第一节往复活塞式内燃机的结构和原理

1、汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理主要内容：主要内容：发动机基本工作原理、编号规则和总体构造发动机基本工作原理、编号规则和总体构造发动机的基本结构、作用和常用术语发动机的基本结构、作用和常用术语发动机主要性能指标定义和作用发动机主要性能指标定义和作用汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理一、发动机分类：一、发动机分类： 发动机是汽车的动力源，是将某一种形式的能量转化成机械能的机器。发动机是汽车的动力源，是将某一种形式的能量转化成机械能的机器。1 1

2、、热机：将热能转化为机械能的发动机称为热力发动机，又热机。、热机：将热能转化为机械能的发动机称为热力发动机，又热机。3 3、内燃机的特点：结构紧凑、体积小、质量轻容易起动。、内燃机的特点：结构紧凑、体积小、质量轻容易起动。内燃机内燃机: :直接以燃料燃烧所生成的燃烧物为工质的热机。直接以燃料燃烧所生成的燃烧物为工质的热机。外燃机：是指燃料在机器外部燃烧，通过介质将热能转化成机械能。外燃机：是指燃料在机器外部燃烧，通过介质将热能转化成机械能。2 2、热机类型：、热机类型：4 4、汽车发动机（指活塞式内燃机）分类：、汽车发动机（指活塞式内燃机）分类：根据冲程数分：二冲程发动机四冲程发动机按冷却方式

3、不同：风冷发动机水冷发动机汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理按气缸数和排列形式分：单缸发动机多缸发动机直列式发动机V型布置发动机水平对置式发动机按使用的燃料不同：汽油发动机柴油发动机单列式单列式型型对置式对置式汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理二、往复活塞式内燃机的基本结构二、往复活塞式内燃机的基本结构: :1 1、总体结构：、总体结构：发动机是由两大机构五大系统 组成。两大机构曲柄连杆机构配气机构五大系统冷却系润滑系起动系点火系供给系汽车工程

4、系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理2 2、常用术语：、常用术语：工作循环：是指活塞在气缸内往复运动完成进气、压缩、做功和排气四个工作过程称 为一个工作循环。上止点：是指活塞离曲轴回转中心最远处，即活塞的最高位置。下止点：是指活塞离曲轴回转中心最近处，即活塞的最低位置。活塞行程(S)：是指活塞在上、下两止点之间的距离。曲柄半径(R):是指与连杆大端相连接的曲柄销的中心线到曲轴 回转中心线的距离。 S=2R气缸工作容积（Vh）：是指活塞从上止点到下止点所扫过的容积。D:气缸直径（mm） S：活塞行程（mm）26( )4 10hds

5、Vl汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理发动机工作容积（VL）：是指发动机所有气缸工作容积的总和，即发动机排量。LhVVii:为发动机缸数燃烧室容积(VC):是指活塞在上止点时，活塞顶部与缸盖构成的空间容积。气缸总容积（Va）:是指活塞在上止点时，活塞顶部与缸盖构成的空间容积。压缩比（）：是指气缸总容积与燃烧室容积之比值。1ahhccccVVVVVVV 工况：是指内燃机在某一时刻的运行状况，通常用该时刻内燃机对外输出 有效功率和转速表示。负荷率：是指内燃机在某一转速下发出的有效功率与相同转速下所能发出 的最大有效功率的比

6、值。发动机排量是一个非常重要的特征参数，轿车就是以发动机排量大小来进行分级。微型：VL1.0；普通级：VL1.01.6；中级：VL1.62.5；中高级：VL2.54.0；高级：VL4.0.汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理发发 动动 机机 常常 用用 术术 语语活塞处于上止点活塞处于上止点活塞处于下止点活塞处于下止点汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理动动 画画 演演 示示汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理

7、往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理三、四冲程发动机工作原理：三、四冲程发动机工作原理：1 1、工作循环：发动机一个工作循环包括、工作循环：发动机一个工作循环包括 进气过程、压缩过程、做进气过程、压缩过程、做 功过程和排气过程。功过程和排气过程。3 3、具体过程、具体过程：进气过程进气过程压缩过程压缩过程做功过程做功过程排气过程排气过程动动 画画 演演 示示2 2、一个工作循环曲轴转两圈，完成一次做功。、一个工作循环曲轴转两圈，完成一次做功。汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理4 4、汽油发动机工作过程分析：、汽油发动机

8、工作过程分析：A A、进气行程：、进气行程：活塞由上止点活塞由上止点往下止点运动，往下止点运动，曲轴转过曲轴转过180180度。度。B B、压缩行程：、压缩行程：活塞由下止活塞由下止点往上止点点往上止点运动，运动，曲轴曲轴转过转过180180度。度。C C、作功行程：、作功行程：活塞由上止活塞由上止点往下止点点往下止点运动，曲轴运动，曲轴转过转过180180度。度。D D、排气行程：、排气行程：活塞由下止活塞由下止点往上止点点往上止点运动，曲轴运动，曲轴转过转过180180度度。汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理进气进

9、气行程行程l活塞由曲轴带动活塞由曲轴带动从上止点向下止点从上止点向下止点运动，运动，此时，此时，进气门开启，排气门关闭进气门开启，排气门关闭。在活塞。在活塞向下移动的过程中，向下移动的过程中，气缸内容积逐渐增大气缸内容积逐渐增大，形成一定真空度，于是形成一定真空度，于是空气和燃油的可燃空气和燃油的可燃混合气混合气通过进气门被吸入气缸，直至活塞通过进气门被吸入气缸，直至活塞到达下止点时，进气门关闭，停止进气。到达下止点时，进气门关闭，停止进气。l由于进气系统存在进气阻力，进气终了时由于进气系统存在进气阻力，进气终了时气缸内气体的压力低于大气压力，约为气缸内气体的压力低于大气压力，约为0.00.0

10、75MPa75MPa0.09MPa0.09MPa。由于气缸壁、活塞等高。由于气缸壁、活塞等高温件及上一循环留下的高温残余废气的加温件及上一循环留下的高温残余废气的加热，气体温度升高到热，气体温度升高到370K370K400K400K。汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理A A、进气行程：、进气行程：排气门关闭排气门关闭进气门开启进气门开启活活塞塞下下行行P示功图示功图：表示活塞在不同位置时气表示活塞在不同位置时气缸内气体压力的变化情况。缸内气体压力的变化情况。a上止点上止点下止点下止点大气压力线大气压力线Vr示功图示功图

11、进气终了时气缸内进气终了时气缸内压力压力为为0.0740.0740.093Mpa0.093Mpa，温度温度上升至上升至353353403K403K 汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理压缩压缩行程行程l为使可燃混合气迅速燃烧，达到改善发为使可燃混合气迅速燃烧，达到改善发动机动力性和经济性的目的，必须在燃动机动力性和经济性的目的，必须在燃烧前对可燃混合气进行压缩，以提高可烧前对可燃混合气进行压缩，以提高可燃混合气的温度和压力。因此，在进气燃混合气的温度和压力。因此，在进气行程结束时立即进入压缩行程，行程结束时立即进入压缩行

12、程，活塞在活塞在曲轴的带动下，从下止点向上止点运动，曲轴的带动下，从下止点向上止点运动，由于进、排气门均关闭，气缸内容积逐由于进、排气门均关闭，气缸内容积逐渐减小，可燃混合气压力、温度逐渐升渐减小，可燃混合气压力、温度逐渐升高。高。 l压缩终了时，气缸内的压力约为压缩终了时，气缸内的压力约为0.6MP0.6MPa a1.2MPa1.2MPa，温度约为，温度约为600K700K700K。汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理B B、压缩过程：、压缩过程：进气门关闭进气门关闭排气门关闭排气门关闭活活塞塞上上行行压缩终了时气缸内

13、压缩终了时气缸内压力压力上升至上升至0.60.61.5Mpa1.5Mpa，温温度度继续上升至继续上升至600600700K 700K 。示功图示功图：表示活塞在不同位置时气缸表示活塞在不同位置时气缸 内气体压力的变化情况。内气体压力的变化情况。PVra示功图示功图大气压力线大气压力线上止点上止点下止点下止点汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理做功行程做功行程l在压缩行程末，在压缩行程末，火花塞产生电火花点燃混合火花塞产生电火花点燃混合气气并迅速燃烧，使气体的温度、压力迅速升并迅速燃烧，使气体的温度、压力迅速升高而膨胀，从

14、而推动高而膨胀，从而推动活塞从上止点向下止点活塞从上止点向下止点运动运动，通过连杆使曲轴旋转作功，至活塞到，通过连杆使曲轴旋转作功，至活塞到达下止点时作功结束。达下止点时作功结束。l在作功行程中，在作功行程中，开始阶段气缸内气体压力、开始阶段气缸内气体压力、温度急剧上升，瞬间压力可达温度急剧上升，瞬间压力可达3MPa3MPa5MPa5MPa，瞬时温度可达瞬时温度可达2200K2200K2800K2800K。随着活塞下行，随着活塞下行，气缸容积增大，气缸内压力、温度逐渐下降，气缸容积增大，气缸内压力、温度逐渐下降，作功终了时，压力约为作功终了时，压力约为0.30.30.5MPa0.5MPa，温度

15、约，温度约为为1300K1300K1600K1600K。汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理C C、做功过程：、做功过程：进气门关闭进气门关闭排气门关闭排气门关闭活活塞塞下下行行作功中气缸内作功中气缸内最高压力最高压力可达可达3 35Mpa5Mpa，最高温度最高温度可达可达220022002800K2800K；作功终了时气缸内；作功终了时气缸内压力压力下降至下降至0.30.30.5Mpa0.5Mpa，温度温度下降下降至至130013001600K1600K。 PVra示功图示功图大气压力线大气压力线Zb上止点上止点下止点

16、下止点示功图示功图：表示活塞在不同位置时气缸表示活塞在不同位置时气缸 内气体压力的变化情况。内气体压力的变化情况。汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理排气行程排气行程l为使循环能够连续进行，须将燃烧产生为使循环能够连续进行，须将燃烧产生的废气排出。在作功行程终了时，的废气排出。在作功行程终了时，排气排气门打开，进气门关闭，门打开，进气门关闭，曲轴通过连杆推曲轴通过连杆推动动活塞从下止点向上止点活塞从下止点向上止点运动，废气在运动，废气在自身剩余压力和活塞推动下，被排出气自身剩余压力和活塞推动下，被排出气缸，至活塞到达上止

17、点时，排气门关闭，缸，至活塞到达上止点时，排气门关闭，排气结束。排气结束。l排气行程终了时，由于燃烧室容积的存排气行程终了时，由于燃烧室容积的存在，气缸内还存有少量废气，气体压力在，气缸内还存有少量废气，气体压力也因排气系统存在排气阻力而略高于大也因排气系统存在排气阻力而略高于大气压力。此时，气压力。此时，压力约为压力约为0 0105MPa105MPa0 0115MPa115MPa，温度约为，温度约为900K900K1200K1200K。汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理D D、排气过程：、排气过程：进气门关闭进气门关

18、闭排气门打开排气门打开残余废气残余废气活活塞塞上上行行排气终了时气缸内排气终了时气缸内压强压强下降至下降至0.1020.1020.120Mpa0.120Mpa，温度温度下下降至降至9009001200K1200KPVr示功图示功图大气压力线大气压力线cZ上止点上止点下止点下止点 a 示功图示功图：表示活塞在不同位置时气缸表示活塞在不同位置时气缸 内气体压力的变化情况。内气体压力的变化情况。汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理五、四冲程柴油机结构和工作过程：五、四冲程柴油机结构和工作过程： 与汽油机工作原理相比，与汽油机工

19、作原理相比，只有一个行程即作功行程中，只有一个行程即作功行程中，柴油机由于用的柴油粘度比柴油机由于用的柴油粘度比汽油大、不易蒸发，且自然汽油大、不易蒸发，且自然温度又较汽油低，所以采用温度又较汽油低，所以采用的是压燃式点火。的是压燃式点火。 喷油器喷油器喷油泵喷油泵1 1、结构：、结构：汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理汽油机和柴油机的结构汽油机和柴油机的结构汽油机结构汽油机结构柴油机结构柴油机结构汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理2、四冲程柴

20、油机工作原理l四冲程柴油机和四冲程汽油机一样，每个工作循环也是由进气、压缩、作功四冲程柴油机和四冲程汽油机一样，每个工作循环也是由进气、压缩、作功和排气四个行程组成。由于所使用燃料的性质不同，在可燃混合气的形成和和排气四个行程组成。由于所使用燃料的性质不同，在可燃混合气的形成和着火方式上与汽油机有很大区别。单缸四冲程柴油机工作循环示意图如图所着火方式上与汽油机有很大区别。单缸四冲程柴油机工作循环示意图如图所示示汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理工作过程工作过程进气过程：进气过程：活塞由上止点活塞由上止点往下止点运动，往

21、下止点运动，曲轴转过曲轴转过180180度度, ,进入气缸的是进入气缸的是空气。空气。压缩过程：压缩过程：活塞由下止活塞由下止点往上止点点往上止点运动，曲轴运动，曲轴转过转过180180度。度。做功过程：做功过程：活塞由上止活塞由上止点往下止点点往下止点运动，曲轴运动，曲轴转过转过180180度，度，混合气着火。混合气着火。排气过程排气过程: :活塞由下止活塞由下止点往上止点点往上止点运动，曲轴运动，曲轴转过转过180180度。度。汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理进气进气行程行程进气行程进气行程活塞由上止点往下止点运

22、动，曲轴转过活塞由上止点往下止点运动，曲轴转过180180度，度，不同于汽油机的是进入气缸的不是可燃混合气，而是不同于汽油机的是进入气缸的不是可燃混合气，而是纯空气纯空气。由于进气阻力比汽油机小，上一行程残留的。由于进气阻力比汽油机小，上一行程残留的废气温度也比汽油机低，进气行程终了的废气温度也比汽油机低，进气行程终了的压力约为压力约为0.00.075MPa75MPa0.095MPa0.095MPa，温度约为，温度约为 320K320K350K350K。压缩压缩行程行程压缩行程压缩行程活塞由下止点往上止点运动，曲轴转过活塞由下止点往上止点运动，曲轴转过180180度度，不同于汽油机的是压缩纯空

23、气，由于柴油的压缩，不同于汽油机的是压缩纯空气，由于柴油的压缩比大，压缩终了的温度和压力都比汽油机高，比大，压缩终了的温度和压力都比汽油机高，压力可压力可达达3MPa3MPa5MPa5MPa，温度可达，温度可达800K800K1000K1000K。汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理做功行程做功行程排气行程排气行程作功行程作功行程活塞由上止点往下止点运动，曲轴转过活塞由上止点往下止点运动，曲轴转过180180度度，此行程与，此行程与汽油机有很大差异，汽油机有很大差异，压缩行程末，喷油泵将高压柴油经喷油器呈压缩行程末，喷油

24、泵将高压柴油经喷油器呈雾状喷入气缸内的高温高压空气中，被迅速汽化并与空气形成混雾状喷入气缸内的高温高压空气中，被迅速汽化并与空气形成混合气，合气，由于此时气缸内的温度远高于柴油的自燃温度（约由于此时气缸内的温度远高于柴油的自燃温度（约500K500K左左右），柴油混合气便立即右），柴油混合气便立即自行着火燃烧自行着火燃烧，且此后一段时间内边喷，且此后一段时间内边喷油边燃烧，气缸内压力和温度急剧升高，推动活塞下行作功。油边燃烧，气缸内压力和温度急剧升高，推动活塞下行作功。 作功行程中，瞬时压力可达作功行程中，瞬时压力可达5MPa5MPa10MPa10MPa，瞬时温度可达，瞬时温度可达 18018

25、00K0K2200K2200K，作功行程终了时压力约为，作功行程终了时压力约为0.2MPa0.2MPa0.4MPa0.4MPa，温度约为，温度约为 1200K1200K1500K1500K。排气行程排气行程活塞由下止点往上止点运动，曲轴转过活塞由下止点往上止点运动，曲轴转过180180度度，此行程与，此行程与汽油机基本相同。汽油机基本相同。排气行程终了时的气缸压力约为排气行程终了时的气缸压力约为0.105MPa0.105MPa0.10.125MPa25MPa，温度约为，温度约为800K800K1000K1000K。汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活

26、塞式内燃机的基本结构和工作原理四冲程汽油机与柴油机工作原理的比较由上述四冲程汽油机和柴油机的工作循环可知，两种发动机的工作循环既有由上述四冲程汽油机和柴油机的工作循环可知，两种发动机的工作循环既有共同点，又有差别，归纳如下：共同点，又有差别，归纳如下：（1 1）两种发动机中，每完成一个工作循环，曲轴转两周（）两种发动机中，每完成一个工作循环，曲轴转两周（720720度），每完成度），每完成一个行程曲轴转半周（一个行程曲轴转半周（180180度），进气行程是进气门开启，排气行程是排度），进气行程是进气门开启，排气行程是排气门开启，其余两个行程进、排气门均关闭。气门开启，其余两个行程进、排气门均关

27、闭。（2 2）无论是汽油机还是柴油机，在四个行程中，只有作功行程产生动力，其）无论是汽油机还是柴油机，在四个行程中，只有作功行程产生动力，其余三个行程是为作功行程作准备的辅助行程，都要消耗一部分能量。余三个行程是为作功行程作准备的辅助行程，都要消耗一部分能量。（3 3）两种发动机运转的第一循环，都必须靠外力使曲轴旋转完成进气和压缩）两种发动机运转的第一循环，都必须靠外力使曲轴旋转完成进气和压缩行程，作功行程开始后，作功能量储存在飞轮内，以维持循环继续进行。行程，作功行程开始后，作功能量储存在飞轮内，以维持循环继续进行。（4 4）汽油机的混合气是在气缸外部形成的，进气行程中吸入气缸的是可燃混）汽

28、油机的混合气是在气缸外部形成的，进气行程中吸入气缸的是可燃混合气；柴油机的混合气是在气缸内部形成的，进气行程中吸入气缸的是合气；柴油机的混合气是在气缸内部形成的，进气行程中吸入气缸的是纯空气。纯空气。（5 5）汽油机在压缩终了时，靠火花塞强制点火燃烧，而柴油机则靠混合气自）汽油机在压缩终了时，靠火花塞强制点火燃烧，而柴油机则靠混合气自燃着火燃烧。燃着火燃烧。汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理1 1、相同点：、相同点：每个工作循环曲轴转两周每个工作循环曲轴转两周; ; 每一行程曲轴转半周每一行程曲轴转半周; ; 只有作功

29、行程产生动力。只有作功行程产生动力。 2 2、不同点：、不同点： 进进 气气点火方式点火方式点火系统点火系统化油器化油器混合气形成混合气形成汽油机汽油机汽油与空气汽油与空气混合气混合气电火花塞点电火花塞点火火有点火系有点火系有化油器有化油器（传统）（传统）缸内或缸外缸内或缸外柴油机柴油机纯空气纯空气压燃式点火压燃式点火无点火系无点火系无化油器无化油器缸内缸内汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理六、二冲程发动机工作原理：六、二冲程发动机工作原理：二冲程发动机是指曲轴转一圈（二冲程发动机是指曲轴转一圈（360360度），活塞

30、往复运动二次完成一度），活塞往复运动二次完成一个工作循环的发动机，其工作循环也包括进气、压缩、作功和排气个工作循环的发动机，其工作循环也包括进气、压缩、作功和排气四个过程，下面以二冲程汽油机为例介绍其简单工作原理。四个过程，下面以二冲程汽油机为例介绍其简单工作原理。1 1、二冲程汽油机的简单工作原理、二冲程汽油机的简单工作原理汽车工程系汽车工程系第一节：第一节： 往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理l二冲程汽油机在结构上与四冲程汽油机的不同之处在于没有了进、排二冲程汽油机在结构上与四冲程汽油机的不同之处在于没有了进、排气门，取而代之的是进气孔、排气孔和换气孔。上图单缸二冲程汽油气门，取而代之的是进气孔、排气孔和换气孔。上图单缸二冲程汽油机的工作循环示意图，其工作原理如下：机的工作循环示意图，其工作原理如下：l（1 1）第一行程）第一行程l 活塞由曲轴带动从下止点向上止点移动，当活塞上行至关闭换气活塞由曲轴带动从下止点向上止点移动，当活塞上行至关闭换气孔和排气孔时，已进入气缸的新鲜混合气被压缩，直至上止点时，压孔和排气孔时，已进入气缸的新鲜混合气被压缩，直至上止点时，压缩结束；与此同时，随着活塞上行，其下方曲轴箱内形成一定真空度，缩结束；与此同时，随着活塞上行，其下方曲轴箱内形成一定真空度，当活塞上行到进气孔开启时，新鲜