内燃机构造与设计--6-7汽车发动机设计总论.ppt

内燃机构造与设计,7汽车发动机设计总论,第三篇发动机总体及主要零部件的设计,往复活塞式内燃机在一百多年的历史中基本构造变化并不大,但其性能及设计水平则一直在不断地提高。这主要表现为发动机的燃料经济性、升功率、紧凑性（发动机重量和体积）、制造成本、可靠性和使用寿命等主要技术指标不断得到改善。近年来为适宜环境保护法规的要求，在减少其有害排放物、减少振动与噪声等方面也在不断地进步。内燃机设计是一项很困难的要求很高的工作。一方面因为它是一个复杂的系统，各个子系统（曲柄连杆机构、机体、配气机构、供油系、进排气管系、润滑系、冷却系-）相互制约，而且许多零件的机械负荷和热负荷很严重。另一方面是因为新设计机型的技术水平必须高于旧机型才有研制价值。一般来说新设计大多是在原设计基础上的改进。设计人员应该具备多方面的知识技能。设计课程主要是讲授发动机总体设计问题，以及发动机各主要零部件的设计问题。,7.1汽车发动机的设计要求和技术指标,7.1.1对汽车发动机的要求从汽车使用方面对发动机设计提出的要求有：有足够的功率，能在较宽的转速与负荷范围内稳定运转，燃油和机油消耗少，体积小，重量轻，工作可靠，寿命长，对环境的污染少，振动及噪声小，能适应多种使用条件，制造成本低，维修方便。,7.1汽车发动机的设计要求和技术指标,7.1汽车发动机的设计要求和技术指标,7.1.1.1对发动机动力性的要求汽车发动机应有足够的功率和良好的扭转特性以保证汽车的动力性（车速和牵引力）、加速性和克服突然增大的行使阻力的能力。汽车的总重G越大，要求发动机的功率Ne也越大，但汽车的“比功率”（即折合到每单位汽车总重的功率，也叫吨功率）的变化范围并不太大。除了对发动机功率有要求外，载货汽车还要求发动机外特性的扭矩适应性系数和转速适应性系数都尽可能的大一些，此处各是发动机额定功率工况的转速和扭矩，各是最大扭矩工况的转速和扭矩。,7.1汽车发动机的设计要求和技术指标,增大，载重汽车的加速性、爬坡能力和克服突然增大的行驰阻力的能力都提高，而行驶过程中的换档次数减少。现有载重发动机的适应性系数范围大致为：。对于轿车来说，由于其比功率很高，就没有必要注意发动机外特性的适应性系数了。此外，发动机能平稳运转的转速范围要尽可能地宽一些，并应能迅速从怠速变换到全速全负荷。7.1.1.2对燃料经济性的要求汽车的燃料经济性有多种评价指标，如一定车速下的等速百公里油耗（kg/100km）；按照一定的变工况规范行驶时测得的多工况百公里油耗；以及每千克燃料行驶里程数（km/kg）等。,7.1汽车发动机的设计要求和技术指标,发动机万有特性上的最低油耗（g/kw.h）越低，同时低油耗率工况区域又越宽，则汽车的使用油耗越低。7.1.1.3对结构紧凑性的要求汽车发动机的重量，一方面关系到原材料消耗量，即影响制造成本。另一方面关系到汽车的自重，而汽车的使用油耗大致与汽车自重成正比。因此在满足功率要求的前提下尽可能的减轻发动机的重量是一个重要设计指标。为此一方面要合理给定汽车的比功率，同时应尽可能提高发动机的升功率，即采用较小排量的发动机达到要求的功率；另一方面还要优化发动机零部件的设计，使材料的使用恰到好处。汽车发动机的外形尺寸宜尽可能的小些。这既与发动机本体的设计有关，也与发动机各附件的尺寸和布置有关。,7.1汽车发动机的设计要求和技术指标,7.1.1.4对可靠性和耐久性的要求发动机的工作可靠性是指在设计规定的使用条件下能够持续工作，不致因故障而影响正常运行的能力。可靠性是以在保证期内（民用柴油机一般为1500h，汽油机500h）的不停车故障数、停车故障数、更换主要零件数和非主要零件数来考核的。一般都要求在保证期内不发生主要零部件的故障，如缸体、缸盖、曲轴、连杆、轴瓦、活塞、活塞销、活塞环、凸轮轴、气门、气门弹簧等件的断或裂，以及影响喷油泵和增压器功能的主要事故。长途行驶的汽车对发动机可靠性的要求更高。发动机的耐久性或使用寿命是指发动机从开始使用到第一次大修之前累计运行的里程数或小时数，也就是发动机的大修期。它通常决定于气缸筒和曲轴的磨损效率，一旦磨损量达到一定程度，使得,7.1汽车发动机的设计要求和技术指标,气缸压缩压力、漏气率和机油消耗率达到不能接受的水平，发动机就必须大修。大修期既和发动机转速与负荷的强化程度有关，又决定于设计和工艺质量。如下表，达到此极限值之前的累计运行时间和里程即为使用寿命,7.1汽车发动机的设计要求和技术指标,7.1.1.5对有害排放量及噪声水平的要求汽车发动机的有害排放物有CO，HC，Nox,Pb,碳烟和微粒。Pb是汽油机使用含Pb汽油时排放的，碳烟和微粒是柴油机排放的。实际上，微粒指的是排气中的固态及液态滤出物，其中包含了碳烟。这些有害排放物必须限制在国家颁布的标准范围之内。超过标准范围时必须采取多种措施降低有害排放量，同时又要补偿由此引起的功率和油耗损失。使用电子控制汽油喷射与点火、三元催化转化、废气再循环等技术，可降低有害物的排放。噪声也要限制在国家颁布的标准范围之内。对人身也有害。我国目前规定1985年以后生产的车辆加速噪声不超过82-89dB（轿车取下限，8吨以上货车取上限）。要降低汽车噪声，一靠适当的屏蔽，二靠降低动力传动系的噪声，其中主要是发动机噪声。,7.1汽车发动机的设计要求和技术指标,7.1.1.6对使用方便性的要求汽车发动机应有良好的起动性能，通常要求汽油机在、柴油机在的气温条件下，不采用特殊的低温起动措施就迅速可靠地起动，在更低温度下利用辅助装置也能顺利起动。汽车发动机应便于安装、操作和维修。7.1.1.7关于制造成本和产品系列化汽车发动机的制造成本与其重量、零部件数目、所用材料、附件等等有关，又与其生产批量、制造工艺等有关。一般来说，只有在大批量生产的条件下成本才能显著降低，因此发动机产品的系列化和零部件的通用化就有了重要意义。,7.1汽车发动机的设计要求和技术指标,发动机设计工作中的“三化”产品系列化、零部件通用化、零件设计标准化。产品系列化：基本规格尺寸较少，通过改变气缸数、排列型式、转速、燃料、材料等方法来扩大其功率范围。通常是以某个主要用途发动机为基础，通过改变部分结构参数或结构型式来形成同一系列的多种发动机产品，以一个相当宽的功率范围，供不同型号的汽车或其它动力装置配套使用。零部件通用化：零部件在可能的情况下尽量能够互换通用。零件设计标准化：指进行零部件设计时应尽量遵循国家、部门或企业内部制定的种种标准来决定零部件的尺寸、结构、材料、技术条件等。以上从七个方面概述了汽车发动机的设计要求，主要是说明这些要求的意义和相互间可能存在的矛盾。,7.1汽车发动机的设计要求和技术指标,7.1.2发动机的技术参数与评价指标技术参数与发动机的使用直接有关的参数（如功率、转速、重量、外形尺寸等）评价指标用来比较不同发动机的强化程度和设计水平的参数（如平均有效压力、活塞平均速度、升功率、比重量、功率密度等）。在发动机的设计阶段，不论技术参数还是评价指标，都只是预期达到的目标，所以往往全都笼统地被称为设计指标或技术指标。7.1.2.1额定功率和升功率实测有效功率根据台架试验实测的扭矩和曲轴转速数据计算出来的实际环境空气状态下的有效功率。,7.1汽车发动机的设计要求和技术指标,校正有效功率按主管部门颁布的标准方法对实测有效功率进行标准大气状态修正所得出的功率。净功率发动机带上全部附件（包括空气滤清器，汽车排气系，水冷却系的节温器、散热器、风扇和护风圈，发电机、调节器和蓄电池时的校正有效功率。总功率在不带催化转化器，并以试验室排气系代替汽车排气系，以试验室冷却系代替水冷发动机自身冷却系，空气滤清器也可带可不带的条件下的校正有效功率。汽车发动机的额定功率NeN是在额定转速nN下发出的总功率，最大扭矩Memax是在总功率试验条件下得出的发动机外特性上扭矩最大点的扭矩，对于该扭矩最大点的转速nM通常是给一个范围。,7.1汽车发动机的设计要求和技术指标,汽油机在节气阀（油门）全开时，其Ne随着n的升高而升高，但转速高过某一界限后就转而下降。这个最大功率转速能有多高，主要决定于汽油机进气系的设计（如进气门通路面积，进气系统动阻力等）。车用汽油机的额定转速一般就规定在批量产品最大功率转速分散范围的下限。柴油机的额定转速由人选择并用调速器控制。n越高，则用于混合气形成和燃烧的时间越短，热效率越低，同时发动机的可靠性和耐久性一般也会降低。,7.1汽车发动机的设计要求和技术指标,发动机的功率扭矩当、zVh一定时，Ne正比于pen，Me正比于pe。升功率：是额定功率工况由每单位工作容积获得的功率。Nl的提高意味着可以用较小的工作容积得到同一功率，因此在同一结构型式的发动机中，Nl较高的就是具有较大的功率密度和较小的比重量。在设计汽车发动机时，一般都要尽力提高升功率，但对使用率高而功率又较大的柴油机则往往适当降低nN以换取较好的燃料经济性和较长的使用寿命。比重量：G为发动机的净重。7.1.2.2平均有效压力,7.1汽车发动机的设计要求和技术指标,pe是一个工作循环中单位容积的有效功，它决定于一个工作循环中在单位工作容积里放出的热能和热能的有效利用率。式中v和各为发动机的充气系数和过量空气系数；i和m各为发动机的指示效率和机械效率；l0是理论上使用1kg燃料完全燃烧至少需要的空气量（kg空气/kg燃料）；Hu是燃料的低热值（kJ/kg燃料）；ps（MPa）和Ts（K）各是发动机所处环境的空气压力和温度（自然吸气式发动机）或增压器后的空气压力和温度（增压发动机）。pe与混合气形成方式、燃料种类、换气、燃烧过程、机械效率、充气效率、进气压力等等参数有关，合理地确定这些参数，就能提高pe，但最有效的措施是采用废气涡轮增压。,7.1汽车发动机的设计要求和技术指标,7.1.2.3活塞平均速度（额定工况）由惯性力引起的连杆大小头比压pB正比，pA正比Cm是评价发动机零件的惯性力载荷的指标，对于发动机的性能、工作可靠性和使用寿命有很大影响。Cm增加，使转速增加，功率增加，但机械负荷、热负荷都增加，磨损加剧，寿命下降，充气效率下降。所以对Cm有限制。汽车柴油机Cm为10-13m/s，汽油机Cm为12-16m/s。采取措施：降低S/D的值，即S下降，Cm不变，转速升高，使功率升高。,7.1汽车发动机的设计要求和技术指标,7.1.2.4单位活塞面积功率和强化系数单位活塞面积功率因为NeN与发动机单位时间内燃烧释放的热量成正比，燃烧室散热面积与活塞面积成正比，所以NF就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（设传热条件相同），可以代表热负荷，是评价发动机热负荷的指标。当一定时，NF正比于pecm，pe增加及cm增加，都会使发动机热负荷增加。又因为气缸内的气压力正比于peN，惯性力载荷正比于cm2，所以一定时，NF正比于pecm也在一定程度上表示机械负荷的高低，因此，称pecm为发动机的强化系数。,7.2汽车发动机的主要结构型式与主要结构参数,7.2.1发动机的结构型式发动机结构型式的选择是发动机总体设计中的首要问题。7.2.1.1汽油机和柴油机与柴油机相比，汽油机的主要优点是升功率高、比重量小、功率密度高，低温起动性能好、工作柔和、噪声小、制造成本低等优点。柴油机相对于汽油机的主要优点是：燃料经济性好，不仅最低耗油率比一般汽油机低15-25%，而且万有特性上的低油耗区宽阔，因此柴油车的使用油耗只有一般汽油车的三分之二左右；柴油机的可靠性和耐久性高于汽油机，发生故障较少，大部分零件的使用寿命高于汽油机的相应零件；柴油机可以采用较大的缸径或采用较高的增压比来提高单缸功率，而汽油机的增压比和缸径的加大则受到容易发生爆震的限制。,7.2汽车发动机的主要结构型式与主要结构参数,7.2.1.2二冲程机和四冲程机四冲程机应用广泛，工作可靠，性能稳定，经济性好，效率高，寿命长。二冲程机的升功率高，可比四冲程机高出50%-70%，结构简单，体积小，重量轻，NOx排放量较少，但效率低，寿命短，燃料和润滑油消耗较大，HC排放量较大，怠速和低负荷工况运转不够稳定，热负荷较大，噪声较大。目前汽车用的二冲程机产品很少，摩托车因使用率低，对比重量和制造成本的重视胜过燃料经济性要求，所以一直大量使用着曲轴箱扫气的二冲程汽油机。7.2.1.3发动机的冷却方式冷却方式有水冷和风冷两种。,7.2汽车发动机的主要结构型式与主要结构参数,水冷机：冷却均匀，效果好，强化潜力大，发动机的热负荷比较低，应用广泛，特别是大缸径，但冷却系统结构复杂，容易发生故障，发动机的工作可靠性低。风冷机：不需要水，系统简单，冷却系工作可靠，对工作环境适应性强，但运转噪声较大，热负荷较高，成本较高，应用逐渐增多，小型机。7.2.1.4增压与自然吸气柴油机增压可提高升功率和燃料经济性，工作粗暴性有所改善，有害气体排放量大为减少，但增压柴油机的机械负荷和热负荷较高，而体积和重量都较小。一般说来，发动机越大，增压越经济。,7.2汽车发动机的主要结构型式与主要结构参数,限制汽油机增压的主要原因是：会增大爆震倾向，不得不降低压缩比或使用高辛烷值汽油；机件热负荷严重，尤其是排气门和增压器涡轮；增压器无论放在化油器之前还是之后都有一些问题，往往影响发动机正常工作。但对电子控制汽油喷射的汽油机来说就不存在这个问题。7.2.1.5缸数与气缸排列方式发动机的缸数和气缸排列方式对其外形尺寸、平衡性、制造成本等等都有影响，也与新产品系列化有关。,7.2汽车发动机的主要结构型式与主要结构参数,如发动机的，都相同，但不同，则说明：随着缸数的增多，发动机的单缸排量和总排量都减小，曲轴转速和升功率则加大。因此同功率同一强化程度的发动机，缸数越多越轻巧。单列式四冲程发动机则缸数越多时平衡性也变好。缸数加多而缸径减小会使散热损失相对增大，但却有利于进一步强化。加多缸数的主要缺点是每台发动机的零件总数增多了，结构复杂了，制造和维护成本都较高。,7.2汽车发动机的主要结构型式与主要结构参数,选择缸数时应综合考虑多方面的情况：给定的和，可能达到的和，对外形尺寸的限制，允许振级和成本等等。汽车发动机的气缸排列方式有单列式和双列式。单列式机构造简单，维修和保养方便，制造成本较低。六缸以下的发动机绝大多数是单列的，其各缸中心线所在平面或与地面垂直或倾斜一个角度；倾斜是为了降低发动机总高度。缸数=8的发动机都排成两列，呈V型或卧式。卧式发动机高度小，多用于发动机后置的汽车上或公共汽车上。,7.2汽车发动机的主要结构型式与主要结构参数,V型机结构紧凑，机体刚度好，比重量轻，曲轴扭振固有频率较高。不过V型六缸机6V-90的平衡不如单列6缸机，8V-90在曲轴上加平衡重之后是完全平衡的。12V和16V不论V型角多大都是完全平衡的。7.2.1.6汽油机的燃烧室型式与气门数目现代车用汽油机燃烧室型式主要有四种：楔形、半球形（含蓬形）、盆形和碗形，见图7-6，其中碗形燃烧室设于活塞顶部。楔形、盆形和碗形燃烧室都具有相互平行的两个气门，各缸的气门在发动机纵向上排成一列。半球形（蓬形）燃烧室则可能有两个或四个气门，在发动机纵向上各缸气门排成两列。采用半球形（蓬形）燃烧室和楔形燃烧室占绝大多数，碗形室和盆形室都用得不多，盆室有淘汰趋势。,7.2汽车发动机的主要结构型式与主要结构参数,7.2.1.7柴油机的燃烧室型式汽车柴油机的燃烧室型式有两种：分隔式燃烧室和直喷式燃烧室。分隔式燃烧室多为涡流室，较少预燃室，直喷室大多是形的。7.2.2发动机的主要结构参数发动机的主要结构参数包括气缸数、工作容积、缸径、行程、缸心距，以及活塞行程缸径比、连杆比、缸心距比等等。当发动机的结构型式选定后，在当前技术水平下其所能达到的和的大致范围即可明确，接着就可以选择值，算出应有的，。缸心距比是在草图设计中确定的。,7.2汽车发动机的主要结构型式与主要结构参数,7.2.2.1行程缸径比行程缸径比的大小对于发动机的技术指标的影响：发动机的升功率而活塞平均速度，对于，一定的发动机来说，若在保持不变的情况下改变，则采用较小的值就可相应加大，从而使升功率加大。但轴承单位面积上的惯性力载荷也会加大（见图7-7点划线）。如果在减小的同时按一定关系减小，例如维持不变，或维持不变，则轴承惯性力载荷可以不变或减小，相应的升功率也就提高很少或不会提高（见图7-7中实线和虚线）。,7.2汽车发动机的主要结构型式与主要结构参数,对于同一取不同的，则发动机的长、宽、高都将受到影响。图7-8给出了一台为1L的单列四缸机外形尺寸的计算结果。可见对于同一取较小的值则单列式发动机的长度加大，高度和宽度减小，其中长度受值的影响最大而宽度受影响最小。值对于单列式发动机重量的影响示于图7-9。,7.2汽车发动机的主要结构型式与主要结构参数,对于同一和的柴油机来说，若减小值则压缩终点位置活塞顶至缸盖底面间的顶隙容积（见图7-10）在整个压缩容积中所占的比例加大（顶隙一般均取为现有工艺水平所容许的最小值0.8-1.0mm，故大则大）。在此顶隙容积中有相当大的一部分混合气形成和燃烧的条件很差，因此比值的加大，或者说比值减小，将使热效率和降低而有害排放增多。一般认为不宜低于75%。另一方面，取较小的值还会使压缩室容积的面积容积比加大，散热损失相对加大。,7.2汽车发动机的主要结构型式与主要结构参数,同一而采用较小的值时，曲柄半径减小，曲柄销和主轴颈的重叠度加大，因此曲轴的疲劳强度、弯曲和扭转刚度均增大，扭振固有频率也提高。,7.2汽车发动机的主要结构型式与主要结构参数,综上所述，从提高升功率、降低发动机高度、提高曲轴的强度和刚度考虑，宜取较小的；而从改善热效率、减小轴承惯性力载荷、缩短单列式发动机长度和减小比重量考虑，则宜取较大的值。目前车用汽油机的值多数在0.90-1.05之间，车用柴油机的值多数在1.0-1.2之间。V型机的值一般要比单列式机略小些。7.2.2.2气缸数、气缸工作容积、缸径和活塞行程这些结构参数与，之间的关系是：,7.2汽车发动机的主要结构型式与主要结构参数,如果面临的设计任务是在现有机型基础上的局部改进，例如不变，S只扩大D以增大，或者不变D，S（），（）只增压以加大，或者不变汽油机的D，S（），只把每缸双气门改成4气门以加大（）等等，则不难把改变了的或或代入上式算出新的来。如果是做新产品设计，只给定了、，而其它一切从结构型式直至结构参数均可选择，这时宜先估计一下用何种结构型式可达到目标，估计方法如下：对于某一备选的结构型式，可参考同类型先进发动机的技术数据和本章前几节介绍的一些关系选择、和，用上式算出z。,7.2汽车发动机的主要结构型式与主要结构参数,如果已能肯定有一种或两种结构型式可行，就可对该一两种结构方案计算应有的、D和S，再通过草图设计在两个方案中择一。计算、D和S的步骤：先选定和，计算应有的、D和S，将D和S的毫米数取为整数，再复算和。用得出的和S计算和，二者均应与同用途同类型先进发动机的水平相当。,7.2汽车发动机的主要结构型式与主要结构参数,7.2.2.3气缸中心距为缩短发动机的长度，相邻气缸中心线的距离应尽可能地小一些，通常用来表征发动机纵向尺寸的紧凑性。单列水冷发动机的决定于缸筒结构形式（无缸套、干缸套还是湿缸套）和冷却水套的设计；V型发动机的决定于曲轴纵向尺寸；风冷发动机的则决定于单体缸筒上必要的肋片尺寸。,7.2汽车发动机的主要结构型式与主要结构参数,7.3设计和研制发动机的一般过程和方法,发动机的设计与研制可分为三类：在原有产品基础上局部改进或变型产品的研制；新机型发动机的研制；探索新技术方向的试验发动机的研制。第一类工作投资省而见效快，一般工厂总是不间断地进行着这类工作以争取更大的效益。不过随着技术的不断进步，原有发动机到了一定时候就无法通过局部改进或变型来保持竞争力了，因此一般情况是每隔若干年就有必要进行一轮产品更新。新发动机的研制是以当前成熟技术为基础的，在这一点上同第一类工作一样，但是可以少受或不受原有产品结构设计限制，因而可以更好体现当前的技术水平。本节主要就是介绍新发动机产品研制的一般过程和方法问题。至于第三类工作，是一些特殊的探索。,7.3设计和研制发动机的一般过程和方法,7.3.1研制发动机的一般过程新发动机的研制大体上可以分为四个阶段：计划与方案设计阶段，技术设计阶段，样机试制与调试阶段，鉴定与小批试生产阶段。7.3.1.1计划与方案设计阶段在此阶段要进行仔细的调研和论证以明确研制的必要性、可能性和发展目标，主要的技术经济指标、结构型式和研制的进度计划。研制的必要性决定于对产品的需求，因此要仔细调研其主要用途和需求的紧迫程度、用于其它用途的可能性、预计产量、发展成多种缸数的系列产品以供应多种配套需求的可能性、与国家的技术政策和发展战备的适应性等等。,7.3设计和研制发动机的一般过程和方法,研制的可能性则包括资金、技术力量、掌握先进技术的程度、生产条件、附件厂的配合等等。研制发动机的额定功率和转速、外形尺寸和重量、地区适应性等使用要求是根据主要用途提出来的，但也要尽量适应更多的用途以扩大其预计产量。预计产量和具体的研制条件不仅影响研制方针方法的选择，而且影响发动机的具体结构设计。研制发动机应达到的技术水平反映在所确定的技术经济指标上（如，比重量，功率密度、成本、寿命）。需要对用途及功率与研制目标相近的各种国外发动机产品的现有技术水平和发展方向进行仔细的调查和分析，了解专业化生产的各种附件的技术水平和发展方向，以便尽可能地使这些确定的技术经济指标在研制开发成功后还具有一定的竞争力。,7.3设计和研制发动机的一般过程和方法,如果同时存在两种可能的结构型式和相应的两套技术指标，通常就要对两种设计方案都进行总布置草图设计并做一些估算和分析，以便尽早地选定吸引力较大的一种。计划与方案设计阶段的工作是很重要的决策性工作，对于研制的成功与否有决定性的影响。这一阶段的工作结论应写成技术任务书，作为研制和鉴定的依据。7.3.1.2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，以最终确定发动机的总布置设计和所有零部件的设计，完成全套图纸和设计说明书、计算说明书等技术文件。,7.3设计和研制发动机的一般过程和方法,发动机的总布置设计表现为一系列总图，即纵横剖面图、各向视图和重要的局部剖视图。在这些图中应能看出发动机主要零部件（缸体、缸盖、曲轴、连杆、活、配气机构）的结构和所有附件（供油、润滑、冷却系的部件，进排气管，增压器，以及要求发动机驱动的汽车转向加力泵、空气压缩机等等）。在零部件的设计没有完成之前，是不可能最终确定总布置设计的。但是各零部件的设计又不能脱离发动机整体综合的要求，不能发生相互间的矛盾。因此实际上在有了总布置草图之后，总图的绘制和主要零部件的细化设计需要平行地进行，以便及时发现在各零部件之间的关系上有何问题并研究解决之。在细化零部件设计时需要进行不少分析和计算，包括利用循环模拟估算与热力过程有关的参数和零件设计;曲柄连杆机构的动力计算、平衡计算和曲轴扭振分析;主要受力件的应力分析，主要受热件的温度与应力分析;配气机构的运动学和动力学计算，凸轮型线和气门弹簧的设计计算;轴承润滑油膜计算等等。,7.3设计和研制发动机的一般过程和方法,在此阶段还要进行一些先期试验，例如直喷室柴油机的进气道就需要在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旋流强度。为了减轻发动机的重量，要尽力优化其主要铸、锻件的形状设计（缸体、缸盖、曲轴、连杆、飞轮、飞轮壳等），在满足刚度、强度或转动惯量的前提下合理分配材料。凡受力很小的壳、盖等零件可用冲压件或塑料件。更要切记不要为将来可能要求加大功率而故意留下加大排量和提高强化程度的余地（例如加大缸心距、加大轴颈等），因为这会使发动机的体积、重量和成本增大，而实际上将来是否要求加大功率并不肯定，即使有此要求，也有可能通过其它途径实现，例如发掘发动机的极限能力、利用新的技术等等。各附件的位置安排对发动机的体积和可靠性都有很大影响。宜注意在保证拆装、维修方便的前提下，尽可能使附件直接固定在机体上并且不与任何附件过于突出；要尽量减少传动齿轮、链条链轮的数目。同时宜尽量不用外接的水管、机油管而在铸件上开油道和水道，以减少漏水漏油。减少零件数目不仅增加可靠性而且有利于降低成本。,7.3设计和研制发动机的一般过程和方法,7.3.1.3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。所谓调试就是通过有计划地改变与发动机工作过程有关的一些参数和零件，全面考察每一种变动对于发动机功率、扭距特性、燃油消耗率和有害排放等方面产生的影响，然后分析确定综合效果最佳的一套参数和零件，以达到预定的各种性能指标。以柴油机为例，要确定