發(fā)動機的要求

從汽車使用方面對發(fā)動機設(shè)計提出的要求不外乎以下幾條：有足夠的功率，能在較寬的轉(zhuǎn)速與負(fù)荷范圍內(nèi)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，燃料和機油消耗少，體積小，重量輕，工作可靠，壽命長，對環(huán)境的污染少，振動及噪聲小，能適應(yīng)多種使用條件，制造成本低，維修方便。表7-1中列出了不同用途的汽車對發(fā)動機要求的主次考慮。下面分七個方面對這些要求作一些具體的說明。

1對發(fā)動機動力性的要求

汽車發(fā)動機應(yīng)有足夠的功率和良好的扭矩特性以保證汽車的動力性(車速和牽引力)、加速性和克服突然增大的行駛阻力的能力。
　　汽車的總重G越大(總重是汽車自重與載重之和)，要求發(fā)動機的功率Ne也越大，但汽車的“比功率”(即折合到每單位汽車總重的功率，也叫做噸功率)Ne/G的變化范圍并不太大。由圖7—1可見歐洲車輛與日本車輛的比功率范圍基本一致，而且比功率隨著汽車總重的減小而增大。對于總重20t以上的重型貨車和自卸汽車來說，比功率約為4—7kW/r；總重5—19t的汽車的比功率約為7—13kW/t；總重小于4t的輕型貨車的比功率約為10—22kW/t，甚至有高達(dá)50kW/t者，這一方面是因為輕型貨車多為城市用車，要求加速性好，并盡里減少換檔次數(shù)，另一方面是因輕型貨車多為轎車的變型車。轎車需要車速至少能達(dá)到100km/h以上(最高可達(dá)140—200km/h)，還需要加速快，這就要有很大的比功率，按其每單位自重計算的比功率高達(dá)50—90kW/t。
　　除了對發(fā)動機功率有要求外，載貨汽車還要求發(fā)動機外特性的扭矩適應(yīng)性系數(shù)μm＝Memax/MeN和轉(zhuǎn)速適應(yīng)性系數(shù)μn＝nN/nM(參閱圖7-2)都盡可能地大一些，此處nN和MeN各是發(fā)動機額定功率工況的轉(zhuǎn)速和扭矩，nM和從Memax各是最大扭矩工況的轉(zhuǎn)速和扭矩。μM和μn增大，載重汽車的加速性、爬坡能力和克服突然增大的行駛阻力的能力都提高，而行駛過程中的換檔次數(shù)減少�，F(xiàn)有載重汽車發(fā)動機的適應(yīng)性系數(shù)范圍大致為：μM＝1.07—．1.25，μn＝1.5—2.0，μ＝μM·μn＝1.6—2.5。對于轎車來說，由于其比功率很高，就沒有必要注意發(fā)動機外特性的適應(yīng)性系數(shù)了。
　　此外，發(fā)動機能平穩(wěn)運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速范圍要盡可能地寬一些，并應(yīng)能迅速從怠速變換到全速全負(fù)荷。

2對燃料經(jīng)濟性的要求

汽車的燃料經(jīng)濟性有多種評價指標(biāo)，如一定車速下的等速百公里油耗(kg/100km)；按照一定的變工況規(guī)范行駛時測得的多工況百公里油耗；以及每千克燃料行駛里程數(shù)(km/kg，美國則用英里/加侖(mpg))等。
　　對汽車實際使用油耗有影響的因素很多，除發(fā)動機外，汽車的設(shè)計情況(輪胎、車身、傳動系等)、保養(yǎng)情況、道路質(zhì)量、常用車速與載荷、空車率、駕駛方法等等都對汽午使用油耗有很大影響。單就發(fā)動機方面來說，需要明確以下兩點。
　�、僭诎l(fā)動機功率和前述種種汽車情況及使用情況相同的條件下，發(fā)動機萬有特性上的最低耗油率(g/kW·h)越低，同時低耗油率工況區(qū)域又越寬闊，則汽車的使用油耗越低。只看發(fā)動機外特性上最低耗油率的高低不足以說明問題。雖然很多發(fā)動機生產(chǎn)廠只提供外特性上最低耗油率數(shù)據(jù)，促設(shè)計人員必須明確在該數(shù)據(jù)和汽車使用油耗之間并沒有確定的關(guān)系。
　�、趯τ谕黄噦鲃酉祦碚f，用較大功率的發(fā)動機可以得到較高的最高車速。但汽車的實際車速往往受使用條件限制(例如市區(qū)車速很少能超過40km/h)，在一定的車速下較大功率發(fā)動機的負(fù)荷率就比較低，再加上功率大者一般也較重，這兩個因素都會使汽車使用油耗高于采用較小功率發(fā)動機(耗油率水平相同)時的油耗。因此在選擇汽車的比功率時應(yīng)全面考慮動力性和經(jīng)濟性，結(jié)合具體使用條什作出適當(dāng)?shù)臎Q定。

3對結(jié)構(gòu)緊湊性的要求

汽車發(fā)動機的重量，一方面關(guān)系到原材料消耗量，即影響制造成本，另一方面關(guān)系到汽車的自重，而汽車的使用油耗大致與汽車自重成正比。因此在滿足功率要求的前提下盡可能減輕發(fā)動機的重量是一個重要設(shè)計目標(biāo)。為此一方面要合理給定汽車的比功率，同時應(yīng)盡可能提高發(fā)動機的升功率，即采用較小排量的發(fā)動機達(dá)到要求的功率；另一方面還要優(yōu)化發(fā)動機零部件的設(shè)計使材料的使用恰到好處。
　　對于前置發(fā)動機的汽車來說，發(fā)動機的高度影響發(fā)動機罩的高度，因而影響車身外形的流線形和駕駛員的視野；發(fā)動機的長度影響汽車的有效裝載面積；發(fā)動機的寬度則要顧及在車架上的安裝可能性。因此，汽車發(fā)動機的外形尺寸宜盡可能地小些。這既與發(fā)動機本體的設(shè)計有關(guān)，也與發(fā)動機各附件的尺寸和布置有關(guān)。

4對可靠性和耐久性的要求

發(fā)動機的工作可靠性是指在設(shè)計規(guī)定的使用條件下能夠持續(xù)工作，不致因故障而影響正常運行的能力。可靠性是以在保證期內(nèi)(民用柴油機一般為1500h，汽油機500h)的不停車故障數(shù)、停車故障數(shù)、更換主要零件數(shù)和非主要零件數(shù)來考核的。對于車輛使用者來說，關(guān)心可靠性更甚于關(guān)心性能，性能略差些還不至于影響汽車行駛，而工作可靠性差就容易發(fā)生故障，汽車就可能中途停車。所以一般都要求在保證期內(nèi)不發(fā)生主要零部件的故障，如缸體、缸蓋、曲軸、連桿、軸瓦、活塞、活塞銷、活塞環(huán)、凸輪軸、氣門、氣門彈簧等件的斷或裂，以及影響噴油泵和增壓器功能的主要事故。長途行駛的汽車對發(fā)動機可靠性的要求更高。
　　發(fā)動機的耐久性或使用壽命是指發(fā)動機從開始使用到第一次大修之前累計運行的里程數(shù)或小時數(shù)，也就是發(fā)動機的大修期。它通常決定于氣缸筒和曲軸的磨損速率，一旦磨損量大到一定程度，使得氣缸壓縮壓力、漏氣率和機油消耗率達(dá)到不能接受的水平，發(fā)動機就必須大修。表7—2中列出了貨車柴油機缸套和曲軸的磨損極限值。至于達(dá)到此極限俏之前的累計運行時間和里程能有多長，則既和發(fā)動機轉(zhuǎn)速與負(fù)荷納強化程度有關(guān)，又決定于各摩擦副的加工精度、材質(zhì)及潤滑等情況，即決定于設(shè)計和工藝的質(zhì)量。現(xiàn)代車用柴油機的使用壽命已高達(dá)40×10∧4—50×10∧4km(＞8000摩托小時)。

5對有害排放量及噪聲水平的要求

汽車發(fā)動機的有害排放物有CO，HC，NOx，Pb，碳煙和微粒。Pb是汽油機使用含Pb汽油時排放的，碳煙和微粒是柴油機排放的。實際上，微粒指的是排氣中的固態(tài)及液態(tài)濾出物，其中包含了碳煙。
　　自1970年以來各國先后以法令限制汽車發(fā)動機的有害排放量，這對汽車發(fā)動機的發(fā)展產(chǎn)生生很大的影響，因為必需采取多種措施降低有害排放量，同時又要補償由此引起的功率和油耗損失。正是限制排放的嚴(yán)格規(guī)定促進了近年來電子控制汽油噴射與點火、三元催化轉(zhuǎn)化、廢氣再循環(huán)等技術(shù)的發(fā)展。
　　我國有關(guān)部門在1983年也對汽車發(fā)動機的排放作過一些規(guī)定。只限制車用汽油機怠速排放CO≤5%，HC＜2500ppm，車用柴油機全負(fù)荷工況煙度≤4Bosch單位。一個更周詳?shù)膰覙?biāo)準(zhǔn)正在研究制訂中。
　　噪聲對人身也有害。因此各發(fā)達(dá)國家對各類汽車的加速行駛噪聲均有法規(guī)限制，并逐年加嚴(yán)。例如歐共體1970年對各類汽車加速行駛噪聲的限制為82—9ldB(分貝)，1985年為75—80dB。我國目前規(guī)定1985年以后生產(chǎn)的車輛加速噪聲不超過82—89dB(轎車取下限，8噸以上貨車取上限)。要降低汽車噪聲，一靠適當(dāng)?shù)钠帘�，二靠降低動力傳動系的噪聲，其中主要是發(fā)動機噪聲。
　　發(fā)動機中引起機件振動而產(chǎn)生噪聲的來源很多，有缸內(nèi)氣體燃燒過程中的壓力升高，進排氣管系中氣流的脈動，冷卻風(fēng)扇鼓風(fēng)，以及在曲柄連桿機構(gòu)、配氣機構(gòu)和傳動機構(gòu)運動中的機械撞擊等等。這些都是不可避免的，而且有一些又是無法限制的。但是噪聲總要通過機體壁(包括機體上下左右前后的各種罩殼)的振動向外發(fā)射，因此設(shè)計人員有可能在零件設(shè)計上采取措施，通過減小機體和附件的振動來降低發(fā)動機的噪聲。

6對使用方便性的要求

汽車發(fā)動機應(yīng)有良好的起動性能，通常要求汽油機在-10℃、柴油機在-5℃的氣溫條件下，不采用特殊的低溫起動措施就能迅速可靠地起動，在更低溫度下利用輔助裝置也能順利起動。
　　汽車發(fā)動機應(yīng)便于安裝、操縱和維修。其前、后支承在車架上的安裝及發(fā)動機后端與變速器的連接等均應(yīng)方便、可靠。所有需要在車上進行保養(yǎng)的機件(如氣門間隙調(diào)整件、噴油系部件、空氣濾清器、燃油濾清器、機油濾清器、機油尺、加機油口、放水開關(guān)等)都應(yīng)布置在易于接近的地方。此外，應(yīng)無需在發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中進行調(diào)整，應(yīng)便于非專業(yè)人員很快學(xué)會操縱。
　　汽車發(fā)動機還應(yīng)能適應(yīng)不同的地理和氣候條件，一般要求在前后傾斜20°～30°、側(cè)向傾斜20°的條件下，在氣溫冷到-40℃、熱到十40℃的情況下仍能正常工作。對于指定在高原、沙漠等特定地區(qū)使用的汽車，宜提供專用的發(fā)動機變型。

7關(guān)于制造成本和產(chǎn)品系列化

從國家資源消耗的角度來看，任何產(chǎn)品在制造、運行和維修這三個過程中都要消耗資源(原材料、能源、固定資產(chǎn)折舊、勞動力與工時等等)，只是各過程的消費在總消費中所占的比例不同罷了。因此盡管對于使用率高的公共汽車和長途汽車來說，其制造成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其運行費用(燃料、潤滑油、輪胎……)，也還是應(yīng)該盡可能降低其制造成本(包括發(fā)動機的成本)。在這方面的限制條件是：如果降低成本的某些措施會引起排放增多、油耗上升或壽命降低，就需要通過具體分析來分清主次，決定取舍。除此而外，制造成本越低越好。
　　汽車發(fā)動機的制造成本一方面與其重量、零部件數(shù)目、所用材料、附件等等有關(guān)，另一方面又與其生產(chǎn)批量、制造工藝等有關(guān)。一般說來，只有在大批量生產(chǎn)的條件下成本才能顯著降低，因此發(fā)動機產(chǎn)品的系列化和零部件的通用化就有了重要意義。
　　所謂系列化就是以某個主要用途的發(fā)動機為基礎(chǔ)，通過改變部分結(jié)構(gòu)參數(shù)或結(jié)構(gòu)型式(例如增減氣缸數(shù)，單列改雙列，自然吸氣改增壓，改變?nèi)紵倚褪�，變缸徑或變行程�?來形成同一系列的多種發(fā)動機產(chǎn)品，以一個相當(dāng)寬的功率范圍，供不同型號的汽車或其它動力裝置配套使用。這些同系列的發(fā)動機有許多主要零部件和易損件可以通用，許多工藝裝備可以通用，因此就能擴大通用零部件的批量，采用高效率的工藝而降***造成本。舉例來說，用增減缸數(shù)來形成系列時，除整體式缸體、缸蓋、曲軸、凸輪軸、搖臂軸、飛輪、進、排氣管、噴油泵等少數(shù)零部件外，其它零部件大多可以通用，就連不通用的氣缸體也可以共用一條生產(chǎn)線(因缸間距相同，凸輪軸與曲軸的相對位置不變)。
　　正是由于產(chǎn)品系列化有很大好處，世界各國的著名汽車企業(yè)集團可以說全都生產(chǎn)系列化的汽車發(fā)動機產(chǎn)品�；谕瑯永碛桑嚢l(fā)動機的許多附件，例如機油泵、機油濾清器、燃油泵、燃油濾清器、空氣濾清器、水泵、風(fēng)扇、發(fā)電機、起動馬達(dá)等等，也都形成系列化產(chǎn)品在專業(yè)化工廠進行大批量生產(chǎn)，供不同系列不同型號的發(fā)動機選用。