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发动机的要求

从汽车使用方面对发动机设计提出的要求不外乎以下几条:有足够的功率,能在较宽的转速与负荷范围内稳定运转,燃料和机油消耗少,体积小,重量轻,工作可靠,寿命长,对环境的污染少,振动及噪声小,能适应多种使用条件,制造成本低,维修方便。表7-1中列出了不同用途的汽车对发动机要求的主次考虑。下面分七个方面对这些要求作一些具体的说明。

1对发动机动力性的要求

汽车发动机应有足够的功率和良好的扭矩特性以保证汽车的动力性(车速和牵引力)、加速性和克服突然增大的行驶阻力的能力。
  汽车的总重G越大(总重是汽车自重与载重之和),要求发动机的功率Ne也越大,但汽车的“比功率”(即折合到每单位汽车总重的功率,也叫做吨功率)Ne/G的变化范围并不太大。由图7—1可见欧洲车辆与日本车辆的比功率范围基本一致,而且比功率随着汽车总重的减小而增大。对于总重20t以上的重型货车和自卸汽车来说,比功率约为4—7kW/r;总重5—19t的汽车的比功率约为7—13kW/t;总重小于4t的轻型货车的比功率约为10—22kW/t,甚至有高达50kW/t者,这一方面是因为轻型货车多为城市用车,要求加速性好,并尽里减少换档次数,另一方面是因轻型货车多为轿车的变型车。轿车需要车速至少能达到100km/h以上(最高可达140—200km/h),还需要加速快,这就要有很大的比功率,按其每单位自重计算的比功率高达50—90kW/t。
  除了对发动机功率有要求外,载货汽车还要求发动机外特性的扭矩适应性系数μm=Memax/MeN和转速适应性系数μn=nN/nM(参阅图7-2)都尽可能地大一些,此处nN和MeN各是发动机额定功率工况的转速和扭矩,nM和从Memax各是最大扭矩工况的转速和扭矩。μM和μn增大,载重汽车的加速性、爬坡能力和克服突然增大的行驶阻力的能力都提高,而行驶过程中的换档次数减少。现有载重汽车发动机的适应性系数范围大致为:μM=1.07—.1.25,μn=1.5—2.0,μ=μM·μn=1.6—2.5。对于轿车来说,由于其比功率很高,就没有必要注意发动机外特性的适应性系数了。
  此外,发动机能平稳运转的转速范围要尽可能地宽一些,并应能迅速从怠速变换到全速全负荷。

2对燃料经济性的要求

汽车的燃料经济性有多种评价指标,如一定车速下的等速百公里油耗(kg/100km);按照一定的变工况规范行驶时测得的多工况百公里油耗;以及每千克燃料行驶里程数(km/kg,美国则用英里/加仑(mpg))等。
  对汽车实际使用油耗有影响的因素很多,除发动机外,汽车的设计情况(轮胎、车身、传动系等)、保养情况、道路质量、常用车速与载荷、空车率、驾驶方法等等都对汽午使用油耗有很大影响。单就发动机方面来说,需要明确以下两点。
  ①在发动机功率和前述种种汽车情况及使用情况相同的条件下,发动机万有特性上的最低耗油率(g/kW·h)越低,同时低耗油率工况区域又越宽阔,则汽车的使用油耗越低。只看发动机外特性上最低耗油率的高低不足以说明问题。虽然很多发动机生产厂只提供外特性上最低耗油率数据,促设计人员必须明确在该数据和汽车使用油耗之间并没有确定的关系。
  ②对于同一汽车传动系来说,用较大功率的发动机可以得到较高的最高车速。但汽车的实际车速往往受使用条件限制(例如市区车速很少能超过40km/h),在一定的车速下较大功率发动机的负荷率就比较低,再加上功率大者一般也较重,这两个因素都会使汽车使用油耗高于采用较小功率发动机(耗油率水平相同)时的油耗。因此在选择汽车的比功率时应全面考虑动力性和经济性,结合具体使用条什作出适当的决定。

3对结构紧凑性的要求

汽车发动机的重量,一方面关系到原材料消耗量,即影响制造成本,另一方面关系到汽车的自重,而汽车的使用油耗大致与汽车自重成正比。因此在满足功率要求的前提下尽可能减轻发动机的重量是一个重要设计目标。为此一方面要合理给定汽车的比功率,同时应尽可能提高发动机的升功率,即采用较小排量的发动机达到要求的功率;另一方面还要优化发动机零部件的设计使材料的使用恰到好处。
  对于前置发动机的汽车来说,发动机的高度影响发动机罩的高度,因而影响车身外形的流线形和驾驶员的视野;发动机的长度影响汽车的有效装载面积;发动机的宽度则要顾及在车架上的安装可能性。因此,汽车发动机的外形尺寸宜尽可能地小些。这既与发动机本体的设计有关,也与发动机各附件的尺寸和布置有关。

4对可靠性和耐久性的要求

发动机的工作可靠性是指在设计规定的使用条件下能够持续工作,不致因故障而影响正常运行的能力。可靠性是以在保证期内(民用柴油机一般为1500h,汽油机500h)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的。对于车辆使用者来说,关心可靠性更甚于关心性能,性能略差些还不至于影响汽车行驶,而工作可靠性差就容易发生故障,汽车就可能中途停车。所以一般都要求在保证期内不发生主要零部件的故障,如缸体、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事故。长途行驶的汽车对发动机可靠性的要求更高。
  发动机的耐久性或使用寿命是指发动机从开始使用到第一次大修之前累计运行的里程数或小时数,也就是发动机的大修期。它通常决定于气缸筒和曲轴的磨损速率,一旦磨损量大到一定程度,使得气缸压缩压力、漏气率和机油消耗率达到不能接受的水平,发动机就必须大修。表7—2中列出了货车柴油机缸套和曲轴的磨损极限值。至于达到此极限俏之前的累计运行时间和里程能有多长,则既和发动机转速与负荷纳强化程度有关,又决定于各摩擦副的加工精度、材质及润滑等情况,即决定于设计和工艺的质量。现代车用柴油机的使用寿命已高达40×10∧4—50×10∧4km(>8000摩托小时)。

5对有害排放量及噪声水平的要求

汽车发动机的有害排放物有CO,HC,NOx,Pb,碳烟和微粒。Pb是汽油机使用含Pb汽油时排放的,碳烟和微粒是柴油机排放的。实际上,微粒指的是排气中的固态及液态滤出物,其中包含了碳烟。
  自1970年以来各国先后以法令限制汽车发动机的有害排放量,这对汽车发动机的发展产生生很大的影响,因为必需采取多种措施降低有害排放量,同时又要补偿由此引起的功率和油耗损失。正是限制排放的严格规定促进了近年来电子控制汽油喷射与点火、三元催化转化、废气再循环等技术的发展。
  我国有关部门在1983年也对汽车发动机的排放作过一些规定。只限制车用汽油机怠速排放CO≤5%,HC<2500ppm,车用柴油机全负荷工况烟度≤4Bosch单位。一个更周详的国家标准正在研究制订中。
  噪声对人身也有害。因此各发达国家对各类汽车的加速行驶噪声均有法规限制,并逐年加严。例如欧共体1970年对各类汽车加速行驶噪声的限制为82—9ldB(分贝),1985年为75—80dB。我国目前规定1985年以后生产的车辆加速噪声不超过82—89dB(轿车取下限,8吨以上货车取上限)。要降低汽车噪声,一靠适当的屏蔽,二靠降低动力传动系的噪声,其中主要是发动机噪声。
  发动机中引起机件振动而产生噪声的来源很多,有缸内气体燃烧过程中的压力升高,进排气管系中气流的脉动,冷却风扇鼓风,以及在曲柄连杆机构、配气机构和传动机构运动中的机械撞击等等。这些都是不可避免的,而且有一些又是无法限制的。但是噪声总要通过机体壁(包括机体上下左右前后的各种罩壳)的振动向外发射,因此设计人员有可能在零件设计上采取措施,通过减小机体和附件的振动来降低发动机的噪声。

6对使用方便性的要求

汽车发动机应有良好的起动性能,通常要求汽油机在-10℃、柴油机在-5℃的气温条件下,不采用特殊的低温起动措施就能迅速可靠地起动,在更低温度下利用辅助装置也能顺利起动。
  汽车发动机应便于安装、操纵和维修。其前、后支承在车架上的安装及发动机后端与变速器的连接等均应方便、可靠。所有需要在车上进行保养的机件(如气门间隙调整件、喷油系部件、空气滤清器、燃油滤清器、机油滤清器、机油尺、加机油口、放水开关等)都应布置在易于接近的地方。此外,应无需在发动机运转过程中进行调整,应便于非专业人员很快学会操纵。
  汽车发动机还应能适应不同的地理和气候条件,一般要求在前后倾斜20°~30°、侧向倾斜20°的条件下,在气温冷到-40℃、热到十40℃的情况下仍能正常工作。对于指定在高原、沙漠等特定地区使用的汽车,宜提供专用的发动机变型。

7关于制造成本和产品系列化

从国家资源消耗的角度来看,任何产品在制造、运行和维修这三个过程中都要消耗资源(原材料、能源、固定资产折旧、劳动力与工时等等),只是各过程的消费在总消费中所占的比例不同罢了。因此尽管对于使用率高的公共汽车和长途汽车来说,其制造成本远远低于其运行费用(燃料、润滑油、轮胎……),也还是应该尽可能降低其制造成本(包括发动机的成本)。在这方面的限制条件是:如果降低成本的某些措施会引起排放增多、油耗上升或寿命降低,就需要通过具体分析来分清主次,决定取舍。除此而外,制造成本越低越好。
  汽车发动机的制造成本一方面与其重量、零部件数目、所用材料、附件等等有关,另一方面又与其生产批量、制造工艺等有关。一般说来,只有在大批量生产的条件下成本才能显著降低,因此发动机产品的系列化和零部件的通用化就有了重要意义。
  所谓系列化就是以某个主要用途的发动机为基础,通过改变部分结构参数或结构型式(例如增减气缸数,单列改双列,自然吸气改增压,改变燃烧室型式,变缸径或变行程等)来形成同一系列的多种发动机产品,以一个相当宽的功率范围,供不同型号的汽车或其它动力装置配套使用。这些同系列的发动机有许多主要零部件和易损件可以通用,许多工艺装备可以通用,因此就能扩大通用零部件的批量,采用高效率的工艺而降低制造成本。举例来说,用增减缸数来形成系列时,除整体式缸体、缸盖、曲轴、凸轮轴、摇臂轴、飞轮、进、排气管、喷油泵等少数零部件外,其它零部件大多可以通用,就连不通用的气缸体也可以共用一条生产线(因缸间距相同,凸轮轴与曲轴的相对位置不变)。
  正是由于产品系列化有很大好处,世界各国的著名汽车企业集团可以说全都生产系列化的汽车发动机产品。基于同样理由,汽车发动机的许多附件,例如机油泵、机油滤清器、燃油泵、燃油滤清器、空气滤清器、水泵、风扇、发电机、起动马达等等,也都形成系列化产品在专业化工厂进行大批量生产,供不同系列不同型号的发动机选用。

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