第一章 汽车发动机的工作原理及总体构造

1、第一章第一章 汽车发动机的工作原理及总体构造汽车发动机的工作原理及总体构造n本章主要内容：q有关汽车发动机的名词术语q四冲程内燃机的工作原理q二冲程内燃机的工作原理q汽车发动机的总体构造第一节第一节 汽车发动机的类型汽车发动机的类型n发动机是汽车的动力源。迄今为止除为数不多的电动汽车外，汽车发动机都是热能动力装置，或简称热机。在热机中借助工质的状态变化将燃料燃烧产生的热能转变为机械能。n热机有内燃机和外燃机两种。q直接以燃料燃烧所生成的燃烧产物为工质的热机为内燃机，反之则为外燃机。q内燃机包括活塞式内燃机和燃气轮机。q外燃机则包括蒸汽机、汽轮机和热气机等。q内燃机与外燃机相比，具有结构紧凑、体

2、积小、质量轻和容易起动等许多优点。因此，内燃机尤其是活塞式内燃机被极其广泛地用作汽车动力。活塞式发动机的分类n按活塞运动方式 ：往复活塞式、旋转活塞式n按着火方式:压燃式、点燃式n按所用燃料:汽油机、柴油机、气体燃料发动机n按冷却方式:水冷式、风冷式n按冲程数:四冲程、二冲程n按进气状态 ：增压式、非增压式n按气缸数目、排列方式：单缸、多缸、直列式、V型、对置式 汽车发动机的类型-按活塞运动方式的不同 汽车发动机的类型-根据所用燃料种类汽车发动机的类型-按冷却方式的不同 汽车发动机的类型-按其在一个工作循环期间活塞往复运动的行程数 汽车发动机的类型-按照气缸数目分类 汽车发动机的类型-按照气缸

3、排列方式 汽车发动机的类型-按进气状态不同 第二节第二节 往复活塞式内燃机的基本结构及基本术语往复活塞式内燃机的基本结构及基本术语n往复活塞式内燃机的工作腔称作气缸气缸n在气缸内作往复运动的活塞通过活塞销与连杆的一端铰接，连杆的另一端则与曲轴曲轴相连，构成曲柄连杆机构曲柄连杆机构。n在气缸盖气缸盖上装有进气门进气门和排气门排气门。通过进、排气门的开闭实现向气缸内充气和向气缸外排气。n进、排气门的开闭由凸轮轴凸轮轴控制。n凸轮轴由曲轴通过齿形带齿形带或齿轮齿轮或链条链条驱动。n进、排气门和凸轮轴以及其他一些零件共同组成配气机构配气机构。通常称这种结构形式的配气机构为顶置气门配气机构顶置气门配气机

4、构。n构成气缸的零件称作气缸体气缸体n支承曲轴的零件称作曲轴箱作曲轴箱n气缸体与曲轴箱的连铸体称作机体机体。二、基本术语发动机常用术语n工作循环n上止点、下止点n活塞行程n气缸工作容积n发动机排量n燃烧室容积n气缸总容积n压缩比n工况n负荷率二、基本术语n工作循环q进气行程：q压缩行程：q作功行程：q排气行程：二、基本术语n上止点、下止点q活塞顶面离曲轴回转中心最远时的止点称为上止点；q活塞顶面离曲轴回转中心最近时的止点称为下止点。n活塞行程q上、下止点间的距离s为活塞行程。对应一个活塞行程，曲轴旋转180。q曲轴旋转中心到曲柄销中心之间的距离称为曲柄半径R，通常活塞行程为曲柄半径的两倍，即S

5、=2R。二、基本术语n气缸工作容积q上、下止点间所包容的气缸容积 ，用Vs表示 。n发动机排量q多缸发动机各气缸工作容积的总和，用VL表示。n燃烧室容积q活塞位于上止点时，其顶部与气缸盖之间的容积，用Vc表示 。n气缸总容积q活塞位于下止点时，其顶部与气缸盖之间的容积称为气缸总容积。用Va表示，显而易见，气缸总容积就是气缸工作容积和燃烧室容积之和，即Va Vs Vc。二、基本术语n压缩比q表示了气体的压缩程度，它是气体压缩前的容积与气体压缩后的容积之比值，即气缸总容积与燃烧室容积之比。一般用表示。n工况 q内燃机在某一时刻的运行状况，以该时刻内燃机输出的有效功率和曲轴转速表示。n负荷率q内燃机

6、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值称为负荷率，以百分数表示。负荷率通常简称负荷。1asccVVVV 第三节第三节 往复活塞式内燃机工作原理往复活塞式内燃机工作原理n四冲程汽油机的工作原理n四冲程柴油机的工作原理n二冲程汽油机的工作原理n二冲程柴油机的工作原理第三节第三节 往复活塞式内燃机工作原理往复活塞式内燃机工作原理n四冲程往复活塞式内燃机在四个活塞行程内完成进气、压缩、作功和排气等四个过程，即在一个活塞行程内只进行一个过程。因此，活塞行程可分别用四个过程命名。四冲程汽油机的工作原理爆燃：由于气体压力和温度过高，在燃烧室内离点燃中爆燃：由于气体压力和温度过高，

7、在燃烧室内离点燃中心较远处的末端可燃混合气自燃而造成的一种不正心较远处的末端可燃混合气自燃而造成的一种不正常燃烧。常燃烧。后果：轻微爆燃，发动机功率有所升高；但过度，则会后果：轻微爆燃，发动机功率有所升高；但过度，则会使发动机过热，功率下降，经济性变差，零件寿命使发动机过热，功率下降，经济性变差，零件寿命下降等。下降等。现象：发生爆燃时，有尖锐的金属敲击声传出。现象：发生爆燃时，有尖锐的金属敲击声传出。表面点火：由燃烧室内炽热表面（如排气门头、火花塞表面点火：由燃烧室内炽热表面（如排气门头、火花塞电极、积碳）点燃混合气产生的另一种不正常燃烧。电极、积碳）点燃混合气产生的另一种不正常燃烧。后果：

8、发动机的性能下降，零部件寿命降低。后果：发动机的性能下降，零部件寿命降低。现象：发生表面点火时，有沉闷的敲击声传出。现象：发生表面点火时，有沉闷的敲击声传出。四冲程汽油机 二、单缸四冲程二、单缸四冲程柴油机柴油机的工作原理的工作原理1、进气冲程、进气冲程与汽油机主要区别：与汽油机主要区别：进入气缸进入气缸的是纯空气的是纯空气。2、压缩冲程、压缩冲程与汽油机的主要区别：压缩比高于汽油机；在压缩过程快要结束的时候，喷油器向气缸内喷入柴油。当油与空气混合后在高压下达到其自燃点就开始着火燃烧。3、做功冲程、做功冲程柴油机由于是边喷油、边柴油机由于是边喷油、边混合、边燃烧，所以，混合、边燃烧，所以，所以

9、最开始虽然活塞有所以最开始虽然活塞有所下行，但气缸内的压所下行，但气缸内的压力基本不变。力基本不变。4、排气冲程、排气冲程整个工作过程的示功图四冲程汽油机、柴油机缸内压力、温度比较四冲程汽油机、柴油机缸内压力、温度比较（p：Mpa ；T：K）汽油机柴油机 进 气pde0.0750.090.080.09Tde370400340380 压 缩pco0.61.23.05.0Tco6007007501000 做 功pmax3.06.54.59Tmax2200280018002500pex0.30.60.20.5Tex1200150010001200 排 气 pr0.1050.1150.1050.12

10、Tr9001100700900三、四冲程汽油机、柴油机特点比较三、四冲程汽油机、柴油机特点比较1、由于柴油机压缩比较高，燃料燃烧非常完全，所以由于柴油机压缩比较高，燃料燃烧非常完全，所以柴油机的有效热效率好柴油机的有效热效率好，经济性好。经济性好。 汽油机：汽油机：be=270325 g/(kw.h) 柴油机柴油机: be=214285 g/(kw.h)2、柴油机无点火系，所以故障少些，柴油机无点火系，所以故障少些，易保养易保养。但柴油机有高精度零件如喷油泵、。但柴油机有高精度零件如喷油泵、喷油器等，其成本较高，并且加工较难。喷油器等，其成本较高，并且加工较难。3、柴油机最高爆发压力高，所以对

11、发动机的零部件强度要求高，这样导致柴油柴油机最高爆发压力高，所以对发动机的零部件强度要求高，这样导致柴油机笨重。机笨重。4、柴油机转速低于汽油机柴油机转速低于汽油机原因：原因：1）由于柴油机的压缩比高，所以其受到的机械负荷较大，故其零部件的）由于柴油机的压缩比高，所以其受到的机械负荷较大，故其零部件的质量需较大，导致运动时惯性力较大。质量需较大，导致运动时惯性力较大。 2）汽油机可燃混合气的混合时间和质量优于柴油机。）汽油机可燃混合气的混合时间和质量优于柴油机。 5、柴油机运转噪音高，但有害气体的排放优于汽油机，而微粒排放较高。柴油机运转噪音高，但有害气体的排放优于汽油机，而微粒排放较高。6、

12、柴油机启动困难，汽油机易启动。柴油机启动困难，汽油机易启动。三、三、 二冲程内燃机的工作原理二冲程内燃机的工作原理二冲程内燃机：二冲程内燃机：一、结构介绍一、结构介绍1、换气机构（气孔、气阀）换气机构（气孔、气阀）2、曲轴箱扫气、扫气泵扫气曲轴箱扫气、扫气泵扫气3、活塞顶部为凸顶，以引导气活塞顶部为凸顶，以引导气流扫气流扫气4、活塞裙部较长，有缺口等活塞裙部较长，有缺口等曲轴箱扫气扫气泵工作原理四、二冲程汽油机的优缺点（同四冲程汽油机相比较）四、二冲程汽油机的优缺点（同四冲程汽油机相比较）（一）优点：（一）优点：1、从工作原理上来讲，在发动、从工作原理上来讲，在发动机排量和转速相同的前提下，机

13、排量和转速相同的前提下，二冲程发动机的功率理论上二冲程发动机的功率理论上是四冲程发动机的是四冲程发动机的2倍。倍。2、由于二冲程发动机的做功频、由于二冲程发动机的做功频率比较高，所以发动机运转率比较高，所以发动机运转比较平稳。比较平稳。3、无专门的换气机构，所以结、无专门的换气机构，所以结构简单，质量小。构简单，质量小。4、由于附属机构少，所以使用、由于附属机构少，所以使用、维护很方便。维护很方便。所以摩托车上多用。所以摩托车上多用。（二）缺点：（二）缺点：1、废气不易排除干净。、废气不易排除干净。2、换气时减少了有效工作、换气时减少了有效工作行程。行程。3、部分新鲜可燃混合气随、部分新鲜可燃

14、混合气随废气排出，使能源浪费，废气排出，使能源浪费，经济性下降。经济性下降。4、同时造成环境污染。、同时造成环境污染。第四节第四节 发动机的总体构造发动机的总体构造n汽油机由以下两大机构和五大系统组成，即由曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系组成；n柴油机由以上两大机构和四大系统组成，即由曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系和起动系组成，柴油机是压燃的，不需要点火系。1.曲柄连杆机构n曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。n它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。2.配气机构n配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程，

15、定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气过程。 3.冷却系统n冷却系的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。n水冷发动机的冷却系通常由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成。4.燃料供给系统n汽油机燃料供给系的功用是根据发动机的要求，配制出一定数量和浓度的混合气，供入气缸，并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中去；n柴油机燃料供给系的功用是把柴油和空气分别供入气缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧，最后将燃烧后的废气排出。其它系统n5.润滑系统q润滑系的功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液

16、体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。并对零件表面进行清洗和冷却。n6.点火系统q在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。q能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系，点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。n7.起动系统q曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置，称为发动机的起动系。供给系供给系点火系统n汽油机气缸盖上装有火花塞，其头部伸入燃烧室内。n点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。冷却系统n功用：将受热零件吸

17、收部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。n组成：冷却水套、水泵、风扇、水箱等。润滑系统n功用：润滑零件，减轻磨损。同时有清洗、冷却作用。n组成：润滑油道、机油泵、滤清器、和阀门等组成起动系统n功用：起动发动机n曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。n组成：起动机及其附属装置 2.单缸发动机的基本结构第五节第五节 发动机的性能指标发动机的性能指标n动力性指标q有效转矩q有效功率q发动机转速q平均有效压力n经济性指标 q有效热效率q有效燃油消耗率n强化指标q升功率q强化系数n紧凑性指标q比容积q比质量n环境指标 n可靠性指标 n耐久性指标

18、n工艺性指标n内燃机速度特性内燃机速度特性动力性能指标n有效转矩Teq发动机对外输出的转矩称为有效转矩，单位为Nm 。q有效转矩与曲轴角位移的乘积就是发动机对外输出的有效功。n有效功率Peq发动机在单位时间内对外输出的有效功称为有效功率，单位为kW 。它是有效转矩与曲轴角速度的乘积 。n曲轴转速nq发动机曲轴每分钟回转的次数称为发动机转速，单位为r/min。q转速高低，关系到单位时间内作功次数的多少或发动机有效功率的大小。9550106023nTnTPtqtqe经济性能指标n燃油消耗率beq发动机每输出1kWh的有效功所消耗的燃油量称为有效燃油消耗率 ，单位为g/(kWh)。q有效燃油消耗率越小，其经济性越好。发动机的有效功率耗油量发动机在单位时间内的eeePBPBb310环境指标n排放品质q有害气体CO、HC、NOx、排气颗粒n噪声水平q刺激神经、使人烦躁、反映迟钝发动机速度