发动机结构原理及发展趋势(合力叉车)下.ppt

1 发动机结构原理及发展趋势合肥工业大学机械与汽车工程学院程晓章2005 12 2 第1讲概述 1 1热力发动机的分类热力发动机 热机 内燃机外燃机 如蒸汽机 Stirling机 燃气轮机 旋转式内燃机 活塞式内燃机旋转活塞式 Wankel 往复活塞 3 按燃料 汽 柴 NG LPG 酒精等按着火方式 压燃式 点燃式按冲程 四 二按冷却 水 风 油按气缸数 单 双 多按转速 低 中 高按增压 非增压 增压按气缸排列 立 卧 直列 V 对置按混合气准备方式 化油器 燃料喷射按气门 凸轮轴布置 顶置 侧置按用途 农用 船用 汽车用 工程机械用 发电用 4 1 2汽车发动机发展简史1824年 法国人发表Carnot循环理论1862年 法国人Rochas第一次提出等容燃烧的四行程循环理论1876年 德国人Otto 制造出第一台四冲程煤气机 3kw 压比2 5 效率10 20 第一次重大突破 1881年 英国人Clerk推出二冲程内燃机1886年 德国人Daimler和Benz制造出装有汽油机的第一辆汽车 三轮车 0 9L 400rpm 0 65kw 单缸二冲程 1893年 德国人Diesel发表四冲程压燃内燃机的工作原理 并在1898年研制出第一台以煤油为燃料的压燃式内燃机 第二次重大突破 1926年 瑞士人Buchi提出废气涡轮增压理论 50年代后 废气涡轮增压开始广泛应用于发动机 第三次重大突破 1967年 德国Bosch公司推出电控汽油喷射系统 开创了电控技术在汽车发动机上应用的历史 近20年 以电控单元为核心的发动机管理系统 EMS 第四次重大突破 5 我国内燃机发展可分为三个阶段 建国初期 53 78 我国直到50年代中期 才开始成批生产汽车发动机CA10 6缸5 56L EQ140 6缸5 42L等 改革开放后15年 78 93 NJ130C车NJ70 6缸3 5L 红旗轿CA770的8V100 5 6L 上海轿SH760的680Q 2 23L BJ212的492Q 2 5L等 新的发展时期 94年以后 引进 消化加自主开发研制等 从意大利引进Sofim8140 4缸2 5L柴油机 从美国引进Cummins6BT5 9X系列 6缸5 8L柴油机 从奥地利引进steyrWD615 6缸9 72L柴油机 自主开发YC6105Q 6 5L柴油机 6110A 6 8L柴油机 D6114Q 8 27L柴油机 以及轿车汽油机 如桑塔纳2000GLi AFE型1 8L电喷汽油机 桑塔纳2000GSi AJR型1 8L无分电器电喷汽油机等 近几年 第一辆国产柴油轿车捷达SDI 第一辆国产TDI柴油轿车宝来TDI1 9L 第一辆国产TDI柴油豪华轿车奥迪A6 2 5TDI的问世 奇瑞正在研发的1 9升汽车柴油发动机 江淮推出的柴油MPV等等 据统计 2004年 纳入统计范围的38家我国汽车发动机企业 累计生产发动机428 57万台 预测2005年我国发动机产量将突破500万台 6 以下是几种典型的汽车发动机 图1 1轿车V形8缸汽油机 德国宝马7系列的735i和745i汽油机 排量3 5 4 4L 润滑油换油期达40000km 7 图1 2轿车直列4缸汽油机 日本丰田佳美2AZ FE型汽油机 4缸2 4L 压缩比9 6 功率117kW 5600r min 最大转矩220N m 4000r min 0 60km h加速时间9 9s DOHC每缸4气阀 缸套偏离曲轴10mm 减少侧压力减少磨损 机体缸盖铝合金压铸 水套较狭小因此暖机快 质量112kg 8 图1 3轿车直列4缸汽油机 日本本田2L汽油机 功率119kW 6500r min 最大转矩191N m 4000r min 整机结构刚性好 质量轻 采用i VTEC intelligent智能控制阀 Variablevalvetimingandliftelectroniccontrol电子控制可变配气定时和升程 每缸4气阀 双级进气歧管 9 图1 4客车V形12缸汽油机 美国通用汽车公司北方之星XV12型汽油机 功率560kW 6000r min 最大转矩610N m 机体壁厚7mm 凸轮轴后端驱动 每列6缸达到良好平衡 每缸一只高压喷油器 安装在燃烧室中央 缸内直接对准活塞喷射 降低油耗和冷起动的HC排放 排气催化处理 三级可变配气相位凸轮轴 使发动机在1500r min时就达到最大转矩的90 怠速稳定性好 泵损失低 以内部EGR系统取代外部EGR系统使汽油机经济性更好 润滑油换油期5800km 10 图1 5桑塔纳2000GSi轿车AJR型汽油机 11 图1 6奥迪A6V型6缸汽油机 12 图1 7卡特皮勒3408型柴油机 13 图1 8燃气轮机 14 1 3基本术语 图1 9发动机基本术语 发动机工作循环上止点和下止点曲柄半径R和活塞行程S缸径D气缸工作容积和发动机排量 Vh 1 4 D2S VL iVh 燃烧室容积VC和气缸总容积Va压缩比 15 图1 10p V示功图 图1 11p 示功图 发动机运转工况和特性 发动机运转工况指发动机某一时刻的运行状态 一般指n Pe Ttq pme 额定功率和额定转速 发动机速度特性 外特性 柴油机的冒烟特性 负荷特性 万有特性 见图1 13 图1 14和图1 15 负荷 发动机在某一转速下的负荷 是指当时发动机发出的功率与同一转速下所可能发出的最大功率之比 发动机示功图 p V示功图 压容图 和p 示功图 展开示功图 16 图1 12四行程汽油机示功图 17 图1 14BJ492Q汽油机外特性 图1 13柴油机负荷特性 18 图1 15NJ422A汽油机万有特性 19 1 4发动机的基本性能指标动力性能指标 有效功率 有效转矩 转速 平均有效压力 经济性能指标 有效燃油消耗率 有效润滑油消耗率 有效热效率 环保性能指标 排放 噪声 结构性能指标 比容积 比功率质量 运转性能指标 冷启动性 可靠性 耐久性 加工工艺性能指标等 20 有效功率是指发动机在单位时间内发出的有效功 以Pe表示 单位是kW有效转矩是指发动机曲轴输出的转矩 以Ttq表示 单位是N m Pe Ttqn 9550转速指标是指发机曲轴每分钟转的转数 以n表示 单位是r min平均有效压力是指单位气缸工作容积的有效功 也可假想为平均不变的压力作用到活塞顶上 使活塞移动一个冲程所作的功 以pme表示 单位是MPa 有效燃油消耗率是指单位功率在单位时间内燃料的消耗电量 以be表示 单位是g kw h 有效润滑油消耗率是指单位功率在单位时间内润滑油的消耗量 以bm表示 单位是g kw h 有效热效率指实际循环发出的有效功与消耗的燃料的热值之比 以 et表示 现代柴油机标定工况下的有效热效率不超过45 汽油机不超过30 21 排放指标指从发动机油箱 曲轴箱排出的气体和从气缸中排出的废气中所含的有害排放物的量 主要是CO HC NOX和PM 我国于2004年1月1日起对汽车排放实行欧 标准 今年4月 国家环保总局公布了五项机动车污染物排放新标准 轻型汽车 号排放标准将自2007年7月1日起在全国实施 号标准将于2010年7月1日起实施 北京提前两年实施 噪声 GB1495 79 如轿车在加速行驶时 车外最大的允许噪声为82dB A 比容积单位容积的发动机功率比功率质量单位标定功率的发动机干质量 无冷却液 润滑油和燃油 22 1 5汽车发动机及传动装置在汽车上的布置形式 FR front rear 货车 大客车 轿车等 FF 轿车等 MR 运动型轿车 赛车等 RR 大 中型客车 微轿等 4WD 越野车 吉普等 23 1 6我国发动机型号编制规则 GB 725 1991 24 25 2 1基本工作原理 以四冲程柴油机为例 四冲程柴油机活塞在一个工作循环中从上止点到下止点 又从下止点到上止点往复运动两次 同时完成进气 压缩 作功和排气四个工作过程 第2讲发动机基本工作原理及组成 26 图2 1进气行程进气行程时曲轴转动使活塞从上止点运动到下止点 柴油机吸入的是纯空气 进气行程结束时气缸内气体压力为0 085 0 095MPa 温度为310 340K 27 图2 2压缩行程压缩行程时曲轴转动使活塞从下止点运动到上止点 压缩行程结束时 气缸内气体压力达3 0 5 0MPa 温度上升到750 1000K 在活塞接近上止点之前10 35 CA 柴油以12 100MPa的压力喷入气缸 28 图2 3作功行程作功行程时高温高压气体膨胀 推动活塞从上止点运动到下止点 迅速燃烧的混合气在上止点稍后 压力上升到6 0 9 0MPa 温度上升到1800 2200K 活塞到达下止点时 缸内压力降到0 2 0 5MPa 温度下降到1000 1200K 29 图2 4排气行程排气行程时曲轴带动活塞从下止点运动到上止点 活塞到达上止点时 未排净的废气压力仍有0 105 0 12MPa 温度有700 900K 30 除进气 着火方式等以外 四冲程柴油机工作原理和汽油机基本相同 1 进气行程进气行程时曲轴转动使活塞从上止点运动到下止点 进气行程汽油机吸入汽油和空气的混合气 进气行程结束 气缸内混合气压力为0 08 0 09MPa 混合气温度370 400K 2 压缩行程压缩行程时曲轴转动使活塞从下止点运动到上止点 压缩行程结束时 气缸内混合气压力可达0 8 1 5MPa 温度上升到600 750K 但并未达到汽油空气混合气自燃的温度 因此 在活塞接近上止点之前10 15 CA 通过火花塞点火 混合气接近定容燃烧 3 作功行程作功行程时高温高压气体膨胀 推动活塞从上止点运动到下止点 迅速燃烧的混合气在上止点略后 压力上升到3 0 6 5MPa 温度上升到2200 2800K 因此推动活塞 通过连杆摇动曲轴对外输出转矩 活塞到达下止点时 缸内压力降到0 35 0 5MPa 温度下降到1200 1500K 4 排气行程排气行程时曲轴带动活塞从下止点运动到上止点 活塞到达上止点时 废气压力仍有0 105 0 12MPa 温度为900 1100K 排气行程结束时 气缸内仍然残留的废气为残余废气 残余废气量与进气过程中吸入气体量的比值称为残余废气系数 31 二冲程发动机的进气 压缩 作功和排气工作过程在曲轴转动一周即360 CA内完成 活塞运动从下止点到上止点 又从上止点到下止点的一个往复 曲轴箱换气式二冲程汽油机在机体的中部设置进气口 扫气口和排气口 排气口位置略高于扫气口 第一行程第一行程指活塞从下止点运动到上止点 事先已充入活塞上方气缸内的混合气被压缩 新的可燃混合气又自化油器被吸入活塞下方的曲轴箱内 第二行程第二行程指活塞从上止点运动到下止点 活塞上方进行着作功过程和换气过程 而活塞下方则进行可燃混合气的预压缩 二行程汽油机工作原理简介 32 a 压缩 b 进气 图2 5二行程汽油机工作过程 第一行程 33 c 作功 d 排气和扫气 图2 6二行程汽油机工作过程 第二行程 34 2 2汽车发动机的总体构造 机体与气缸盖曲柄连杆机构配气机构燃油供给系统冷却系统润滑系统点燃式发动机点火系统起动装置 35 图2 7发动机总体构造 一 36 图2 8发动机总体构造 二 37 曲柄连杆机构是运动件 是发动机的主要部件之一 混合气燃烧产生的压力推动活塞在气缸内运动 通过连杆变成为曲轴的旋转运动 并对外输出功率 曲柄连杆机构包括活塞组 连杆组和曲轴飞轮组三大部件 第3讲曲柄连杆机构 38 1 轴风扇皮带轮2 曲轴正时齿轮3 机油泵链轮4 曲轴5 曲轴主轴承上轴瓦6 连杆大头轴承上轴瓦7 连杆8 连杆小头轴承9 活塞销卡环10 活塞销11 第一道气环12 第二道气环13 组合油环14 活塞15 连杆螺钉16 飞轮17 转速传感器脉冲轮18 连杆大头轴承下轴瓦19 连杆大头盖20 连杆螺母21 止推轴承22 曲轴主轴承下轴瓦23 止推轴承图3 1桑塔纳2000GSi轿车汽油机的曲柄连杆机构 39 图3 2活塞连杆曲轴组结构及装配 40 图3 3活塞连杆组结构及装配 41 3 1活塞组活塞组在气缸内承受和传递燃烧气体压力 与气缸盖 缸套内壁构成密封的燃烧室空间 活塞组包括活塞 活塞环 气环和油环 活塞销及活塞销卡环等零件 3 1 1活塞活塞的工作条件及材料活塞结构 42 活塞的工作条件及材料活塞的工作条件十分恶劣 要承受很大的热应力和机械应力 活塞在气缸内高速往复运动 平均速度 汽油机18m s 柴油机13m s左右 与缸套之间有很大的摩擦力 工作时直接接触周期变化的高温 最高达2800K 高压 最高达12MPa 燃气 且承受很大的往复惯性力 材料要求 质轻 导热性好 热膨胀系数低 耐磨耐腐蚀等 汽油机一般采用共晶 亚 过 铝硅合金 采用铸造或锻造 柴油机一般采用铸铁或耐热合金钢 43 活塞结构活塞由活塞顶部 活塞头部 环槽部 和裙部三部分组成 图3 4柴油机活塞 活塞顶部指从活塞顶面到到第一道气环上环岸部分 汽油机活塞顶部和柴油机活塞顶部结构上有较大的差异 活塞头部是从第一道气环槽到油环槽的环槽部 活塞裙部是指从油环槽下环岸到活塞底部 44 图3 5活塞顶面形状 a 平顶 b 凹顶 c 凸顶 d e f 深凹顶 新工艺 活塞顶面一般进行阳极氧化处理 以增加热阻 45 活塞裙部由于气压力作用 活塞销座热变形影响和侧压力作用 工作时的变形是不一样的 因此将自由状态下的活塞裙部加工成椭圆形或正矢曲线形 工作时变形成为基本正圆形 裙部椭圆形的长轴在活塞销轴线垂直方向上 a 侧压力作用 b 气压力作用 c 热变形图3 6活塞裙部形状和工作时的变形 46 3 1 2活塞环活塞环分气环和油环两种 气环作用 密封和导热材料 优质铸铁 球墨铸铁和合金铸铁 耐热 耐磨以及高强度和冲击韧度 镀铬 喷钼 磷化处理 铬基陶瓷复合镀层 CYPR CCC 活塞环和粉末冶金的金属陶瓷等新工艺切口 直切口 阶梯型切口 斜切口 带防转销钉槽 见图3 7 断面形状 矩形环 锥面环 正扭曲内切环 反扭曲内切环 梯形环 桶面环等 见图3 8 47 a 直切口 b 阶梯型切口 c 斜切口 d 带防转销钉槽图3 7气环的切口形状 48 a 矩形环 b 锥面环 c 正扭曲内切环 d 反扭曲内切环 e 梯形环 f 桶面环图3 8气环的断面形状 49 油环其作用是涂油和刮油普通槽孔式 回油孔有圆孔 指状铣刀铣削的长条孔和片状铣刀铣削的扁孔等钢带组合式 由上下刮片和支撑弹簧组成背衬式 在油环背面衬以波纹钢带圈或弹簧圈 油环对缸壁的接触压力比气环大 一般式气环弹力的1 5 2 0倍 以增强刮油能力 其回油孔大而光 50 1 衬环是波纹钢带圈衬环2 衬环是弹簧圈 C 背衬式油环 1回油孔2 4刮片3支撑弹簧 图3 9油环 51 3 1 3活塞销及卡环活塞销 图3 10活塞销 功用 材料 轻质 耐磨 强度高 一般用低碳钢或低碳合金钢 表面渗碳处理并精磨和抛光全浮式连接和半浮式连接 活塞销卡环 52 3 2连杆组 图3 11连杆组 组成 功能 材料 要求强度高 刚度好 抗疲劳强度高且柔韧性好 一般用中碳钢或中碳合金钢 模锻或辊锻成型 并调质处理平切口和斜切口连杆斜切口连杆常用的定位方法 止口定位 套筒定位 锯齿定位 53 图3 12斜切口连杆大头的定位方式 1 止口定位2 锯齿定位3 套筒定位 54 a 普通形状轴承 b 等厚度合金层 c 轴向变厚度轴承1 定位舌2 瓦背3 合金层 图3 13连杆轴瓦 连杆轴瓦 上瓦和下瓦 55 3 3曲轴飞轮组 图3 14曲轴组 组成功能 56 曲轴 组成 前端 后端 曲拐和平衡重等 有整体式和组合式之分 材料 要求疲劳强度 冲击韧性和耐磨性好 一般用中碳钢或镍铬 铬钼 铬钒等合金钢锻模 或高强度球墨铸铁铸成 主轴颈 曲柄销表面进行高频淬火或氮化处理 曲柄销与曲柄臂的过渡圆角出采用滚压喷丸等硬化处理曲轴轴承 主轴瓦 有上 下瓦 由瓦背和合金层组成 用定位舌定位 瓦背用低碳钢制造 合金层有锡基和铅基白合金 汽油机 铜基 铝锑镁和铝锡合金 柴油机 结构见图3 13连杆轴瓦 57 常见的曲拐排列与发火顺序三缸机 单列 三个曲拐互成120 夹角 发火间隔为720 3 240 发火顺序为1 2 3四缸机 单列 四曲拐布置在同一平面 发火间隔720 4 180 发火顺序1 3 4 2 1 2 4 3五缸机 单列 五个曲拐沿圆周均匀布置在五个平面内 各平面夹角为72 发火间隔为720 5 144 发火顺序为1 2 4 5 3六缸机 单列 六个曲拐分别布置在三个平面内 各平面夹角为120 发火间隔为720 6 120 发火顺序为1 5 3 6 2 4六缸机 V型 曲拐布置和单列三缸机相同 三个曲拐互成120 夹角 V型夹角为90 采用交替式发火 发火顺序为1 4 2 5 3 6八缸机 V型 V型夹角为90 发火间隔720 8 90 四个曲拐可布置在同一平面 采用交替式发火 发火顺序为1 8 3 6 4 5 2 7或1 5 3 7 4 8 2 6 四个曲拐也可布置在互相错开90 的平面内 空间曲拐布置 发火顺序为1 5 4 2 6 3 7 8等曲轴扭振 58 飞轮 功用 蓄能和供能 启动 上止点标记材料 铸铁 铸钢或球墨铸铁结构特点 59 机体 气缸套和气缸盖是发动机的非运动件 是发动机形状尺寸的主要决定因素 机体气缸盖是箱体类零件 是发动机主要运动件的安装位置和运动空间 发动机其他系统和附件的安装位置 都要由机体和缸盖提供 第4讲发动机机体与气缸盖 60 1 气缸盖2 气缸垫3 气缸体图4 1机体 气缸套和气缸盖 卡特皮勒柴油机 61 4 1机体与气缸套机体的结构形式 图4 2机体的结构形式 平分式 一般龙门式 桑塔纳2000GSi的AJR型隧道式 6135Q 机体的排列方式 L型 一般对置式 保时捷2 5L6V型 奥迪A2 4 1V6 62 气缸套 无缸套干缸套湿缸套 图4 3缸套的定位 63 4 2气缸盖和气缸垫 功用结构特点 燃烧室 各种零部件的布置材料 优质灰铸铁 合金铸铁或铝合金形式 整体式和组合式 气缸盖 气缸垫气缸盖螺栓 4 3油底壳 64 5 1配气机构的功用 配气机构的功用是按照发动机每一气缸内所进行的工作循环和发火顺序的要求 定时开启和关闭进 排气门 使新鲜可燃混合气或空气得以及时进入气缸 废气得以及时从气缸排出 第5讲发动机配气机构 65 5 2配气机构的布置方式及特点 气门的布置形式 气门侧置气门顶置气门混合布置 凸轮轴布置形式 凸轮轴上置凸轮轴下置凸轮轴中置 图5 1下置凸轮轴侧置气门 66 图5 2单顶置凸轮轴 SOHC 图5 3双顶置凸轮轴 DOHC Single Dual OverHeadCamshaft 67 1 进气门2 排气门 图5 4气门混合布置方式 68 凸轮轴的传动方式 齿轮传动链传动带传动 每缸气门数气门间隙 图5 5凸轮轴带传动 69 图5 6DOHC带传动 图5 7DOHC链传动 70 图5 8每缸四气门 图5 9每缸五气门 1 3凸轮轴2 4进 排气门 71 5 3配气定时 为了提高发动机的动力性能和经济性能 就需要提高发动机的充气系数 提高充气系数除了提高气门通过能力 即增加气门升程 采用合理的气门锥角 加大气门和气道喉口直径 设计有优异动力性能的配气凸轮型线等以外 合理的配气定时 配气相位 也是一个很重要的因素 配气定时指的是进 排气门开启关闭时刻和延续的曲轴转角 发动机配气定时可以用配气定时 或配气相位 图表示 也可用配气相位角图表示 72 图5 10配气相位图 73 5 4配气机构的零部件 图5 11配气机构的零部件 气门组件凸轮轴挺柱挺杆摇臂 74 气门组件 气门气门弹簧气门导管气门座圈 图5 12气门组 75 气门 材料 要求足够的强度 刚度 耐热和耐磨能力 进气门一般用铬钢 镍铬钢等普通合金钢 排气门用高铬硅耐热合金钢 结构 头部和杆部头部形状钠冷气门 气门弹簧 双弹簧和变螺距弹簧 图5 13气门头部形状 图5 14钠冷气门 76 气门导管和气门座 1气门导管2卡圈3气缸盖4气门座圈 图5 15气门导管和气门座圈 77 凸轮轴 功用材料 要求有足够的刚度和韧性凸轮表面要耐磨 一般用优质铸铁 中碳钢和中碳合金钢制造 经调质处理以提高疲劳强度 凸轮表面淬火 光磨 结构 图5 16凸轮轴结构 凸轮轴的驱动 齿轮 链轮和齿形皮带 78 挺柱 1 凸轮中心线与挺柱轴线不重合2 凸轮表面倾斜图5 17挺柱 机械挺柱和液压挺柱 挺杆摇臂 79 5 5新型配气机构可变凸轮配气机构可变气门正时 VVT Variablevalvetiming i VTEC intelligent智能控制阀 Variablevalvetimingandliftelectroniccontrol电子控制可变配气定时和升程 电磁气门驱动 80 第6讲汽油机燃料供给系统 汽油机燃料供给系统的功能是根据发动机运转工况的需要 向发动机定时 定量供给一定数量的汽油机 以形成产生一定输出功率的可燃混合气 汽油机供给的汽油 要雾化良好并与空气形成均质混合气 传统汽油机采用化油器供油 用节气门来控制混合气数量 以达到控制汽油机运转工况的目的 现代汽车尤其是小轿车 均采用电控汽油喷射供油 EFI 81 汽油 蒸发性和抗暴性 过量空气系数 a 燃烧1kg燃油供给发动机的实际空气量 完全燃烧1kg燃油理论上需要的空气量空燃比 A F 82 图6 1化油器式汽油机供给系示意图 6 1化油器供油系统 化油器汽油箱汽油滤清器汽油泵油管 83 化油器五大装置主供油省油器加速泵怠速装置起动装置 84 图6 2渗入空气法校正的主供油系 85 图6 3省油器 86 图6 4怠速系 87 图6 5加速泵 88 图6 6阻风门装置 89 汽油泵 机械式和电动式 1单向阀2卸压阀3电刷4电枢5磁极6叶轮7滤网8泵盖9泵壳10叶片 图6 7涡轮型电动内置汽油泵 90 6 1汽油喷射系统 汽油喷射的概念特点 与传统的化油器供油方式相比 可根据汽油机不同工况 供给最佳空燃比的混合气由于没有喉管 充气效率高降低了油耗 提高经济性和排放性具有良好的启动 加速等过渡性能为发动机新技术的应用提供可能 如高压比 多气门 VVT VCR等 91 类型按控制方式分 K型 KE型和EFI型按控制信号分 D型和L型按喷射系统执行机构分 SPI和MPI按喷射方式分 连续和间歇按喷射次序分 顺序和分组 92 图6 8电控汽油喷射供油系统 93 6 2汽油喷射系统主要零部件 汽油供给零部件油箱 电动汽油泵 汽油滤清器 燃油分配器 喷油器和冷启动喷油器等进气系统零部件进气流量计 进气压力传感器 补充空气阀和怠速控制阀进气流量计叶板式 叶片式 热线式 热膜式和卡门涡旋式等控制系统零部件电控单元 ECU 各种传感器和控制器 执行机构 如冷却水温 润滑油压力和温度 发动机转速及上止点位置 氧传感器等 94 图6 9电控汽油喷射供油系统的中央处理器 CPU 95 图6 10叶板式空气流量计和燃油分配器 96 图6 11叶片式空气流量计 97 第7讲柴油机燃料供给系统 柴油机燃料供给系统的功能是根据内燃机工作循环要求 定时 定量 定压 按一定的供油规律将柴油喷入气缸 雾化并与空气形成混合气燃烧 98 7 1柴油的主要使用性能 着火性 十六烷值 黏度凝点 柴油牌号 50 35 20 10 0 10 7 2柴油机供油系统的组成 柴油机燃料供给系统主要由柴油箱 输油泵 喷油泵 喷油器 低压输油管 高压输油管和回油管等组成 99 a 柱塞式油泵 b 分配式油泵 1柴油箱2调速器3输油泵4喷油泵5喷油提前角调节器6发动机转动方向7柴油滤清器8溢油阀9喷油器10 11回油管12高压油管 图7 1柴油机燃料供给系统示意图 100 图7 2活塞式输油泵 101 图7 3P7型喷油泵 P7型喷油泵应用于斯太尔 D6114 135 113和110等系列柴油机 其主要结构特征是 柱塞直径9 11mm 凸轮升程11mm 最大转速1600r min 适应四冲程柴油机转速3200r min 供油峰值压力100MPa 活塞式输油泵 机械全程或两极调速器 P7型喷油泵由出油阀 进油管 喷油泵体 活塞式输油泵 凸轮轴 其上安装喷油角度自动提前器 油门手柄 调速器和回油管接口等零部件构成 102 图7 4柱塞式喷油泵分泵结构 1 出油阀紧座2 出油阀弹簧3 出油阀4 出油阀座 3 4精密偶件之一 5 垫片6 柱塞套7 定位螺钉8 柱塞 6 8精密偶件之二 9 柱塞弹簧10 调节叉11 夹紧螺钉12 弹簧座13 供油拉杆14 调节臂15 调整垫块16 滚轮体17 滚轮18 供油凸轮 柱塞式喷油泵基本构成部分有泵体 柱塞式泵油机构 油量控制机构和传动装置等 103 图7 5喷油泵结构及工作原理 当供油凸轮尚未顶起滚轮体时 输油泵将柴油从进回油孔送到柱塞上腔 凸轮顶起滚轮体 柱塞上腔的柴油被压缩 压力升高 当压力增高到出油阀开启压力和高压油管内柴油残余压力 上次喷油后残留 之和时 出油阀开启 压力柴油流入针阀中部的盛油槽内 柱塞继续上升压缩柴油 使盛油槽内油压继续升高 直至油压超过针阀开启压力Po 即克服针阀弹簧的预紧力 喷油器向缸内喷油 喷油后一段时间 柱塞还使喷射压力继续升高 当柱塞斜槽接通回油孔 柱塞上腔柴油溢流 油压迅速降低 出油阀在弹簧和高压油管油压共同作用下 下行关闭出油口 在出油阀上的减压环封闭出油口 则回油通道被隔断 使高压油管内残留一定压力和油量的柴油 出油阀继续下行落座 在减压容积作用下 高压油管压力继续下降 使喷油器针阀不能维持开启油压 于是针阀被弹簧弹力作用 关闭喷油孔 停止喷油 停止喷油后 由于油压波在高压管内反射传递 高压油管内油压有波动过程 若前进压力波叠加上残余压力超过针阀开启压力 则针阀可能二次开启 发生二次喷射现象 喷油器端最大压力由于高压油管关系 滞后于泵端 104 图7 7拨叉式油量控制机构 图7 6齿条式油量控制机构 105 图7 8喷油器 孔式喷油器的喷油器端部有喷孔 喷孔数目只有一个是单孔喷油器 两个喷孔是双孔喷油器 3个以上是多孔喷油器 从高压油管来的油从进油管接头通过油道进入储油腔 柴油压力作用在针阀的斜锥面上 当柴油压力超过针阀弹簧的预紧力 则针阀抬起 打开喷孔 向气缸内喷油 若油泵柱塞下移 管道内油压下降 针阀弹簧将针阀压在喷孔座面上 停止喷油 高压下从针阀与导向孔间泄漏的柴油 经回油管回到油箱 调整喷油压力时 松开调压螺钉护帽和紧帽 旋动调压螺钉 即可加大或减小喷油压力 16 针阀体17 针阀 精密偶件之三 106 图7 9调速器调节供油量原理图 107 7 3电控柴油机 ECD 供油系统 ECD系统一般由传感器 ECU和执行器三部分组成 1燃油箱2油轨压力传感器3油量限制器4油轨5限压阀6空气流量计7冷却液温度传感器8空气温度传感器9增压压力传感器10油门位置传感器11曲轴位置传感器12转速传感器13ECU14带输油泵的可控高压泵15燃油滤清器16喷油器 图7 10Bosch共轨式ECD系统 108 第8讲发动机润滑系统 8 1发动机润滑系统的功能润滑作用 润滑运动零件表面 减小摩擦阻力和磨损 减小发动机的功率消耗 清洗作用 机油在润滑系内不断循环 清洗摩擦表面 带走磨屑和其它异物 冷却作用 机油在润滑系内循环还可带走摩擦产生的热量 起冷却作用 密封作用 在运动零件之间形成油膜 提高它们的密封性 有利于防止漏气或漏油 防锈蚀作用 在零件表面形成油膜 对零件表面起保护作用 防止腐蚀生锈 液压作用 润滑油还可用作液压油 如液压挺柱 起液压作用 减震缓冲作用 在运动零件表面形成油膜 吸收冲击并减小振动 起减震缓冲作用 在现代发动机中 润滑油还起到不解体即可判断发动机故障的作用 即根据对机油进行变质分析和磨屑质量的测定 找出发动机故障部位 判断发动机是否应该大修 109 8 2发动机的主要润滑方式压力润滑 飞溅润滑 混合润滑以及润滑脂润滑 110 8 3润滑系统的组成和润滑油润滑系统组成由油底壳 机油集滤器 机油泵 机油粗 精滤清器和润滑油道机油冷却器等组成 有的汽车发动机润滑系统还有机油冷却器 用机油压力表监视压力润滑油压力 有的还用机油温度表监视机油温度 工作原理机油泵通过集滤器将润滑油从油底壳内抽出 送入机体主油道 通过机油滤清器过滤杂质 进入各润滑油道 当机油输出压力太高时 溢流阀开启 保护机油泵以免过载 当机油滤清器阻塞 旁通阀开启 以保证流入润滑油道的润滑油量 限压阀用来限制主油道润滑油压力 进入润滑油道的压力油 一部分润滑曲轴主轴颈 再通过曲柄臂斜油道润滑曲柄销 同时从连杆杆身上的油道对活塞销进行润滑 另一部分经单向阀和机体缸盖油道到达气缸盖油道 供给液压挺柱所需的机油 同时润滑挺柱 到达凸轮轴的润滑油 对凸轮轴颈进行压力润滑 111 图8 1桑塔纳2000GSi轿车发动机润滑系统 112 1集滤器2油底壳3皮带轮4机油滤清器5机油冷却器6转子泵齿轮7转子泵齿圈8安全阀图8 3本田NSX轿车V62汽油机润滑系统 1旁通阀2机油泵3集滤器4油底壳5放油塞6安全阀7机油滤清器8主油道9分油道10曲轴11中间轴12限压阀13凸轮轴图8 2桑塔纳发动机润滑系 113 1主动齿轮2进油口3壳体4从动齿轮5卸压槽6出油口图8 4齿轮泵 齿轮泵及工作原理 114 图8 5转子泵 转子泵工作原理 转子泵的内齿轮与齿圈的齿数较少 齿圈比齿轮多一个齿 齿面型线可以是圆弧线和双曲线 齿轮与齿圈偏心安装 齿轮是主动轮 带动齿圈在壳体内差动转动 反时针转动的齿轮和齿圈使下端的油腔容积逐渐增加 将机油从油底壳不断吸入 吸入齿轮齿间的机油随齿轮转动 被带入上腔 上腔齿轮在脱离接触时 容积逐渐变小 将机油加压 从出油口排出 齿轮和齿圈的齿面在齿轮转动的任何时候都处于接触状态 因此机油不会从齿面处泄漏 齿轮和齿圈等高 与壳体和油泵盖间有极小间隙 便于齿轮转动 115 润滑油的分类和选用 SAE分类法 冬季SAE0W SAE5W SAE10W SAE15W SAE20W SAE25W非冬季SAE20 SAE30 SAE40 SAE50 号数大的黏度大 也有组合黏度的如SAE5W 20冬夏通用 API分类法 汽油机油S系列SA SB SC SD SE SF SG SH共8级柴油机油C系列CA CB CC CD CE共5级 级号越后 使用性能越好 我国的分类 GB T7631 1995 汽油机油SC SD SE SF SG SH共6级柴油机油CC CD CD 2 CE CF 4共5级二冲程汽油机油ERA ERB ERC ERD共4级 116 第9讲发动机冷却系统 发动机冷却系统的功能保证发动机在任何工况下都能运转在适当的工作温度下 保证发动机可靠工作 减少磨损 减少油耗 降低有害气体排放 分类 风冷和水冷 图9 1发动机的水冷却系统 9 2冷却系组成及功能 117 1百叶窗2散热器3散热器盖4风扇5水泵6节温器7缸盖水套8水温表9机体水套10分水管11放水阀图9 2冷却液在强制循环水冷系中的流动 118 冷却系统的组成冷却系统水泵 散热器 冷却风扇 节温器 补偿水箱 膨胀箱 机体和缸盖内的水套及附属装置等组成 a 关闭位置 b 开启位置 1弹簧2蜡3橡胶套4外壳5阀门6阀座7隔圈8密封圈9恒温器盖10螺母11推杆12 13支架图9 3蜡式恒温器 节温器 1水泵壳体2叶轮3进水管4出水管图9 4离心式水泵 119 1散热器2水泵进水管3水泵4节温器5水套出气管6水套出水管7膨胀箱8散热器出气管9补充水管10旁通管 图9 5膨胀箱作用示意图 膨胀箱的作用 1 冷却系统全封闭 避免空气进入对系统内部的氧化腐蚀2 系统中水气分离 压力稳定 可增大泵水量和减少系统内的穴蚀3 避免冷却液的损耗 120 9 2冷却液 组成 冷却液 软水 防冻液 各种添加剂 乙醇 乙二醇等 特点 防冻 防蚀 防水垢形成 且沸点高 121 9 3散热器 一 散热器的结构设计要点散热器由上贮水箱 下贮水箱和散热器芯部组成 目前常用的散热器芯部结构分管片式和管带式两种 水管一般都是扁平形 以减小空气阻力 增加传热面积 减小冻裂的危险 管外的大量散热片或散热带是为了增加对空气的传热面积 管片式结构由于刚度好 耐压高 目前广泛采用 它的缺点是制造工艺比较复杂 坏了的水管只好焊死 一般若有20 的管子堵死就要换新的芯部 管带式结构刚度和强度不如管片式 零件数少 制造方便 散热效果好 但空气阻力较大 它在新型汽车上应用愈来愈多 122 传热系数KR是评价散热效能的重要参数 它表示当冷却水和空气之间的温差为1 时 每秒通过1m2与空气接触散热表面所散走的热量 提高散热系数可以改善效能 减小尺寸和材料消耗 传热系数受散热器芯部结构 水管中冷却水的流速 通过散热器的空气流速 材料以及制造质量 特别是焊接质量 等许多因素的影响 空气阻力pR是散热器的另一质量指标 它主要取决于散热芯的结构和尺寸 散热器的传热系数KR和空气阻力pR 只能通过专门的试验才能确定 123 影响KR的最重要因素是通过散热芯的空气流速va 当va提高时 传热系数KR增大 但同时使空气阻力pR按平方关系更急剧地增长 使风扇功率消耗很快增加 当散热器外形尺寸不变时 增加散热片的间距 可以提高KR 但是由于散热面积FR减少 总散热量反而下降 因KRFR值下降 实际上常减小散热片间距来增加散热面积FR 但散热片间距过小引起空气阻力增加 一般散热片间距为2 5 4 5毫米 其中小客车的片距推荐为2 2 75毫米 载重汽车的为2 5 3 5毫米 矿山车为3 5 4 5毫米 我国散热片的片距推荐值为2 5 2 75 3 3 25 3 5 4 4 5毫米 当水管中的水流速度vw1米 秒时 效果就不显著 反而使水泵的耗能增加 管带式散热芯由于与水接触面积比空气接触面积小很多 提高水流速度造成的KR的提高幅度较管片式大 有这样提高趋势的vw范围也较大 实际上 冷却水流速vw一般在0 6 0 8米 秒范围内 124 管子的排列形式有顺排 错开排以及管子与气流成一角度的排列方式 而后两者的KR值较高 管片式散热芯当水管排数增加时 由于空气扰流增加 传热系数KR可以提高 但排数太多时空气阻力增加 散热效果的改善不显著 目前管片式结构采用2 7排水管 其中小客车一般用2 3排 载重汽车用3 6排 矿山车和拖拉机用3 7排 水管横向间距10 15毫米 纵向间距15 25毫米 管带式散热芯中 随着水管排数的增加 KR下降 这是因为这种散热芯中各水管是前后排成一条线的 后面水管的散热效率一定低于前面的水管 所以管带式散热芯不宜采用超过3排的水管 增大风速可以显著地提高散热器的散热能力 在影响传热系数KR的各种因素中 风速的影响最大 为增大散热能力 应合理地增大风速 但风速过高 风扇消耗功率增加更大 风扇在额定工况时 供给的风速应不低于以下数值 矿山车 拖拉机的风速8米 秒载重汽车的风速8 10米 秒小客车的风速12米 秒管片散热器由于采用公共散热片 对散热片的冲孔精度要求很高 不然就不能保证焊缝质量 当散热片管子接触不良时 散热系数会下降25 30 管带式结构工艺性要好的多 适于大量生产 125 在确定散热器的传热系数时应考虑到 当散热器的厚度比一般的增加50 时 传热系数KR下降3 当冷却液体的温度降低30 时 KR值减小10 当散热器的水管长度比现有的增大1倍时 KR值降低15 当散热器蒙上很多尘土时 散热性能降低10 甚至更多 散热器材料的导热性能和焊缝等等工艺质量对KR有很大影响 目前常用导热性能 焊接性能和耐腐蚀性能好的黄铜或紫铜制造散热器 但这是贵重的有色金属 成本高 为了节约贵重有色金属 水管和散热片的厚度已减到最低限度 目前水管壁厚0 1 0 2毫米 散热片厚度为0 06 0 1毫米 现在有用钢 铝等材料制造散热器 用薄钢片制造散热芯的主要困难在于它易受腐蚀 现在一般用镀锌提高耐蚀性 外表面用喷漆保护 如果水管用有色金属 而只是散热片用薄钢拭制造 刚腐蚀问题比较容易解决 铜管钢片的散热器 性能良好 用铝制造散热器重量轻 导热性好 在适当处理后耐蚀性也令人满意 可是在焊接方面还存大一定困难 126 二 散热器的设计计算 1 按热平衡试验的数据或经验公式计算出传给冷却液的热量QW千焦 秒 同时按公式计算出冷却水的循环水量 米3 秒 计算出冷却空气量Va 米3 秒 内燃机传给冷却液的热量QW应当等于散热器散出的热量 冷却空气量Va应当等于流过散热器的空气量 2 计算散热器的正面积FR根据冷却空气量Va计算散热芯的正面积 FR Va va 米2 式中va 散热器正面前的空气流速 米 秒 一般矿山车和拖拉机取8米 秒 载重汽车取8 10米 秒 小客车取12米 秒 算出散热芯的正面积FR以后再根据动力装置 如汽车拖拉机等 的总布置确定散热器芯部的高度h和宽度b b FR h 米 127 3 计算散热器的水管数根据冷却水的循环量Va 计算冷却水管数 与水在散热器水管中的流速 以及每根水管的横断面积有关 4 确定传热系数KR5 计算散热器的散热表面积F根据统计 散热器的比散热面积 即内燃机单位功率所需要的散热面积一般在下列范围内 小客车F Ne 0 136 0 204米2 千瓦载重车F Ne 0 204 0 408米2 千瓦拖拉机F Ne 0 408 0 680米2 千瓦6 计算散热器芯部厚度推荐资料 散热材料极其散热制品的设计 制造工艺与质量检测检修标准规范实用全书 孟现亮 吉林音像出版社 2003年 1CD 3本手册 399元 128 9 4风扇 一 风扇的设计要点在水冷内燃机上 广泛地采用前后都无导流装置的轴流式风扇 因为它的结构简单 在系统中布置方便 在低压头下扇风量大 轴流式风扇的叶片一般用1 2毫米厚的钢板冲压而成 为了提高刚度和扇风压力 多采用将断面弯成圆形的叶片 这种冲压风扇在大量生产条件下工艺性较好 有些内燃机上 采用铝合金铸造或增强尼龙制造的风扇 它的轮叶是机翼型断面叶片 但由于水冷内燃机的风扇没有前后导流装置 机翼型风扇提高效率有限 又因它的制造成本较高 限制了它在水冷内燃机上的广泛应用 风扇的外径略小于散热器芯部的宽度和高度 风扇轮毂半径与风扇外径之比称为轮毂比 一般取 0 2 0 25左右 风扇轮叶所扫过的圆环面积与散热器芯部正面面积之比一般为0 45 0 60 风扇的中心线一般在散热器芯的中心线上 但也有些风扇由于总布置的要求 它的中心线略高于散热器芯部的中心线 这时 由于芯部上的水温较高 散热效果较好 129 风扇叶轮叶数z和轮叶宽度b由风扇计算确定 当z和b增加时 扇风量v和风压p都增加 但风扇功率消耗也增加 一般b 0 15 0 2 D2 z 2 6 高速内燃机一般用四叶风扇 转速特高的情况下可用两叶风扇 柴油机转速较低 大多用六叶风扇 在其它相同的条件下 六叶风扇的扇风量比四叶风扇大不了多少 所以采用六叶以上一般没有必要 轮叶宽度b从叶根到叶顶渐减小 不仅从轮叶强度考虑合理 而且有助于提高风扇效率 风扇叶轮的安装角由计算决定 当安装角沿轮叶半径方向不变时 一般取300 450 当采用扭转的轮叶时 即从叶根向叶顶减小 一般从600 700变到200 300 这时轮叶的攻角 气流与轮叶的夹角 从风扇叶根到叶顶都在效率较高的范围以内 从而提高了风扇效率 有些风扇轮叶的顶端向后弯曲 这个后弯部分类似离心式风扇 能使气流向四周甩开 经过内燃机的正面流出机罩 减小风扇出口阻力 提高风扇的扇风量 130 风扇的排量 风压和功率消耗分别与风扇的转速一次 二次和三次方成正比 所以 提高转速是增加风压的有效方法 但功率的消耗也急剧增加 若风扇转速太高 例如风扇叶顶圆周速度超过120米 秒时 会发生很大的尖锐噪音 在散热器与风扇之间要设导流风罩 并且必须密封导风罩与散热器的联结处 防止风扇抽风时 外界空气从不密封处短路流入风扇 使流过散热器的风量减少 使散热器的散热效果下降 131 二 风扇的设计计算风扇主要根据所要求的扇风量和风压来选择 1 确定风扇的扇风量风扇的扇风量应当等于通过散热器的冷却空气量Va 而冷却空气量Va又由散热器的散热量决定 2 确定风扇的压力冷却空气流过散热器时 要遇到一系列阻力 为了使冷却空气顺利通过散热器并且把散热量带走风扇所供给的冷却空气必须具有一定的压力 以克服空气道的阻力 空气道的阻力p计算如下 P PR P1式中PR 散热器的阻力 当重量风速为10 20千克 米2秒时 管片式散热器阻力100 500帕 0 001 0 005巴 P1 除散热器以外的所有空气通道 如百叶窗 导风罩 发动机罩等的阻力 它约等于P1 0 4 1 1 PR 详细确定p之值 应根据风洞试验确定 按照总体布置的要求和散热器芯部的尺寸 确定风扇外径D2 132 计算风扇外径D2处的圆周速度u2风扇叶顶圆周速度不可太高 太高则发生噪音 一般控制在u2 70米 秒 最高不超过80 120米 秒 计算外径D2处的压力系数 计算风扇轮叶内径D1 D1 D2之值一般在0 28 0 36范围以内 计算风扇气流的有效轴向速度 计算外径D2处的流量系统数及风扇的节流系数 求出风扇的容积效率 与风扇外径D2 风扇护风圈之间的间隙s以及风扇的节流系数 计算通过风扇轮叶气流的轴向速度 计算空气气流周向分速度 计算气流相对速度和平均气流角 计算风扇轮叶宽度b 计算风扇轮叶的安装角 133 应用计算结果得出风扇的结构参数 b 及所选的叶片翼型就可设计风扇 计算风扇的消耗功率消耗功率Nf与冷却空气量Va 空气道的阻力p和风扇总效率 等因素有关 水冷内燃机风扇的功率消耗大约为Nf 0 05 0 12 Ne式中Ne为内燃机功率 134 第10讲发动机起动系统 功用 保证发动机达到稳定运转的最低转速 使发动机顺利起动 一般汽油机 50rpm 在 10 时 15秒起动 柴油机 100rpm 5 时 15秒起动 起动方式 人力起动 电力起动机起动压缩空气起动 惯性起动和辅助发动机起动等 现代汽车发动机都采用电力起动系统 电力起动方便 迅速 起动可靠 结构简单 起动系统体积小 电力起动系统组成 蓄电池 直流电动机 控制装置和传动系统等电力起动机分类 惯性啮合式 机械啮合式 电枢移动式和电磁啮合式 135 图10 1电磁啮合式起动机总体结构 136 1 励磁线圈2 起动开关3 接电动机接线柱4 接蓄电池接线柱5 接发电机接线柱6 接线柱7 回位弹簧8 接触盘9 固定铁心10 吸引线圈11 保持线圈12 活动铁心13 传动叉14 离合器弹簧15 驱动齿轮图10 2电磁开关 137 辅助起动措施进气预热提高压缩温度起动加浓混合气减压起动 138 第11讲发动机点火系统 发动机点火系的功能 是根据发动机工况 定时按次序产生高压火花 点燃燃烧室内的可燃混合气 击穿火花塞电极间混合气 在两电极间产生电火花所需要的电压 称为击穿电压 其大小与火花塞电极间间隙大小和形状 与气缸内可燃混合气的压力 温度以及发动机的工况等有关 发动机点火系是能够定时 按次序在火花塞电极间产生电火花的全部设备的总称 139 发动机点火系的分类传统触点式点火系半导体辅助点火系 触点式和无触点式 微机控制点火系 传感