本書全面系統(tǒng)地論述了汽車用往復活塞式內燃機的開發(fā)與設計。全書共10章，首先是緒論，闡述與汽車及內燃機相關的重大問題和內燃機作為車用動力的應用前景、汽車企業(yè)研發(fā)體系建設以及汽車內燃機開發(fā)流程和主要技術手段；然后是汽車內燃機選型、汽車內燃機主要參數(shù)確定、汽車內燃機工作過程計算、往復活塞式內燃機動力學、汽車內燃機曲軸系統(tǒng)扭轉振動、汽車內燃機配氣機構動力學與設計、汽車內燃機主要零部件設計、汽車內燃機系統(tǒng)設計；*后是汽車內燃機開發(fā)的試驗評價與產(chǎn)品定型。每章都有教學目標、思考題和項目訓練。
本書可作為普通高等院校車輛工程專業(yè)的教材，還可供汽車類相關專業(yè)，如汽車服務工程和交通運輸?shù)葘I(yè)的學生以及從事汽車內燃機開發(fā)、設計和制造的工程技術人員參考。
目前，我國已成為全球大汽車生產(chǎn)國并擁有大汽車市場。我國汽車產(chǎn)業(yè)雖然取得了豐碩的成果，但還未達到國際一流水平。我國要由汽車大國走向汽車強國，必須增強創(chuàng)新能力、提高研發(fā)能力。其中，人才是關鍵，這涉及兩個層面：一是培養(yǎng)足量符合要求的研發(fā)人員；二是企業(yè)及其研發(fā)機構對研發(fā)人員的組織、管理和使用。
汽車企業(yè)要具備不斷適應市場需求的研發(fā)能力。在企業(yè)既定經(jīng)營目標的指導下，調動企業(yè)資源，整合資金、技術、生產(chǎn)、渠道和營銷等多方面的資源，根據(jù)市場需求開發(fā)適銷對路的產(chǎn)品，達到產(chǎn)品綜合競爭優(yōu)勢強，從而實現(xiàn)生產(chǎn)者與使用者都滿意的產(chǎn)品組合，創(chuàng)造效益化。汽車企業(yè)必須建立研發(fā)中心，進行新產(chǎn)品的研發(fā)和管理。因此，要實現(xiàn)成功的產(chǎn)品研發(fā)，必須在強大的人才庫的支撐下，建立一套行之有效、規(guī)范的研發(fā)管理和項目管理體系。
高等學校是人才培養(yǎng)的搖籃，汽車工程師一般是在高等學校接受過相關專業(yè)學習畢業(yè)的本科生或研究生，并在企業(yè)積累經(jīng)驗。一名合格的汽車工程師應該具備怎樣的能力和視野，應該掌握哪些技能，高等學校的相關專業(yè)在人才培養(yǎng)中應該把握怎樣的口徑，學生能力的培養(yǎng)如何與企業(yè)需求有效對接等，這些都是國內汽車界、教育界討論多且還必須繼續(xù)討論下去的問題。專業(yè)領域的教材建設是人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，為了適應我國汽車工業(yè)發(fā)展的需要及汽車類專業(yè)的教學要求，尤其是培養(yǎng)合格的汽車工程師的要求，特編寫本書。
在傳統(tǒng)專業(yè)設置上，與汽車緊密相關的專業(yè)就是車輛工程和內燃機。專業(yè)方向課基本上遵循“構造—原理（理論）—設計—試驗”的主線，傳統(tǒng)的內燃機教材只單純涉及若干方面的問題，“內燃機設計”教材一般也是以內燃機各系統(tǒng)的受力展開的，不免陷入“力學計算即設計”的狹小范疇。本書力圖將“設計”擴展為“設計開發(fā)”，用更豐富和詳盡的內容來闡述汽車內燃機在開發(fā)過程中涉及的各種問題。
汽車內燃機設計應具備科學嚴格的流程，包括研發(fā)組織、市場調研、樣機設計（包括虛擬樣機和實物樣機）、試驗評價、產(chǎn)品定型和市場投放等過程。所以，產(chǎn)品的開發(fā)從來就不是純技術問題，還必須考慮多方面的約束和限制，以及諸多前瞻性問題。本書從闡述與汽車及內燃機相關的重大問題出發(fā)，首先試圖使設計者具備強烈的社會責任感，認知工程倫理；然后介紹企業(yè)成熟的研發(fā)體系，以拓寬學生視野并培養(yǎng)其組織能力，同時介紹汽車內燃機的選型，闡述汽車內燃機設計過程三大經(jīng)典計算（工作過程計算、動力學計算和零部件強度校核計算）；接下來介紹汽車內燃機各系統(tǒng)的設計，設計過程中的力學問題，主要零部件的設計等；后介紹產(chǎn)品的試驗評價與產(chǎn)品定型。每章都有教學目標、思考題和項目訓練，以更加強調項目訓練對提升設計能力的重要性。
本書由湖北汽車工業(yè)學院韓同群教授編著，編者有多年汽車企業(yè)的工作經(jīng)驗，曾從事汽車整車及汽車內燃機產(chǎn)品的設計和試驗工作，廣泛接觸汽車開發(fā)設計、生產(chǎn)制造、試驗使用和售后服務等工作。編者根據(jù)多年的工作和教學經(jīng)驗編寫了本書，以適應高校人才培養(yǎng)的要求。希望本書為有志于成為汽車工程師的青年學子提供一架進階之梯。
由于編者水平有限，加之經(jīng)驗不足，書中難免有錯誤和疏漏之處，懇請廣大讀者批評指正。
編者
前言
本書主要符號表
第1章緒論1
1.1與汽車及內燃機相關的重大問題1
1.1.1能源問題1
1.1.2環(huán)境問題1
1.1.3內燃機作為車用動力的應用前景2
1.2汽車企業(yè)研發(fā)體系4
1.2.1汽車企業(yè)的研發(fā)模式4
1.2.2汽車企業(yè)開發(fā)能力的內涵6
1.3汽車內燃機開發(fā)流程和主要技術手段7
1.3.1發(fā)動機在汽車開發(fā)中的地位7
1.3.2汽車整車的研發(fā)過程7
1.3.3汽車內燃機設計開發(fā)流程和主要技術手段10
項目訓練16
第2章汽車內燃機選型18
2.1汽車發(fā)動機分類18
2.2汽油機與柴油機18
2.2.1汽油機的特點與應用18
2.2.2柴油機的特點與應用21
2.2.3汽車內燃機選配的基本原則22
2.3幾種汽車內燃機類型的討論22
2.3.1沖程數(shù)22
2.3.2冷卻方式22
2.3.3氣缸數(shù)和氣缸布置形式23
2.3.4進氣形式23
思考題和項目訓練24
第3章汽車內燃機主要參數(shù)確定25
3.1性能指標25
3.1.1動力性指標25
3.1.2經(jīng)濟性指標28
3.1.3可靠性與耐久性指標28
3.1.4運轉性能與適應性指標29
3.1.5低公害指標29
3.2基本結構參數(shù)31
3.2.1氣缸直徑和氣缸數(shù)31
3.2.2氣缸中心距L0與氣缸直徑D的比值L0/D32
3.2.3行程缸徑比S/D和活塞行程S32
3.2.4曲柄半徑r與連桿長度L的比值33
3.2.5汽車內燃機的幾個綜合評價參數(shù)34
3.3汽車內燃機的結構和總體布置35
思考題和項目訓練37
第4章汽車內燃機工作過程計算39
4.1內燃機實際循環(huán)的示功圖39
4.2內燃機實際循環(huán)的計算41
4.2.1概述41
4.2.2內燃機實際循環(huán)的熱力學模型41
4.2.3熱力學模型的計算參數(shù)與內容43
4.3內燃機從零維模型到多維模型的發(fā)展51
思考題和項目訓練54
第5章往復活塞式內燃機動力學56
5.1內燃機動力學計算概述56
5.1.1內燃機動力學計算的主要內容和作用56
5.1.2內燃機動力學計算方法與工具57
5.2曲柄連桿機構運動學58
5.2.1曲柄連桿機構的形式58
5.2.2多缸內燃機的結構形式59
5.2.3曲柄連桿機構運動規(guī)律60
5.2.4曲柄連桿機構運動規(guī)律在內燃機設計中的作用70
5.3曲柄連桿機構動力學70
5.3.1中心式曲柄連桿機構中的作用力分析70
5.3.2中心式曲柄連桿機構中力的傳遞及作用效果分析74
5.3.3偏心式曲柄連桿機構中的作用力和力矩77
5.3.4主副連桿式曲柄連桿機構中的作用力和力矩78
5.3.5曲柄連桿機構動力計算79
5.4內燃機的平衡與平衡分析82
5.4.1內燃機平衡的基本概念82
5.4.2內燃機的平衡措施84
5.4.3單缸內燃機平衡85
5.4.4單列式多缸內燃機平衡90
5.4.5雙列式多缸內燃機平衡100
思考題和項目訓練115
第6章汽車內燃機曲軸系統(tǒng)扭轉振動117
6.1扭轉振動的基本概念及研究意義117
6.2內燃機當量扭振系統(tǒng)的組成與簡化118
6.2.1彈性參數(shù)(扭轉剛度或柔度)的換算119
6.2.2慣性參數(shù)(等效轉動慣量)的換算122
6.2.3曲軸系統(tǒng)扭轉振動計算的當量轉換124
6.3扭轉振動系統(tǒng)自由振動計算126
6.3.1單自由度系統(tǒng)與多質量扭振系統(tǒng)126
6.3.2曲軸系統(tǒng)自由扭轉振動振型圖130
6.4單自由度系統(tǒng)的有阻尼自由振動與強迫振動分析131
6.4.1單自由度系統(tǒng)的有阻尼自由振動131
6.4.2單自由度系統(tǒng)的有阻尼強迫振動132
6.5曲軸系統(tǒng)扭轉振動分析與減振133
6.5.1曲軸系統(tǒng)扭轉振動的激振力矩133
6.5.2曲軸系統(tǒng)的共振與臨界轉速136
6.5.3曲軸系統(tǒng)扭轉振動的消減措施138
6.5.4扭振的現(xiàn)代測試分析方法142
思考題和項目訓練145
第7章汽車內燃機配氣機構動力學與設計147
7.1配氣機構的形式及評價147
7.1.1配氣機構的形式147
7.1.2單個氣門通過能力評價148
7.2配氣機構運動學和凸輪型線設計150
7.2.1配氣機構運動規(guī)律150
7.2.2凸輪型線設計155
7.3配氣機構動力學162
7.3.1配氣機構動力學模型162
7.3.2凸輪型線動力修正166
7.4凸輪軸及氣門驅動件設計167
7.4.1凸輪位置確定167
7.4.2挺柱、氣門和彈簧的設計169
思考題和項目訓練178
第8章汽車內燃機主要零部件設計180
8.1曲軸飛輪組設計180
8.1.1曲軸的工作條件和設計要求180
8.1.2曲軸的結構設計181
8.1.3提高曲軸強度的措施184
8.1.4曲軸的強度計算186
8.1.5飛輪設計193
8.2連桿組設計196
8.2.1連桿的工作條件和設計要求196
8.2.2連桿材料197
8.2.3連桿主要參數(shù)的選擇198
8.2.4連桿的結構設計199
8.2.5利用有限元法對連桿進行計算分析203
8.3活塞組設計205
8.3.1活塞組的工作條件與設計要求205
8.3.2活塞的材料206
8.3.3活塞設計206
8.3.4活塞環(huán)設計214
8.3.5活塞環(huán)的力學及結構計算220
8.3.6油環(huán)的設計計算224
8.3.7活塞環(huán)的組合225
8.4機體與氣缸蓋設計226
8.4.1氣缸體的工作條件與設計要求227
8.4.2氣缸體的設計228
8.4.3應用有限元法對機體進行結構設計234
8.4.4氣缸蓋設計235
8.4.5氣道設計的CFD方法以及氣缸蓋CAE分析239
思考題和項目訓練241
第9章汽車內燃機系統(tǒng)設計244
9.1燃燒系統(tǒng)244
9.1.1汽油機的燃燒室和燃燒系統(tǒng)244
9.1.2直噴汽油機燃燒系統(tǒng)開發(fā)246
9.1.3柴油機的燃燒室和燃燒系統(tǒng)252
9.1.4CFD在柴油機燃燒系統(tǒng)開發(fā)中的應用260
9.2進、排氣系統(tǒng)264
9.2.1車用柴油機進氣系統(tǒng)265
9.2.2車用柴油機排氣系統(tǒng)267
9.2.3乘用車汽油機進氣系統(tǒng)269
9.2.4乘用車汽油機排氣系統(tǒng)2
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