汽车设计课程设计说明书

汽车设计课程设计

发动机设计

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目录

1.发动机概述 (2)

2.发动机课程设计目的及内容 (5)

2.1课程设计目的 (5)

2.2发动机课程设计的任务 (5)

2.3课程设计的主要内容及要求 (5)

3.给定参数 (6)

4.本发动机的结构特点，适用范围 (7)

5.主要零件的材料及成型方法的选用依据 (11)

6.现代发动机技术发展动态论述 (12)

7.小结 (18)

8.参考文献 (18)

1.发动机概述

发动机是将自然界某种能量直接转换为机械能并拖动某些机械进行工作的机器。将热能转化为机械能的发动机，称为热力发动机（简称热机），其中热能是由燃料燃烧所产生的。内燃机是热力发动机的一种，其特点是液体和气体燃料和空气混合后直接输入机器内部燃烧产生热量，然后再转变成机械能，另一种热机是外燃机，如蒸汽机，汽轮机或燃气轮机等，其特点是燃料在机器外部燃烧以加热水，产生高温、高压的水蒸气，输送至

机器内部，使所含的热能转变成机械能。

内燃机与外燃机相比，具有热效率高、体积小、质量小、便于移动、起动性能好等优点，因而广泛应用于飞机、船舶以及汽车、拖拉机、坦克等各种车辆上。但是内燃机一般要求使用石油燃料，并排出的废气当中所含的有害气体成分较高。

根据车用内燃机将热能转化为机械能的主要构件形式的不同，可分为活塞式内燃机和燃气轮机两大类。前者又可按活塞运动方式的不同分为往复活塞式和旋转活塞式两种。往复活塞式内燃机在汽车上面的应用最为广泛，本次课程设计的研究对象是三缸往复活塞式内燃机。

发动机是一部由许多机构和系统组成的复杂机器。无论是汽油机，还是柴油机；无论是四行程发动机，还是二行程发动机；无论是单缸发动机，还是多缸发动机。要完成能量转换，实现工作循环，保证长时间连续正常工作，都必须具备以下一些机构和系统。

（1）曲柄连杆机构曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。在作功行程中，活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并从曲轴对外输出动力。而在进气、压缩和排气行程中，飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。

（2）配气机构配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气过程。配气机构大多采用顶置气门式配气机构，一般由气门组、气门传动组和气门驱动组组成。

（3）燃料供给系统汽油机燃料供给系的功用是根据发动机的要求，配制出一定数量和浓度的混合气，供入气缸，并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中去；柴油机燃料供给系的功用是把柴油和空气分别供入气缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧，最后将燃烧后的废气排出。

（4）润滑系统润滑系的功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。并对零件表面进行清洗和冷却。润滑系通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。

（5）冷却系冷却系的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。水冷发动机的冷却系通

常由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成。

（6）点火系在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系，点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。

（7）起动系要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置，称为发动机的起动系。

汽油机由以上两大机构和五大系统组成，即由曲柄连杆机构，配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系组成；柴油机由以上两大机构和四大系统组成，即由曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系和起动系组成，柴油机是压燃的，不需要点火系。

图1.发动机总体剖视图

下面以四行程发动机（four-stroke engine)为例说明发动机工作原理和工作过程。

四行程汽油机经过进气、压缩、作功和排气行程完成一个工作循环。

(1) 进气行程活塞从上止点向下止点运动，排气门关闭，进气门打开。可燃混合气通过进气门被吸入气缸，直至活塞向下运动到下止点。

(2) 压缩行程曲轴继续旋转，活塞从下止点向上止点运动，这时进气门和排气门都关闭，气缸内成为封闭容积，可燃混合气受到压缩，压力和温度不断升高，当活塞到达上止点时压缩行程结束。

(3) 作功行程作功行程，进气门和排气门仍然保持关闭。当活塞位于压缩行程接近上止点(即点火提前角)位置时，火花塞产生电火花点燃可燃混合气，可燃混合气燃烧后放出大量的热使气缸内气体温度和压力急剧升高，推动活塞从上止点向下止点运动，通过连杆使曲轴旋转并输出机械功，除了用于维持发动机本身继续运转外，其余用于对外作功。随着活塞向下运动，气缸内容积增加，气体压力和温度降低，当活塞运动到下止点时，作功行程结束。

(4) 排气行程当作功接近终了时，排气门开启，进气门仍然关闭，靠废气的压力先进行自由排气，活塞到达下止点再向上止点运动时，继续把废气强制排出到大气中去，活塞越过上止点后，排气门关闭，排气行程结束。

曲轴继续旋转，活塞从上止点向下止点运动，又开始了下一个新的循环过程。在每一个工作循环中，活塞在上、下止点往复运动了四个行程，相应地曲轴旋转了两圈。

图2 四行程发动机工作原理

4.本发动机的结构特点，适用范围

◆1、气缸排列形式以及数目

本次课程设计的是直列三缸发动机，适合1L以下排量的汽车。三缸的结构使得发动机更轻更小，减小摩擦力。这样能够降低燃油消费，减少尾气排放，却

能获得高输出功率。驾驶者既能够从车辆的经济性、环保性中获益，又能享受强有力的加速性能。

◆2、进排气门数目

本汽油机有两进气门、一排气门。采用多进气门，可以有较大的空气通过面积，充量系数较高，还可以相应减小气门升程，改善改善配气系统的动力性，多气门的汽油机还有利于改善HC和CO的排放。

◆3、进排气道分布形式

进排气道双边分布。避免排气对进气加热。

◆4、燃烧室形状

球形燃烧室。燃烧室形状对发动机的影响很大，所以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，以减少热量损失及简短火焰行程；其次是使混合气在压缩终了时具有一定的气流运动，以提高混合气燃烧速度，保证混合气得到及时和充分燃烧。球形燃烧室其结构较楔形燃烧室和浴盆形燃烧室更紧凑，但因进、排气门分别置于缸盖两侧，故使配气机构比较复杂。但由于其散热面积小，有利于促进燃料的完全燃烧和减少排气中的有害气体，故现代发动机上使用较多。

◆5、单气门弹簧

汽门弹簧的功用是克服在气门关闭过程中气门及传动件的惯性力，防止各个传动件之间因惯性力的作用而产生间隙，保证气门及时落座并紧紧贴合，防止气门发生跳动，破坏其密封性，为此，气门弹簧应该有足够的刚度和安装预紧力。单气门弹簧结构简单，并易于实现。

◆6、冷却方式：水套冷却

◆7、润滑方式：

(1)曲轴、凸轮轴——压力润滑——斜油道布置

压力润滑是以一定的压力把润滑油供入摩擦表面的润滑方式。

(2)摇臂——飞溅润滑

飞溅润滑是利用发动机工作时运动运动件溅泼起来的油滴或油雾润滑摩擦表面的润滑方式。此外还有润滑脂润滑。

图3.单凸轮轴顶置（SOHC)与双凸轮轴顶置(DOHC)结构区别

图4.各种形状的燃烧室

2.发动机课程设计目的及内容★

2.1课程设计的目的

通过此次课程设计，将课堂学习的知识与企业实际需求的结合，目的在于培养学生综合运用所学知识解决工程问题的能力，使学生毕业后能够尽快适应社会，担负起实际的设计工作。

2.2发动机课程设计的任务

汽车发动机课程设计的主要任务是：

①了解现代发动机的整机基本结构，主要零部件结构特点、用途、装配位置及装配方法。

②完整了解发动机设计的基本思路，基本掌握现代发动机的设计方法，通过课程设计逐步熟悉发动机整机和气缸体、气缸盖、曲轴、连杆、凸轮轴等五大零件部件总成的基本结构和设计思路。

③通过课程设计掌握机械制图在汽车设计中的运用方法，通过设计图的绘制将所学过的机械设计的基本理论和机械制图技能与生产实践有效的结合起来，为工程实践打下基础。

2.3课程设计的主要内容及要求

①要求了解发动机设计基本步骤，熟悉发动机零部件及总成结构。

②按要求手工绘制气缸体（横剖面/纵剖面）及运动件图各一张

③根据分组要求，用任意计算机绘图软件完成一张微型轿车用发动机装配图（横剖面图，纵剖面图，前视视图，左、右侧视图）的绘制工作，并按装配图要求，在发动机装配图上标注主要零部件总成的名称、材料和单机零件的数量。设计图视图大小情况，可自行选用0-1号图纸绘制；图框和标题栏应符合我国机械制图国家标准。

④编制设计说明书，根据所绘制的零件及发动机总成图分析自己所设计的发动机零件及总成的结构特点，适应范围。画出三缸机曲轴的受力平衡图，叙述各主要零件的材料及成型方法，并说明该机的优点和不足；针对现代发动机技术发展的趋势，结合同类先进发动机结构，选择1-2项技术进行详细的论述。

⑤通过课程设计答辩

3.给定参数

发动机类型直列三缸汽油机

额定功率/转速30（33）kw/5500(r/min)

最大扭矩/转速60（66）N.m/35004000(r/min)

缸径64~73（mm）

冲程72（mm）

压缩比8.8

气缸最大爆发压力55bar

5.主要零件的材料及成型方法的选用依据

1 、汽缸体：缸体的材料一般是用优质灰铸铁，为了提高气缸的耐磨性，有时在铸铁中加入少量合金元素如镍、钼、铬和磷等。但是，如果缸体全部选用优质耐磨材料，将造成材料上的浪费。

2、汽缸垫：目前应用较多的是金属-石棉汽缸垫，石棉之间夹有金属丝或金属屑，而外覆铜皮或铁皮。水孔和燃烧室孔周围另用镶边增强，以防止被高温燃气烧坏。这种汽缸垫压紧厚度为1.2~2mm，有很好的弹性和耐热性，能重复使用，但厚度和质量的均一性较差。

3、曲轴：要求用强度、冲击韧性和耐用性都比较好的材料制造，一般采用中碳钢或中碳合金钢模锻。为了提高曲轴的耐磨性，其主轴颈和曲柄销表面上均需要高频淬火或渗氮，再经过精磨，以达到高精度和较小的表面粗糙度值。

4、飞轮：多采用灰铸铁制造，当轮缘的圆周速度超过50m/s时，要采用强度较高的球墨铸铁和铸钢制造，本发动机用的是45钢。

5、气门：气门由头部和杆部组成。头部的工作温度很高（进气门可达

300~400℃，排气门更高，可达700~900℃），而且还要承受气体压力，气门弹簧以及传动组零件惯性力的作用，其冷却和润滑条件又较差，因此，要求气门必须具有足够的强度、刚度、耐热和耐磨能力。进气门的材料采用合金钢（如铬钢或镍镉钢），排气门则采用耐热合金钢（硅铬钢），有的发动机排气门头部用耐热合金钢制造，而杆部则用铬钢制造，然后将两者焊在一起。

6、凸轮轴：一般用优质钢模锻而成，也可以采用合金铸铁或球磨铸铁铸造。凸轮轴各轴颈的工作表面一般经热处理后精磨，以改善其耐磨性。

7、油底壳：受力很小，一般采用薄钢板冲压而成。

曲轴的受力平衡图

图5-1 缸内气体压力引起的力和力矩

a)对活塞、连杆、曲轴及其轴承的作用

b)对机体、气缸盖的作用

图5-2往复惯性力引起的力和力矩

a)对活塞、连杆、曲轴及其轴承的作用

b)对机体、气缸盖的作用

6.现代发动机发展的趋势

自汽车诞辰以来的百余年，科学技术发展不断推动着汽车技术的进步，无论是其生产能力，还是产品性能，技术水平都得到了很大提高，发展至今，汽车已日益成为人们生活中不可缺少的工具。

在汽车给人们带来方便的同时，也给人类社会带来了诸如能源消耗加剧，排放污染严重等一些负面影响，随着汽车产销量的迅速增长，汽车的节能和排放控制问题问题已日益引起人们的关注，一些发达国家开始研究制定制定法规对汽车的排放进行限制，对汽车的节能提出了要求，并且随时间的推移日趋严格，强化了人们对汽车节能和环保的认识，使得高效率，低排放车用发动机技术的开发受到高度重视，从而促使传统的内燃机技术不断创新。

现代电子技术的飞速发展也为发动机的技术突破提供了可能，很多用机械方式解决不了的问题，通过应用电子技术可得到有效的解决，从而有力的加速了现代发动机技术的发展，如汽油机直喷技术，可变气门正时技术，可变进气管技术，燃烧速率控制滑片技术，可变排量技术，柴油机高压共轨直喷技术等。无一不是在电子控制平台上发展起来的，现代汽车发动机已迈入了电子时代，使汽车更据控制智能化。节能，环保技术的运用将成为未来汽车发动机技术发展的主旋律。

于此同时随着汽车技术和电子技术的发展，汽车上使用的新技术不断增加，汽车设计人员围绕汽车的行驶性，安全性，舒适性进行了大量的电子化的研究和应用，发动机的电子控制技术的日趋完善，同时转子发动机，燃气涡轮发动机，斯特林发动机，六冲程发动机，混合动力电动汽车，分层充气发动机燃料电池动力汽车，太阳能汽车，氢燃料汽车等，新技术层出不穷。这里详细论述一下可变气门正时技术和未来的趋势：可变压缩比技术

可变气门正时技术

发动机可变气门正时技术的英文缩写就是“VVT”（Variable Valve Timing)，其实这种称谓是“可变气门正时”的通称，而在汽车领域被普遍应用的可变气门正时技术又因为各个厂商的自行创新或者叫法不同而多种多样。简单来说，可变气门正时的原理就是根据发动机的运行情况，调整进气、排气的量，控制气门开合的时间和角度，使进入的空气量达到最佳，从而提高燃烧效率。

由于发动机工作时的转速很高，四冲程发动机的一个工作行程仅需千分之几秒，这么短促的时间往往会引起发动机进气不足，排气不净，造成功率下降。因此，就需要利用气流的进气惯性，气门要早开晚关，以满足满足进气充足，排气干净的要求。

这种情况下，必然会出现一个进气门和排气门同时开启的时刻，配气相位上称为“重叠阶段”。重叠持续的相对时程可以用此间活塞运行配气相位的相对角度来衡量，这样就可以抛开转速，把它作为系统的固有特性来看待了。

这种重叠的角度通常都很小，可是对发动机性能的影响却相当大。那么这个角度多大为宜呢？发动机转速越高，每个汽缸一个周期内留给吸气和排气的绝对时间也越短，因此想要达到较好的充气效率，这时发动机需要尽可能长的吸气和排气时间。显然，当转速越高时，要求的重叠角度越大。也就是说，如果配气机构的设计是对高转速工况优化的，发动机容易在较高的转速下，获得较大的峰值功率。但在低转速工况下，过大的重叠角则会使得废气过多的泻入进气岐管，吸气量反而会下降，气缸内气流也会紊乱，此时ECU也会难以对空燃比进行精确的控制，从而导致怠速不稳，低速扭矩偏低。相反，如果配气机构只对低转速工况优化，发动机的就无法在高转速下达到较高的峰值功率。所以传统的发动机都是一个折衷方案，不可能在两种截然不同的工况下都达到最优状态。

所以为了解决这个问题，就要求配气相位角大小可以根据转速和负载的不同进行调节，高低转速下都可以获得理想的进气量从而提升发动机燃烧效率，这就是可变气门正时技术开发的初衷。在低速和怠速工况下，系统缩小进排气时间使得配气相位的重叠角减小，从而改善低速下的扭矩表现，而高速下则适当增加配气相位重叠角以提高提升马力。

图6 配气相位图和配气机构组成

图7 帕萨特B5的可变气门正时技术

可变压缩比技术

由于汽油的燃烧特性导致了汽油发动机的混和气压力不能太高。如果气缸内的压力超过了临界值，汽油就会因为压缩而在点火之前被点燃，这种现象被称为爆震，会对发动机带来很大的伤害。这种问题在增压发动机的设计上显得尤为突出。固定的压缩比成为制约机械增压和涡轮增压发动机的一个很重要的因素。我们知道，当涡轮增压介入以后，燃烧室的温度和压力会大幅度升高，如果这个值过高，爆震就不可避免。这会对发动机造出巨大伤害，同时也会影响动力输出。所以，固定压缩比的涡轮增压和机械增压发动机只能把压缩比设计得比普通自然吸气发动机低很多。但是这种过低的压缩比设计，又会导致发动机在增压器（特别是涡轮增压）没有完全介入时（也就是说，发动机在低转速时），燃烧效率非常低，能产生的动力要比普通自然吸气发动机所产生的动力要少的多。这个矛盾是促使设计师开发可变压缩比发动机的重要原因。另外，这种技术可以让发动机在燃油适应性方面拥有巨大的优势。现在新款的主流发动机的压缩比普遍设计在10:1以上，以获得更好的动力输出和燃油经济性。但是高压缩比的发动机需要使用较高标号的燃油，这种要求在发达国家也许不算什么，但是在国内，这种要求会降低汽车在偏远地方的适应性，直接影响到车辆的销售。目前国内市场上的许多车型就是因为压缩比偏高而影响了其在偏远地区的推广。例如著名的polo1.4发动机，因为压缩比太高，必须使用97号汽油，使得polo1.4在没有97号汽油的偏远地方几乎无法销售。即便是在97号汽油充足的大都市，也会遇见买了这类车型不敢的现远足旅行的苦恼，因为在中国，有太多地方没有97号汽油了。但是，高压缩比设计是现在汽油发动机的一个设计趋势，太小的压缩比会降低发动机的性能，如果将发动机的压缩比设计的很低，又与发动机的主流发展方向相违背。这种矛盾在中国及其他发展中国家显得尤为明显。这时候，可变压缩比的发动机就显得十分可贵了。2000年的日内瓦车展上，萨博展出了它的SVC可变压缩比发动机，当时这款发动机震惊了整个业内。在很多年以前，制约可变压缩比发动机设计的一个很重要的原因是，工程师们无法改变活塞上止点的位置。当时工程师设想，如果在涡轮增压器介入之前，压缩比就像自然吸气发动机一样能达到10:1，甚至更高，当增压器完全介入以后，压缩比降到7:1

以下，这样的增压发动机将是非常完美的。但由于上述的技术障碍，这种想法在当时仅仅是空想而已，没有一个设计师能实现它。而萨博公司让它成为了可能。

SAAB公司的可变压缩比技术缩写为SVC(SVC=Saab Variable Compression）。SVC概念一个重要的优点是，它不必对已经经过实践考验的四气门技术的燃烧室进行改造，就能够实现可变压缩比。燃烧室的设计对于燃烧过程具有重要意义。而燃烧过程又对废气排放、燃油消耗以及发动机功率具有直接的影响。因此，新的SVC概念能够与已有的技术兼容，这一点对于生产企业来说十分重要。此外，在开发SVC发动机的过程中从传统的动力总成中继承了尽可能多的基本零部件。SVC发动机跟传统发动机的主要差别在于，它分割成了上、下两部分。可以通过液压调节装置使上部相对于下部转过一个角度，从而调节压缩比。上部叫做整体气缸盖，包含着气缸盖和做成一体的气缸筒。下部就是曲轴箱，由机体、曲轴、连杆和活塞组成。上、下两部分之间通过橡胶密封件跟曲轴箱隔开，所以不会有机油喷出。跟标准发动机相比，上、下两部分之间的分割面降低了大约20cm。

图8 萨博可变压缩比发动机

左为高压缩比情况；右为低压缩比情况

萨博早在80年代末期就开始研发SVC技术了，并且在1990年获得了专利。当时的那款原型发动机是一台2.0排量的发动机。到了第二代，发展成1.4升直列6缸发动机，但是6缸的设计使得布置十分困难。最终直列5缸成了最佳的选择。

即便到目前，SVC发动机仍然出于试验室阶段，如果要将其量产，还需要做很多的工作。

优点：提高了增压发动机的功作效率以及动力输出的平顺性，发动机的体积小，重量轻，能适应各种不同标号的燃油，环保性好

缺点：气缸盖异常复杂

使用车型：只有萨博在研发当中

随着发动机可变压缩比技术的发展和成熟，总有一天这种新技术会在汽车上应用并普及。

7.小结

通过此次课程设计，让我对汽车发动机的认识上了新的一个台阶。从画图纸开始，让我对机械制图进一步加深了理念。这次我们主要研究的是直列3缸单顶置凸轮轴四冲程发动机，是属于发动机中结构比较简单的一种。对于我们专业的学生来说是非常好的学习模型。在此次课程设计的过程中，让我加深了对发动机各个零部件的认识和发动机总成的理解。也让我对学习汽车有了更高的热情。有利于今后踏入社会后实际设计所需。让我们能够尽快适应社会，担负起实际的设计工作。同时也是对个人综合能力的一种训练和考验。

8.参考文献

1、《汽车拖拉机发动机》，机械工业出版社

2、《汽车设计》，吉林大学编，机械工业出版社

3、《汽车构造（上册）》，人民交通出版社

4、《机械零件》，高等教育出版社

5、《机械设计课程设计手册》，高等教育出版社

6、内燃机类期刊

7、《中国汽车发动机行业蓝皮书》，中国汽车报社

8、网络信息来自于汽车之家