發(fā)動(dòng)機(jī)的要求

從汽車(chē)使用方面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)，燃料和機(jī)油消耗少，體積小，重量輕，工作可靠，壽命長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境的污染少，振動(dòng)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(chē)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)要求的主次考慮。下面分七個(gè)方面對(duì)這些要求作一些具體的說(shuō)明。

1對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的要求

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)有足夠的功率和良好的扭矩特性以保證汽車(chē)的動(dòng)力性(車(chē)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(chē)的總重G越大(總重是汽車(chē)自重與載重之和)，要求發(fā)動(dòng)機(jī)的功率Ne也越大，但汽車(chē)的“比功率”(即折合到每單位汽車(chē)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(jiàn)歐洲車(chē)輛與日本車(chē)輛的比功率范圍基本一致，而且比功率隨著汽車(chē)總重的減小而增大。對(duì)于總重20t以上的重型貨車(chē)和自卸汽車(chē)來(lái)說(shuō)，比功率約為4—7kW/r；總重5—19t的汽車(chē)的比功率約為7—13kW/t；總重小于4t的輕型貨車(chē)的比功率約為10—22kW/t，甚至有高達(dá)50kW/t者，這一方面是因?yàn)檩p型貨車(chē)多為城市用車(chē)，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(chē)多為轎車(chē)的變型車(chē)。轎車(chē)需要車(chē)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(jì)算的比功率高達(dá)50—90kW/t。
　　除了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率有要求外，載貨汽車(chē)還要求發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(chē)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(guò)程中的換檔次數(shù)減少。現(xiàn)有載重汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)于轎車(chē)來(lái)說(shuō)，由于其比功率很高，就沒(méi)有必要注意發(fā)動(dòng)機(jī)外特性的適應(yīng)性系數(shù)了。
　　此外，發(fā)動(dòng)機(jī)能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速范圍要盡可能地寬一些，并應(yīng)能迅速?gòu)牡∷僮儞Q到全速全負(fù)荷。

2對(duì)燃料經(jīng)濟(jì)性的要求

汽車(chē)的燃料經(jīng)濟(jì)性有多種評(píng)價(jià)指標(biāo)，如一定車(chē)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(shí)測(cè)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(guó)則用英里/加侖(mpg))等。
　　對(duì)汽車(chē)實(shí)際使用油耗有影響的因素很多，除發(fā)動(dòng)機(jī)外，汽車(chē)的設(shè)計(jì)情況(輪胎、車(chē)身、傳動(dòng)系等)、保養(yǎng)情況、道路質(zhì)量、常用車(chē)速與載荷、空車(chē)率、駕駛方法等等都對(duì)汽午使用油耗有很大影響。單就發(fā)動(dòng)機(jī)方面來(lái)說(shuō)，需要明確以下兩點(diǎn)。
　�、僭诎l(fā)動(dòng)機(jī)功率和前述種種汽車(chē)情況及使用情況相同的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性上的最低耗油率(g/kW·h)越低，同時(shí)低耗油率工況區(qū)域又越寬闊，則汽車(chē)的使用油耗越低。只看發(fā)動(dòng)機(jī)外特性上最低耗油率的高低不足以說(shuō)明問(wèn)題。雖然很多發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠只提供外特性上最低耗油率數(shù)據(jù)，促設(shè)計(jì)人員必須明確在該數(shù)據(jù)和汽車(chē)使用油耗之間并沒(méi)有確定的關(guān)系。
　　②對(duì)于同一汽車(chē)傳動(dòng)系來(lái)說(shuō)，用較大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)可以得到較高的最高車(chē)速。但汽車(chē)的實(shí)際車(chē)速往往受使用條件限制(例如市區(qū)車(chē)速很少能超過(guò)40km/h)，在一定的車(chē)速下較大功率發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率就比較低，再加上功率大者一般也較重，這兩個(gè)因素都會(huì)使汽車(chē)使用油耗高于采用較小功率發(fā)動(dòng)機(jī)(耗油率水平相同)時(shí)的油耗。因此在選擇汽車(chē)的比功率時(shí)應(yīng)全面考慮動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合具體使用條什作出適當(dāng)?shù)臎Q定。

3對(duì)結(jié)構(gòu)緊湊性的要求

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)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(chē)的自重，而汽車(chē)的使用油耗大致與汽車(chē)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(dòng)機(jī)的重量是一個(gè)重要設(shè)計(jì)目標(biāo)。為此一方面要合理給定汽車(chē)的比功率，同時(shí)應(yīng)盡可能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率，即采用較小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到要求的功率；另一方面還要優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的設(shè)計(jì)使材料的使用恰到好處。
　　對(duì)于前置發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車(chē)來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)的高度影響發(fā)動(dòng)機(jī)罩的高度，因而影響車(chē)身外形的流線形和駕駛員的視野；發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度影響汽車(chē)的有效裝載面積；發(fā)動(dòng)機(jī)的寬度則要顧及在車(chē)架上的安裝可能性。因此，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的外形尺寸宜盡可能地小些。這既與發(fā)動(dòng)機(jī)本體的設(shè)計(jì)有關(guān)，也與發(fā)動(dòng)機(jī)各附件的尺寸和布置有關(guān)。

4對(duì)可靠性和耐久性的要求

發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性是指在設(shè)計(jì)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(yùn)行的能力�？煽啃允且栽诒ＷC期內(nèi)(民用柴油機(jī)一般為1500h，汽油機(jī)500h)的不停車(chē)故障數(shù)、停車(chē)故障數(shù)、更換主要零件數(shù)和非主要零件數(shù)來(lái)考核的。對(duì)于車(chē)輛使用者來(lái)說(shuō)，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(chē)行駛，而工作可靠性差就容易發(fā)生故障，汽車(chē)就可能中途停車(chē)。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(mén)、氣門(mén)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(zhǎng)途行駛的汽車(chē)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的要求更高。
　　發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性或使用壽命是指發(fā)動(dòng)機(jī)從開(kāi)始使用到第一次大修之前累計(jì)運(yùn)行的里程數(shù)或小時(shí)數(shù)，也就是發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)油消耗率達(dá)到不能接受的水平，發(fā)動(dòng)機(jī)就必須大修。表7—2中列出了貨車(chē)柴油機(jī)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(jì)運(yùn)行時(shí)間和里程能有多長(zhǎng)，則既和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷納強(qiáng)化程度有關(guān)，又決定于各摩擦副的加工精度、材質(zhì)及潤(rùn)滑等情況，即決定于設(shè)計(jì)和工藝的質(zhì)量�，F(xiàn)代車(chē)用柴油機(jī)的使用壽命已高達(dá)40×10∧4—50×10∧4km(＞8000摩托小時(shí))。

5對(duì)有害排放量及噪聲水平的要求

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的有害排放物有CO，HC，NOx，Pb，碳煙和微粒。Pb是汽油機(jī)使用含Pb汽油時(shí)排放的，碳煙和微粒是柴油機(jī)排放的。實(shí)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(lái)各國(guó)先后以法令限制汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的有害排放量，這對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生生很大的影響，因?yàn)楸匦璨扇《喾N措施降低有害排放量，同時(shí)又要補(bǔ)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(jìn)了近年來(lái)電子控制汽油噴射與點(diǎn)火、三元催化轉(zhuǎn)化、廢氣再循環(huán)等技術(shù)的發(fā)展。
　　我國(guó)有關(guān)部門(mén)在1983年也對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放作過(guò)一些規(guī)定。只限制車(chē)用汽油機(jī)怠速排放CO≤5%，HC＜2500ppm，車(chē)用柴油機(jī)全負(fù)荷工況煙度≤4Bosch單位。一個(gè)更周詳?shù)膰?guó)家標(biāo)準(zhǔn)正在研究制訂中。
　　噪聲對(duì)人身也有害。因此各發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)各類汽車(chē)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(duì)各類汽車(chē)加速行駛噪聲的限制為82—9ldB(分貝)，1985年為75—80dB。我國(guó)目前規(guī)定1985年以后生產(chǎn)的車(chē)輛加速噪聲不超過(guò)82—89dB(轎車(chē)取下限，8噸以上貨車(chē)取上限)。要降低汽車(chē)噪聲，一靠適當(dāng)?shù)钠帘�，二靠降低�?dòng)力傳動(dòng)系的噪聲，其中主要是發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。
　　發(fā)動(dòng)機(jī)中引起機(jī)件振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲的來(lái)源很多，有缸內(nèi)氣體燃燒過(guò)程中的壓力升高，進(jìn)排氣管系中氣流的脈動(dòng)，冷卻風(fēng)扇鼓風(fēng)，以及在曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械撞擊等等。這些都是不可避免的，而且有一些又是無(wú)法限制的。但是噪聲總要通過(guò)機(jī)體壁(包括機(jī)體上下左右前后的各種罩殼)的振動(dòng)向外發(fā)射，因此設(shè)計(jì)人員有可能在零件設(shè)計(jì)上采取措施，通過(guò)減小機(jī)體和附件的振動(dòng)來(lái)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲。

6對(duì)使用方便性的要求

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)有良好的起動(dòng)性能，通常要求汽油機(jī)在-10℃、柴油機(jī)在-5℃的氣溫條件下，不采用特殊的低溫起動(dòng)措施就能迅速可靠地起動(dòng)，在更低溫度下利用輔助裝置也能順利起動(dòng)。
　　汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)便于安裝、操縱和維修。其前、后支承在車(chē)架上的安裝及發(fā)動(dòng)機(jī)后端與變速器的連接等均應(yīng)方便、可靠。所有需要在車(chē)上進(jìn)行保養(yǎng)的機(jī)件(如氣門(mén)間隙調(diào)整件、噴油系部件、空氣濾清器、燃油濾清器、機(jī)油濾清器、機(jī)油尺、加機(jī)油口、放水開(kāi)關(guān)等)都應(yīng)布置在易于接近的地方。此外，應(yīng)無(wú)需在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中進(jìn)行調(diào)整，應(yīng)便于非專業(yè)人員很快學(xué)會(huì)操縱。
　　汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)于指定在高原、沙漠等特定地區(qū)使用的汽車(chē)，宜提供專用的發(fā)動(dòng)機(jī)變型。

7關(guān)于制造成本和產(chǎn)品系列化

從國(guó)家資源消耗的角度來(lái)看，任何產(chǎn)品在制造、運(yùn)行和維修這三個(gè)過(guò)程中都要消耗資源(原材料、能源、固定資產(chǎn)折舊、勞動(dòng)力與工時(shí)等等)，只是各過(guò)程的消費(fèi)在總消費(fèi)中所占的比例不同罷了。因此盡管對(duì)于使用率高的公共汽車(chē)和長(zhǎng)途汽車(chē)來(lái)說(shuō)，其制造成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其運(yùn)行費(fèi)用(燃料、潤(rùn)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(dòng)機(jī)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(huì)引起排放增多、油耗上升或壽命降低，就需要通過(guò)具體分析來(lái)分清主次，決定取舍。除此而外，制造成本越低越好。
　　汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)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(shuō)來(lái)，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(dòng)機(jī)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(gè)主要用途的發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，通過(guò)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倚褪剑兏讖交蜃冃谐痰?來(lái)形成同一系列的多種發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，以一個(gè)相當(dāng)寬的功率范圍，供不同型號(hào)的汽車(chē)或其它動(dòng)力裝置配套使用。這些同系列的發(fā)動(dòng)機(jī)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(kuò)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(lái)說(shuō)，用增減缸數(shù)來(lái)形成系列時(shí)，除整體式缸體、缸蓋、曲軸、凸輪軸、搖臂軸、飛輪、進(jìn)、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(duì)位置不變)。
　　正是由于產(chǎn)品系列化有很大好處，世界各國(guó)的著名汽車(chē)企業(yè)集團(tuán)可以說(shuō)全都生產(chǎn)系列化的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品�；谕瑯永碛�，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的許多附件，例如機(jī)油泵、機(jī)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(jī)、起動(dòng)馬達(dá)等等，也都形成系列化產(chǎn)品在專業(yè)化工廠進(jìn)行大批量生產(chǎn)，供不同系列不同型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)選用。