The Gasoline 4-Stroke Engine for Automobiles

156 Pages·2004·0.75 MB·English

The Gasoline 4-Stroke Engine
for Automobiles
Garrett W. Balich and Conrad R. Aschenbach
Department of Aerospace and Mechanical Engineering
University of Notre Dame
Notre Dame, IN 46556
May 6, 2004
2
Contents
I Introduction 11
1 History of theFour-Stroke Automobile Engine 13
2 Principles of the4 Stroke Gasoline Automobile Engine 17
II Fuel and Air Delivery 21
3 Carburation 23
3.1 Introduction to the Carburetor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 BasicOperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3 Airand Fuel Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4 Starting and Enriching Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4 Fuel Injection 31
4.1 Introduction to Fuel Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2 Fuel DeliveryRequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.3 TypesofFuel Injection Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.4 FlowTypes inFuel Injection Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.5 FlowSensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3
4.6 MiscellaneousSensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.7 Airand Fuel System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5 Engine Management 41
5.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.2 TypesofEngine Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.3 SpeedDensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.4 MassAirFlow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.5 Openand Closed Loop Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.6 Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.7 CrankshaftPosition Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.8 Manifold Absolute Pressure Monitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.9 EngineCoolant Temperature Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.10 IntakeAirTemperature Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.11 Throttle Position Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.12 Mass Airflow Sensor For Mass Airflow Type Engine Management
Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6 Turbocharging 49
6.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.2 Theoryof Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.3 Turbocharger Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.4 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.5 Turbocharger-related Sources ofEngine Failure . . . . . . . . . . . . . 53
6.6 Turbocharger Sizing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4
7 Fundamentalsof Supercharging 57
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7.2 Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
7.3 Roots Supercharger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.4 Centrifugal Supercharger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
7.5 ScrewSupercharger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7.6 MillerCycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
III Internal Air Flow 67
8 Intake ManifoldDesign 69
8.1 BasicOperation and Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
8.2 AirDistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
8.3 Manifold Heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
8.4 Effects ofResonance andWaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
9 Cylinder Heads 79
9.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
9.2 Valves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
9.3 Port Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
10 CamshaftProfiles 87
10.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
10.2 ValveEvents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
10.3 Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5
IV Combustion 97
11 Gasoline 99
11.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
11.2 Properties ofGasoline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
11.3 Anin Depth Look into Octane Ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
11.4 Case Study: The Effect of Fuel Octane on a Nitrous Oxide Assisted
GMLS1 Engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
12 Nitrous Oxide 105
12.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
12.2 Nitrous asa PowerAdder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
12.3 History of Nitrous Oxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
12.4 Requirementsof Nitrous Oxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
12.5 Setting Upa Nitrous Oxide System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
13 Emissions 111
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
13.2 Controlling Emissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
13.3 CatalyticConversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
13.4 EngineManagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
13.5 Evaporative Emissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
V Auxiliary Systems 117
14 Cooling 119
6
14.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
14.2 AirCooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
14.3 LiquidCooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
14.3.1 Fluid Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
14.3.2 Temperature Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
14.3.3 Pressurization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
14.3.4 Radiator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
15 Intercooling 125
15.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
15.2 Potential Gains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
15.3 Air-to-air vs. Air-to-water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
15.3.1 Air-to-air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
15.3.2 Water-to-air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
15.4 Positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
16 Lubrication 133
16.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
16.2 TypesofLubrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
16.3 Common Lubricants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
16.4 Pressurized Lubrication System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
16.4.1 Lubrication ofBearings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
16.4.2 GearDriven Oil Pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
16.4.3 Oil Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
7
VI Engine Components 139
17 Engine Materials 141
17.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
17.2 Structural Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
17.3 Non-Structural Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
17.3.1 Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
17.3.2 Surface Hardening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
17.3.3 CastIron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
17.3.4 Aluminum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
17.3.5 Magnesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
18 Piston and Rings, Connecting Rod, andCrankshaftDesign 151
18.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
18.2 Piston andRingDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
18.3 ConnectingRod Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
18.4 CrankshaftDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
8
Preface
The purpose of this technical paper is to inform the reader about the modern au-
tomobile four-stroke engine. To accomplish this, we have assumed that the reader
has an elementary knowledge of the mechanics of an engine which is gained by
knowledge in theareasofsolid mechanics, thermodynamics, fluids,dynamics, vi-
brations, machine elements,manufacturing, calculus, physics, andchemistry.
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