发动机的设计和研制可以分为三类：
1、在原有（现有）产品基础上进行改进设计：
如改进结构提高工艺性、延长寿命；降低排放；改进燃烧系统提高经济性；改非增压为增压等
2、在现有发动机基础上，设计同一型式的系列化发动机（系列化设计）：
如在四缸机的基础上设计六缸机；在直列机的基础上设计V型机；在车用发动机的基础上设计工程机械用、发电用发动机等。 3、设计新型的发动机（开发新机型） 发动机设计的一般过程
以新发动机的设计为例，其一般过程包括四个阶段：
1.计划与方案设计阶段；2.样机试制与调试阶段；3.技术设计阶段；4.鉴定与小批试生产阶段 1、计划与方案设计阶段：在调查、研究的基础上，确定 （1） 发展该新产品的原因，主要用途，适用范围 （2） 所设计机型的主要技术规范，包括： ① 内燃机型式：
汽油机还是柴油机； 燃烧室型式；缸径，行程（活塞排量）；缸数，气缸排列；冲
程数；冷却方式；吸气方式（NA/TC）
② 动力性指标：
标定功率，标定转速；最大扭矩及最大扭矩转速等 ③ 经济性指标：燃油耗率，机油耗率
④ 强化指标：平均有效压力，活塞平均速度
⑤ 运转性能：最高转速，最低怠转速，调速率和转速波动率 ⑥ 重量和外形尺寸指标：净重，外形尺寸（长×宽×高） ⑦ 排放、噪声要求 ⑧ 可靠性、寿命
（3） 内燃机的主要结构，包括主要零部件结构
（4） 内燃机系列化和变型产品情况，进一步强化的可能 性 （5） 其它技术要求，如冷起动等 2、技术设计阶段
① 总体方案设计：确定主要结构参数、主要零部件结构，总体布置、设计（纵、横剖面图），热计算与动力学计算
② 单缸试验机和主要零部件的设计、实验研究：结构设计、强度校核与试验，配气机构、油泵试验（与凸轮有关），气道实验，固定件刚性、强度的优化设计（重量） ③ 样机设计
3、样机试验与调试阶段
① 样机试制与性能试验（性能试验前要磨合、调整）
② 可靠性和耐久试验（装配前要先检验零部件，磨合以后要换机油、清洗） ③ 配套试验、扩大用户试验 4 、鉴定与小批试生产阶段
①样机鉴定：需提供一系列文件（设计任务书，技术文件，性能试验与耐久性试验报告，扩大用户试验、鉴定试验大纲等）；提供样机供抽查、进行性能试验 ②小批试制与批量生产到此，为一轮试制完毕 可靠性与寿命
① 可靠性：可靠性以在保证期内的不停车故障数、停车故障数、更换主要零件数和非主要
零件数来考核。广义的可靠性还包括产品的可维修性。可靠性高，则维修费用低，提高汽车的使用率（通常汽车的故障中，发动机的故障占主要部分），降低使用成本。一般要求在使用期内（民用柴油机一般1500小时，汽油机500小时）不发生主要零件（如气缸体、气缸盖、曲轴、连杆、轴瓦、活塞、活塞销、活塞环、凸轮轴、气门、气门弹簧等件的断或裂，以及影响喷油泵和增压器功能的主要故障。
② 寿命：通常以发动机从开始使用到第一次大修期之前的累计运行里程或小时数来表示，通常决定于气缸和曲轴的磨损速率。二者有一个磨损极限值： 发动机选型
1、汽油机还是柴油机 汽油机优点：
（1）升功率高（主要是因为转速高）、比质量小、功率密度高； （2）低温起动性能好；
（3）工作柔和，振动、噪音小； （4） 制造成本低 柴油机优点：
（1）燃油经济性好，不仅最低油耗低，而且万有特性上的低油耗区宽，因此柴油机的使用油耗只有汽油机的2/3左右；
（2）柴油机可靠性、耐久性高于汽油机，发生故障少，大部分零件的使用寿命高于汽油机；
（3）柴油机可以采用较大的缸径、较高的增压比来提高单缸功率，而汽油机受爆震限制，缸径不能太大、增压比不可太高 2、四冲程还是二冲程
二冲程机燃油、润滑油消耗大，HC排放量大，怠速、低负荷工况运转不稳定；活塞、
缸套热负荷大；用扫气泵时噪声大；
采用回流扫气难于获得良好的扫气效率。但缸径、行程、转速相同时，与四冲程相比功
率大50—70%，功率密度大、比质量小；缸盖简单，NOX排放少。 3、风冷还是水冷 风冷缺点：
（1）噪声大 因机体无水套减振，且风扇和导风罩的振动大；
（2）机械效率低 风冷机的风扇消耗的功率比水冷机的水泵、风扇消耗的功率大，水冷机为发动机功率的4—5%，风冷为6—8%；
（3）热负荷高 使pe受限制，一般要比相同条件下的水冷机低5%左右，同时也限制了风冷机的缸径（不大于150mm）和增压比；
（4）成本高 采用大量铝合金、单体气缸、风扇—风道系统； （5）机油消耗率高，对机油质量要求高，且消耗率高； 风冷优点：
（1）不需要水和防冻液，不存在漏水、积水垢、沸腾、结冰等问题，冷却系统工作可
靠，适于缺水地区；
（2）因机体温度高，对环境温度变化不敏感，能在-50oC—+60oC范围内正常工作； （3）起动后暖机时间短，有利于减轻气缸磨损和HC排放； （4）缸壁温度高，对燃料质量不敏感；
（5）缸盖、气缸体为单体结构，有利于同系列不同缸数发动机的生产组织； （6）受枪炮弹片的伤害小 气缸排列方式
有单列（其气缸中心线所在平面或与地面垂直，或与地面成一定角度）、V型、W型、星型等，以单列式、V型为多。 燃烧室型式、气门数目
（1）汽油机：侧置气门式燃烧室结构不紧凑，面容比大、散热损失多，燃烧速率低，许用压缩比小，目前在ε>7的汽油机上已很少采用。现多用顶置气门式燃烧室。顶置气门式燃烧室有四种：契形、蓬形（半球形）、盆形、碗形四种：
(a) 契形 (b) 蓬形 (c) 盆形 (d) 碗形
① 可能达到的平均有效压力pe: (b)> (a) > (d) > (c) ② 排放：CO、HC：（b）最少，（a）、（d）次之，（c）较多 ③ 可达到的转速：（b）最高，可达5000—6000转/分以上，（a）、(d)次之， (c)较低，主要是（ b）中的球形在同一D、Vh和ε下可布置较大的进气门 ④ 制造成本：（b）最高，（d）最低 ⑤ 爆震倾向：契形室、碗形室挤气涡流强，爆震倾向相对最小，盆形室次之，蓬形室最大，一般要用高辛烷值汽油；用相同牌号的汽油时，契形室、碗形室许用压缩比最大。 （2）柴油机：燃烧室有分隔室式、直喷式。分隔室式主要为涡流室，预燃室少。
分隔室式优点是有害排放物NOX，微粒，CO和HC排放量都比直喷式少，振动、噪声小，自然吸气（NA）时pe较直喷式机大；缺点是燃油消耗率高（预燃室又比涡流室高），散热损失大导致起动困难，增压机受热负荷限制pe较直喷式机小。 一般大缸径用直喷，小缸径用涡流室。 提高pe必须： 提高ηV：
a. 合理设计进气系统，尤其是进气道，以减小进气阻力，提高流量系数
b. 合理的配气机构和配气定时：加大进气门直径，采用顶置式凸轮轴，增加气门数、
完善凸轮外形、最佳气门重叠角
c. 汽油机采用多腔化油器、多个化油器、汽油喷射，以减小进气阻力，并兼顾各工况
性能
d. 降低排气系统阻力，采用可变进排气系统（利用其中的动态效应等 提高ηi：
a. 对于汽油机适当提高压缩比 b. 改善燃烧过程 提高ηm：
减少活塞环数目；选择适当的润滑油；保持发动机的最佳热状态；提高加工精度和表面
质量；合理设计活塞形状；减少附件功率损失 提高γs：
具体措施即增压，是提高pe主要措施，对柴油机一般可提高30—40%，增压中冷可提高50—70%，而成本只增加8—10%，发动机质量增大3—5%；对于汽油机，化油器式仅用于高原恢复功率（海拔每增加1000m，功率下降10%）。现代四冲程增压柴油机pe最高可达3.2Mpa，车用机上达到1.4—1.8Mpa 降低α：
对汽油机α=0.85—1.10，改变α余地不大，要受火焰传播速度限制 对柴油机α=1.2—2.2左右（低速1.8—2.0，高速1.2—1.5，增压1.7—2.2），采用合适的燃烧方式组织燃烧可提高pe
总趋势：平均有效压力是一个提高的过程，但要考虑热负荷和机械负荷。 活塞平均速度Cm上升，则： 1. 机械负荷上升 2. 热负荷上升
3. 进排气阻力增加，充气系数ηv下降（应加大气门或增加气门数目） 4. 摩擦加剧，磨损加快，机械效率下降，燃油耗率上升，寿命下降
但Cm过小，对提高发动机功率不利，对提高升功率不利。对于柴油机，Cm选择要顾及混合气形成与燃烧的限制；对于汽油机，Cm的选择与进气系统有关：因为不同汽油机在各自额定转速下有差不多的进气口处速度vg，而vg=Cm.Fh/(μmiFv) S/D对曲轴强度、刚性的影响
Vh一定时，S/D↓，则R↓，重叠度Δ=0.5(d1+d2)-R加大，曲轴的弯曲、扭转刚性加大，疲劳强度↑，扭振固有频率↑。 综上所述，Pe、pe、Cm不变时：
S/D较小，则可降低发动机高度，提高升功率，减小V型机宽度，提高曲轴的强度和刚性；但热效率下降，有害排放物增加，惯性力增大，单列机长度增加。 中心曲柄连杆机构
图中：A—活塞销中心 B—曲柄销中心
L—连杆长度 R—曲柄半径 S—活塞行程，S=2R
λ—曲柄半径连杆长度比（连杆 比），λ=R/L
α—曲柄转角：曲柄顺时针方向 旋转时，从气缸中心线的上 方起顺时针方向为正
β—连杆摆角：自气缸中心线向右为正 x—活塞位移，从上止点位置向下为正
1、活塞位移： x ? ( L ? R ) ? ( L cos ? ? R cos ? ) （精确式）
?R(1?cos?)?L(1?1??2sin2?)（近似式）
R? x?R(1?cos?)?(1?cos2?)?xI?xII4
近似式与精确式相比误差很小，如当λ=1/3.5
时，曲柄转角为90度时误差为最大，在0.003R左右，此精度在工程上已足够。
2、活塞速度：
sin(???)v?R? （精确式）
cos?
R ? (sin ? ? sin 2 ? v ?)
?2 ?R?sin??R?sin2??vI?vII2
与精确式相比，计算α=k×90o时的速度，近似式没有误差；其余角度时的误差很小，如当λ=0.32时，最大误差不大于0.0057Rω，相对误差小于0.83%。 由近似式可得出活塞最大速度
?
vmax?R?(sin?vmax?sin2?vmax) 2及最大速度时曲轴转角
?1?
?vmax?arccos?1?8?2?1? ?4??由活塞速度精确式，近似取cosβ=1，在近似估计时，可认为最大速度出现在α+β=90o时，即连杆中心线与曲柄成直角位置，此时 L1cos???
L2?R21??2
1 vmax?R??R?1??2cos?
?（近似式）
??由近似式可得出活塞平均速度 1??2Sn
cm?R?(sin??sin2?)d??R?? ?02?30活塞的最大速度和平均速度之比是反映活塞运动交变程度的一个指标： 2?
3、活塞加速度
2vmaxR?1?????1??22cm2R??（此值约为1.6）
?cos?????cos2??a?R?????3cos?cos???
（精确式）
a?R?2(cos???cos2?)?R?cos??R??cos2??aI?aII22（近似式）