发动机现代设计

nullnull 发动机现代     参考书 1、  汽车发动机现代设计 徐兀 著 人民交通出版社 1995年8月第一版 2、  汽车发动机设计 陆际清等 著 清华大学出版社 1993年11月第一版 3、  船舶内燃机设计 陈大荣 著 1994年版 4、  内燃机设计 杨连生 著 中国农业机械出版社 1981年8月第一版  null  第一章    总论 §1—1 发动机设计的一般过程 发动机的设计和研制可以分为三类： 1、  在原有（现有）产品基础上进行改进设计： 如改进结构提高工艺性、延长寿命；降低排放；改进燃烧系统提高经济性；改非增压为增压等 2、  在现有发动机基础上，设计同一型式的系列化发动机（系列化设计）： 如在四缸机的基础上设计六缸机；在直列机的基础上设计V型机；在车用发动机的基础上设计工程机械用、发电用发动机等 3、  设计新型的发动机（开发新机型） null 一、 发动机设计的一般过程 以新发动机的设计为例，其一般过程包括四个阶段： 与设计阶段； 样机试制与调试阶段； 技术设计阶段； 鉴定与小批试生产阶段 1、计划与方案设计阶段：在调查、研究的基础上，确定 （1）   发展该新产品的原因，主要用途，适用范围 （2）   所设计机型的主要技术规范，包括： ①  内燃机型式： 汽油机还是柴油机； 燃烧室型式； 缸径，行程（活塞排量）； 缸数，气缸排列； 冲程数； 冷却方式； 吸气方式（NA/TC） null ② 动力性指标： 标定功率，标定转速； 最大扭矩及最大扭矩转速等 ③ 经济性指标：燃油耗率，机油耗率 ④ 强化指标：平均有效压力，活塞平均速度 ⑤ 运转性能：最高转速，最低怠转速，调速率和转速波动率 ⑥ 重量和外形尺寸指标：净重，外形尺寸（长×宽×高） ⑦ 排放、噪声要求 ⑧ 可靠性、寿命 （3） 内燃机的主要结构，包括主要零部件结构 （4） 内燃机系列化和变型产品情况，进一步强化的可能 性 （5） 其它技术要求，如冷起动等 null2、技术设计阶段 ① 总体方案设计：确定主要结构参数、主要零部件结构，总体布置、设计（纵、横剖面图），热计算与动力学计算 ② 单缸试验机和主要零部件的设计、实验研究：结构设计、强度校核与试验，配气机构、油泵试验（与凸轮有关），气道实验，固定件刚性、强度的优化设计（重量） ③ 样机设计 3、样机试验与调试阶段 ① 样机试制与性能试验（性能试验前要磨合、调整） ② 可靠性和耐久试验（装配前要先检验零部件，磨合以后要换机油、清洗） ③ 配套试验、扩大用户试验 null 4 、鉴定与小批试生产阶段 ①     样机鉴定：需提供一系列文件（设计任务书，技术文件，性能试验与耐久性试验报告，扩大用户试验、鉴定试验大纲等）；提供样机供抽查、进行性能试验 ②     小批试制与批量生产 到此，为一轮试制完毕。 §1—2 内燃机选型 一、各种类型内燃机的设计要求，内燃机设计指标 1、  车用发动机 （1）高的动力性能：足够的功率和良好的扭矩特性以保证车辆的动力性（车速和牵引力）、加速性和克服突然增大的行驶阻力的能力。 null         ①   功率：比功率（Pe/G，G为汽车总重） G>20t的重型货车、自卸车：4—7 kW/t G=5—19t的汽车：7—13kW/t G<4t 的汽车：10—22kW/t, 有的轻型货车达50kW/t 轿车：50—90 kW/t，主要是保证加速性好，车速高 ②   扭矩适应性系数与转速适应性系数 扭矩适应性系数： 转速适应性系数： null对于载重汽车：要求发动机外特性的扭矩适应性系数和转速适应性系数都尽可能大一些。两者越大，汽车的加速性、爬坡能力和克服突然增大的行驶阻力的能力都提高，行驶过程中换档的次数减少。 目前载重汽车的适应性系数范围大致为： =1.07­—1.25, =1.5—2.0。 适应性系数取决于 — 关系。 对于轿车：由于比功率很高，没有必要注意发动机的外特性系 ③ 发动机能稳定运转的转速范围应尽可能地宽一些，并应能迅速从怠速变换到全速全负荷。 null  （2）  燃油经济性好：发动机生命周期内消耗的燃油价值为发动机本身价值的几十乃至百余倍。车用发动机的燃油经济性有多种指标。对于车用发动机来说，不仅要考察外特性最低油耗率，还应使低油耗率区域尽可能宽广，以降低使用油耗；发动机的的功率配置是否合理亦影响使用油耗，不应配备过大功率的发动机。 （3）  结构紧凑（结构完善性）：不可太重、太高、太宽、太长，除外形尺寸、总质量外常用的评价指标有： ①     比质量（质量功率比， ）： kg/kW, m—发动机净质量，Pe—标定功率 上世纪末， 国外车用柴油机，3.5—5 kg/kW; 国内车用柴油机，4.8—9.3 kg/kW   null  ②    升功率（每升气缸工作容积发出的功率， ）： kW/L 车用汽油机：40—50 kW/L   ③    单位体积功率（ ，也称功率密度）： kW/m3，V—发动机外形尺寸所表示的体积 （4）可靠性高，寿命长（耐久性） null  ① 可靠性：可靠性以在保证期内的不停车故障数、停车故障数、更换主要零件数和非主要零件数来考核。广义的可靠性还包括产品的可维修性。可靠性高，则维修费用低，提高汽车的使用率（通常汽车的故障中，发动机的故障占主要部分），降低使用成本。一般要求在使用期内（民用柴油机一般1500小时，汽油机500小时）不发生主要零件（如气缸体、气缸盖、曲轴、连杆、轴瓦、活塞、活塞销、活塞环、凸轮轴、气门、气门弹簧等件的断或裂，以及影响喷油泵和增压器功能的主要故障。 ②  寿命：通常以发动机从开始使用到第一次大修期之前的累计运行里程或小时数来表示，通常决定于气缸和曲轴的磨损速率。二者有一个磨损极限值： null气缸孔和曲轴轴颈磨损极限值 通常柴油机的加工精度较高，寿命长于汽油机，现代车用柴油机的使用寿命可达40×104—60×104km。 null （5）低排放、低噪声（低排放指标） 有害排放物：NOX，CO，HC，微粒，SO2 （6）生产成本：为控制成本，除要注意产品的结构工艺性、注 意现有生产技术和条件外，还有注意产品的“三化”要求： 即产品系列化、零部件通用化、零件设计标准化。 null不同用途车辆对发动机要求的重点null 其它用途车辆：越野车，一般要求在前后倾斜20度—30度、侧向倾斜20度的条件下能正常使用；高寒地带工作的发动机应能在-40度 —+40度的情况下仍能正常工作；在高原、沙漠环境下应有专用机型。 2、  机车用内燃机 （1）   可靠性，寿命 （2）   动力性（注：这里的功率与汽车发动机的标定有区别） （3）   经济性 （4）  紧凑性：要考虑桥梁的承载能力和隧道的空间，内燃机一般占机车总重量的15%，通常小于20吨。如东风4干线内燃机车总重132吨，而16V240ZL柴油机（24/27.5，4000马力，1100rpm，Cm:10.0）重19吨 null         3、  船用内燃机 一般要求： A、可靠性、寿命： 一般，高速机（转速在1000转/分及以上）：10000—25000 小时 中速机（转速在300—1000转/分之间）：20000—50000小时 低速机（转速在300转/分以下）：50000—100000小时 B、经济性： 上世纪末水平：高速机 200—220（燃油），0.9—2 g/kW.h 中速机 175—200（燃油），0.8—2 g/kW.h 低速机 160—190（燃油），< 0.8 g/kW.h C、结构合理：质量、体积小，便于维修。 D、起动方便 E、曲轴可直接反转的内燃机，其换向时间不大于15s，台架上测 得的倒车功率不小于正车功率的75% null F、曲轴回转不均匀度不大于1/30—1/40，常用转速范围内无禁区 G、在船舶纵、横摇摆条件下能正常运转 具体 （1）对舰用内燃机：最重要的要求就是运转可靠，生命力强；具 有抗冲击能力；振动、噪声小；排气中的火花、热量少。 ①     登陆舰：a.最低稳定转速小，约为持续转速的1/4— 1/3.5； b.倒车功率大 ②     扫雷舰：a.能在最低转速和最低负荷下稳定运转； b.内燃机的磁场强度小； c.超负荷能力大； d.振动、噪声小 null  ③     潜艇：a.能在一定的真空度与背压环境下运转，并发出 要求的功率； b.能适应航行、充电等多种工作要求，内燃机功 率范围宽广 ④   快艇：a.功率大,且内燃机的功率特性能适应滑行艇或水 翼艇的推进特性（PB=CnBm，m一般为3，快艇航行 时m=2.8—3.9,过渡状态时m=1.9—2.2,滑行状态 时m=1.4—1.6）； b.比质量小，通常用强载度（PE.Cm）大的高速强载 型大功率柴油机； c.加速性好 null  （2）       对渔船、拖船、船舶电站用内燃机： ①     渔船：能燃用劣质燃料；能一机多用，在自由端有功率输 出装置，以驱动起重机、起网机、发电机、空压机 、 水泵等；能在最大倾斜度下工作；有较小的最低稳 定转速。 ②     拖船：能适应航速不变时，推进轴扭矩随拖载的增加而增 加 ③ 船舶电站：转速波动小，回转不均匀度要求通常为直流发 电1/100—1/150，交流发电1/150—1/300；有 负荷限制装置；能适应并车运行，保持稳定的 转速与负荷分配 null 二、发动机选型 1、 汽油机还是柴油机 汽油机优点： （1） 升功率高（主要是因为转速高）、比质量小、功率密度高； （2）   低温起动性能好； （3）   工作柔和，振动、噪音小； （4）       制造成本低 柴油机优点： （1） 燃油经济性好，不仅最低油耗低，而且万有特性上的低油耗 区宽，因此柴油机的使用油耗只有汽油机的2/3左右； （2）  柴油机可靠性、耐久性高于汽油机，发生故障少，大部分零 件的使用寿命高于汽油机； （3） 柴油机可以采用较大的缸径、较高的增压比来提高单缸功 率，而汽油机受爆震限制，缸径不能太大、增压比不可太高 null 2、  四冲程还是二冲程 二冲程机燃油、润滑油消耗大，HC排放量大，怠速、低负荷 工况运转不稳定；活塞、缸套热负荷大；用扫气泵时噪声大； 采用回流扫气难于获得良好的扫气效率。但缸径、行程、转 速相同时，与四冲程相比功率大50—70%，功率密度大、比 质量小；缸盖简单，NOX排放少。 null3、 风冷还是水冷 风冷缺点： （1）噪声大 因机体无水套减振，且风扇和导风罩的振动大； （2）机械效率低 风冷机的风扇消耗的功率比水冷机的水泵、 风扇消耗的功率大，水冷机为发动机功率的4—5%，风 冷为6—8%； （3）热负荷高 使pe受限制，一般要比相同条件下的水冷机低 5%左右，同时也限制了风冷机的缸径（不大于150mm） 和增压比； （4）成本高 采用大量铝合金、单体气缸、风扇—风道系统； （5）机油消耗率高，对机油质量要求高，且消耗率高； null 风冷优点： （1）不需要水和防冻液，不存在漏水、积水垢、沸腾、结冰等 问题，冷却系统工作可靠，适于缺水地区； （2）因机体温度高，对环境温度变化不敏感，能在-50ºC—+60ºC 范围内正常工作； （3） 起动后暖机时间短，有利于减轻气缸磨损和HC排放； （4）缸壁温度高，对燃料质量不敏感； （5）缸盖、气缸体为单体结构，有利于同系列不同缸数发动机 的生产组织； （6）受枪炮弹片的伤害小 null 4、 气缸数及其排列 发动机的气缸数和气缸排列方式对其外形尺寸、平衡性、制 造成本等都有影响，也和产品系列化有关。 （1）气缸数 由发动机功率计算式 式中 为平均有效压力，MPa 为气缸工作容积，l 为气缸数 为发动机转速，r/min 为冲程数 null保持冲程数、额定工况下的功率、平均有效压力、活塞平均速度都相同，S/D也不变，上式可改写成 即 ， ， ， ， ， 由 ， ， 可以看出：当Pe ，pe，Cm，S/D和τ一定而缸数z增加时，发动机的单缸工作容积Vh和发动机总工作容积zVh都减小；曲轴转速和升功率PL则加大；此时发动机的长度增加，但宽度、高度都减小，发动机的重量、体积都减小。 null功率、强化程度（pe，Cm）都相同时，气缸数多，则：发动机比质量小（因缸数多时，飞轮尺寸因扭矩均匀性的改善而减小）、结构 紧凑、同为单列式机时平衡性好。但缺点是：面积比（ ）大，散热损失大，单台发动机的零件总数多，结构复杂，制造维修成本高。因此要综合考虑以下因素来确定气缸数： A．Pe，n B．可达到的pe，Cm C．外形尺寸的限制 D．允许振级和成本 null一般 ①对于车用，常为4、6、8、12缸；也有2、3缸（微型、轻 型车），5、10缸（中型车），16缸（重型车），按Pe划分 <25kW 2、3、4缸 25—75kW 4缸 75—150 kW 5，6缸，多为6缸 150—200 kW 6、8缸，多为6缸 200—250 kW 6、8、10缸，多为8缸 >250 kW 8、10、12缸 ②对于船用机，按转速分 低速机 5—12缸，常用5—10缸 中速机 5—10缸，常用6、8、9，个别为4、12，直列机 8—20缸，常用12—18缸，V型机 高速机 上述各种缸数都出现过，根据缸数有直列、V型等 null（2）气缸排列方式 有单列（其气缸中心线所在平面或与地面垂直，或与地面成一定 角度）、V型、W型、星型等，以单列式、V型为多。null 列数太多则发动机结构复杂，难于制造，且轴承负荷大；优点是发动机结构紧凑、长度短、曲轴与机体的刚性好。如V型机比同样缸数、行程的单列式发动机长度缩短35—45%，重量轻15—20%。通常缸数大于等于8的发动机考虑用V型布置。   5、  燃烧室型式、气门数目 （1）汽油机：侧置气门式燃烧室结构不紧凑，面容比大、散热损失多，燃烧速率低，许用压缩比小，目前在ε>7的汽油机上已很少采用。现多用顶置气门式燃烧室。顶置气门式燃烧室有四种：契形、蓬形（半球形）、盆形、碗形四种： null   ① 可能达到的平均有效压力pe: (b)> (a) > (d) > (c) ② 排放：CO、HC：（b）最少，（a）、（d）次之，（c）较多 ③ 可达到的转速：（b）最高，可达5000—6000转/分以上，（a）、(d)次之， (c)较低，主要是（ b）中的球形在同一D、Vh和ε下可布置较大的进气门 ④ 制造成本：（b）最高，（d）最低 ⑤ 爆震倾向：契形室、碗形室挤气涡流强，爆震倾向相对最小，盆形室次之， 半球形室最大，一般要用高辛烷值汽油；用相同牌号的汽油时，契形室、碗 形室许用压缩比最大。   null（2）柴油机：燃烧室有分隔室式、直喷式。分隔室式主要为涡流室，预燃室少。 分隔室式优点是有害排放物NOX，微粒，CO和HC排放量都比直喷式少，振动、噪声小，自然吸气（NA）时pe较直喷式机大；缺点是燃油消耗率高（预燃室又比涡流室高），散热损失大导致起动困难，增压机受热负荷限制pe较直喷式机小。 一般大缸径用直喷，小缸径用涡流室。 null§1—3 发动机主要参数选择 一、发动机的强化指标 发动机功率 kW 式中 为平均有效压力，MPa 为气缸工作容积，l 为气缸数 为发动机转速，r/min 为冲程数 活塞平均速度，m/s D 气缸直径，mm null 由上式可知，当z、τ、D确定后，功率Pe的提高只能靠提高pe、Cm了，一般用此二参数作为内燃机的强化指标：用peCm积或peCm/τ表示 强化系数peCm/τ值: 四冲程非增压机 6.5— 9 MPa.m/s 四冲程增压中高速机 12—34 MPa.m/s 二冲程低速机 7.5—10 MPa.m/s 1、平均有效压力pe：是标志发动机工作循环的有效性和制造完善性的指标之一 由于 (非增压) （增压） （ Pa：单位气缸工作容积所作的指示功，反映发动 机工作循环的热功转换的有效程度和气缸工作容积的利用效率） null 因此，提高pe必须： 提高ηV：a. 合理设计进气系统，尤其是进气道，以减小进气阻 力，提高流量系数 b. 合理的配气机构和配气定时：加大进气门直径，采用 顶置式凸轮轴，增加气门数、完善凸轮外形、最佳气 门重叠角 c. 汽油机采用多腔化油器、多个化油器、汽油喷射，以 减小进气阻力，并兼顾各工况性能 d. 降低排气系统阻力，采用可变进排气系统（利用其中 的动态效应）等 提高ηi：a. 对于汽油机适当提高压缩比 b. 改善燃烧过程 null 提高ηm： 减少活塞环数目；选择适当的润滑油；保持发动机的 最佳热状态；提高加工精度和表面质量；合理设计活 塞形 状；减少附件功率损失 提高γs：具体措施即增压，是提高pe主要措施，对柴油机一般可 提高30—40%，增压中冷可提高50—70%，而成本只增 加8—10%，发动机质量增大3—5%；对于汽油机，化 油器式仅用于高原恢复功率（海拔每增加1000m，功率 下降10%）。现代四冲程增压柴油机pe最高可达3.2Mpa ，车用机上达到1.4—1.8Mpa null 降低α：对汽油机α=0.85—1.10，改变α余地不大，要受火焰传 播速度限制 对柴油机α=1.2—2.2左右（低速1.8—2.0，高速1.2— 1.5，增压1.7—2.2），采用合适的燃烧方式组 织燃烧可提高pe 总趋势：平均有效压力是一个提高的过程，但要考虑热负荷和机械负荷。一般： 非增压四冲程柴油机 pe=0.6—1.0 MPa 增压四冲程机 pe=1.0—2.5 MPa（二级增压可达2.5 MPa） 非增压二冲程机 pe=0.4—0.65MPa null 2、 活塞平均速度 Cm=Sn/30, Cm上升，则 ①机械负荷上升：因曲柄连杆机构的往复惯性力 ( 汽油机ajmax=500—1500g, 柴油机 ajmax=200—800g，g—重力加速度) ②热负荷上升： null ③进排气阻力增加，充气系数ηv下降（应加大气门或增加气门 数目） ④摩擦加剧，磨损加快，机械效率下降，燃油耗率上升，寿命 下降 但Cm过小，对提高发动机功率不利，对提高升功率不利。对于柴油机，Cm选择要顾及混合气形成与燃烧的限制；对于汽油机，Cm的选择与进气系统有关：因为不同汽油机在各自额定转速下有差不多的进气口处速度vg，而 vg=Cm.Fh/(μmiFv) 通常：高速柴油机 Cm=9—13m/s（其中车用柴油机10—13m/s） 中速柴油机 Cm= 6—9m/s 低速柴油机 Cm=5—7m/s 汽油机 Cm=12—13m/s null 二、主要结构参数选择 主要参数有：缸数z，缸径D，活塞行程S，连杆长度L，缸心距L0。 其中：发动机的结构形式确定以后，z、L0 已确定；L随曲柄半径与 连杆长度比λ（λ=R/L）而定： 船用低速二冲程机 λ=1/3.5—1/4 船用中速机 λ=1/3.8—1/4.6 船用高速机 λ=1/3.5—1/4.3 汽车发动机 λ=1/3.2—1/3. 8 λ大致选定，即L也可随R也就是S而定，因此主要结构参数中尚需确定的只剩下D、S。 D的确定：要考虑系列化、功率型谱衔接、机型发展前景。D增大， 零件尺寸增大、质量增加，机械负荷、热负荷上升。 S的确定：S增大，Cm增大，摩擦加剧，磨损加快，寿命下降，机械 负荷、热负荷上升，通常要由Cm和S/D来确定。 通常D、S二者的选定应同时考虑，先要确定S/D。 null S/D对发动机结构、外形尺寸和性能的影响（假定Pe、pe、Cm不变）： 1、S/D对外形尺寸的影响 如Vh不变，S/D↑对于直列机高度↑，长度↓，宽度变化较小， 但对于V型机，宽度增大的幅度与高度是相同的。下图为对一台直列四冲程高速机的外形尺寸计算结果，从中可以看出对于同一Vh，取较小的S/D值则单列式发动机的长度加大，高度、宽度减小，其中长度受S/D值的影响最大。 null 可知，S/D↓，则惯性力上升↑；当然Cm不变时，S/D↓，n 可加大，从而PL↑。 PL↑。 2、S/D对惯性力的影响 最大往复惯性力 null 3、S/D对燃烧室的影响 ①     S/D↑，则内燃机压缩室容积与其表面积之比ξ=FC/VC↓，设 计时希望ξ↓，以减少燃烧室散热，改进燃烧，提高经济性 ②     S/D↑，则Vm/Vc↓，Vk/Vc↑，热效率↑，平均有效压力 pe↑，有害排放物减少 若Vh、ε一定：null 4、对曲轴强度、刚性的影响 Vh一定时，S/D↓，则R↓，重叠度Δ=0.5(d1+d2)-R加大，曲轴 的弯曲、扭转刚性加大，疲劳强度↑，扭振固有频率↑。 综上所述，Pe、pe、Cm不变时： S/D较小，则可降低发动机高度，提高升功率，减小V型机宽度， 提高曲轴的强度和刚性；但热效率下降，有害排放物增加，惯性力 增大，单列机长度增加。 一般：车用汽油机S/D=0.90—1.05 车用柴油机S/D=1.0—1.2 船用高速机 S/D=0.9—1.25 船用中速机 S/D=1.0—1.4，转速较高；1.4—1.8,转速较低 船用低速机 回流扫气 S/D=1.7—2.05（多为1.7—1.8） （二冲程） 直流扫气 S/D=1.85—2.25（多为2.0以上） 长行程机 S/D=2.8—3.85 V型机比直列机略小null 选定S/D后，因Pe、pe已知，故可求出S、D值： ① 由    得 （l） （dm） （dm） ②     将D，S取为整数，再复算Vh和S/D ③     由Vh、S复算 （MPa） (m/s) 二者应与先进机型水平相当 null §1—4 发动机现代设计理论与方法 一、CAD技术的应用 发动机设计过程从总体方案设计到零部件设计都可以应用CAD技术 。CAD支撑软件有： 1、  图形软件：包括图形输入和编辑、图形变换和输出、尺寸及工艺信息标住、由零件图画装配图及汉字标准等内容，有二维、三维两种。 2、  工程数据库：包括图形和非图形两部分。图形部分包含有图形管理系统和图库（标准件、标准画法等），非图形部分包含有国家标准数据、设计资料数据等。 3、  工程方法数据库：包括常用算法库、优化方法库、有限元前后处理及分析程序库、疲劳和可靠性设计分析程序、局部应力-应变分析法和断裂力学分析程序等。 设计时先要借助计算机进行整机性能预测（工作过程模拟），再进行具体的CAD设计过程。 null1、发动机性能模拟计算* * * THE MAIN DATA OF INPUT * * * dd 0.1650 s 0.1850 nn 1800 xne0 1100.00 paa 0.960 taa 312.00 etw 0.8800 tcw 322.00 pn 1.1000 epc 15.40 * * * THE MAIN OUTPUT DATA * * * NH: 9 XNE:1099.8169 PE: 11.5846 ET: 0.8112 GE: 195.4217 GI: 173.2285 EK: 0.7598 PK: 2.3207 TK: 429.7889 XNT: 48666.57 PS: 2.2898 TS: 334.9347 EMM: 0.8864 PT: 2.1434 TT: 783.5820 TR: 663.5142 Pat: 1.1000 PZ: 134.3893 PAA: 0.9600 GK: 2.0922 SGT: 2.1411 PM1: -0.2889 ENG: 234429. WK: 232471. NN: 1800 tecli: 693.87 tz: 1606.77 pz: 134.39 null2、缸内流场 计算nullnullnullnull3、强度校核nullnullnullnullnullnullnullnull  二、优化设计方法 优化设计方法是现代设计方法的核心内容之一，就是将数学中的优化方法应用于设计中，以提高产品设计质量，提高经济性，缩短设计周期。 优化设计方法包含两个方面的内容： 1、  建立数学模型，具体步骤是： ① 确定目标函数 目标函数即优化设计所追求的目标。设计任务不同，目标函数也不同。最优方案就是使目标函数达到最小值或最大值的一个方案。 ② 确定设计变量 一个设计方案通常包含两种设计参数，一种是根据设计任务要求所确定的设计常量；另一种是需要经过优化计算确定的设计变量。优化设计就是调整设计变量，以得到最优设计方案 ③ 确定约束条件 约束条件就是设计过程中应遵守的、应予以满足的条件（要求）。约束条件可分为：反映设计性能或状态要求的性能约束（包括等式约束和不等式约束）；反映设计变量许可变化范围的界限约束。两者都是设计变量的函数，优化设计的核心问题就是如何建立约束方程，这也是优化设计的难点所在。 null确定了上述目标函数、设计变量、约束条件后，即建立了一个数学模型： 求设计变量 ，使目标函数 为最小（或最大）并满足约束条件： （不等式约束） （等式约束） （设计变量变化范围） 如有多个优化准则时，可以建立一个多目标函数： 其中F1（X）、F2（X）等分别代表一个准则，W1、W2等是加权系数。其作用是把F（X）的各分项调整到同一个量级并区别出主次。 null 2、选择优化计算方法并编程计算。选择优化方法应依据问题的性质。 目前优化设计方法已在工作过程、零部件设计、系统设计、配气机构设计、增压配合运行等多个方面得到应用。 null  三、可靠性设计方法 可靠性指系统或产品在规定时间内、在规定条件下完成规定功能的能力；可靠性设计方法即是从正常使用寿命出发进行设计的方法，用概率统计理论分析结构问题、设计结构。应用可靠性理论知识，可将系统或产品的可靠程度由一般的定性分析提高到定量分析，从可靠性角度对产品进行设计，并预测起可靠度。 在发动机的可靠性设计中，将载荷、材料强度、结构尺寸等参数都采用概率分布函数表示，在设计中考虑各种因素的影响： 应力 强度 通常假设它们遵循某种分布规律（如正态分布等），通过计算求出合成的应力和强度，建立应力—强度模型，引入可靠度R： R=P（r>σ） 上式右边即为强度r超过工作应力σ的概率，以此作为设计准则。 可靠性设计的有效性依赖于工程材料和工艺强化的性能统计资料、系统或产品的可靠性试验数据的积累。以可靠度等于或大于指定的概率值作为确定结构尺寸的依据。 null§1—4 发动机新技术的发展 一、发动机增压 增压就是将空气预先压缩然后再供入气缸,以期提高空气密度,增加进气量.采用增压技术是提高升功率、降低发动机比质量的最有效措施， 增压方式有： （1）机械增压 （2）废气涡轮增压 （3）谐波增压 （4）气波增压 其中废气涡轮增压在机械效率与燃油经济性、降低CO与HC排放、降低噪声、改善高原地区工作适应性等方面有很大的优越性，因此在柴油机和汽油机上都得到了越来越广泛的应用。 nullnullnull 按增压比划分可分为低增压(增压比小于1.6)、中增压(增压比在1.6到2.5)和高增压(增压比大于2.5)   1、柴油机增压改型设计内容 （1）降低压缩比，加大过量空气系数 （2）调整供油系统 （3）调整配气相位 （4）重新设计进排气系统 （5）提高主要承载件强度 2、汽油机增压 （1）降低压缩比 （2）减小点火提前角 （3）重新设计排气系统 null3、涡轮增压技术的发展 （1）增压中冷技术 A、水—空中冷 B、空—空中冷 （2）变工况调节 A、柴油机：多采用可调涡轮截面（VGT） nullnullnull可调截面涡轮原理 如图：如果两个管内压力相同，气体流过有颈缩的管要比流过无颈缩的管速度快。由此看出，截面缩小产生两个效果：①冲击涡轮叶片的气流速度增加，动能增大；②涡轮叶片前排气管阻力增大，发动机活塞推动功增加，气体的压力能增大。这两个效果都使得排气可用能增大，从而弥补了部分工况时的涡轮功不足的问题。 nullB、汽油机：多采用旁通放气系统 null4、谐波增压进气系统 原理：利用进气气流的惯性导致的在进气管中的压力波来增压。现代汽车发动机的进气系统大多为谐波增压进气系统或废气涡轮增压进气系统。发动机间断进气所引起的进气压力波对发动机进气量影响很大，进气管长度、直径进气系统参数会改变进气压力波,因而适当调整这些参数,可以有效利用进气管的压力波,提高充气效率,改善扭矩特性。   nullnull低转速时阀板关闭,使用长进气管,提高低转速扭矩,高速时(4000r/min)阀板打开,转换为短进气管 nullnullnullnullnullnull二、多气门技术   如：某汽车发动机采用5气门技术,进气流通面积极大化(φ38.2x1～ φ25.5x3,增大34%),提高发动机充气效率 null三、可变配气定时（VVT）机构 1、配气相位就是进、排气门的实际开闭时刻,通常用相对于上、下止点曲拐位置的曲轴转角的环形图来表示.这种图称为配气相位图. 2、进气门提前开启角α一般为10°～30°;进气门迟闭角β一般为40°～80°.排气门提前开启角γ一般为40°～80°;排气门迟闭角δ一般为10°～30°. null3.气门重叠是指进气门在上止点前开启,而排气门在上止点后才关闭,进排气门同时开启的现象.重叠时的曲轴转角称为气门重叠角. 四冲程发动机对气门正时要求: 进气门迟闭角、排气门提前角和气门重叠角应随转速增加而增加。 进气门迟闭角直接影响发动机的充气效率. 气门重叠角的大小对小负荷下的燃烧室内残余废气量起重要作用, 从而影响发动机的燃烧过程和废气排放；而且影响高负荷下燃烧室 零件的热负荷，尤其是增压发动机。 可变气门定时机构有多种方法，基本上可分为两种形式： null1、只改变气门定时和气门重叠角，不改变进排气门开启持续角和升程： 如某公司的凸轮机构采用链条传动的5V发动机的气门定时可变机构,如图所示，其本身和链条张紧器集成为一体,其工作原理是由一个电控的液压缸来完成.通过液压缸的控制可以改变液压缸中柱塞的升程,同时通过链条改变进、排气凸轮轴间的相对位置,从而改变进气凸轮轴的相位角.此装置不能实现连续可变,只能进行一点(一次性)调节。3600n/min以上进行所谓“功率调节”(涨紧),采用较大的进气门关闭角。缺点是凸轮型线及进气持续角均不变,高速时进气迟闭角增大,但气门叠开角减小。 nullnull2、既改变气门定时，也改变进排气门开启持续角 这类方法常采用两组凸轮。如三菱公司开发的一种机构，如下图所示,一组为低升程、短持续期进气凸轮(中、低速及大扭矩工况),另一组为高升程、长持续期进气凸轮(高速大功率工况)。 nullnull在采用液力挺柱的配气机构中采用的是另一种方法。如下图所示为Siemens公司的可变进气机构，不管液力挺柱是直接与凸轮接触还是安装在摇臂与推杆之间或气门杆端部与摇臂之间，通过控制电磁阀作用时间可以增大或减小它们之间的距离以改变气门升程、气门定时和作用角。 null有关试验表明：这种调节系统可使汽油机在部分负荷时燃油耗率 降低7%，能显著降低泵气损失和改善全负荷时的扭矩特性。缺点 是这种方法有时会在非凸轮型线的过渡段工作，从而使挺柱与凸 轮间产生较大的噪声与磨损，且气门升程还受进入液力挺柱进油 孔的机油随温度变化的影响。null四、发动机有害排放物控制 内燃机的排放污染源有排气污染、窜缸混合气和汽油蒸发三种。 发动机有害排放物: 汽油机有害排放物主要有：一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)、硫氧化合物(SOx)和铅化合物。 柴油机有害排放物主要有：氮氧化合物(NOx)、碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)、硫氧化合物(SOx)和微粒。 汽油机排放净化方法: 1) 机内净化包括改进燃烧室(采用面容比S/V较小的燃烧室以减少HC和CO排放量)、改进进气系统、采用稀薄分层燃烧技术、改用电控汽油喷射系统、改进点火系统、采用废气再循环和使用无铅汽油。 2) 机外净化包括强制曲轴箱通风装置、燃料蒸发控制、二次空气喷射和催化转换器。 3) 寻求新能源和代用燃料原料（清洁燃料） null柴油机排放净化方法: 1) 机内净化包括改进燃烧室设计、改进进排气系统、推迟喷油提前角、采用废气再循环和增压中冷。 2) 机外净化包括微粒捕集器和催化器。 3) 改进燃料. 这里只介绍二次空气喷射和废气再循环两种装置1、二次空气喷射 二次空气喷射就是将新鲜空气引入排气道,将灼热废气中HC和CO进一步氧化,形成无害的水和二氧化碳。具体方法是空气泵将经空气滤清器过滤的新鲜空气加压,通过电磁阀控制二次空气阀开启,将加压后的新鲜空气喷入排气道。通常认为发动机要达到欧III以上的排放法规要求，则必须采用二次空气喷射。 nullnull一台采用二次空气喷射净化装置的 增压轿车发动机null2、废气再循环（Exhaust Gas Recirculation，EGR） 废气再循环是针对有害气体NOx而设置的排气净化装置,一般情况下,氮和氧不能生成化合物,只能在富氧、高温情况下才能发生化合反应。发动机废气主要含有H2O、N2、CO2，其热容较高。利用EGR系统把适量废气混入新鲜混合气使之参与燃烧,便可以降低混合气氧浓度、吸收燃烧放出的热量,使燃烧速度减慢、燃烧温度降低,从而减少NOx生成数量. 对废气再循环总的控制要求是：NOX排放量随负荷增加而增加,EGR率也应随之增加;发动机水温低于一定值时,不应进行废气再循环;怠速和小负荷时,NOx排放量不高,不进行废气再循环;全负荷和急加速时,不应进行废气再循环。 nullnull五、发动机电控技术 null  第一章 (完)