内燃机课程设计说明书文档格式.docx

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内燃机课程设计任务书

一、题目：

车用汽油机热力设计

二、给定参数：

1.发动机排量：

3.2L。

2．汽油重量成分：

C＝0.855，H=0.145，O=0.000。

3．汽油的低位发热值：

Hu=43070kJ/kg。

三、设计内容

1．方案选择和总体设计（确定主要性能参数和结构参数）。

2．工作循环计算（包括最低转速、最大扭矩、最大功率、最高速度工况）与示功图。

3．热平衡计算与热平衡图。

4．外特性计算与外特性曲线图。

5．绘制连杆零件图（A2）。

四、设计要求

1．编写设计计算说明书一份，1.2万字左右（20～25页）。

2．用计算机书写文本，用AutoCAD绘图。

3．公式要有出处，符号要有说明。

1方案选择和总体设计

内燃机总体设计和方案选择是设计工作的第一阶段，在产品总体设计中要选择和确定内燃机的主要设计参数，在进行热计算和外特性计算和主要零部件设计前，首先要选择零部件的类型、布局方式。

如：

气缸的布局方式、燃烧室的选择、缸心距的确定、压缩比的选取、活塞行程比的选取、曲柄连杆比的选取等。

1.1汽油机主要参数的确定

1.1.1冲程数的选择——四冲程

二冲程汽油机和四冲程汽油机相比，尽管当二冲程发动机的工作容积和转速与四冲程发动机相同时，在理论上它的功率应该是四冲程的两倍；

且因其做功频率较高，其工作运转较均匀平稳；

并且其构造简单，质量小，使用方便。

但同时二冲程相比四冲程有以下主要缺点：

1）二冲程汽油机的热负荷比较高，特别是活塞组的热负荷比较高（活塞顶的平均温度比四冲程汽油机约高50~60℃）,而且气缸内压力总是大于一个大气压，使活塞环在环槽中活动性减小，积碳不易排除，容易使活塞环失去工作能力；

由于作用在轴承上的负荷是单向的，这对润滑不利。

使二冲程汽油机的使用可靠性与寿命不如四冲程汽油机。

2）二冲程汽油机换气质量差，使燃烧条件变差，同时带动换气泵也需要消耗一部分功率，且有一部分新鲜可燃混合气随同废气排出，因此其燃油经济性比较差。

3）二冲程汽油机热负荷较高，因而对机油质量要求比四冲程汽油机高；

由于机油容易窜入扫气孔和排气孔边缘，随气流进入气缸燃烧或从排气管排出，因此，机油的消耗率较大。

4）高压泵与喷油嘴的工作较繁重，寿命较短。

此外，二冲程汽油机的噪音、排气污染都比四冲程汽油机严重。

因此，在本设计中选四冲程汽油机（τ=4）。

1.1.2气缸数和布置方式的选择—六缸、直列式

发动机的汽缸数和气缸布置方式，对其外形尺寸、平衡性和制造成本等都有很大影响。

汽车发动机是按发动机排量分等级的，例如1L、2L、2.5L等指的就是发动机的排量。

由于发动机排量等于气缸的排量与气缸数的乘积，而气缸排量又是活塞顶面面积与发动机活塞行程的乘积，所以，在发动机排量相等的条件下，气缸数越多，每一气缸的尺寸就越小，零件尺寸也小。

在给定的功率要求下，如果平均有效压力和活塞平均速度不变，则内燃机的升功率和缸数的平方成正比。

也就是说多缸发动机比较紧凑轻巧，往复质量平稳性好，转矩匀称性得到改善，使多缸发动机运转平顺，而且启动容易，加速响应性好。

同时发动机的转速也可以高些，升功率也提高，但是，随着气缸数的增加，发动

机零件数量增加，结构复杂，可靠度下降，质量和尺寸相对增大，制造成本也相应提高。

汽车发动机的气缸数量有2缸、3缸、4缸、5缸、6缸、8缸、12缸等，其中3、4、6、8缸最多。

对汽车发动机来说，一般采用两种气缸排列方式，一种是单列式，亦称L式，其特点是结构简单，可以使用一个整体式气缸盖，单列式发动机可以是气缸直列的（即直列式发动机）；

也可以是斜置式或水平安置的，图1-1直列式图1-2V形

发动机中气缸直列的和斜置的比较多。

另外一种气缸排列方式是两列气缸成V型布置的V型发动机，其特点是总体结构比较紧凑，由于发动机的长度和高度尺寸比较小，在汽车上布置起来比较方便。

缺点是机体形状比较复杂，至少需要使用两个气缸盖，所以制造成本较高。

当V型夹角为180°

时，则称对置式发动机，在汽车里用得较少。

六缸以下的发动机绝大多数是单列的，其气缸轴线坐在平面与地面垂直或倾斜的角度，后者是为了降低发动机的总高度多用于小轿车。

气缸轴卧式内燃机，机器总高度大大减小，可以布置在汽车底盘中部的车厢地板下面，有利于改善汽车面积的利用率、视野性、操作性和机动性好，适用于大型客车和重型货车。

排量1L以下的轿车发动机绝大多数是L3发动机（单列式3缸发动机）；

而排量在1L和2L且发动机前置并前驱的轿车和轻型货车大多数采用L4发动机；

L5发动机常用在发动机前置，而用L4发动机长度太小，用L6发动机长度又太长的场合，但L5发动机平衡性差，需加上一套比较复杂的平衡机构，所以相对来说，用的比较少；

L6发动机常用在排量为2L-3L的中高级轿车的增压发动机和中型以上的各种客货载重车的自然吸气和增压发动机上，其平衡性比4缸、5缸都要好，增压时对排气脉冲的利用率也最好。

V型排列，发动机空间利用率高，且很好的降低了工作重心，有利于提高汽车的操控性，和平衡性。

60°

夹角的V型机是现在比较普遍的，由于夹角比90°

的V型机要小，所以曲轴受发动机的剪力要小些，所以曲轴制造相对简单些，90°

的V型机（奔驰新S级装备的V6机）承受的剪力就要大些，但是它的好处是可以降低发动机的高度，从而降低整个发动机仓的高度，也就有益于降低整个车身的重心，这对于提高汽车的操控性能是很好的。

本次采用6缸，即i=6，直列式内燃机。

1.1.3行程和其缸径的比值

行程S和其缸径D的比值S/D是对汽油机结构和性能有重大影响的参数。

合理地选择S/D应考虑以下因素：

1）选用较小的S/D，可减小汽油机的高度、宽度和重量。

2）S/D减小是，汽油机的转速可增加，提高了汽油机的升功率，但增加了运动件的惯性力和汽油机的噪声。

3）S/D比值过小，特别是对直喷式燃烧室的汽油机，为保持一定的压缩比以和燃烧室容积与压缩容积比值，必将使活塞与气缸盖之间需要更小的间隙，这就增加制造上的困难。

入间隙不能保证，将使发动机各性能指标难以达到。

一般汽车用V型汽油机大多选用较小的S/D值，直列式采用较大的S/D值，即使汽车型号相同时，也可以采用不同的行程，以满足不同用途的需要。

目前高速柴油机来说S/D值在0.9~1.15范围内，中速柴油机为1~1.25，低速柴油机则为1.6~2.2，汽油机的S/D则在0.8~1.2范围内（参考文献1）。

本次采用的是S/D=1.10。

1.1.4缸径和行程

由，代入S/D=1.10，i=6，V=3.2L得：

D=85mm，S=94mm

1.1.5活塞平均速度

活塞平均速度表征汽油机高速性和强化程度的一项主要指标，对汽油机总体设计和主要零件结构形式影响很大。

在功率给定以后，若平均有效压力、活塞行程和缸数维持不变，提高活塞平均速度可使气缸直径减小，汽油机体积小、质量轻。

在活塞行程确定后，活塞平均速度可由公式=Sn/30求得。

本设计取：

额定转速n=5000rpm，可得本设计活塞平均速度为=15.7m/s；

怠速转速n=900rpm,可得本设计活塞平均速度为=2.82m/s；

最大扭矩转速n=2500rpm,可得本设计活塞平均速度为=7.83m/s；

最大功率（速度）工况n=6000rpm,可得本设计活塞平均速度为=18.8m/s；

提高活塞平均速度受到下列因素的限制：

提高活塞平均速度，使运动件的惯性力增大，同时活塞、气缸和气缸盖的热负荷也相应增加。

提高活塞平均速度使汽油机零件的磨损加快，缩短了汽油机的大修期。

活塞平均速度的提高，使摩擦功率损失迅速增加，机械效率降低，燃油消耗率升高。

进、排气阻力随着活塞平均速度的提高而增加，使充气效率降低。

随着活塞平均速度的提高，汽油机的平衡、振动和噪声等问题突出。

一般汽油机总噪声强度约与转速的三次方成正比。

1.1.6气缸中心距和其与缸径的比值

气缸中心距其与缸径的比值，是表征汽油机长度的紧凑性和重量指标的重要参数，它与汽油机的强化程度、气缸排列和机体的刚度有关。

选择气缸中心距是应考虑以下因素：

1）确定气缸中心距的大小。

首先考虑曲轴的曲柄臂的厚度和主轴颈、曲柄销的长度，是主轴承和连连杆轴承有足够的承压面积，并保证曲轴有良好的强度和刚度。

式中：

为气缸中心距单位：

mm；

为主轴承长度单位：

为曲柄销长度单位：

h为曲柄臂厚度，mm。

2）气缸套型式和水套的布置。

3）气缸盖的布置。

气缸中心距与气缸盖固定螺栓、进排气道和冷却水道的布置密切相关，并将直接影响汽油机的性能、可靠性和寿命，对缸径较小的多缸汽油机可采用整体式气缸盖以缩小气缸中心距。

从增强机体刚度着眼，目前高速汽油机缸心距有缩小的趋势。

目前汽油机的/D值：

其值一般在1.16~1.22之间（参考文献6），本次设计取1.20。

故本设计中/D取1.20，=1.20*85=102mm。

1.1.7曲柄半径和连杆长度比

曲柄半径和连杆长度比，即，是一项确定连杆长度的重要参数，行程S确定以后，选择主要考虑以下因素：

1）选择较大的值，使连杆短、重量轻，往复和离心重量小，有利于汽油机高速化，并可降低直列式汽油机的高度，减轻汽油机重量。

2）较大的值，虽缩短了连杆长度，但增加连杆摆角和活塞侧压力，对缸套磨损不利。

3）在选择连杆长度是，要保证在下止点时不与曲轴平衡块碰，活塞在上止点时曲柄不与缸套相碰。

小型高速化汽油机值较高，一般在0.27~0.31之间（参考文献6）。

根据本机特点，本设计选值为0.3。

由活塞行程S可知：

曲轴半径R=S/2=94/2=47mm，可知连杆长度l=R/=47/0.3=156.67mm。

1.1.8燃烧室的选择

燃烧室设计直接影响到发动机的充量系数，火焰传播速率和放热率，传热损失和爆燃，从而影响发动机的性能。

对燃烧室有两点基本要求：

一是结构尽可能紧凑，表面积要小，以减少热量损失和缩短火焰行程；

其次是使混合气在压缩终了时具有一定的气流运动，提高混合气燃烧速度，保证混合气得到和时和充分的燃烧。

车用汽油机的典型燃烧室形状有以下类型：

1）楔形燃烧室，这是车用汽油机采用比较广泛的燃烧室，这种燃烧室有较高的动力性和经济性，但由于混合气过分集中在火花塞处，使初期燃烧速率和压力升高比大，工作显得粗暴一些。

2）浴盆形燃烧室，有挤气面积，但由于燃烧室的形状，挤气的效果比较差，火焰传播距离比较长，燃烧速率比较低，燃烧时间长，且浴盆形燃烧室的面容比F/V较大，对HC的排放是不利的，但压力升高比低，工作柔和，NOx排放低。

3）碗形燃烧室，全部机加工而成，有精确的形状和容积，燃烧室表面光滑，紧凑，挤流效果好，压缩比可高达11。

4）半球形燃烧室，由于具有弧形气缸盖而特别适合于二冲程汽油机，因此各种用途的二冲程汽油机都采用半球形燃烧室。

5）其他燃烧室类型。

综上所述，设计采用半球型燃烧室。

1.1.9压缩比ɛ

压缩比直接影响汽油机的性能、机械负荷、启动性能以和主要零件的结构尺寸。

在一定范围内，汽油机的热效率随压缩比的增加而提高，增大压缩比也可使汽油机的启动性能得到改善。

但压缩比的提高将使气缸最高爆发压力相应上升，机械负荷增加，对汽油机的使用寿命有影响。

选择最佳压缩比应综合分析燃烧室的型状、热效率、启动性能和机械负荷等方面的影响。

目前，车用汽油机的压缩比ɛ大多在6~12之间。

根据国内外市场上本机型的