發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括氣缸數(shù)、工作容積、缸徑、行程、缸心距，以及活塞行程缸徑比S/D、連桿比r/l、缸心距比Lo/D等等。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式選定后，在當(dāng)前技術(shù)水平下其所能達(dá)到的PeN和cm的大致范圍即可明確，接著就可以選擇S/D值，算出應(yīng)有的z，Vh，D和S來(lái)。缸心距比Lo/D是在草圖設(shè)計(jì)中確定的。

1行程缸徑比

行程缸徑比S/D的大小對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)指標(biāo)有著以下多方面的影響。
　�、侔l(fā)動(dòng)機(jī)的升功率Ne＝peNnN/30τ，而活塞平均速度cm＝SnN/30，對(duì)于τ、Vh和peN一定的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，若在保持cm不變的情況下改變S/D，則采用較小的S/D值就可相應(yīng)加大nN，從而使升功率加大。但與此同時(shí)軸承單位面積上的慣性力載荷pb∝c2m(S/D)ˉ1也會(huì)加大(見(jiàn)圖7—7中點(diǎn)劃線)。如果在減小S/D的同時(shí)按一定關(guān)系減小cm，例如維持c2m(S/D)ˉ1不變，或維持nN不變，則軸承慣性力載荷可以不變或減小，相應(yīng)的升功率也就提高很少或不會(huì)提高(見(jiàn)圖7—7中實(shí)線和虛線)。
　�、趯�(duì)于同一Vh取不同的S/D，則D和S此長(zhǎng)彼消，發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)、寬、高都將受到影響。圖7—8給出了一臺(tái)Vh為1L的單列四缸機(jī)外形尺寸的計(jì)算結(jié)果。雖然由于計(jì)算時(shí)作了一些簡(jiǎn)化，圖示關(guān)系在定量上并不準(zhǔn)確，但定性關(guān)系還是正確的。可見(jiàn)對(duì)于同一Vh取較小的S/D值則單列式發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度加大，高度和寬度減小，其中長(zhǎng)度受S/D值的影響最大而寬度受影響最小。對(duì)于V型機(jī)來(lái)說(shuō)，其高度和寬度受S/D值的影響是同等的，其長(zhǎng)度主要決定于曲軸的縱向尺寸，因此受S/D值影響的程度小于單列式發(fā)動(dòng)機(jī)。S/D值對(duì)于單列式發(fā)動(dòng)機(jī)重量的影響示于圖7—9。
　�、蹖�(duì)于同一Vh和ε的柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，若減小S/D值則壓縮終點(diǎn)位置活塞頂至缸蓋底面間的頂隙容積Vm(見(jiàn)圖7—l0)在整個(gè)壓縮容積Vc中所占的比例加大(頂隙δ一般均取為現(xiàn)有工藝水平所容許的最小值0.8—1.0mm，故D大則Vm大)。在此頂隙容積中有相當(dāng)大的一部分混合氣形成和燃燒的條件很差，因此Vm/Vc比值的加大。或者說(shuō)Vk/Vc比值減小，將使熱效率和pe降低而有害排放增多。一般認(rèn)為Vk/Vc不宜低于75％。另一方面，取較小的S/D值還會(huì)使壓縮室容積的面積容積比Fc/Vc加大，散熱損失相對(duì)加大，這也是不利的。
　�、芡籚h而采用較小的S/D值時(shí)，曲柄半徑r＝0.5S減小，曲柄銷(xiāo)和主軸頸的重疊度?＝0.5(d1十d2)－r加大(見(jiàn)圖12—6，d1和d2各是主軸頸和曲柄銷(xiāo)的直徑，r是曲柄半徑)，因此曲軸的疲勞強(qiáng)度、彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度均增大，扭振固有頻率也提高。
　　綜上所述，從提高升功率、降低發(fā)動(dòng)機(jī)高度、減小V型機(jī)寬度、提高曲軸的強(qiáng)度和剛度考慮，宜取較小的S/D；而從改善熱效率、減小軸承慣性力載荷、縮短單列式發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度和減小比重量考慮，則宣取較大的S/D值。實(shí)際上過(guò)去有過(guò)一個(gè)時(shí)期(大約1945年—1970年)比較強(qiáng)調(diào)減小S/D值對(duì)提高升功率的好處，甚至有的汽油機(jī)將S/D降到0.85以下，但此后更加強(qiáng)調(diào)的是全面考慮。目前車(chē)用汽油機(jī)的S/D值多數(shù)在0.90—1.05之間，車(chē)用柴油機(jī)的S/D值多數(shù)在1.0—1.2之間。V型機(jī)的S/D值一般要比單列式機(jī)略小些。

2氣缸數(shù)、氣缸工作容積、缸徑和活塞行程

這些結(jié)構(gòu)參數(shù)與NeN，nN，peN，cm之間的關(guān)系是：
　　NeN＝zVhpeNnN/30τ＝π/4·zD2peNcm/0.1τ＝225000π/τ·zpeNc3m/n2N(S/D)2 (7-7)式中的Vh，peN，cm和D的單位各為L(zhǎng)(dm3)，MPa，m/s和dm。
　　如果面臨的設(shè)計(jì)任務(wù)是在現(xiàn)有機(jī)型基礎(chǔ)上的局部改變，例如不變peN，nN，S，只擴(kuò)大D以增大Vh，或者不變D，S(Vh)，nN(cm)，只增壓以加大peN，或者不變汽油機(jī)的D，S(Vh)，只把每缸雙氣門(mén)改成4氣門(mén)以加大cm(nN)等等，則不難把改變了的Vh或peN或cm代入上式算出新的NeN來(lái)。
　　如果是做新產(chǎn)品設(shè)計(jì)，只給定了NeN(kW)和nN(r/min)，而其它一切從結(jié)構(gòu)型式直至結(jié)構(gòu)參數(shù)均可選擇，這時(shí)宜先估計(jì)一下用何種結(jié)構(gòu)型式可達(dá)到目標(biāo)，估計(jì)方法如下：
　　由式(7—7)化出 z＝τ/225000π·NeNn2N/peNc3m·(S/D)2對(duì)于某一備選的結(jié)構(gòu)型式，例如四沖程增壓直噴室柴油機(jī)，可參考同類(lèi)型先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)和本章前幾節(jié)介紹的一些關(guān)系選擇peN、cm和S/D，用上式算出z。如果所得z很接近于4、5、6、8等整數(shù)，說(shuō)明這種結(jié)構(gòu)型式可行，只要在peN、cm和(S/D)上稍作調(diào)整即可。如果算出的z≈7，則說(shuō)明用增壓六缸機(jī)不可能達(dá)到要求的NeN，而用增壓八缸機(jī)則peN要比原先設(shè)定的低12％左右就能達(dá)到要求的NeN，但這時(shí)可能增壓度過(guò)低又不合算了。在這種情況下就得再考慮其它結(jié)構(gòu)型式，例如增壓中冷單列六缸機(jī)。
　　如果已能肯定有一種或兩種結(jié)構(gòu)型式可行(例如對(duì)NeN＝220kW，nN＝2500 r/min的柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，增壓中冷單列六缸機(jī)和增壓V型八缸機(jī)可能都是可行的)，就可對(duì)該一兩種結(jié)構(gòu)方案計(jì)算應(yīng)有的Vh、D和S，再通過(guò)草圖設(shè)計(jì)在兩個(gè)方案中擇一。
　　計(jì)算Vh、D和S的步驟如下：
　�、傧冗x定peN和S/D，計(jì)算應(yīng)有的Vh、D和S，即
　　Vh＝30τNeN/zpeNnN L
　　D＝(4/π·Vh)1/3(S/D)ˉ1/3 dm
　　S＝(4/π·Vh)1/3(S/D)2/3 dm
　�、趯和S的毫米數(shù)取為整數(shù)(1982年我國(guó)內(nèi)燃機(jī)行業(yè)為了更合理地滿足各種動(dòng)力配套的需要和統(tǒng)一配件，曾制定過(guò)中小功率柴油機(jī)系列型譜，其中規(guī)定除現(xiàn)有的76.5、102和159三種缸徑外；其它柴油機(jī)缸徑(mm)的尾數(shù)為0或5，汽車(chē)行業(yè)尚無(wú)規(guī)定)，復(fù)算Vh＝π/4·D2S(升)和S/D。
　�、塾玫贸龅腣h和S計(jì)算peN＝30τNeN/zVhnN(MPa)和cm＝SnN/30(m/s)，二者均應(yīng)與同用途同類(lèi)型先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的水平相當(dāng)。

3氣缸中心距

為縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度。相鄰氣缸中心線的距離Lo應(yīng)盡可能地小一些，通常用Lo/D來(lái)表征發(fā)動(dòng)機(jī)縱向尺寸的緊湊性。
　　單列水冷發(fā)動(dòng)機(jī)的Lo仍決定于缸筒結(jié)構(gòu)形式(無(wú)缸套、干缸套還是濕缸套，參見(jiàn)圖14—5)和冷卻水套的設(shè)計(jì)；V型發(fā)動(dòng)機(jī)的Lo/D決定于曲軸縱向尺寸；風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)的Lo/D則決定于單體缸筒上必要的肋片尺寸。表7—5中列出了現(xiàn)代汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)Lo/D的統(tǒng)計(jì)范圍，較近期的發(fā)動(dòng)機(jī)的Lo/D值偏于中下。
　　有必要指出，為了便于系列發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)，宜采用等缸心距設(shè)計(jì)。實(shí)際上現(xiàn)代柴油機(jī)絕大多數(shù)都選擇了等缸心距結(jié)構(gòu)。但汽油機(jī)采用等缸心距與不等缸心距的機(jī)型都很多，這主要是因?yàn)橛糜谵I車(chē)的汽油機(jī)為了結(jié)構(gòu)更緊湊而把部分缸心距縮小。在此附帶說(shuō)一點(diǎn)，所有現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)都采用全支承曲軸結(jié)構(gòu)，以提高曲軸的剛度、強(qiáng)度和可靠性，即使是不等缸心距的汽油機(jī)也都是采用全支承曲軸的。