5.4 发动机选型

发动机选型的依据因素很多，如汽车的类型、用途、使用条件、总布置形式、总质量，以及动力性指标、经济性要求、材料和燃料资源、排气污染和噪声方面的法规限制、已有的发动机系列及其技术指标水平、技术发展趋势、生产条件与制造成本、市场预测情况以及将来的配件供应及维修条件等，通常要经过多种方案的比较甚至通过先行的试验研究才能选定一个好的方案。

1.发动机基本形式的选择

至今，世界上大多数汽车采用的是往复活塞式内燃机，其中大多数的轿车采用汽油机，而几乎全部的重型载货汽车、大多数的中型载货汽车和相当一部分轻型载货汽车则采用柴油机。近二三十年来在极少数汽车上采用了转子发动机、燃气轮机、高能蓄电池和电动机等动力装置。为消除污染，新能源汽车受到世界各汽车公司的重视，列为发展方向并在加紧研制中。但从目前的情况来看，在相当长的时期内，往复式内燃机仍是汽车发动机的主要形式。因此，这里仅就汽车内燃机的选型问题进行讨论。

在汽车发动机基本形式的选择中，首先应确定的是采用汽油机还是柴油机，其次是气缸的排列形式和发动机的冷却方式。

就世界范围而言，大型载货汽车的发动机已经柴油化，中型载货汽车也多采用柴油机，轻型载货汽车采用柴油机的也不少，在欧洲，已有小型高速柴油机被用到某些轿车上。与汽油机相比，柴油机具有油耗低、燃料经济性好、无点火系统，故障少、工作更可靠，耐久性好、寿命长，排气污染较低和防火安全性好等优点。但一般柴油机的振动及噪声较大，轮廓尺寸及质量较大，造价较高，起动较困难并易冒黑烟。近年来，由于柴油机在产品设计和制造工艺方面的不断完善，上述缺点已得到较好的克服。较大功率、高转速、低噪声、小型化且运转平稳的柴油机的研制开发成功，使装柴油机的轻型载货汽车日益增多。预计在今后相当长的一段时期内，考虑到燃料使用的平衡及汽油机的转速高、升功率高、转矩适应性较好、轮廓尺寸及质量较小、便于布置、振动及噪声较低和适于高速车辆等特点，大多数装载量为6t以上的载货汽车将全部装用柴油机，装载量为2～5t的部分轻型和中型载货汽车则采取两种发动机均可安装而由用户选择的方式。

2.发动机缸数及冷却方式的选择

按气缸排列形式的不同，发动机又分为直列式、水平对置式和V型等。直列式的结构简单、维修方便、造价低廉、工作可靠、宽度小、易布置，因而在中型及以下的载货汽车上得到了广泛应用。4L以下的汽油机多采用直列式，但对大排量的直列发动机而言，不是缸径过大，就是缸数过多，使发动机过长和过高，重量也过大。因此，在重型载货汽车上，采用V型发动机的也日益增多。V型发动机相对于直列式有许多优点，其长度显著缩短（缩短25%～30%），高度降低，质量减小20%～30%；曲轴箱及曲轴的刚度增大；易于设计尺寸紧凑的高转速、大功率发动机且易于系列化，如V6、V8、V10及V12等，而直列式通常到六缸，最多八缸。对于长度受到限制的车辆来说，由于V型发动机的长度短，适宜于这类车辆的总体布置，但由于其宽度大，故在长头载货汽车上布置困难。V型发动机的造价高，故在应用中受到限制，多用于排量在6L以上和缸径大于150mm的汽油机和12L以上的柴油机。

按冷却方式，发动机又有水冷式和风冷式之分。水冷发动机冷却均匀可靠，散热好，气缸变形小，缸盖、活塞等主要零件的热负荷较低，可靠性高；能很好地适应大功率发动机的冷却要求；发动机增压后也易于采取措施（加大散热器、增加泵量）加强散热；噪声小；车内供暖问题易解决。因此，大多数汽车都采用了水冷发动机。但其冷却性能受气温影响显著，设计时应考虑避免高温天气出现发动机过热的问题。风冷发动机的冷却系统简单，维修简便，其在沙漠和缺水地区及炎热、酷寒地区使用的适应性好，不会产生发动机过热和冻结等故障，还可省去消耗铜材的散热器。但大缸径风冷发动机的冷却不够均匀，缸盖等有关零件的热负荷高，可靠性不及水冷式的，在其他类型的汽车上应用不多。大型风冷发动机虽也能达到较高的性能指标，但需采用较多的结构、工艺措施，造价较高。

3.发动机参数的选择

（1）发动机最大功率P_emax及其相应转速n_p

发动机功率越大，则汽车的动力性越好，但功率过大会使发动机功率利用率降低，燃料经济性下降，动力传动系的质量也要加大。因此，应合理地选择发动机功率。

设计初可参考同类型、同级别且动力性相近的汽车的比功率进行P_emax的估算或选取。P_emax可根据所要求的最高车速v_max进行计算

式中，P_emax为发动机最大功率（kW）；η_T为传动系统的传动效率，对单级主减速器驱动桥的4×2式汽车取η_T≈0.9；m_a为汽车总质量（kg）；g为重力加速度（m/s²）；f为滚动阻力系数，对载货汽车取0.02，对矿用自卸汽车取0.03，对轿车等高速车辆需考虑车速影响并取f=0.0165+0.0001（v_a-50）；v_max为最高车速（km/h）；C_D为空气阻力系数，载货汽车取0.8～1.0；A为汽车正面投影面积（m²），若无测量数据，则可按前轮距B₁、汽车总高H、汽车总宽B等尺寸近似计算：A≈B₁H。

按式（5-16）求出的P_emax应为发动机在装有全部附件下测定时得到的最大有效功率或净输出功率，它比一般发动机外特性的最大功率值低12%～20%。

在整车选型阶段还应对发动机最大功率对应的转速n_p±Δn_p提出要求，因为它不仅影响发动机本身的技术指标和使用性能及寿命，而且影响整车的性能（例如v_max）、传动系统的寿命以及对主减速比i₀的选择。

近年来，随着车速的提高，发动机转速也在不断地提高。同时，提高发动机转速也是提高其功率、减小其质量的有效措施。但提高转速会使活塞的平均速度加快、热负荷增高、曲柄连杆机构的惯性力增大，进而加剧磨损，导致寿命下降，并加大振动和噪声。因此，发动机转速的提高也有一定的限度。当前，轻型载货汽车汽油机的n_p大多为3800～5000r/min；中型载货汽车汽油机的n_p多为3200～4400r/min，其柴油机的η_p多为2200～3400r/min；重型载货汽车柴油机的n_p多为1800～2600r/min；轻型载货汽车用的小型高速柴油机的n_p多为3200～4200r/min。应根据汽车与发动机的类型、最高车速、最大功率、选用的活塞平均速度C_m、活塞冲程数、缸径、缸数、工艺水平等因素来合理地确定n_p（C_m=sη_p/30，单位为m/s）。

（2）发动机最大转矩T_emax及其相应转速n_p

当发动机最大功率和其相应转速确定后，可用式（5-17）确定发动机的最大转矩

式中，T_emax为发动机最大转矩（N·m）；α为转矩适应性系数；P_emax为最大功率；n_p为最大功率对应的转速（r/min）。

，一般汽油机α=1.2～1.35，柴油机α=1.1～1.25；α值的大小标志着行驶阻力增加时，发动机沿外特性曲线自动增加转矩的能力。α的大小可参考同类样机的数值进行选取。

在选取发动机最大转矩点的转速n_M时，一般希望该转速与最大功率点的转速有一定的比例关系，即保证n_p/n_M（转速适应性系数）为1.4～2.0。如果n_M取得过高，会使n_p/n_M的比值变小，若小于1.4，会使直接档的稳定车速偏高，造成在市区内行驶、转弯等情况下换档次数增加，所以希望n_M不要太高。

（3）发动机适应性系数ϕ

发动机适应性系数ϕ是转矩适应系数与转速适应系数的乘积。它表明发动机适应汽车行驶工况的程度，其公式如下

ϕ值越大，说明发动机的适应性越好。采用ϕ值大的发动机可减少换档次数，减轻驾驶员的疲劳，减小传动系的磨损和降低油耗。现代发动机的适应性系数值：汽油机为1.4～2.4，柴油机为1.6～2.6。

要点

发动机的选型是依据载货汽车的使用条件以及汽车的行驶工况来选择，其发动机的适应性系数越大，发动机选型的结果越好。