复习（内燃机设计）

内燃机设计 复习题

第一章 内燃机设计总论

1、内燃机主要设计指标有哪些？

动力性指标、经济性指标、紧凑性指标、可靠性与耐久性指标、适应性指标、运转性能指标、低公害指标。

2、内燃机的动力性指标有哪些？

内燃机的动力性指标是指内燃机的标定功率，标定转速，活塞平均速度，平均有效压力及扭矩，这些指标是根据配套的使用要求而确定的。 3、经济性指标有哪些？

内燃机的经济性指标是指生产成本,运转中的消耗,(燃油．机油)以及维修费用等，这些通常都是以燃油消耗率和机油消耗率，特别是燃油消耗率作为内燃机经济性的主要指标。 4、内燃机设计工作中的“三化”？

内燃机的产品系列化，零部件通用化，零件设计标准化统称为内燃机和设计的“三化”。 5、内燃机主要结构参数有哪些？

内燃机的主要结构参数，是指决定内燃机总体尺寸的参数，这些参数为：活塞行程S与气缸直径D的比值S/D；曲柄半径R与连杆长度L的比值λ，λ=R/L；气缸中心距L0与气径直径D的比值L0/D；对于V型内燃机还包括气缸夹角γ。 6、活塞行程与气缸直径的比值

活塞行程S与气缸直径D的比值S/D，是决定内燃机设计的基本条件，由此即可确定气缸直径D及活塞行程S这两个主要参数。同一气缸容积的值，可以由不同的活塞行程与气缸直径组合而成。要正确确定出活塞行程和气缸直径值，必须正确确定活塞行程与气缸直径的比值。 7、曲柄半径R与连杆长度L的比值λ

曲柄半径R与连杆L的比值λ=R/L是决定内燃机连杆长度L的一个结构参数。因为在活塞行程S决定后，曲柄半径R=S/2即可求出。因此，在确定参数λ之后，即可决定连杆长度的大小。 8、分析曲柄半径R与连杆长度L的比值λ对内燃机结构的影响

对于单列式内燃机，λ值越大，连杆长度越短，D、S相同的条件下，内燃机的高度或宽度也越小，可是内燃机的外形尺寸减小，重量减轻。同时，连杆缩短后，使连杆杆身具有较大的刚度和强度。虽然由于λ加大，使往复运动质量的加速度和连杆摆角也加大，但因连杆重量减轻，往复惯性力与侧压力并没有什么增加。所以在设计时，为了尽可能缩小内燃机的外形尺寸和减轻重量，一般尽可能选取较大的?值，以使连杆的长度尽量短一些。 9、连杆长度的缩短，受到什么条件的限制： 受到以下条件的限制

（1）活塞在下止点时，裙部不应与平衡重相碰。 （2）活塞在上止点时，曲柄臂不应与气缸套下部相碰。

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（3）连杆在气缸套内摆动时，连杆杆身不应与气缸套下部相碰。 10、气缸中心距Lo与气缸直径D的比值Lo/D

气缸中心距Lo与气缸直径D的比值Lo/D是决定内燃机长度的主要参数

第二章 内燃机曲柄连杆机构受力分析

1、作用在曲柄连杆机构上的力

作用在曲柄连杆机构上的力主要是由运动质量产生的惯性力和作用在活塞上的气体力，这些里（或力矩）随着曲柄转角的不同而变化，在稳定情况下，曲柄每转二周为一个变化周期，实际上，内燃机的工况是不断变化的，特别是作为动力时，因此，作用在曲柄连杆机构上的力和力矩也是在不断变化的。要计算在各种工况下的作用力和力矩的情况是相当复杂的，通常在动力学分析中，只计算标定工况下的作用力和力矩。并认为曲柄是作等速旋转运动。 2、进行内燃机的动力学计算的步骤

在进行动力学计算之前，必须根据实测的示功图或对工作过程的循环模拟计算来确定气体作用力的变化情况再根据运动学求出的各运动件的加速度，由此求出惯性力的变化情况，从而得到总的作用力及力矩，在此基础上，进一步分析这些力和力矩对内燃机平衡与振动的影响。 3、活塞、连杆的运动规律

当曲柄按等角速度ω旋转时，曲柄OB上任意一点都以O点为圆心作等角速旋转运动，A点（即活塞）沿气缸中心线作往复运动，而连杆AB则作复合的平面运动，其大头与曲柄销（即B点）一样，作等速的旋转运动，而连杆的小头则与活塞一样作往复运动，所以连杆本身的运动是由旋转运动和往复运动合成的平面复合运动。在实际分析中，为使问题简化，一般将连杆为分别集中于连杆大头和小头的两个集中质量，认为它们分别作旋转与往复运动，这样就不需要对连杆的运动规律进行单独的研究。

4、研究曲柄连杆机构运动学的主要任务

活塞在作往复运动时，其速度和加速度是变化的。它的速度和加速度的数值及变化规律对曲柄连杆机构以及内燃机整体的工作有很大的影响，因此，研究曲柄连杆机构运动学的主要任务实际上就是研究活塞的运动规律。

5、连杆的角位移、角速度与角加速度的特殊值（最大或最小）及所在位置 当α=0°或180°时，连杆角位移有最小值，即 ?min?0

当α=90°或270°时，连杆角位移有最大值（指绝对值），即 ?max??arcsi?n 当α=0°或180°时，连杆角速度有最大值（指绝对值），即?max???? 当α=90°或270°时，连杆角速度为0，即??0

当α=90°或270°时，?有最大值（指绝对值），即?max??第 2 页 共 18 页

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1??内燃机设计 复习题

当α=0°或180°时，?有最小值，即?min?0 6、活塞的位移的特点

即曲柄转角α从0°到90°时活塞的位移值比曲柄转角α从90°到180°时活塞的位移值大，而且是λ值越大，其差值也越大。 7、活塞的位移曲线的作用

活塞的位移曲线可用来对p-v(压力-容积)示功图与p-α（压力-曲柄转角）示功图两者之间进行转换；它与气门的运动曲线配合，还可用来检验活塞与气门之间发生干涉；在柴油机直接喷射燃烧室的设计中，喷油柱的位置与活塞上燃烧室的配合，也要用到活塞的位移曲线；此外二冲程内燃机排气口与扫气口位置的确定，与活塞位移变化也是密切相关的。 8、活塞速度组成的特点

活塞速度可以写成两个速度分量之和，即 v?R?sin??R??2sin2??v1?v2

?2sin2????? 因此，活塞速度可视为由v1?R?sin?与v2?R?9、活塞速度在特殊位置时的值

两部分简谐运动速度所组成。

当α=0°或180°时（活塞位于上下止点），活塞速度等于零，这是由于活塞在这两点改变运动方向的缘故。

当α=90°或270°时，v?R?，此时活塞速度等于曲柄销中心的圆周速度。但是，这并不是活塞的最大速度。 10、活塞的速度

根据图形和公式分析可知：

α=0°~180°时，v为正值（活塞向着曲轴中心线方向运动）； α=180°~360°时，v为负值（活塞背着曲轴中心线方向运动）； α=0°、180°、360°时，v=0（活塞正在改变运动方向）； α=90°、270°时，v?R?，但并不是vmax。

活塞的速度在旋转一周中，时快时慢的变化着，它的平均速度可以表示为 cm?2s60n?sn30 (m/s)

活塞平均速度cm虽然只能粗略地估计活塞运动的快慢，但它是表征内燃机性能指标的重要参数之一。

11、活塞的最大速度

2 活塞速度最大时的曲柄转角?vmax： ?vmin?arccos(?1?1?8?)? ??1???4?第 3 页 共 18 页

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可见，0?cos?vmax?1，因此cos?vmax小于90°或大于270°，即活塞速度的最大值出现在偏

向上止点一边，大体上在上止点前后75°左右。不同λ值时，有不同活塞速度的位置不同。 λ值越大，活塞速度最大值也越大，相应的曲柄转角?max便越小。 12、活塞的加速度

活塞加速度也可视为是两个简谐运动加速度之和，即由a1?R?2cos?与a2?R?2?cos2?两部分组成。

活塞加速度的极值点（最大正加速度和最大负加速度）以及相应的曲柄转角α，

??0或1?4?cos??0 cos 第一种情况，cos??0加速度极值点出现在α=0°和α=180°处，相应的加速度为 α=0°时， a?R?2(1??) α=180°时，a??R?2(1??) 第二种情况，1?4?cos??0即加速度的极值点还出现在??arccos(?为 a???R?2(1?18?)

14?)处，相应和加速度

可以看出，第二种情况只会出现在λ>1/4的机构中，对于λ≤1/4的机构无意义。

综上所述，在曲轴转角一周中，当λ≤1/4时，α在0°、360°有最大的正加速度值R?2(1??)；当α在180°时，有最大的负加速度值?R?2(1??)。当λ>1/4时，α在0°、360°有最大的正加速度值，其大小也为R?2(1??)；而α在??、360°-??两处有最大的负加速度值，此值为

?R?(1?218?)，而此时在处的加速度值仍为?R?(1??)。

213、沿活塞销中心线作往复运动的零件——活塞组的质量 活塞组的质量为

mpmp包括活塞、活塞环、活塞销以及装在这些零件上的其它附件的质量。可以认

集中在活塞销的轴线中心上，因为活塞销中心线是活塞组的传力点，虽然当活塞中心偏离气

缸中心时存在一些误差，但由于一般偏移量很小，故可作此假定。 14、作旋转运动的零件——曲柄组的质量

曲柄组包括装在曲柄上的所有附件。曲柄上不平衡部分产生旋转惯性力（离心力）的质量可以换算为集中于曲柄半径R处的质量

mk。进行这种换算的条件是：简化后的集中质量

mk所产生

的旋转惯性力和原来实际系统不平衡质量所产生的旋转惯性力相等。

曲柄不平衡部分的质量包括两部分：一部分是曲柄销及其与曲柄臂相邻部分的质量m?，其质

'?m?；心位置离曲轴轴线的距离就是R，故简化后的质量不变，为mk另一部分是曲柄臂的质量m??，

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\如果其质心位置与曲轴轴线的距离为?，则此质量换算到曲柄半径R处的集中质量mk应满足以下

\\22条件，即 mkR??m????所以mk?m???R

曲轴主轴颈的质量m??，由于其质心就在曲轴轴线上，当曲轴旋转时不产生旋转惯性力，因此不用考虑。

这样换算到曲柄半径R处的整个曲柄组的旋转质量mk为 mk?m'?2m\?R

式中m?、m??和?等数值，可根据曲轴的图纸资料借助于方格纸或求积仪计算出来。 15、作复合平面运动的零件——连杆组的质量

连杆组的质量包括连杆体、连杆小头衬套、连杆盖以及连杆螺栓等质量。为了计算简便，一般认为连杆小头随活塞作往复运动，连杆大头随曲柄作旋转运动，而连杆杆身则作复合的平面运动（既有平面移动又有平面摆动），因此将连杆质量换算成集中于活塞销中心处作往复运动的质量

m1和集中于曲柄销处作旋转运动的质量m2，由此来代替原来作复合运动的连杆的质量。

16、连杆组质量系统动力学的简化原则

根据力学原理连杆组质量简化后的当量系统与原来实际的质量系统动力学相等，则必需满足下列三个条件：

（1）质量不变——所有简化后的质量总和应等于原连杆组总质量

mc，

（2）系统的质心位置不变——所有简化后质量的质心应与连杆组原来的质心位置相重合。如果简化为两个质量，则 m2a?m1b?0

（3）系统对质心的转动惯量不变——所有简化后的质量对于连杆组质心的转动惯量之和应等于连杆原来的转动惯量Ic，即

?mili?Ic

2 实际上，把连杆质量换算成m1和m2两个质量，对上述三个条件是不能完全满足的，即第三个条件不能得到满足。因为换算后的质量，对于连杆组质心的转动惯量之和Ic'，它不等于连杆组原来的转动惯量Ic。这是由于Ic'的大小同质量分布有关，如果质量分布离质心越远，则Ic'越大，转换后双质量系统的转动惯量显然比原系统的转动惯量要大一些。

17、作用于曲柄连杆机构的力

在曲柄连杆机构中，主要作用力有气体作用力，运动质量的惯性力及外界负荷对内燃机运动的反作用力。

18、连杆机构中主要零件的主要受力

曲柄连杆机构中主要零件的主要受力有：往复惯性力、旋转惯性力、气体作用力。 19、连杆机构的往复惯性力

连杆机构的往复惯性力在忽略了高次项之后，可以看作由一次往复惯性力Pj1和Pj2二次往复

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