第一章 设计总论1

1、2012-2-14内燃机设计 第一章1课程说明 主讲教师：姜水生 办公地点：机电楼D224 联系电话：83969624电子邮箱： 成绩评定：平时考试 考试方式：开闭卷结合2012-2-14内燃机设计 第一章2课程说明 课程性质：专业主干课 课程意义内燃机专业意义 内燃机发展现状? 汽车动力发展？2012-2-14内燃机设计 第一章3内燃机与汽车 内燃机一直被认为是汽车的心脏，是汽车的动力源。 它是目前世界上热效率最高，因而也是应用得最为广泛的一种热力机械。 汽车工业的发展离不开内燃机工业的进步，并且二者相互推动，相辅相成。 随着汽车工业的高速发展，我国内燃机行业不断壮

2、大，也为中国成长为汽车大国做出了重要贡献。 2012-2-14内燃机设计 第一章42012-2-14内燃机设计 第一章5去年我国汽车产量 2012年中国汽车产销量双双突破1927万辆，不仅蝉联世界第一，而且创全球历史新高。 国家国家/地区地区乘用车（辆）乘用车（辆）商用车（辆）商用车（辆）总和（辆）总和（辆）中国15,523,6583,748,15019,271,808美国4,105,8536,223,03110,328,884日本8,554,2191,388,4929,942,711德国5,388,456260,8135,649,269韩国4,167,089390,6494,557,7382

3、012-2-14内燃机设计 第一章6新能源汽车 1、纯电动汽车（实际上就是电瓶车），早就有； 2、混合动力汽车，其中含有内燃机； 3、燃料电池汽车，产业化还遥遥无期； 结论：在可预见的未来，内燃机仍然是主结论：在可预见的未来，内燃机仍然是主 要的动力源要的动力源2012-2-14内燃机设计 第一章7铁路机车方面 电力机车：1835年出现，1958年我国生产出第一台电力机车。 内燃机车：发明于20世纪初，我国从1958年开始制作内燃机车。 目前内燃机车占优势。2012-2-14内燃机设计 第一章8内燃机工业现状 2011年： 年产量达到7500万台（世界的四分之一） 总功率达到14亿千瓦的规模（

4、为78年的60倍） 以内燃机为动力的机械保有量约为2亿（台、辆） 工业总产值达到3500亿元 从业人员为40万人 我国已经成为了世界内燃机大国， 并且正在向内燃机强国的目标迈进。2012-2-14内燃机设计 第一章9今年内燃机工业继续稳定增长 2013年8月内燃机行业出口总金额11.91亿美元，同比增长80.08%；1-8月累计出口金额86.35亿美元，同比增长56.40%。 8月内燃机行业进口总金额9.57亿美元，同比增长18.52%；1-8月累计进口金额73.75亿美元，同比增长0.51%。 2012-2-14内燃机设计 第一章102012-2-14内燃机设计 第一章11课程任务 深入了解

5、内燃机活塞组、连杆、曲轴、气缸盖、气缸套、机体和配气机构等零部件的结构形式、材料选用、受力情况和常见故障,同时使学生了解内燃机的总体设计方法，以便正确合理地对内燃机进行设计,为今后的工作打下坚实的基础。2012-2-14内燃机设计 第一章12课程主要内容 第一章 内燃机设计总论 第二章 曲柄连杆机构受力分析 第三章 内燃机的平衡 第四章 轴系扭振与噪声 第五章 配气机构设计 第六章 曲轴组设计 第七章 连杆组设计 第八章 活塞组设计 第九章 内燃机滑动轴承设计 第十章 机体与气缸盖设计 第十一章 内燃机辅助系统设计2012-2-14内燃机设计 第一章13第一章第一章 内燃机设计总论内燃机设计总

6、论 第一节 内燃机的设计要求第二节 内燃机类型的选择第三节 内燃机主要参数的选择第四节 内燃机开发的一般程序与方法第五节 现代设计理论与方法第六节内燃机新技术概述2012-2-14内燃机设计 第一章14第一节 内燃机的设计要求机动车是内燃机的最大用户，其次是各种各样工程机械、农业机械动力和小型移动式机具的动力，船舶和机车用内燃机数量较小。不同用途的内燃机有不同的要求。以下论述的内燃机设计要求以车用为依据。（）动力性要求动力性要求：功率、转速、使用转速范围、最大转矩及转矩特性2012-2-14内燃机设计 第一章15功率决定于汽车总质量：车型吨功率备注20t47kW/t519t713kW/t4t1

7、022kW/t有的50kW/t轿车50100kW/t转速使用范围宽。最大转矩及转矩特性应满足汽车动力性要求。2012-2-14内燃机设计 第一章16（）环境特性要求 环境性能是指有害排放物及运转噪声等，都必须满足有关法规要求。 有害排放物指：NOx;HC;CO;SO2;微粒等2012-2-14内燃机设计 第一章17（）燃料经济性要求 内燃机寿命期内的燃料消耗的价值，大约要比内燃机本身价值高两个数量级，由此可见其重要性。评价指标有： bp(额定功率燃油消耗率)； bpmin(外特性最低燃油消耗率)； bmin（万有特性【绝对】最低燃油消耗率）。 汽车用内燃机要特别注意部分负荷和低转速下的燃油经济

8、性，以及非定常工况下的经济性。2012-2-14内燃机设计 第一章18燃料经济性要求（续） 另外，燃油经济性还直接与CO2排放有关，所以对其制定法规已成趋势。 在汽车动力性与经济性之间存在矛盾，应作出合理折中。2012-2-14内燃机设计 第一章19（4）工作可靠性和使用耐久性 内燃机的可靠性可靠性是指在设计规定的使用条件下能够持续工作、不致因故障影响正常运转的能力。 可靠性的考核指标考核指标是：保证期内（desiel:1500h;gasline engine:500h）的不停机故障数、停机故障数、更换主要零件数和非主要零件数。一般要求在保证期内不发生主要零部件的故障。2012-2-14内燃机

9、设计 第一章20工作可靠性和使用耐久性（续） 内燃机的耐久性或使用寿命耐久性或使用寿命是指到首次大修或完全报废为止累计运转小时数（车用内燃机常用车辆里程数表示）。 一般气缸磨损达缸径的0.20.5%或曲轴轴颈磨损约达直径的0.1%时，认为已达到大修极限。 一般车用内燃机大修里程为2050万km，中小型高速柴油机大修寿命为500010000h。2012-2-14内燃机设计 第一章21（5）结构、尺寸、质量 对于车用内燃机来说，其结构要紧凑，外形尺寸要小，质量要轻，以便于其在汽车上布置、降低原材料消耗，提高汽车有效负荷能力。2012-2-14内燃机设计 第一章22（6）制造工艺性及制造成本 在设计

10、中应尽量考虑产品系列化、零部件通用化和零件设计标准化，以利于提高产品的制造工艺性，降低制造成本。2012-2-14内燃机设计 第一章23（7）使用方便性 使用方便性是指内燃机的起动性能起动性能、保养性能保养性能和维修性能维修性能等。 上述各要求往往互相矛盾互相矛盾，如紧凑性与耐久性，性能指标与制造成本等。设计者的任务就在于在各种具体情况（市场形势、主要用途、生产条件、使用环境等）下，鉴别哪些要求是基本的，必须得到最大限度满足，再分析其它要求的满足程度如何。内燃机设计就是解决矛盾的过程。有优点必伴随有缺点，应该根据具体的要求找出一个最最优化的折中方案优化的折中方案，使优点突出，缺点缩小到最低限度

11、。（节末）（节末）2012-2-14内燃机设计 第一章24第二节内燃机类型的选择内燃机类型的选择 内燃机可按所使用的燃料、工作循环冲程数、冷却方式、气缸布置、进气状态等分为很多类型，选型时应进行对比分析。2012-2-14内燃机设计 第一章25一、使用燃料的选择汽油机还是柴油机对比参数汽油机柴油机结构紧凑性好差比质量小大制造成本低高噪声小大冷起动性好差燃料经济性差好CO、HC、NOx多少微粒少多可靠性和耐久性差好单缸功率低高2012-2-14内燃机设计 第一章26一、柴油机、汽油机或气体燃料发动机一、柴油机、汽油机或气体燃料发动机 现在广泛使用的内燃机主要是柴油机、汽油机和气体燃现在广泛使用的

12、内燃机主要是柴油机、汽油机和气体燃料发动机。在选择内燃机时首先碰到的问题就是选择什么料发动机。在选择内燃机时首先碰到的问题就是选择什么内燃机。内燃机。 从两方面考虑从两方面考虑 内燃机本身的技术经济特点和市场需求。内燃机本身的技术经济特点和市场需求。 地区或国家对环境和能源应用分布的要求。地区或国家对环境和能源应用分布的要求。2012-2-14内燃机设计 第一章27燃气发动机：燃气发动机：气体燃料发动机主要使用压缩天然气（气体燃料发动机主要使用压缩天然气（Compressed Natural GasCNG）、）、液化天然气（液化天然气（Liquified Natural GasLNG）、液化石

13、油气（）、液化石油气（Liquified Petrol GasLPG）。）。可以汽油可以汽油/LPG、汽油、汽油/天然气切换（天然气切换（Bi-fuel两用燃料）或天然气两用燃料）或天然气/柴油混合柴油混合（Dual Fuel双燃料），也可以单独使用；双燃料），也可以单独使用；辛烷值超过辛烷值超过100，单独使用时可以提高压缩比以保证功率不损失；，单独使用时可以提高压缩比以保证功率不损失；排放指标比较低、不冒黑烟；排放指标比较低、不冒黑烟；一般情况下使用经济性较好，价格也比汽油便宜；一般情况下使用经济性较好，价格也比汽油便宜；可以节省石油资源；可以节省石油资源；燃料供给采用多点电控喷射才能使混

14、和气比较均匀。燃料供给采用多点电控喷射才能使混和气比较均匀。2012-2-14内燃机设计 第一章28使用燃料的选择（续） 所以，轻型移动机具、摩托车、小轿车、5t货车、大客车、公共汽车、农用运输车、工程机械、农业机械、机车、中等以上船舶都用柴油机。 西欧和日本开始在轿车和轻型汽车上应用柴油机。 燃气则有较宽的使用范围。但是燃气汽车续航里燃气则有较宽的使用范围。但是燃气汽车续航里程短，大部分地区加气站不如汽、柴油加油站分程短，大部分地区加气站不如汽、柴油加油站分布广泛，所以燃气汽车多用于城市公交车、城市布广泛，所以燃气汽车多用于城市公交车、城市出租车。出租车。2012-2-14内燃机设计 第一章

15、29二、冲程数的选择二冲程还是四冲程 四冲程机坚固、可靠、耐磨、经济性好、指标稳定，所以被广泛应用于各领域。 二冲程机的优点是升功率高、转矩变化均匀。因此，在摩托车、摩托艇、喷雾机、割草机等应用很广。2012-2-14内燃机设计 第一章30三、冷却方式的选择液体冷却、空气冷却、油冷 水冷内燃机冷却均匀稳定、强化潜力大、工作可靠、所以绝大多数内燃机采用水冷。 风冷内燃机的主要困难是火花塞或喷油器以及排气门附近局部高温热负荷区不易得到足够强度的冷却而影响了可靠性和耐久性，其运转噪声也大。但它的优点是不需要冷却液、不存在泄漏、积垢、结冰等问题。目前风冷主要用于小功率机型，如摩托车、移动式小型动力机。

16、2012-2-14内燃机设计 第一章31冷却方式的选择（续） 无冷却或绝热方案由于高强度陶瓷问题尚未突破而无法实用。 油冷方案的采用带来了一系列好处（热应力得到控制、燃油耗率低、无单独的冷却系统）。2012-2-14内燃机设计 第一章32四、气缸数和气缸布置的选择 气缸数 优点：紧凑轻巧、平衡性好、 运转平顺、起动容易、 加速响应性好 缺点：缸径 燃油经济性 零件数 可靠性 结构复杂 成本 单缸机：摩托车、小型农用柴油机； 多缸机：绝大多数内燃机使用场合。2012-2-14内燃机设计 第一章33气缸数和气缸布置的选择（续） 工程机械与农业机械用内燃机常用2、3、4缸结构，大功率者用6缸结构。

17、小轿车和轻型车除最小排量车型用2或3缸外，绝大多数用4缸结构，少数高级轿车采用6缸结构（V型）。 中型汽车多用4缸结构，少数用6缸结构。 重型汽车多用6缸结构，少数用8缸或12缸结构。 内燃机车或舰艇等大功率高速柴油机多为12、16缸结构。 在整个内燃机中，4、6缸结构占压倒多数。 6缸以下多为单列式。 单列式包含：直列式、斜置式、卧式等。2012-2-14内燃机设计 第一章34五、进气状态的选择自然吸气还是增压 增压：无论是对于柴油机还是汽油机，都是发展趋势。 增压后优点：动力性 经济性 噪声 有害排放 缺点：可靠性、耐久性 加速响应性 汽油机爆燃倾向节末2012-2-14内燃机设计 第一章

18、35第三节内燃机主要参数的选择内燃机主要参数的选择 内燃机的主要参数（如平均有效压力、活塞平均速度、转速、气缸直径、活塞行程等）反映了内燃机的工作性能和设计质量。参数的选择应考虑先进性和现实性。 内燃机功率与主要参数之间关系:)30/(psmepepniVpP其中， ：最大有效功率（kW）； ：最大功率点缸内平均有效压力（Mpa）；i:气缸数； ：气缸工作容积（L）； :最大功率点曲轴转速（r/min）; :工作循环冲程数。epPmeppsVpn2012-2-14内燃机设计 第一章36内燃机主要参数的选择内燃机主要参数的选择 或： 内燃机设计的基本任务是在保证燃料经济性最佳并满足其它基本要求前

19、提下尽可能提高功率输出。2)100()(895. 7DpiPmmepep2012-2-14内燃机设计 第一章37一、平均有效压力 是标志内燃机热力循环进行的有效性及内燃机结构合理性和制造完善性最重要的指标之一。 mepmep)/)(/()/(485. 30ssumiacmeTplHp其中， ：充量系数，采用合理的进气系统，减小流动阻力，优化配气机构和配气定时来提高它。 ：过量空气系数，对于柴油机来说，改善混合气形成可以降低它。 ：对于汽油机，可以通过提高压缩比来提高它；对于柴油机来说，须改善燃烧来提高它。 ：降低摩擦损失（如减少环数、缩小曲轴轴颈等），合理配机可以提高它。 ：通过增压、中冷来提

20、高它。caissTp /m2012-2-14内燃机设计 第一章38平均有效压力（续）mepp机型车用汽油机车用增压汽油机车用柴油机车用增压柴油机强化增压中冷柴油机（MPa）0.91.31.21.50.71.00.91.522012-2-14内燃机设计 第一章39二、活塞平均速度 是表征活塞式内燃机工作强度最重要的参数之一，所以以它为参数进行机型分类: 高速机： 9m/s 中速机： =69m/s 低速机： 6m/s 对内燃机性能、工作可靠性及寿命有很大关系。mmmmmm2012-2-14内燃机设计 第一章401、 对内燃机性能的影响 由前面的功率公式可知： 但进排气阻力 摩擦损失平均压力 所以，

21、 因此，在提高 的同时，应改善进、排气系统，减小活塞组的摩擦损失。mmmmepPp2mmmpmmep2012-2-14内燃机设计 第一章412、 对内燃机受力件机械应力的影响 因此，由惯性力引起的机械应力近似与 成正比。m)1 (2maxrmFjjD3Sn2 所以， FFj/max)/(/2223DSDSnDm 2m2012-2-14内燃机设计 第一章423、 对内燃机受热件热负荷的影响 缸内单位时间发热量与燃料燃烧发热量成正比：mQ ueeHPbuemmeHbpD2mD2 燃烧室表面积： )/1 (22/4222DSDDSDFc所以，单位时间单位面积发热量为cFQq/ m2012-2-14内

22、燃机设计 第一章434、 对内燃机摩擦磨损和寿命的影响 气体力产生的单位时间磨损：m惯性力产生的单位时间磨损：所以，单位时间单位面积的磨损为：W1mgDp24mD2W2mjFmax32mDFW /)31(m 2012-2-14内燃机设计 第一章444、 对内燃机摩擦磨损和寿命的影响 因此， 的提高会导致内燃机寿命下降。应慎重考虑。mm机型非增压汽油机增压汽油机非增压柴油机增压柴油机最大 (m/s)181514122012-2-14内燃机设计 第一章45三、气缸直径和气缸数 PeD2 不难证明，在 等参数不变的条件下，D的大小不影响机械应力、机械变形和单位面积的热负荷。 但是，比质量 ePMM/

23、023/ DD D 气缸容积比面积 SVFf/32/ DD 1/D mmep2012-2-14内燃机设计 第一章46气缸直径和气缸数（续） 所以，D 结构笨重热负荷增加经济性改善（柴油机） 当Pe、pme 、 、S/D和不变时m iD2=const. 于是， D SD2/1/1 i2/1/1 i2012-2-14内燃机设计 第一章47气缸直径和气缸数（续）n1/S SVSD22/3/1 i SstiVV2/1/1 i2/1isteLVPP/2/1i所以，可得出以下结论结论：i D n SVstVLP 2012-2-14内燃机设计 第一章48缸径的取值范围（mm）：机型D下限D正常范围D上限汽油

24、机无6090100柴油机轻型车60801001000中型车100120重型车1201402012-2-14内燃机设计 第一章49轿车用发动机缸数统计轿车类型总排量 （L）缸数 普及型（低档）1.224标准型（中档）1.22.54豪华型（中、高档）2.53.56超豪华型（高档）3.5812istV生产厂家往往采用扩缸进行改型设计。2012-2-14内燃机设计 第一章50气缸直径改变之后，要做如下必要的工作：气缸直径改变之后，要做如下必要的工作： 计算气缸工作容积。计算气缸工作容积。 计算标定功率和标定转速下的扭矩计算标定功率和标定转速下的扭矩Me。估算最大扭矩。估算最大扭矩Memax和和对应转速

25、。对应转速。 压缩比验算和调整、燃烧室重新设计。压缩比验算和调整、燃烧室重新设计。 工作过程计算。工作过程计算。 重新选配活塞组零件，计算活塞组质量。重新选配活塞组零件，计算活塞组质量。 确定是否需要改变气门直径和气门最大升程，是否需要重新设计确定是否需要改变气门直径和气门最大升程，是否需要重新设计凸轮型线。凸轮型线。 重新曲轴平衡分析、重新设计曲轴的平衡块及布置。重新曲轴平衡分析、重新设计曲轴的平衡块及布置。 进行曲柄连杆机构动力计算，计算活塞侧向力、连杆力、切向力、进行曲柄连杆机构动力计算，计算活塞侧向力、连杆力、切向力、径向力和单缸扭矩，计算轴颈积累扭矩。径向力和单缸扭矩，计算轴颈积累扭

26、矩。 连杆轴承表面压力校核。连杆轴承表面压力校核。 曲轴系统的扭转振动计算以确定是否要重新匹配减振措施。曲轴系统的扭转振动计算以确定是否要重新匹配减振措施。 冷却水流动和散热能力计算分析。冷却水流动和散热能力计算分析。SD4V22012-2-14内燃机设计 第一章51四、行程缸径比S/D和活塞行程S 活塞式内燃机的一个重要结构参数即行程缸径比（S/D），它对内燃机的尺寸和质量指标等有很大影响。1、S/D对升功率 的影响 在 不变时，S/D n 若n受限于 以外的其它因素，则以上推测不成立。LPmmLP2012-2-14内燃机设计 第一章522、S/D对缸内燃烧过程的影响 S/D 燃烧室容积比

27、ckVV燃烧难组织HC （汽油机） 2012-2-14内燃机设计 第一章533、S/D对散热的影响 其它条件相同时，S/D面容比所以，风冷发动机不宜采用短行程结构。传给冷却系的热量零件热负荷 2012-2-14内燃机设计 第一章544、S/D对发动机外形尺寸的影响 对单列式多缸机宜采用较大的S/D，以便减小其长度。 对于双列式机，由于长度不存在问题，所以可用短行程结构。 S/D的统计：机型车用汽油机高速柴油机双列机风冷机S/D0.91.11.01.2略小大些2012-2-14内燃机设计 第一章55要改变行程要改变行程S，相应在结构上的必要改变和必要的，相应在结构上的必要改变和必要的计算包括：计

28、算包括：要重新设计曲轴，使曲轴的曲柄半径要重新设计曲轴，使曲轴的曲柄半径r=S/2。要重新进行压缩比计算和调整。要重新进行压缩比计算和调整。重新设计缸套长度。重新设计缸套长度。计算气缸工作容积。计算标定功率和标定转速下的扭矩计算气缸工作容积。计算标定功率和标定转速下的扭矩Me。估算最大扭矩。估算最大扭矩Memax和和对应转速。对应转速。要重新进行曲柄连杆机构动力计算、平衡计算。要重新进行曲柄连杆机构动力计算、平衡计算。活塞平均速度和最大速度计算，确定活塞与缸套的摩擦情况。活塞平均速度和最大速度计算，确定活塞与缸套的摩擦情况。曲柄半径改变，连杆比曲柄半径改变，连杆比变化，要确定连杆长度是否合适，

29、最大连杆摆角时杆身是否与变化，要确定连杆长度是否合适，最大连杆摆角时杆身是否与缸套下沿相碰，活塞下止点时曲轴平衡块是否与活塞裙部相干涉。一般情况下，如果缸套下沿相碰，活塞下止点时曲轴平衡块是否与活塞裙部相干涉。一般情况下，如果活塞行程加大，连杆长度也要加大。活塞行程加大，连杆长度也要加大。要改变机体高度或者将曲轴中心上下移动。要改变机体高度或者将曲轴中心上下移动。要进行工作过程计算等。要进行工作过程计算等。此时曲轴轴颈的重叠度肯定要发生改变，尤其在加大冲程情况下，一定要利用有限元此时曲轴轴颈的重叠度肯定要发生改变，尤其在加大冲程情况下，一定要利用有限元方法验算曲轴的强度。方法验算曲轴的强度。扭

30、转振动计算分析，确定是否需要改变减震器结构。扭转振动计算分析，确定是否需要改变减震器结构。2012-2-14内燃机设计 第一章56五、综合评价参数 升功率： )30/(/pmepstePLnpVPP它表征内燃机工作过程的强化和完善程度。 单位活塞面积功率： )10/()/(mmeppePFpiFPP它可以表示内燃机的热负荷和机械负荷（一般把 称为内燃机的强化系数）。meppm其中， ：活塞顶投影面积（cm2）pF2012-2-14内燃机设计 第一章57综合评价参数（续） 比质量： LLePPMPMM/0 升质量： 比体积： 升体积： stLVMM/它表征内燃机的结构完善性。 LLePPVPVV

31、/0stLVVV/其中，V：内燃机外接立方体体积（m3）； M：内燃机净质量（kg）2012-2-14内燃机设计 第一章58比质量统计值机型汽油机柴油机M0(kg/kw)1.21.336节末2012-2-14内燃机设计 第一章59第四节 内燃机开发的一般程序与方法内燃机开发的一般程序与方法 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

32、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）2012-2-14内燃机设计 第一章60第四节 内燃机开发的一般程序与方法内燃机开发的一般程序与方法 内燃机的开发过程随着机型、设计目的、生产规模的不同而不同。对于大批量生产的中、小功率内燃机，新机型的开发一般可分为四个阶段，即方案设计、技术设计、样机制造和调试、鉴定和投产等阶段。方案设计技术设计样机制造和调试鉴定和投产2012-2-14内燃机设计 第一章61一、方案设计阶段（又称概念设计） 接受新产品设计试制任务调查研究和方案设计拟定技术任务书总体方案设计2012-2-14内燃机设计 第一章62方案设计阶段此阶段由下述环

33、节组成：此阶段由下述环节组成：1. 确定任务确定任务 主要是根据市场需要和法规需要主要是根据市场需要和法规需要 (进行必要进行必要性、可行性论证性、可行性论证)，这个环节应该是企业产品规划中确定这个环节应该是企业产品规划中确定的，有长期规划，也有短期规划。的，有长期规划，也有短期规划。 新产品开发的必要性新产品开发的必要性决定于市场对产品的要求。通过调研，明确新产品的主要用途、需求的紧迫程度、预计产量、发展系列产品的可能性、技术发展趋势的适应性等。 新产品开发的可能性新产品开发的可能性包括资金、技术力量、知识积累。生产条件和零部件专业厂的配套等。2012-2-14内燃机设计 第一章63方案设计

34、阶段2. 组织设计组组织设计组根据任务挑选合适人选根据任务挑选合适人选 人员结构合理人员结构合理 技术结构合理技术结构合理3. 调查研究调查研究 a 访问市场和用户，征求对产品的要求访问市场和用户，征求对产品的要求 b 了解制造厂的工艺条件、设备能力以及配件供应情况了解制造厂的工艺条件、设备能力以及配件供应情况 c 收集同类先进产品的资料，考察同类产品收集同类先进产品的资料，考察同类产品 d 确定参考样机确定参考样机2012-2-14内燃机设计 第一章64方案设计阶段4. 确定基本性能参数和结构形式（概念设计阶段）。确定基本性能参数和结构形式（概念设计阶段）。 主要是通过主要是通过: 同类型机

35、型对比、同类型机型对比、 热力学计算、热力学计算、 动力学计算和整机一维模型仿真分析。动力学计算和整机一维模型仿真分析。5拟订设计任务书拟订设计任务书 说明产品的原因、用途、适用范围等说明产品的原因、用途、适用范围等 说明内燃机的主要设计参数和要达到的技术指标说明内燃机的主要设计参数和要达到的技术指标 如：如：a. 型式（汽或柴）、气门数、直立或卧式型式（汽或柴）、气门数、直立或卧式 b. 冲程数冲程数 （4 或或 2）、缸径）、缸径D、冲程、冲程S c. 冷却方式（水冷却方式（水 或或 风）风）2012-2-14内燃机设计 第一章65方案设计阶段（续）d. 汽缸排列方式汽缸排列方式 （直列、

36、（直列、V型）型） e. 功率功率Ne、转速、转速n、扭矩、扭矩M f. 燃油消耗率燃油消耗率ge(克克/千瓦千瓦.小时小时) g. 机油消耗率机油消耗率gm(克克/千瓦千瓦.小时小时) h. 大修期、保用期、一般大修期是保用期的大修期、保用期、一般大修期是保用期的2倍倍 i. 重量和外型尺寸重量和外型尺寸与用途有关（大车、小车、固定）与用途有关（大车、小车、固定） j. 排污指标（噪声、废气）排污指标（噪声、废气） k. 平均有效压力平均有效压力 pme l. 活塞平均速度活塞平均速度Cm . 主要结构说明主要结构说明 燃烧室、零部件（活塞连杆、曲轴飞轮、机体缸盖、配燃烧室、零部件（活塞连杆

37、、曲轴飞轮、机体缸盖、配气机构、供油润滑、冷却、起动气机构、供油润滑、冷却、起动） . 产品系列化和变型、强化的可能性产品系列化和变型、强化的可能性2012-2-14内燃机设计 第一章66方案设计阶段（续） 新机型应达到的技术水平反映在所确定的技术经济指标上。由于开发过程长达35年，方案论证应有一定的超前预见性。确定经济技术指标时应考虑先进性和合理性，既有重点又有综合平衡。 对于多方案的选择，可进行性能/效益比的评价，可采用评价矩阵法。 方案设计是很重要的决策性工作，对产品开发成功与否有决定性影响。 方案设计的结果是总布置草图、技术任务书，它们作为开发和鉴定的依据。2012-2-14内燃机设计

38、 第一章67二、技术设计阶段主要零部件初步设计单缸试验机设计主要零部件试验研究单缸试验机研究整机施工设计样机试制总体方案设计2012-2-14内燃机设计 第一章68技术设计阶段（续） 技术设计阶段对选定的结构设计方案进行细化，最终确定内燃机的总布置设计、所有零部件的设计以及附件的选配，完成全套图样和设计说明书、计算书等技术文件。 技术设计工作包括各种图纸的绘制、各种分析和计算（动力计算、热计算、模态计算等），各种先期试验（包括单缸机试验）。 技术设计工作应与各种工艺人员（铸、锻、焊、热处理、机加工等）密切合作，改善零件的工艺性。2012-2-14内燃机设计 第一章691. 内燃机总布置设计，确

39、定主要零部件的允许运动内燃机总布置设计，确定主要零部件的允许运动尺寸、结构方案尺寸、结构方案.三维实体造型和虚拟装配、外形图。三维实体造型和虚拟装配、外形图。2012-2-14内燃机设计 第一章70 2. 按照企业标准编制零部件图纸目录。按照企业标准编制零部件图纸目录。 3. 部件三维图细致设计、零部件工作图、纵横剖面图。部件三维图细致设计、零部件工作图、纵横剖面图。2012-2-14内燃机设计 第一章71桑塔纳1.6升轿车汽油机 2012-2-14内燃机设计 第一章72 Audi轿车汽油机 2012-2-14内燃机设计 第一章73平分式铸铁机体整体气缸汽油机 6110柴油机 2012-2-1

40、4内燃机设计 第一章74龙门式机体轻型柴油机 2012-2-14内燃机设计 第一章75图 1 8 奔驰增压汽油机 2012-2-14内燃机设计 第一章762012-2-14内燃机设计 第一章77采用双轴平衡机构的1.8L奥迪FSI发动机横剖面 2012-2-14内燃机设计 第一章78大众V10 TDI 柴油机横剖面 2012-2-14内燃机设计 第一章79三、样机制造和调试阶段样机试制样机性能试验样机可靠性、耐久性试验实验场配套试验扩大用户试验整机施工设计单缸试验机研究主要零部件试验研究样机鉴定2012-2-14内燃机设计 第一章80样机制造和调试阶段（续） 样机制造是为了进行整机性能调试以达

41、到预期的性能指标。现代快速成型制造技术为样机制造提供了更快更便捷的途径。 调试包括参数调整和零件修改，以寻求整机最佳效果。 随后是零部件可靠性专项试验，以及整机的可靠性试验。 台架试验后还要进行使用试验（如车用内燃机的道路试验等）。2012-2-14内燃机设计 第一章81 三、检验阶段三、检验阶段 1. 试制多缸机样机试制多缸机样机 2. 多缸机试验（磨合、调整、性能试验、耐久试验、可靠性试验、配套试多缸机试验（磨合、调整、性能试验、耐久试验、可靠性试验、配套试验和扩大用户试验）验和扩大用户试验） 3. 改进与处理阶段改进与处理阶段 a. 样机鉴定样机鉴定. b. 小批量生产小批量生产 4.

42、内燃机设计的内燃机设计的“三化三化” a. 产品系列化：基本尺寸相同，不同的排列、缸数、增压度，达到提产品系列化：基本尺寸相同，不同的排列、缸数、增压度，达到提高高Pe b. 零部件通用化：同一系列的主要零件能够通用。零部件通用化：同一系列的主要零件能够通用。 c. 零件设计标准化：按照国标、部标或企标设计零件设计标准化：按照国标、部标或企标设计“三化三化”可以提高产品的质量、减少设计成本、组织专业化生产、提高劳动生可以提高产品的质量、减少设计成本、组织专业化生产、提高劳动生产率、便于使用、维修和配件供应产率、便于使用、维修和配件供应2012-2-14内燃机设计 第一章82四、鉴定和投产阶段样

43、机鉴定扩大用户试验小批生产工艺考核成批生产2012-2-14内燃机设计 第一章83鉴定和投产阶段（续） 样机通过各项试验并达到技术任务书的要求后，应按国家有关标准和行业管理规程进行新产品定型鉴定。鉴定 小批量试产 大批生产 可靠性抽检 可靠性抽检 可靠性抽检是指抽取产品进行全速、全负荷可靠性试验（汽油机100小时，柴油机250小时）。2012-2-14内燃机设计 第一章84鉴定和投产阶段（续） 鉴定时设计和试制单位要提供下列文件：鉴定时设计和试制单位要提供下列文件： 设计任务书设计任务书 内燃机研发试制总结内燃机研发试制总结 内燃机动力性、经济性、耐久性、排放特性、噪声水内燃机动力性、经济性、

44、耐久性、排放特性、噪声水平等性能试验报告平等性能试验报告 内燃机生产产量成本盈亏分析内燃机生产产量成本盈亏分析 零部件标准审查报告零部件标准审查报告 市场需求预测分析市场需求预测分析 用户使用报告用户使用报告节末2012-2-14内燃机设计 第一章85第五节第五节 现代设计理论与方法的应用现代设计理论与方法的应用 内燃机由于结构复杂性和工作过程的非定常性，传统的研究工作大多为试验研究，设计工作主要为经验设计。所以新产品开发费时、费力、费钱。 由于计算技术及计算手段的不断进步，使各种数学、力学方法不断应用到内燃机产品设计中来。2012-2-14内燃机设计 第一章86一、计算机辅助设计的应用（CA

45、D Computer aided design） 狭义CAD：产品图纸电子化 广义CAD： 产品数据处理与管理设计方法模拟（专家数据库、推理机等）结构分析仿真分析计算1、图纸绘制与存储 2012-2-14内燃机设计 第一章87计算机辅助设计的流程 设计目标（总体设计要求）工程数据库（标准、规范、内燃机性能、结构数据、材料性能数据、试验资料数据）设计经验交互设计初步方案计算分析优化分析有限元分析疲劳强度分析常规计算分析可靠性分析经济分析动态仿真模拟绘制工程图、编制文档资料图库制造、使用信息反馈综合评价2012-2-14内燃机设计 第一章88二、有限元方法（二、有限元方法（FEM Finite e

46、lement method）的应用的应用 有限元方法实际上是一种数值计算方法。它通过网格划分，将无法求解的方程（组）数值化而求得数值解。 现代三维FEM已有很多种实用软件可以利用，可以计算复杂零件在机械负荷和热负荷作用下的温度、热流、变形、应力、振型等参量，可以校核活塞、连杆、曲轴、机体、气缸盖等内燃机主要零件的温度、刚度、强度和振动是否在允许的范围内。2012-2-14内燃机设计 第一章89有限元方法（续）有限元方法（续） 现在FEM尚需努力的领域有： 非线性问题 弹塑性问题 接触问题 流体计算问题2012-2-14内燃机设计 第一章90三、优化设计的应用 内燃机优化设计是将工程设计问题转化

47、为最优化问题。 优化设计内容： 建模 确定设计变量建立优化目标函数和约束方程选择优化方法2012-2-14内燃机设计 第一章91优化设计的应用 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

48、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。2012-2-14内燃机设计 第一章92优化设计的应用 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。2012-2-14内燃机设计 第一章93应用优化设计方法应注意的问题： 估计寻优的必要性和可能性 多方案比较应全面、认真、仔细 寻优即决策，决策要依靠人的判断和人对问题本身的认识2012-2-14内燃机设计 第一章94四、可靠性设计的应用 可靠性指系统或产品在规

49、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，并预测其可靠度。2012-2-14内燃机设计 第一章95四、可靠性设计的应用 机械零件可靠性设计是比传统的安全系数方法更科学、更合理、更实用的一种现代设计理论和方法。实际零件由于负荷、加工尺寸、材料强度等都是随机变量，同样的安全系数，失效概率可能相差很多。 在可靠性设计中，将负荷、材料强度和结构几何尺寸都看作离散变量，假定它们遵循某一分布规律。通过计算出零件应力

50、与材料强度的离散分布，建立应力强度干涉模型，求出零件失效概率F和可靠度R=1-F。设计时，以零件可靠度不低于规定值作为结构安全的判据。 但可靠性设计需要有符合实际的各种概率数据，包括所用材料及其热处理等的强度概率分布，这需要不断积累。本节结束本节结束2012-2-14内燃机设计 第一章96第六节内燃机新技术概要 一、多气门可变进气系统 二、电子控制燃油喷射技术 三、电控点火和爆燃控制 四、电控技术 五、增压技术 六、新型燃烧技术 七、代用燃料与排气净化技术2012-2-14内燃机设计 第一章97一、多气门可变进气系统一、多气门可变进气系统 提高充气效率是提高发动机动力性能的提高充气效率是提高发

51、动机动力性能的重要措施。除了增压以外，合理选择配重要措施。除了增压以外，合理选择配气相位且能随发动机转速不同而变化，气相位且能随发动机转速不同而变化，以及利用进气的惯性及谐振效应是提高以及利用进气的惯性及谐振效应是提高充气效率的重要途径。充气效率的重要途径。 多气门：可增加充气系数，火花塞或喷油器好布置。可变进气系统：进气管长度、气门升程、配气定时、进气涡流等可变。 2012-2-14内燃机设计 第一章98二、电子控制燃油喷射技术电子控制燃油喷射技术 在改进发动机的性能方面，电控系统有许多优点。以下是常规机械调节方式所达不到的，可归纳为： （ 1）燃油经济性好1）空燃比控制精确，可得到更合乎理

52、想的混合气。2）各缸的空燃比均匀。3）可提供更合乎理想的点火时刻与点火能量。4）燃油的雾化与汽化质量高。5）可采用如部分负荷时停缸运行、减速燃油停供等措施。2012-2-14内燃机设计 第一章99电子控制燃油喷射技术电子控制燃油喷射技术（2）功率输出高1）进气密度提高。2）进气管设计优化。3）可以采用可变频率的进气谐振控制，使整个外特性上的转矩均有所增加。 （3）降低排放1）空燃比控制精确。2）可采用闭环控制与三效催化转换器。3）可根据需要采用专门的排放控制措施，如EGR、燃油蒸发净化、二次空气喷射等。4）冷起动、暖机及冷车起步时排放控制好。2012-2-14内燃机设计 第一章100电子控制燃

53、油喷射技术电子控制燃油喷射技术（4）节气门反应快捷、及时1）在过渡工况下对空燃比与点火的控制能及时反应，且能对节气门快速变化时的充气量滞后等问题做出适当的修正。2）进气管内的湿壁与积油大大减少 （5）改善冷起动和暖机过程 空燃比能根据发动机冷却水温度ECT与进气温度IAT精确设置，且雾化与汽化质量高。形成的混合气大有改善。2012-2-14内燃机设计 第一章101电子控制燃油喷射技术电子控制燃油喷射技术（6）怠速控制好1）可以根据ECT自动确定适当的稳定怠速，也就是说怠速时的转速是可变的。2）可以根据怠速时内部负荷的变化自动调整进气量，从而稳定运转。2012-2-14内燃机设计 第一章102三、电控点火定时和爆燃控制电控点火定时和爆燃控制 电控点火可有