内燃机设计

本书系统介绍了汽车发动机总成、缸体、缸盖、曲柄连杆机构、配气机构等专业的设计主参数、主结构与功能、性能、可靠耐久、工艺制造技术之间变量关联关系的产品工程设计理论，机械力学和热负荷耦合的CAE3D分析模型设计原理，新的可变配气机构技术、汽油增压换气技术、发动机振动噪声(NVH)分析技术；该书引用了当代的大量汽车发动机实际工程设计案例分析，技术数据详实，对发动机工程设计具有较强的指导意义。本书中的发动机设计技术与理论为靠前抢先发售出版的学术专著，可作为汽车工程、动力机械与工程专业的本科生、研究生的教材或参考书，也可作为从事汽车和发动机产品开发和研究的工程技术人员的工具书。

译者
序一
序二
第5版前言
第6版前言
译者的话
符号
第1章导言1
第2章导论2
2.1开发过程中的计算分析2
2.2力学与热力学3
2.3本书所选择的和深入探讨的内容说明3
2.4发动机全新开发及升级开发目标4
第3章发动机主参数设计6
3.1发动机参数的相关性6
3.2发动机主参数定义7
3.2.1工作容积（排量）7
3.2.2功率和转矩7
3.2.3比功率7
3.3缸体及曲柄连杆机构的主参数选择8
3.3.1行程缸径比8
3.3.2连杆比及连杆中心距9
3.3.3缸体高度10
3.3.4活塞直径及质量11
3.3.5活塞压缩高度11
3.3.6行程、缸径和气缸数13
3.3.7缸筒长度、活塞裙部长度与活塞突出量14
3.3.8曲轴回转轮廓及活塞间隙14
3.3.9活塞结构尺寸19
3.4缸体主参数20
3.4.1缸心距与气缸间厚度20
3.4.2V形发动机的错缸距23
3.5最佳连杆比24
3.6燃烧室面容比27
3.7主性能指标定义29
3.8平均有效压力及比功率31
第4章主要零部件设计与计算34
4.1连杆34
4.1.1功能与设计要求34
4.1.2连杆受力分析36
4.1.2.1连杆受力方式与位置36
4.1.2.2连杆承受的力及力矩39
4.1.3常规连杆结构强度计算40
4.1.3.1连杆大小头孔弯曲梁简化计算模型40
4.1.3.2连杆盖以及连杆大头孔当量截面负荷分布40
4.1.3.3连杆大头孔以及连杆盖当量截面的切向力及力矩41
4.1.3.4连杆螺栓连接处的受力情况43
4.1.3.5连杆疲劳强度计算45
4.1.3.6连杆有限元模拟计算46
4.1.4连杆螺栓连接设计常规计算47
4.1.4.1连杆螺栓连接47
4.1.4.2连杆螺栓连接计算（按VDI2230规定［C21］）47
4.1.4.2.1计算要求47
4.1.4.2.2螺栓连接的弹性柔度49
4.1.4.2.3连杆螺栓连接的应力曲线图51
4.1.4.2.4最小夹紧力、夹紧力损失及预紧力53
4.1.4.2.5螺栓尺寸55
4.1.4.2.6螺栓疲劳计算57
4.1.4.2.7连杆螺栓连接设计小结58
4.2活塞58
4.2.1活塞计算分析58
4.2.2活塞功能及设计要求59
4.2.3活塞工作负荷61
4.2.3.1负荷及危险区域61
4.2.3.2曲柄连杆机构受力分析63
4.2.3.3活塞行程、速度及加速度66
4.2.4活塞常规计算70
4.2.4.1活塞类型及材料选用原则70
4.2.4.1.1乘用车汽油发动机用活塞70
4.2.4.1.2乘用车柴油发动机用活塞73
4.2.4.1.3商用车柴油发动机用活塞74
4.2.4.1.4工业用途大缸径柴油机活塞76
4.2.4.2活塞销计算76
4.2.4.2.1活塞销安装方式77
4.2.4.2.2计算简化模型［C42］77
4.2.4.2.3活塞销表面压力79
4.2.4.2.4活塞销椭圆变形80
4.2.4.2.5活塞销弯曲变形82
4.2.4.2.6活塞销材料82
4.2.4.2.7活塞销负荷及强化措施85
4.2.4.3活塞销座计算85
4.2.4.3.1设计爆发压力85
4.2.4.3.2设计用标准转速88
4.2.4.3.3活塞销卡簧90
4.2.4.3.4活塞销等效应力92
4.2.4.4活塞质量计算94
4.2.4.5活塞型线确定95
4.2.4.5.1安装间隙、滑动间隙、椭圆度及表面承压图95
4.2.4.5.2活塞裙部柔性、椭圆度、承压面宽及塑性变形97
4.2.5活塞二次运动计算98
4.2.6活塞强度CAE计算100
4.2.6.1活塞FEM计算模型100
4.2.6.2活塞热负荷103
4.2.6.3活塞应力场及温度场105
4.2.6.4活塞有限元计算107
4.2.6.4.1活塞表面油膜计算107
4.2.6.4.2活塞销变形计算108
4.2.6.4.3活塞CAE计算流程110
4.3活塞环111
4.3.1活塞环计算111
4.3.2功能及设计要求112
4.3.3活塞环受力分析114
4.3.4活塞环弹力117
4.3.4.1切向弹力及径向压力117
4.3.4.2开口宽度、切向力及活塞环参数kRi120
4.3.4.3活塞环的安装应力、套紧应力、弹性模量及塑性变形122
4.3.4.4开口间隙122
4.3.4.5活塞环扭曲122
4.3.5活塞环模拟计算分析122
4.3.5.1计算模型122
4.3.5.2活塞环运动模拟计算124
4.3.5.3密封性能模拟计算126
4.3.5.4活塞环工作表面润滑特性模拟计算129
4.4曲轴132
4.4.1功能及设计要求132
4.4.2曲轴工作负荷133
4.4.2.1曲轴工作力和力矩133
4.2.2.2曲轴工作循环负荷曲线135
4.4.2.3曲轴受力的静不定性135
4.4.2.4曲柄单拐模型、弯曲及扭转应力138
4.4.2.5曲轴受力情况143
4.4.2.5.1最大应力区域143
4.4.2.5.2弯曲及扭转应力集中系数144
4.4.3曲轴结构强度147
4.4.3.1船用发动机曲轴设计规范147
4.4.3.2危险截面抗弯扭模量及应力集中系数147
4.4.3.3曲轴材料疲劳强度与安全系数147
4.4.3.4曲轴材料及制造工艺149
4.4.4曲轴强度CAE模拟计算150
4.4.4.1曲轴概念设计阶段的计算分析150
4.4.4.2曲轴的多体动力学复合模型计算分析151
4.4.4.3曲轴强度CAE计算分析小结155
4.5气缸体157
4.5.1气缸体方案设计158
4.5.1.1气缸体结构形式159
4.5.1.1.1整体式与组合式气缸体方案160
4.5.1.1.2开式及闭式气缸体顶面设计163
4.5.1.1.3气缸冷却液流方案设计166
4.5.1.1.4龙门式与整体式框架结构169
4.5.1.2气缸体材料173
4.5.1.3气缸孔表面工艺175
4.5.1.3.1灰铸铁气缸孔表面珩磨工艺175
4.5.1.3.2过共晶铝硅合金气缸孔工艺177
4.5.1.3.3镍-碳化硅涂层的气缸孔工艺177
4.5.1.3.4铝基复合材料工艺179
4.5.1.4气缸体铸造工艺180
4.5.1.5气缸体方案对比，乘用车的开发状态182
4.5.2气缸体受力情况、功能与结构183
4.5.3气缸体轻量化188
4.5.3.1轻量化潜力188
4.5.3.2灰铸铁与铝合金材料特性比较189
4.5.4气缸体CAE计算191
4.5.4.1气缸体有限元（FEM）计算分析191
4.5.4.1.1温度场分析194
4.5.4.1.2变形分析195
4.5.4.1.3应力场196
4.5.4.2主轴承螺栓连接设计196
4.5.4.3气缸盖螺栓连接设计197
4.5.4.4气缸孔变形的傅里叶分析203
4.5.5气缸套205
4.5.5.1湿式气缸套206
4.5.5.1.1湿式气缸套结构形式206
4.5.5.1.2湿式气缸套受力情况、尺寸与结构设计209
4.5.5.2干式气缸套211
4.5.5.2.1装配应力212
4.5.5.2.2压应力213
4.5.5.2.3热应力215
4.5.5.2.4爆发压力下的工作应力217
4.5.6气缸表面磨损219
4.6气缸盖220
4.6.1气缸盖功能与结构220
4.6.2气缸盖热负荷224
4.6.2.1燃气换热过程227
4.6.2.1.1传热途径227
4.6.2.1.2辐射换热230
4.6.2.1.3壁面传导换热231
4.6.2.2缸盖中的热应力232
4.6.2.3气缸盖的冷却设计234
4.6.3气缸盖材料及铸造工艺236
4.6.4进气道与排气道、气门夹角、燃烧室形状及气缸盖高度设计240
4.6.4.1进气道与排气道240
4.6.4.1.1进气道与排气道结构设计240
4.6.4.1.2气道气体流动性能试验245
4.6.4.2气门夹角、燃烧室形状及气缸盖高度设计250
4.6.5气缸盖CAE计算251
4.7气缸垫256
4.7.1功能及设计要求256
4.7.2气缸垫结构258
4.7.3气缸垫密封技术258
4.7.3.1工作条件258
4.7.3.2全金属气缸垫结构设计259
第5章配气机构与曲柄连杆机构设计与计算266
5.1配气机构266
5.1.1换气过程一维模拟分析271
5.1.2配气机构换气工作原理274
5.1.2.1气门布置276
5.1.2.2配气机构结构形式278
5.1.2.3液压间隙调节器281
5.1.2.4气门282
5.1.2.5凸轮284
5.1.2.5.1凸轮型线设计284
5.1.2.5.2凸轮型线设计程序288
5.1.2.6气门弹簧290
5.1.2.6.1气门弹簧力设计290
5.1.2.6.2气门弹簧计算291
5.1.2.7凸轮轴292
5.1.3可变气门正时换气工作原理293
5.1.4可变气门执行机构结构形式295
5.1.4.1分段式调节可变气门执行机构295
5.1.4.2连续式调节可变气门执行机构296
5.1.4.3连续可变气门正时执行器（叶片式）297
5.1.5分段式可变气门升程换气过程298
5.1.6连续可变气门升程换气过程299
5.1.7气门机构动力学计算309
5.1.7.1动力学计算分析311
5.1.7.2多体动力学模型312
5.1.8涡轮增压发动机的换气技术312
5.1.8.1无可变气门机构的换气工作原理313
5.1.8.2可变气门机构的换气工作原理316
5.1.8.3连续可变进气及可变排气正时的换气工作原理317
5.1.8.4全可变气门的换气工作原理322
5.2曲柄连杆机构324
5.2.1活塞式发动机的质量平衡324
5.2.1.1单缸驱动机构的质量平衡324
5.2.1.1.11阶惯性力324
5.2.1.1.2单缸发动机曲柄连杆机构中通过平衡重进行平衡的方法327
5.2.1.2借助平衡重来平衡多缸驱动装置的质量333
5.2.1.2.1直列发动机的1阶惯性力平衡333
5.2.1.2.2平衡V2发动机上的自由惯性力335
5.2.1.2.3平衡自由惯性力矩341
5.2.1.2.4质量转矩369
5.2.1.3借助平衡轴来平衡质量371
5.2.1.3.1通过平衡轴来平衡惯性力；方法和应用373
5.2.1.3.2滚转力矩375
5.2.1.3.3通过平衡轴平衡往复惯性力矩；应用示例380
5.2.2发动机振动小结383
第6章发动机噪声384
6.1涉及发动机噪声和路面噪声的法律法规384
6.2发动机噪声——部分声源和噪声源386
6.3间接产生的发动机噪声——产生、传递和辐射388
6.4气缸压力曲线及其所产生的气缸压力频谱394
6.5发动机结构声学分析396
6.5.1发动机结构振动特性396
6.5.2发动机缸体结构对降噪的影响398
6.5.3曲轴、轴承、润滑油膜结构噪声传递路径研究403
6.5.4发动机结构的空气噪声计算407
6.5.4.1计算流程407
6.5.4.2辐射声功率的计算407
6.6发动机上其他噪声源410
第7章总结与展望411
附录414
附录A有限元法（FEM）基础知识414
附录B关于矩阵位移法（静力学理论）416
附录C用有限元法解微分方程421
附录D关于有限差分法（FDM）426
附录E关于边界元法（BEM）426
附录F关于“模态模型”（模态分析）427
参考文献429

本书作者很荣幸与Vieweg+Teubner出版社一起共同编撰出版第5版《内燃机设计》一书。首先应表达谢意的是，出版社对本书的肯定，以及读者对发动机力学专业领域持续不断的关注。虽然由于内燃机废气排放政策方面的因素，与发动机热力学相比发动机力学有时处于次要的地位，但是应强调的是，本书作者常年来持续不断直至今日的与Vieweg+Teubner出版社精诚的合作。值此书第5版面世之际再次表达衷心的感谢。 本书的内容原来是以现今的两位作者之一爱都瓦尔多-科勒尔的大学讲义《快速活塞式发动机力学-设计与计算》为基础。该讲义于1996年由马格德堡的奥拓·冯·桂里克大学采用为教材。在此衷心感谢该校机械制造系并特别感谢活塞式发动机教研室的教授H揣克工学博士给予的广泛的支持。此外对柏林理工大学的教授H普舍尔工学博士，斯图加特大学的退休教授乌尔夫·埃舍尔斯工学博士两位先生表示感谢。两位先生对本书的完成提供了大量很有价值的建议。与埃舍尔斯教授的接触可以追溯到作者的学生时代。在那时他就给予了作者全力帮助。后来作者在揣克教授的教研室完成教学工作，同时开始考虑本书的内容。 自1988年起作者在其职业活动中负责发动机机械零件的功能研究，并从此产生诱因将个人经验用文字记录下来。特别是在彻底变革的时代，计算机支持的零件设计越来越多地取代了传统的计算方法。对此还要感谢作者的雇主即如今的活塞施密特-皮尔堡股份有限公司以及KS铝技术公司给予的在专业上具有挑战性的有趣的专业活动。此外还要一并感谢客户方面的代理、同事及员工，作为技术洽谈伙伴一如既往地给予了大量的支持。 可以将讲义以图书的形式公开出版的机遇促使作者对本书进行了首次较大的加工修改，但仍有些读者会感到一些缺憾，首先是缺少一个核心题目——活塞发动机的平衡。为此揣克教授根据作者的请求对本书进行了相应的补充。在揣克教授及其同事的支持下内容扩展的第2版成为一本专业内容很充实的图书。 当作者从出版社获悉，由于第2版持续不断的畅销，应着手第3版的修订工作。当时用于专业加工及更新的准备工作时间很紧迫，特别是对于专业书籍的更新是最大的问题。但是非常感谢出版社在编辑加工包括缺陷修订方面做了大量的工作。 2004年秋季本书的第4版面世。在考虑再版之前，此书是否适应当前最新技术水平的问题被提到桌面上来。如果一本专业书籍仅描述基础原理，是不能适应发动机技术的蓬勃发展的需求的。仅靠日常业务工作很繁忙的作者本人是无法完成所要求的编写工作的。为此很有幸地邀请到了本书的另一位作者凯泽斯劳滕理工大学的教授鲁道夫·富利尔工学博士一同进行第4版的编写工作。富利尔教授对本书的气门机构一章完全重新进行了编写，增添了很多有关现代气门驱动系统及可控换气技术方面的内容。此外，在活塞一章中还考虑到了乘用车直喷柴油发动机用活塞的最新发展情况。 随着第4版的问世便考虑到技术的更新，这一工作一直在延续。作者对本书的第5版特别是对描述零件设计的第4章以及其他大范围的内容重新进行了编写。这都是以最新的知识作为基础的。例如详尽描述了在曲轴计算方面的进步，并详细介绍了乘用车发动机气缸体曲轴箱的结构方案。此外对气缸盖使用的材料也进行了深入的探讨并尝试给出有关气缸盖方案的一览。对其余的第2、第3及第5章中微小的更改以及对于书中现存的瑕疵进行的修订使第5版更加完美。 第5版前言内燃机设计作者感谢Vieweg+Teubner出版社一贯良好的合作，包括为第5版出版所做的准备工作。最终促成了这一巨大的更新工作的完成。其将势必延续到后续的再版中。作者相信，本书一定会永远保持最新的水准，向读者一贯提供最新的技术水平。 鲁道夫·富利尔2008年7月于凯撒斯劳腾爱都瓦尔多·科勒尔2008年7月于海尔布朗随着涡轮增压器在汽油发动机及柴油发动机上的广泛应用，内燃机的技术水平再次得到明显提升。涡轮增压技术的应用使小排量发动机为降低整车CO2排放树立了新的技术标杆，并且深刻影响着未来的内燃机设计与开发工作。为了使本书总保持最新的技术水平，有必要更新新的版本。本书作者为此感谢Vieweg+Teubner出版社对于作者的信任，以及对新版的准备工作做出的合作。 作者鲁道夫·富利尔先生愿将此书的第6版作为礼物奉献给在2010年12月诞辰100周年的博士导师——工学博士教授·菲德尔先生。他对内燃机技术的热爱及精湛的分析能力为我们留下深深的记忆，在此对其表示深深怀念并祝其家人万事如意！ 鲁道夫·富利尔2011年6月于凯撒斯劳腾爱都瓦尔多·科勒尔2011年6月于海尔布朗