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发动机的选择技巧

回顾发动机产生和发展的历史,它经历了蒸汽机外燃机内燃机三个发展阶段。发动机排量是非常重要的发动机参数,它比缸径和缸数更能代表发动机的大小,发动机的许多指标都同排气量密切相关。一般来说,排量越大,发动机输出功率越大。

外燃机,就是说它的燃料在发动机的外部燃烧,1816年由苏格兰的R.斯特林所发明,故又称斯特林发动机。发动机将这种燃烧产生的热能转化成动能,瓦特改良的蒸汽机就是一种典型的外燃机,当大量的煤燃烧产生热能把水加热成大量的水蒸汽时,高压便产生了,然后这种高压又推动机械做功,从而完成了热能向动能的转变。明白了什么是外燃机,也就知道了什么是内燃机。这一类型的发动机与外燃机的最大不同在于它的燃料在其内部燃烧。内燃机的种类十分繁多,常见的汽油机柴油机是典型的内燃机。不常见的火箭发动机和飞机上装配的喷气式发动机也属于内燃机。不过,由于动力输出方式不同,前两者和后两者又存在着巨大的差异。一般地,在地面上使用的多是前者,在空中使用的多是后者。当然有些汽车制造者出于创造世界汽车车速新纪录的目的,也在汽车上装用过喷气式发动机,但这总是很特殊的例子,并不存在批量生产的适用性。

此外还有燃气轮机,这种发动机的工作特点是燃烧产生高压燃气,利用燃气的高压推动燃气轮机的叶片旋转,从而输出动力。燃气轮机使用范围很广,但由于很难精细地调节输出的功率,所以汽车和摩托车很少使用燃气轮机,只有部分赛车装用过燃气轮机。首先来看看最常见的一个发动机参数——发动机排量。发动机排量是发动机各汽缸工作容积的总和,一般用升(L)表示。而汽缸工作容积则是指活塞从上止点到下止点所扫过的气体容积,又称为单缸排量,它取决于缸径和活塞行程

一、发动机形式的选择 

当前汽车上使用的发动机仍然是以往复式内燃机为主。它分为汽油机、柴油机两类。 与汽油机比较,柴油机具有较好的燃油经济性,使用成本低,在相同的续驶里程内,可以设置容积小些的油箱。柴油机压缩比可以达到1 523,而汽油机一般控制在810;柴油机热效率高达38%,而汽油机为30%;柴油机工作可靠,寿命长,排污量少。 

柴油机的主要缺点是:由于提高了压缩比,要求活塞和缸盖的间隙尽可能小,加工精度比汽油机要求更高;因自燃产生的爆发压力很大,因此要求柴油机各部分的结构强度比汽油机高,使尺寸和质量加大,振动与噪声大。 柴油机主要用于货车、大型客车上。随着发动机技术的进步,轻型车和轿车用柴油机有日益增多的趋势。 

根据发动机气缸排列形式不同,发动机有直列、水平对置和V型三种。气缸直列式排列具有结构简单、宽度窄、布置方便等优点。但当发动机缸数多时,长度尺寸过长,在汽车上布置困难,因此直列式适用于6缸以下的发动机。此外,直列式还有高度尺寸大的缺点。

与直列发动机比较,V型发动机具有长度尺寸短因而曲轴刚度得到提高,高度尺寸小,发动机系列多等优点。其主要缺点是用于平头车时,因发动机宽而布置上较为困难,造价高。 水平对置式发动机的主要优点是平衡好,高度低。 V型发动机主要用于中、高级和高级轿车以及重型货车上,水平对置式发动机在少量大客车上得到应用。 

根据发动机冷却方式不同,发动机分为水冷与风冷两种。大部分汽车用水冷发动机,因为它具有冷却均匀可靠、散热良好、噪声小和能解决车内供暖问题,以及加大散热器面积后,能较好适应发动机增压后散热的需要等优点。水冷发动机的主要缺点是冷却系结构复杂;使用与维修不方便;冷却性能受环境温度影响较大,夏季冷却水容易过热,冬季又容易过冷,并且在室外存放,水结冰后能冻坏气缸缸体和散热器。 

当选用尺寸和质量小的发动机时,不仅有利于汽车小型化、轻量化,同时在保证客厢内部有足够空间的条件下,还能节约燃料。 

由于天然气资源充足,在今后一个阶段内天然气汽车将得到应用。无排气公害、无噪声的电动汽车,是理想的低污染车,在解决高能蓄电池和降低成本后会在汽车上得到推广使用。太阳能汽车也是理想的低污染汽车,目前还未达到商品化阶段。 

二、发动机主要性能指标的选择 

要缺点是用于平头车时,因发动机宽而布置上较为困难,造价高。 水平对置式发动机的主要优点是平衡好,高度低。 V型发动机主要用于中、高级和高级轿车以及重型货车上,水平对置式发动机在少量大客车上得到应用。 

根据发动机冷却方式不同,发动机分为水冷与风冷两种。大部分汽车用水冷发动机,因为它具有冷却均匀可靠、散热良好、噪声小和能解决车内供暖问题,以及加大散热器面积后,能较好适应发动机增压后散热的需要等优点。水冷发动机的主要缺点是冷却系结构复杂;使用与维修不方便;冷却性能受环境温度影响较大,夏季冷却水容易过热,冬季又容易过冷,并且在室外存放,水结冰后能冻坏气缸缸体和散热器。 

当选用尺寸和质量小的发动机时,不仅有利于汽车小型化、轻量化,同时在保证客厢内部有足够空间的条件下,还能节约燃料。 由于天然气资源充足,在今后一个阶段内天然气汽车将得到应用。无排气公害、无噪声的电动汽车,是理想的低污染车,在解决高能蓄电池和降低成本后会在汽车上得到推广使用。太阳能汽车也是理想的低污染汽车,目前还未达到商品化阶段。 

二、发动机主要性能指标的选择 

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1、发动机最大功率maxeP和相应转速pn 

根据所需要的最高车速maxav (kmh),用下式估算发动机最大功率 式中,maxeP为发动机最大功率(kW)T?为传动系效率,对驱动桥用单级主减速器的4x2汽车可取为90%;am为汽车总质量(kg)g为重力加速度(m2s)rf为滚动阻力系数,对轿车rf=O.01 65 x[1+O.01(av-50)],对货车取O.02,矿用自卸车取O.03av用最高车速代入;DC为空气阻力系数,轿车取O.30O.35,货车取O.801.OO,大客车取O.60O70A为汽车正面投影面积(2m)maxav为最高车速。 参考同级汽车的比功率统计值,然后选定新设计汽车的比功率值,并乘以汽车总质量,也可以求得所需的最大功率值。 最大功率转速pn的范围如下:汽油机的pn30007000rmin,因轿车最高车速高,pn值多在4000rmin 以上,轻型货车的pn值在40005000rmin之间,中型货车的pn值更低些。

柴油机的pn

1、8004000rmin之间,轿车和轻型货车用高速柴油机,pn值常取在32004000rmin之间,重型货车用柴油机的pn值取得低。

2、发动机最大转矩maxeT及相应转速Tn 用下式计算确定maxeT 式中,maxeT为最大转矩(N·m)a为转矩适应性系数,一般在1.11.3之间选取;maxeP 为发动机最大功率(kW)pn为最大功率转速(rmin) 要求pnTn1.42.0之间选取。 

三、发动机的悬置 

汽车是多自由度的振动体,并受到各种振源的作用而发生振动。发动机就是振源之一。发动机是通过悬置元件安装在车架上。悬置元件既是弹性元件又是减振装置,其特性直接关系到发动机振动向车体的传递,并影响整车的振动与噪声。合理的悬置不但可以减小振动、降低噪声以改善乘坐舒适性,还能提高零部件和整车寿命。因此,发动机的悬置设计越来越受到设计者的重视。     

发动机悬置应满足下述要求:因悬置元件要承受动力总成的质量,为使其不产生过大的静位移而影响工作,因此要求悬置元件刚度大些为好;发动机本身的激励以及来自路面的激励都经过悬置元件来传递,因此又要求悬置元件有良好的隔振性能;因发动机工作频带宽,大约在10500Hz范围内,要求悬置元件有减振降噪功能,并要求悬置元件工作在低频大振幅时(如发动机怠速状态)提供大的阻尼特性,而在高频低幅振动激励下提供低的动刚度特性,以衰减高频噪声;悬置元件还应当满足耐机械疲劳、橡胶材料的热稳定性及抗腐蚀能力等方面的要求。 

传统的橡胶悬置由金属板件和橡胶组成,见图1-5。其特点是结构简单,制造成本低,但动刚度和阻尼损失角θ(阻尼损失角越大表明悬置元件提供的阻尼越大)的特性曲基本上不随激励频率变                 

液压阻尼式橡胶悬置(以下简称液压悬置)的动刚度及阻尼损失角有很强的变频特性,见图1-6。从图1-6a看到,液压悬置的动刚度在10Hz左右达到最小,在20Hz左右达到最大,而后开始下降;在频率超过30Hz以后趋于平稳。图1-6b表明液压悬置阻尼损失角在525Hz范围内比较大,这一特性对于衰减发动机怠速频段内(一般为2025Hz)的大幅振动十分有利。                   

联接杆1与发动机支承臂联接,底座8的螺孔与车身联接,液压悬置主要由橡胶主簧11、惯性通 道体10、橡胶底膜7和底座8构成。惯性通道体把液压悬置分为上、下两个液室,内部充满液体。由具有节流孔的惯性通道体连通上下两个液室。 

通常下室体积刚度比上室低。当经发动机支承臂 传至螺纹联接杆的载荷发生变化时,上室内的压 力跟随变化。如果上室液体受到压缩,则液体经 节流孔流人下室;当上室受到的压力解除后,液 体又流回上室。液体经节流孔上、下流动过程中 产生的阻尼吸收了振动能量,减轻了发动机振动 向车身()的传递,起到隔振作用。

液压悬置目前在轿车上得到比较广泛的应用。 发动机前悬置点应布置在动力总成质心附近,支座应尽可能宽些并布置在排气管之前。

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