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大学生方程式赛车设计（发动机匹配试算与装配设计）摘 要中国大学生方程式汽车大赛（简称中国FSAE）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。本文具体研究大学生方程式赛车（FSAE）发动机系统的匹配试算和结构设计，通过了解发动机的性能参数、结构参数，运用发动机原理，汽车构造等所学的知识，根据大学生方程式赛车的比赛规则及网上查询资料，对发动机进行选择。文章主要论述如何改进发动机的进排气及冷却系统，使发动机达到预想的状态，且符合大赛的规定。对于进排气系统采用GT-Power、FLUNT等软件进行仿真计算设计，进排气系统的优化设计，采用四个分置的进气歧管，避免了各缸进排气时间不同造成的挣气现象，使得进排气更加顺畅，提高了进气效率，从而提升发动机的动力性能。进气系统限流阀的应用使得赛车更加安全，同时也能让学生更加的主动去学习如何改进进气系统，做成两头锥的形状，使得进气无死角，又不会违背大赛规定。应用流体力学设计谐振腔，使得进气尽量多。关键词：方程式赛车（FSAE），发动机，匹配，进排气IDesign of FSAE (trial matching and assembly design of engine)ABSTRACTFormula SAE of China (hereinafter referred to as the Chinese FSAE) is a study by the institutions of higher learning in vehicle engineering or relevant majors participate in automotive design and manufacture of the game.This paper studies college students formula (FSAE) matching calculation and structure design of engine system. by understanding the performance parameters, the structural parameters of the engine, using the principle of engine, automobile structure knowledge, According to the rules of the Formula SAE and search Information online to choose a engine . This paper mainly discusses how to improve the intake and exhaust and cooling system of engine, the engine to achieve the desired state, and in accordance with the competition rules. For the inlet and exhaust systems,use GT-Power FLUNT to simulation calculation. Optimization design of inlet and exhaust system,ues four intake manifold split,. avoid the phenomenon of each cylinder earn gas intake and exhaust is caused by the different time, the intake and exhaust more smoothly, improves the air intake efficiency, so as to enhance the power performance of the engine. The application of limited flow valve inlet system makes the car more secure, but also can make students more active go to study how to improve the intake system, made of two cone shape, so that the intake without blind angle, without violating the contest rules. Application of fluid mechanics designing resonant cavity, so that the intake as much as possible.KEY WORDS: Formula One racing (FSAE), engine, matching, The intake and exhaust.II目 录第一章 大学生方程式赛车简介1 1.1 赛事简介1 1.2 愿景与使命1第二章 发动机的匹配32.1 发动机的匹配32.1.1 匹配的定义32.1.2 发动机匹配的应用场合32.2 发动机的机械匹配技术32.2.1 发动机和变速器的选型和匹配32.2.2 设计与分析42.2.3 主要试验项目52.3 发动机管理系统及其开发技术52.3.1 发动机管理系统52.3.2 发动机管理系统开发技术52.4 发动机的标定技术62.4.1 发动机标定62.4.2 发动机标定软件62.4.3 发动机标定设备62.4.4 发动机标定试验72.5 其它相关电气系统的开发72.5.1车载网络系统的开发72.5.2 电气线束系统的开发72.6 发动机的选购72.6.1 赛车发动机的选择原则72.6.2 以下是国内几款常用FSAE发动机的资料8第三章 发动机进排气系统的匹配143.1 FSAE进排气系统和限流阀的关系143.2 GT-Power介绍153.3 发动机的进排气管15III3.3.1 进气管长度对发动机性能影响173.3.2 排气管长度对发动机性能影响173.4 限流阀的作用意义173.4.1 什么是进气限制器183.4.2 进气限制器的作用183.4.3 为什么要有进气限制器193.4.4 进气限制器为什么要安装在节气门之后203.5 谐振腔CAE分析方法203.6 进排气歧管的设计213.7 进排气最终方案233.7.1 进排气系统UG图233.7.2 进排气CAD图24第四章 冷却系统匹配264.1 冷却系统的总体布置原则264.1.1 提高进风系数264.1.2 提高冷却液循环中的散热能力264.2 膨胀水箱的选择264.3 水管的设计274.4 防冻液的选择274.5 冷却系统的固定28第五章 润滑系统295.1 润滑的意义295.2 润滑的方式295.3 润滑系统的组成及油路305.4 曲轴箱通风装置305.5 机油的功用315.6 机油的使用特性及机油添加剂325.7 机油的分类335.8 机油泵345.9 机油滤清器355.10 冷却器36IV第六章 总结37参考文献38致 谢39附 录40V第一章 大学生方程式赛车简介1.1 赛事简介中国大学生方程式汽车大赛（简称中国FSAE）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。2010年第一届中国FSAE由中国汽车工程学会、中国二十所大学汽车院系、国内领先的汽车传媒集团易车（BITAUTO）联合发起举办。中国FSAE秉持“中国创造擎动未来”的远大理想，立足于中国汽车工程教育和汽车产业的现实基础，吸收借鉴其他国家FSAE赛事的成功经验，打造一个新型的培养中国未来汽车产业领导者和工程师的交流盛会，并成为与国际青年汽车工程师交流的平台。中国FSAE致力于为国内优秀汽车人才的培养和选拔搭建公共平台，通过全方位考核，提高学生们的设计、制造、成本控制、商业营销、沟通与协调等五方面的综合能力，全面提升汽车专业学生的综合素质，为中国汽车产业的发展进行长期的人才积蓄，促进中国汽车工业从“制造大国”向“产业强国”的战略方向迈进。中国FSAE是一项非盈利的社会公益性事业，利在当代，功在未来。项目的运营和发展结合优秀高等院校资源、整车和零部件制造商资源，获得了政府部门和社会各界的大力支持以及品牌企业的资助。社会各界对项目投入的人力支持和资金赞助全部用于赛事组织、赛事推广和为参赛学生设立赛事奖金。1.2 愿景与使命促进中国汽车产业自主研发与科技进步，提高中国汽车产业“引进消化吸收再创新”和“自主创新”的能力，加快中国制造向中国创造的转型，推动民族品牌向世界品牌的跨越。 完善汽车人才培育机制，为中国汽车工业从“制造大国”向“产业强国”的战略方向迈进奠定人才基础。积极探索有效利用社会资源培养创新型人才的素质教育新体系。搭建自主创新技术的国际交流舞台，帮助中国汽车产业的未来人才从世界汽车技术的革新潮流中不断获取新的启迪，以国际化的视野捕捉行业动态，丰富知识储备，积极参与国际汽车技术标准的更新与提升。深化中国汽车产业自主创新的主流意识，强化中国汽车厂家在汽车人才培养、技术研发等方面的企业社会责任感，帮助众多汽车自主品牌积极探索自身广阔的发展空间。图1-1 我校参加第一届FSAE的赛车2第二章 发动机的匹配2.1 发动机的匹配2.1.1 匹配的定义在汽车设计中，根据整车中各个部件系统的特性，合理地选择发动机、变速器和其它部件的类型和参数，将其进行优化组合，通过计算、仿真和实验等手段来估计和验证整车性能，使整车具有最优的动力性、经济性、排放性能和制动性能的过程和方法。本文将分机械匹配和电气匹配两个方面来介绍发动机匹配技术。2.1.2 发动机匹配的应用场合通常发动机匹配项目主要应用于两个方面：一是在设计新车型过程中，开发新的动力系统；二是已有车型更换发动机或发动机国产化。发动机和变速器的选型和匹配是此类项目的工作重点。2.2 发动机的机械匹配技术2.2.1 发动机和变速器的选型和匹配一、设计计算发动机匹配项目的设计计算是根据汽车要求的性能，来确定发动机和变速器等部件的类型和参数，有3种方法：1、手工计算主要根据汽车驱动力与行使阻力的平衡图来确定汽车在不同档位情况下的最高车速、加速能力和爬坡能力，从而评价变速器的不同传动比对汽车性能的影响，确定发动机和变速器的参数。这种方法计算繁琐，结果不够准确。2、仿真计算在设计汽车和各部件的模型基础上，输入发动机和变速器等汽车部件和整车的性能参数，指定要求的行驶循环，最后计算出汽车的动力性、经济性、排放性能和制动性能。它可以在计算机上显示和打印各种分析报告和图表结果，计算快速准确，能反映出汽车系统中任何参数的变化对整车性能的影响。目前国内常见的车辆仿真商业软件有奥地利李斯特内燃机及测试设备公司开发的汽车性能仿真分析软件CRUISE。3、参数优化将汽车的动力性、经济性、排放性能和制动性能作为目标函数,将发动机功率、汽车重量和变速器的各档传动比等参数作为优化变量，在一定范围内，寻求最优的匹配组合，使汽车达到最佳性能价格比。二、发动机和变速器的布置在完成发动机匹配设计计算后，根据初步确定的计算参数和汽车布置形式，可以从市场上选择一款或多款发动机和变速器，然后选择和开发相应制动系统、转向系统和空调系统等部件，在发动机舱和车身上试布置。也可以通过建立汽车和部件的CAD数字模型，在CAD软件环境中试装配，检查干涉情况，并进行调整。在确定汽车主要部件的位置后，可以进行后续工作。三、发动机附件系统的开发通常汽车发动机供应商只提供基础发动机或称为短发动机，它缺少部分外围附件系统，因此需要汽车制造商开发这些系统。通常这些附件系统包括：风扇及风扇离合器、进气和排气管道、空气过滤器、发动机油泵、发动机悬置、动力转向泵、三元催化器、空调压缩机、燃油箱及供应系统。2.2.2 设计与分析1、CAD设计在现代汽车的开发过程中，需要应用CAD软件来设计汽车和部件的数字模型。汽车设计CAD软件主要有：美国UnigraphicsSolutions公司的UG和ParametricTechnologyCorp公司的Pro/ENGINEER、法国DassaultSystems公司的CATIA。CAD建模方法主要有：特征造型、用三坐标测量机进行逆向扫描。2、CAE分析汽车CAE分析软件主要有：美国ANSYS股份公司的ANSYS和UG、Pro/ENGINEER及CATIA。发动机匹配项目中的CAE分析项目有：发动机的噪声与振动分析、发动机支撑的分析、发动机热力学分析、计算流体力学分析（验证散热器的尺寸和发动机进气流动特性）。2.2.3 主要试验项目发动机和汽车台架试验：发动机噪声与振动试验；发动机悬置的振动频率测量试验；排气系统的耐久性试验；发动机过滤器和冷却系统的压力和流动试验。针对新设计的发动机和变速器等部件设计装配用的夹具工具；针对新设计的发动机和变速器等部件设计制造工艺；针对新设计的发动机和变速器等部件，开发维修工具，例如OBD车载诊断仪器及其软件；开发汽车经销商销售管理数据库系统等。2.3发动机管理系统及其开发技术2.3.1发动机管理系统发动机管理系统(EMS,enginemanagementsystem)是在发动机电子点火和电控汽油喷射系统的基础上发展起来的集电子控制喷射、排放控制、电子点火、起动、防盗、诊断等功能于一体的集成电路系统。电子控制技术的飞速发展及发动机排放法规的不断加严和人们对汽车发动机性能的要求不断提高(方便性、舒适性、高效性和经济性)促进了EMS的发展，EMS能实现对发动机各系统的精确控制和灵活控制,是改善发动机各项性能指标和排放的主要手段。发动机管理系统都是由微处理器、各种传感器和执行器组成，通过传感器检测各种工作状态和参数，然后由微处理器经过计算、分析、判断后发出指令给各执行器完成各种动作，使发动机在各种工作状况下都能以最佳状态工作。市场上常见的发动机管理系统有：德国的博世、西门子;美国的德尔福(DELCO)；日本的丰田SFI/TCCS、本田PGM2F1、尼桑ECCS等；韩国的现代ECFI。2.3.2 发动机管理系统开发技术发动机管理系统开发技术涉及到计算机技术、自动控制、嵌入式系统、发动机技术等多个领域，是汽车电气控制系统中最复杂的系统。目前汽车制造商在匹配发动机系统的过程中，不需要进行EMS的开发工作。这是因为通常由发动机供应商提供的基础发动机上，已经配有现成的EMS，汽车制造商仅需要联系相应的EMS开发商进行标定工作。目前流行的EMS开发过程是，在MATLABSimulink仿真计算平台上，采用可视化和模块化的方法,建立发动机的控制模型，待调试成功后，编译成机器执行代码，然后下载到汽车电子控制单(ECU,ElectronicControlUnit)中。例如英国Pi技术公司推出的发动机和汽车控制系统OpenECU开发工具，提供了一种自动代码生成和快速原型的解决方案，它的应用范围包括发动机控制系统、变速器控制系统、底盘控制系统、混合动力控制系统和汽车批量生产系统。OpenECU平台能够在MATLABSimulink环境中自动生成控制代码，然后在汽车ECU中运行。它可以为8缸发动机自动生成控制代码。2.4 发动机的标定技术2.4.1 发动机标定发动机的标定试验是指在汽车不同的工作状态和气候环境下，对发动机管理系统的参数进行不断调试，找到发动机最佳工作状态下的一组参数的测试技术。它通常分为室内台架实验和室外道路实验，室外道路实验要求在汽车试车场进行，另外还要进行“高寒、高温和高海拔”的“三高”试验,分别在冬季最冷的黑河、夏季最热的吐鲁番和海拔最高的拉萨进行。发动机标定试验的主要工具是发动机标定软件和发动机标定设备。2.4.2 发动机标定软件从发动机传感器采集试验数据，经过技术处理后，再将其写入(或下载)汽车ECU中，由于在标定试验中需要处理大量的试验数据，发动机标定软件具有强大的数据库管理功能。由于现代发动机的功能越来越复杂，控制参数也由最初的十几个急剧上升到目前的上千个，导致实验次数呈几何级数上升。要求对每一个标定参数的所有工况都进行全部排列组合的实验是不可能实现的。因此，现在也出现了基于试验优化技术(DOE,De2signofExperiments)的标定软件，它可以优化试验方案，减少标定试验的次数，降低试验费用，缩短试验周期。2.4.3 发动机标定设备在发动机标定试验中，需要测量发动机转速、温度和压力等多种物理量的试验数据，另外需要将标定软件生成的标定数据写入汽车ECU中，发动机标定设备可以实现这些功能。德国CSM公司是发动机标定设备的主要供应商，其部分产品有：AD2Scan提供测量模拟-3.516V范围的电压；Thermo2Scan提供测量-1001372范围的热电偶传感器信号的温度通道；Dual2Scan能同时提供模拟通道和温度通道的测量功能。2.4.4发动机标定试验发动机台架标定试验项目有：发动机实际充气效率标定、空燃比标定、点火正时标定和基本发动机热机标定。整车标定试验项目有：整车废气排放控制标定、整车驾驶性标定、热带环境标定、高原环境标定、寒带环境标定、车辆零部件故障诊断系统标定和系统验证。2.5 其它相关电气系统的开发2.5.1车载网络系统的开发随着汽车电气系统数量和功能的不断增多，电气线束系统变得越来越复杂，越来越粗，损耗功率也越来越大。车载网络和总线系统可以大大减少电气系统的复杂程度。同时轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国、阶段)的轻型汽车号排放国家标准自2007年7月1日起实施，将促进车载诊断系统OBD在汽车上普及，这使汽车必须装备车载网络系统。因此开发车载网络和总线系统成为当今的主流趋势。2.5.2 电气线束系统的开发由于发动机和变速器包含了复杂的电气控制系统，因此在发动机匹配项目中涉及到电气线束系统的开发。其主要工作包括对发动机和变速器的电气线束的布线，,设计其与整车电气系统连接的接插件接口等。在电气系统开发完成后，必须按照国家标准进行相关的电气试验。2.6 发动机的选购2.6.1 赛车发动机的选择原则赛车发动机的选择要根据比赛规则的要求和赛道特点而决定。FSAE比赛中分值最高和赛程最长的是Endurance比赛。Endurance赛道的直道不超过70m。所以FSAE赛车发动机最关键的性能是稳定优秀的扭矩输出，而发动机功率输出性能的重要性则被弱化。FSAE比赛中发动机的选择主要分为两个方向。大排量高性能4缸机是多数车队的选择，较为典型的是Honda CBR600 F4i。而选择小重量单缸机的高水平车队也有不少。Yamaha WR450F就是一款非常适合FSAE的单缸机。越是性能优秀的发动机，往往意味着改进的难度越大。对于FSAE而言，使用的往往是摩托车发动机（因为排量最大610cc的限制），自行改进发动机的进排气系统往往是车队必须面临的工作。新车队在没有FSAE研制经验的情况下，需要面临和解决的诸如设计、制造、配件选购的问题非常多。而且顺利完成FSAE赛车底盘研制任务是新车队应该投入更多精力的工作。所以新车队应该选择一款符合自身情况的发动机，以利于自己第一辆FSAE赛车的顺利完成。2.6.2以下是国内几款常用FSAE发动机的资料一、LD450在国产发动机中选择，可以说是一个悲剧，因为怎么选都没有一台好发动机，国人的发动机无论是设计还是生产，都要比国外落后很多年（这也就是为什么我们要上学，上学不是为了找工作，而是为了让我们的国家和社会得到更好的发展，靠读书来振兴我们的国家从来都不是一句笑话）。国人现在的技术水平，没有办法自己研究出一台高水平发动机，那只有仿了。山寨一词已经不需要我多解释了。汽车都能山寨，发动机当然也可以。亚翔公司的LD450就是一台山寨。它抄袭了本田的CRF450。虽然CRF450在我之前的帖子里已经说过有诸多地方比不上YAMAHA的WR450，但是如果必须在国产发动机里面选，那我想这台还是不错的。它有原装32kw的功率，重量33kg，比JH600要轻很多，原装马力更大。由于是完全仿造，所以大家连说明书都可以看本田CRF的，零配件也都可以通用，在一些比较关键的配件上，可以选用进口件。虽然这违背了使用国产发动机的初衷，但是为了让你的车更快更稳定，你没有理由不这样做。使用LD这台发动机最大的困难就是进气的改装了，由于原装是不带电喷的（据说在研究电喷），所以你必须自己造一套电喷设备，可以选用MOTEC或者其他有一些公司的ECU来完成你的进气改装，自己排线路，自己造进气管，自己装感应器，自己写ECU程序等，前提是你需要有一个发动机实验室。如果你什么都没用，要想用这台发动机，那只有用化油器了，你需要设计并且制造一个20mm口径的化油器歧管，装在化油器和发动机之间，国外的论坛上的讨论说这样的一套，马力大概在23hp，对于FSAE来说是没有什么竞争力的，但是相比JH600，马力应该不会相差很多，但是可以减轻很多整车重量，调整也相对简单，几乎没有电路。这台发动机的价格在11000RMB左右（由于是新机器，这个价格在国内可以买2台二手的4缸600cc发动机或者其他日本制造的发动机） 图2-1 LD450及其化油器二、LD192YMR同样来自亚翔，我没有去研究这台发动机是抄袭的意大利哪一款，但是从数据来看，比JH600要强，重量48kg，转速也比JH600要高。相比LD450，最大的优点应该是电喷。而且该发动机是油冷的，虽然重量比LD450要重，但是湿重的差别会相对小，因为LD450的水箱很重，水箱里的水也很重。500CC同样符合SAE的要求，价格不清楚，有兴趣的车队可以购买研究，我想无论如何都要比春风的那台强。500油冷发动机（LD192YMR）为单缸风冷加油冷四冲程发动机，采用意大利技术，强大的低扭输出澎湃动力！最大功率30kw(7800r/min)，最大扭矩39.3N.m(5500r/min)，点火方式MSE 3.0，电镀陶瓷缸体，德国博世专配电喷系统，理论速度达150km/h以上，按需可配内置倒档，适用于大排量长途旅行类摩托车及全地形车。500cc发动机特点：a、意大利CAGIVA技术，稳定可靠。b、功率大、低速大扭矩、油耗低。c、电镀陶瓷缸体。d、风冷加油冷，冷却效果好。e、德国博世专配电喷系统。f、按需可配内置倒档，适用于沙滩车等。表2-1 LD192YMR参数表技术参数发动机型号LD192YMR发动机型式 单缸、油冷、4气门、单顶置凸轮轴排量498ml缸径/行程 92.8mm 73.6mm压缩比9.2:1最大功率30kw7800r/min怠速1500100r/min 图2-2 LD192YMR 图2-3 JH600三、JH600这是一台国产唯一的600cc发动机（据说春风新出了600cc的，那么至少它是国产第一台600CC发动机，跟嘉陵600ATV动力一样，传动不同）。这台发动机的排量，基本是符合FSAE的最大排量了，所以必然有它的优势，它排量大，如果你有发动机实验室并且能整，这台机器的马力和扭矩都将有不错的优势。虽然说这更像是一台柴油机，低转速，高扭矩，但是对于FSAE来说，这正是我们所需要的。这台发动机也是国内目前最好的2支FSAE队伍所使用的发动机，一个是湖南大学，一个是厦门理工大学。如果能减轻除了发动机以外其他部件的重量，搭载这台JH600的车队也将拥有不错的性能。我不知道它在限制20mm进气以后能有多大的输出，湖南大学也没用设备进行马力测试，但是如果你有能力写ECU（购买MOTEC这样的通用ECU），那这台发动机的马力和扭矩还是非常值得挖掘的，毕竟它有着600cc排量。还有一点可以参考的是，你相信嘉陵因为嘉陵跟本田合作了很多年。四、CBR600 F4iFormula SAE发动机首当其冲的当然是本田的CBR600 F4i，是本田公司的上一代产品，在Formula SAE中的使用比例是其他发动机没法比的。那为什么这台发动机如此受欢迎呢？为什么人们不去用最新的CBR600RR发动机而更多地选择老款的F4i?先看一下2张图，一张是CBR600的油底壳，一张是CBR600 F4i的油底壳。对于新车队来说，改装油底壳会比较麻烦，没有经验，也不知道如何去改的时候，用F4i是很好的选择。F4i还有一个优点就是价格比600RR便宜，国内二手发动机的价格应该在一万人民币以下。原装电脑，改成规则规定的20mm进气以后，马力应该在6065hp发动机重量（连6档顺序变速箱）大概是59kg所以我想这台发动机应该也是中国的FSAE首选发动机。CBR600RR年代比较新，比较容易买，国内二手价格应该也不超过万元. 图2-4 F4i油底壳 图2-5 RR改造后的油底壳五、CBR600RRCBR600RR是本田现在在产的600cc上的产品，国内也叫F5它比F4i更轻，有2级进气喷射，所以也更省油，对于摩托车来说，它的安装更紧凑，排气管放到了油底壳的一侧，但是对于FSAE的发动机使用，它会导致发动机重心过高。但是，很多车队，即便是用了F4i也是要进行油底壳改造的，如果油底壳不是问题，那还不如用更轻，马力更大的CBR600RR。CBR600RR油底壳的改造有两种，一种是保持原有的湿式润滑不变，自己加工一个像F4i一样底部平整的油底壳，还有一种就是改成干式油底壳，这种干式油底壳在F4i的油底壳改装上也非常常见，但是工艺相对湿式要复杂。1、湿式油底壳，这样改的结果，就是发动机能有一个跟F4i原装差不多油底壳高度，比较省事，看了图你就明白2、干式油底壳，这样改可以让发动机的重心在之前的基础上再降低3英寸左右，需要自己加工机油泵和储油罐 图2-6 RR油底壳特写 图2-7 RR改造后的干式油底壳六、YAMAHA WR450F随着Formula SAE的发展，人们对轻量化的追求也越来越厉害，所以单缸发动机在FSAE中流行了起来，最好的选择要数YAMAHA WR450了。它比本田的CRF450所没有的原装干式油底壳，这更适合于汽车的发动机润滑。湿式油底壳会导致汽车过弯的时候，由于离心力作用，油面不平，干式油底壳没有这样的问题。另外比CRF450更先进的地方是，它有电喷，而CRF到2010款才出电喷。化油器本并不是坏事，但是由于FSAE要求20mm进气限制并且油门必须在进气限制的上流，也就是说必须在化油器和发动机之间，这样会导致20mm的进气是“湿气”，也就是氧气含量比20mm的纯空气要少，马力也会有很大影响。WR450的发动机重量大概是30kg左右，大概是4缸600cc的一半，所以重量上有非常大的优势。图2-8 WR450第三章 发动机进排气系统的匹配3.1 FSAE进排气系统和限流阀的关系SAE方程式(Formula Sae)是由美国汽车工程协会(Society of Automotive Engineers)主办的挑战本科生、研究生团队构思、设计、制造和驾驶小型方程式赛车的国际性赛事。该赛事已成功举办20多年。FSAE赛车规则基本要点是赛车使用小于610cc容量的发动机，进行多个项目的比赛。发动机的所有的进气都要通过直径为20mm的限流阀，如图1限流阀安装位置，并且限流阀必须位于发动机节气门和发动机进气门之间。在保证上述比赛规则的前提下，本文通过发动机系统仿真模型计算，分析不同进排气管长度对发动机扭矩、充气效率、功率的影响来确定与目标转矩点转速相对应的进排气管长度，从而改进设计进排气系统来提高发动机的动力性、提高比赛成绩。图3-1 限流阀安装位置3.2 GT-Power介绍GTPower是GTSUITE系列中最著名的一款软件。GTSUITE软件包涵了内燃机、驱动系统、冷却系统、燃油供给系统、曲轴机构、配气机构等六个方面，它是采用现代计算机技术和数值计算方法最新开发的内燃机性能模拟与仿真软件，被称为“虚拟发动机”，是目前国内外汽车厂和内燃机制造公司理想的实验模拟工具。GT-Power可模拟点火式发动机、柴油机、二冲程或四冲程机、增压机等多种活塞式发动机。可用于预测稳态或瞬态的发动机性能，如所有管路段的流量和流速、系统的温度和压力、发动机充气效率、功率、扭矩、燃烧率模型、汽油机NOx的排放、柴油机NOx和微粒排放、催化剂化学反应等。GT-Power是基于面向对向的交互式界面，从模型图的建立，运行，到数据的后处理，GT-Power的操作都是在GT-ISE、GT-Post中进行，使用方法简便，高效，界面如图2所示，主要组成部分包括：菜单、按钮、窗口、建模区域、数据库、模块管理器等，与常见的Windows界面类似。本次设计主要参考了湖南大学FSAE车队的GT-Power结论来作为设计依据的。3.3 发动机的进排气管 提升发动机功率最简单的方法就是增大气缸工作容积，也就是提高排量。一般而言，增大工作容积就会增大发动机体积，重量也会随之增加，这种方法对于追求结构紧凑，追求行驶经济性的现代乘用车设计者来说是难以接受的。因此，在同体积或者更小体积的前提下，通过改进发动机结构和采用新材料来追求更高的输出功率，是当前厂商的追求目标。提高发动机的升功率，也就是每升气缸工作容积所发出的有效功率，是实现这个目标的方法。要提高发动机的升功率，加大进气量是一种解决方案。有些发动机采用强制吸气法的方式，用增大气体密度来提高进气量，例如采用涡轮增压（Turbo）。但是，在日益严格的废气排放法例的管制及制造成本的限制下，多数汽车的发动机还是倾向采用自然吸气法方式。采用自然吸气法，又要提高进气量，设计者就把注意力放在了进排气的速度方面，也就是千方百计提高气体的流动速度来提高单位时间内的进排气量，在提高换气效率上做文章。换气是汽车发动机最基本的功能。通过换气，排出废旧气体，发动机工作循环回复到循环初始状态，吸纳新鲜气体来提供燃料所需的氧气。用一句成语形容，就是“吐故纳新”，只有“吐故纳新”畅顺，发动机才能正常工作。良好的发动机进气通道设计是提高进气量的重要保证。一些汽车运动者在传统发动机改装上，采用了大通量的空气滤清器，大口径或多支排气管，目的就是改善气体的流速以提升发动机功率。更进一步，改装深入到结构内部及材料的选用，例如打磨进气歧管内壁，使用不锈钢排气管等，以增高管壁的光滑程度来减少与气体之间的摩擦，提高气体的流动速度。发动机进排气管过去都是用铸铁材料铸造出来的。发动机进排气管道改用不锈钢或铝合金材料，既可以降低管道内的气流阻力，同时也可以降低重量，因为不锈钢和铝合金比铸铁质量小得多，可谓是一举两得。因此，现在许多发动机都选用不锈钢材或铝合金材料做进排气管。据最新资料，德国拜耳专门开发了一种新型的Durethan材料，用于制造具有更精确内部几何形状的进气歧管，其焊接性能、加工可性、焊接性能、气密性、经济性等都表现良好。从形状上看，传统发动机进排气管多用方形，这是因为方形断面表面面积大，有利于进气管内油膜的蒸发，同时从铸造工艺上考虑，方形也比圆形更简单一些。但由于园形断面对气流的阻力小，同时多点电喷发动机的喷油位置就在进气门处，进气管道不易形成油膜，为了得到更高的气流速度，一些发动机进排气管就采用了圆形断面从安装上看，传统发动机进排气管多安装在气缸的同一侧，进气管依赖排气管加热。它们用铸铁铸成一体或者分别铸成，再用螺栓连接在一起。现在高转速发动杌由于结构上的需要，进排气管多分置在气缸的两侧，进气管的加热冷却水或电热装置。这里要指出的是，因受废气温度的影响，排气管的冷热温度是急剧变化的，巨大的热应力可使排气管产生裂纹，为保证一定的热胀冷缩，排气歧管的安装形式与进气管有所不同，一般发动机排气管是一缸一歧管，以减少排气管的热负荷。按照空气动力学原理，气管的流通性应以最小截面处的流动情况为依据，而发动机整个进排气道系统中最小截面处位于气门阀隙处，这也就是现代发动机采用多气门或者尽量增大气门头直径的原因。同时，也要考虑到进排气管尺寸、形状、材料、弯曲半径、安装位置等因素对气流速度的影响，只有各种因素配合良好，发动机才能发挥最佳性能。3.3.1 进气管长度对发动机性能影响 进气系统结构对发动机充气效率有决定性影响，直接影响发动机的动力性。根据FSAE赛事的规则：发动机都必须要在位于发动机节气门和发动机进气门之间安装直径为20mm的限流阀。发动机的进气系统主要包括进气管和进气道两部分，而进气管的形状包括长度、直径和曲率三个方面。本文主要从进气管长度方面进行分析，中低速范围内进气管长度会影响发动机的充量系数，在发动机高速状态下，长度较长的进气管会增加空气进给量，同时损失量也会增加，并且对发动机的动力输出有较大影响。在其他结构因素不变下，本文用GT-Power软件模拟不同进气管长度对发动机充气效率、扭矩、功率的影响。3.3.2 排气管长度对发动机性能影响 发动机的排气压力波对发动机的动力性有影响，而压力波又与发动机的配气相位、排气口形状和排气管的结构参数以及发动机的其他性能参数有关。合理地利用排气管中的压力波，可以使排气更加彻底，进气更加充分。如果能恰当地利用压力波的能量就能提高排气效率，同时也能提升进气的效率。通过对排气管的结构设计能有效地提高发动机的输出功率，达到提升动力的目的。本文在GT-Power中不改变汽油机其他结构参数前提下，模拟排气管长度对发动机充气效率、扭矩、功率的影响。本次设计主要参考了湖南大学FSAE赛车进排气管长度的优化过程，把本次设计的进排气管长度做了相应的调整。最终是选择了在原长度的基础上适当了增加了进排气管的长度，从而提升了发动机的动力性和经济性，使得赛车在比赛中更具有竞争力。3.4 限流阀的作用意义FSAE比赛的一大特色，就是要求所有参赛车辆的发动机进气部分，必须加装一个直径为20mm（E85燃料为19mm）的进气限制器。由于去年中国比赛的特殊情况，没有要求使用进气限制器，所以，对于绝大多数同学，进气限制器是一个很新鲜的东西，近期也有不少关于进气限制器的讨论。在此，我们就来谈一谈这个独具特色的小东西。3.4.1什么是进气限制器首先我们来阅读以下规则：8.6 进气系统限流阀8.6.1 为限制发动机功率，一个内部截面为圆形的限流阀必须安装在进气系统的节气门与发动机之间，并且所有发动机的进气气流都应流经此限流阀。8.6.2 禁止在限流阀和发动机之间使用任何可以控制进气流量的装置。8.6.3 限流阀内部截面的最大直径为：使用汽油燃料20.0mm（0.7874 英寸）使用E-85 燃料19.0mm（0.7480 英寸）8.6.4限制器必须安放在便于技术检查时测量的位置。8.6.5 任何情况下，限流阀的内部截面都不能发生变化（例如限流阀不能作为节气门可动部件的一部分）。8.6.6 如果使用了多台发动机，所有发动机的进气气流都必须流经限流阀。3.4.2 进气限制器的作用1、进气限制器在中低转速、部分负荷条件下，就好像一个一直半开着的节气门，让进气道内的压力比正常情况低，从而降低发动机的充气效率，进而限制各个工况的扭矩。想象一下，如果你被堵住了一个鼻孔，然后和一个和你原本体力相同的人掰手腕，肯定是要悲剧的。2、进气限制器会限制单位时间内的最大进气量。我们都知道，管内的气流速度越快，效率越低，当气流速度接近0.5马赫的时候，实际进气量就会达到瓶颈。在常温常压下，20mm管径的这个瓶颈数值，大约在70g/s左右。也就是说，无论你怎么折腾，单位时间进气量也就是这些，进而限制了发动机的最大功率。还是想象一下，如果被堵住一个鼻孔，然后跑个八百米，成绩肯定比你正常情况下差很多，没有晕过去就算万幸了。装上进气限制器的发动机，最大功率、最大扭矩、最大功率和最大扭矩产生的转速，都会出现不同程度的降低。以600cc四缸自然吸气发动机为例，一般来说最大功率和最大扭矩会下降到原始的60%左右（经过合理优化后有可能达到7080%），而最大功率点会掉到10000rpm以下、最大扭矩点掉到8000rpm以下。对于排量较小或汽缸数较少的发动机，受到的影响相应会小一点。3.4.3为什么要有进气限制器SAE在制定规则的时候，为什么要加入进气限制器呢？总的来说，是出于以下三点考虑：安全、平衡、锻炼学生能力。当今社会，做任何事情，人身安全都最为关键，SAE办活动也不例外。600cc的四缸发动机，动辄就能释放出7090KW的功率，相当于民用车中1.61.8L的自然吸气发动机。这么大的功率，安装到整备质量二三百公斤的FSAE赛车上，功率质量比可以达到惊人的每吨300KW。换算一下，相当于将一台4.2L V8发动机安装到一台夏利上这还是对原厂发动机没有任何改装的情况。无疑，这一件十分危险、十分恐怖的事情。所以，加入进气限制器，最重要的目的就是限制发动机的功率、让发动机的功率不能过高，进而提高整个活动的安全性。比赛的平衡也是很重要的，SAE不希望这个比赛千人一面，而是希望能出现各种不同的技术路线和技术侧重。那么，为了这个目的，就需要将因为各车队发动机选型不同所造成的差异尽量缩小，不能出现“小排量永远比不过大排量”“单缸永远比不过四缸”的尴尬局面。而进气限制器则可以达到这个目的。在上一部分我们已经说了，排量和功率越大的发动机，受到限流器的制约越明显，这就出现了一个戏剧性的局面：路人甲选用出厂70KW的发动机，机器自重60kg，限流后剩下45KW；路人乙选用出厂40KW的发动机，机器自重35kg，限流后剩下30KW在这种情况下，谁更占据优势，还真不好说了。最后一点，也是十分重要的一点，就是SAE希望通过加入限流器，人为地提高动力总成的开发难度，引导学生去了解发动机、研究发动机、探索发动机。因为加入了限流器，原厂的四联节气门就不能使用了，进排气歧管也需要自己做，这就意味着原厂那种基于节气门开度（多数的四缸机）或者基于进气压力（多数的单缸机）的标定数据几乎完全失效要知道，自己换了节气门和进排气歧管，同样节气门开度下，偏差可能会高达20%。在这种情况下，学生就需要去研究流体力学、需要去设计限流器、需要考虑进排气的设计和加工、需要了解ECU是怎么判定喷油量和提前角的、需要学习发动机的控制技术和标定策略。很可惜的是，我们国内的从业者，包括很多企业、高校领导老师、以及学生，都被“整车厂不研究分总成”“原厂的东西就是最好的”“发动机是高科技”这种操蛋思想毒害太深，所以，当大家面对限流阀的时候，总是问能不能绕过它、躲开它，能不能自欺欺人地不管它，这是十分可悲的。3.4.4进气限制器为什么要安装在节气门之后进气限制器并不是FSAE的专利，很多比赛都有进气限制或类似的规定，譬如说达喀尔拉力赛、WTCC、WRC等等。但是FSAE是唯一一个强制要求进气限制器位于节气门之后的项目，也是唯一一个不允许使用同等尺寸节气门代替进气限制器的项目，这是为什么呢？进气限制器位于节气门后，可以说是防止作弊的一项技术手段。大家想想看，如果我的限制器位于节气门之前，那么如果限制器和节气门之后有渗漏、或者干脆你在比赛中把限制器弄掉了，是很难发现的因为这辆赛车一样可以加速、可以减速、可以正常行驶、而且跑得更好更快啊！但是现在规则要求限制器放在节气门之后，这下可好，限制器掉了，节气门也就掉了；节气门掉了，这辆车也就没法比赛了。再则是规则不允许使用20mm口径节气门替代20mm进气限制。这个的原因也很简单节气门除了蝶阀，可还有个结构叫做怠速旁通啊！倘若你用一个20mm的节气门，却做了一个巨大的怠速旁通，而这个旁通还是可调的，这下算不算违规？这不就说不清了么？当然，SAE也可能是考虑到应该让学生学习一下怎么设计和加工这种文丘里管、不要直接拿来主义。归根结底，FSAE对安全、对教育意义的要求远高于其他赛事，这也是FSAE和一般汽车运动的本质区别。3.5 谐振腔CAE分析方法仿真的目的是在保证谐振腔容积的前提下尽量减少压力损失，使进气流畅。谐振进气系统通过在进气道上增加谐振腔，调整发动机的固有频率，使得发动机在一定转速范围内获得更大的进气量，以达到改善发动机效率的目的。进气道的设计要求最大限度的提高进气量，保证发动机的进气需求，提高进气效率。采用CFD软件FLUENT对进气系统中影响较大的谐振腔进行仿真分析，通过对不同锥角谐振腔的流场分析，得出一种最优的谐振腔。FLUENT软件是个工程运用的CFD软件，针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度方面达到最佳。可以计算流场、传热和化学反应。对二维流动模型，可以生成三角形和矩形网格；对于三维流动模型，则可生成四面体、六面体、三角柱和金字塔等网格；结合具体计算，还可生成混合网格，其自适应功能，能对网格进行细分或粗化，或生成不连续网格、可变网格和滑动网格。FLUENT软件在我国已经获得较好的应用。通过了解湖南大学的FSAE设计我们得出如下结论：1、通过对限流阀安装在进气系统不同位置对发动机的影响进行了理论分析，得出限流阀安装在节气门阀体和喷油嘴之间时，发动机的动力性最好。2、通过对不同锥角谐振腔仿真温度场、速度场的对比，可以得出：谐振腔两端减小锥角会缩小进气死角，同时进气流速降低较少，进气温度变化不大，改善发动机的进气。通过整车试验证明改进后的进气系统在动力性、排放性以及噪音方面有非常大的改善。3.6 进排气歧管的设计进排气歧管的设计主要有固定长度和可变长度两种，下面只是介绍一下可变进气技术，由于条件有限，本次设计不做可变设计的考虑。90年代中期以后，可变进气歧管技术在汽上越来越流行。这种技术能提高发动机在中低转速时的扭力输出，对燃油经济性和高转速动力没有坏的影响，因而能改善发动机的适应性。通常的固定式进气歧管，只能按照发动机的具体要求，或者按照高转速和低转速时的要求进行最优化的几何设计，或者采用折中的办法，但是无论那种设计，都不能兼顾到不同转速时的需求。可变进气歧管技术则可以分两段或更多的级数来适应不同的发动机转速。与可变配气技术相比，可变进气歧管技术成本更低它只需要一些简单的电磁阀和进气管形状的设计就能够实现；而可变配气技术则需要复杂而精确的液压系统进行驱动，如果改变气门行程，还需要一些特制的凸轮轴。目前，有两种可变进气歧管技术：可变进气歧管长度和可变进气共振，他们都是通过进气歧管的几何设计实现的。下面我们就分别讨论一下这两种技术。1、可变进气歧管长度可变进气歧管长度是一种广泛应用于普通民用车的技术，进气歧管长度大部分被设计成分两段可调长的进气歧管在低转速时使用，短的进气歧管在高转速时使用。为何在高转速时要设计为短进气歧管？因为它能使得进气更顺畅，这一点应该很容易理解；但是为什么在低转速时需要长进气歧管呢，它不会增加进气阻力吗？因为发动机低转速时发动机进气的频率也是低的，长的进气歧管能聚集更多的空气，因而非常适合与低转速时发动机的进气需求相匹配，从而可以改善扭矩的输出。另外，长进气歧管还能降低空气流速，能让空气和燃料更好的混合，燃烧更充分，也可以产生更大的扭矩输出。车为了更好的适应不同转速的进气需求，有一些系统采用了分三段可变进气歧管长度的设计，例如的V8发动机。每列气缸都有分三段可调的进气歧管，一共有24个进气歧管。事实上，奥迪并没有把进气歧管分开，它在中央转子周围布置了回旋的进气歧管，转子转到不同的位置就能获得不同的进气歧管长度。整个系统布置在V型发动机的V型夹角内侧。2、可变进气共振Boxer发动机和V-type发动机（非直列发动机）采用的是通过进气共振来提高发动机中高转速的动力。每个气缸都共享着同一个谐振室，他们两个互相连接，其中一个进气管能在ECU的控制下，通过阀门打开和关闭。这个阀门开关频率与各个气缸之间的进气频率（进气频率实际上又取决于发动机的转速）相关。这样，在气缸与气缸之间就形成了一种压力波。如果进气频率与压力波转速相对称，根据共振的原理，空气就会因为强烈的共振而被强力地推进气缸，从而改善了进气效率。具体改变频率的原理是这样的：压力波的频率通过相互交错的进气管控制，在低转速时关闭其中一组，这样压力波的频率减小，与相对较低的进气频率刚好吻合，从而可以提高中低转速的扭力输出；相反，在高转速时，阀门打开，这样压力波的频率增大，与较高的进气频率吻合，从而可以改善高转速时的进气效率。3、可变排气回压管许多新款高性能车上，还采用了可变排气回压技术。类似于可变进气歧管技术，可变排气回压技术只不过是针对排气设计的。普通运动车型上的排气管从单个气缸收集到排气以后汇集到排气总管，形成一个新的排气脉冲。这种排气脉冲被利用在对于进气的增压上，这种增压被称作反向增压。反向增压只会在发动机处于某一转速的时候，才有最好的工作状态，排气管的长度决定了它的适用转速范围。短的排气管适合在低转速时增压，长的则反之。对于排气管的长度是固定的发动机，只能将其设计成最适合一个相对折中的转速。可变排气管长度技术使用了两段不同长度的排气管，它们通过阀门的开闭互相切换工作，因此它能同时满足高转速和低转速时的功率输出。此外，它还能降低噪音，要知道，排气噪音与转速也有关。优点：优化高低转速时的功率输出，减小低转速时的排气噪音进排气其歧管的设计要考虑到四个缸进排气时间的不同而引起的挣气现象，通过观察上届FSAE赛车的进气歧管设计，本次设计把进排气歧管都设计成了4个独立的接口，最后在归总到一根进气管和一根排气管。有效的解决了进排气的挣气现象，提高发动机的进气效率和经济性、动力性。图3-2 进气歧管3.7 进排气最终方案3.7.1 进排气系统UG图综合以上考虑选择方案3，先使用UG画出进排气系统的三维立体图，再通过“制图”命令重生成进气系统的CAD三视图。由于三视图中有许多不需要的线条，还需要整理删除多余的线条。以下是UG和CAD的图：图3-3 进气系统图3-4 排气系统图3-5 发动机总成3.7.2 进排气CAD图图3-6 排气cad图图3-7 进气cad图图3-8 发动机总成cad图41第四章 冷却系统匹配4.1 冷却系统的总体布置原则冷却系统总布置主要考虑两方面，一是空气流通系统；二是冷却液循环系统。因此在设计中必须做到提高进风系数和冷却液循环中的散热能力。 4.1.1 提高进风系数1、减小空气的流通阻力设计中应尽量减少散热器前面的障碍物，进风口的有效进风面积不要小于60的散热器芯部正面积；在整车布置允许的前提下，尽可能采用迎风正面积较大的散热器；风扇与任何部件的距离不应小于20mm，这样就可以组织气流通畅排出，可以减少风扇后的排风背压。2、降低进风温度要合理布置散热器的进风口，提高散热器与车身、发动机舱接合处的密封性，防止热风回流。4.1.2 提高冷却液循环中的散热能力要提高冷却液循环中的散热能力，提高冷却液循环中的除气能力是关键。冷却系统的气体会造成水泵流量下降，使散热器的冷却率下降；还会造成发动机水套内局部沸腾，致使局部热应力猛增，影响发动机性能；在热机停工况，气体还会造成冷却液过多的损失。因此要提高冷却液循环中的除气能力，其措施就是设计膨胀水箱和相应的除气管路（当散热器位置比发动机位置高时，可以在散热器上部直接开一个注水口，并在注水口上用一压力式的散热器盖即可，我厂的农用车型的散热器就是采用此方式进行排气及加水）。4.2 膨胀水箱的选择冷却液在发动机冷却回路流动，随温度升高体积膨胀，为了吸收这部分膨胀体积而需要选用膨胀水箱。选用的膨胀水箱必须要求有耐热、耐压、及一定的容积，膨胀水箱盖应该为压力式散热器盖。一般要求膨胀水箱的设计容积占整个冷却系统容积的46，并且膨胀水箱安装位置必须高于散热器及发动机缸盖。4.3 水管的设计发动机冷却回路中的水管具有吸收发动机振动和散热器相对运动的作用。因此水管要求有耐热性、耐臭氧性、耐压性、对冷却液的适应性及柔软性。为了减少冷却液在冷却回路上的功率损失，应尽量减少水管的拐弯数，特别是尽量避免拐急弯的现象出现。从管子连接处的密封考虑。胶管的内径应比与其连接管的外径小1mm，胶管两端与其他管相连接时，应有3035mm地插入量。4.4防冻液的选择一、防冻液所要求的性能1、防冻性即使在冬天0以下不结冰，地区不同，防冻要求也不同。2、防腐蚀性要求防冻液对钢、铸铁、铝、铜、黄铜、焊锡等多种金属没有腐蚀作用，也不能够腐蚀橡胶、树脂。防腐蚀性由选定的添加剂种类及多少决定，并且只能用书中添加剂的组合来满足整体防腐蚀性要求。现在经常使用以乙二醇为主要成分、加有防腐添加剂及水的LLC防冻液，由JIS K2234来规定，其中1种只在冬季使用；2种可以全年使用。3、热传导性及传热性热传导性及传热性能必须优良。二、防冻液的老化防冻液经长期使用，由于其接触的环境（主要消耗防腐蚀添加剂）和外部因素（主要是浓度降低），使防腐蚀性能下降。特别是由于主要成分乙二醇氧化变质产生腐蚀性物质使使用温度的提高，会加速防冻液的老化。为了保持它的防腐蚀性能，要定期维护，保持适当浓度，必要时应进行更换。同时还要防止锈和燃气等异物的混入。4.5 冷却系统的固定由于车辆行驶路况较复杂，加上发动机自身的振动等因素，如果不对冷却系统进行固定或者固定不牢固，就有可能会引起散热器芯子与发动机风扇的刮蹭甚至碰撞，从而导致散热器损坏漏水，因此冷却系统的固定是很重要的。我厂现在使用的散热器固定方式就是在散热器的侧板上焊接两散热器吊耳，两吊耳通过胶垫后直接架在车架上翼面，然后在散热器下部装上两个散热器拉板支架，与安装在横梁下翼面的支架连接，达到固定散热器的目的。散热器的固定原则就是：在车辆行驶过程中散热器不能够上下跳动及前后晃动（或者晃动量非常小），因此需要尽量将吊耳及下部拉板的上下距离尽量布置到最大，使拉板的力臂最大。第五章 润滑系统5.1润滑的意义发动机工作时，很多传动零件都是在很小的间隙下作高速相刘运动的，如曲轴主轴颈与主轴承，曲柄销与连杆轴承，凸轮轴颈与凸轮轴承，活塞、活塞环与气缸壁面，配气机构各运动副及传动齿轮副等。尽管这些零件的工作表面都经过精细的加工，但放大来看这些表面却是凹凸不平的。若不对这些表面进行润滑，它们之间将发生强烈的摩擦。金属表面之间的干摩擦不仅增加发动机的功率消耗，加速零件工作表面的磨损，而且还可能由于摩擦产生的热将零件工作表面烧损，致使发动机无法运转。润滑系统的功用就是在发动机工作时连续不断地把数量足够、温度适当的洁净机油输送到全部传动件的摩擦表面，并在摩擦表面之间形成油膜，实现液体摩擦。从而减小摩擦阻力、降低功率消耗、减轻机件磨损，以达到提高发动机工作可靠性和耐久性的目的。5.2 润滑的方式由于发动机传动件的工作条件不尽相同，因此，对负荷及相对运动速度不同的传动件采用不同的润滑方式。1、压力润滑压力润滑是以一定的压力把机油供人摩擦表面的润滑方式。这种方式主要用于主轴承、连杆轴承及凸轮轴承等负荷较大的摩擦表面的润滑。2、飞溅润滑利用发动机工作时运动件溅泼起来的油滴或油雾润滑摩擦表面的润滑方式，称飞溅润滑。该力式主要用来润滑负荷较轻的气缸壁面和配气机构的凸轮、挺柱、气门杆以及摇臂等零件的工作表面。3、润滑脂润滑通过润滑脂嘴定期加注润滑脂来润滑零什的工作表面，如水泵及发电机轴承等。5.3 润滑系统的组成及油路1、油底壳用来贮存润滑油。在大多数发动机上，油底壳还起到为润滑油散热的作用。2.机油泵它将一定量的润滑油从油底壳中抽出经机油泵加压后，源源不断地送至各零件表面进行润滑，维持润滑油在润滑系中的循环。机油泵大多装于曲轴箱内，也有些柴油机将机油泵装于曲轴箱外面，机油泵都采用齿轮驱动方式，通过凸轮轴、曲轴或正时齿轮来驱动。3.机油滤清器用来过滤掉润滑油中的杂质、磨屑、油泥及水分等杂物，使送到各润滑部位的都是-干净清洁的润滑油。分粗机油滤清器和细机油滤清器，它们是并联在油道中。机油泵输出决大多数的机油通过粗机油滤清器，只有很少部分通过细机油滤清器，但汽车每行使5km，机油被细机油滤清器滤清一边4、主油道是润滑系统的重要组成部分，直接在缸体与缸盖上铸出，用来向各润滑部位输送润滑油。5、限压阀用来限制机油泵输出的润滑油压力。旁通阀与粗滤器并联，当粗滤器发生堵塞时，旁通阀打开，机油泵输出的润滑油直接进入主油道。机油细滤器进油限压阀用来限制进入细滤器的油量，防止因进入细滤器的油量过多，导致主油道压力降低而影响润滑效果。6、机油泵吸油管它通常带有收集器，浸在机油中。作用是避免油中大颗粒杂质进入润滑系统。5.4 曲轴箱通风装置它的作用是防止一部分可燃混合气和废气经活塞环与气缸璧间的间隙窜入曲轴箱内。可燃混合气进入曲轴箱后，其中的汽油蒸气会凝结，并溶入润滑油中，使润滑油变稀；废气中水蒸气与酸性气体会形成酸性物质，从而对机件造成腐蚀；窜气还会使曲输箱灯压力增大，造成曲轴箱密封件失效而使润滑油透漏。为了防止这种现象，必须设置通风系统。现代汽车发动机润滑系统的油路大致相同。在此系统中，曲轴的主轴颈、曲柄销、凸轮轴颈及中间轴(分电器和机油泵的传动轴)颈均采用压力润滑，其余部分则用飞溅润滑或润滑脂润滑。当发动机工作时，机油从油底壳经集滤器被机油泵送入机油滤清器。如果油压太高，则机油经机油泵上的安全阀返回机油泵入口。全部机油经滤清器滤清之后进入发动机主油道。滤清器盖上设有旁通阀，当滤清器堵塞时，机油不经过滤清器滤清由旁通阀直接进入主油道。机油经主油道进入五条分油道，分别润滑五个主轴承。然后，机油经曲轴上的斜油道，从主轴承流向连杆轴承润滑连杆轴颈。主油道中的部分机油经第六条分油道供入，间轴的后轴承。中间轴的前轴承由机油滤清器出油口的一条油道供油润滑。主油道的另一条分油道直通凸轮轴轴承润滑油道，此油道也有五个分油道，分别向五个凸轮轴轴承供油。在凸轮轴轴承润滑油道的后端，也就是整个压力润滑油路的终端装有最低机油压力报警开关。当发动机起动之后，机油压力较低，最低油压报警开关触点闭合，油压指示灯亮。当机油压力超过31kPa时，最低油压报警开关触点断开，指示灯熄灭。另外，在机油滤清器上也装有机油压力开关，当发动机转速超过2150r/min时，机油压力若低于180kPa，这时开关触点闭合，报警灯闪亮，同时蜂鸣器鸣响报警。5.5 机油的功用1、润滑机油在运动零件的所有摩擦表面之间形成连续的油膜，以减小零件之间的摩擦。2、冷却机油在循环过程中流过零件工作表面，可以降低零件的温度。3、清洗机油可以带走摩擦表面产生的金属碎末及冲洗掉沉积在气缸、活塞、活塞环及其它零件上的积炭。4、密封附着在气缸壁、活塞及活塞环上的油膜，可起到密封防漏的作用。5、防锈机油有防止零件发生锈蚀的作用。5.6 机油的使用特性及机油添加剂汽车发动机机油在润滑系统内循环流动，循环次数每小时可达100次。机油的工作条件十分恶劣，在循环过程中，机油与高温的金属壁面及空气频频接触，不断氧化变质。窜入曲轴箱内的燃油蒸气、废气以及金属磨屑和积炭等，使机油受到严重污染。另外，机油的工作温度变化范围很大：在发动机起动时为环境温度；在发动机正常运转时，曲轴箱中机油的平均温度可达95或更高。同时，机油还与180300的高温零件接触，受到强烈的加热。1、适当的黏度机油黏度对发动机的工作有很大的影响。黏度过小，在高温、高压下容易从摩擦表面流失，不能形成足够厚度的油膜；黏度过大，冷起动困难，机油不能被泵送到摩擦表面。机油的黏度随温度而变化。2、优异的氧化安定性氧化安定性是指机油抵抗氧化作用不使其性质发生永久变化的能力。当机油在使用与储存过程中与空气中的氧气接触而发生氧化作用时，机油的颜色变暗，黏度增加，酸性增大，并产生胶状沉积物。氧化变质的机油将腐蚀发动机零件，甚至破坏发动机的工作。3、良好的防腐性机油在使用过程中不可避免地被氧化而生成各种有机酸。这类酸性物质对金属零件有腐蚀作用，可能使铜铅和镉镍一类的轴承表面出现斑点、麻坑或使合金层剥落。4、较低的起泡性由于机油在润滑系中快速循环和飞溅，必然会产生泡沫。如果泡沫太多，或泡沫不能迅速消除，将造成摩擦表面供油不足。控制泡沫生成的方法，是在机油中添加泡沫抑制剂。5、强烈的清净分散性机油的清净分散性是指机油分散、疏松和移走附着在零件表面上的积炭和污垢的能力。为使机油具有清净分散性，必须加入清净分散添加剂。6、高度的极压性在摩擦表面之间的油膜厚度小于0.30.4m的润滑状态，称边界润滑。习惯上把高温、高压下的边界润滑，称为极压润滑。机油在极压条件下的抗摩性叫作极压性。5.7 机油的分类国际上广泛采用美国SAE黏度分类法和API使用分类法，而且它们已被国际标准化组织(ISO)确认。美国工程师学会(SAE)按照机油的黏度等级，把机油分为冬季用机油和非冬季用机油。冬季用机油有6种牌号：SAEOW、SAE5W、SAE10W、SAE15W、SAE20W和SAE25W。非冬季机油有4种牌号：SAE20、SAE30、SAE40和SAE50。号数较大的机油黏度较大，适于在较高的环境温度下使用。API使用分类法是美国石油学会(API)根据机油的性能及其最适合的使用场合，把机油分为S系列和C系列两类。S系列为汽油机油，目前有SA、SB、SC、SD、SE、SF、SG和SH8个级别。C系列为柴油机油，目前有CA、CB、CC、CD和CE5个级别。级号越靠后，使用性能越好，适用的机型越新或强化程度越高。其中，SA、SB、SC和CA等级别的机油，除非汽车制造厂特别推荐，否则将不再使用。1、机油的选用1、根据汽车发动机的强化程度选用合适的机油使用级。2、根据地区的季节气温选用适当黏度等级的机油。2、合成机油合成机油是利用化学合成方法制成的润滑剂。其主要特点是有良好的黏度温度特性，可以满足大温差的使用要求；有优良的热氧化安定性，可长期使用不需更换。使用合成机油，发动机的燃油经济性会稍有改善，并可降低发动机的冷起动转速。目前，合成机油的价格比从石油提炼出来的机油贵。但是，随着生产规模的扩大和制造工艺的改进，合成机油的价格将会越来越便宜。未来将是合成机油的时代。3、润滑脂润滑脂是将稠化剂掺入液体润滑剂中所制成的一种稳定的固体或半固体产品，其中可以加入旨在改善润滑脂某种特性的添加剂。润滑脂在常温下可附着于垂直表面而不流淌，并能在敞开或密封不良的摩擦部位工作，具有其他润滑剂所不能代替的特点。因此，在汽车的许多部位都使用润滑脂润滑。目前，进口汽车和国产新车普遍推荐使用汽车通用锂基润滑脂(GB/T 56711985)。这种润滑脂具有良好的高低温适应性，可在30120的宽阔温度范围内使用；具有良好的抗水性和防锈性能，可用于潮湿和与水接触的摩擦部位；具有良好的安定性和润滑性，在高速运转的机械部位使用，不变质、不流失，保证润滑。它能够满足我国从哈尔滨到海南岛广大地区汽车的使用要求，与使用钙基或复合钙基润滑脂比较，可以延长换油期2倍，使润滑和维护费下降40%以上。5.8 机油泵机油泵的功用是保证机油在润滑系统内循环流动，并在发动机任何转速下都能以足够高的压力向润滑部位输送足够数量的机油。机油泵结构形式可分为齿轮式和转子式两类。齿轮式机油泵又分内接齿轮式和外接齿轮式，一般把后者称为齿轮式机油泵。1、齿轮式机油泵齿轮式机油泵的优点是效率高，功率损失小，工作可靠；缺点是需要中间传动机构，制造成本相应较高。国产桑塔纳、捷达和奥迪等轿车都采用齿 轮泵。2、内接齿轮式机油泵内啮合齿轮式机油泵也称内接齿轮泵，其工作原理与外啮合齿轮式机油泵或齿轮式机油泵相同。内接齿轮泵的结构。其外齿轮是主动齿轮，套在曲轴前端，通过花键由曲轴直接驱动。内接齿轮是从动齿轮，装在机油泵体内，泵体固定在机体前端。因为内接齿轮泵由曲轴直接驱动，无需中间传动机构，所以零件数量少，制造成本低，占用空间小，使用范围广。但是这种机油泵在内、外齿轮之间有一处无用的空间，使机油泵的泵油效率降低。另外，如果曲轴前端轴颈太粗，机油泵外形尺寸随之增大，发动机驱动机油泵的功率损失也相应有所增加。3、转子式机油泵转子式机油泵主要由内、外转子，机油泵体及机油泵盖等零件组成。内转子固定在机油泵传动轴上，外转子自由地安装在泵体内，并与内转子啮合转动。内、外转子之间有一定的偏心距。转子式机油泵的优点是结构紧凑，供油量大，供油均匀，噪声小，吸油真空度较高.4、安全阀机油泵必须在发动机各种转速下都能供给足够数量的机油，以维持足够的机油压力，保证发动机的润滑。机油泵的供油量与其转速有关，而机油泵的转速又与发动机转速成正比。因此，在设计机油泵时，都是使其在低速时有足够大的供油量。但是，在高速时机油泵的供油量明显偏大，机油压力也显著偏高。另外，在发动机冷起动时，机油黏度大，流动性差，机油压力也会大幅度升高。为了防止油压过高，在润滑油路中设置安全阀或限压阀。一般安全阀装在机油泵或机体的主油道上。当安全阀安装在机油泵上时，如果油压达到规定值，安全阀开启，多余的机油返回机油泵进口。如果安全阀安装在主油道上，则当油压达到规定值时，多余的机油经过安全阀流回油底壳。5.9 机油滤清器机油滤清器的功用是滤除机油中的金属磨屑、机械杂质和机油氧化物。如果这些杂质随同机油进入润滑系统，将加剧发动机零件的磨损，还可能堵塞油管或油道.机油滤清的方式有两种：全流式和分流式。全流式机油滤清器串联于机油泵和主油道之间，因此全部机油都经过它滤清。目前在轿车上普遍采用全流式机油滤清器.1、全流式机油滤清器现代汽车发动机所采用的全流式滤清器多为过滤式。机油从纸滤芯的外围进入滤清器中心，然后经出油口流进机体主油道。机油流过滤芯时杂质被截留在滤芯上。如果滤清器使用时间达到了更换周期，就把整个滤清器拆下扔掉换上新滤清器。纸滤芯由经过酚醛树脂处理的微孔滤纸制造，这种滤纸具有较高的强度，较好的抗腐蚀性和抗湿性。纸滤芯则具有质量轻、体积小、结构简单、滤清效果好、阻力小和成本低等优点，因而得到了广泛的应用。机油滤清器的滤芯还可以采用其他纤维滤清材料制作。2、分流式机油细滤器分流式机油细滤器有过滤式和离心式两种类型。过滤式存在着滤清能力与通过能力的矛盾，而离心式则有滤清能力高，通过能力大，且不受沉淀物影响等优点。因此，车用发动机多以离心式机油滤清器作为分流式机油细滤5.1