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柴油机与整车的匹配

作者:hwcxl  发布时间:2012-5-20  新闻浏览热度:

    柴油机与整车的匹配时由汽车设计人员来完成的。但是,作为柴油机设计、营销、服务人员也应适当了解、掌握这一方面的知识,有助于最大限度的发挥我们柴油机的卓越性能,避免由于不合力的匹配给我们柴油机造成的性能损害和声誉的影响。
     1.柴油机在整车上的布置
    1.1 载货汽车。载货汽车一般均采用发动机前置后驱动方案,分为长头式、短头式和平头式。长头式是将驾驶室布置在发动机后面,其优点是驾驶员安全感较好,发动机的维修方便,其缺点是视野较差,汽车的面积利用较低,因而在轻型货车上一般都不采用这种布置,在中、重型汽车有所采用。短头式是将驾驶室的前围板中间部分能做成凹形,将发动机的以小部分凸入驾驶室前围板中的凹形部分,这种布置可以改善长头式的缺点。在轻型和中型汽车上有采用的,但在重型汽车上一般不采用,因为重型汽车的发动机外形尺寸较大。平头式是将驾驶室放在发动机上面,即将发动机布置在驾驶室里面。这种布置的优点与缺点正好相反,目前这种布置在各级别的汽车上得到广泛应用。
    1.2 客车。发动机在客车上有四种布置方式》发动机前置、卧式中置、后横置、后纵置,一般都用后轮驱动。目前国内柴油客车只有两种布置方式即发动机前置和和后纵置。一般来说轻型客车上基本采用发动机前置、后轮驱动,即发动机布置在驾驶室正中、动力经传动轴传给后轮,类似于载货汽车。现代大中型客车都以后置发动机布置形式为主流,其主要优点在于:①改善前轴负荷,可以实现加长前悬。采用开门结构,便于整车布置。轴荷分配合理。且车身结构刚性大,承担负荷性能好。②发动机布置在车厢后部,增大整车地板面积利用率,有利座椅布置。由于车辆两轴之间没有传动轴通过,便于在地板下布置较大行李仓,以及空调,暖风等设施,发动机与车厢隔绝。减少发动机废气、噪声、震动对车厢内的污染。此外,传动系统噪声振动向车内的传入也较小。当然,这种布置对于冷却、操纵等提出了较高的要求。
    1.3发动机的直承。无论发动机前置还是后置,发动机的支架都是用橡胶减震垫安装在车架纵梁上或纵梁的支架上。应该注意的是,支架的位置和方向最好应使发动机扭振的横摆中心线通过发动机的质心,同时使该横摆中心线通过发动机和离合器总成后第一各万向节中心,以使发动机扭振的横摆振幅嘴角或为零。
    2.柴油机的冷却
    CY牌柴油机采用的是闭式强制循环冷却系统,它由发动机冷却水套、水泵、节温器、风扇和散热器等组成。冷却系统的功用在于维持发动机工作在适宜的温度,这就是说有两层含义:一方面冷却发动机,不使他过夜,另一方面则要尽量防止发动机工作在过冷状态,因为过冷也会导致发动机性能和寿命受损。
    2.1冷却系统的上限设计。发动机的冷却原件水泵、风扇、散热器首先是按冷却的功能进行设计的,而且应满足最严重的工况的要求。例如对于载重货车,一般按炎热夏季高温(40摄氏度)。汽车满负荷、爬坡大、行驶迎面风速极小来设计的。水泵的性能指标为在一定压头下的流量。即水泵工作时必须能使水流以一定的压力流出,以克服整个系统中的流动阻力,以一定的流量流动,以保证柴油机散向冷却水的热量在容许的进出水温差内就能带走。以下将能证明别抱这一含义:   
    △tw:散热器中水与散热器外空气平均温差℃。散热器的散热面积和散热系数均有专门的测试、计算方法,一般由生产厂提供,此外还提供散热器的过风流量与阻力的性能曲线,供选择风扇(也有风压——流量曲线)时使用。柴油机散往冷却水的散热量Qw可由专门的热平衡实验测得,也可以按经验公式估算。综合上述,则可知整个设计顺序如下:1确定柴油机的Qw。2选择适当的△tw,并定出发动机最高出水温度限tw2,则进水温tw确定。3计算出水泵的Vw,确定水泵。4设定△tw,则确定风扇流量Va。5进风温ta1=40摄氏度,ta2确定△twa确定,计算出K、A。6根据K、A选择散热器,定出流量——阻力关系。7根据转速,——流量——风压曲线选择风扇。
有条件情况下,冷却系的设计后应进行热平衡实验以校验设计的合理性。在设计中应注意散热器正面尺寸与风扇叶片外径的匹配性。
    2.2冷却系统的下限设计
    如前所述,冷却系统主要件的选择是按散热最严重 状态下进行的,但在柴油机(车)实际工作中,往往不需要如此,此外,冷车启动时,要尽可能暖机快,因而冷却系统还应考虑这些要求进行设计。CY牌柴油机上均装有蜡式节温器,开启温度为76摄氏度,全开温度为86摄氏度,其作用是:当发动机冷启动或气温低、负荷轻时,只要冷却水温不超过76摄氏度,则发动机的出水不流向散热器而是直接回到水泵入口,形成小循环,这样发动机暖机较快,水温不会长时间过低,当水温超过76摄氏度,节温器逐渐打开,有水流向散热器,直到水温达到86摄氏度时节温器全开,冷却水全部流向散热器,形成大循环。在汽车上,为防止北方动机发动机水温过低,减小迎面风对发动机的吹拂作用,有的设计了百叶窗,通过减小乃至关闭百叶窗来减少迎面风,还有在换门的防寒套,其目的都是为此。发动机的风扇的功耗约占发动机功率的5~10%,是附件功率损失中最大的部件。而实际汽车在行驶中大部分时间是可以不用风扇的,北方的冬季更是如此。此外,风扇也是噪声发生器,是汽车的主要噪声源之一,因此从节能。降噪以及保持发动机理想热状态以提高其使用寿命等方面考虑,风扇有必要采用离合器。在国内目前已生产和普及应用硅油离合器式风扇。其特点是当散热器后空气温度未达到一定温度时(一般为65~70摄氏度),风扇与风扇皮带轮之间处于脱开状态,即风扇不用运转以免无谓的功耗,而当散热器后空气温度的温度较高,达到设定温度时,硅油式离合器啮合,风扇真正运转来实现冷却作用。
    2.3后置发动机冷却系统设计的注意事项
    当打洞机后置时,由于迎面风作用大大减弱,发动机又处在相对密闭的空间里,因此必须额外注意冷却系的设计。进风口:后置发动机式的大客车冷却进风口应开在车左后侧为宜,这主要是考虑到我国道路条件,即汽车靠右行驶,因而右侧靠近马路,车图相对较大,空气较脏,易污染散热器等冷却系统部件。风道:风道原则上应与发动机排气管不再一侧,大能避免不开时一定要采取隔热措施,风道一定要圆滑以减小阻力损失,风道横截面应与散热器正面相配。散热器、风扇的布置:为了利用风道,散热器及风扇应该单独布置,而不宜像前置发动机那样与发动机同轴线布置。风扇不直接装在发动机上,而是一处到风道中,但仍由发动机经皮带驱动。设计、计算:由于发动机处于相对密闭的空间,有没有风扇的吹拂,因而发动机通过机体向外散热减少,向冷却系散热相应增加,与前置发动机相比,改为后置时应适当加大风扇直径和散热器面积,以免出现发动机过热损坏状况。
    3.柴油机的进气
    柴油机的进气时通过空气滤清器来过滤的,以防空气中杂物。灰尘等进入气缸内造成损坏。在正常进气条件下,空气滤清器滤芯的使用寿命一般在200H左右,若空气过脏,尘土过多,空气滤清器则会很快堵塞,影响发动机进气量,造成发动机工作不正常。先进的汽车设计一般会把空气的进气口设置在车顶,通过导管引到空气滤清器进气口,这样吸入的空气本真就比较清洁,能大大减轻滤芯的变脏和堵塞速度。柴油机的使用者和维修人员尤其要注意,发动机后置,进气口设置在发动机罩内时,由于距地较近,前轮搅动,以及汽车运行时的空气卷吸作用,此时进入柴油机的空气品质最恶劣,空气滤清器极快堵塞乃至破损。造成发动机功率下降等故障发生。
    4.持有及与整车的动力匹配
    4.1汽车的动力性。汽车的动力性主要可由三方面的指标来评定,即:(1)汽车的最高车速Vamax,km/h。(2)汽车的加速时间t,s。(3)汽车能爬上的最大坡度imax,%。最高车速是指在水平良好的路面上(混凝土或者沥青)上,一定负荷情况下汽车能达到的最高行驶速度,设计汽车的最高车速要考虑到道路条件与交通情况,一般情况下,公路上规定的车速有:持续车速和最高车速。显然,具有高动力性能的汽车其最高车速,要高于公路上规定的最高车速。
    汽车的加速能力对平行行驶的车速有很大影响,常用原地起步加速时间和超车加速时间来表明汽车的加速能力。原地起步加速时间系指汽车由第一档起步并以最大的加速强度(包括最恰当的换挡时间)逐步更换至高档后到达某一预定的距离或车速的所需的时间,超车加速时间系指用最高档或最高档由某一中等车速权利加速至某一高速所需的时间。因为超车时汽车与被超车辆并行,容易发生事故,所以超车能力强,并行行程短,行驶就安全。一般常用0到某一高速所需时间来表明汽车原地起步加速能力,用最高档或次高档由30km/h或40km/h权利加速至某一高速所需时间来表示超车加速能力。
汽车的上坡能力使用满载汽车在良好的路面上的最大爬坡度imax%来表示的,显然最大爬坡度是指1档最大爬坡度,一般要求货车的爬坡度应达到百分之三十。即16.5左右。影响汽车动力性的因素有很多,归纳如下:(1)发动机的选用,归根结底,汽车是由发动机来驱动的,因此发动机的动力性能将直接影响汽车的动力性,与汽车动力性直接相关的就是发动机的外特性,例如最大转矩将决定汽车的最大爬坡度,标定功率将决定汽车的最高车速及加速能力。(2)传东西的匹配,传东西的效率和传动比的设计与汽车的动力性密切相关,这将在第三小节中介绍。(3)汽车外形、质量等因素,汽车的外形设计的合力与否决定了汽车行驶时空气阻力的大小,汽车的自身质量则直接影响到滚动阻力、加速阻力、爬坡阻力,自身质量越大,阻力越大,汽车的动力性将显著下降,汽车轮胎的选用一方面直接影响滚动阻力的大小,另一方面将影响动力匹配设计,汽车质量的分布将影响驱动轮的附着力大小,若分布不合理,驱动轮附着力不够,无论有多强劲的发动机也是无法发挥作用。
    4.2 汽车的人哪有经济性
    汽车的燃油经济性有多种评定方法,目前国际标准规定有四种:(1)加速燃油消耗量。汽车以直接档(或最高档)以30km/h的初速度、油门全开通过500m实验路段所测得的燃油消耗量。(2)等速行驶燃油消耗量。汽车用最高档等速行驶500m,车速从20km/h以10或20km/h为间隔直到最高车速的90%至少5个车速测量燃油消耗量曲线。(3)六工况去燃油消耗量。汽车按规定的工况和事件(不同类别车辆工况不同)行驶所测得的燃油消耗量。(4)限定条件下的平均使用燃油消耗量。是在限定条件下汽车行驶50km道路试验的燃油消耗量。一般所说汽车的百公里油耗即是指“限使油耗”。影响汽车燃油经济性的因素可分为结构设计与使用两大方面。结构设计方面的影响因素与动力性影响因素相同:(1)发动机本身,一方面外特性上油耗要低,更主要的是万有特性中,低油耗区要宽广,有利于整车的燃油经济性。(2)传动系,传动系效率、档数、传动比都有影响。传动效率高,档数多,传动比合力均会改变整车的燃油经济性,这也是目前无极变速器产生的原因。(3)汽车质量。显然,车质量越大,各种阻力越大,则经济性越差,载货汽车则用“质量利用系数”即有效负荷与自身质量的比例还评价汽车质量方面的设计水平,相应燃油经济性一般则用每吨百公里油耗来比较。(4)汽车外形与轮胎。外形设计影响到空气阻力的大小,显然空气阻力越大,汽车燃油经济性越差。轮胎则影响混动阻力。
    汽车的具体使用也将影响到汽车的燃油经济性:(1)行驶车速。仅从百公里油耗或百公里油耗考虑,应该认为汽车中速行驶时比较省油,低速时发动机负荷率低,油耗稍高,而高速行驶空气阻力增大很多,因而油耗增大较快。(2)档位选择。在相同道路车速条件下,使用高档位由于使发动机负荷效率高,因而省油。(3)利用挂车可降低货车的吨百公里油耗。(4)正确的调整与保养,包括轮胎压力、和力气间隙、制动器间隙前束调整等。
    4.3发动机与整车匹配
    (1)发动机功率的选择
    汽车这几种常先从保证汽车的预期最高车速来选择发动机应有的功率。最高车速虽然仅是动力性中的一个指标,但它实质上也反映了汽车加速能力与爬坡能力。汽车所需发动机的功率可从下式计算得出:

    式中:M:汽车总质量,kg。g:重力加速度,g=9.8m/S² f:滚动阻力系数 Vamsx:最高设计车速,km/h。Cd:风阻系数。A:汽车迎风面积,m²。
ηr:传动系效率。在参考一般车型的Cd、f、ηr,设定M、A、Vamax则可计算出所需发动机的功率Pt。工程中还经常采用统计的各吨位的汽车比功率(即Pt/M)数值,按汽车总质量初步确定发动机的功率。一般载货汽车的比功率都在8KW/t以上,最高的达30KW/t以上。设计的最高车速越高,比功率就应越大,现代货车的最高车速都在100km/h左右,因而比功率一般在15km/h左右为宜,而且一般时轻型车偏大,中重型车偏小。客车上所用发动机比功率也相差不多,也是小客车比功率偏大,中、大客车偏小的趋势。
    (2)最小传动比的确定。汽车在多数时间里式以高速档行驶的,即使用最小传动比的档位行驶,因此最小传动比的选定是很重要的。传动系的总传动比it=ig·i0·ie。ig:变速器传动比。i0:主减速器传动比。it:分动器或副变速器传动比。汽车最小传动比的确定原则是
 
 
    普通汽车没有福变速器和分动器,it=1,若没有超速档ig=1,则imin为主减速器传动比io,即io=itmin。若有超速档,itmin=io·ig超。一般货车最小传动比itmin为6~7.
    (3)最大传动比的确定
    确定传动比时,要考虑三方面的问题:最大爬坡度、附着力和汽车最低稳定车速。就普通汽车而言,传东西最大传动比imax是变速器投档传动比ig1与主减速器传动比io的乘积。当io已知时,确定imax也就是确定变速器头档传动比ir1。
   
    式中:Ftmax:为汽车最大驱动力,N。ZΦ:驱动轮上的法向反作用力,N。φ:道路附着系数,取0.5~0.6。若计算结果不能满足条件,则应改变汽车的总布置,增加驱动轮的附着力。对于越野汽车,还要考虑最低稳定车速。一般货车最大传动比为35~50。
    (4)传动系档数与各档传动比的确定。
    各类汽车的传动系数(前进挡)是有一定规律的。总质量在3.5t以下的轻型货车一般采用四档变速箱,总重量在3.5~10t的,一般用武当变速箱。一般说,传动系档位多有利于发挥冬季的动力性和经济性,但过多则使变速器结构变得复杂,难以操纵。汽车各档的传动比是按等比级数分配,即ig1/ig2=ig2/ig3=ig3/ig4=....q。但是变速器传动比时通过齿轮间的啮合产生的,由于齿轮的齿数必须是整数,因而实际各档传动比的数值由于配齿的修正而与理论计算值有所偏离。此外,越是高档位,相邻两档间的传动比间隔应稍稍减小,有利于改善汽车的动力性。