01-汽车与发动机设计

汽车与发动机设计汽车与发动机设计主讲：陈辛波、高云凯、胡志远Tel:69589981E-mail:[e-mail]汽车与发动机设计汽车与发动机设计发动机发动机设计汽车与发动机设计目录一、概述二、内燃机概念设计三、曲柄连杆机构设计四、配气机构设计五、机体与气缸盖设计六、润滑系统及冷却系统设计汽车与发动机设计一、概述汽车与发动机设计内燃机的出现和发明可以追溯到十九世纪六十年代。●1867年奥托(NicolausA.Otto，1832-1891年)和浪琴(EugenLAnger1，1833-1895年)发明了一种更为成功的大气压力式内燃机。这种发动机热效率可达11%。●1876年奥托提出了一种四冲程循环的内燃机，成为汽油机的雏形。即进气、着火前的压缩、膨胀与排气，这种发动机的热效率提高到了14%，而质量则减少了近70%，从而有效地投入工业使用而形成了内燃机工业。至1890年，有50万台机器销往欧洲和美国。汽车与发动机设计奥托(NicolausA.Otto)，1832-1891浪琴(EugenLAngen)，1833-1895汽车与发动机设计●1890年前，英国的克拉克(D.Clerk，1854-1913年)和罗伯逊(J.Robson，1833-1913年，德国的卡尔·奔驰(K.Benz，1844-1929年)成功地发明了二冲程内燃机，●1892年德国的工程师鲁道夫·狄塞尔(RudolfDiesel，1858-1913年)提出了一种新型内燃机的专利，即在压缩终了将液体燃油喷入缸内，利用压缩终了气体的高温将燃油点燃，这种构想在1897年终于变为压燃式发动机----柴油机。●1957年由汪克尔(F.Wankel)成功地试验了他发明的转子发动机，这种发动机在一定领域(如赛车中)得到应用。汽车与发动机设计RudolfDiesel1858-1913年（22岁时）From：C.LyleCumminsJr，“Diesel’sEngines”汽车与发动机设计RudolfDiesel1894年（36岁时）全家合影汽车与发动机设计RudolfDiesel1912年（54岁时）汽车与发动机设计汽车与发动机设计汽车与发动机设计汽车与发动机设计Deutz-1汽车与发动机设计Deutz-2汽车与发动机设计Deutz-3汽车与发动机设计HarzDiesel（1910）汽车与发动机设计HarzDiesel（1918）汽车与发动机设计HarzDiesel（1928）汽车与发动机设计HarzDiesel（1948）汽车与发动机设计工业总产值Industrialoutputvalue总产量Totaloutput总功率Totalpower4100亿元410billionRMBYuan8000万台80millionsets18亿千瓦1.8billionkilowatt中国内燃机产业现状——2013年统计数据2013年，面对严峻复杂的国内外形势，内燃机行业坚持稳中求进，实现了全行业稳定增长。2013年全年全国内燃机累计突破18亿千瓦，同比增长22.70%。汽车与发动机设计产业规模：内燃机产业规模迅速扩大，国际地位提高汽车与发动机设计产业规模：内燃机产业规模迅速扩大，国际地位提高2001-2013年我国内燃机产量（万台）汽车与发动机设计产业规模：内燃机产业规模迅速扩大，国际地位提高根据中国内燃机工业协会《全国内燃机销售月报》显示，2013年全年全国内燃机销量超过8000多万台，同比增长5.43%。汽车与发动机设计2013内燃机产业分布图汽车与发动机设计2013年我国内燃机产品占世界产量的%汽车占世界31%农机占世界47%工程占世界40%小型通用占世界40%摩托车占世界31%多种产品产量居世界第一一.内燃机工业发展现状InternalCombustionEngineIndustrystatusquo汽车与发动机设计产量：1679.16销量：1661.89车用汽油机车用汽油机全年产量1679.16万台，同比增长17.80%，销量1661.89万台，同比增长17.33%。产量：356.31销量：358.16车用柴油机车用柴油机全年销量358.16万台，同比增长10.06%；车用柴油机全年产量356.31万台，同比增长11.88%.汽车与发动机设计发动机的总体构造机体组EngineBlockandCylinderHead曲柄连杆机构CrankshaftandConnectingRod配气机构ValveTrainSystem燃油供给系统FuelSupplySystem润滑系统Lubricationsystem冷却系统Coolingsystem点火系统IgnitionSystem起动系统StartingSystem进排气系统IntakeandExhaustSystem涡轮增压系统TurbochargerSystem汽车与发动机设计缸体(EngineBlock)是构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础气缸盖(CylinderHead)安装在气缸体的上面，密封气缸上部并与活塞顶部和气缸一起构成燃烧室。机体组EngineBlockandCylinderHead汽车与发动机设计曲柄连杆机构CrankshaftandConnectingRod将活塞的直线往复运动变为曲轴的旋转运动，并输出动力。汽车与发动机设计使新鲜可燃混合气(汽油机)或空气(柴油机)及时进入气缸；使燃烧后的废气及时从气缸排出。配气机构ValveTrainSystem汽车与发动机设计燃油供给系统FuelSupplySystem根据发动机工况的需求，定时定量供应合适的燃油进入发动机气缸。汽车与发动机设计点火系统IgnitionSystem保证汽油机在压缩接近上止点时，在气缸内适时、准确、可靠地产生电火花，以点燃可燃混合气，从而燃烧对外作功。汽车与发动机设计冷却系统CoolingSystem使发动机在所有工况下都保持在适当温度范围内，保证其正常工作。汽车与发动机设计润滑系统LubricationSystem在发动机工作时持续不断的把润滑油输送到全部运动部件的摩擦表面，减少摩擦和降低磨损，并部分冷却摩擦零件，清洗摩擦表面。汽车与发动机设计起动系统StartingSystem使发动机曲轴在外力作用下开始转动,直到发动机进入自动运转（怠速）汽车与发动机设计进排气系统IntakeandExhaustSystem进气系统：均匀地向各缸供应合适的燃空混合气或干净空气进入气缸。排气系统：尽可能小的排气阻力和噪声，将废气排到大气。汽车与发动机设计涡轮增压系统TurbochargerSystem将空气预先压缩后再供入气缸，以提高空气密度和增加进气量。汽车与发动机设计发动机的工作性能与评价指标汽车与发动机设计内燃机的工作指标内燃机的工作指标很多,主要有：动力性能指标(功率、转矩（扭矩）、转速)；经济性能指标(燃料与润滑油消耗率)；运转性能指标(冷起动性能、噪声和排气品质)；耐久可靠性指标(大修或更换零件之间的最长运行时间与无故障长期工作能力，用平均无故障时间表示，即有MTBF——MeanTimebetweenFailures)。汽车与发动机设计动力性能指标曲轴对外作功能力的指标。有效转矩Ttq发动机通过飞轮对外输出的净转矩Ttq(N·m)。它是内燃机曲轴传给汽车传动系的力矩。它是作功过程产生的气体作用力P，克服了各部分阻力之后，曲轴能够供给外界使用的扭矩。Ｔ—转动曲轴的切向力（Ｎ）Ｒ—曲柄半径（m）连杆活塞曲柄连杆轴颈）（净MeRTTtq汽车与发动机设计有效功率Pe发动机通过飞轮对外输出的功率Pe(kW)，等于有效转矩与曲轴角速度的乘积。式中：Ttq－有效扭矩，单位为N·m；n－曲轴转速，单位为r/min)(9550KWnTtqPe发动机转速指发动机曲轴每分钟的转数，单位为r/min。汽车与发动机设计发动机每发出1kW有效功率，在1h内所消耗的燃油质量(以g为单位)，燃油消耗率越低，经济性越好。单位是g／kW·h，燃料消耗率用下式计算：经济性能指标:燃油消耗率•式中：Ｇb—内燃机每小时耗油量（kg/h）。)/(103hkWgPGgebe汽车与发动机设计运转性能指标1.排放有害气体CO，HC，NOx，以及PM2.噪声汽车与发动机设计速度特性发动机的功率，转矩和燃油消耗率三者随转速变化的规律。负荷特性发动机的燃油消耗率，排温和烟度等随负荷变化的规律。发动机工况发动机工作状况，一般用功率与曲轴转速来表征，有时也可用负荷与曲轴转速来表征。2.发动机的工作特性汽车与发动机设计速度特性油量调节机构(油量调节齿条、拉杆或节气门)保持不变的情况下，主要性能指标(转矩、油耗、功率、排气温度、烟度等)随内燃机转速的变化关系。汽车与发动机设计负荷特性转速保持不变的情况下，主要性能指标(油耗、排气温度、烟度等)随内燃机负荷的变化关系。汽车与发动机设计万有特性万有特性，其中横坐标通常是发动机转速，纵坐标是发动机平均有效压力，或有效扭矩等。汽车与发动机设计指示性能指标有效性能指标平均指示压力Pmi指示功率Pi指示热效率ηit指示燃油消耗率bi有效指示压力Pme有效功率Pe升功率PL有效热效率ηie有效燃油消耗率be机械效率ηm过量空气系数Φa充量系数Φc汽车与发动机设计过量空气系数Excessaircoefficient对于可燃混合气成分：①燃烧1kg燃油实际供给的空气质量与完全燃烧1kg燃油的理论空气质量之比为过量空气系数，记作φa。②可燃混合气φa=1：理论混合气φa＜1：浓混合气φa＞1：稀混合气φa量燃料所需的理论空气质完全燃烧质量燃料所实际供给的空气燃烧1kg1kg汽车与发动机设计空燃比Air-fuelratio空燃比=空气质量/燃油质量。对于可燃混合气成分：①理论上，lkg汽油完全燃烧需要空气14.7kg。②理论混合气—空燃比为14.7的可燃混合气（理论空燃比或化学计量比）。③浓混合气—可燃混合气的空燃比小于14.7，则汽油过量。④稀混合气—空燃比大于14.7的可燃混合气，即空气过量。汽车与发动机设计充气效率c新鲜空气或可燃混合气被吸进气缸愈多，则发动机可能发出的功率愈大。新鲜空气或可燃混合气充满气缸的程度，用充气效率来表示。充气效率----在进气行程中，实际进入气缸内的新鲜空气或可燃混合气的质量与在进气系统进口状态下充满气缸工作容积的新鲜空气或可燃混合气的质量之比。c=M/M0M-----进气过程中，实际充入气缸的充量；M0----进气状态下，充满气缸工作容积的理论充量汽车与发动机设计二、内燃机的概念设计汽车与发动机设计第一节内燃机的设计要求第二节内燃机的选型第三节内燃机主要参数的选择第四节内燃机开发的程序与方法汽车与发动机设计第一节内燃机的设计要求对车用内燃机提出的主要要求可归纳如下：1)功率、转速、使用转速范围、最大转矩及转矩特性应满足汽车动力性的要求。对载货汽车发动机来说功率决定于汽车总质量。轿车的功率主要决定于最高车速(可达140-200km/h)和加速性，其吨功率高，达到50-100kW/t。此外，轿车内燃机应有优异的工况变动响应性。2)内燃机的环境性能满足法规要求3)尽可能高的燃料经济性4)尽可能高的工作可靠性和足够的使用耐久性汽车与发动机设计5)为了减小内燃机的自身质量，要尽力优化其主要铸、锻件(如机体、气缸盖、曲轴、连杆等)的形状设计，在满足刚度、强度的前提下合理分配材料。一般主机厂出于战略考虑，除了总装配调试外，都要自行生产机体(其成本占内燃机总成本10%左右)、曲轴(10%)、气缸盖(6%)、连杆(4副一组占4%)和凸轮轴(1.5%)(国际上习惯统称5C零件)。它们对内燃机性能和可靠性影响很大，成本要占1/3左右，必须特别仔细地加以设计。内燃机供油系、活塞组、进排气门等虽然也很重要，但它们大多委托专业厂代为开发。对车用内燃机来说，减轻质量可以增大汽车的有效负荷，改善整车的动力性和经济性。汽车与发动机设计6)制造工艺性好，制