FSAE培训_发动机

FSAE 发动机 主讲人： 冯仁华 主要内容 ¾总成的功能； ¾总成设计的任务； ¾设计中须注意的问题； ¾现有设计的不足； ¾将来的方向。 发动机动力总成（Power Assembly ） • 发动机动力总成又称为引擎，是一种能够 把化学能转化为机械能。传统的动力总成 一般指发动机本身，而现在所谓的动力总 成一般还包括变速箱。 动力总成的功能 发动机在社会生活中的各个行业都起到非常大的作用 发动机在汽车中的作用 • 发动机是汽车的动力装置，是整个汽车的 心脏，它的特点是通过液体或气体燃料在 发动机气缸内部燃烧产生热能，然后再转 变为机械能提供给汽车，成为汽车前进的 动力 。 发动机总成设计的任务 • 发动机总成设计的任务主要是为了和整车更好的 匹配，使车辆具有更好的性能。 车辆的综合性能有很多方面，与发动机总成有密 切关系的主要性能有： ¾动力学指标：最高车速 、加速能力 和爬坡能力； ¾燃料经济性 ：等速百公里油耗。 ¾运转性能指标：排气品质、噪声和启动性能。 设计中须注意的问题 发动机的安装 ¾配合总布置组、传动组确定发动机的安装 位置和安装方式； ¾保证发动机拆卸简单、方便，发动机安装 在车上安全、可靠，振动小。 进气系统（Intake System ）的设计 ¾功用：尽可能多地和尽可能均匀地向各气缸 供给空气与燃油混合气或纯净的空气 。 ¾包括：空气滤清器、进气管。 空气滤清器（Air Filter ） “冬菇头”学名叫高流量风格，由特殊 的化学纤维制成的一种高性能空气滤 清器，利用空气动力学里的文氏管效 应，它通过气体的压缩从而提高进气 流速流量。它最大的优点是在滤净空 气的同时，使进入燃烧室的空气流量、 流速提高30%以上，比普通空气滤清 器令燃油燃烧更充分，单位效率更高。 冬菇头进气量肯定是增加了，对车子 的起步和平时加速都有的很明显的效 果，从理论来说确实能增加发动机内 的空气流量，让发动机舱内的燃烧更 充分，动力性能有所提升。但对北方 含有大量细小沙尘的空气来说，加大 进气量的同时也将更多的细小沙尘带 入汽缸，造成发动机的早期磨损，反 而影响发动机的动力表现。 进气管（Air Inlet Pipe ） • 在满足规则和整车布置要求的前提下尽可 能减小气体流动阻力，提高进气能力，而 且进气管的内壁尽可能光滑。 • 在设计中可以利用一些软件进行模拟计 算，以优化进气系统。可用GT-power或者 Boost做性能计算，也可用Fire等做进排气 的三维模拟计算，主要优化进排气管的长 度和管径大小。 进气管长度对充气效率的影响 充气效率 0.8 0.84 0.88 0.92 0.96 1 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 转速(r/min) 充 气 效 率 原长度 加长5% 加长10% 加长15% 加长20% 进气管长度对扭矩的影响 扭矩对比 115 125 135 145 155 165 175 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 转速(r/min) 扭 矩 ( N . m ) 原长度 加长5% 加长10% 加长15% 加长20% 进气管长度对功率的影响 功率对比 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 转速(r/min) 功 率 ( k w ) 原长度 加长5% 加长10% 加长15% 加长20% 从以上表中可以看出进气管的长度对发动机性能有一定的 影响，主要利用进气的惯性及谐振效应来提高充气效率，从而提 高发动机的性能。在中低转速时进气管越长性能越好，在高转速 时进气管长度越短性能越好。依照振动学原理，在低转速时，进 气管长度变长之后使进气管固有频率得以降低，与此时的低转速 气流振动频率接近 ，在高转速时，进气门速度的加快，进气频 率上升，进气管长度变短使其固有频率升高，与此时的高转速气 流振动频率接近 ，这样就可以提高充气效率。对于管径的影响 也是一样，中低转速时管径越小性能越好，高转速时管径越大， 性能越好。 目前的可变进气管技术就是利用这个原理。我们可以针对赛 车的工作情况，将进气管长度和管径达到所需的最优值。 排气系统 ¾功用：以尽可能小的排气阻力和噪声，将 气缸内的废气排到大气中。 ¾包括：排气支管、排气管、消声器。 排气管的设计 ¾尽量降低排气系统的阻力，减小残余废气系数， 提高冲量系数； ¾保证排气管的制作和安装简单、方便； ¾设计原则：降低排气背压，减小排气噪声。 ¾与进气管一样，排气管也存在谐振现象，只不过 所希望的谐振效果是使排气门处的压力降低，以 利于排气。排气管的长度决定了它的适用转速范 围。短的排气管适合中低转速，长的则适合高转 速。对于排气管的长度是固定的发动机，只能将 其设计成一个最适合的相对折中的转速。 排气管长度对充气效率的影响 充气效率对比 0.8 0.82 0.84 0.86 0.88 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 转速(r/min) 充 气 效 率 排气歧管原长度 排气歧管加长5% 排气歧管加长10% 排气歧管加长15% 排气歧管加长20% 排气管长度对扭矩的影响 扭矩对比 125 130 135 140 145 150 155 160 165 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 转速(r/min) 扭 矩 ( N . m ) 排气歧管原长度 排气歧管加长5% 排气歧管加长10% 排气歧管加长15% 排气歧管加长20% 排气管长度对功率的影响 功率对比 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 转速(r/min) 功 率 ( k w ) 排气歧管原长度 排气歧管加长5% 排气歧管加长10% 排气歧管加长15% 排气歧管加长20% 冷却系统（Cooling System ）的设计 ¾功用：使发动机在所有工况下都保持在适 当的温度范围内。既要防止发动机过热， 又要防止冬季发动机过冷。 ¾一般水冷发动机冷却系统由水泵、散热器、 冷却风扇、节温器、补偿水桶、机体和缸 盖中的水套以及附属装置。 ¾在赛车中要我们设计和布置的主要有：散 热器、风扇、补偿水桶以及一些连接水管。 冷却液（Coolant） ¾冷却液是水和防冻剂的混合物，冷却液用 水最好是用软水，否则将在发动机水套中 产生水垢，使传热受阻，易造成发动机过 热。 ¾防冻剂中通常含有防锈剂和泡沫抑制剂， 在使用过程中，防锈剂和泡沫抑制剂会逐 渐消耗殆尽，因此，应定期更换冷却液。 散热器(Radiator)、风扇(Fan)的选型和布置 • 在保证总体安装布置的前提下尽量使散热 器和风扇安装在有利于冷却的位置，其次 还要考虑发动机散热器和风散的散热、冷 却能力，以保证发动机正常的工作。 补偿水桶和连接水管 ¾ 补偿水桶保证冷却液不会溢失，补偿冷却 系统中有足够的冷却液，还可消除冷却系 中的所有水泡。 ¾ 连接水管布置应简洁有序，水管中液体流 动阻力小。 发动机冷却系统解剖图 冷却系统的优化 冷却系统的设计、布置和优化可以利用 GT-cool做一维模拟仿真，通过计算整个冷 却系统的流量、温度分布情况、散热率等 来优化发动机的冷却系统。 汽油供给装置 ¾ 由汽油箱、汽油滤清器、汽油泵和油管组 成，作用是贮存、滤清和输送燃油。 ¾ 在满足规则和容量要求的前提下油箱尽量 精细，安装、拆卸、加油方便，还要保证 安全。 发动机启动问题 ¾在发动机一切正常的情况下，启动机或蓄电池有故 障都会使发动机难以启动。遇此情况，首先要了解 启动机与蓄电池的使用情况，以便大致判断故障部 位。必须先弄清楚，发动机无法启动是不是蓄电池 电量不足。 ¾检测启动系统。发动机无法启动，首先着手做的工 作是检测发动机启动系统中的电路。启动系统的电 路一般包括蓄电池、启动电机以及连接这些部件的 电缆等。除此之外，点火开关、启动机继电器或电 磁线圈。 ¾检测燃油系统。燃油系统的诊断可以分为两部分： 燃油供给系统的诊断和喷油器电路系统的诊断。燃 油供给系统可以通过测量燃油的流量和压力进行检 测。 ¾检测电火花质量。当启动系统的电路通过检测，证 明确实没有故障之后，首先检测的是发动机的点火 系统。选择电火花检测器时，应选择一个可以调整 的检测器，因为它允许你将检测器调整到一个更小 的间隙，这样就可以知道，是根本没有电火花产生 还是有电火花但却很微弱。 ¾启动开关转到启动位置发动机不能启动，也无其他 现象。这种故障，一是钥匙、开关因磨损而未接通 启动电路；二是启动机继电器未接通启动机电磁开 关电路；三是电源开关未接通主电路。启动时只有 轻微“嗒”的一声，再无任何反应，这是启动继电器 发卡所致。这时只要按一下电磁铁尾部，迫使电磁 铁前移，即可将启动电路接通，从而使发动机启动。 现有设计的不足 ¾在设计中只注重结构和布置上的要求，而 对于性能优化方面的分析工作较少，如进 排气管的优化、冷却系统的优化等； ¾一些安装方式不太合理和方便，比如发动 机的安装、邮箱的安装、进气管、散热器 等，使装配的难度增大，精度降低； ¾一些零附件的结构复杂，制作和加工难度 大，成本高，如排气管、油箱等， ¾对发动机的相关改进工作做得太少。 将来的方向 ¾对发动机做台架实验，获得相应的实验数据；对 发动机的性能有很清楚的把握； ¾对发动机及其相应零附件的设计和布置进行优 化；并通过实验验证； ¾针对现在发动机功率低、扭矩小的问题，对发动 机进行改进，比如增压、可变气门正时、可变进 排气系统等方式，以提高发动机的综合性能； ¾自己设计或者修改电控单元，以适应对发动机改 进 后的控制需要。 FSAE 发动机 主要内容 发动机动力总成（Power Assembly ） 幻灯片编号 4 动力总成的功能 发动机在汽车中的作用 发动机总成设计的任务 设计中须注意的问题 进气系统（Intake System ）的设计 空气滤清器（Air Filter ） 进气管（Air Inlet Pipe ） 幻灯片编号 12 幻灯片编号 13 进气管长度对充气效率的影响 进气管长度对扭矩的影响 进气管长度对功率的影响 幻灯片编号 17 排气系统 排气管的设计 排气管长度对充气效率的影响 排气管长度对扭矩的影响 排气管长度对功率的影响 冷却系统（Cooling System ）的设计 幻灯片编号 24 冷却液（Coolant） 散热器(Radiator)、风扇(Fan)的选型和布置 补偿水桶和连接水管 发动机冷却系统解剖图 幻灯片编号 29 冷却系统的优化 幻灯片编号 31 幻灯片编号 32 汽油供给装置 发动机启动问题 幻灯片编号 35 现有设计的不足 将来的方向 幻灯片编号 38