第一章如何设计自己的发动机
设计参数:

1. 油气比
喷气发动机依靠油气燃烧产生反作用力,根据油品的爆炸极限,
燃油与空气重量比,一般在15-20%。即一升空气约需一克的油。
2. 喷气频率,
喷气发动机喷气频率与机身长度有关,同一直径下,机身越长频率越低。
3. 机身直径与长度比 L/D
发动机长度与直径是发动机设计的重要步聚,长度与比直径一般在10-17。
4.计算公式
发动机的推力是由许多因素决定的,如下公式可说明:m*va=F*t
V = 发动机体积 (dm^3.)
f = 喷气频率. (Hz)
va = 喷气速度. (m/s)
F = 推力 (N, Newton)
fc = 油耗 (gram/second)
m = 空气质量 kg
t =时间s秒.
以时间一秒,m=实际进入发动机的油气量X换算得出
m*v=F*t. m = mass = X %
实际推力:F (Newton) = (X * D^2 * 3.1415 * L * v^2 )/(L * 8)
由以上公式可以得出尾喷管直径越大,发动机的推力越大,同时进入的油气X越多就能产生更大的推力。
5.尾喷管长度
根据国外爱好者的实际经验,尾喷长度与对推力的影响较小,而对发动机工作的可靠性有较大影响。
发动机的尾喷管较长,阀片的工作频率f 较低,但每次吸入油气较多,使每次做功增大。长的喷管可以使发动机接近最大理论推力。同时空气吸入性能较好,使发动机容易发动。
短的尾喷会使发动机喷气频率f 加大,,同时间吸入的油气较少,因此,推力并没增加。并会使发动机不易发动,工作不稳定。
(提示:为了调节发动机方便起见,实际制作长度要比理论设计长些,因为长一些可以锯短。当短了要加长可就麻烦些,但不要太长,太长了结果会一样不工作)
计算公式是:
Y = 0.152 * X + 470 (mm) ,公制单位
(或Y = 3.88* X + 18,66 (inc)-英制单位
参考数据:
发动机名
Y=总长
X=尾喷管截面积
Brauner
490
907
Alpha
485
531
B-12
600
531
Aerojet
610
1075
PAM
810
907
Sov faa
670
1195
6.喷气速度
由于高温高压下喷气发动机喷气速度计算是一个复杂的过程,对于爱好者来说可用一个简化公式计算
va=2*L*f
p90的计算为例:
喷气速度为:150*2*0.86= 258 m/s.
7.单向阀通风孔面积
单向阀通风孔面积是发动设计最关键部,因为它关系到进入发动机的油与空气比.
计算公式
Y = 0.4922*X – 37 (平方mm)
在这里(X=尾喷管截面积,Y=单向阀通风孔面积,如果是大的发动机可不减37) .
另在设计中要考虑到阀片安装后会使通风孔面积减小10-20%,因此要留一定的余量。
计算结果大约是尾喷管截面积的50-60%,一般设计可取55%
(提示,稍大的通风面积可以让发动机更易点火)。
外国发动机设计参考:
发动机名
阀通风面积Y
尾喷截面积X
Brauner
452
907
Alpha
381
531
B-12
221
531
Aerojet

603
1075
PAM
506
907
Sov faa
661
1195
也可以已手册加工图自己验算一下,一般误差5%之间
8.进气口面积
位于发动机前端的进气孔最小面积不能小于单向阀通风孔面积。
为了雾化燃料,空气在缩小部速度加大,因此进气通道被设计为喇叭状,也称为空气节流阀。
9.如何设计自己的发动机
一、首先确定发动机的推力,
根据上述公式,以实际油气进入系数X=0.75计算简化得到
发动机推力与尾喷截面积的关系,设计公式为
F(磅)=4.2磅*平方英寸(喷管面积)
或者是:
F(牛顿)=2.65牛*平方厘米
(一千克力=9.8牛顿)
根据外国的设计为列:
如果要制作产生25磅推力的发动机,25/4.2 = 5.95 s平方英寸得到尾喷管直径约2.75英寸。
阀孔的面积为5.95*0.6552=3.9平方英寸。(这里系数0.6552设计者计算是取经验值)
由于阀加工形状的限制,那么单向阀的截面积可用3.9/0.55 = 7.1 sqr inc,,以阀上开十个孔计算每个孔的面积为0.39 sqr inc,燃烧室截面积与单向阀的面积大致相同,能装进单向阀。
喷管长度可简化计算 L=5.95*3.88+18.66 = 41.8,留余量,可取50英寸,如果喷管尾部采用扩张部分,长度为0.2*41=8,总长50的情况下,那么实际尾喷管长为50-8=42英寸.
最小空气入口面积为阀孔面积,即3.9平方英寸
国外P-90发动机实验数据(供参考)
各参数如下
V = 2.9 litre
fc = 6.7 gram/sec
f = 150 Hz
va = 258 m/s
F = 85 Newton
第二章喷气发动机制作
1.材料选择
由于发动机在高温下工作,所以不能用铝,等低熔点金属。
一般对于爱好者来说,可使用碳钢,铝合金。不锈钢管是最佳的材料,你可以在五金店找到,各种规格都有,还可以用的材料是摩托车或汽车的排气管,是由碳钢组成,外表镀铝,不易生锈,但由于管比较厚显得稍重一些。价钱也不贵,40元一个左右,在摩托修理部能找到,用过的旧的更便宜10元一个都有得卖。你也可以按图加工锥形部分。
铝合金只可以用来做发动机最前部的进气节流罩,。
3.
如何制作进气单向阀
发动的关键在于单向阀的加工,阀的加工需要有车床作整体加工才行,如果没车床也可以采用另一种设计,如从蓝图可以看到,在一块厚3-10mm圆铁板上自己钻出需要的孔了可用来代替,然后装上阀片。
梅花型的阀片是发动机的关键,必须用弹性强,耐高温的,厚0.1-0.3mm左右薄钢片来作,否则将使发动机无法工作下去。阀片的加工可以剪出需要的形状,也可用电解法,像做印刷电路板那样,先在板上涂油漆,干后画出所要的样式,用钢针沿线条刻掉油漆,放入食盐水中,用6-12v的直流电电解。
4. 发动机的装配
喷气发动机的安装较简单,按图加工好部件,装上就可。在装单向阀片时,要注意将梅花阀片内弯10度到30度。使阀通气孔打开。另外注意发动机接点要不透气。
第三章如何启动发动机
概述
脉冲式发动机启动起比较困难吗?其实不然。从发动机原理可知要发动机燃烧发动需要满足以下条件:
1. 燃油
2. 空气
3. 点火源
燃料
脉冲式发动机可以使用多种日常燃料,家用的液化气,汽油,柴油,煤油,甲醇(工业酒精)等,一般选择为汽油做为燃料,对普通的爱好者来说可用任何牌号车用汽油即可。如果气温较低而可能会使燃料难以挥发,也可以向油中加入不超过25%的乙醚组分,使点火更容易。最好的燃料是甲醇,因为燃烧生成的是水,且易挥发,爆炸点范围宽。
空气
在喷气发动机没发动起来前,空气无法自动吸入燃烧室,这时,需要用一个小风箱或打气筒在发动机入口处输入空气来帮助发动机输入油气混合物,注意,空气需要有一定的压力与流速,才能使燃料充分雾化成油气。
点火方法
最好的办法是在机身燃烧室上装一个火花塞,如果没有也没关系,可以铁丝头缠棉球浸汽油点着后伸尾喷管同样也可点火。多种点火方式如图所示
点火步骤:
1. 接好油管,注意油箱液面与发动机喷油出口之间的高度不能大于20mm.
2. 打开电火花塞或点燃料小火把从尾喷管口伸入。
3. 手压风箱,或打气筒朝发动机入口吹风,注意观察看,要使单向阀片被吹开,油被吸入并雾化才行。
调节油阀针控制好油门大小,寻找最佳吹风角度使油能完全雾化。如果发动机还是不能点火,可以拆开机身,调节阀片的角度,与固定螺丝的松紧度。然后再试,直到找到最佳工作点,喷气发动机就会发动起来,撤走风箱及点火源也能持续运行了。
另外也可先用罐装火机用气体,从入口吹入,点火,步骤同上述一样,只是要调节好气体量。
第四章制作问题解答
一.为何发动机不工作
由于设计,加工中选材的问题,许多发动机不能正常工作,其实可以从燃烧条件来看主要原因是如下几点:
1. 空气不足与过量
由于阀片制作中材料不一样,阀片太硬了,会使外面空气无法吸入,因此要事先将阀片的间隙调好,要选适合的材料来做。另外实际由于阀片的阻力,使空气实际进入量减小约20%以上。
2. 空气过量是由于进气口设计太大,导致燃烧室火星被吹走,吸入的油气混合物无法被点然。
3. 喷管太短,太短的喷管使发动极不稳定。因为频率太高,吸入的油气来不及完全混合,会导致发动机熄火。
4. 油雾化不好,过重的油不易气化,因此不建议用比汽油重的油如柴油做燃料,最好是甲醇,因为易气化,爆炸浓度范围宽。
5. 进油液位低,由于油箱液位底,油无法被吸入,这时要抬高油箱位置。
二.为何发动机阀片工作寿命较短
由于阀片工作在高温下,加上在工作中振动频率大,因此阀片工作寿命成了发动机的弱点,如果制作材料易鎔的话,高温下用不了几分钟就会完完。因此如何设计单向阀,使阀片工作寿命加大,就成了发动机制作者们的研究的课题。
一是选择耐高温的村料,二是采用无阀设计,现有的无阀脉冲发动机设计来看,机身制作较复杂,且推力较小。
脉动喷气发动机是喷气发动机的一种,可用于靶机,导弹或航空模型上。德国纳粹在第二次世界大战的后期,曾用它来推动V-1导弹,轰炸过伦敦。这种发动机的结构如图所示,它的前部装有单向活门,之后是含有燃油喷嘴和火花塞的燃烧室,最后是特殊设计的长长的尾喷管。
每当保时捷和奥迪凑到一起的时候,就总会有让人惊艳的作品展现在车迷眼前,由过去的奥迪RS2,到称霸勒芒赛事,再到联手打造更加高性能高效率的引擎,以及在电动化道路上联合开发的PPE(Premium?Platform?Electric)高端电动汽车生产平台,每一次保时捷和奥迪的联手,仿佛就会引领起车坛上的一次变革。
在回归到技术层面保时捷和奥迪联手打造过的动力总成并不在少数,哪怕是在新近几年时间中大众集团在高端车型中也开始推出了多款搭载着V6缸内直喷引擎的车型,根据这些车型在市场上的表现看来,例如有保时捷的卡宴、帕拉梅拉;奥迪的A6、S4、A7、RS4、RS5等多款车型都极其热门。
在目前大众集团在售的车型中,大众集团推出的V6缸内直喷引擎,其实是有两款的,一款为旧款的3.0T?V6发动机,当前已经被大众集团下放到一些例如奥迪S4这个甜品级的车型上,能够让消费者只需要付出比较优惠的价钱,就能够享受到非常不错的性能;全新款的V6缸内直喷引擎,这是新款的2.9T?V6引擎,这款引擎采用双涡轮增压方案,因此尽管缩小排量,但是却有着更高的性能,同时也支持混动技术,做到性能环保两兼顾。
在奥迪和保时捷推出了这款代号为EA839的发动机之后,关于这款发动机的主导生产厂商一直是让保时捷和奥迪车迷喋喋不休地争论不停的争议性问题。
不过在深入了解一些信息之后,很容易就能够了解到这款EA839发动机实际上就是跟EA837有着比较"密切"的血缘关系的,但是这款采用了涡轮增压方案的EA839发动机的本质上相比采用机械增压方案的EA837发动机,并不能简单将EA839划分为EA837的魔改版本,反而是加入了保时捷的技术支持,使得EA839在相比EA837做出升级之后,能够满足当前的市场需求潮流,在将性能进一步提升之后,同时做到更低的油耗和更优异的排放。
关于这款EA839发动机的出处跟EA837发动机相近的血统基本上就已经足够说明,这款EA839发动机实际上是由奥迪主导开发的,而保时捷则是主打辅助位,参与了开发工作。
这一点在大众目前的发动机开发团队上也是可以一窥端倪的,大众集团目前有三个发动机开发团队,一个是位于沃尔夫斯堡的大众发动机开发团队,还有英格式塔特的奥迪发动机开发团队和位于斯图加特的保时捷发动机开发团队。
大众在生产上注重模块化,在管理上也有着异曲同工之妙,这三家团队分工明确,斯图加特的保时捷发动机开发团队主攻水平对置发动机技术;英格式塔特的奥迪发动机开发团队,则是负责大众当前的MLB?Evo平台的动力总成开发,因此这款EV839发动机被保时捷应用在卡宴和帕拉梅拉(帕拉梅拉采用的生产平台是有保时捷自己开发的MSB平台)上的机型由奥迪主导的事情也就不足为奇了。
当前在大众集团的产品线中EA839发动机广泛地应用在了基于MLB?Evo平台生产的中高端车型上,其中就包括了保时捷卡宴、帕拉梅拉(MSB平台)大众途锐、奥迪等一众车型上。
EA839系列发动机一共有2.9T和3.0T两个排量,实际上这两款机型在缸体的结构和布局上并没有什么不同,同样的材质、同样的气缸布局,就连气缸直径也是一模一样的,仅仅是通过改变了发动机的活塞行程使得发动机的排量产生差异性;由于作为高功率版本的2.9T发动机在输出上要来的更加狂暴,因此奥迪在设计曲轴的时候,将2.9T版本的主轴径减少了1.5mm,改变活塞的上止点和下止点,使得活塞的行程也由3.0T的89mm变成了2.9T的86mm降低了3mm,所以这两款机型的排量由此出现了100cc的差异。
在奥迪的这个EA839发动机系列上,采用了目前最流行的HOT?V设计(Hot?V就是指两个增压器安装在V型汽缸的夹角中间而不是外侧,这种设计多拥有大型V8发动机上)Hot?V设计可以直接把三元催化器也放到V型汽缸的中间,紧耦合,紧挨着涡轮增压器(在HOT?V的增压系统布局方案中,可以灵活选择单涡轮或者双涡轮设计,正是这种优势使得EA839高低版本都能够大大节省研发成本)。HOT?V的设计布局能够使得发动机的体积非常紧凑,同时也能够大大提升发动机的增压效率和冷却效率以及发动机的响应速度以及快速暖机尽可能降低排放;在驾驶层面上这种设计也能够大大提升车型本身的运动性和驾驶乐趣,在技术角度上来说,这一点是非常良心的。
由于EA839这两款机型在设计的时候,就已经有了非常明确的车型定位和市场定位,因此在低功率版本的3.0T发动机上,采用的是单涡轮双涡管增压器设计,配合上奥迪多年积累的AVS两级可变气门升程技术以及小开度的凸轮型线,让发动机能够实现双循环运转(奥迪内部称之为B-Cycle),在低功率的情况下走米勒循环,提前关闭进气门,控制进气量,使得实际压缩比小于11.2,降低部分负荷的泵气损失,从而达到高燃油经济性,这一设定也是在一方面中限制住了这款低功率版本发动机动力输出上限重要原因。
在低功率版本的3.0T发动机上,由于性能输出没有太高的上限,在制造成本的角度去考虑,3.0T版本机型上采用的布局也有所不同,采用了较为传统的缸孔设计,预先铸在缸体里面的铸铁缸套。
如果EA839的低功率版本3.0T发动机已经算得上是市面上同级机型中的佼佼者了,那么作为高功率版本的2.9T无疑就是奥迪的匠心之作,为了使得这款高功率EA839?2.9T发动机能够一展头角,奥迪这款机型上可谓是煞费苦心了。
相比3.0T低功率版本发动机,高功率版本的2.9T发动机尽管在排量上少了100CC,但是在增压方案上却是不吝成本采用双涡轮设计,实现更高的增压压力,更快的动态响应,因此在动力输出上能够做到更高的上限。
为了能够尽快带走这颗野兽之心带来的高发热量,高性能版本的2.9T机型采用了APS涂层就是在铝缸孔上喷射特殊的涂层来代替缸套,这种涂层厚度非常薄,只有大约0.2~0.3mm,可以实现低摩擦,轻量化,同时也非常有利于缸孔的散热,这对高性能发动机非常有利,但是成本高、工艺复杂、良品率也不大理想。
在EA839系列发动机上,仅仅知道其硬件的配备实际上就是有点小视了EA839系列的机型,因为这款发动机在深入了解之后,就能够明白奥迪更是将这款发动机的各个硬件配置通过软件的控制,使得其在各方面上做到了非常平衡,可以说是硬件软件在相互结合的情况下,使得发动机本身能够做到相辅相成浑然一体的效果。
奥迪将EA839系列发动机的硬件打磨得几近趋至完美,在软件的控制上更是令人难以企及。
首先在供油系统上,EA839系列发动机的供油系统配备了低压油泵(300~550kPa)和高压油泵(8~25MPa),供油压力在不同工况下,会通过电控系统进行调整,同时在喷油嘴也被布置到了缸盖中央,尽可能靠近火花塞,使得发动机气缸内的空气进气系数尽可能接近理论值,尽可能提升发动机的燃烧效率,减少发动机气缸内因为燃烧不全而产生的碳烟、碳氢化合物、氮氧化合物以及CO等污染物。

其次在EA839发动机的热管理系统上,也能够足以让人惊叹,相比起EA837发动机,作为新贵的EA839发动机对气缸的中心距离进行增大,就是为了方便布置更多的辅助冷却液通道,提升对发动机整体的温度控制;再结合其HOT?V设计而配套的集成式排气歧管,能够大大缩短排气门到涡轮的距离,降低涡轮迟滞;
在EA839的硬件布局得到了极大的进化,添加上电控系统之后,EA839的硬件的发挥空间更是非常可观,在油温油压水温等多种关键参数的可调区间非常可观,单单以水温而言,EA839水温能够依照发动机当前工况的不同,主动实现90℃到105℃的自由控制,低功率状况下,使得发动机尽可能接近105℃,提升润滑系统的流动性,减少发动机的机械磨损和散热损失;高负荷的情况下,则是将机体温度控制在90℃中,辅助机体散热,确保发动机本身的稳定性。
当前EA839系列发动机凭借着两款不同功率和定位的机型,能够满足大众集团各个不同市场定位的车型,同时也能够面对着市场上其他竞争对手的机型不落下风,例如宝马当家的B58系列机型,乃至是高端的S55和S58系列都能够平分秋色;至于来自意大利的阿尔法罗密欧所推出的2.9T?V6发动机,本应该是直面奥迪EA839机型的,但是由于两家厂商在车型搭载到车型上,市场定位的差异性,使得两款机型很难以正面竞争。
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