发动机现代设计.ppt

发动机现代设计参考书1、汽车发动机现代设计徐兀著人民交通出版社1995年8月第一版2、汽车发动机设计陆际清等著清华大学出版社1993年11月第一版3、船舶内燃机设计陈大荣著1994年版4、内燃机设计杨连生著中国农业机械出版社1981年8月第一版,第一章总论11发动机设计的一般过程发动机的设计和研制可以分为三类：1、在原有（现有）产品基础上进行改进设计：如改进结构提高工艺性、延长寿命；降低排放；改进燃烧系统提高经济性；改非增压为增压等2、在现有发动机基础上，设计同一型式的系列化发动机（系列化设计）：如在四缸机的基础上设计六缸机；在直列机的基础上设计V型机；在车用发动机的基础上设计工程机械用、发电用发动机等3、设计新型的发动机（开发新机型）,一、发动机设计的一般过程以新发动机的设计为例，其一般过程包括四个阶段：计划与方案设计阶段；样机试制与调试阶段；技术设计阶段；鉴定与小批试生产阶段1、计划与方案设计阶段：在调查、研究的基础上，确定（1）发展该新产品的原因，主要用途，适用范围（2）所设计机型的主要技术规范，包括：内燃机型式：汽油机还是柴油机；燃烧室型式；缸径，行程（活塞排量）；缸数，气缸排列；冲程数；冷却方式；吸气方式（NA/TC）,动力性指标：标定功率，标定转速；最大扭矩及最大扭矩转速等经济性指标：燃油耗率，机油耗率强化指标：平均有效压力，活塞平均速度运转性能：最高转速，最低怠转速，调速率和转速波动率重量和外形尺寸指标：净重，外形尺寸（长宽高）排放、噪声要求可靠性、寿命（3）内燃机的主要结构，包括主要零部件结构（4）内燃机系列化和变型产品情况，进一步强化的可能性（5）其它技术要求，如冷起动等,2、技术设计阶段总体方案设计：确定主要结构参数、主要零部件结构，总体布置、设计（纵、横剖面图），热计算与动力学计算单缸试验机和主要零部件的设计、实验研究：结构设计、强度校核与试验，配气机构、油泵试验（与凸轮有关），气道实验，固定件刚性、强度的优化设计（重量）样机设计3、样机试验与调试阶段样机试制与性能试验（性能试验前要磨合、调整）可靠性和耐久试验（装配前要先检验零部件，磨合以后要换机油、清洗）配套试验、扩大用户试验,4、鉴定与小批试生产阶段样机鉴定：需提供一系列文件（设计任务书，技术文件，性能试验与耐久性试验报告，扩大用户试验、鉴定试验大纲等）；提供样机供抽查、进行性能试验小批试制与批量生产到此，为一轮试制完毕。12内燃机选型一、各种类型内燃机的设计要求，内燃机设计指标1、车用发动机（1）高的动力性能：足够的功率和良好的扭矩特性以保证车辆的动力性（车速和牵引力）、加速性和克服突然增大的行驶阻力的能力。,功率：比功率（Pe/G，G为汽车总重）G20t的重型货车、自卸车：47kW/tG=519t的汽车：713kW/tG(a)(d)(c)排放：CO、HC：（b）最少，（a）、（d）次之，（c）较多可达到的转速：（b）最高，可达50006000转/分以上，（a）、(d)次之，(c)较低，主要是（b）中的球形在同一D、Vh和下可布置较大的进气门制造成本：（b）最高，（d）最低爆震倾向：契形室、碗形室挤气涡流强，爆震倾向相对最小，盆形室次之，半球形室最大，一般要用高辛烷值汽油；用相同牌号的汽油时，契形室、碗形室许用压缩比最大。,（2）柴油机：燃烧室有分隔室式、直喷式。分隔室式主要为涡流室，预燃室少。分隔室式优点是有害排放物NOX，微粒，CO和HC排放量都比直喷式少，振动、噪声小，自然吸气（NA）时pe较直喷式机大；缺点是燃油消耗率高（预燃室又比涡流室高），散热损失大导致起动困难，增压机受热负荷限制pe较直喷式机小。一般大缸径用直喷，小缸径用涡流室。,13发动机主要参数选择一、发动机的强化指标发动机功率kW式中为平均有效压力，MPa为气缸工作容积，l为气缸数为发动机转速，r/min为冲程数活塞平均速度，m/sD气缸直径，mm,由上式可知，当z、D确定后，功率Pe的提高只能靠提高pe、Cm了，一般用此二参数作为内燃机的强化指标：用peCm积或peCm/表示强化系数peCm/值:四冲程非增压机6.59MPa.m/s四冲程增压中高速机1234MPa.m/s二冲程低速机7.510MPa.m/s1、平均有效压力pe：是标志发动机工作循环的有效性和制造完善性的指标之一由于(非增压)（增压）（Pa：单位气缸工作容积所作的指示功，反映发动机工作循环的热功转换的有效程度和气缸工作容积的利用效率）,因此，提高pe必须：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，提高流量系数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（利用其中的动态效应）等提高i：a.对于汽油机适当提高压缩比b.改善燃烧过程,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；减少附件功率损失提高s：具体措施即增压，是提高pe主要措施，对柴油机一般可提高3040%，增压中冷可提高5070%，而成本只增加810%，发动机质量增大35%；对于汽油机，化油器式仅用于高原恢复功率（海拔每增加1000m，功率下降10%）。现代四冲程增压柴油机pe最高可达3.2Mpa，车用机上达到1.41.8Mpa,降低：对汽油机=0.851.10，改变余地不大，要受火焰传播速度限制对柴油机=1.22.2左右（低速1.82.0，高速1.21.5，增压1.72.2），采用合适的燃烧方式组织燃烧可提高pe总趋势：平均有效压力是一个提高的过程，但要考虑热负荷和机械负荷。一般：非增压四冲程柴油机pe=0.61.0MPa增压四冲程机pe=1.02.5MPa（二级增压可达2.5MPa）非增压二冲程机pe=0.40.65MPa,2、活塞平均速度Cm=Sn/30,Cm上升，则机械负荷上升：因曲柄连杆机构的往复惯性力(汽油机ajmax=5001500g,柴油机ajmax=200800g，g重力加速度)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：因为不同汽油机在各自额定转速下有差不多的进气口处速度vg，而vg=Cm.Fh/(miFv),通常：高速柴油机Cm=913m/s（其中车用柴油机1013m/s）中速柴油机Cm=69m/s低速柴油机Cm=57m/s汽油机Cm=1213m/s,二、主要结构参数选择主要参数有：缸数z，缸径D，活塞行程S，连杆长度L，缸心距L0。其中：发动机的结构形式确定以后，z、L0已确定；L随曲柄半径与连杆长度比（=R/L）而定：船用低速二冲程机=1/3.51/4船用中速机=1/3.81/4.6船用高速机=1/3.51/4.3汽车发动机=1/3.21/3.8大致选定，即L也可随R也就是S而定，因此主要结构参数中尚需确定的只剩下D、S。D的确定：要考虑系列化、功率型谱衔接、机型发展前景。D增大，零件尺寸增大、质量增加，机械负荷、热负荷上升。S的确定：S增大，Cm增大，摩擦加剧，磨损加快，寿命下降，机械负荷、热负荷上升，通常要由Cm和S/D来确定。通常D、S二者的选定应同时考虑，先要确定S/D。,S/D对发动机结构、外形尺寸和性能的影响（假定Pe、pe、Cm不变）：1、S/D对外形尺寸的影响如Vh不变，S/D对于直列机高度，长度，宽度变化较小，但对于V型机，宽度增大的幅度与高度是相同的。下图为对一台直列四冲程高速机的外形尺寸计算结果，从中可以看出对于同一Vh，取较小的S/D值则单列式发动机的长度加大，高度、宽度减小，其中长度受S/D值的影响最大。,可知，S/D，则惯性力上升；当然Cm不变时，S/D，n可加大，从而PL。PL。,2、S/D对惯性力的影响,最大往复惯性力,3、S/D对燃烧室的影响S/D，则内燃机压缩室容积与其表面积之比=FC/VC，设计时希望，以减少燃烧室散热，改进燃烧，提高经济性S/D，则Vm/Vc，Vk/Vc，热效率，平均有效压力pe，有害排放物减少,若Vh、一定：,4、对曲轴强度、刚性的影响Vh一定时，S/D，则R，重叠度=0.5(d1+d2)-R加大，曲轴的弯曲、扭转刚性加大，疲劳强度，扭振固有频率。综上所述，Pe、pe、Cm不变时：S/D较小，则可降低发动机高度，提高升功率，减小V型机宽度，提高曲轴的强度和刚性；但热效率下降，有害排放物增加，惯性力增大，单列机长度增加。,一般：车用汽油机S/D=0.901.05车用柴油机S/D=1.01.2船用高速机S/D=0.91.25船用中速机S/D=1.01.4，转速较高；1.41.8,转速较低船用低速机回流扫气S/D=1.72.05（多为1.71.8）（二冲程）直流扫气S/D=1.852.25（多为2.0以上）长行程机S/D=2.83.85V型机比直列机略小,选定S/D后，因Pe、pe已知，故可求出S、D值：由得（l）（dm）（dm）将D，S取为整数，再复算Vh和S/D由Vh、S复算（MPa）(m/s)二者应与先进机型水平相当,14发动机现代设计理论与方法一、CAD技术的应用发动机设计过程从总体方案设计到零部件设计都可以应用CAD技术。CAD支撑软件有：1、图形软件：包括图形输入和编辑、图形变换和输出、尺寸及工艺信息标住、由零件图画装配图及汉字标准等内容，有二维、三维两种。2、工程数据库：包括图形和非图形两部分。图形部分包含有图形管理系统和图库（标准件、标准画法等），非图形部分包含有国家标准数据、设计资料数据等。3、工程分析方法数据库：包括常用算法库、优化方法库、有限元前后处理及分析程序库、疲劳和可靠性设计分析程序、局部应力-应变分析法和断裂力学分析程序等。设计时先要借助计算机进行整机性能预测（工作过程模拟），再进行具体的CAD设计过程。,1、发动机性能模拟计算,*THEMAINDATAOFINPUT*dd0.1650s0.1850nn1800 xne01100.00paa0.960taa312.00etw0.8800tcw322.00pn1.1000epc15.40*THEMAINOUTPUTDATA*NH:9XNE:1099.8169PE:11.5846ET:0.8112GE:195.4217GI:173.2285EK:0.7598PK:2.3207TK:429.7889XNT:48666.57PS:2.2898TS:334.9347EMM:0.8864PT:2.1434TT:783.5820TR:663.5142Pat:1.1000PZ:134.3893PAA:0.9600GK:2.0922SGT:2.1411PM1:-0.2889ENG:234429.WK:232471.NN:1800tecli:693.87tz:1606.77pz:134.39,2、缸内流场计算,流动域计算网格TheCalculationGridofFlowRegion,3、强度校核,二、优化设计方法优化设计方法是现代设计方法的核心内容之一，就是将数学中的优化方法应用于设计中，以提高产品设计质量，提高经济性，缩短设计周期。优化设计方法包含两个方面的内容：1、建立数学模型，具体步骤是：确定目标函数目标函数即优化设计所追求的目标。设计任务不同，目标函数也不同。最优方案就是使目标函数达到最小值或最大值的一个方案。确定设计变量一个设计方案通常包含两种设计参数，一种是根据设计任务要求所确定的设计常量；另一种是需要经过优化计算确定的设计变量。优化设计就是调整设计变量，以得到最优设计方案确定约束条件约束条件就是设计过程中应遵守的、应予以满足的条件（要求）。约束条件可分为：反映设计性能或状态要求的性能约束（包括等式约束和不等式约束）；反映设计变量许可变化范围的界限约束。两者都是设计变量的函数，优化设计的核心问题就是如何建立约束方程，这也是优化设计的难点所在。,确定了上述目标函数、设计变量、约束条件后，即建立了一个数学模型：求设计变量，使目标函数为最小（或最大）并满足约束条件：（不等式约束）（等式约束）（设计变量变化范围）如有多个优化准则时，可以建立一个多目标函数：其中F1（X）、F2（X）等分别代表一个准则，W1、W2等是加权系数。其作用是把F（X）的各分项调整到同一个量级并区别出主次。,2、选择优化计算方法并编程计算。选择优化方法应依据问题的性质。目前优化设计方法已在工作过程、零部件设计、系统设计、配气机构设计、增压配合运行等多个方面得到应用。,三、可靠性设计方法可靠性指系统或产品在规定时间内、在规定条件下完成规定功能的能力；可靠性设计方法即是从正常使用寿命出发进行设计的方法，用概率统计理论分析结构问题、设计结构。应用可靠性理论知识，可将系统或产品的可靠程度由一般的定性分析提高到定量分析，从可靠性角度对产品进行设计，并预测起可靠度。在发动机的可靠性设计中，将载荷、材料强度、结构尺寸等参数都采用概率分布函数表示，在设计中考虑各种因素的影响：应力强度通常假设它们遵循某种分布规律（如正态分布等），通过计算求出合成的应力和强度，建立应力强度模型，引入可靠度R：R=P（r）上式右边即为强度r超过工作应力的概率，以此作为设计准则。可靠性设计的有效性依赖于工程材料和工艺强化的性能统计资料、系统或产品的可靠性试验数据的积累。以可靠度等于或大于指定的概率值作为确定结构尺寸的依据。,14发动机新技术的发展一、发动机增压增压就是将空气预先压缩然后再供入气缸,以期提高空气密度,增加进气量.采用增压技术是提高升功率、降低发动机比质量的最有效措施，增压方式有：（1）机械增压（2）废气涡轮增压（3）谐波增压（4）气波增压其中废气涡轮增压在机械效率与燃油经济性、降低CO与HC排放、降低噪声、改善高原地区工作适应性等方面有很大的优越性，因此在柴油机和汽油机上都得到了越来越广泛的应用。,按增压比划分可分为低增压(增压比小于1.6)、中增压(增压比在1.6到2.5)和高增压(增压比大于2.5)1、柴油机增压改型设计内容（1）降低压缩比，加大过量空气系数（2）调整供油系统（3）调整配气相位（4）重新设计进排气系统（5）提高主要承载件强度2、汽油机增压（1）降低压缩比（2）减小点火提前角（3）重新设计排气系统,3、涡轮增压技术的发展（1）增压中冷技术A、水空中冷B、空空中冷（2）变工况调节,A、柴油机：多采用可调涡轮截面（VGT）,可调截面涡轮原理如图：如果两个管内压力相同，气体流过有颈缩的管要比流过无颈缩的管速度快。由此看出，截面缩小产生两个效果：冲击涡轮叶片的气流速度增加，动能增大；涡轮叶片前排气管阻力增大，发动机活塞推动功增加，气体的压力能增大。这两个效果都使得排气可用能增大，从而弥补了部分工况时的涡轮功不足的问题。,B、汽油机：多采用旁通放气系统,4、谐波增压进气系统原理：利用进气气流的惯性导致的在进气管中的压力波来增压。现代汽车发动机的进气系统大多为谐波增压进气系统或废气涡轮增压进气系统。发动机间断进气所引起的进气压力波对发动机进气量影响很大，进气管长度、直径进气系统参数会改变进气压力波,因而适当调整这些参数,可以有效利用进气管的压力波,提高充气效率,改善扭矩特性。,低转速时阀板关闭,使用长进气管,提高低转速扭矩,高速时(4000r/min)阀板打开,转换为短进气管,二、多气门技术,如：某汽车发动机采用5气门技术,进气流通面积极大化(38.2x125.5x3,增大34%),提高发动机充气效率,三、可变配气定时（VVT）机构,1、配气相位就是进、排气门的实际开闭时刻,通常用相对于上、下止点曲拐位置的曲轴转角的环形图来表示.这种图称为配气相位图.,2、进气门提前开启角一般为1030;进气门迟闭角一般为4080.排气门提前开启角一般为4080;排气门迟闭角一般为1030.,3.气门重叠是指进气门在上止点前开启,而排气门在上止点后才关闭,进排气门同时开启的现象.重叠时的曲轴转角称为气门重叠角.四冲程发动机对气门正时要求:进气门迟闭角、排气门提前角和气门重叠角应随转速增加而增加。,进气门迟闭角直接影响发动机的充气效率.,气门重叠角的大小对小负荷下的燃烧室内残余废气量起重要作用,从而影响发动机的燃烧过程和废气排放；而且影响高负荷下燃烧室零件的热负荷，尤其是增压发动机。,可变气门定时机构有多种方法，基本上可分为两种形式：,1、只改变气门定时和气门重叠角，不改变进排气门开启持续角和升程：,如某公司的凸轮机构采用链条传动的5V发动机的气门定时可变机构,如图所示，其本身和链条张紧器集成为一体,其工作原理是由一个电控的液压缸来完成.通过液压缸的控制可以改变液压缸中柱塞的升程,同时通过链条改变进、排气凸轮轴间的相对位置,从而改变进气凸轮轴的相位角.此装置不能实现连续可变,只能进行一点(一次性)调节。3600n/min以上进行所谓“功率调节”(涨紧),采用较大的进气门关闭角。缺点是凸轮型线及进气持续角均不变,高速时进气迟闭角增大,但气门叠开角减小。,2、既改变气门定时，也改变进排气门开启持续角,这类方法常采用两组凸轮。如三菱公司开发的一种机构，如下图所示,一组为低升程、短持续期进气凸轮(中、低速及大扭矩工况),另一组为高升程、长持续期进气凸轮(高速大功率工况)。,在采用液力挺柱的配气机构中采用的是另一种方法。如下图所示为Siemens公司的可变进气机构，不管液力挺柱是直接与凸轮接触还是安装在摇臂与推杆之间或气门杆端部与摇臂之间，通过控制电磁阀作用时间可以增大或减小它们之间的距离以改变气门升程、气门定时和作用角。,有关试验表明：这种调节系统可使汽油机在部分负荷时燃油耗率降低7%，能显著降低泵气损失和改善全负荷时的扭矩特性。缺点是这种方法有时会在非凸轮型线的过渡段工作，从而使挺柱与凸轮间产生较大的噪声与磨损，且气门升程还受进入液力挺柱进油孔的机油随温度变化的影响。,四、发动机有害排放物控制内燃机的排放污染源有排气污染、窜缸混合气和汽油蒸发三种。,发动机有害排放物:汽油机有害排放物主要有：一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)