发动机设计重点.doc

一提高发动机的动力性提高V：a. 合理设计进气系统，尤其是进气道，以减小进气阻力，提高充量系数b. 合理的配气机构和配气定时：加大进气门直径，采用顶置式凸轮轴，增加气门数、完善凸轮外形、最佳气门重叠角c. 汽油机采用多腔化油器、多个化油器、汽油喷射，以减小进气阻力，并兼顾各工况性能d. 降低排气系统阻力，采用可变进排气系统等。2提高i：a. 对于汽油机适当提高压缩比b. 改善燃烧过程3提高m： 减少活塞环数目；选择适当的润滑油；保持发动机的最佳热状态；提高加工精度和表面质量；合理设计活塞形 状；减少附件功率损失二：活塞速度的影响活塞平均速度Cm=Sn/30, Cm上升，则机械负荷上升；热负荷上升；进排气阻力增加，充气系数v下降（应加大气门或增加气门数目） ；摩擦加剧，磨损加快，机械效率下降，燃油耗率上升，寿命下降。但Cm过小，对提高发动机功率不利，对提高升功率不利。对于柴油机，Cm选择要顾及混合气形成与燃烧的限制；对于汽油机，Cm的选择与进气系统有关三采用偏心曲柄连杆机构的作用和原因1、采用偏心曲柄连杆机构的原因凡是曲轴回转中心线或者活塞销中心线不与气缸中心线相交的曲柄连杆机构都是偏心机构。根据偏心方向的不同，分为正偏心机构和负偏心机构。正偏心机构在活塞下行时连杆摆角较小，使得作功行程中活塞侧推力有所减小。负偏心机构广泛应用于车用汽油机中，目的是减轻活塞对气缸壁的敲击，降低运转噪声。正偏心机构多用于柴油机，目的是改善散热，减轻主推力边的热负荷，使顶环隙整个圆周上不积碳。 四V型机发火方案有两种：1、 交替式发火方案：两列气缸交替发火，列内顺序与单列机相同，间隔均匀，但与单列机相比列内发火间隔角大一倍；两列气缸的发火顺序相同。2、插入式发火方案：两列气缸间的发火顺序与间隔角不相同，列内的发火间隔也不均匀，两列气缸间有跳隔和补偿，使得整台机的发火间隔均匀静平衡：旋转质量系统的质心在旋转轴线上时，系统离心惯性力的合力为零，则认为系统是静平衡的。动平衡：系统静平衡但当旋转质量不在同一平面上时，不足以保证运转平稳，如图表示，只有当系统运转时不但旋转惯性力合力为零，而且合力矩也为零时，才完全平衡，这样的平衡称为动平衡五、对于离心惯性力Pr可用直接在曲轴上加平衡重的方法来平衡，平衡块回转半径越大、曲柄连杆机构本身的不平衡旋转质量越小，则所需要加的平衡块质量mB 越小。可以用与平衡离心惯性力同样的方法来平衡往复惯性力，只要设计的平衡机构产生的离心惯性力矢量分别与上述正反转矢量大小相等、方向相反即可。六、曲轴设计要求1、保证具有足够的弯曲疲劳强度和扭转疲劳强度；2、保证曲轴具有尽可能高的弯曲刚度和扭转刚度；3、轴承具有足够大的承压面积，轴颈耐磨；4、尽量采用普通材料；工艺性好，质量小。曲柄臂提高曲柄的抗弯断面模数W，增加h比增加宽度b有效曲轴材料与结构型式1、材料：中小功率内燃机用球墨铸铁、可锻铸铁、锻钢（45号钢，40Cr），大型柴油机用合金钢、铸钢、球墨铸铁（强载度不高的中高速柴油机）。2、结构型式： 整体式、套合式、焊接式、圆盘式套合式曲轴：用于大型低速机，可以消除大件锻造的困难焊接式曲轴：用于超长行程十字头式柴油机，可以消除大件锻造困难，而且可以降低曲轴质量，使连杆长度得以缩短圆盘式曲轴：用于某些要求结构紧凑的高速柴油机（6135Q，12V135Q）。轴向尺寸紧凑的同时，曲柄销长度可以设计的较长；扭转刚度和弯曲刚度较大，疲劳强度提高，但质量大，制造成本较高 全支承、非全支承 平衡重连接方式：铸造曲轴平衡重一般与曲柄臂铸成一个整体，有利于提高工作可靠性。锻造曲轴由于结构、锻压设备的限制，都作成分开式，平衡重的联结方式有：螺栓承受离心力和螺栓不承受离心力曲轴轻量化的措施1、曲柄销作成空心结构优点：可减小离心惯性力，做成鼓状效果更好，可以提高扭转疲劳强度，减小曲轴转动惯量，还可减轻主轴颈过渡圆角处应力集中。如将0.5d圆柱孔改成中部0.7d的鼓形孔时，扭转疲劳强度与弯曲疲劳强度都提高30%。2、主轴颈做成空心机构优点：可显著缓解曲柄销过渡圆角处的应力集中现象。如设置卸载穴，则效果更好3、曲柄臂斜削：在采用中空曲柄销时注意不要形成应力集中 油道布置的原则：有利于润滑油流动、对曲轴强度影响小两种方案：单线斜油道和多线直角油道1、单线斜油道：斜油孔简单，多用于实心曲轴；用于空心轴颈曲轴时，为避免漏油要采取密封措施2、多线直角油道多线直油道对曲轴圆角部位的强度影响较小，但加工复杂，需用堵头。连杆长度连杆长度的确定的原则：保证发动机结构紧凑和轻量化，根据发动机整体布置，保证连杆在运动时不与其它机件相碰的条件下具有最短长度。衡量参数为=r/l，大致范围：1/3.21/3.8。.连杆斜切的定位方式：锯齿、舌槽、止口、销套断裂分形工艺要求1、材料在满足强度条件下，延伸率尽可能低 ，适合的材料如粉末冶金、非调质中高碳钢、球墨铸铁等2、结构上应保证预设分形面处截面最小，螺栓孔外侧不允许加工，以保证分形面质量3、为保证断面的很好复合，应施加正应力，并在连杆初加工后预制应力槽活塞设计要求1、选用热强度好（耐疲劳、高温屈服点高）、耐磨、密度小、热膨胀系数小、导热性好、工艺良好的材料；2、活塞有合理的形状和壁厚，使散热良好，强度刚度符合要求，尽量减轻质量，避免应力集中；3、在不增加活塞组的摩擦损失的情况下，保证燃烧室密封性好，窜气、窜油少；在降低机油耗条件下，保证滑动面上有足够的润滑油；4、不同工况下能保持活塞与缸套的最佳配合，减轻活塞敲击和缸套振动 六、头部设计形状1、顶岸高度h1：顶岸高度h1应保证活塞在上止点时第一环位于水套的冷却水腔位置。2、环带高度h2：由环的数量、环高、环槽肩高决定。3、上裙高度h3：应使环槽位置尽量处于活塞销座外径的上方，以避免开有环槽而削弱销座强度；同时也避免在壁厚不均匀区开设环槽，引起环槽不均匀变形，影响环的正常工作。活塞裙部设计及抑制膨胀采取的措施为保证使用性能，活塞应头部小、裙部大；裙部应设计成桶形型面，且其截面应为椭圆形，平行于活塞销座方向为椭圆短轴。为保证活塞与气缸间的间隙在发动机的各种工况下都比较理想，通常还需采取如下措施控制裙部膨胀：在活塞承压面侧油环环槽处开横向绝热槽，减少来自活塞顶部的传热铸热膨胀系数小的材料以减小销座处的热膨胀，尤其是垂直于销轴方向的膨胀。活塞销设计注意事项活塞销座设计应注意减小销座的尖峰负荷和应力集中，常用措施有：1、 减小活塞销的弹性变形：增加其刚性；采用斜形销座结构2、 采用弹性销座结构：采用双斜加强筋结构 3、 销孔的形状：孔口倒角或倒圆；适当加大销与销孔的配合间隙，或采用由外向内逐步扩大的锥孔以适应弯曲变形时保持良好配合间隙的要求。1、活塞环的作用 保证活塞与气缸壁间的有效密封； 冷却散热（非冷却活塞经活塞环散热量占活塞全部吸收热量的60%70%）； 导向 刮油、布油矩形环 早期内燃机使用，工艺简单，但磨合性能差，活塞晃动时会向上泵油，使机油耗上升，并造成燃烧室积碳。在高强载度发动机上很少应用。 桶面环 上下行都能形成润滑油膜，润滑良好，磨损减少；在短活塞发动机上对活塞摇晃的适应性好，无棱缘负荷；与气缸接触面小，对缸套适应性好，密封性提高；磨合性好。强载度大的发动机普遍采用，作为第一道环。梯形环 两侧面成15顶角，工作时间隙变化，有利于机油更新，抗胶粘能力特别好，用于高热负荷发动机，高强载发动机采用时也把侧面做成桶面 。用于第一道气环。 半梯形环（单面梯形环、木契 形环） 上侧面加工成7的斜面，工作时产生正扭曲，可改善磨合性能，降低机油耗L形环 扭曲较大，主要用于二冲程汽油机；环向上移使狭隙容积减小，可改善排放；活塞顶至环的热流出路短，能使活塞的温度下降；环弹力较小，主要利用燃气背压密封，摩擦损失小，锥面环 锥面锥度在30130之间，克服了矩形环磨合期长的缺点，活塞上行时容易形成油膜，活塞下行时能起刮油作用。锥角过大会降低二次密封效果，影响密封，且串油严重。一般用于第二、三道环，在有的汽油机上用于第一道环时表面镀铬正扭曲环 在断面的上内侧或下外侧切口使断面形状不对称，使用时产生碟状的正扭曲，最大扭转角一般不超过1，磨合性好，密封性改善，下行时刮油能力好。下外侧切成鼻形，刮油能力更好。一般用做第二、三道气环，桶面正扭曲环也可以用作第一道环。 反扭曲环 在断面的上外侧或下内侧倒角，使断面不对称，使用时产生盖形反扭曲，扭转角在1560左右，锥面锥角在1以上，一般在510之间，优点同正扭曲环，但防串油能力差，一般用于油环上面的那道气环。 机体的结构形式结构型式：中小功率内燃机为了简化结构、提高整机刚度，将气缸体与上曲轴箱连成整体，即机体。按主轴承孔是否剖分或机体底面位置可以分成三种形式： 平底式 其底面与曲轴轴心线基本平齐，机体轻巧，但刚性较差，用于结构紧凑的小客车及轻型货车用汽油机上，这类发动机常工作于部分负荷，机械载荷小。 龙门式 底面较曲轴轴心线底(0.61.0)D，V型机低 (1.01.5)D，刚性较好，较平底式机体重，常用于柴油机及载重车用汽油机 隧道式 曲轴主轴承孔做成一个整体，刚性最好，但也最重，常用于单缸机或非全支承的两缸机。常用滚动轴承，滚动轴承的许用圆周速度限制了发动机转速的提高三十五、冷却水道布置的要求水冷机体的水流布置：应避免死区和旋涡，各缸冷却均匀，防止缸套穴蚀。气缸形式及各结构的优缺点气缸形式：通常的气缸形式有 无缸套（整体式） 气缸与机体铸成一个整体，散热、刚性好，气缸中心距小，但铸造要求高，要想获得耐磨性好的气缸孔，加合金，成本高，不好修理，一般用于小缸径发动机 干式缸套 机体、气缸体刚性好，不存在冷却水的密封和腐蚀问题，缸心距可取较小，但散热性差，缸套刚性差使得其加工、装配困难。由于散热性差气缸的工作温度高，一般缸径小于140mm的发动机上采用,缸径105mm以下的发动机多采用干式缸套。 湿式缸套 直接与冷却水接触，散热性好；缸套刚性好，易于加工、装配（更换），机体易于制造。但对机体刚性要求高，存在冷却水的密封和腐蚀问题，缸心距大。缸径大的发动机、特别是柴油机多采用湿式缸套。 三十七、机体上的螺栓布置原则布置原则：1远离缸壁2结构对称3强度良好，要有支撑4机体上表面不能发生变形，因而螺纹孔必须在上表面之下缸套的破坏形式穴蚀及解决办法减小活塞的撞击：适当减小间隙、活塞销偏置等。如有实验表明：如果间隙减小到80%，缸套排气行程中的变形减为原来的1/71/8；提高缸套的刚性,缸套较长时可增加辅助支撑以减小其振幅；改进冷却水腔设计，避免产生气泡：水流流速不应剧烈变化，即冷却水套不宜太窄，截面变化不宜剧烈，水流不宜正对气缸套；提高缸套外壁的抗穴蚀能力：注意材料的选择（包括金相组织）、表面质量、热处理（镀镉、镀铬、镀锌等）。气缸的磨损情况及解决办法a 正常磨损：在上下止点处，活塞运行速度小，油膜不稳定，且第一环的燃气压力大，故在上、下止点的第一环位置磨损最剧烈b 磨料磨损：由尘埃或严重结碳引起的磨损c 磨料磨损：由机油中的杂质或金属磨粒引起的磨损（内部杂质）d 熔着磨损：气缸与活塞组润滑不良，造成局部金属直接接触，磨擦造成局部高温，使之熔触粘着、撕脱，逐步扩展形成熔着磨损e 腐蚀磨损：低温起动频繁或用高硫燃料造成的腐蚀磨损（燃料）f 腐蚀磨损：冷却水温低引起（水）解决措施：合理选择材料：提高气缸表面加工质量：缸套表面处理：制订合理的磨合规范使用维护：空气滤清器、机油滤清器的保养，冷却水温合适，燃油含硫量低改善缸套设计缸盖螺栓布置：1各螺栓受力尽量均匀2各螺栓依次连线所围成区域不能包围空心区域流量系数反映了气门处的流动阻力特性。采用多气门技术的优缺点：优点：气缸充量更换彻底；气门组尺寸小、质 量轻，更适应高速运转；排气门热负荷小，工作可靠性易于保证；喷油器或火花塞可以布置在燃烧室中心位置，便于燃烧过程的组织。缺点：气缸盖结构复杂，制造困难；气门驱动机构复杂；零件数量增加。 凸轮型线设计发动机配气凸轮由三部分组成：基圆段、缓冲(过渡)段、工作段。缓冲段作用：控制气门的开始升起和落座速度，缓和气门开闭时对气门座的冲击，降低噪声，并确保时面值。为克服配气机构的热变形，保证气门在任何工况下都能闭合，必须留有气门间隙；为克服配气机构的弹性变形，保证时面值，必须留有缓冲段。设计的缓冲段升程h0应保证大于两者所需凸轮升程之和。等加速等速型优点：点加速度为零，同工作段加速度能光滑连接，冲击、噪声小；当机构实际间隙发生改变时，不影响挺柱的速度和加速度；且由于升程增加较快，间隙变动和制造误差对气门正时影响不大。终点处二阶、三阶倒数为零，故更适宜与始点处三阶导数为零的工作段相接。气门工作条件：承受高温作用；燃气接触，受到腐蚀性气体的高速冲击，易受腐蚀；磨擦剧烈。 气门旋转机构：有自由式和定向式两种方式 既有原气门弹簧座的功能，还能在气门开关过程中强制气门在启闭过程中绕自身的轴线旋转，使气门和气门座圈、气门导管均匀磨损、互相研磨，消除它们之间的积炭5、气门材料要求：工作温度下保持高强度并耐腐蚀进气门材料：低合金钢40Cr、38CrSi、4Cr9S