《内燃机学 第5版》 课件 第11章 内燃机的概念设计

第十一章第一节内燃机的设计要求

使用性能要求经济性要求环保性要求内燃机功率转速范围、转矩特性等动力性参数应满足汽车和其他工作机械的使用要求。外形安装方面的使用要求。整机重量和尺寸的使用要求。1、使用性要求

2、经济性要求燃料经济性的要求。制造经济性的要求可靠和耐久性要求维修方便性要求内燃机的排放应满足法规要求。振动噪音水平应满足法规要求。制造过程的环保性要求。报废销毁过程的环保性要求。3、环境性要求动力性←→经济性之间的矛盾经济性←→排放性之间的矛盾成本←→动力经济性和可靠性之间的矛盾……4、性能要求的折中第二节内燃机类型的选择

燃料的选择冲程数的选择冷却方式的选择气缸数和气缸布置的选择进气状态的选择1、燃料的选择汽油与柴油理化特性对比汽油柴油沸点低高燃点高低挥发性好差低热值相当相当混合气热值相当相当1、燃料的选择汽油机与柴油机的性能对比汽油机柴油机着火方式点燃压燃功率调节变量变质压缩比低高燃油经济性差好最高爆发压力低高振动噪声水平低高排放控制较易难单机功率可以很小可以很高2、冲程数的选择

二冲程机小功率轻便汽油机低速船用机四冲程内燃机转子发动机？3、冷却方式的选择液体冷却有效、均匀、稳定、强化潜力大，因此被绝大多数内燃机采用。风冷系统简单，对沙漠干旱严酷条件适应性好。相同情况下，风冷功耗高5％~10％。风冷内燃机的运转噪声较大。风冷气缸盖局部高热负荷区不易得到充分的冷却，影响了可靠性和耐久性。大缸径或增压内燃机热负荷重，更不宜采用风冷。风冷vs液体冷却←→混合冷却4、气缸数和气缸布置的选择气缸数柴油机：单缸、2、4、5、6、8、12、16汽油机：单缸、2、3、4、6、8、12气缸布置立式、卧式、直列、斜置、V、W发动机的气缸数和布置方式由使用条件决定。卧式单缸机立式单缸机、多缸机V6、V8W12斜置式发动机发动机布置方式举例5、进气状态的选择增压是发动机强化的最有效手段。涡轮增压利用了部分排气能量，提高机械效率，使燃油消耗率有所改善。增压是降低柴油机排放的重要技术措施。自然吸气VS增压发动机的进气状态选择取决于发动机应用条件。第三节内燃机基本参数的选择

内燃机的平均有效压力pme、活塞平均速度vm、转速n、气缸直径D和活塞行程S、气缸数i等基本参数，反映了内燃机的工作性能和品质。正确选择这些参数，才能保证所设计的新产品有生命力。一、平均有效压力

二、活塞平均速度

vm

＞9m/s

高速机

vm＝6~9m/s中速机

vm

＜6m/s低速机1．对发动机性能的影响

vm提高导致pme下降。2．对机械负荷的影响

vm提高使惯性力增大，机械应力平方增加。3．对热负荷的影响相同pme的情况下，转速增加，发动机的热负荷增加。4．对磨损和寿命的影响随着vm的提高，发动机的磨损加剧，寿命可能下降。

三、气缸直径D和气缸数i汽油机的气缸轴径：～100mm；车用汽油机的D=60~90mm柴油机的气缸直径：

60~1000mm，车用柴油机D=80~140mm

汽油机的气缸数：1,2,3,4,6,8,12柴油机的气缸数：1,2,3,4,5,6,8,12,16发动机的D,i,S往往根据排量要求进行规整四、行程缸径比S/D和活塞行程S

1．S/D对升功率PL的影响:

汽油机，S/D减小，使PL增大。2．S/D对燃烧室形状的影响:

S/D小的短行程内燃机的燃烧室变小，燃烧室不紧凑。3．S/D对散热的影响：相同条件时，S/D下降使D增大，水套的热量减少。4．S/D对外形尺寸的影响：

总体考虑发动机S/D五、综合评价参数

综合评价内燃机选型和基本参数选择的合理性。升功率PL（kW/L）活塞面积功率PF

（kW/L）

比质量Mo（kg/kW）比体积Vo（L/kW）第四节内燃机的开发程序与方法

一、方案设计阶段

二、技术设计阶段

三、样机试制和调试阶段

四、鉴定和投产阶段

一、方案设计阶段典型流程:

在技术设计阶段对选定的方案设计进行细化，以最终确定内燃机的总布置设计，完成所有零部件的结构设计和施工设计，选配好所有附件，完成全套图样和设计说明书、计算书等技术文件。二、技术设计阶段

三、样机试制和调试阶段

试制出一批样机，进行整机性能调试以达到预期的性能指标，进行机械方面的研究与改进以达到要求的可靠性和工作寿命。四、鉴定和投产阶段新产品定型鉴定：新的内燃机样机通过各项试验并达到技术任务书的要求后，应按规定进行。小批试生产：通过鉴定后，先进行试生产，以考察工艺装备的稳定性。批量生产：定期抽取产品进行质量检验，以监督产品品质的稳定性。第五节内燃机主要零件设计要点

一、活塞组

二、连杆、曲轴及轴承

三、机体与气缸盖

一、活塞组活塞组:包括活塞、活塞环、活塞销等，是活塞式内燃机中重要组件。

设计要点：1、功用与工作条件2、基本结构和材料3、活塞的耐热设计4、活塞和活塞销的传力设计5、活塞的导向设计6、活塞与活塞环的密封设计（一）活塞的工作条件活塞顶要承受气缸内气体压力、温度的作用。活塞组承受很高的机械负荷、热负荷；活塞顶所受的压力传给连杆和曲轴。销座内上侧应力集中；活塞环既要在尽可能小的摩擦损失下保证漏气少，又要在很高的压力、温度下和极少的润滑油的条件下保证足够的耐久性；活塞组还要承受连杆摆动造成的侧向力；活塞组运动时产生很大的往复惯性力。（二）基本结构和材料中小功率高速内燃机常用整体铸造的铝合金活塞（下图），简单轻巧。汽油机活塞（b）由于机械负荷和热负荷均较低，所以比柴油机活塞（a）更加轻巧。

图11-2整体式铝合金活塞a)柴油机活塞b)汽油机活塞

为了使内燃机整体结构紧凑，减小整机高度和质量，减小往复惯性力，活塞总高度H、特别是压缩高度H1应尽可能缩小。

尺寸比例汽油机柴油机H1／D0.35~0.600.50~0.80H／D0.60~1.000.90~1.40H2／D0.40~0.800.50~0.90h／D0.04~0.100.12~0.20d／D0.22~0.300.30~0.40表11-1活塞的主要尺寸比例（以缸径D为基准）

制造活塞的材料应有小的密度ρ、足够的高温强度б、高的热导率λ、低的热胀系数α以及良好的摩擦性能（减摩性和耐磨性）。材料共晶铝硅合金过共晶铝硅合金合金铸铁AlSi12CuMgNiAlSi12CuMgNiAlSi12CuMgNi含Si质量分数×10011~1317~1923~261.8~2.1密度ρ/（kg·L-1）2.702.682.667.3工艺方法硬铸锻压硬铸锻压硬铸砂铸20℃时抗拉强度б20/（N·mm-2）200~250300~370180~220230~300170~210245~345250℃时抗拉强度б250/（N·mm-2）100~150110~170100~140100~160100~140245~34520~250℃间热导率λ20－250/（W·m-1·K-1）155~160160~165145~150157~163135~14033~4620~200℃间线胀系数α20－200/（10－6·K－1）21.021.419.920.319.311~12250℃时弹性模数E250／（N·mm－2）7250074000750007600081000108000~137000表11-2活塞材料的主要性能由燃气传给活塞的热量大部分经活塞环传给气缸再传到冷却介质，一部分经活塞内壁传给曲轴箱内的油雾和空气，小部分经裙部传给气缸。汽油机活塞的热负荷一般较小。柴油机由于燃烧过程的持续高温高压、强湍流、强辐射的特点，其热负荷远高于汽油机。所以，活塞的耐热设计，主要是针对柴油机。（三）活塞的耐热设计要尽可能减小活塞顶的受热表面积，因此平顶活塞是最佳选择。但直喷柴油机的活塞顶形状复杂的燃烧室，使热负荷加重。一般铝合金活塞顶最高温度不应超过350℃。为了提高铝活塞顶的耐热性，可采用阳极氧化处理，生成硬质氧化铝薄膜。顶面喷涂ZrO2陶瓷层，也可提高活塞顶的耐热性。有些活塞开始采用高合金奥氏体铸铁护圈或用Al2O3+SiO2纤维、SiC或Al2O3颗粒强化的铝合金复合材料来强化环槽和燃烧室。（1）活塞顶

汽油机的活塞头部断面一般都在满足强度条件下尽量薄，以求轻量化。柴油机铝活塞头部一般很厚实，以便热的导出。从顶部到环带有很大的过渡圆角R，可降低活塞顶的温度和活塞头部的热应力。（2）活塞头部断面

活塞环对活塞头部的散热起很大作用，尤其第一道环的热流量最大。所以，应选择适当的火力岸高度h（图11-2a）。h增大可降低第一道活塞环温度，但使活塞顶温度提高，同时活塞高度增大。第一活塞环槽的温度不应超过240℃，否则润滑油可能结胶甚至碳化，使活塞环在环槽中失去活动性，从而丧失其密封和传热功能。（3）火力岸高度

（4）强制冷却

如果在喷油冷却的活塞环带钻几个盲孔，可使第一环槽的温度下降20℃左右（图11-3）。图11-3活塞环带钻孔对喷油冷却活塞温度场的影响当柴油机活塞功率PF＞0.2kw/时，需要向活塞内壁喷油冷却，一般通过固定在机体内壁上的喷嘴喷机油。a)有4个φ4mm的钻孔（D=110mm）b)无钻孔图11－4带盐芯铸出油腔（左）与带中空环槽镶圈（右）时活塞温度场的比较如果活塞功率PF＞0.3kw/时，为保持正常的活塞工作温度，需要在活塞上铸出冷却油腔（图11-4左）。用油腔冷却的活塞可使第一环槽温度下降20~30℃。

图11-4右半部分表示的中空环槽圈，是在镶圈的内侧焊上由不锈钢板滚轧成断面呈［形的圆环制成的，它使第一环槽的温度比一般油腔结构下降25℃以上。由于结构上的限制，活塞销的直径d不可能超过0.4D（表11-1），活塞销的长度不可能超过0.85D，因此活塞销总的承压面积极为有限。不论在销与销座之间，还是在销与连杆之间，承压面积都很小，表面比压很高。活塞销与销座或活塞销与连杆衬套之间相对运动速度很低，液体润滑油膜不易形成。在这种高压低速条件下，要保证可靠的液体润滑，配合副的工作间隙要尽可能小。（四）活塞与活塞销的传力设计

对柴油机来说，如在销座上侧挖一个圆弧坑A（图11-5b），并在销孔内侧加工出长3~4mm、锥角1°~2°的微锥度孔，再在边缘上倒一个小圆角R，可使最大边缘负荷减小40％左右。活塞与活塞销工作时弯曲变形互不协调会在销座孔内上侧引起严重的边缘负荷（图11-5a），可能造成销孔永久变形甚至使销座裂开图11-5活塞销座边缘负荷的减轻高增压柴油机中，气压力负荷很大，活塞销座孔上半部和连杆小头衬套孔下半部的负荷远远高出相对的另一半部。这时，采用斜切的或阶梯形的销座，配上相应斜切的或阶梯形的连杆小头，可充分利用活塞销的有效承压面积（图11-6）。图11-6用斜切的（左）或阶梯形的（右）销座减小承压面上的比压活塞在气缸中运动时的导向作用由裙部完成。为保证良好的导向，裙部要有足够的长度H2（表11-1），且与气缸的配合间隙小，以减轻活塞在连杆摆动引起的侧向力作用下从贴紧气缸的一侧到贴紧另一侧时对气缸的“拍击”。活塞裙只在垂直活塞销轴线的方向承受侧向力，所以应保证此方向与气缸间隙尽可能小，而在销轴线方向，间隙要大一些，以免活塞热膨胀后卡死在气缸中。因此，活塞裙部的横断面外形呈椭圆形。如何控制铝活塞的膨胀，是至今仍未完满解决的技术难题。目前应用最广的办法是利用双金属片原理的自动调节活塞（图11-7以及图11-2b）。

（五）活塞的导向设计

在销座外侧的活塞内壁铸入膨胀系数比铝合金小的低碳钢片，利用双金属片效应在温度提高时产生的弯曲来减小活塞裙在垂直销孔方向上的膨胀量。因这种弯曲量随温度的提高而增大，故称为自动调节活塞。

图11-7车用汽油机用自动调节镶钢片活塞活塞与活塞环一起防止气缸内的高压气体下窜到曲轴箱，同时把很大一部分活塞顶接收的热量传给气缸壁，起这种作用的活塞环称为气环。此外，还设置专门的油环，在活塞下行时把气缸壁上多余的机油刮回油底壳，以减少上窜机油量。一般要求通过环组的窜气量不超过总进气量的0.5%，机油消耗量不超过燃油消耗量的0.5%。（六）活塞与活塞环的密封设计由于活塞环开口的存在，漏气通路不可能完全消除。为了防止大量漏气，一般采用多个活塞环形成迷宫式密封。为减小活塞组与气缸之间的漏气通路，活塞环的外周面必须以一定的弹力po与气缸壁紧密贴合，形成第一密封面（图11-8）。轴向不平衡力FA将环向环槽的侧面压紧，形成第二密封面。（1）活塞环密封机理

图11-8作用在活塞环上的力及其密封面①断面形状:（2）气环的设计

②尺寸参数：在保证密封的前提下，活塞环的数目应尽可能少，以缩小活塞高度，减轻活塞质量，减小发动机总高度，降低发动机摩擦损失。

③材料

:活塞环一般是由合金铸铁铸造，高强度环用球墨铸铁，经热处理以改善材料的热稳定性。少数活塞环用合金钢制造。图11-9常用的活塞环断面形状a)矩形环b)桶面环c)锥面环d)梯形环e)内切正扭曲环f)锥面内倒角反扭曲环

为了能在高速运动中对抗机油的流体动压力刮下机油，只留下很薄的油膜，油环工作面的着壁压力应足够大。

（3）油环的设计要点

图11-10典型的油环结构a)单体铸铁油环b)带螺旋衬簧油环c)钢片组合油环1、连杆组的设计

连杆组的组成：连杆体、连杆盖和连杆螺栓。要保证有足够的疲劳强度，要有足够的刚度，用优质中碳钢45钢模煅，强化机型用40Cr等合金钢。（1）连杆的设计要点连杆长度、小头和大头直径、宽度连杆长度越短越好，连杆杆身多用工字形断面。连杆小头要有足够的壁厚，特别注意小头到杆身过渡的圆滑性。采用剖分式结构。尽量采用平切口连杆。

二、连杆、曲轴及其轴承图11-11高速内燃机连杆结构

a)平切口连杆b)~d)斜切口连杆大头及其各种定位结构（2）连杆螺栓的设计要点负荷重，同时要保证大头尺寸紧凑，采用高强度中碳合金钢。要尽量降低应力集中。严格按规定的扭矩拧紧。2、曲轴的设计曲轴，价格最贵的重要零件，成本占整机成本的10%，足够的疲劳强度是首要问题。结构型式：整体式和组合式。整体式结构简单，加工容易。支承型式：采用全支撑结构，以提高曲轴的弯曲刚度和强度。关键尺寸：曲轴销直径和曲轴壁厚、轴颈到曲轴臂的过渡圆角。曲轴的材料：45煅钢；强化机型：中碳合金钢。曲轴的结构组成：

图11-12铸造的整体四拐曲轴及其主要尺寸内燃机类型曲柄销主轴颈曲柄臂dcp/Dlcp/Ddcj/Dlcj/Dhcw/Dbcw/D汽油机单列式0.55~0.650.35~0.450.6~0.70.35~0.450.2~0.250.8~1.2V形（并列连杆）0.5~0.60.45~0.60.65~0.80.3~0.350.18~0.220.8~1.2单列式柴油机0.55~0.70.35~0.450.65~0.80.4~0.450.2~0.31.0~1.3表11-3曲轴的主要尺寸比例（以缸径D为基准参见上图）3、轴承的设计足够的疲劳强度，采用钢背－减摩合金多层结构。良好的减摩性能，包括抗咬合性、嵌藏性和顺应性。良好的耐蚀性。轴承合金种类：巴氏合金、铜基合金、铝基合金。（1）滑动轴承材料（2）轴承的结构设计

轴瓦厚度：轻系列，1.5~3mm，重系列，2.5~4mm

轴瓦的自由弹势和过盈度轴瓦的定位：定位槽主轴瓦的润滑油孔和油槽轴承间隙：在保证机油温度不超标和最小油膜厚度满足要求的情况下，尽可能减少轴承间隙。（一）机体1．机体的工作条件与设计要求承受复杂的负荷；保证具有足够的强度和刚度；减轻质量，改善铸造和加工工艺性。

三、机体与气缸盖2．机体的结构型式（1）平分式机体：适用于轿车用汽油机和轻型车用柴油机；机体刚度好。（2）龙门式机体：用于大功率或高强化汽油机或柴油机；（3）隧道式机体：农用单缸机。3．机体结构细节设计应用三维有限元结构分析和试验应力分析。主要载荷尽可能直线传递。采用优质灰铸铁铸造。轿车汽油机平分式机体轻型车用柴油机平分式机体中型车用柴油机龙门式机体高速内燃机典型铸铁机体结构

a)横向螺栓固紧的龙门式机体b)下机座加强的机体c)用梯子形加强板抑制龙门式机体下端振

1－横向螺栓2－机体3－下机座4－油底壳5－主轴承螺栓6－气缸盖螺栓7－梯子形加强板提高机体刚度的措施

为弥补铝合金刚度的不足，采用了尺寸很大的下机座。水套和曲轴箱空腔形状的设计考虑到了压铸工艺的要求。小排量轿车汽油机铝合金压铸机体1、气缸盖的设计气缸盖的作用是密封气缸，组成燃烧室。气缸盖中的气道、燃烧室的设计。抗机械应力和热应力形成的疲劳。应用抗热疲劳性能好的材料铸造。应具有足够的刚度。整体式、分体式。（二）缸盖a)顶置凸轮轴汽油机的铝合金气缸盖b)直喷式柴油机的铸铁气缸盖1－冲压摆臂2－液压支座3－铸造摇臂内燃机气缸盖的结构密封性好。有一定弹性，可重复使用。耐热、耐蚀，具有足够的抗拉和抗剪强度。布置油道、水道。气缸盖衬垫的材料：铜皮包石棉、复合材料等。成本低。（三）气缸垫第六节配气机构设计要点在规定的时刻，实现气门的快开、快闭，各缸换气良好。摩擦损失小。工作可靠、耐久。一、配气机构的设计要求二、配气机构总体布置

1．典型的气门凸轮驱动方案a)侧置气门机构b)、c)下(侧)置凸轮配气机构d)、e)、f)顶置凸轮配气机构下置凸轮轴一般采用发动机前端正时齿轮传动方案顶置凸轮轴驱动一般采用齿形皮带和链传动方案柴油机顶置凸轮轴驱动也有采用扇形齿轮传动2、凸轮轴的传动顶置凸轮轴正时链传动1－链张紧器2－凸轮轴链轮

3－滑轨4－曲轴链轮

5－定时链1－链张紧器2－凸轮轴链轮

3－滑轨4－曲轴链轮

5－定时链6－凸轮轴齿带轮

7－齿带张紧轮8－正时齿带

9－齿带限位轮10－喷油泵齿带轮

11－曲轴齿带轮顶置凸轮轴的正时齿形皮带传动3、每缸气门数的选择多气门方案的优点：由于气门质量轻、升程小，惯性力小；总流动面积较大，充量系数高；气门直径小，温度较低（这对排气门很重要，尤其是缸径较大的发动机）；每缸4或5气门时，火花塞或喷油器可布置在中央，带来缩短汽油机燃烧持续期或改善柴油机混合气形成的优点。多气门方案的缺点：气门机构复杂，成本高；气缸盖比较复杂；气门机构摩擦损失较大。1、凸轮设计与凸轮机构运动学

三、凸轮机构运动学

滚轮挺柱平底挺柱2、凸轮挺柱的运动规律图11-20等加速等减速凸轮的运动规律图11-21高次多项式凸轮的挺柱运动规律图11-22平底挺柱凸轮机构工作情况

a)加速段b)减速段1．刚性气门机构

把气门凸轮机构中除气门弹簧以外的所有构件都看成绝对刚体的刚性模型，是最简单的动力学模型。

四、气门凸轮机构动力学

图11-23刚性气门凸轮机构a)机构简图b)刚性模型c)飞脱条件图11-24弹性气门凸轮机构的无阻尼单质量振动模型（a）及其动力学曲线（b）2．弹性气门机构

考虑机构各构件的弹性，用一个多质量振动模型近似处理。表11-4气门凸轮机构动力性能对比3.几种典型气门凸轮机构动力性能对比机构简图图11-17b图11-17e图11-17d图11-17fm/mmax1.92(1.44)1.081.001.19k/kmax0.19(0.30)0.290.561.00w0/w0max0.34(0.50)0.560.821.00可见，顶置凸轮轴直接驱动气门的机构具有最佳的动力性能，所以在高速内燃机中应用最广。五、主要零件设计要点

1．进排气门气门设计要考虑气流通过能力、气门与气门座的密封、气门的材料、冷却、润滑与磨损等方面。气门头部要有足够刚度。进气门材料一般用40Cr、38CrSi等，排气门用马氏体耐热钢和奥氏体耐热钢。气门杆端面与摇臂或摆臂接触（见图11-17b~e）既有滚动又有滑动，应有很高的耐磨性。尺寸较大的强化内燃机排气门可做成中空结构，空腔中封入金属钠，工作时熔化成液体，帮助传热。2．凸轮轴、挺柱、推杆和摇(摆)臂足够的抗接触疲劳和抗擦伤能力。有足够的刚度及最小的质量。图11－25凸轮直接驱动气门时用的薄壁杯形挺柱

a)无液压除隙器b)有液压除隙器

1-杯形挺柱2-调隙填片3-外体4-内体5-阀罩6-回位弹簧7-柱塞8-球阀9-阀簧10-油腔罩

A-换热槽B-油腔C-泄油间隙D-进油孔E-过油道F-进油环形槽3．气门弹簧气门弹簧的功用是保证气门凸轮机构在高速运转时的力闭合。因结构布置限制，气门弹簧的直径和高度不能很大，故其应力状态极其严重，要用弹性极限和疲劳强度很高的优质合金弹簧钢丝制造。1、通过改变配气定时，在全转速范围内获得最大可能的全负荷转矩；2、部分负荷下，减小进气门升程，提高进气流速，改善燃烧；3、部分负荷下，调节配气正时，不用借助进气道中的节气门，就可实现负荷的调节，从而减小泵气损失；4、优化配气，获得内