《發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)總論》PPT課件

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1、車輛工程系,汽 車 發(fā)動(dòng)機(jī) 設(shè) 計(jì),主講：畢玉華,車輛工程系,汽車的發(fā)展與發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)步有著直接的聯(lián)系。,發(fā)動(dòng)機(jī)汽車的“心臟”,車輛工程系,概念設(shè)計(jì)（CAD和CAE、數(shù)據(jù)庫支持平臺） 詳細(xì)設(shè)計(jì)（產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝并行） CAE計(jì)算（CAD和CAE、數(shù)據(jù)庫支持平臺） 樣件制造和采購 樣機(jī)裝配 燃燒開發(fā) 機(jī)械開發(fā)和試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)與CAE計(jì)算 發(fā)動(dòng)機(jī)臺架完整試驗(yàn)標(biāo)定 零部件功能試驗(yàn) 發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)驗(yàn)證 車輛和動(dòng)力總成匹配和標(biāo)定 批量生產(chǎn)產(chǎn)品技術(shù)支持 電控柴油機(jī)售后服務(wù)產(chǎn)品技術(shù)支持,概念設(shè)計(jì),詳細(xì)設(shè)計(jì)、CAE,總體布置,樣機(jī)制造和采購,發(fā)動(dòng)機(jī)臺架開發(fā),車輛匹配和標(biāo)定,批量生產(chǎn),歐4、歐5先進(jìn)電控柴油機(jī)開發(fā)

2、流程,開發(fā)流程,CAE分析計(jì)算集成到產(chǎn)品開發(fā),結(jié)構(gòu)力學(xué)分析（有限元） 非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算 （多體動(dòng)力學(xué)方法） 聲學(xué)計(jì)算 熱力學(xué)分析 熱傳導(dǎo)分析 流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算（CFD） 發(fā)動(dòng)機(jī) / 整車匹配性能分析 材料力學(xué)計(jì)算,,,,,,,,,車輛工程系,第三篇 發(fā)動(dòng)機(jī)總體及主要零部件的設(shè)計(jì)（31課時(shí)） 第七章 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)總論 第八章 發(fā)動(dòng)機(jī)材科 第九章 發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷,目 錄,車輛工程系,第七章 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì),足夠的功率 能在較寬的轉(zhuǎn)速與負(fù)荷范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn) 燃料和機(jī)油消耗少 體積小、重量輕 工作可靠，壽命長 對環(huán)境的污染少，振動(dòng)及噪聲小 能適應(yīng)多種使用條件，制造成本低，維修方便。,車輛工程系,,,

3、車輛工程系,7.1.1 對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的要求,車輛工程系,,,車輛工程系,發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)有足夠的功率 良好的扭矩特性 一定扭矩適應(yīng)性系數(shù)和轉(zhuǎn)速適應(yīng)性系數(shù) 發(fā)動(dòng)機(jī)能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速范圍 保證汽車的動(dòng)力性(車速和牽引力)、加速性和克服突然增大的行駛阻力的能力，并應(yīng)能迅速從怠速變換到全速全負(fù)荷。,車輛工程系,,,車輛工程系,燃料經(jīng)濟(jì)性,汽車方面 （1）汽車的設(shè)計(jì)情況(輪胎、車身、傳動(dòng)系等) （2）保養(yǎng)情況、道路質(zhì)量、 （3）常用車速與載荷、空車率 （4）駕駛方法,車輛工程系,燃料經(jīng)濟(jì)性,發(fā)動(dòng)機(jī)方面 （1）在發(fā)動(dòng)機(jī)功率和前述種種汽車情況及使用情況相同的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性上的最低耗油率越

4、低，同時(shí)低耗油率工況區(qū)域又越寬闊則汽車的使用油耗越低。 （2）對同一汽車傳動(dòng)系來說，用較大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)可以得到較高的最高車速。,車輛工程系,結(jié)構(gòu)緊湊性,車輛工程系,結(jié)構(gòu)緊湊性,前置發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車,車輛工程系,可靠性,發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性 指在設(shè)計(jì)規(guī)定的使用條件下能夠持續(xù)工作，不致因故障而影響正常運(yùn)行的能力。 在保證期內(nèi)不發(fā)生故障的主要零部件 缸體、缸蓋、曲軸、連桿、軸瓦、活塞、活塞銷、活塞環(huán)、凸輪鈾、氣門、氣門彈簧等件的斷或裂，以及影響噴油泵和增壓器功能,車輛工程系,耐久性或使用壽命,發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性或使用壽命 指發(fā)動(dòng)機(jī)從開始使用到第一次大修之前累計(jì)運(yùn)行的里程數(shù)或小時(shí)數(shù)，也就是發(fā)動(dòng)機(jī)的大修期。

5、 決定于氣缸筒和曲軸的磨損速率，一旦磨損量大與一定程度，使得氣缸壓縮壓力、漏氣舉和機(jī)油消耗率達(dá)到不能接受的水平。,車輛工程系,排放量,定義 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的有害排放物有co，Hc，No，Pb，碳煙和微粒。Pb是汽油機(jī)使用含Pb汽油時(shí)排放的，碳煙和微粒是柴油機(jī)排放的。實(shí)際上，微粒指的是排氣中的固態(tài)及液態(tài)濾出物，其中包含了碳煙。 措施 自1970年以來各國先后以法令限制汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的有害排放量，這對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生了很大的影響，因?yàn)楸匦璨扇《喾N措施降低有害排放量，同時(shí)又要補(bǔ)償由此引起的功率和油耗損失。正是限制排放的嚴(yán)格規(guī)定促進(jìn)了近年來電子控制汽油噴射與點(diǎn)火、三元催化轉(zhuǎn)化、廢氣再循環(huán)等技術(shù)的發(fā)

6、展。,車輛工程系,噪聲要求,要求 噪聲對人身也有害。因此各發(fā)達(dá)國家對各類汽車的加速行駛噪聲均有法規(guī)限制，力逐年加嚴(yán)。 例如歐共體1970年對各類汽車加速行駛噪聲的限制為829ldB(分貝)。1985年為7580dB，我國日前規(guī)定1985年以后生產(chǎn)的車輛加速噪聲不超過8289dB（轎車取下限，8噸以上貨車取廣限)。,車輛工程系,噪聲要求,發(fā)動(dòng)機(jī)中引起機(jī)件振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲的來源 有缸內(nèi)氣體燃燒過程中的壓力升高 進(jìn)排氣管系中氣流的脈動(dòng) 冷卻風(fēng)扇鼓風(fēng) 在曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械撞擊等等。,車輛工程系,噪聲要求,措施 要降低汽車噪聲： 一靠適當(dāng)?shù)钠帘危?二靠降低動(dòng)力傳動(dòng)系的噪聲

7、其中主要是發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。,車輛工程系,使用方便性,（1）起動(dòng)性能 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)有良好的起動(dòng)性能，通常要求汽油機(jī)在10、柴油機(jī)在一5的氣溫條件下，不采用特殊的低溫起動(dòng)措施就能迅速可靠地起動(dòng)，在更低溫度下利用輔助裝置也能順利起動(dòng)。 （2）安裝性能 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)便于安裝、操縱和維修。 （3）應(yīng)不同的地理和氣候條件,車輛工程系,制造成本和產(chǎn)品系列化,制造成本方面與其重量、零部件數(shù)目、所用材料、附件等等有關(guān)， 另一方面又與其生產(chǎn)批量、制造工藝等有關(guān)。 一般說來只有在大批量生產(chǎn)的條件下成本才能顯著降低，因此發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的系列化和零部件的通用化就有了重要意義。,車輛工程系,發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo),技術(shù)參數(shù) 與

8、發(fā)動(dòng)機(jī)的使用直接有關(guān)的參數(shù) (如功率、轉(zhuǎn)速、重量、外形尺寸等) 評價(jià)指標(biāo) 比較不同發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化程度和設(shè)計(jì)水平的參數(shù) (如平均有效壓力、活塞平均速度、升功率、比重量、功率密度等),車輛工程系,額定功率和升功率,（1）額定功率 發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率與環(huán)境空氣狀態(tài)(壓力、溫度、濕度)以及臺架試驗(yàn)時(shí)所帶附件的多少有關(guān)。 實(shí)測有效功率 根據(jù)臺架試驗(yàn)實(shí)測的扭距和曲軸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)計(jì)算出來的實(shí)際環(huán)境空氣狀態(tài)下的有效功率叫做實(shí)測有效功率； 校正有效功率 按主管部門頒行的標(biāo)淮方法對實(shí)測有效功率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)修正所得出的功率是校正有效功率；,車輛工程系,額定功率和升功率,（1）額定功率 發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率與

9、環(huán)境空氣狀態(tài)(壓力、溫度、濕度)以及臺架試驗(yàn)時(shí)所帶附件的多少有關(guān)。 凈功率 發(fā)動(dòng)機(jī)帶上全部附件(包括空氣濾清器，汽車排氣系，水冷卻系的節(jié)溫器、散熱器、風(fēng)扇和護(hù)風(fēng)圈，發(fā)電機(jī)、調(diào)節(jié)器和蓄電池(柴油機(jī)可不帶，曲軸箱通風(fēng)裝置，催化轉(zhuǎn)化器等)時(shí)的校正有效功率叫做凈功率； 總功率 而在不帶催化轉(zhuǎn)化器，并以試驗(yàn)室排氣系代替汽車排氣系以試驗(yàn)室冷卻系代替水冷發(fā)動(dòng)機(jī)自身冷卻系，空氣濾清器也可帶可不帶的條件下的校正有效功率叫做總功率。,車輛工程系,額定功率和升功率,（3）最大扭矩 最大扭矩是在總功率試驗(yàn)條件下得出的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性上扭矩最大點(diǎn)的扭矩，扭矩最大點(diǎn)的轉(zhuǎn)速通常是給一個(gè)范圍。 （4）額定轉(zhuǎn)速 車用汽油機(jī)的額

10、定轉(zhuǎn)速一般就規(guī)定在批量產(chǎn)品最大功率轉(zhuǎn)速分散范圍的下限。 確定柴油機(jī)的n就需要權(quán)衡動(dòng)力性與燃料經(jīng)濟(jì)性、可靠性的矛盾。,車輛工程系,,車輛工程系,,車輛工程系,,車輛工程系,平均有效壓力,Pe是一個(gè)工作循環(huán)中單位工作容積的有效功，它決定于一個(gè)工作循環(huán)中在單位工作容積里放出的熱能和熱能的有效利用率，,車輛工程系,平均有效壓力,,車輛工程系,平均有效壓力,車輛工程系,活塞平均速度,車輛工程系,活塞平均速度,Cm和Pen共同決定發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷。 Cm的提高還會使摩擦損失增大 活塞環(huán)缸套套的磨損加劇 噪聲升級。,車輛工程系,汽油機(jī)與柴油機(jī)提高Cm的措施,對于汽油機(jī) Cm受進(jìn)氣系設(shè)計(jì)的限制。 汽油機(jī)的1

11、216m/S 對汽車柴油機(jī) Cm的選擇則要考慮混合氣形成與燃燒方面的限制。并結(jié)合具體用途，在追求高升功率指標(biāo)，還是追求低油耗和長壽命指標(biāo)之間作出適當(dāng)?shù)恼壑浴?汽車柴油機(jī)的Cm多為1013m/S,車輛工程系,單位活塞面積功率和強(qiáng)化系數(shù),（1）單位活塞面積功率 （2）強(qiáng)化系數(shù) 在有些文獻(xiàn)里把PEnCm叫做發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化系數(shù)。,車輛工程系,,車輛工程系,發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式,汽油機(jī)和柴油機(jī) 汽油機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是升功率高、比重量小、功率密度高，還具有低溫起動(dòng)性能好、工作柔和、噪聲小、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。 柴油機(jī)相對汽油機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)則是： （1）燃料經(jīng)濟(jì)性好，不僅最低耗油率比般汽油機(jī)低1525，而且萬有持

12、性上的低油耗區(qū)寬闊，因此柴油車的使用油耗只是一般汽油車的三分之二左右； （2）柴油機(jī)的可靠性相耐久性高于汽油機(jī)，發(fā)生故障較少，大部分零件的使用壽命高于汽油機(jī)的相應(yīng)零件； （3）柴油機(jī)可以采用較大的缸徑或采用較高的增壓比來提高單缸功率而汽油機(jī)的增壓比和缸徑的加大則受到容易發(fā)生爆震的限制。,車輛工程系,發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式,汽油機(jī)和柴油機(jī) 鑒于上述技術(shù)持性相我國近年來的燃料生產(chǎn)及分配情況以下的原則： （1）載重5噸以上的貨車全部用柴油機(jī)； （2）載重2噸以下的輕型車全部用汽油機(jī)； （3）在中型車輛中，凡使用率高、低油耗帶來的經(jīng)濟(jì)效益大的車輛，如長途客車和貨車、城市公共汽車、農(nóng)用運(yùn)輸車等要用柴油機(jī)

13、；其它社會車輛用汽油機(jī)。,車輛工程系,發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式,二沖程機(jī)和四沖程機(jī) 目前汽車用的二沖程機(jī)產(chǎn)品很少，但近年來不斷有一些研制報(bào)導(dǎo)，并預(yù)測今后車用二沖程機(jī)有發(fā)展可能包括汽油噴射的二沖程汽油機(jī)，其燃料經(jīng)濟(jì)性會有提高。 摩托車因使用率低，對比重和制造成本的重視勝過燃料經(jīng)濟(jì)性要求，所以至大量使用著的二沖程汽油機(jī)。,車輛工程系,發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻方式,風(fēng)冷機(jī)的主要缺點(diǎn)有： 由于機(jī)體無水套減振，風(fēng)扇和導(dǎo)風(fēng)罩的振動(dòng)又大，故風(fēng)冷機(jī)噪聲較大； 風(fēng)冷機(jī)風(fēng)扇消耗功率比水冷機(jī)的風(fēng)扇、水泵消耗的功率大些，前者約占發(fā)動(dòng)機(jī)功率的68，后者約占45； 風(fēng)冷機(jī)零件的熱負(fù)荷較高，使平均有效壓力的提高受限制，般要比其它條件相同的

14、水冷機(jī)低5左有；同時(shí)也限制了風(fēng)冷機(jī)的缸徑(不大于150mm)和增壓比； 由于采用大量鋁合金件、單體氣缸簡和風(fēng)扇一風(fēng)道系統(tǒng)，風(fēng)冷機(jī)成本較高； 因機(jī)油溫度較高，時(shí)機(jī)油質(zhì)量的要求提高，機(jī)油消耗率也較局； 由于溫度波動(dòng)較大和熱能儲存較少，汽車采暖成問題。,車輛工程系,發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻方式,風(fēng)冷機(jī)的主要缺點(diǎn)有： 不需要水和防凍液，不存在漏水、積水垢、沸騰、結(jié)冰等問題們且適用于缺水地區(qū)； 機(jī)體溫度較高，對環(huán)境溫度的變化不敏感，能在一50至60高溫工作； 由于缸壁溫度較高，對燃料質(zhì)量(包括含硫量)也不敏感； 起動(dòng)后暖車時(shí)間短，有利于減輕缸筒磨損和Hc排放； 缸蓋和缸筒是單體結(jié)構(gòu)，對同系列不向缸數(shù)的發(fā)動(dòng)

15、機(jī)都一樣， 受槍炮彈片的傷害小。,車輛工程系,發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻方式,現(xiàn)有的四缸以上的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大多數(shù)是水冷發(fā)動(dòng)機(jī)，主要是考慮到價(jià)格、溫度。 在沙漠和氣候條件惡劣地區(qū)行駛的汽車以及軍用汽車宜采用風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)。 摩托車普遍采用小型單缸或雙缸風(fēng)冷機(jī)(用迎面風(fēng)冷卻)，取其簡單相輕巧。,車輛工程系,發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻方式,“無冷卻”方案 只向活塞內(nèi)壁噴射機(jī)油，對噴油器體也安排油流冷卻。燃燒室表面(活塞頂面、缸蓋底面、氣門頭表畫和缸簡壁面)覆蓋陶瓷涂層，或用整塊陶瓷制成缸蓋底板和活塞頂。由于不強(qiáng)制冷卻缸蓋、缸體，以及由于陶瓷材料的導(dǎo)熱性差，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻損失減少，而增多了的排氣熱能則通過廢氣渦輪增壓或再加動(dòng)力渦輪回

16、收部分。 油冷方案 在氣缸筒靠近缸蓋的一段的周圍油冷卻，其高度只比活塞頭部高度略大一些；在缸蓋中排氣門和噴油器之間的最熱區(qū)也開有冷卻油道；還有鑄鐵的鉸接式活塞的內(nèi)壁噴機(jī)油冷卻；機(jī)體的其它部分都受強(qiáng)制冷卻。由于只冷卻最熱區(qū)，機(jī)件的溫度水平較高，但各處的溫差卻較小，熱應(yīng)力得到控制。這種油冷的增壓柴油機(jī)也具有燃料消耗率較低、能適應(yīng)多種燃料、以及取消水冷卻系所帶來的一系列好處(體積小、允許改善車身流線型、減少使用故障等等)。,車輛工程系,增壓與自然吸氣,（1）增壓的意義 （2）增壓的機(jī)型范圍,車輛工程系,缸數(shù)與氣缸排列方式,選擇缸數(shù) 給定的Ne和n，可能達(dá)到的Pe和Cm，對外形尺寸的限制，允許的

17、振級和成本。 現(xiàn)有各種汽車發(fā)動(dòng)機(jī)最常見的缸數(shù)是4、6、8、12，也有2和3(微型、輕型車)，5和10(中型車)和16(重型車)。 功率25kW以下二、三、四缸的都有 功率為2575kw的幾乎全是四缸機(jī) 功率7550kW的有五缸機(jī)和六缸機(jī) 功率150一200kW，有六缸機(jī)和八缸機(jī)，六缸的居多； 200一250kw的有六、八和十缸機(jī)，八缸的居多； 250kw以上有八、十和十二缸機(jī)。,車輛工程系,缸數(shù)與氣缸排列方式,車輛工程系,汽油機(jī)的燃燒室型式與氣門數(shù)目,車輛工程系,柴油機(jī)的燃燒室型式,汽車柴油機(jī)有用分隔燃燒室的，也有用直噴燃燒室的。 分隔燃燒室多為渦流室，較少預(yù)燃室 直噴室大多是形的。,車輛工

18、程系,發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù),行程缸徑比,車輛工程系,發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù),行程缸徑比,車輛工程系,發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù),行程缸徑比,車輛工程系,發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù),行程缸徑比,車輛工程系,發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù),從提高升功率、降低發(fā)動(dòng)機(jī)高度、減小V型機(jī)寬度、提高曲軸的強(qiáng)度和剛度考慮，宜取較小的SD； 而從改善熱效率、減小軸承慣性力載荷、縮短單列式發(fā)動(dòng)機(jī)長度相減小比重量考慮，則取較大的SD值。 目前車用汽油機(jī)的SD值多數(shù)在090105之間， 車用柴油機(jī)的SD值多數(shù)在10一12之間。V型機(jī)的SD值一般要比單列式機(jī)略小些。,車輛工程系,發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù),氣缸數(shù)、氣缸工作客積、缸徑和活塞行程,車輛工程系,發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù),氣缸中心距,車輛工程系,結(jié)束,