头、大头盖、连杆轴瓦及连杆螺栓等部分组成。其作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞上的力传给曲轴。连杆小头与活塞一起作往复运动，连杆大头与曲轴一起作旋转运动，连杆杆身作复杂的平面摆动。连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷。由于受力比较复杂并且需要实验来指导，因此设计时应综合考虑。【11】6.1连杆主要尺寸设计6.1.1连杆长度的确定连杆长度由杆比来说明，而=，值越大，连杆越短，则发动机的总高度越小。参考杨连生版内燃机设计设计【12】，值范围为1/3.21/3.8。取=0.292，则l=37mm/0.292=130mm6.1.2 连杆小头尺寸的确定连杆小头位于活塞内腔，尺寸小、轴承比压高、温度较高。本次设计汽油机的连杆材料选取为45钢，密度=7.85g/cm。连杆小头的内径，参考杨连生版内燃机设计设计， =0.250.3， 取d=0.3d=22mm， 连杆小头的外径，参考杨连生版内燃机设计设计， =1.21.35， 取d=1.25d=31mm，连杆小头的宽度，参考杨连生版内燃机设计设计，=1.21.4， 取b=1.2d=26mm，衬套外径，参考杨连生版内燃机设计设计，=1.051.15， 取d=1.1 d =24mm6.1.3连杆大头尺寸的确定连杆大头的结构与尺寸基本上决定了曲柄销直径d2、长度b2、连杆轴瓦厚度等等，对曲轴的强度、刚度和承压能力有很大的 影响。大头的外形尺寸又决定了凸轮轴位置和曲轴箱形状，大头的重量产生的离心力会使连杆轴承、主轴承负荷增大，磨损加剧，