现代内燃机设计理论与方法

现代内燃机设计主讲：张俊红教授内燃机现代设计理论及方法1主要内容第一篇内燃机设计总论第二篇内燃机现代设计理论与方法2第一篇内燃机设计总论第一章内燃机主要设计指标和设计要求第二章内燃机设计的一般流程第三章内燃机的选型第四章内燃机主要参数的选择3第一篇内燃机设计总论第一章内燃机主要设计指标和设计要求第二章内燃机设计的一般流程第三章内燃机的选型第四章内燃机主要参数的选择4第一节内燃机主要设计指标5一.动力性指标1.有效功率Pe式中：pme—平均有效压力（MPa）；vm—活塞平均速度（m/s）Vh—单缸工作容积（L）；Z—气缸数；n—转速（r/min）；D—气缸直径（mm)；τ—冲程数，四冲程τ=4,二冲程τ=2。可见，有效功率Pe受到上面各参数的影响。在设计转速和结构参数基本确定下来之后，影响有效功率的主要参数就是平均有效压力。6一.动力性指标2.转速nn增加对Pe有利，但是转速增加后会导致以下问题：1）惯性力增加导致机械负荷增加，平衡、振动问题突出，噪声增加2）工作频率增加导致热负荷增加3）摩擦损失增加，机械效率下降，燃油消耗率增加，寿命变短4）进排气系统阻力增加，充气效率下降7一.动力性指标各种用途的内燃机转速范围：8船舶发动机曲轴图9一.动力性指标3.最大转矩Memax及最大转矩转速nMemax内燃机标定转速下的转矩（N•m）表示为：转矩适应性系数：转速适应性系数：总适应系数：10一.动力性指标各种动力装置对内燃机适应性系数的要求11二.经济性指标（1）有效燃油消耗率发动机每输出1kW•h的有效功所消耗的燃油量称为有效燃油消耗率。单位为g/(kW•h)。（2）机油消耗率发动机的机油消耗量,与发动机的负荷率有极大的关系,因此,机油消耗率的计算公式如下:时间的限定依据检查测量的时间而定,一般不低于100工作小时。12三.耐久性、可靠性指标（1）可靠性可靠性是指在规定的运转条件下，规定的时间内，具有持续工作，不会因为故障而影响正常运转的能力。（2）耐久性耐久性是指从开始使用到大修期的时间。内燃机的大修前一般决定于缸套和曲轴磨损到达极限尺寸的时间。四.重量、尺寸、外形指标重量、尺寸、外形指标是评价设计的紧凑性和金属利用程度的指标。13五.低公害指标（1）噪声内燃机的噪声主要来自燃烧噪声、气体流动噪声和机械噪声三个方面。汽车加速行驶车外噪声限值（GB1495-2002)1415表中符号的意义如下：GVM——最大总质量（t）P——发动机额定功率（kW）M1、M2、M3、N1、N2、N3均为至少有4个车轮，或有3个车轮的车辆；M1类车辆——厂定最大总质量超过1t，除驾驶员座位外，乘客座位不超过8个的载客车辆。M2类车辆——厂定最大总质量不超过5t，除驾驶员座位外，乘客座位超过8个的载客车辆。M3类车辆——厂定最大总质量5t的载客车N1类车辆——厂定最大总质量不超过3.5t的载货车辆。N2类车辆——厂定最大总质量超过3.5t，但不超过12t的载货车辆。N3类车辆——厂定最大总质量12t的载货五.低公害指标（2）有害气体排放有害气体排放欧洲标准16六.制造、使用、维护指标（1）起动性能汽车发动机应有良好的起动性能，通常要求汽油机在—10℃、柴油机在一5℃的气温条件下，不采用特殊的低温起动措施就能迅速可靠地起动，在更低温度下利用辅助装置也能顺利起动。（2）安装性能汽车发动机应便于安装、操纵和维修。（3）操作性操作性好是指使用者不需要特别的专门技能，即可顺利进行操作，而且运行中不需要经常进行特别的调整就能维持稳定的运转工况。17第二节各种类型内燃机的设计要求事实上，一台内燃机要同时满足所有的设计指标是相当困难的，因为这些要求往往是相互矛盾的。例如动力性与经济性，重量轻与使用寿命长，性能指标与制造成本等等。同时，内燃机具体用途不同，这些要求的重要性也不相同。因此，必须根据内燃机的具体情况，在保证主要设计要求前提下，尽量满足其它要求。181.汽车、拖拉机等车用内燃机的设计要求高的动力性能。功率、扭矩、使用转速范围，均适合于工作机械的需要。高的燃料经济性。必须注意部分负荷和不稳定工况下的经济性。高的工作可靠性和足够的使用寿命。汽车（运输）内燃机：30—60万公里拖拉机：6000—10000小时结构紧凑，外形小，重量轻。此外，对内燃机的起动性和制造工艺性以及使用维修方便性的要求也是很重要的。192.工程机械内燃机的设计要求工程机械内燃机的特点是使用地域广阔，气候差异甚大，使用条件，随配套机械而不同。对专用的工程机械内燃机的主要要求，除了与汽车、拖拉机内燃机相同之外，还要求能够在斜坡上安全作业，在寒带工作能保证起动，在热带工作应不产生过热，并能适应高原工作。在城市作业，特别是在坑道作业的工程机械的内燃机，还要求其排放污染少，噪声小。203.船舶用内燃机的设计要求高可靠性、足够的使用寿命较小的燃油消耗率结构合理：质量、体积小，便于维修在船舶纵、横摇摆条件下能正常运转214.机车内燃机的设计要求机车内燃机的结构特点是要求在限界和轴重范围内发出大的功率，因此强化指标很高。为了保证铁道运输的安全、经济，对可靠性、耐久性、经济性指标要求都较高。另外，机车内燃机由于受到桥梁和隧道尺寸和机车轴重的限制，对外形尺寸和重量有一定的要求。22第三节内燃机设计的“三化”1.产品系列化以极少的基本规格尺寸，（一般以气缸直径和冲程）为内燃机通过改变气缸数目及其排列形式、增压度、转速、燃料、零件材料或增加若干附件等方法来扩大其功率范围，改变其轮廓尺寸等。2.零部件通用化零部件通用化是指一系列的机型中，各机型的零部件能够互换通用并尽量要用标准件，不同类别的柴油机在设计时也要考虑某些零部件在可能的情况下尽量与别系列的机型可以相互通用。3.零件设计标准化零件设计标准化是指在进行零部件设计时应尽可能按照国家标准和部标准式厂标来决定零部件的尺寸，结构，材料，技术条件等。并按照标准绘制零件图，部件图。遵照国家规定的使用名词和术语等。23第一篇内燃机设计总论第一章内燃机主要设计指标和设计要求第二章内燃机设计的一般流程第三章内燃机的选型第四章内燃机主要参数的选择第五章几种典型的内燃机结构24第二章内燃机设计的一般流程内燃机的种类繁多，其主要设计要求，设计指标及生产批量等相差悬殊，因此具体的设计试制过程也各不一样，对于批量生产的新型内燃机设计试制的主要过程，大体为四个阶段。25261.方案调查和拟定技术任务书阶段1）调查使用和生产单位，广泛听取他们对内燃机性能操作使用，维护保养等方面的意见，经验和要求。2）调查生产单位的工艺条件，技术水平和设备情况，使新产品设计能符合生产实际。3）广泛收集国内外同类产品的性能参数，结构方案，材料，工艺水平，以及产品发展和生产过程中的经验和教训，必要时可选择适当内燃机作为设计原准机（即可参考内燃机）。271.方案调查和拟定技术任务书阶段在调查研究收集资料的基础上，可拟定技术任务书。在技术任务书中内容有：1）新产品设计任务的来源（发展该产品的原因）。2）新产品的主要用途和适应范围，能否条化和扩大用途。3）新产品的主要技术要求与主要指标（主要技术规范）。4）新产品与国内外同类先进产品主要指标的比较和分析。5）产品的经济效果分析。6）设计和试制的计划和进度，应采取的技术措施和经费等。282.样机总体方案设计和先期研究阶段总体方案设计首先进行总体方案设计，即确定内燃机的类型和主要结构参数以及总体布置，绘制出内燃机的纵横剖面图和外型图。再总体方案设计时，通常要拟定几种方案，进行分析比较，反复修改，确定一种方案，并在此方案的基础上绘制系列产品的各种变型产品的总布置图。以便统一考虑产品的系列化和变型等问题，必要时，还要进一步修改总体方案设计。292.样机总体方案设计和先期研究阶段主要零部件和单杠实验机的设计通过主要零部件的先期研究工作，可以确定零部件的最佳结构型式和尺寸，保证其可靠性和使用寿命。通过单缸试验机的先期研究工作，可以根据内燃机的具体类型进行下面有关的几项试验工作。1）工作过程实验，包括燃油系统，燃烧室，配气机构等参数和压缩比试验2）增压模拟实验3）二冲程内燃机的扫气参数实验4）主要零部件的可靠性和耐久性实验5）主要零部件的温度状况和动态应力测量303.样机施工设计，试制和实验阶段样机的施工设计样机的施工设计的内容是：（1）根据总体方案绘制全部零件的毛呸及施工图。（2）根据零件施工图绘制部件图纵横剖面总图，前后端视图，左右侧视图，俯视图及安装图。（3）规定内燃机整机及零部件的实验方法，技术条件等（4）制定整机的安装，使用及维护保养的技术条件。样机试制与实验通常要对若干台样机进行性能实验，可靠性实验，耐久性实验，以及配套实验等，以考核所生产的内燃机的各项指标是否达到技术任务书中规定的要求。314.鉴定和投产实验在扩大用户使用实验中证实样机达到各项指标之后，设计试制单位即可提出申请，有有关部门组织样机鉴定。鉴定会议通过，并经有关部门批准后，该内燃机即可投入小批量生产由此进行工艺考核，检验产品设计的工艺性及工艺装备的性能，然后可转入成批生产。32第一篇内燃机设计总论第一章内燃机主要设计指标和设计要求第二章内燃机设计的一般流程第三章内燃机的选型第四章内燃机主要参数的选择33第三章内燃机的选型内燃机的型式很多，按其主要运动结构的不同，分为往复活塞式内燃机和旋转活塞式内燃机两大类，其中往复活塞式内燃机在数量上占统治地位。按其工作过程的特点来分，有汽油机和柴油机，二冲程或四冲程内燃机，不增压或增压内燃机等，按照结构特点来分，水冷式或风冷式，单缸或多缸，单列和多列，各种型式有其不同的优缺点。内燃机选型时，考虑问题的着眼也不一样。341.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。从两方面考虑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。一般，6吨以上用柴油机，3-6吨混用，3吨以下汽油机居多，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、柴油加油站分布广泛，所以燃气汽车多用于城市公交车、城市出租车。35柴油机：燃料经济性好；工作可靠性和耐久性好，因为没有点火系统；可以通过增压、扩缸来增加功率；防火安全性好，柴油挥发性差；CO和HC的排放比汽油机少。36汽油机空气利用率高，转速高，因而升功率高。化油器式的过量空气系数α较高，在1.1左右，电控喷射要求α=1；因为没有柴油机喷油系统的精密偶件，制造成本低；低温起动性、加速性好，噪音低；由于升功率高，最高燃烧压力低，所以结构轻巧，比质量小（一般只有柴油机的一半重量）；不冒黑烟，颗粒排放少。目前来讲，柴油机的优点就是汽油机的缺点，反之亦然。37燃气发动机气体燃料发动机主要使用压缩天然气（CompressedNaturalGas—CNG）、液化天然气（LiquefiedNaturalGas—LNG）、液化石油气（LiquefiedPetrolGas—LPG）。可以汽油/LPG、汽油/天然气切换（Bi-fuel两用燃料）或天然气/柴油混合（DualFuel双燃料），也可以单独使用；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；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；可以节省石油资源；燃料供给采用多点电控喷射才能使混和气比较均匀。382.冲程四冲程：使用可靠，工作柔和，耐磨，经济性好，指标稳定，生产、使用经验丰富；二冲程：单位时间内工作循环多一倍，实际功率输出大50~70%，体积小，重量轻，结构简单，但经济性差。393.冷却形式水冷：冷却均匀效果好；充气效率大，平均有效压力大；受外界影响小;噪音低。风冷：散热不好，热负荷高，油嘴易堵，机油易变稀，磨损大；可在沙漠等缺水地带使用，无冻裂；噪音大，因为无水套吸音；铸造困难；冷却系结构简单，无漏水；单体结构，维修成本低。404.气缸的布置直列发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的。单列式气缸体结构简单