内燃机设计

内燃机设计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曲轴系统的扭转振动第五章配气机构设计第六章曲轴飞轮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缸盖设计第十一章内燃机冷却与润滑系设计第一章内燃机设计总论•第一节内燃机设计的一般流程•第二节内燃机的主要设计指标•第四节内燃机主要参数的选择•第五节现代内燃机设计与技术的发展•第三节内燃机的选型返回开始第一章内燃机设计总论第一节内燃机设计的一般流程一、计划阶段此阶段由下述环节组成：1.确定任务—主要是根据市场需要和法规需要(进行必要性、可行性论证)，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。2.组织设计组—根据任务挑选合适人选人员结构合理技术结构合理3.调查研究—a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c收集同类先进产品的资料，考察同类产品d确定参考样机4.确定基本性能参数和结构形式（概念设计阶段）。主要是通过:同类型机型对比、热力学计算、动力学计算和整机一维模型仿真分析。5．拟订设计任务书①说明产品的原因、用途、适用范围等②说明内燃机的主要设计参数和要达到的技术指标如：a.型式（汽或柴）、气门数、直立或卧式b.冲程数（4或2）、缸径D、冲程Sc.冷却方式（水或风）d.汽缸排列方式（直列、V型）e.功率Ne、转速n、扭矩Mf.燃油消耗率ge(克/千瓦.小时)g.机油消耗率gm(克/千瓦.小时)h.大修期、保用期、一般大修期是保用期的2倍i.重量和外型尺寸—与用途有关（大车、小车、固定）j.排污指标（噪声、废气）k.平均有效压力pmel.活塞平均速度Cm③.主要结构说明燃烧室、零部件（活塞连杆、曲轴飞轮、机体缸盖、配气机构、供油润滑、冷却、起动……）④.产品系列化和变型、强化的可能性二、设计实施阶段1.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、三维实体造型和虚拟装配、外形图。2.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。桑塔纳1.6升轿车汽油机Audi轿车汽油机平分式铸铁机体整体气缸汽油机6110柴油机龙门式机体轻型柴油机图1-8奔驰增压汽油机采用双轴平衡机构的1.8L奥迪FSI发动机横剖面大众V10TDI柴油机横剖面三、检验阶段1.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、配套试验和扩大用户试验）3.改进与处理阶段a.样机鉴定.b.小批量生产4.内燃机设计的“三化”a.产品系列化：基本尺寸相同，不同的排列、缸数、增压度，达到提高Peb.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“三化”可以提高产品的质量、减少设计成本、组织专业化生产、提高劳动生产率、便于使用、维修和配件供应四、改进与处理阶段•1．样机鉴定与改进.•在总结了单缸机试验、多缸机试制、样机性能试验和用户配套实验的基础上，往往要进行多方面的综合改进和进一步的试验观察，然后由企业或者地方主管部门组织新厂品鉴定。鉴定时设计和试制单位要提供下列文件：–设计任务书–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、噪声水平等性能试验报告–内燃机生产产量成本盈亏分析–零部件标准审查报告–市场需求预测分析–用户使用报告•……•单缸机试验2．小批量生产和扩大用户试验•内燃机是一个十分复杂的技术系统，涉及到水、油、气的流动与密封；•工质燃烧、做功与传热；•机械传动等多个复杂的物理和化学过程，•用户的要求和使用工况变化非常大，因此必须经过小批量生产和逐步扩大用户使用试验，经过严密的设计完善和严格的生产工艺调整，才能最终进行正式商业化生产。本章开始第二节内燃机的主要设计指标一、动力性指标1.功率Pe式中Pme—平均有效压力（MPa），Vm—活塞平均速度（m/s），Vh—气缸排量(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。)(DzVp785.030zpP2meme千瓦mnVhe2.转速nn增加对提高Pe有利，但是转速增加后：⑴惯性力，导致负荷增加，平衡、振动问题突出，噪音增加；⑵.工作频率增加——热负荷增加；⑶.摩擦损失增加，导致ηm下降、ge升高、磨损加剧，寿命缩短；⑷.进排气系统阻力增加，使ηv变小；内燃机转速范围1000转/分以上为高速、300~1000转/分为中速、300转以下为低速。发电机组内燃机受电网频率和磁极对数的限制，转速应为f–电网频率（50Hz）,P—发电机磁极对数。)/(60分转pfn用途柴油机（r/min）汽油机（r/min）汽车1500~50002500~6000工程机械与拖拉机1500~28002000~3600内燃机车、发电机组900~15002800~3600摩托车、摩托艇5000~10000中小型农用动力1200~30003000~6000船舶高速1000~20001500~2500船舶低速300~8503.最大扭矩Memax及nMe扭矩适应性系数转速适应性系数总适应系数μ=μmμn随用途而有不同的要求。动力装置汽油机柴油机μmμnμμmμnμ汽车1.1～1.251.5～21.65～2.51.05～1.21.1～1.251.1～1.25工程机械1.2～1.451.6～21.9～2.91.15～1.41.6～21.85～2.8拖拉机1.2～1.31.6～21.9～2.61.15～1.251.6～21.85～2.51MmaxMenem1menennn)(831.313.954930000NmVpnPnPMhemeee二、经济性指标1.燃油消耗率ge(克/千瓦小时)降低ge的措施：提高ηi和ηm车用汽油机260--400车用柴油机200—2602.机油消耗率gm(克/千瓦小时)1.3—2.6克/千瓦小时三、耐久性、可靠性指标可靠性—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。耐久性—从开始使用起到大修期的时间。四、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。比重量gw=G/Pe(kg/kw)；体积功率Pv=Pe/V(kw/m3)五、低公害指标1.噪音内燃机噪音分为：燃烧噪音、进排气噪音和机械噪音汽车分类噪声限值dB(A)第一阶段第二阶段2002.10.1~2004.12.30期间生产的汽车2005.1.1以后生产的汽车M17774M2(GVM≤3.5t)，或N1(GVM≤3.5t)：GVM≤2t2tGVM≤3.5t78797677M2(3.5tGVM≤5t)，或M2(GVM5t)：P150kWP≥150kW82858083N1(3.5tGVM≤12t)，或N1(GVM12t)：P75kW75kW≤P150kWP≥150kW838688818384说明：a)M1，M2(GVM≤3.5t)和N1类汽车装用直喷式柴油机时，其限值增加1dB(A)。b)对于越野汽车，其GVM2t时：如果P150kW，其限值增加1dB(A)；如果P≥150kW，其限值增加2dB(A)。a)M1类汽车，若其变速器前进档多于4个，P150kW，P/GVM之比大于75kW/t，并且用第三档测试时其尾端出线的速度b)大于61km/h，其限值增加1dB(A)2.排污CO—破坏人体的输氧能力，麻痹呼吸器官HC—破坏呼吸系统NOx—与水蒸气混合，在肺部生成稀硝酸。欧Ⅰ、欧Ⅱ总质量2.5t≤6人欧洲Ⅰ号1995年底之前欧洲Ⅱ号1995年—2000年转毂试验台排放测试g/km汽油柴油IDI+DI汽油柴油IDIDICO2.72(3.16)2.72(3.16)CO2.21.01.0HC+NOx0.97(1.13)0.97(1.13)HC+NOx0.50.70.9Particulate0.14(0.18)Particulate0.080.10蒸发量2.0g/T——蒸发量2.0g/T——欧Ⅲ、欧Ⅳ总质量2.5t≤6人.欧洲Ⅲ号2000年—2005年欧洲Ⅳ号2005年底起施行转毂试验台排放测试g/km汽油柴油汽油柴油CO2.30.64CO2.20.5HC+NOx0.56HC+NOx0.3HC0.2HC0.1NOx0.150.5NOx0.080.25PM—0.05PM0.025蒸发量2.0g/T——蒸发量2.0g/T——欧Ⅴ、欧Ⅵ总质量2.5t≤6人.欧Ⅴ号2008年10月—2012年欧洲Ⅵ号2012年底起施行转鼓试验台排放测试g/km汽油柴油汽油柴油CO1.00.5CO1.00.5HC+NOx0.23HC+NOx0.17HC0.1HC0.1NOx0.060.18NOx0.060.08PM0.0050.005PM0.0050.005蒸发量2.0g/T——蒸发量2.0g/T——六、制造、使用、维护指标1）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。2)高的燃料经济性。汽车发动机还必须注意部分负荷和不稳定工况下的经济性，还要求燃油经济区尽可能宽，这在混合动力中尤为重要。3)高的工作可靠性和足够的使用寿命。现代内燃机寿命指标较先进的大致为：汽车内燃机40～80万公里；拖拉机及农用内燃机6000～10000小时；工程机械用内燃机10000～28000小时。4）对于汽车用内燃机，还要求尽量低的振动和噪声，也就是所说的NVH（Noise、VibrationandHarshness）性能。本章开始第三节内燃机的选型一、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。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。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。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（LiquifiedNaturalGas—LNG）、液化石油气（LiquifiedPetrolGas—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。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。二、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。三、冷却形式水冷：1.冷却均匀效果好；2.ηv大，pe大；3.受外界影响小;4.噪音低.风冷：1.散热不好，热负荷高，油嘴易堵，机油易变稀，磨损大；2.可在沙漠等缺水地带使用，无冻裂；3.噪音大，因为无水套吸音；4.铸造困难；5.冷却系结构简单，