发动机相关部件设计论
胡景彦 钱江摩托股份有限公司 13396767913 机械专业
摘要:
在钱江摩托发动机研究所发动机相关设计工作中，主要从事发动机和性能相关方面分析改进，发动机方面工作内容有进排气管路和气门正时改进设计、发动机冷却水套设计、气道、燃烧室分析设计改进、发动机与整车性能匹配。对工作中涉及的这些方面都有不同的体会和感触，下面主要从这些方面叙述说明。
前言:
发动机是机车的心脏，机车的行驶速度、加速性、爬坡性、牵引力决定于发动机；机车常见的故障大部分来自源于发动机；机车的燃料经济性和经常费用也主要决定于发动机，由此可见发动机在设计中的中要地位。这就要求我们从事发动机设计工作的技术人员在发动机设计中每个环节都要仔细考虑斟酌，发动机作为机车基础设计，对机车的后期设计好坏起决定性作用。本论文主要从上面提到的发动机设计的几个方面着手，论述发动机各方面设计的手段、方法、侧重点及成果。
关键词:
AVL软件 发动机 进排气燃烧系统 配气机构 传动系统 性能匹配
发动机进排气管路和气门正时改进设计、发动机冷却水套、气道、燃烧室分析设计改进这些都属于发动机部件设计工作中的关键部分，可以归结到一起论述，但发动机冷却水套只有针对于水冷机，所以这里水套的设计单独论证，下面以本厂一款主要从进排气管路、气门正时、气道、燃烧室这四个方面阐述发动机设计中的手段和方法: 1.原机分析
1.1 整体性能分析
根据实验结果计算出原机最大IMEP=11.8bar，相对于现今技术水平，此值偏低。 1.2 缸头进气道测试分析
测试结果显示进气道最大流量系数0.53,比认为理想值0.7差距比较大,说明原机进气气道有很大的改进余地。而且进气道是最关键部件之一，进气道流通性能好坏对性能影响很大，气道是改进的基础和前提，配合新气道进气管、化油器、凸轮也作相应改进。 1.3 压缩比测试分析
原机是80年代的发动机，压缩比不高，但是燃油使用要求很低，最好的也就是87#汽油，而现在燃油的质量和牌号都相应提高了，抗暴性增强了，压缩比也要提高。而且原机燃烧室无挤气面积，提高压缩比的同时加大挤气面积，可以提高爆发压力和产生大量的给气流，可以进一步来提高燃烧速度，从而提升燃烧效率。尤其使发动机低速时燃烧恶劣的现象得到很大的缓解和优化。 原机分析总结:
由原机各项指标测试计算结果可得出，原机IMEP偏低，缸头流量系数偏小，压缩比也偏小，说明原机有很大改进余地，下面就从气道、凸轮、进气管、化油器和压缩比这些方面对原机改进计算，提出改进目标。 2. 进气道分析改进
提高中高速功率，主要途径是提高中高速的充量系数。即加大此转速段的进气质量，同时由于中高转速下进气道的流通能力对充量系数影响明显，所以着手分析改进进气道。气道的分析改进主要以AVL-FIRE软件计算辅助工具，结合实际经验要求进行。 2.1原气道分析计算 2.1.1 计算模型如下
实测原气道最大流量系数0.53
2.1.2 FIRE软件对其建模并进行三维稳态的流动计算后的速度剖面图
2.1.3 原气道计算结果
上图圆圈处就是气体进入气缸的流动分离剧烈的地方，由于流动分离，使得气门与座圈之间的空间没有得到完全利用，结果显示流量系数只有0.55(实测0.53)，当量流动面积只有240mm2，这对于高速的进气是十分不利的。对原气道的改进包括增大气门座直径和优化气道的形状两方面进行。 2.2 改进的新气道分析计算 2.2.1 计算模型如下 模型采用PROE造型得到，PROE造型产生的文件名称为.prt文件，在调入前要进行相关处理，升程.stl文件，.prt生成.stl前要设置玄高和角度，这个步骤很关键，设计工作者在取值时一定要注意，一般推荐取值角度最小，玄高取0.001mm，计算模型的质量也有要求，质量越好，形状越接近实际，计算出的结果精度越高，计算出的结果越可信，设计工作者在计算时一定要把这个工作做得更细更精确。因为这项工作关系到设计与实际的对应程度，要达到理论指导实际，必须让理论计算的模型贴近实际模型。
2.2.2 FIRE软件对其建模并进行三维稳态的流动计算后的速度剖面图
2.2.3 新改进气道计算结果
显然气道改进后，流动分离区消除了。结果显示气道流动的当量面积由原来的240 mm2增大到了330 mm2，增大了33%。随着气门直径加大，气门升程高度也要加大，气道流通性变好，气门正时角度及时面值都可以又更好的调节空间，可以得到更大的进气量，即发动机的容积效率水平可以提升更高。大量的事实已经证明了这一点。气道的改进也是发动机改进的关键之一，是其它配气部件改进的前提和基础。 2.2.4 气道改进前后流量系数对比（实测值）
[注]参考直径:原机取23.5mm 新气道25.6mm 气道改进分析总结：
气道的改进主要是改进气道流通性能，尽量减少流动中的压力损失，对于特殊要求的低速机当然还要考虑气道对燃烧组织气流的影响，这时就还要计算分析气道的滚流作用，这里主要是提升中高速性能，对于滚流比的要求可以放松很多，不必要在进行特意的计算和分析。气道的改进要根据发动机适用场合而定，即要了解发动机转速使用范围，对发动机使用和功能了解的越透彻设计出的气道才越有针对性。另外，气道的设计是其它设计部件的开端，其设计的好坏直接关系到发动机其他进排气部件设计提升空间，直接影响到发动机性能水平。气道的设计尤为重要。 3. 凸轮设计分析改进 3.1 凸轮设计改进方法
凸轮匹配的首要条件是要计算出相对应的最佳正时及配气相位角度，再通过气门正时及摇臂装配位置来反推凸轮型线，当然也要同时对凸轮型线校正，看 “力”满足情况。气门正时曲线根据改进后新气道，采用AVL BOOST软件优化计算得到，优化的气门升程再用AVL TYCON软件匹配凸轮，分析“力”。 3.2 凸轮改进过程 3.2.1 BOOST建模
这个模型就代表一台发动机，各个元件分别代表发动机各个部分。 3.2.2 模拟计算匹配原机性能
