《汽油发动机设计开发手册》是汽油机结构设计技术和整机零部件开发方法的有效结合。本书基于现代并行设计开发理念，从发动机整机策划、布局开始，阐述了曲柄连杆机构、缸体、缸盖、配气机构、进气系统、排气系统、冷却和润滑系统、燃油电控系统以及附件的设计开发流程，包括基本理论结构概述、系统设计案例（2D 设计和 3D 设计）、设计检查、CAE 分析以及系统设计试验验证等内容，详细定义了发动机设计基准，以及各个系统接口关键的配合尺寸等要求。本书将优化设计方法与丰富的实践经验结合起来，一步一步地阐述了汽油发动机设计开发过程中各个阶段的细节工作过程和工作内容，明确说明了汽油机设计人员应该做什么、怎么做，以及各个阶段的工作方法和评判依据，是现代高性能汽油发动机产品开发行之有效的工作指导手册。

前 言
第 1 章 发动机整机设计 …………………………………………………………… 1
1.1 发动机概念设计阶段 ………………………………………………………………… 1
1.1.1 策划阶段……………………………………………………………………………………… 1
1.1.2 主要设计指标………………………………………………………………………………… 2
1.1.3 设计边界定义………………………………………………………………………………… 5
1.1.4 关键技术和新技术使用……………………………………………………………………… 6
1.1.5 主要设计参数………………………………………………………………………………… 6
1.1.6 零部件继承性………………………………………………………………………………… 8
1.1.7 关键零部件供应商预选……………………………………………………………………… 9
1.1.8 概念设计阶段介绍…………………………………………………………………………… 9
1.2 发动机布局设计阶段 ……………………………………………………………… 10
1.2.1 类型及布置方案……………………………………………………………………………… 10
1.2.2 布局设计……………………………………………………………………………………… 13
1.2.3 布局 CAE 模拟分析 ………………………………………………………………………… 14
1.3 发动机详细设计阶段 ……………………………………………………………… 18
1.4 发动机部件并行设计 ……………………………………………………………… 23
1.4.1 概述…………………………………………………………………………………………… 23
1.4.2 发动机总体设计条件的确定………………………………………………………………… 23
1.4.3 发动机分系统设计…………………………………………………………………………… 30
1.4.4 整机装配检查………………………………………………………………………………… 52
1.5 发动机产品设计基准 ……………………………………………………………… 54
1.5.1 整机设计基准………………………………………………………………………………… 54
1.5.2 缸体的基准问题……………………………………………………………………………… 56
1.5.3 缸盖的基准问题……………………………………………………………………………… 57
1.5.4 曲轴的基准问题……………………………………………………………………………… 58
1.5.5 其他零件的基准问题………………………………………………………………………… 60
1.5.6 检验基准……………………………………………………………………………………… 60
1.5.7 产品工程图上的尺寸标注问题……………………………………………………………… 60
1.6 发动机及系统设计关键尺寸 ……………………………………………………… 60
1.6.1 运动件系统接口尺寸校核…………………………………………………………………… 60
1.6.2 配气机构接口尺寸校核……………………………………………………………………… 62
1.6.3 进、排气总成接口尺寸校核………………………………………………………………… 64
1.6.4 气缸体系统接口尺寸校核…………………………………………………………………… 67
1.7 整机设计中的 CAE 分析…………………………………………………………… 69
1.7.1 发动机整车匹配计算模拟分析……………………………………………………………… 69
1.7.2 模拟计算……………………………………………………………………………………… 69
1.7.3 发动机热力学计算模拟分析………………………………………………………………… 74
第 2 章 曲柄连杆机构设计 ……………………………………………………… 81
2.1 曲轴设计 …………………………………………………………………………… 81
2.1.1 概述…………………………………………………………………………………………… 81
2.1.2 曲轴的分类…………………………………………………………………………………… 82
2.1.3 曲轴的设计原则……………………………………………………………………………… 82
2.1.4 曲轴的加工工艺和加工设备………………………………………………………………… 87
2.2 连杆设计 …………………………………………………………………………… 97
2.2.1 概述…………………………………………………………………………………………… 97
2.2.2 连杆的分类…………………………………………………………………………………… 98
2.2.3 连杆的设计原则……………………………………………………………………………… 99
2.2.4 连杆的加工工艺…………………………………………………………………………… 104
2.3 活塞设计 …………………………………………………………………………… 107
2.3.1 概述………………………………………………………………………………………… 107
2.3.2 活塞的分类………………………………………………………………………………… 108
2.3.3 活塞的设计原则…………………………………………………………………………… 110
2.3.4 活塞的加工工艺…………………………………………………………………………… 118
2.4 飞轮设计 …………………………………………………………………………… 120
2.4.1 概述………………………………………………………………………………………… 120
2.4.2 飞轮的分类………………………………………………………………………………… 120
2.4.3 飞轮的设计原则…………………………………………………………………………… 122
2.4.4 飞轮的设计计算…………………………………………………………………………… 124
2.5 轴瓦设计 …………………………………………………………………………… 126
2.5.1 概述………………………………………………………………………………………… 126
2.5.2 轴瓦的材料………………………………………………………………………………… 126
2.5.3 轴瓦的设计原则…………………………………………………………………………… 128
2.5.4 轴瓦的失效形式…………………………………………………………………………… 131
2.6 曲柄连杆机构的设计计算 ………………………………………………………… 136
2.6.1 尺寸链计算………………………………………………………………………………… 136
2.6.2 配瓦设计…………………………………………………………………………………… 145
2.6.3 包络校核…………………………………………………………………………………… 146
2.6.4 压缩比计算………………………………………………………………………………… 147
2.6.5 平衡率计算………………………………………………………………………………… 148
2.7 曲柄连杆机构设计案例 …………………………………………………………… 150
2.7.1 活塞连杆总成 3D 布局设计 ……………………………………………………………… 150
2.7.2 曲轴飞轮总成 3D 布局设计 ……………………………………………………………… 154
2.7.3 平衡系统 3D 布局设计 …………………………………………………………………… 156
2.7.4 运动系统 2D 详细设计 …………………………………………………………………… 157
2.8 运动系统设计检查 ………………………………………………………………… 165
2.9 曲柄连杆机构 CAE 分析…………………………………………………………… 166
2.9.1 曲轴运动学计算分析……………………………………………………………………… 167
2.9.2 曲轴强度疲劳计算分析…………………………………………………………………… 169
2.9.3 连杆强度疲劳计算分析…………………………………………………………………… 169
2.9.4 活塞强度疲劳计算分析…………………………………………………………………… 170
2.9.5 轴承 EHD 计算分析 ……………………………………………………………………… 170
2.10 曲柄连杆机构验证试验…………………………………………………………… 172
2.10.1 曲轴疲劳试验 …………………………………………………………………………… 172
2.10.2 连杆疲劳试验 …………………………………………………………………………… 174
第 3 章 缸体系统设计…………………………………………………………… 176
3.1 概述 ………………………………………………………………………………… 176
3.2 缸体设计原则 ……………………………………………………………………… 177
3.2.1 布置情况…………………………………………………………………………………… 178
3.2.2 结构强度…………………………………………………………………………………… 178
3.2.3 通风要求…………………………………………………………………………………… 178
3.3 缸体系统设计步骤 ………………………………………………………………… 179
3.3.1 结构参数的确定…………………………………………………………………………… 179
3.3.2 缸体设计…………………………………………………………………………………… 179
3.3.3 气缸套……………………………………………………………………………………… 182
3.3.4 框架………………………………………………………………………………………… 183
3.3.5 主轴承盖…………………………………………………………………………………… 184
3.3.6 曲轴偏心设计……………………………………………………………………………… 185
3.4 缸体系统设计案例 ………………………………………………………………… 186
3.4.1 缸体系统 3D 设计………………………………………………………………………… 186
3.4.2 缸体系统 2D 设计 ………………………………………………………………………… 194
3.5 缸体系统设计检查 ………………………………………………………………… 204
3.6 缸体系统 CAE 分析………………………………………………………………… 205
3.6.1 缸体水套冷却 CFD 计算分析 …………………………………………………………… 205
3.6.2 缸体模态分析……………………………………………………………………………… 206
3.6.3 缸体主轴承壁 / 盖强度计算分析 ………………………………………………………… 206
3.6.4 主轴承盖螺栓选配计算分析……………………………………………………………… 209
3.6.5 缸体强度疲劳计算分析…………………………………………………………………… 209
3.6.6 主轴瓦 EHD 计算分析 …………………………………………………………………… 210
3.7 缸体试验验证 ……………………………………………………………………… 211
3.7.1 缸壁珩磨检测……………………………………………………………………………… 211
3.7.2 缸垫面压试验……………………………………………………………………………… 211
3.7.3 缸体主轴承壁疲劳试验…………………………………………………………………… 212
第 4 章 缸盖系统设计…………………………………………………………… 214
4.1 概述 ………………………………………………………………………………… 214
4.2 缸盖设计 …………………………………………………………………………… 215
4.2.1 缸盖的设计原则…………………………………………………………………………… 215
4.2.2 缸盖的结构型式及特点…………………………………………………………………… 216
4.2.3 缸盖的材料………………………………………………………………………………… 216
4.2.4 缸盖壁厚设计……………………………………………………………………………… 217
4.2.5 缸盖的结构工艺…………………………………………………………………………… 217
4.3 缸盖系统先进技术 ………………………………………………………………… 218
4.4 缸盖系统设计案例 ………………………………………………………………… 224
4.4.1 缸盖系统 3D 布局设计 …………………………………………………………………… 224
4.4.2 缸盖系统 2D 详细设计 …………………………………………………………………… 235
4.5 缸盖系统设计检查 ………………………………………………………………… 244
4.6 缸盖系统 CAE 分析………………………………………………………………… 246
4.6.1 缸盖气道 CFD 分析 ……………………………………………………………………… 246
4.6.2 缸内流动分析……………………………………………………………………………… 248
4.6.3 喷雾分析…………………………………………………………………………………… 249
4.6.4 燃烧分析…………………………………………………………………………………… 252
4.6.5 缸盖冷却分析……………………………………………………………………………… 255
4.6.6 缸盖疲劳分析……………………………………………………………………………… 256
4.6.7 缸盖螺栓选配分析………………………………………………………………………… 258
4.7 缸盖系统设计验证 ………………………………………………………………… 258
4.7.1 缸盖气道芯盒制造………………………………………………………………………… 259
4.7.2 芯盒气道试验……………………………………………………………………………… 259
4.7.3 缸盖气道试验……………………………………………………………………………… 261
4.7.4 光学发动机燃烧试验 …………………………………………………………………… 262
4.7.5 缸盖温度场试验…………………………………………………………………………… 262
第 5 章 配气机构设计…………………………………………………………… 264
5.1 概述 ………………………………………………………………………………… 264
5.2 配气机构的设计原则 ……………………………………………………………… 266
5.2.1 配气机构的设计要求……………………………………………………………… 266
5.2.2 气门机构的设计…………………………………………………………………………… 267
5.2.3 零件设计…………………………………………………………………………………… 268
5.2.4 凸轮轴的设计……………………………………………………………………………… 275
5.2.5 配气机构的关键尺寸……………………………………………………………………… 279
5.2.6 齿轮传动设计……………………………………………………………………………… 280
5.2.7 链传动设计………………………………………………………………………………… 281
5.2.8 正时带传动设计…………………………………………………………………………… 282
5.3 配气机构的先进技术 ……………………………………………………………… 282
5.3.1 中置 VVT 技术 …………………………………………………………………………… 282
5.3.2 VVL 技术 ………………………………………………………………………………… 284
5.4 配气机构设计案例 ………………………………………………………………… 288
5.4.1 配气机构布局设计………………………………………………………………………… 288
5.4.2 配气机构详细设计………………………………………………………………………… 293
5.4.3 配气机构 2D 详细设计 …………………………………………………………………… 294
5.5 配气机构设计检查 ………………………………………………………………… 308
5.5.1 设计检查范围……………………………………………………………………………… 308
5.5.2 气门活塞间隙检查………………………………………………………………………… 310
5.5.3 各尺寸链校核……………………………………………………………………………… 312
5.6 配气机构 CAE 分析………………………………………………………………… 318
5.6.1 凸轮轴动力学计算分析…………………………………………………………………… 318
5.6.2 配气机构计算分析………………………………………………………………………… 320
5.6.3 气门活塞间隙计算分析…………………………………………………………………… 320
5.6.4 导链板计算分析…………………………………………………………………………… 321
5.6.5 链轮计算分析……………………………………………………………………………… 322
5.7 配气机构设计验证 ………………………………………………………………… 322
5.7.1 凸轮形线检测……………………………………………………………………………… 322
5.7.2 配气机构试验验证………………………………………………………………………… 323
5.7.3 配气机构耐久试验………………………………………………………………………… 325
第 6 章 进气系统设计…………………………………………………………… 326
6.1 概述 ………………………………………………………………………………… 326
6.2 进气歧管设计原则 ………………………………………………………………… 327
6.2.1 设计要求…………………………………………………………………………………… 327
6.2.2 关键尺寸确定……………………………………………………………………………… 328
6.2.3 数据库现有机型进气歧管的关键尺寸与材料统计……………………………………… 330
6.2.4 生产工艺…………………………………………………………………………………… 331
6.3 进气歧管先进技术 ………………………………………………………………… 334
6.3.1 可变气道长度……………………………………………………………………………… 334
6.3.2 可变气道截面……………………………………………………………………………… 335
6.3.3 可变谐振效应……………………………………………………………………………… 336
6.4 进气歧管故障分析案例 …………………………………………………………… 337
6.5 进气歧管设计案例 ………………………………………………………………… 337
6.5.1 进气歧管 3D 布局设计 …………………………………………………………………… 337
6.5.2 进气歧管 2D 详细设计 …………………………………………………………………… 341
6.6 进气歧管设计检查 ………………………………………………………………… 342
6.7 进气歧管 CAE 分析………………………………………………………………… 343
6.7.1 进气歧管结构选配分析…………………………………………………………………… 343
6.7.2 进气歧管压损分析………………………………………………………………………… 343
6.7.3 进气歧管均匀性分析……………………………………………………………………… 344
6.7.4 进气歧管强度分析………………………………………………………………………… 345
6.7.5 进气歧管模态分析………………………………………………………………………… 345
6.8 进气歧管试验验证 ………………………………………………………………… 346
第 7 章 排气系统设计…………………………………………………………… 348
7.1 概述 ………………………………………………………………………………… 348
7.2 排气歧管设计原则 ………………………………………………………………… 349
7.2.1 排气歧管设计要求………………………………………………………………………… 349
7.2.2 排气歧管的关键尺寸确定………………………………………………………………… 351
7.2.3 数据库内现有机型排气歧管的关键尺寸与材料统计…………………………………… 351
7.2.4 排气歧管的生产工艺……………………………………………………………………… 352
7.3 排气系统先进技术 ………………………………………………………………… 354
7.3.1 集成增压器涡壳的排气歧管……………………………………………………………… 354
7.3.2 不锈钢双层排气歧管……………………………………………………………………… 355
7.3.3 耐热铸钢排气歧管………………………………………………………………………… 355
7.3.4 EGR 排气再循环技术 …………………………………………………………………… 356
7.3.5 电控涡轮增压器技术……………………………………………………………………… 356
7.3.6 可变截面涡轮增压器技术………………………………………………………………… 357
7.4 排气歧管故障分析案例 …………………………………………………………… 358
7.5 排气歧管设计案例 ………………………………………………………………… 360
7.5.1 排气歧管 3D 布局设计 …………………………………………………………………… 360
7.5.2 排气歧管 2D 详细设计 …………………………………………………………………… 363
7.6 排气歧管设计检查 ………………………………………………………………… 365
7.7 排气歧管 CAE 分析………………………………………………………………… 366
7.8 排气歧管试验验证 ………………………………………………………………… 371
第 8 章 冷却和润滑系统设计 …………………………………………………… 373
8.1 冷却系统设计 ……………………………………………………………………… 373
8.1.1 概述………………………………………………………………………………………… 373
8.1.2 冷却系统设计原则………………………………………………………………………… 374
8.1.3 冷却系统先进技术………………………………………………………………………… 384
8.1.4 冷却系统设计案例………………………………………………………………………… 387
8.1.5 冷却系统设计检查………………………………………………………………………… 401
8.1.6 冷却系统 CAE 分析 ……………………………………………………………………… 403
8.1.7 冷却系统试验验证………………………………………………………………………… 406
8.2 润滑系统设计 ……………………………………………………………………… 408
8.2.1 概述………………………………………………………………………………………… 408
8.2.2 润滑系统设计原则………………………………………………………………………… 409
8.2.3 润滑系统先进技术………………………………………………………………………… 415
8.2.4 润滑系统设计案例………………………………………………………………………… 418
8.2.5 润滑系统设计检查………………………………………………………………………… 437
8.2.6 润滑系统 CAE 分析 ……………………………………………………………………… 439
8.2.7 润滑系统试验验证………………………………………………………………………… 443
第 9 章 燃油电控系统设计 ……………………………………………………… 446
9.1 燃油系统设计 ……………………………………………………………………… 446
9.1.1 概述………………………………………………………………………………………… 446
9.1.2 燃油系统设计原则………………………………………………………………………… 447
9.1.3 燃油系统设计步骤………………………………………………………………………… 451
9.1.4 燃油系统技术发展趋势…………………………………………………………………… 453
9.2 点火系统设计 ……………………………………………………………………… 454
9.2.1 概述………………………………………………………………………………………… 454
9.2.2 点火系统设计原则 ……………………………………………………………………… 458
9.2.3 关键零部件参数…………………………………………………………………………… 462
9.2.4 点火系统设计检查………………………………………………………………………… 463
9.2.5 点火系统设计验证………………………………………………………………………… 464
9.2.6 点火系统技术发展趋势…………………………………………………………………… 465
9.3 燃油系统先进技术 ………………………………………………………………… 465
9.3.1 缸内直喷技术……………………………………………………………………………… 465
9.3.2 多喷孔喷油器技术………………………………………………………………………… 466
9.4 燃油电控系统设计案例 …………………………………………………………… 467
9.4.1 燃油系统 3D 布局设计 …………………………………………………………………… 467
9.4.2 燃油系统 2D 详细设计 …………………………………………………………………… 472
9.4.3 电控系统 3D 布局设计 …………………………………………………………………… 475
9.4.4 电控系统 2D 详细设计 …………………………………………………………………… 479
9.5 燃油电控系统设计检查 …………………………………………………………… 484
9.6 燃油电控系统 CAE 分析 …………………………………………………………………… 487
9.7 燃油电控系统试验验证 …………………………………………………………… 488
9.7.1 喷油器喷雾形态验证……………………………………………………………………… 488
9.7.2 喷油器方向定义…………………………………………………………………………… 490
9.7.3 喷油器测试结果…………………………………………………………………………… 490
第 10 章 附件系统设计 ………………………………………………………… 492
10.1 概述………………………………………………………………………………… 492
10.2 附件系统分类……………………………………………………………………… 492
10.2.1 平带传动 ………………………………………………………………………………… 492
10.2.2 V 带传动 ………………………………………………………………………………… 493
10.2.3 圆形带传动 ……………………………………………………………………………… 493
10.2.4 多楔带传动 ……………………………………………………………………………… 493
10.2.5 同步带传动 ……………………………………………………………………………… 493
10.3 附件传动系统零部件……………………………………………………………… 494
10.3.1 惰轮 ……………………………………………………………………………………… 494
10.3.2 超越带轮 ………………………………………………………………………………… 495
10.3.3 传动带张紧器 …………………………………………………………………………… 496
10.4 附件传动系统张紧装置…………………………………………………………… 497
10.4.1 机械阻尼式张紧系统 …………………………………………………………………… 497
10.4.2 液压阻尼式张紧器 ……………………………………………………………………… 498
10.5 附件系统设计原则………………………………………………………………… 499
10.5.1 附件传动系统设计要求 ………………………………………………………………… 499
10.5.2 附件传动系统的优缺点分析 …………………………………………………………… 500
10.5.3 附件传动系统的设计步骤 ……………………………………………………………… 500
10.5.4 数据库现有机型附件传动系统的信息 ………………………………………………… 504
10.6 附件系统先进技术………………………………………………………………… 504
10.7 附件系统设计案例………………………………………………………………… 505
10.7.1 附件系统布局 3D 布局设计 …………………………………………………………… 505
10.7.2 附件系统详细 2D 详细设计 …………………………………………………………… 510
10.8 附件系统设计检查………………………………………………………………… 514
10.9 附件系统 CAE 分析 ……………………………………………………………… 516
10.10 附件系统试验验证 ……………………………………………………………… 518
参考文献 …………………………………………………………………………… 520