内燃机构造与设计--6-7汽车发动机设计总论.ppt

内燃机的结构和设计，7汽车发动机设计概述，3发动机和主要部件的总体设计，往复活塞式内燃机的基本结构在过去的100年里没有多大变化，但其性能和设计水平一直在不断提高。这主要表现在发动机的主要技术指标如燃油经济性、功率增加、紧凑性(发动机重量和体积)、制造成本、可靠性和使用寿命的不断提高。近年来，为了满足环境保护法律法规的要求，在减少有害排放物、振动和噪音方面取得了不断的进步。内燃机设计是一项非常困难且要求很高的工作。一方面，由于它是一个复杂的系统，各子系统(曲柄连杆机构、机体、配气机构、供油系统、进排气系统、润滑系统和冷却系统)相互制约，许多部件的机械负荷和热负荷非常严重。另一方面，这是因为新设计的模型的技术水平必须高于旧模型才能开发。总的来说，新设计主要是对原设计的改进。设计师应该具备各种知识和技能。设计课程主要侧重于发动机的总体设计和发动机主要部件的设计。7.1汽车发动机的设计要求和技术指标7.1.1汽车发动机的要求从汽车使用的角度对发动机设计的要求包括：功率充足，在较宽的转速和负荷范围内稳定运行，燃油和机油消耗少，体积小，重量轻，运行可靠，使用寿命长，环境污染小，振动和噪音小，适应多种工况，制造成本低，维护方便。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对发动机功率的要求，汽车发动机应具有足够的功率和良好的扭转特性，以保证功率(车速和牵引力)、加速度和克服运动阻力突然增加的能力。汽车的总重量g越大，所需的发动机功率Ne就越大，但是汽车的“比功率”(即相当于汽车每单位总重量的功率，也称为吨功率)的变化范围并不太大。除了对发动机功率的要求外，卡车还要求发动机外部特性的扭矩适应性系数和转速适应性系数尽可能大。这里，每个是发动机额定功率条件下的转速和扭矩，每个是最大扭矩条件下的转速和扭矩。7.1增加了汽车发动机的设计要求和技术指标，提高了汽车的加速度、爬坡能力和克服行驶阻力突然增加的能力，同时减少了行驶中的换挡次数。现有负载引擎的适应性系数范围大致为：对于汽车来说，由于其比功率高，没有必要关注发动机外部特性的适应性系数。此外，发动机平稳运行的速度范围应尽可能宽，并应能从怠速快速变化到全速和满载。7.1.1.2燃油经济性要求汽车的燃油经济性有多种评价指标，如在一定速度下的恒速油耗为100公里(kg/100公里)。根据某一可变工况规范行驶时，在多种工况下测量的100公里油耗；以及每公斤燃油的里程(公里/公斤)等。7.1、汽车发动机的设计要求和技术指标，发动机的通用特性的最低油耗(g/kw.h)越低，低油耗率的工作区域越宽，汽车的油耗越低。7.1.1.3对紧凑结构的要求，汽车发动机的重量一方面与原材料的消耗有关，即影响制造成本。另一方面，它与汽车的自重有关，汽车的油耗大致与汽车的自重成正比。因此，尽可能减轻发动机的重量是一项重要的设计指标7.1汽车发动机的设计要求和技术指标，以及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其在设计中规定的使用条件下连续工作的能力，不会因故障而影响正常运行。可靠性是通过在保修期内不停机故障的数量、停机故障的数量、更换的主要零件的数量和非主要零件的数量来评估的(民用柴油机一般为1500小时，汽油发动机一般为500小时)。一般来说，要求主要部件的故障在保修期内不会发生，如气缸体、气缸盖、曲轴、连杆、轴瓦、活塞、活塞销、活塞环、凸轮轴、气门、气门弹簧等部件的断裂或开裂，以及影响喷油泵和增压器功能的重大事故。长途汽车需要更高的发动机可靠性。发动机的耐久性或使用寿命是指从开始使用到第一次大修，即发动机大修期间累计的里程或小时数。这通常取决于气缸筒和曲轴的磨损效率。磨损量达到一定程度后，如果7.1汽车发动机的设计要求和技术指标、气缸压缩压力、漏气率和油耗率达到不可接受的水平，就必须对发动机进行大修。大修周期不仅与发动机转速和负荷强度有关，还取决于设计和工艺质量。如下表所示，达到该限值前的累计运行时间和里程是汽车发动机的使用寿命、7.1设计要求和技术指标、7.1.1.5对有害排放和噪声水平的要求。汽车发动机的有害排放物包括一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、铅、烟灰和微粒。使用含铅汽油时，汽油发动机会排放铅，而柴油发动机会排放烟灰和微粒。事实上，微粒是指废气中含有碳烟的固体和液体滤液。这些有害排放必须限制在国家颁布的标准之内。当超过标准范围时，必须采取各种措施来减少有害排放，同时，必须补偿由此造成的功率损失和燃料消耗。使用电控汽油喷射和点火、三元催化转化、废气再循环等技术可以减少有害物质的排放。噪声也应限制在国家颁布的标准范围内。它也对人有害。目前，我国规定1985年以后生产的车辆加速度噪声不得超过82-89dB(轿车下限和8吨以上卡车上限)。为了降低汽车的噪声，一方面要依靠适当的屏蔽，另一方面要降低动力传动系的噪声，主要是发动机的噪声。7.1汽车发动机的设计要求和技术指标，以及7.1.1.6对易用性的要求。汽车发动机应具有良好的起动性能。一般要求汽油机在常温和柴油机温度条件下，无需特殊的低温起动措施就能快速、可靠地起动，并能在较低温度下借助辅助装置平稳起动。汽车发动机应该易于安装、操作和维护。7.1.1.7的制造成本和系列化汽车发动机的制造成本与其重量、零件数量、所用材料、附件等相关。以及它们的生产批次和制造工艺等。一般来说，只有在大规模生产的情况下，成本才能显著降低，因此发动机产品的系列化和零件的通用化具有重要意义。7.1汽车发动机的设计要求和技术指标，发动机设计中“三合一”产品的系列化，零部件的通用化和零部件设计的标准化。产品系列化：基本规格尺寸小，通过改变气缸数量、排列方式、转速、燃料、材料等方法可以扩大功率范围。它通常以发动机为主要目的，通过改变一些结构参数或结构类型，形成相同系列的各种发动机产品，可以在相对宽的功率范围内与不同类型的汽车或其他动力装置一起使用。零件的一般化：零件可以尽可能互换。零件设计的标准化：设计零件时，零件的尺寸、结构、材料和技术要求7.1汽车发动机的设计要求和技术指标，7.1.2发动机技术参数和评估指标技术参数与发动机使用直接相关的参数(如功率、转速、重量、外形尺寸等)。评价指标用于比较不同发动机的强化程度和设计水平参数(例如平均有效压力、平均活塞速度、提升功率、比重、功率密度等)。)。在发动机的设计阶段，技术参数和评价指标都只是预期目标，所以一般称为设计指标或技术指标。7.1.2.1额定功率和上升功率实测有效功率实际环境空气状态下的有效功率根据台架试验测得的扭矩和曲轴转速数据计算得出。7.1、汽车发动机的设计要求和技术指标，校正有效功率根据主管部门发布的标准方法，通过测量有效功率的标准大气状态校正获得的功率。净功率发动机配有所有附件(包括空气滤清器、汽车排气系统、水冷系统恒温器、散热器、风扇和空气护罩、发电机、调节器和电池)时的修正有效功率。总功率可以在有或没有催化转化器、实验室排气系统代替汽车排气系统、实验室冷却系统代替水冷发动机冷却系统以及空气过滤器的情况下进行校正。汽车发动机的额定功率NeN是在额定速度nN下发出的总功率，最大扭矩Memax是在总功率测试条件下获得的发动机外部特性上的最大扭矩点处的扭矩，最大扭矩点处的转速nM通常在一个范围内。7.1汽车发动机的设计要求和技术指标。当节流阀(节流阀)完全打开时，汽油机的Ne随着N的增加而增加，但当转速超过一定限度后，它就降低了。该最大功率速度可以有多高主要取决于汽油发动机的进气系统的设计(例如，进气门通道面积、进气系统动态阻力等)。)。车用汽油机的额定转速一般设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，由调速器控制。氮含量越高，混合物形成和燃烧的时间越短，热效率越低，发动机的可靠性和耐久性越低。7.1汽车发动机的设计要求和技术规范。当和zVh固定时，ne与pen成正比，me与pe成正比。上升功率：指额定功率条件下每单位工作容积获得的功率。Nl的增加意味着可以用较小的工作体积获得相同的功率。因此，在相同结构类型的发动机中，较高的Nl意味着较高的功率密度和较小的比重。在设计汽车发动机时，通常需要尽最大努力增加功率，但对于高利用率和大功率的柴油机，为了获得更好的燃油经济性和更长的使用寿命，通常会适当降低神经网络。比重：g是发动机的净重。7.1.2.2的平均有效压力，7.1汽车发动机的设计要求和技术指标，pe是一个工作周期内单位体积的有效功，它是由一个工作周期内单位工作体积释放的热能和热能的有效利用率决定的。其中v和分别是发动机的充气系数和过量空气系数；i和m分别是发动机的指示效率和机械效率；L0是使用1kg燃料完全燃烧理论上所需的空气量(kg空气/kg燃料)；Hu是燃料的低热值(千焦/千克燃料)；Ps(MPa)和Ts(K)分别是发动机所处环境的空气压力和温度(自然吸气发动机)或增压器后的空气压力和温度(增压发动机)。Pe与混合气体形成模式、燃料类型、通风、燃烧过程、机械效率、充气效率、进气压力等参数相关。合理确定这些参数可以改善pe，但最有效的措施是采用废气涡轮增压器。7.1、汽车发动机的设计要求和技术指标，7.1.2.3平均活塞速度(额定工况)与co的比压pB成正比随着Cm的增加，转速和功率增加，但机械负荷和热负荷增加，磨损增加，使用寿命降低，充气效率降低。所以对Cm有限制。汽车柴油机的厘米为10-13米/秒，汽油机的厘米为12-16米/秒。采取措施：降低信噪比，即信噪比降低，厘米保持不变，转速增加，功率增加。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增强系数单位活塞面积功率因为NeN与发动机每单位时间燃烧释放的热量成正比，而燃烧室的散热面积与活塞面积成正比， 在额定功率条件下(传热条件相同)，单位表面积通过燃烧室的平均热流与平均热流近似成正比，可以代表热负荷，是评价发动机热负荷的一个指标。 当不变时，核因子与压强成正比，压强和压强的增加会增加发动机的热负荷。此外，由于气缸中的气压与peN成正比，惯性力载荷与cm2成正比，当不变时，NF与pecm成正比，这也表明一定程度上的机械载荷。因此，pecm被称为发动机的强化系数。7.2汽车发动机的主要结构类型和主要结构参数，7.2.1发动机的结构类型发动机结构类型的选择是发动机总体设计的首要问题。与柴油机相比，7.2.1.1汽油机和柴油机的主要优点是大功率、小比重、高功率密度、低温起动性能好、运行平稳、噪音低、制造成本低。与汽油发动机相比，柴油发动机具有以下主要优点：(1)燃油经济性好，不仅最低油耗率比普通汽油发动机低15-25%，而且低油耗区广，因此柴油车辆的油耗仅为普通汽油车辆的2/3左右；(2)柴油机的可靠性和耐久性比汽油机高，故障少，大部分零部件的使用寿命比汽油机的相应零部件长；(3)柴油机可以使用较大的气缸直径或较高的压力比来增加单个气缸的功率，而汽油机的压力比和气缸直径的增加受到爆震可能性的限制。7.2、汽车发动机的主要结构类型和主要结构参数，7.2.1.2二冲程机和四冲程机四冲程机应用广泛，运行可靠，性能稳定，经济性好，效率高，使用寿命长。二冲程发动机具有很高的升力，比四冲程发动机高50%-70%。它结构简单，体积小，重量轻，氮氧化物排放少，但效率低，使用寿命短，燃油和润滑油消耗量大，碳氢化合物排放量大，怠速和低负荷运行不稳定，热负荷大，噪音大。目前，用于汽车的二冲程发动机很少。摩托车已经大量使用曲轴箱扫气二冲程汽油发动机，因为它们的利用率低，并且强调相对重量和制造成本而不是燃料经济性要求。7.2.1.3发动机通过水冷和气冷来冷却。7.2、汽车发动机的主要结构类型和主要结构参数水冷器：冷却均匀，效果好，强化潜力大，发动机热负荷低，应用广泛，特别是气缸直径大，但冷却系统结构复杂，容易出现故障，发动机工作可靠性低。风冷式机器：不需要水，系统简单，冷却系统可靠，对工作环境适应性强，但噪音大，热负荷高，成本高，应用越来越广泛，机器体积小。7.2.1.4的涡轮增压和自然吸气式柴油机可以提高功率和燃油经济性，改善工作的粗糙度，并大大减少有害气体的排放。然而，增压柴油机具有较高的机械和热负荷，但体积和重量较小。一般来说，发动机越大，推进就越经济。7.2、汽车发动机的主要结构类型和主要结构参数，限制汽油机增压的主要原因如下：爆震的趋势将会增加7.2.1.5的气缸数量和气缸排列发动机的气缸数量和气缸排列对其整体尺寸、平衡、制造成本等有影响。并且还与新产品的系列化有关。7.2、汽车发动机的主要结构类型和主要结构参数，如发动机的、相同，但不同，这表明随着气缸数的增加，发动机的单缸排量和总排量减小，而曲轴转速和提升功率增加。因此，气缸越多，同样功率和强度