第一章 設(shè)計總論1

課程說明主講教師：姜水生辦公地點：機電樓D224聯(lián)系電話：83969624子郵箱：jishsh@189.cn成績評定：平時＋考試考試方式：開閉卷結(jié)合2012-2-141內(nèi)燃機設(shè)計第一章課程說明課程性質(zhì)：專業(yè)主干課課程意義－>內(nèi)燃機專業(yè)意義內(nèi)燃機發(fā)展現(xiàn)狀?－>汽車動力發(fā)展？2012-2-142內(nèi)燃機設(shè)計第一章內(nèi)燃機與汽車內(nèi)燃機一直被認為是汽車的心臟，是汽車的動力源。它是目前世界上熱效率最高，因而也是應(yīng)用得最為廣泛的一種熱力機械。汽車工業(yè)的發(fā)展離不開內(nèi)燃機工業(yè)的進步，并且二者相互推動，相輔相成。隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，我國內(nèi)燃機行業(yè)不斷壯大，也為中國成長為汽車大國做出了重要貢獻。2012-2-143內(nèi)燃機設(shè)計第一章2012-2-144內(nèi)燃機設(shè)計第一章去年我國汽車產(chǎn)量2012年中國汽車產(chǎn)銷量雙雙突破1927萬輛，不僅蟬聯(lián)世界第一，而且創(chuàng)全球歷史新高。

國家/地區(qū)乘用車（輛）商用車（輛）總和（輛）中國15,523,6583,748,15019,271,808美國4,105,8536,223,03110,328,884日本8,554,2191,388,4929,942,711德國5,388,456260,8135,649,269韓國4,167,089390,6494,557,7382012-2-145內(nèi)燃機設(shè)計第一章新能源汽車1、純電動汽車（實際上就是電瓶車），早就有；2、混合動力汽車，其中含有內(nèi)燃機；3、燃料電池汽車，產(chǎn)業(yè)化還遙遙無期；結(jié)論：在可預(yù)見的未來，內(nèi)燃機仍然是主要的動力源2012-2-146內(nèi)燃機設(shè)計第一章鐵路機車方面電力機車：1835年出現(xiàn)，1958年我國生產(chǎn)出第一臺電力機車。內(nèi)燃機車：發(fā)明于20世紀初，我國從1958年開始制作內(nèi)燃機車。目前內(nèi)燃機車占優(yōu)勢。2012-2-147內(nèi)燃機設(shè)計第一章內(nèi)燃機工業(yè)現(xiàn)狀2011年：年產(chǎn)量達到7500萬臺（世界的四分之一）總功率達到14億千瓦的規(guī)模（為78年的60倍）以內(nèi)燃機為動力的機械保有量約為2億（臺、輛）工業(yè)總產(chǎn)值達到3500億元從業(yè)人員為40萬人我國已經(jīng)成為了世界內(nèi)燃機大國，并且正在向內(nèi)燃機強國的目標邁進。2012-2-148內(nèi)燃機設(shè)計第一章今年內(nèi)燃機工業(yè)繼續(xù)穩(wěn)定增長2013年8月內(nèi)燃機行業(yè)出口總金額11.91億美元，同比增長80.08%；1-8月累計出口金額86.35億美元，同比增長56.40%。8月內(nèi)燃機行業(yè)進口總金額9.57億美元，同比增長18.52%；1-8月累計進口金額73.75億美元，同比增長0.51%。2012-2-149內(nèi)燃機設(shè)計第一章2012-2-1410內(nèi)燃機設(shè)計第一章課程任務(wù)深入了解內(nèi)燃機活塞組、連桿、曲軸、氣缸蓋、氣缸套、機體和配氣機構(gòu)等零部件的結(jié)構(gòu)形式、材料選用、受力情況和常見故障,同時使學(xué)生了解內(nèi)燃機的總體設(shè)計方法，以便正確合理地對內(nèi)燃機進行設(shè)計,為今后的工作打下堅實的基礎(chǔ)。2012-2-1411內(nèi)燃機設(shè)計第一章課程主要內(nèi)容第一章內(nèi)燃機設(shè)計總論第二章曲柄連桿機構(gòu)受力分析第三章內(nèi)燃機的平衡第四章軸系扭振與噪聲第五章配氣機構(gòu)設(shè)計第六章曲軸組設(shè)計第七章連桿組設(shè)計第八章活塞組設(shè)計第九章內(nèi)燃機滑動軸承設(shè)計第十章機體與氣缸蓋設(shè)計第十一章內(nèi)燃機輔助系統(tǒng)設(shè)計2012-2-1412內(nèi)燃機設(shè)計第一章第一章內(nèi)燃機設(shè)計總論

第一節(jié)內(nèi)燃機的設(shè)計要求第二節(jié)內(nèi)燃機類型的選擇第三節(jié)內(nèi)燃機主要參數(shù)的選擇第四節(jié)內(nèi)燃機開發(fā)的一般程序與方法第五節(jié)現(xiàn)代設(shè)計理論與方法第六節(jié)內(nèi)燃機新技術(shù)概述2012-2-1413內(nèi)燃機設(shè)計第一章第一節(jié)內(nèi)燃機的設(shè)計要求機動車是內(nèi)燃機的最大用戶，其次是各種各樣工程機械、農(nóng)業(yè)機械動力和小型移動式機具的動力，船舶和機車用內(nèi)燃機數(shù)量較小。不同用途的內(nèi)燃機有不同的要求。以下論述的內(nèi)燃機設(shè)計要求以車用為依據(jù)。（１）動力性要求：功率、轉(zhuǎn)速、使用轉(zhuǎn)速范圍、最大轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩特性2012-2-1414內(nèi)燃機設(shè)計第一章功率決定于汽車總質(zhì)量：車型噸功率備注>20t4～7kW/t5～19t7～13kW/t<4t10～22kW/t有的50kW/t轎車50～100kW/t轉(zhuǎn)速使用范圍寬。最大轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩特性應(yīng)滿足汽車動力性要求。2012-2-1415內(nèi)燃機設(shè)計第一章（２）環(huán)境特性要求環(huán)境性能是指有害排放物及運轉(zhuǎn)噪聲等，都必須滿足有關(guān)法規(guī)要求。有害排放物指：NOx;HC;CO;SO2;微粒等2012-2-1416內(nèi)燃機設(shè)計第一章（３）燃料經(jīng)濟性要求內(nèi)燃機壽命期內(nèi)的燃料消耗的價值，大約要比內(nèi)燃機本身價值高兩個數(shù)量級，由此可見其重要性。評價指標有：bp(額定功率燃油消耗率)；bpmin(外特性最低燃油消耗率)；bmin（萬有特性【絕對】最低燃油消耗率）。汽車用內(nèi)燃機要特別注意部分負荷和低轉(zhuǎn)速下的燃油經(jīng)濟性，以及非定常工況下的經(jīng)濟性。2012-2-1417內(nèi)燃機設(shè)計第一章燃料經(jīng)濟性要求（續(xù)）另外，燃油經(jīng)濟性還直接與CO2排放有關(guān)，所以對其制定法規(guī)已成趨勢。在汽車動力性與經(jīng)濟性之間存在矛盾，應(yīng)作出合理折中。2012-2-1418內(nèi)燃機設(shè)計第一章（4）工作可靠性和使用耐久性內(nèi)燃機的可靠性是指在設(shè)計規(guī)定的使用條件下能夠持續(xù)工作、不致因故障影響正常運轉(zhuǎn)的能力。可靠性的考核指標是：保證期內(nèi)（desiel:1500h;gaslineengine:500h）的不停機故障數(shù)、停機故障數(shù)、更換主要零件數(shù)和非主要零件數(shù)。一般要求在保證期內(nèi)不發(fā)生主要零部件的故障。2012-2-1419內(nèi)燃機設(shè)計第一章工作可靠性和使用耐久性（續(xù)）內(nèi)燃機的耐久性或使用壽命是指到首次大修或完全報廢為止累計運轉(zhuǎn)小時數(shù)（車用內(nèi)燃機常用車輛里程數(shù)表示）。一般氣缸磨損達缸徑的0.2～0.5%或曲軸軸頸磨損約達直徑的0.1%時，認為已達到大修極限。一般車用內(nèi)燃機大修里程為20～50萬km，中小型高速柴油機大修壽命為5000～10000h。2012-2-1420內(nèi)燃機設(shè)計第一章（5）結(jié)構(gòu)、尺寸、質(zhì)量對于車用內(nèi)燃機來說，其結(jié)構(gòu)要緊湊，外形尺寸要小，質(zhì)量要輕，以便于其在汽車上布置、降低原材料消耗，提高汽車有效負荷能力。2012-2-1421內(nèi)燃機設(shè)計第一章（6）制造工藝性及制造成本在設(shè)計中應(yīng)盡量考慮產(chǎn)品系列化、零部件通用化和零件設(shè)計標準化，以利于提高產(chǎn)品的制造工藝性，降低制造成本。2012-2-1422內(nèi)燃機設(shè)計第一章（7）使用方便性使用方便性是指內(nèi)燃機的起動性能、保養(yǎng)性能和維修性能等。上述各要求往往互相矛盾，如緊湊性與耐久性，性能指標與制造成本等。設(shè)計者的任務(wù)就在于在各種具體情況（市場形勢、主要用途、生產(chǎn)條件、使用環(huán)境等）下，鑒別哪些要求是基本的，必須得到最大限度滿足，再分析其它要求的滿足程度如何。內(nèi)燃機設(shè)計就是解決矛盾的過程。有優(yōu)點必伴隨有缺點，應(yīng)該根據(jù)具體的要求找出一個最優(yōu)化的折中方案，使優(yōu)點突出，缺點縮小到最低限度。（節(jié)末）2012-2-1423內(nèi)燃機設(shè)計第一章第二節(jié)內(nèi)燃機類型的選擇內(nèi)燃機可按所使用的燃料、工作循環(huán)沖程數(shù)、冷卻方式、氣缸布置、進氣狀態(tài)等分為很多類型，選型時應(yīng)進行對比分析。2012-2-1424內(nèi)燃機設(shè)計第一章一、使用燃料的選擇－汽油機還是柴油機對比參數(shù)汽油機柴油機結(jié)構(gòu)緊湊性好差比質(zhì)量小大制造成本低高噪聲小大冷起動性好差燃料經(jīng)濟性差好CO、HC、NOx多少微粒少多可靠性和耐久性差好單缸功率低高2012-2-1425內(nèi)燃機設(shè)計第一章一、柴油機、汽油機或氣體燃料發(fā)動機現(xiàn)在廣泛使用的內(nèi)燃機主要是柴油機、汽油機和氣體燃料發(fā)動機。在選擇內(nèi)燃機時首先碰到的問題就是選擇什么內(nèi)燃機。

從兩方面考慮內(nèi)燃機本身的技術(shù)經(jīng)濟特點和市場需求。地區(qū)或國家對環(huán)境和能源應(yīng)用分布的要求。2012-2-1426內(nèi)燃機設(shè)計第一章燃氣發(fā)動機：氣體燃料發(fā)動機主要使用壓縮天然氣（CompressedNaturalGas—CNG）、液化天然氣（LiquifiedNaturalGas—LNG）、液化石油氣（LiquifiedPetrolGas—LPG）?？梢云?LPG、汽油/天然氣切換（Bi-fuel兩用燃料）或天然氣/柴油混合（DualFuel雙燃料），也可以單獨使用；辛烷值超過100，單獨使用時可以提高壓縮比以保證功率不損失；排放指標比較低、不冒黑煙；一般情況下使用經(jīng)濟性較好，價格也比汽油便宜；可以節(jié)省石油資源；燃料供給采用多點電控噴射才能使混和氣比較均勻。2012-2-1427內(nèi)燃機設(shè)計第一章使用燃料的選擇（續(xù)）所以，輕型移動機具、摩托車、小轎車、<2t貨車等采用汽油機。而>5t貨車、大客車、公共汽車、農(nóng)用運輸車、工程機械、農(nóng)業(yè)機械、機車、中等以上船舶都用柴油機。西歐和日本開始在轎車和輕型汽車上應(yīng)用柴油機。燃氣則有較寬的使用范圍。但是燃氣汽車續(xù)航里程短，大部分地區(qū)加氣站不如汽、柴油加油站分布廣泛，所以燃氣汽車多用于城市公交車、城市出租車。2012-2-1428內(nèi)燃機設(shè)計第一章二、沖程數(shù)的選擇－二沖程還是四沖程四沖程機堅固、可靠、耐磨、經(jīng)濟性好、指標穩(wěn)定，所以被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。二沖程機的優(yōu)點是升功率高、轉(zhuǎn)矩變化均勻。因此，在摩托車、摩托艇、噴霧機、割草機等應(yīng)用很廣。2012-2-1429內(nèi)燃機設(shè)計第一章三、冷卻方式的選擇－液體冷卻、空氣冷卻、油冷水冷內(nèi)燃機冷卻均勻穩(wěn)定、強化潛力大、工作可靠、所以絕大多數(shù)內(nèi)燃機采用水冷。風冷內(nèi)燃機的主要困難是火花塞或噴油器以及排氣門附近局部高溫熱負荷區(qū)不易得到足夠強度的冷卻而影響了可靠性和耐久性，其運轉(zhuǎn)噪聲也大。但它的優(yōu)點是不需要冷卻液、不存在泄漏、積垢、結(jié)冰等問題。目前風冷主要用于小功率機型，如摩托車、移動式小型動力機。2012-2-1430內(nèi)燃機設(shè)計第一章冷卻方式的選擇（續(xù)）無冷卻或絕熱方案由于高強度陶瓷問題尚未突破而無法實用。油冷方案的采用帶來了一系列好處（熱應(yīng)力得到控制、燃油耗率低、無單獨的冷卻系統(tǒng)）。2012-2-1431內(nèi)燃機設(shè)計第一章四、氣缸數(shù)和氣缸布置的選擇氣缸數(shù)↗→優(yōu)點：緊湊輕巧、平衡性好、運轉(zhuǎn)平順、起動容易、加速響應(yīng)性好缺點：缸徑↘→燃油經(jīng)濟性↘零件數(shù)↗可靠性↘結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本↗單缸機：摩托車、小型農(nóng)用柴油機；多缸機：絕大多數(shù)內(nèi)燃機使用場合。2012-2-1432內(nèi)燃機設(shè)計第一章氣缸數(shù)和氣缸布置的選擇（續(xù)）工程機械與農(nóng)業(yè)機械用內(nèi)燃機常用2、3、4缸結(jié)構(gòu)，大功率者用6缸結(jié)構(gòu)。小轎車和輕型車除最小排量車型用2或3缸外，，絕大多數(shù)用4缸結(jié)構(gòu)，少數(shù)高級轎車采用6缸結(jié)構(gòu)（V型）。中型汽車多用4缸結(jié)構(gòu)，少數(shù)用6缸結(jié)構(gòu)。重型汽車多用6缸結(jié)構(gòu)，少數(shù)用8缸或12缸結(jié)構(gòu)。內(nèi)燃機車或艦艇等大功率高速柴油機多為12、16缸結(jié)構(gòu)。在整個內(nèi)燃機中，4、6缸結(jié)構(gòu)占壓倒多數(shù)。6缸以下多為單列式。單列式包含：直列式、斜置式、臥式等。2012-2-1433內(nèi)燃機設(shè)計第一章五、進氣狀態(tài)的選擇－自然吸氣還是增壓增壓：無論是對于柴油機還是汽油機，都是發(fā)展趨勢。增壓后→優(yōu)點：動力性↗經(jīng)濟性↗噪聲↘有害排放↘缺點：可靠性、耐久性↘加速響應(yīng)性↘汽油機爆燃傾向↗節(jié)末2012-2-1434內(nèi)燃機設(shè)計第一章第三節(jié)內(nèi)燃機主要參數(shù)的選擇內(nèi)燃機的主要參數(shù)（如平均有效壓力、活塞平均速度、轉(zhuǎn)速、氣缸直徑、活塞行程等）反映了內(nèi)燃機的工作性能和設(shè)計質(zhì)量。參數(shù)的選擇應(yīng)考慮先進性和現(xiàn)實性。內(nèi)燃機功率與主要參數(shù)之間關(guān)系:其中，：最大有效功率（kW）；：最大功率點缸內(nèi)平均有效壓力（Mpa）；i:氣缸數(shù)；：氣缸工作容積（L）；:最大功率點曲軸轉(zhuǎn)速（r/min）;:工作循環(huán)沖程數(shù)。2012-2-1435內(nèi)燃機設(shè)計第一章內(nèi)燃機主要參數(shù)的選擇或：內(nèi)燃機設(shè)計的基本任務(wù)是在保證燃料經(jīng)濟性最佳并滿足其它基本要求前提下盡可能提高功率輸出。2012-2-1436內(nèi)燃機設(shè)計第一章一、平均有效壓力是標志內(nèi)燃機熱力循環(huán)進行的有效性及內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)合理性和制造完善性最重要的指標之一。其中，：充量系數(shù)，采用合理的進氣系統(tǒng)，減小流動阻力，優(yōu)化配氣機構(gòu)和配氣定時來提高它。 ：過量空氣系數(shù)，對于柴油機來說，改善混合氣形成可以降低它。：對于汽油機，可以通過提高壓縮比來提高它；對于柴油機來說，須改善燃燒來提高它。 ：降低摩擦損失（如減少環(huán)數(shù)、縮小曲軸軸頸等），合理配機可以提高它。：通過增壓、中冷來提高它。2012-2-1437內(nèi)燃機設(shè)計第一章平均有效壓力（續(xù)）機型車用汽油機車用增壓汽油機車用柴油機車用增壓柴油機強化增壓中冷柴油機（MPa）0.9～1.31.2～1.50.7～1.00.9～1.522012-2-1438內(nèi)燃機設(shè)計第一章二、活塞平均速度

是表征活塞式內(nèi)燃機工作強度最重要的參數(shù)之一，所以以它為參數(shù)進行機型分類:

高速機：>9m/s

中速機：=6～9m/s

低速機：<6m/s

對內(nèi)燃機性能、工作可靠性及壽命有很大關(guān)系。2012-2-1439內(nèi)燃機設(shè)計第一章1、對內(nèi)燃機性能的影響由前面的功率公式可知：↗→↗但進排氣阻力∝摩擦損失平均壓力∝所以，↗→↘因此，在提高的同時，應(yīng)改善進、排氣系統(tǒng)，減小活塞組的摩擦損失。2012-2-1440內(nèi)燃機設(shè)計第一章2、對內(nèi)燃機受力件機械應(yīng)力的影響因此，由慣性力引起的機械應(yīng)力近似與成正比。∝D3Sn2所以，∝2012-2-1441內(nèi)燃機設(shè)計第一章3、對內(nèi)燃機受熱件熱負荷的影響缸內(nèi)單位時間發(fā)熱量與燃料燃燒發(fā)熱量成正比：Q∝∝∝燃燒室表面積：所以，單位時間單位面積發(fā)熱量為∝

2012-2-1442內(nèi)燃機設(shè)計第一章4、對內(nèi)燃機摩擦磨損和壽命的影響氣體力產(chǎn)生的單位時間磨損：慣性力產(chǎn)生的單位時間磨損：所以，單位時間單位面積的磨損為：W1∝∝W2∝∝∝2012-2-1443內(nèi)燃機設(shè)計第一章4、對內(nèi)燃機摩擦磨損和壽命的影響因此，的提高會導(dǎo)致內(nèi)燃機壽命下降。應(yīng)慎重考慮。機型非增壓汽油機增壓汽油機非增壓柴油機增壓柴油機最大(m/s)181514122012-2-1444內(nèi)燃機設(shè)計第一章三、氣缸直徑和氣缸數(shù)Pe∝D2不難證明，在等參數(shù)不變的條件下，D的大小不影響機械應(yīng)力、機械變形和單位面積的熱負荷。但是，比質(zhì)量∝∝D氣缸容積比面積∝

∝1/D2012-2-1445內(nèi)燃機設(shè)計第一章氣缸直徑和氣缸數(shù)（續(xù)）所以，D↗→結(jié)構(gòu)笨重熱負荷增加經(jīng)濟性改善（柴油機）當Pe、pme

、、S/D和τ不變時

iD2=const.

于是，D∝S∝D∝2012-2-1446內(nèi)燃機設(shè)計第一章氣缸直徑和氣缸數(shù)（續(xù)）n∝1/S∝∝所以，可得出以下結(jié)論：↗→

D↘↘n↗↗∝∝∝2012-2-1447內(nèi)燃機設(shè)計第一章缸徑的取值范圍（mm）：機型D下限D(zhuǎn)正常范圍D上限汽油機無60～90100柴油機輕型車6080～1001000中型車100～120重型車120～1402012-2-1448內(nèi)燃機設(shè)計第一章 轎車用發(fā)動機缸數(shù)統(tǒng)計轎車類型總排量

（L）缸數(shù)普及型（低檔）1.22～4標準型（中檔）1.2～2.54豪華型（中、高檔）2.5～3.56超豪華型（高檔）3.58～12生產(chǎn)廠家往往采用擴缸進行改型設(shè)計。2012-2-1449內(nèi)燃機設(shè)計第一章氣缸直徑改變之后，要做如下必要的工作：計算氣缸工作容積。計算標定功率和標定轉(zhuǎn)速下的扭矩Me。估算最大扭矩Memax和對應(yīng)轉(zhuǎn)速。壓縮比驗算和調(diào)整、燃燒室重新設(shè)計。工作過程計算。重新選配活塞組零件，計算活塞組質(zhì)量。確定是否需要改變氣門直徑和氣門最大升程，是否需要重新設(shè)計凸輪型線。重新曲軸平衡分析、重新設(shè)計曲軸的平衡塊及布置。進行曲柄連桿機構(gòu)動力計算，計算活塞側(cè)向力、連桿力、切向力、徑向力和單缸扭矩，計算軸頸積累扭矩。連桿軸承表面壓力校核。曲軸系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動計算以確定是否要重新匹配減振措施。冷卻水流動和散熱能力計算分析。2012-2-1450內(nèi)燃機設(shè)計第一章四、行程缸徑比S/D和活塞行程S活塞式內(nèi)燃機的一個重要結(jié)構(gòu)參數(shù)即行程缸徑比（S/D），它對內(nèi)燃機的尺寸和質(zhì)量指標等有很大影響。1、S/D對升功率 的影響在不變時，S/D↘→n↗→↗若n受限于以外的其它因素，則以上推測不成立。2012-2-1451內(nèi)燃機設(shè)計第一章2、S/D對缸內(nèi)燃燒過程的影響S/D↘→燃燒室容積比↘燃燒難組織HC↗（汽油機）2012-2-1452內(nèi)燃機設(shè)計第一章3、S/D對散熱的影響其它條件相同時，S/D↘面容比↘所以，風冷發(fā)動機不宜采用短行程結(jié)構(gòu)。傳給冷卻系的熱量↘零件熱負荷↗

2012-2-1453內(nèi)燃機設(shè)計第一章4、S/D對發(fā)動機外形尺寸的影響對單列式多缸機宜采用較大的S/D，以便減小其長度。對于雙列式機，由于長度不存在問題，所以可用短行程結(jié)構(gòu)。S/D的統(tǒng)計：機型車用汽油機高速柴油機雙列機風冷機S/D0.9～1.11.0～1.2略小大些2012-2-1454內(nèi)燃機設(shè)計第一章要改變行程S，相應(yīng)在結(jié)構(gòu)上的必要改變和必要的計算包括：要重新設(shè)計曲軸，使曲軸的曲柄半徑r=S/2。要重新進行壓縮比計算和調(diào)整。重新設(shè)計缸套長度。計算氣缸工作容積。計算標定功率和標定轉(zhuǎn)速下的扭矩Me。估算最大扭矩Memax和對應(yīng)轉(zhuǎn)速。要重新進行曲柄連桿機構(gòu)動力計算、平衡計算?；钊骄俣群妥畲笏俣扔嬎?，確定活塞與缸套的摩擦情況。曲柄半徑改變，連桿比λ變化，要確定連桿長度是否合適，最大連桿擺角時桿身是否與缸套下沿相碰，活塞下止點時曲軸平衡塊是否與活塞裙部相干涉。一般情況下，如果活塞行程加大，連桿長度也要加大。要改變機體高度或者將曲軸中心上下移動。要進行工作過程計算等。此時曲軸軸頸的重疊度肯定要發(fā)生改變，尤其在加大沖程情況下，一定要利用有限元方法驗算曲軸的強度。扭轉(zhuǎn)振動計算分析，確定是否需要改變減震器結(jié)構(gòu)。2012-2-1455內(nèi)燃機設(shè)計第一章五、綜合評價參數(shù)※升功率：它表征內(nèi)燃機工作過程的強化和完善程度?！鶈挝换钊娣e功率：它可以表示內(nèi)燃機的熱負荷和機械負荷（一般把稱為內(nèi)燃機的強化系數(shù)）。其中，：活塞頂投影面積（cm2）2012-2-1456內(nèi)燃機設(shè)計第一章綜合評價參數(shù)（續(xù)）※比質(zhì)量：※升質(zhì)量：※比體積：※升體積：它表征內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)完善性。

其中，V：內(nèi)燃機外接立方體體積（m3）；

M：內(nèi)燃機凈質(zhì)量（kg）2012-2-1457內(nèi)燃機設(shè)計第一章比質(zhì)量統(tǒng)計值機型汽油機柴油機M0(kg/kw)1.2～1.33～6節(jié)末2012-2-1458內(nèi)燃機設(shè)計第一章第四節(jié)內(nèi)燃機開發(fā)的一般程序與方法發(fā)動機的設(shè)計和研制可以分為三類：

1、

在原有（現(xiàn)有）產(chǎn)品基礎(chǔ)上進行改進設(shè)計：如改進結(jié)構(gòu)提高工藝性、延長壽命；降低排放；改進燃燒系統(tǒng)提高經(jīng)濟性；改非增壓為增壓等

2、

在現(xiàn)有發(fā)動機基礎(chǔ)上，設(shè)計同一型式的系列化發(fā)動機（系列化設(shè)計）：如在四缸機的基礎(chǔ)上設(shè)計六缸機；在直列機的基礎(chǔ)上設(shè)計V型機；在車用發(fā)動機的基礎(chǔ)上設(shè)計工程機械用、發(fā)電用發(fā)動機等

3、

設(shè)計新型的發(fā)動機（開發(fā)新機型）2012-2-1459內(nèi)燃機設(shè)計第一章第四節(jié)內(nèi)燃機開發(fā)的一般程序與方法內(nèi)燃機的開發(fā)過程隨著機型、設(shè)計目的、生產(chǎn)規(guī)模的不同而不同。對于大批量生產(chǎn)的中、小功率內(nèi)燃機，新機型的開發(fā)一般可分為四個階段，即方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、樣機制造和調(diào)試、鑒定和投產(chǎn)等階段。方案設(shè)計技術(shù)設(shè)計樣機制造和調(diào)試鑒定和投產(chǎn)2012-2-1460內(nèi)燃機設(shè)計第一章一、方案設(shè)計階段（又稱概念設(shè)計）接受新產(chǎn)品設(shè)計試制任務(wù)調(diào)查研究和方案設(shè)計擬定技術(shù)任務(wù)書總體方案設(shè)計2012-2-1461內(nèi)燃機設(shè)計第一章方案設(shè)計階段此階段由下述環(huán)節(jié)組成：1.

確定任務(wù)

—

主要是根據(jù)市場需要和法規(guī)需要

(進行必要性、可行性論證)，這個環(huán)節(jié)應(yīng)該是企業(yè)產(chǎn)品規(guī)劃中確定的，有長期規(guī)劃，也有短期規(guī)劃。

新產(chǎn)品開發(fā)的必要性決定于市場對產(chǎn)品的要求。通過調(diào)研，明確新產(chǎn)品的主要用途、需求的緊迫程度、預(yù)計產(chǎn)量、發(fā)展系列產(chǎn)品的可能性、技術(shù)發(fā)展趨勢的適應(yīng)性等。新產(chǎn)品開發(fā)的可能性包括資金、技術(shù)力量、知識積累。生產(chǎn)條件和零部件專業(yè)廠的配套等。2012-2-1462內(nèi)燃機設(shè)計第一章方案設(shè)計階段2.

組織設(shè)計組—根據(jù)任務(wù)挑選合適人選

人員結(jié)構(gòu)合理

技術(shù)結(jié)構(gòu)合理3.

調(diào)查研究—

a訪問市場和用戶，征求對產(chǎn)品的要求

b了解制造廠的工藝條件、設(shè)備能力以及配件供應(yīng)情況

c收集同類先進產(chǎn)品的資料，考察同類產(chǎn)品

d確定參考樣機2012-2-1463內(nèi)燃機設(shè)計第一章方案設(shè)計階段4.確定基本性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式（概念設(shè)計階段）。主要是通過:

同類型機型對比、熱力學(xué)計算、動力學(xué)計算和整機一維模型仿真分析。5．擬訂設(shè)計任務(wù)書①說明產(chǎn)品的原因、用途、適用范圍等②說明內(nèi)燃機的主要設(shè)計參數(shù)和要達到的技術(shù)指標如：a.型式（汽或柴）、氣門數(shù)、直立或臥式

b.沖程數(shù)（4或2）、缸徑D、沖程Sc.冷卻方式（水或風）2012-2-1464內(nèi)燃機設(shè)計第一章方案設(shè)計階段（續(xù)）

d.汽缸排列方式（直列、V型）

e.功率Ne、轉(zhuǎn)速n、扭矩Mf.燃油消耗率ge(克/千瓦.小時)g.機油消耗率gm(克/千瓦.小時)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—與用途有關(guān)（大車、小車、固定）

j.排污指標（噪聲、廢氣）

k.平均有效壓力pmel.活塞平均速度Cm③.主要結(jié)構(gòu)說明燃燒室、零部件（活塞連桿、曲軸飛輪、機體缸蓋、配氣機構(gòu)、供油潤滑、冷卻、起動……）④.產(chǎn)品系列化和變型、強化的可能性2012-2-1465內(nèi)燃機設(shè)計第一章方案設(shè)計階段（續(xù)）新機型應(yīng)達到的技術(shù)水平反映在所確定的技術(shù)經(jīng)濟指標上。由于開發(fā)過程長達3～5年，方案論證應(yīng)有一定的超前預(yù)見性。確定經(jīng)濟技術(shù)指標時應(yīng)考慮先進性和合理性，既有重點又有綜合平衡。對于多方案的選擇，可進行性能/效益比的評價，可采用評價矩陣法。方案設(shè)計是很重要的決策性工作，對產(chǎn)品開發(fā)成功與否有決定性影響。方案設(shè)計的結(jié)果是總布置草圖、技術(shù)任務(wù)書，它們作為開發(fā)和鑒定的依據(jù)。2012-2-1466內(nèi)燃機設(shè)計第一章二、技術(shù)設(shè)計階段主要零部件初步設(shè)計單缸試驗機設(shè)計主要零部件試驗研究單缸試驗機研究整機施工設(shè)計樣機試制總體方案設(shè)計2012-2-1467內(nèi)燃機設(shè)計第一章技術(shù)設(shè)計階段（續(xù)）技術(shù)設(shè)計階段對選定的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行細化，最終確定內(nèi)燃機的總布置設(shè)計、所有零部件的設(shè)計以及附件的選配，完成全套圖樣和設(shè)計說明書、計算書等技術(shù)文件。技術(shù)設(shè)計工作包括各種圖紙的繪制、各種分析和計算（動力計算、熱計算、模態(tài)計算等），各種先期試驗（包括單缸機試驗）。技術(shù)設(shè)計工作應(yīng)與各種工藝人員（鑄、鍛、焊、熱處理、機加工等）密切合作，改善零件的工藝性。2012-2-1468內(nèi)燃機設(shè)計第一章1.內(nèi)燃機總布置設(shè)計，確定主要零部件的允許運動尺寸、結(jié)構(gòu)方案.三維實體造型和虛擬裝配、外形圖。2012-2-1469內(nèi)燃機設(shè)計第一章

2.按照企業(yè)標準編制零部件圖紙目錄。

3.部件三維圖細致設(shè)計、零部件工作圖、縱橫剖面圖。2012-2-1470內(nèi)燃機設(shè)計第一章桑塔納1.6升轎車汽油機2012-2-1471內(nèi)燃機設(shè)計第一章

Audi轎車汽油機2012-2-1472內(nèi)燃機設(shè)計第一章平分式鑄鐵機體整體氣缸汽油機6110柴油機2012-2-1473內(nèi)燃機設(shè)計第一章龍門式機體輕型柴油機2012-2-1474內(nèi)燃機設(shè)計第一章圖1?8奔馳增壓汽油機2012-2-1475內(nèi)燃機設(shè)計第一章2012-2-1476內(nèi)燃機設(shè)計第一章采用雙軸平衡機構(gòu)的1.8L奧迪FSI發(fā)動機橫剖面2012-2-1477內(nèi)燃機設(shè)計第一章大眾V10TDI柴油機橫剖面2012-2-1478內(nèi)燃機設(shè)計第一章三、樣機制造和調(diào)試階段樣機試制樣機性能試驗樣機可靠性、耐久性試驗實驗場配套試驗擴大用戶試驗整機施工設(shè)計單缸試驗機研究主要零部件試驗研究樣機鑒定2012-2-1479內(nèi)燃機設(shè)計第一章樣機制造和調(diào)試階段（續(xù)）樣機制造是為了進行整機性能調(diào)試以達到預(yù)期的性能指標?，F(xiàn)代快速成型制造技術(shù)為樣機制造提供了更快更便捷的途徑。調(diào)試包括參數(shù)調(diào)整和零件修改，以尋求整機最佳效果。隨后是零部件可靠性專項試驗，以及整機的可靠性試驗。臺架試驗后還要進行使用試驗（如車用內(nèi)燃機的道路試驗等）。2012-2-1480內(nèi)燃機設(shè)計第一章三、檢驗階段1.

試制多缸機樣機2.

多缸機試驗（磨合、調(diào)整、性能試驗、耐久試驗、可靠性試驗、配套試驗和擴大用戶試驗）3.

改進與處理階段a.樣機鑒定.b.小批量生產(chǎn)4.

內(nèi)燃機設(shè)計的“三化”a.

產(chǎn)品系列化：基本尺寸相同，不同的排列、缸數(shù)、增壓度，達到提高Peb.

零部件通用化：同一系列的主要零件能夠通用。c.

零件設(shè)計標準化：按照國標、部標或企標設(shè)計“三化”可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量、減少設(shè)計成本、組織專業(yè)化生產(chǎn)、提高勞動生產(chǎn)率、便于使用、維修和配件供應(yīng)2012-2-1481內(nèi)燃機設(shè)計第一章四、鑒定和投產(chǎn)階段樣機鑒定擴大用戶試驗小批生產(chǎn)工藝考核成批生產(chǎn)2012-2-1482內(nèi)燃機設(shè)計第一章鑒定和投產(chǎn)階段（續(xù)）樣機通過各項試驗并達到技術(shù)任務(wù)書的要求后，應(yīng)按國家有關(guān)標準和行業(yè)管理規(guī)程進行新產(chǎn)品定型鑒定。鑒定小批量試產(chǎn)大批生產(chǎn)可靠性抽檢可靠性抽檢可靠性抽檢是指抽取產(chǎn)品進行全速、全負荷可靠性試驗（汽油機100小時，柴油機250小時）。2012-2-1483內(nèi)燃機設(shè)計第一章鑒定和投產(chǎn)階段（續(xù)）鑒定時設(shè)計和試制單位要提供下列文件：設(shè)計任務(wù)書內(nèi)燃機研發(fā)試制總結(jié)內(nèi)燃機動力性、經(jīng)濟性、耐久性、排放特性、噪聲水平等性能試驗報告內(nèi)燃機生產(chǎn)產(chǎn)量成本盈虧分析零部件標準審查報告市場需求預(yù)測分析用戶使用報告節(jié)末2012-2-1484內(nèi)燃機設(shè)計第一章第五節(jié)現(xiàn)代設(shè)計理論與方法的應(yīng)用內(nèi)燃機由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和工作過程的非定常性，傳統(tǒng)的研究工作大多為試驗研究，設(shè)計工作主要為經(jīng)驗設(shè)計。所以新產(chǎn)品開發(fā)費時、費力、費錢。由于計算技術(shù)及計算手段的不斷進步，使各種數(shù)學(xué)、力學(xué)方法不斷應(yīng)用到內(nèi)燃機產(chǎn)品設(shè)計中來。2012-2-1485內(nèi)燃機設(shè)計第一章一、計算機輔助設(shè)計的應(yīng)用

（CADComputeraideddesign）狹義CAD：產(chǎn)品圖紙電子化廣義CAD：產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理與管理設(shè)計方法模擬（專家數(shù)據(jù)庫、推理機等）結(jié)構(gòu)分析仿真分析計算1、２圖紙繪制與存儲

2012-2-1486內(nèi)燃機設(shè)計第一章計算機輔助設(shè)計的流程設(shè)計目標（總體設(shè)計要求）工程數(shù)據(jù)庫（標準、規(guī)范、內(nèi)燃機性能、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、材料性能數(shù)據(jù)、試驗資料數(shù)據(jù)）設(shè)計經(jīng)驗交互設(shè)計初步方案計算分析優(yōu)化分析有限元分析疲勞強度分析常規(guī)計算分析可靠性分析經(jīng)濟分析動態(tài)仿真模擬繪制工程圖、編制文檔資料圖庫制造、使用信息反饋綜合評價2012-2-1487內(nèi)燃機設(shè)計第一章二、有限元方法（FEMFiniteelementmethod）的應(yīng)用有限元方法實際上是一種數(shù)值計算方法。它通過網(wǎng)格劃分，將無法求解的方程（組）數(shù)值化而求得數(shù)值解?，F(xiàn)代三維FEM已有很多種實用軟件可以利用，可以計算復(fù)雜零件在機械負荷和熱負荷作用下的溫度、熱流、變形、應(yīng)力、振型等參量，可以校核活塞、連桿、曲軸、機體、氣缸蓋等內(nèi)燃機主要零件的溫度、剛度、強度和振動是否在允許的范圍內(nèi)。2012-2-1488內(nèi)燃機設(shè)計第一章有限元方法（續(xù)）現(xiàn)在FEM尚需努力的領(lǐng)域有：※非線性問題※彈塑性問題※接觸問題※流體計算問題2012-2-1489內(nèi)燃機設(shè)計第一章三、優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用內(nèi)燃機優(yōu)化設(shè)計是將工程設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問題。優(yōu)化設(shè)計內(nèi)容：建模確定設(shè)計變量建立優(yōu)化目標函數(shù)和約束方程選擇優(yōu)化方法2012-2-1490內(nèi)燃機設(shè)計第一章優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用①確定目標函數(shù)目標函數(shù)即優(yōu)化設(shè)計所追求的目標。設(shè)計任務(wù)不同，目標函數(shù)也不同。最優(yōu)方案就是使目標函數(shù)達到最小值或最大值的一個方案。②確定設(shè)計變量一個設(shè)計方案通常包含兩種設(shè)計參數(shù)，一種是根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求所確定的設(shè)計常量；另一種是需要經(jīng)過優(yōu)化計算確定的設(shè)計變量。優(yōu)化設(shè)計就是調(diào)整設(shè)計變量，以得到最優(yōu)設(shè)計方案③確定約束條件約束條件就是設(shè)計過程中應(yīng)遵守的、應(yīng)予以滿足的條件（要求）。約束條件可分為：反映設(shè)計性能或狀態(tài)要求的性能約束（包括等式約束和不等式約束）；反映設(shè)計變量許可變化范圍的界限約束。兩者都是設(shè)計變量的函數(shù)，優(yōu)化設(shè)計的核心問題就是如何建立約束方程，這也是優(yōu)化設(shè)計的難點所在。2012-2-1491內(nèi)燃機設(shè)計第一章優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用選擇優(yōu)化計算方法并編程計算。選擇優(yōu)化方法應(yīng)依據(jù)問題的性質(zhì)。目前優(yōu)化設(shè)計方法已在工作過程、零部件設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計、配氣機構(gòu)設(shè)計、增壓配合運行等多個方面得到應(yīng)用。2012-2-1492內(nèi)燃機設(shè)計第一章應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計方法應(yīng)注意的問題：估計尋優(yōu)的必要性和可能性多方案比較應(yīng)全面、認真、仔細尋優(yōu)即決策，決策要依靠人的判斷和人對問題本身的認識2012-2-1493內(nèi)燃機設(shè)計第一章四、可靠性設(shè)計的應(yīng)用可靠性指系統(tǒng)或產(chǎn)品在規(guī)定時間內(nèi)、在規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的能力；可靠性設(shè)計方法即是從正常使用壽命出發(fā)進行設(shè)計的方法，用概率統(tǒng)計理論分析結(jié)構(gòu)問題、設(shè)計結(jié)構(gòu)。應(yīng)用可靠性理論知識，可將系統(tǒng)或產(chǎn)品的可靠程度由一般的定性分析提高到定量分析，從可靠性角度對產(chǎn)品進行設(shè)計，并預(yù)測其可靠度。2012-2-1494內(nèi)燃機設(shè)計第一章四、可靠性設(shè)計的應(yīng)用機械零件可靠性設(shè)計是比傳統(tǒng)的安全系數(shù)方法更科學(xué)、更合理、更實用的一種現(xiàn)代設(shè)計理論和方法。實際零件由于負荷、加工尺寸、材料強度等都是隨機變量，同樣的安全系數(shù)，失效概率可能相差很多。在可靠性設(shè)計中，將負荷、材料強度和結(jié)構(gòu)幾何尺寸都看作離散變量，假定它們遵循某一分布規(guī)律。通過計算出零件應(yīng)力與材料強度的離散分布，建立應(yīng)力強度干涉模型，求出零件失效概率F和可靠度R=1-F。設(shè)計時，以零件可靠度不低于規(guī)定值作為結(jié)構(gòu)安全的判據(jù)。但可靠性設(shè)計需要有符合實際的各種概率數(shù)據(jù)，包括所用材料及其熱處理等的強度概率分布，這需要不斷積累。本節(jié)結(jié)束2012-2-1495內(nèi)燃機設(shè)計第一章第六節(jié)內(nèi)燃機新技術(shù)概要一、多氣門可變進氣系統(tǒng)二、電子控制燃油噴射技術(shù)三、電控點火和爆燃控制四、電控ＥＧＲ技術(shù)五、增壓技術(shù)六、新型燃燒技術(shù)七、代用燃料與排氣凈化技術(shù)2012-2-1496內(nèi)燃機設(shè)計第一章一、多氣門可變進氣系統(tǒng)

提高充氣效率是提高發(fā)動機動力性能的重要措施。除了增壓以外，合理選擇配氣相位且能隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速不同而變化，以及利用進氣的慣性及諧振效應(yīng)是提高充氣效率的重要途徑。

多氣門：可增加充氣系數(shù)，火花塞或噴油器好布置?？勺冞M氣系統(tǒng)：進氣管長度、氣門升程、配氣定時、進氣渦流等可變。2012-2-1497內(nèi)燃機設(shè)計第一章二、電子控制燃油噴射技術(shù)

在改進發(fā)動機的性能方面，電控系統(tǒng)有許多優(yōu)點。以下是常規(guī)機械調(diào)節(jié)方式所達不到的，可歸納為：（1）燃油經(jīng)濟性好1）空燃比控制精確，可得到更合乎理想的混合氣。2）各缸的空燃比均勻。3）可提供更合乎理想的點火時刻與點火能量。4）燃油的霧化與汽化質(zhì)量高。5）可采用如部分負荷時停缸運行、減速燃油停供等措施。2012-2-1498內(nèi)燃機設(shè)計第一章電子控制燃油噴射技術(shù)（2）功率輸出高1）進氣密度提高。2）進氣管設(shè)計優(yōu)化。3）可以采用可變頻率的進氣諧振控制，使整個外特性上的轉(zhuǎn)矩均有所增加。（3）降低排放1）空燃比控制精確。2）可采用閉環(huán)控制與三效催化轉(zhuǎn)換器。3）可根據(jù)需要采用專門的排放控制措施，如EGR、燃油蒸發(fā)凈化、二次空氣噴射等。4）冷起動、暖機及冷車起步時排放控制好。2012-2-1499內(nèi)燃機設(shè)計第一章電子控制燃油噴射技術(shù)（4）節(jié)氣門反應(yīng)快捷、及時1）在過渡工況下對空燃比與點火的控制能及時反應(yīng)，且能對節(jié)氣門快速變化時的充氣量滯后等