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[发动机] 乘用车用发动机的缸径与行程

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发表于 2020-6-19 09:55:27 | 显示全部楼层 |阅读模式

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乘用车用发动机的缸径与行程

董学锋

(北京长城华冠汽车研发有限公司,北京 101300)

中国汽车材料网【摘要】 发动机的缸径和行程是发动机的基本尺寸,是显著影响发动机性能和结构的重要主参数。基于全球乘用车发动机的相关数据,进行研究和分析,归纳和总结出发动机缸径和行程的经验值范围,为汽车主机厂和发动机制造商的产品规划和设计、开发提供参考。
主题词:乘用车发动机 缸径和行程 经验值范围


1 乘用车对发动机的功率需求
传统汽车是靠发动机驱动的,发动机的动力用来克服汽车的滚动阻力、空气阻力、坡度阻力以及加速阻力等,汽车的质量(重量)越大,需要的动力也越大。速度越高,需要的动力越高,汽车运行时的阻力功率与质量及速度成正比,空气阻力功率与车速的3次方成正比,高速行驶时,空气阻力的占比达70%以上,因此要实现更短的加速时间、更高的车速,需要更强大的发动机功率来支撑。图1是三厢轿车的整车整备质量与发动机功率的需求图,按整车的最高车速和加速时间的要求,可将功率需求划分为6个级别(X0.6~X1.6),级别越高,动力性越好。

2 发动机的功率与排量
在汽车的型号中,载货汽车车型号含有总质量信息,大客车含有车长信息,轿车含有排量信息,可见排量反映了轿车的主要特征,通常用排量来表达轿车的级别,即大排量轿车和小排量轿车。通常同一款或不同款轿车总是有排量标识与品牌标识的组合贴在汽车后方的显要位置。近年随着技术的进步,汽油发动机的多点气道喷射、增压技术和缸内直喷技术已经得到广泛应用,汽车发动机的升功率和升转矩已大幅提高,一些汽车企业已淡化了排量的标识,而不再把“排量”直接贴在汽车后部,而是在汽车后部彰显“动力指数”。

图1 发动机功率与整车整备质量


除了附加电动之外,排量的大小依旧是发动机内燃动力的关键因素,排量大,内燃动力才大,内燃动力与排量成正比,图2表征发动机功率与排量的关系,Pe=53.81V(Pe为发动机功率,V发动机排量),这是多点电喷发动机功率的平均值与排量的统计关系,53.81是平均升功率,将“多点喷射+增压”、直喷、“直喷+增压”合并一起取平均值,得到Pe=73.40V,说明采用“多点喷射+增压”、或直喷、或“直喷+增压”等技术后,发动机的升功率提高了近20 kW/L。但不论如何,排量如同人的“肺活量”,是澎湃动力的关键因素。

图2 发动机功率与排量的关系



3 发动机排量与缸径和行程
3.1 排量与缸数、缸径和行程的关系
发动机排量是发动机往复运动中活塞扫过的容积,即:

式(1)中的D为发动机缸径,S为行程,N为气缸数。从式(1)中可知,发动机总排量是单缸排量与缸数之积,在乘用车用发动机中,缸数有2、3、4、5、6、8、10、12,从布置型式上分有B(对置)、L(直列)、V(V型)、W(W型),图3表达了总排量V与缸径D及缸数N的关系。

图3 缸径、缸数与排量的关系


3.2 单缸排量与缸径和行程的关系
满足同一个单缸排量Vh有无数个组合,但从结构与性能上考虑一定会有一个较佳的范围,图4是以发动机的缸径为横坐标,行程为纵坐标,计算出的单缸排量的曲线族,图中给出了从150~750 mL的曲线,线上的点都满足对应线上标出的单缸排量的数值要求。

图4 缸径、行程与单缸排量的关系



4 全球乘用车发动机的缸径和行程
4.1 现有发动机的缸径与行程统计
统计全球乘用车用发动机的排量、缸径、行程、缸数、功率等相关信息,将其中的结构参数,缸径与行程关联,得到现有乘用车的散点图,如图5所示,图中的点主要集中在S=-0.016 4D2+3.28D-74的附近,落在S=(0.9~1.1)(-0.016 4D2+3.28D-74)的点相对集中,即在X0.9线和X1.1线之间区域,落在X0.8线和X1.2线之外的区域的点很少,即对于设定的缸径,其行程S,控制在S=(0.8~1.2)(-0.016 4D2+3.28D-74)的范围内,在经验上可行。


图5 发动机的行程与缸径分布


将柴油机的样本提出,单独放在图6中,可见与总体相比,柴油机的缸径与行程分布偏向上方,靠近X1.1线附近的居多。

图6 柴油发动机的行程与缸径分布


4.2 现有产品的行程缸径比
在发动机的开发中,行程与缸径的比值通常作为重要的主参数之一,这一参数极大地影响着发动机的性能,缸径大、行程短的发动机称为短行程发动机,行程大的发动机称为长行程发动机;短行程发动机,缸径大(S/D小),气阀的面积会大,活塞行程短,利于提高功率。在乘用车中,匹配大排量发动机的车型,关注动力性更强劲,强调大功率,所以行程与缸径比(S/D)会适当减小,从以缸径D为横坐标、S/D为纵坐标的图7中也可知,大排量发动机S/D在0.8~1.0之间的占多数,而小排量车型,配备长行程发动机多,强调经济性,降低油耗,S/D 1.0~1.2之间的占多数。S/D随D的增大而降低,平均为y=1.5-0.005 5D,整个区域在y=(1.65~1.3)-0.005 5D之间,这是给出的经验区域。

图7 发动机的行程缸径比


4.3 全球主要OEM的发动机缸径与行程
既然是统计了全球发动机的缸径和行程(图5~图7),当然也就包含全球主要汽车OEM的发动机,为了比较一下当前的主要OEM的产品及产品在S/D图中的定位,分别将德国宝马、德国奔茨、德国大众奥迪、日本丰田、日本马自达共6家公司的S/D定位展示于图8中,可以说各家的占位五花八门,德国宝马集中在单缸排量上,德国奔茨的缸径稍集中,德国奥迪缸径和行程的范围都比较窄。


图8 主要OEM的S/D定位


4.4 按缸数区分的缸径与行程
将样本按发动机的缸数或发动机的型式来区分S/D的定位,如图9所示,可分为直列3缸机(左下)、直列4缸机(左上)、V型6缸机(右上)、V型8缸机(右下),这4种是车用发动机较多的型式。

图9 按缸数及型式区分的S/D定位



5 结束语
文中的样本是来自于现有产品目录,其缸径与行程的参数几乎包含了近几年全球乘用车用发动机,当年的文献[1]也介绍了相关内容,只是当时认识较肤浅,技术数学化能力欠缺,今算是进一步完善。“存在即合理”,“理在事后,理是万物之本”。总结前人的经验,会对后来的开发有所帮助。虽然缸径和行程在发动机深奥的技术中是“浅表”参数,但是很重要,对发动机性能、结构优化和整车匹配有重要意义。通过统计、归纳和总结全球汽车发动机缸径和行程参数,对于主机厂规划、开发新型发动机主参数选择具有指导价值。

参考文献

[1]董学锋.乘用车发动机结构与参数特征[J].汽车技术,2012(03):8-12.
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