发动机选型

发动机选型的依据因素很多，如汽车的类型、用途、使用条件、总布置型式、总质量及动力性指标、经济性要求、材料和燃料资源、排气污染和噪声方面的法规限制、已有的发动机系列及其技术指标水平、技术发展趋势、生产条件与制造成本、市场预测情况以及将来的配件供应及维修条件等，通常要经过多种方案的比较甚至通过先行的试验研究才能选定一个好的方案。4.1发动机基本形式的选择至今世界上绝大多数的汽车都是采用往复活塞式内燃机，其中绝大多数的轿车采用汽油机，而几乎全部的重型货车、绝大多数的中型货车和相当一部分轻型货车则采用柴油机。近二三十年来在极少数汽车上采用了转子发动机、燃气轮机、高能蓄电池和电动机等动力装置。为消除污染以蓄电池为能源的电动汽车受到各国的重视，列为发展方向并在加紧研制中。但从目前的情况来看，在相当长的时期内，往复式内燃机仍将是汽车发动机的主要型式。因此，这里仅就汽车内燃机的选型问题进行讨论。在汽车发动机基本型式的选择中首先应确定的是采用汽油机还是柴油机，其次是气缸的排列型式和发动机的冷却方式。就世界范围而言，大型汽车的发动机已经柴油化，中型汽车也多采用柴油机，轻型载货汽车采用柴油机的也不少，甚至欧洲已将小型高速柴油机用到某些轿车上。与汽油机相比，柴油机具有油耗低、燃料经济性好、无点火系统，故障少、工作更可靠，耐久性好、寿命长，排气污染较低和防火安全性好等优点。但一般柴油机的振动及噪声较大，轮廓尺寸及质量较大，造价较高，起动较困难并易冒黑烟。近年来，由于柴油机在产品设计和制造工艺方面的不断完善，其上述缺点已得到较好的克服。较大马力、高转速、低噪声、小型化且运转平稳的柴油机的研制开发成功，使装柴油机的轻型汽车日益增多，在轿车上的装用也取得成功。但预计在今后相当长的一段时期内，考虑到燃料使用的平衡及汽油机的转速高、升功率高、转矩适应性较好、轮廓尺寸及质量较小、便于布置、振动及噪声较低和适于高速车辆等特点，绝大多数的轿车和小型车辆仍将采用汽油机，而装载量6t以上的汽车将全部装用柴油机，装载量2—5t的部分轻型和中型汽车则采取两种发动机均可安装而由用户选择的方式为宜。按气缸排列型式，发动机又有直列、水平对置和V型等区别。直列式的结构简单、维修方便、造价低廉、工作可靠、宽度小、易布置，因而在中型及以下的货车上和排量不大的轿车上得到了广泛应用。4L以下的汽油机多采用直列式，但对大排量的直列发动机而言，不是缸径过大，就是缸数过多，使发动机过长和过高，质量也过大。因此，在中高级以上的轿车、重型载货汽车和重型越野汽车上，采用V型发动机的日益增多。V型发动机相对于直列式有许多优点，其长度显著缩短(约25％～30％)，高度降低，质量减小约20％～30％；曲轴箱及曲轴的刚度增大；易于设计尺寸紧凑的高转速、大功率发动机且易于系列化，如V6，V8，V1O及V12等，而直列式通常到6缸，最多8缸。对于长度受到限制的车辆来说，由于V型发动机的长度短，适宜于这类车辆的总体布置，但由于其宽度大，故在乎头车上布置困难。V型发动机的造价高，故在应用中受到限制，多用于排量在6L以上和缸径大于150mm的汽油机和12L以上的柴油机。水平对置式发动机的高度低且易于平衡，水平对置双缸发动机在微型汽车上得到应用。按冷却方式，发动机又有水冷式和风冷式之分。水冷发动机冷却均匀可靠，散热好，气缸变形小，缸盖、活塞等主要零件的热负荷较低，可靠性高；能很好地适应大功率发动机的冷却要求；发动机增压后也易于采取措施(加大水箱、增加泵量)加强散热；噪声小；车内供暖易解决。因此，绝大多数的汽车都采用了水冷发动机。但其冷却性能受气温影响显著，设计时应考虑避免高温天气出现发动机过热的问题。风冷发动机的冷却系统简单，维修简便；对于在沙漠和缺水地区及炎热、酷寒地区使用的适应性好，不会产生发动机过热和冻结等故障；还可省去消耗铜材的水箱。但大缸径的风冷发动机的冷却不够均匀；缸盖等有关零件的热负荷高，可靠性不及水冷式的；噪声大；油耗较高，故仅在安装小排量发动机的微型汽车上得到应用，在其他类型的汽车上应用不多。大型风冷发动机虽也能达到较高的性能指标，但需采用较多的结构、工艺措施，造价较高。4.2主要性能指标的选择4.2.1发动机最大功率Pemax及其相应转速np发动机功率愈大则汽车的动力性愈好，但功率过大会使发动机功率利用率降低，燃料经济性下降，动力传动系的质量也要加大。因此，应合理地选择发动机功率。设计初可参考同类型、同级别且动力性相近的汽车的比功率进行Pemax的估算或选取。Peman亦可根据所要求的最高车速Uemax。按下式计算出:3maxmaxmax7614036001VACVgfmPDaTe式中：maxeP——_发动机最大功率，kW：T——传动系的传动效率，对单级主减速器驱动桥的4×2式汽车取T≈0.9；am—汽车总质量，kg；g__重力加速度，m／s2；f__滚动阻力系数，对载货汽车取0.02，对矿用自卸汽车取0.03，对轿车等高速车辆需考虑车速影响并取f＝0.0165+0.0001(Va-50)；maxV___最高车速，km／h；CD—空气阻力系数，轿车取0.4～0.6，客车取0.6～0.7，货车取0.8—1.0A__汽车正面投影面积，㎡，若无测量数据，可按前轮距B1、汽车总高H、汽车总宽B等尺寸近似计算：对轿车A≈0.78BH，对载货汽车A≈B1H。按上式求出的Pemax应为发动机在装有全部附件下测定时得到的大有效功率或净输出功率，它比一般发动机外特性的最大功率值低12％～20％。在整车选型阶段还应对发动机最大功率时的转速np±△np提出要求，因为它不仅影响发动机本身的技术指标和使用性能及寿命，而且影响整车的性能(例如maxV)、传动系的寿命以及对主减速比i0的选择。近年来，随着车速的提高，发动机转速也在不断地提高。同时，提高发动机转速也是提高其功率、减小其质量的有效措施。但提高转速会使活塞的平均速度加快及热负荷增高、曲柄连杆机构的惯性力增大而加剧磨损，导致寿命下降，并加大振动和噪声。因此，发动机转速的提高也有一定的限度。当前，轿车汽油机的pn，大多为4000—6000r／min；轻型货车汽油机的pn大多为3800～5000r／min；中型货车汽油机的pn多为3200—4400r／min；其柴油机的p多为2200～3400r／min；重型货车柴油机的pn多为1800～2600r／min；轿车和轻型客车、轻型货车用的小型高速柴油机的pn多为3200～4200r／min。应根据汽车与发动机的类型、最高车速、最大功率、选用的活塞平均速度Cm、活塞冲程s、缸径、缸数、工艺水平等因素来合理的确定pn(Cm＝s·p／30，单位为m／s)。4.2.2发动机最大转矩Temax及其相应转速nm当发动机最大功率和其相应转速确定后，可用下式确定发动机的最大扭矩。pnPeTemax7019max式中：maxTe——发动机最大扭矩，N·m；——扭矩适应性系数；即＝TpTemax；一般汽油机35.1~2.1，柴油机25.1~1.1；值的大小，标志着行驶阻力增加时，发动机沿外特性曲线自动增加扭矩的能力。的大小可参考同类样机的数值进行选取。Tp——为最大功率点的扭矩，N·m；pn——最大功率点转速，r／min。在选取发动机最大扭矩点的转速Mn时，一般希望该转速与最大功率点的转速有一定的比例关系，即保证Mpnn/（转速适应性系数）在1.4—2.0之间，如果Mn取得过高，会使Mpnn/的比值变小，若小于1.4，会使直接档的稳定车速偏高，造成在市区内行驶、转弯等情况下增加换挡次数。所以希望Mn不要太高。4.2.3发动机适应性系数φ发动机适应性系数Φ是转矩适应系数与转速适应系数的乘积。它表明发动机适应汽车行驶工况的程度。TppennTTmaxΦ值越大，这发动机的适应性越好。采用Φ值大的发动机可减少换档次数、减轻驾驶员的疲劳、减小传动系的磨损和降低油耗。现代发动机的适应性系数值对汽油机Φ=1.4～2.4；对柴油机Φ=1.6～2.6。4.3传动系参数的选择4.3.1最小传动比的选择整车传动系最小传动比的选择，可根据最高车速及其功率平衡图来确定。在普通的载货汽车上，变速器的最高档大都取1.0，则传动系的最小总传动比即为驱动桥的主减速比io，若有超速档或副变速器、分动器时，最小传动比则为它们的速比和i的乘积。4.3.2最大传动比的选择最大传动比为变速器的头档速比与主减速比的乘积。该速比主要是用于汽车爬坡或道路条件很差（阻力大）的情况下（此时空气阻力可以不计）汽车仍能行驶。此时变速器最大速比0max1)sincos(iTrfmgiTekk式中——最大爬坡角度，；kr——车轮滚动半径，m。求出1ki以后，再验算一下附着条件，牵引力不应大于附着力gmFriiTFktket201maxmax式中maxtF——最大牵引力，N；F——附着力，N；gmF22m--驱动桥质量，kg；——附着系数，取＝0.7。最后验算最低档时的最低稳定车速，该车速没有规定的限值。一般情况下，载货汽车，只要能满足最大爬坡度的要求(即最大动力因数)，那最低稳定车速也能满足。但越野车为了避免在松软地面上行驶时，土壤受冲击剪切破坏而损害地面附着力，要求车速很低，此时的最大速比为0minmin1377.0ivrnikk式中minn——发动机最低稳定转速，r/min；对于汽油机minn＝350r/min～500r/min；对于柴油机minn＝650r/min～850r/min；minv——汽车最低稳定车速，km／h。4.3.3变速器档位数的选择变速器档位数的多少，要根据汽车的类型，使用条件和性能要求及最高档和最低档的速比范围大小而定。载货汽车的吨位越小，档位数可取少些，随着吨位的增大，档位数也增多。这主要从动力性、经济性、操纵性、结构复杂程度及需要进行选择。档位数越多，发动机的功率利用率越高(高功率区工作时间长)，既增加了动力性，同时也增加了发动机在低油耗区工作的可能性，提高了燃油经济性。由于相邻档之间的比值不能太大(一般不超过1.7～1.8，太大时换档困难，所以在最大传动比与最小传动比值越大，则档位数也应增多。而档位多的变速器即7个前进档时，其变速器的结构，特别是操纵机构会很复杂，所以有的车辆就采用增加前置或后置式副变速器的办法来解决此矛盾。如需要全轮驱动，可以增设两档的分动器。