2.2 总体设计

本书中的总体设计章节主要介绍性能设计目标确定、技术路线制定、燃烧系统初定、主体骨架确定、主体结构设计校核等。

本书中的系统设计章节主要介绍曲柄连杆机构、配气机构、冷却及热管理、润滑及低摩擦、进气系统、排气系统、曲轴箱通风系统、轮系驱动系统等的设计。

总体设计核心使命是，基于设计目标，基于性能驱动，基于趋势预判，从产品设计交付全局出发，统筹总体技术方案制定，统筹分子系统指标分解，统筹分子系统间的平衡；既要考虑全局，也要照顾一隅。

总体设计的核心关键是抓住主线，把握关键，平衡协调。

1.抓住主线

抓住主线就是抓住性能驱动产品设计这条主线。所有设计活动都应围绕达成性能目标服务。当然，实际产品设计开发过程中，还要考虑质量和时间等，如图2-2所示。

2.把握关键

把握关键是指每项设计工作，每个任务交付，从自身的角度可能都是重要的，都是优先的，但是，站在全局角度，则必须区分对待，哪些是达成设计目标的关键影响因素、主要矛盾，是矛盾的主要方面等。必须做出排序，区分轻重缓急。

3.平衡协调

平衡协调是指因为各子系统之间总会出现这样那样的矛盾冲突，为了实现总的目标，必须做出取舍。比如，曲轴轴径越小，对摩擦越有利，但强度将降低。这个取舍一般不宜由矛盾当事方之一做出，而须由同时对矛盾双方的上一层级属性目标负责的角色统筹考虑、综合评估给出结论，使之达到相对平衡，相对协调统一，确保总的目标达成。可以说，发动机的设计不是纯粹的理论研究，而是一门实践技术，无法十全十美。

2.2.1 设计目标确定

对于汽油机产品开发，业界一般不会按照单一产品开发。企业通常基于企业自身战略、市场前景、汽车法规、客户需求等多方面因素，按照产品平台谱系整个生命周期全价值链以及盈利模式等进行平台产品谱系规划。产品平台谱系规划一般会综合考虑技术配置及先进性、缸径区间、排量区间、性能领先性、生命周期及盈利模型等。

汽油机设计目标的设定，以平台首发机型为例，通常主要基于达成整车性能目标、竞品分析等进行技术方案选择及大量的仿真分析评估，最终基于初步仿真评估结果设定发动机性能开发目标。在实际产品开发中，研发预算、开发周期、生产线投资预算以及风险收益等作为影响产品开发的重要因素，同样也会对性能目标的设定产生影响。

概念设计阶段的性能达成预测通常会基于竞品对标、企业历史经验数据，通过性能仿真分析进行发动机外特性功率转矩、发动机特征工况油耗、万有特性油耗及排放等的预测，如图2-3~图2-6所示。

2.2.2 技术路线制定

汽油机技术路线的选择与产品性能目标定义强相关，同时尺寸、重量等也是技术路线选择的重要考虑因素。增压小型化既能获得良好的动力性、经济性，又能大幅缩小产品尺寸，更好满足各种车型的布置需求，目前已成为汽油机产品开发的主流技术路线。当然，在大的技术路线下需要基于产品细化的性能目标进行产品技术方案的选择。例如，燃油系统是选择PFI还是GDI，配气机构是选择VVT还是VVL，燃烧模式是选择奥托循环还是米勒循环，是选择涡轮增压还是机械增压等。

2.2.3 燃烧系统设计

满足目标性能要求的汽油机产品结构设计，通常是从气道及燃烧室开始的。随着汽车对发动机性能的要求越来越高，行业已经逐步形成性能驱动产品设计这个理念。性能既是设计的出发点，也是落脚点，性能驱动产品设计这个主线贯穿于整个设计过程，详细内容参见第3章。本章主要从性能与结构相辅相成的角度，展示设计的过程。

基于气道及燃烧室这个产品设计起点，一般是根据总体技术方案最先确定燃烧系统，再按由内到外的顺序确定配气机构、曲柄连杆机构，冷却系统、润滑系统等技术方案。

燃烧系统一般包括广义的燃烧系统和狭义的燃烧系统。狭义的燃烧系统是指实现燃烧过程必需的缸内工质的工作空间及支撑燃烧过程必需的相关零部件，包括由活塞与缸盖围成的燃烧室、喷油器、火花塞、进气道、排气道以及可为喷油器提供高压燃油的高压燃油机构。对于缸盖集成排气歧管（IEM）发动机，一般也把IEM归入狭义的燃烧系统。而广义的燃烧系统一般指实现发动机性能达成必需的工质的流动及工作空间，以及支撑进排气流动及燃烧过程必需的相关零部件，一般还包括空滤器、中冷器、进气歧管、排气歧管、增压器、催化器及消声管路。本书主要聚焦于狭义燃烧系统的相关内容。燃烧系统设计主要包含气道设计、燃烧室设计和燃油喷射系统设计。

发动机燃烧系统设计是发动机设计的基础，即一般发动机曲轴箱以上部分的所有零部件设计都是在燃烧系统设计的基础上向外设计延伸的结果。所以，燃烧系统设计是发动机设计过程中最重要的环节，该过程需要通过多轮次反复设计、仿真和试验验证，才能最终达成设计目标。

由于燃烧系统开发过程非常复杂，本书将在第3章详细阐述发动机性能开发对燃烧系统设计的需求。因此，本节主要介绍燃烧系统设计的一般流程和主要过程。对于燃烧系统开发过程中需要关注的关键问题，请参照第3章。

2.2.3.1 燃烧系统设计的一般流程

典型燃烧系统设计一般包括概念设计、稳态流动性分析、缸内混合气形成和燃烧分析、单缸机可视化测试和多缸机测试验证五个基本环节，图2-7所示为发动机燃烧系统开发流程。

概念设计阶段的主要工作是确定燃烧系统的基础构架，即根据发动机功率、转矩以及油耗和排放等要求，结合技术对标和性能仿真，确定发动机基本架构和主要技术路线，包括缸径、行程、压缩比、增压比范围、进排气系统容积、凸轮型线等基本架构，以及缸内直喷、脉冲增压、低摩擦、轻量化、水冷中冷和可变气门正时等技术路线（图2-8）。

稳态流动性分析阶段的主要工作是根据项目实际情况，确定进排气道、进排气系统多组设计方案，开展在不同工况下的气体流动性能分析，来评估对发动机性能和车辆性能的影响，最终选出若干组进排气道优化方案。

缸内混合气形成和燃烧分析阶段的主要工作是根据优化后的若干组进排气道方案，结合若干组活塞顶形状+喷油器方案，进行4个典型工况多方案组合分析。根据计算结果，选取3～5组优化方案进行硬件制作和试验。

单缸机可视化测试阶段的主要工作是对优化后的燃烧系统进行单缸机测试验证，排除发动机布置及各缸不均匀性等干扰因素，验证燃烧系统的设计水平（检验发动机的缸内燃油喷射和雾化、燃烧和排放、燃油湿壁和机油稀释等），如图2-9所示。

多缸机测试验证阶段的主要工作是在多缸机上进行燃烧开发测试及验证，充分考虑发动机布置、缸间不均匀（各缸进气量、流动形式、循环喷油量）、附件边界系统设计等对发动机性能的影响，开发出优化的发动机。

2.2.3.2 气道设计

在气道设计过程中，有两个关键目标需求驱动气道设计实现不断迭代优化，直至达成这两个目标需求。第一个是气道流通能力需求，它是影响容积效率的关键因素，也决定了发动机提升功率、转矩的潜力；第二个是缸内气流运动水平。

进气道优化设计的精髓是同步改进气道流通能力和滚流运动水平，以及平衡这两个目标需求。传统的气道优化设计途径主要是基于气道稳流试验台进行测试和迭代设计，该方法的缺点是需要不断准备气道芯盒或者缸盖样件。近年来，CFD仿真分析也逐渐应用于气道优化设计，并部分取代气道稳流试验台测试。

目前，气道开发的一般流程是：第一步，仿真计算，应用3D-CAD和3D-CFD进行气道方案CAD设计和CFD分析优化，通过多轮次迭代设计出比较理想的气道方案。第二步，气道芯盒，基于CFD分析的气道方案制作气道芯盒。通过气道稳流试验台测试及评价该气道芯盒是否满足性能需求。第三步，缸盖实物，进行发动机气缸盖实物制作。然后通过气道稳流试验台测试评价。

图2-10所示是典型的基于CFD仿真的气道优化设计过程。该优化过程起始于确定流量系数和滚流比目标，并建立基础方案模型；进行CFD仿真分析，即建立气道稳流试验台对应的CFD模型，通过CFD计算不同进气门升程下的流量系数、滚流比及流场分布信息；基于流量系数和滚流随气门升程的变化规律及流场信息，分析气道设计存在的优化空间；通过在设计模型上进行局部几何修改，进行下一轮CFD仿真分析及寻找改进点，持续迭代优化设计，直至设计出最终的高滚流气道方案。该方法的好处是基于预测的流场结构来理解气流运动物理过程，并指导气道迭代优化，直至满足开发目标。由于目前CFD仿真精度非常高，基本可以实现通过CFD仿真指导设计，一次性设计出合格的气道方案。相比于传统的气道设计方法，该方法充分应用CFD仿真取代了大部分实物验证，即在设计过程中穿插了大量“虚拟验证”，以保证迭代设计朝着不断改进的方向前进，这样就可以极大地提升开发效率。

在实际发动机开发过程中，一般都需要经过多轮次设计迭代优化进行气道设计，比如长安汽车蓝鲸1.5T发动机经过多轮次反复设计迭代优化，成功开发出满足性能目标的高滚流气道，从而保证了发动机性能目标的有效达成，如图2-11、图2-12所示。

2.2.3.3 燃烧室设计

在燃烧室设计过程中，需要重点关注如何组织高水平的湍流运动和降低面容比，以实现快速燃烧及降低传热损失。燃烧室设计的重点工作是缸盖燃烧室和活塞顶部形状，该部分设计工作可以通过CFD仿真辅助设计，并通过多轮次迭代优化来实现。

在缸盖燃烧室及活塞顶部形状设计过程中，可以基于缸内瞬态流动CFD分析方法进行。即建立缸内瞬态流动分析对应的CFD模型，通过CFD计算不同曲轴转角时刻缸内滚流比、湍流动能、湍流强度及流场分布信息。然后基于滚流比和湍流动能（或湍流强度）随曲轴转角变化规律及流场信息，分析气道设计、缸盖燃烧室及活塞顶部形状存在的优化空间。通过在设计模型上进行局部几何修改，进行下一轮CFD仿真分析及寻找改进点，持续迭代优化设计，直至完成气流运动组织过程优化。图2-13所示为相同气道、缸盖燃烧室匹配不同活塞顶部形状的缸内流动仿真结果。在气流运动组织过程优化中，可以通过分析不同活塞顶部形状对缸内流场分布及湍流动能的影响，寻找活塞顶部形状改进方向，直至设计出最终的活塞顶部形状方案。这种方法的好处是通过CFD仿真替代了大部分发动机实物验证，即在计算机中不断进行“虚拟发动机试验”，并详细解析气流运动过程中的流场结构，帮助工程师理解物理现象本质，不断积累设计经验，提升燃烧系统设计水平。

2.2.3.4 燃油喷射系统设计

在燃油喷射系统设计过程中需要重点关注油气混合均匀性和燃油碰壁，以实现快速燃烧、清洁排放及规避可靠性问题。燃油喷射系统设计的重点工作是喷油系统压力、喷油器流量、喷孔直径和喷雾油束落点设计。

由于缸内油气混合过程是一个高度三维、非定常的多相流动及混合过程，同时也依赖于发动机工作条件。因此，发动机燃油喷射系统设计通常是前期借助于三维CFD仿真工具进行，后期借助光学发动机进行验证。通过三维CFD仿真工具揭示气门运动、活塞运动、气流运动、燃油喷射、雾化、油滴输运、油滴蒸发、燃油碰壁、油膜蒸发和油气混合整个过程的宏观及微观现象的物理本质，帮助工程师理解整个油气混合物理过程的本质，寻找优化措施，如此往复，不断迭代优化，从而开发出完美的燃油喷射系统。

比如长安汽车蓝鲸1.5T发动机燃油喷射系统开发，借助了STAR-CD通用CFD软件工具，并植入长安汽车自主开发的用户子程序，进行喷雾模型标定，确保喷雾仿真准确度。然后基于该工具进行缸内油气交互过程分析，不断优化喷油系统压力、喷油器流量、喷孔直径和喷雾油束落点设计，促进油气混合均匀性及减少燃油湿壁，图2-14～图2-18所示是开发过程中相关的分析和信息。经过多轮次迭代优化，最终开发出成功的燃油喷射系统。

近年来随着光学发动机在汽车行业的普遍应用，工程师可以利用光学发动机配合一些光学诊断技术（包括先进的激光诊断技术），实现缸内混合气分布、燃油碰壁、扩散火焰的观察及测量。该技术一方面可以用来校准三维CFD仿真工具的计算精度，另一方面，可以很好地帮助工程师理解整个油气混合物理过程的本质，为发动机燃油喷射系统开发提供指导，实现迭代设计。感兴趣的读者可阅读试验测试相关章节内容。

2.2.4 汽油机主体骨架设计

前文已经介绍，由于汽油机产品设计是一个十分复杂的系统工程，必须经由总体设计、系统设计、零件设计，是一个自上而下的设计过程。骨架模型（Top-Down）是实现自上而下设计理念的典型设计方法，通过自上而下传递总体设计信息，联动、关联各子系统关键结构参数。

1）便于形象呈现产品主体结构布局、各子系统之间的结构关联性。

2）便于总体设计统筹全局。

3）便于系统设计信息交互。

4）便于协同设计信息传递，关联变更。

骨架模型由基准平面、点、直线、曲线、坐标系组成，一般包括汽油机主体结构关键参数、各子系统关键参数，能够形象呈现汽油机主体结构总体布局、各子系统空间布局以及相互之间的关联关系。

主体结构骨架模型一般包括气缸直径、缸心距、缸体高度、缸盖高度、曲轴中心、主油道、缸体端面、缸体缸盖连接螺栓轴线等。

各子系统骨架模型一般包括凸轮中心、气门中心、气门夹角、机油泵、水泵、起动机、发电机、压缩机、带轮中心、传感器等。

总布置图中的骨架参数与骨架模型中参数的参数表之间具备双向驱动功能，如图2-19、图2-20所示。

下面以在典型骨架设计中，需要考虑发动机长宽高的设计案例进行说明。在某新发动机平台设计之初，目标是为了搭载后续电气化产品，以满足该企业未来P3、P4平台和某外销机型的机舱布置要求，同时兼容混动，要求总体尺寸要达到行业领先水平，才能具有更强的机车适应性。

电动化趋势驱使动力总成尺寸更加紧凑，对发动机长度、宽度、高度的要求都异常苛刻。不同技术路线对发动机的长宽高都有不同的影响，如何选择更加合适的方案，并保证其平台移植性、可制造性，是在大批量生产过程中必须关注的，在设计之初就必须选取更加适合于批量制造的技术方案。

涉及发动机宽度的指标有气门夹角、气道长度等，这些都与性能目标、可制造性直接相关。涉及发动机高度和长度的，有缸径/行程比、缸体结构形式等，同样的，也与性能目标、可制造性直接相关。因此，硬件上需要从整车机舱的空间可容纳程度、PHEV等电气化产品留给发动机的长宽高要求倒推，并且具有平台移植性（即多个整车都可适用）；性能上需要选取更容易实现的性能目标，此外，还需要从可制造性角度考量。

2.2.5 汽油机主体结构可靠性设计

缸体、缸盖等属于内燃机关键部件，工作时需承受紧固螺栓的夹紧力、缸内燃气的爆发压力、交变热应力作用。高压、高温以及交变载荷导致机体受热膨胀不均而产生裂纹、变形，严重影响机体使用寿命。机体开裂、接合面渗漏是汽油机常见的失效模式。

在布置设计阶段开展机体一体化仿真计算，用以分析评估应力、疲劳安全系数、滑移量、张开量、密封压力等是否满足要求。

一体化仿真计算是汽油机主体结构可靠性设计的有效手段之一。图2-21所示为缸体缸盖一体化有限元模型。

机体强度分析计算包括缸体缸盖的应力分析、疲劳分析等内容，分析结果用于评价缸体缸盖的强度及耐久性是否满足要求。图2-22为缸盖高周疲劳安全系数。

缸垫密封性能计算，包括密封压力和动态离脱间隙，分析工况对应发动机冷热冲击台架试验，分析结果用于评价发动机气缸垫的密封性是否满足要求，如图2-23～图2-25所示。