发动机现代设计
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
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 ）
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,
计划与方案设计阶段 ；
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）
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
2,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
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 。
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,
eNeM MM /m a x??
MNn nn /??
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。
M?
n?
ep n
（ 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评
价指标 。 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
Pm
eP Pmm /?
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 ）
LP
heL VPP /?
VP
VPP eV /?
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,
气缸孔和曲轴轴颈磨损极限值
气缸直径 D（ mm）
主轴颈直 径
D1（ mm）
曲柄销直
径
D2（ mm）
50— 100 100— 200
允许极限
磨损值
(1/500—
1/200） D
（ 1/800）
D
(1/800）
D1
(1/800）
D2
允许最大
椭圆度
(1/1250)
D1
(1/1250)
D2
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。
（ 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。
不同用途车辆对发动机要求的重点
用途
最重要
较重要
次重要
城市公
共汽车
长途客
货车
省燃料
可靠性高
维修简便
有害排放少 （ 公共汽
车 ）
振动, 噪声小 （ 公共
汽车 ）
重量轻
体积小
寿命长
有害排放物少 （ 长
途客货车 ）
振动, 噪声小 （ 长
途客货车 ）
制造成本
轿车
变工况范围宽
有害排放少
振动噪声小
可靠性高
维修简便
制造成本低
省油
重量轻
体积小
寿命长
摩托车
重量轻
体积小
制造成本低
噪声小
有害排放物少
可靠性高
维修简便
省油
寿命长
振动小
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
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%
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；
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
（ 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；
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
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。
3,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；
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
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
?30
znVpP he
e ?
ep
hV
z
n
?
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,,
c o n s tCpzDP mee ?? ?
2
c o n stzD ?2
2/1
1
zD ? 2/1
1
zDS ??
2/3
2 1
zSDV h ?? 2/11zzV h ?
c o n s tsnC m ?? 30 2/11 zSn ?? 2/1zzVPP
h
e
L ??
可以看出：当 Pe, pe,Cm,S/D和 η 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。
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
DD
D 1
3
2
??
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
（ 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。
气缸排列方式
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,
(a) 契形 (b) 蓬形 (c) 盆形 (d) 碗形
汽油机燃烧室
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。
（ 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 。
§ 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
??
2
3107854.0
30
zDCpznVpP mehe
e ????
?
ep
hV
z
n
?
mC
由上式可知, 当 z,η, 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/η
表示
强化系数 peCm/η 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 ）
????? /iVmime pp ??
?????? /siVmime pp ??
h
i
V
W
ip ?
因此, 提高 pe必须,
提高 η V,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
提高 η m,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 γ s,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
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 p =0.4— 0.65MPa
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,
2
2
2'
2
3
2
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me CpKq ?? ''
③ 进排气阻力增加, 充气系数 η v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/(μ miFv)
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
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, C 增大, 摩擦加剧, 磨损加快, 寿命下降,
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 。
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
DS
C
DK
nS
KD
RmP
m
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60
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???
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??
最大往复惯性力
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,
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
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
?30
znVpP he
e ?
nzp
P
V
e
e
h
?30
?
3
1
3
1
4 ??
?
??
?
??
?
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?
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D
SVD
h? DD
SS ??
?
??
?
??
nzV
Pp
h
e
e
?30?
30
SnC
m ?
§ 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,工程分析方法数据库：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 。
1、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
2、缸内流场
计算
X
Y
Z
F r a m e 0 0 1 ? 2 4 A p r 2 0 0 3 ? V i e w K i v a M e s h
流动域计算网格
The Calculation Grid of Flow Region
Y X
Z
F r a m e 0 0 1 ? 2 5 A p r 2 0 0 3 ? K 1 2 2 2 9 8 k i v a - 3,m o v i n g p i s t o n i n 1 8 0 - d e g, t e a p o t m e s h 0 5 1 7 9 9 C A = - 1 2 9, 8 3 4
X
Y
Z
F r a m e 0 0 1 ? 2 5 A p r 2 0 0 3 ? K 1 2 2 2 9 8 k i v a - 3,m o v i n g p i s t o n i n 1 8 0 - d e g, t e a p o t m e s h 0 5 1 7 9 9 C A = - 1 2 9, 8 3 4
Y X
Z
F r a m e 0 0 1 ? 2 5 A p r 2 0 0 3 ? K 1 2 2 2 9 8 k i v a - 3,m o v i n g p i s t o n i n 1 8 0 - d e g, t e a p o t m e s h 0 5 1 7 9 9 C A = 5 0 0, 0 4 6
X
Y
Z
F r a m e 0 0 1 ? 2 5 A p r 2 0 0 3 ? K 1 2 2 2 9 8 k i v a - 3,m o v i n g p i s t o n i n 1 8 0 - d e g, t e a p o t m e s h 0 5 1 7 9 9 C A = 5 0 0, 0 4 6
A A
（ a）
（ b） A-A
剖面
B B
B-B剖面
-130° CA时的流动速矢图和燃油浓度
云图
The Vectorgraph of Velocity and
Contour Graph of Fuel concentration
at -130° CA
140° CA时的流动速矢图和燃油浓度云
图
The Vectorgraph of Velocity and
Contour Graph of Fuel concentration
at 140° CA
（ c）
3、强度校核
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 。
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 。
? ?TnxxxxX,,,,321 ?????
),,,,()( 321 nxxxxFXF ????
),,2,1(0),,,,()( 321 sixxxxgXg nii ?????????
),,2,1(0),,,()(,321 mkxxxxhXh nkk ?????????
),,2,1( njbxa jjj ??????
?????? )()()( 2211 XFWXFWXF
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。
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>ζ ）
上式右边即为强度 r超过工作应力 ζ 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 。
),,,,( 321 nxxxxf ?????
),,,,( 321 nyyyygr ????
§ 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。
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
3,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）
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 。
B,汽油机：多采用旁通放气系统
4,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。
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
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
(θ 38.2x1～ θ 25.5x3,增大 34%),提高发动机充气效率
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°,
3.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,
1,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。
2,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 )。
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。
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。
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 ）
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 。
二次空气喷射阀
一台采用二次空气喷射净化装置的
增压轿车发动机
2、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 。
节气门开关
EGR控制 阀
水温传感器
EGR电磁阀
转速传感器
启动信号
ECU
五, 发动机电控技术
第一章 (完 )
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
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 ）
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,
计划与方案设计阶段 ；
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）
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
2,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
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 。
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,
eNeM MM /m a x??
MNn nn /??
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。
M?
n?
ep n
（ 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评
价指标 。 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
Pm
eP Pmm /?
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 ）
LP
heL VPP /?
VP
VPP eV /?
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,
气缸孔和曲轴轴颈磨损极限值
气缸直径 D（ mm）
主轴颈直 径
D1（ mm）
曲柄销直
径
D2（ mm）
50— 100 100— 200
允许极限
磨损值
(1/500—
1/200） D
（ 1/800）
D
(1/800）
D1
(1/800）
D2
允许最大
椭圆度
(1/1250)
D1
(1/1250)
D2
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。
（ 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。
不同用途车辆对发动机要求的重点
用途
最重要
较重要
次重要
城市公
共汽车
长途客
货车
省燃料
可靠性高
维修简便
有害排放少 （ 公共汽
车 ）
振动, 噪声小 （ 公共
汽车 ）
重量轻
体积小
寿命长
有害排放物少 （ 长
途客货车 ）
振动, 噪声小 （ 长
途客货车 ）
制造成本
轿车
变工况范围宽
有害排放少
振动噪声小
可靠性高
维修简便
制造成本低
省油
重量轻
体积小
寿命长
摩托车
重量轻
体积小
制造成本低
噪声小
有害排放物少
可靠性高
维修简便
省油
寿命长
振动小
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
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%
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；
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
（ 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；
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
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。
3,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；
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
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
?30
znVpP he
e ?
ep
hV
z
n
?
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,,
c o n s tCpzDP mee ?? ?
2
c o n stzD ?2
2/1
1
zD ? 2/1
1
zDS ??
2/3
2 1
zSDV h ?? 2/11zzV h ?
c o n s tsnC m ?? 30 2/11 zSn ?? 2/1zzVPP
h
e
L ??
可以看出：当 Pe, pe,Cm,S/D和 η 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。
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
DD
D 1
3
2
??
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
（ 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。
气缸排列方式
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,
(a) 契形 (b) 蓬形 (c) 盆形 (d) 碗形
汽油机燃烧室
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。
（ 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 。
§ 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
??
2
3107854.0
30
zDCpznVpP mehe
e ????
?
ep
hV
z
n
?
mC
由上式可知, 当 z,η, 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/η
表示
强化系数 peCm/η 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 ）
????? /iVmime pp ??
?????? /siVmime pp ??
h
i
V
W
ip ?
因此, 提高 pe必须,
提高 η V,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
提高 η m,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 γ s,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
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 p =0.4— 0.65MPa
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,
2
2
2'
2
3
2
m a x
/
)1(
60
2
2
)1(
m
m
jj
C
DS
C
DK
nS
KD
RmP
??
??
?
?
?
?
?
???
?
??
?
?
??
?
me CpKq ?? ''
③ 进排气阻力增加, 充气系数 η v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/(μ miFv)
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
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, C 增大, 摩擦加剧, 磨损加快, 寿命下降,
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 。
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
DS
C
DK
nS
KD
RmP
m
jj
/
)1(
60
2
2
)1(
2
2'
2
3
2
m a x
?
??
?
?
?
?
?
???
?
??
?
?
??
最大往复惯性力
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,
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
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
?30
znVpP he
e ?
nzp
P
V
e
e
h
?30
?
3
1
3
1
4 ??
?
??
?
??
?
??
?
??
D
SVD
h? DD
SS ??
?
??
?
??
nzV
Pp
h
e
e
?30?
30
SnC
m ?
§ 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,工程分析方法数据库：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 。
1、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
2、缸内流场
计算
X
Y
Z
F r a m e 0 0 1 ? 2 4 A p r 2 0 0 3 ? V i e w K i v a M e s h
流动域计算网格
The Calculation Grid of Flow Region
Y X
Z
F r a m e 0 0 1 ? 2 5 A p r 2 0 0 3 ? K 1 2 2 2 9 8 k i v a - 3,m o v i n g p i s t o n i n 1 8 0 - d e g, t e a p o t m e s h 0 5 1 7 9 9 C A = - 1 2 9, 8 3 4
X
Y
Z
F r a m e 0 0 1 ? 2 5 A p r 2 0 0 3 ? K 1 2 2 2 9 8 k i v a - 3,m o v i n g p i s t o n i n 1 8 0 - d e g, t e a p o t m e s h 0 5 1 7 9 9 C A = - 1 2 9, 8 3 4
Y X
Z
F r a m e 0 0 1 ? 2 5 A p r 2 0 0 3 ? K 1 2 2 2 9 8 k i v a - 3,m o v i n g p i s t o n i n 1 8 0 - d e g, t e a p o t m e s h 0 5 1 7 9 9 C A = 5 0 0, 0 4 6
X
Y
Z
F r a m e 0 0 1 ? 2 5 A p r 2 0 0 3 ? K 1 2 2 2 9 8 k i v a - 3,m o v i n g p i s t o n i n 1 8 0 - d e g, t e a p o t m e s h 0 5 1 7 9 9 C A = 5 0 0, 0 4 6
A A
（ a）
（ b） A-A
剖面
B B
B-B剖面
-130° CA时的流动速矢图和燃油浓度
云图
The Vectorgraph of Velocity and
Contour Graph of Fuel concentration
at -130° CA
140° CA时的流动速矢图和燃油浓度云
图
The Vectorgraph of Velocity and
Contour Graph of Fuel concentration
at 140° CA
（ c）
3、强度校核
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 。
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 。
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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。
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>ζ ）
上式右边即为强度 r超过工作应力 ζ 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 。
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§ 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。
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
3,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）
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 。
B,汽油机：多采用旁通放气系统
4,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。
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
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
(θ 38.2x1～ θ 25.5x3,增大 34%),提高发动机充气效率
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°,
3.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,
1,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。
2,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 )。
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。
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。
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 ）
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 。
二次空气喷射阀
一台采用二次空气喷射净化装置的
增压轿车发动机
2、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 。
节气门开关
EGR控制 阀
水温传感器
EGR电磁阀
转速传感器
启动信号
ECU
五, 发动机电控技术
第一章 (完 )
