发动机的工作原理和总体构造

1、 汽汽 车车 文化与人类文明文化与人类文明 机电与车辆工程学院车辆教研室刘机电与车辆工程学院车辆教研室刘 云云 Culture of Automobile and Civilization of Human Being 发动机的工作原理和总体构造发动机的工作原理和总体构造第一节第一节 发动机的分类发动机的分类 将自然界某种能量转换为机械能并拖动某些机械进行工将自然界某种能量转换为机械能并拖动某些机械进行工作的机器。作的机器。一、发动机一、发动机 将热能转变成机械能的发动机。将热能转变成机械能的发动机。1、外燃外燃机机：燃料在机器外部燃烧，产生的热能输入到机器内部：燃料在机器外部燃烧，产生的热能

2、输入到机器内部并转变成机械能输出。如蒸汽机。并转变成机械能输出。如蒸汽机。2、内燃内燃机机：液体或气体燃料和空气混合后直接输入机器内部燃：液体或气体燃料和空气混合后直接输入机器内部燃烧而产生热能，然后再转变为机械能。如活塞式内燃机、燃气烧而产生热能，然后再转变为机械能。如活塞式内燃机、燃气轮机。轮机。二、二、热力发动机热力发动机3、比较、比较：外燃外燃机体积大，重量重，热效率低；机体积大，重量重，热效率低；内燃机热效率高，体积小，质量小，便于移动，内燃机热效率高，体积小，质量小，便于移动，起动性能好起动性能好; ;燃气轮机功率大，转速高，燃气轮机功率大，转速高， 质量小（没有往复质量小（没有往

3、复运动件，单位功率质量小），转矩特性好，燃料运动件，单位功率质量小），转矩特性好，燃料适应性好，起动性好，但耗油量、噪声和制造成适应性好，起动性好，但耗油量、噪声和制造成本均较高。本均较高。三、三、活塞式内燃机活塞式内燃机 旋转活塞式发动机（简称转子发动机）于旋转活塞式发动机（简称转子发动机）于19581958年由德国年由德国F.F.汪克尔发明，汪克尔发明，19641964年德国年德国NSUNSU公司将转子发动机装在轿车上，公司将转子发动机装在轿车上，19671967年日本东洋工业公司成批生产。年日本东洋工业公司成批生产。 比较：转子发动机的优点是体积小，重量轻，转速高，升比较：转子发动机的优

4、点是体积小，重量轻，转速高，升功率大，现代转子发动机燃油消耗率水平接近往复活塞式发动功率大，现代转子发动机燃油消耗率水平接近往复活塞式发动机，但耐久性、可靠性等较差，制造成本较高。机，但耐久性、可靠性等较差，制造成本较高。按活塞运动方式分：按活塞运动方式分： 1、往复活塞式内燃机、往复活塞式内燃机 2、旋转活塞式内燃机、旋转活塞式内燃机 现代汽车大多使用往复活塞式内燃机现代汽车大多使用往复活塞式内燃机四、发动机的分类四、发动机的分类1 1、按着火方式不同分、按着火方式不同分汽油机汽油机柴油机柴油机2 2、按所用的燃料分、按所用的燃料分 压燃式压燃式点燃式点燃式气体燃料发动机气体燃料发动机煤气机

5、煤气机液化石油气发动机液化石油气发动机3 3、按冷却方式不同、按冷却方式不同水冷发动机水冷发动机风冷发动机风冷发动机4 4、按进气状态、按进气状态非增压发动机非增压发动机增压发动机增压发动机5 5、按完成一个工作循环所需冲程数、按完成一个工作循环所需冲程数四冲程发动机四冲程发动机二冲程发动机二冲程发动机6 6、按气缸数及排列方式、按气缸数及排列方式单缸发动机单缸发动机多缸发动机多缸发动机直列式直列式型型对置式对置式直列式直列式型型对置式对置式上止点上止点 下止点下止点 活塞行程活塞行程(S) (S) 曲柄半径曲柄半径(R) (R) 气缸工作容积气缸工作容积(Vs ) (Vs ) 燃烧室容积燃烧

6、室容积(Vc(Vc ) ) 气缸总容积气缸总容积(Va(Va ) ) 一、发动机基本术语一、发动机基本术语 压缩比压缩比发动机排量发动机排量工作循环工作循环单缸发动机结构示意图单缸发动机结构示意图动态演示动态演示 压缩比压缩比 气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比，用比，用表示表示。 例如：例如：现代汽油发动机压缩比一般为现代汽油发动机压缩比一般为8 811(11(轿车有的达轿车有的达1010以上以上) )。柴油机压缩比一般为为。柴油机压缩比一般为为16162222。 V Va a 气缸总容积气缸总容积 V Vs s 气缸工作容积气缸工作容积 V Vc c 燃

7、烧室容积燃烧室容积 =Va / Vc =1+ Vs/ Vc工作循环工作循环 对于往复活塞式发动机，每进行一次能量转换，对于往复活塞式发动机，每进行一次能量转换，均要经过进气、压缩、作功、排气四个过程。这种周均要经过进气、压缩、作功、排气四个过程。这种周而复始的连续过程，称为发动机的一个工作循环。而复始的连续过程，称为发动机的一个工作循环。 多缸发动机各气缸工作容积的总和，称为发动机多缸发动机各气缸工作容积的总和，称为发动机排量排量 ，用用表示表示V Vstst 。发动机排量发动机排量Vst= V s i V Vs s气缸工作容积气缸工作容积 （气缸排量）（气缸排量） i i 气缸数目气缸数目二

8、、二、 四冲程汽油机工作原理四冲程汽油机工作原理观观看看演演示示 1 1、进气行程、进气行程 2 2、压缩行程、压缩行程 3 3、作功行程、作功行程4 4、排气行程、排气行程 四冲程汽油机的工作循环需要经过四冲程汽油机的工作循环需要经过进气进气、压缩压缩、 作功作功 、排气排气四个过程，对应活塞上下四个行程，相应的曲轴转角旋四个过程，对应活塞上下四个行程，相应的曲轴转角旋转转720 （两周）。（两周）。1 1、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大气压力线大气压力线PVra示功图示功图上止点上止点下止点下止点示功图示功图：表示活塞在表示活塞在不同位置时气缸内气体不同位置时

9、气缸内气体压力的变化情况。压力的变化情况。进气终了时气缸内进气终了时气缸内气体压力气体压力为为0.0750.0750.09Mpa0.09Mpa，温度温度上升至上升至370370400K400K 活活塞塞下下行行2 2、压缩行程、压缩行程进气门关闭进气门关闭排气门关闭排气门关闭PVra示功图示功图大气压力线大气压力线c上止点上止点下止点下止点压缩终了时气缸内压缩终了时气缸内压强压强上升至上升至0.60.61.2Mpa1.2Mpa，温度温度继续上升至继续上升至600600700K700K 。活活塞塞上上行行3 3、作功行程、作功行程进气门关闭进气门关闭排气门关闭排气门关闭PVra示功图示功图大气压

10、力线大气压力线cZb上止点上止点下止点下止点作功中气缸内作功中气缸内最高压强最高压强可达可达3 35Mpa5Mpa，最最高温度高温度可达可达220022002800K2800K；作功终了时气；作功终了时气缸内缸内压强压强下降至下降至0.30.30.5Mpa0.5Mpa，温度温度下降下降至至130013001600K1600K。 活活塞塞下下行行4 4、排气行程、排气行程进气门关闭进气门关闭排气门打开排气门打开PVr示功图示功图大气压力线大气压力线cZb上止点上止点下止点下止点残余废气残余废气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0.1050.1050.115Mpa0.115Mpa

11、，温度温度下降至下降至9009001200K1200K a 活活塞塞上上行行四行程四行程汽油机汽油机的工作过程的工作过程三、四行程三、四行程柴油机柴油机工作原理工作原理柴油机由于用的柴柴油机由于用的柴油粘度比汽油大、油粘度比汽油大、不易蒸发，且自然不易蒸发，且自然温度又较汽油低，温度又较汽油低，所以采用的是所以采用的是 压缩自燃式点火压缩自燃式点火。进气行程进气行程压缩行程压缩行程作功行程作功行程排气行程排气行程新鲜空气新鲜空气四行程柴油机工作示意图四行程柴油机工作示意图开始喷油开始喷油分析和比较汽油机、柴油机的工作分析和比较汽油机、柴油机的工作异同异同?火花塞火花塞 喷油器喷油器 汽油机、柴

12、油机的工作汽油机、柴油机的工作相同相同点：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; ; 只有作功行程产生动力。只有作功行程产生动力。 汽油机汽油机柴油机柴油机汽油与空气缸外混合，汽油与空气缸外混合，进入可燃混合气进入可燃混合气进入气缸的是纯空气进入气缸的是纯空气电火花点燃混合气电火花点燃混合气高温气体加热柴油燃烧高温气体加热柴油燃烧有点火系有点火系无点火系无点火系无喷油器无喷油器有喷油器有喷油器汽油机、柴油机的工作汽油机、柴油机的工作不同不同点：点：汽油机与柴油机性能比较：汽油机与柴油机性能比较：(1)汽油机：汽油机：优：转速高、质量小、

13、工作噪声小、起动优：转速高、质量小、工作噪声小、起动容易、工作稳定、操作省力、适应性好、容易、工作稳定、操作省力、适应性好、制造和维修费用低制造和维修费用低劣：燃油消耗率高、经济性差劣：燃油消耗率高、经济性差(2)柴油机：柴油机：优：压缩比高，经济性好优：压缩比高，经济性好劣：转速低、质量大、制造和维修费用高劣：转速低、质量大、制造和维修费用高第三节第三节 二冲程发动机工作原理二冲程发动机工作原理一、二冲程汽油机工作原理一、二冲程汽油机工作原理（一）二冲程发动机的工作循环（一）二冲程发动机的工作循环: 是在两个活塞行程内，即曲轴旋转一是在两个活塞行程内，即曲轴旋转一周的时间内完成的。周的时间内

14、完成的。（二）（二）二冲程汽油机的结构特点二冲程汽油机的结构特点： 没有进、排气门及驱动机构，设进、没有进、排气门及驱动机构，设进、排气孔和扫气孔，由活塞控制开闭。排气孔和扫气孔，由活塞控制开闭。 进气孔进气孔排气孔排气孔扫气孔扫气孔（三）二冲程汽油机的工作原理（三）二冲程汽油机的工作原理1、第一行程：、第一行程： 活塞上行，进气活塞上行，进气压缩行程压缩行程（1）第一行程）第一行程（扫气口关闭）（扫气口关闭） 排气口关闭后，气缸内才开排气口关闭后，气缸内才开始真正的压缩，活塞上移到接近始真正的压缩，活塞上移到接近上止点时，火花塞点火，点燃被上止点时，火花塞点火，点燃被压缩的可燃混合气。压缩的

15、可燃混合气。 扫气口关闭后，随着活塞的扫气口关闭后，随着活塞的上移，曲轴箱内形成一定真空，上移，曲轴箱内形成一定真空，当活塞底端打开气缸壁上的进气当活塞底端打开气缸壁上的进气口，曲轴箱内开始进气，直至活口，曲轴箱内开始进气，直至活塞运动到上止点，此时，进气口塞运动到上止点，此时，进气口应全开，曲轴箱容积最大。应全开，曲轴箱容积最大。（2）第一行程（进气口开启）第一行程（进气口开启）（3）第二行程（燃烧膨胀作功）第二行程（燃烧膨胀作功）（4）第二行程）第二行程（排气口、扫气口开启）（排气口、扫气口开启）膨胀膨胀换气行程换气行程2、第二行程、第二行程二、二冲程汽油机与四冲程汽油机比较二、二冲程汽油

16、机与四冲程汽油机比较1、理论上同样发动机排量、同样工作转速的二冲程汽油、理论上同样发动机排量、同样工作转速的二冲程汽油机功率应等于四冲程汽油机的二倍，由于实际压缩比小机功率应等于四冲程汽油机的二倍，由于实际压缩比小于名义压缩比，存在给气和扫气损失，只等于于名义压缩比，存在给气和扫气损失，只等于1.51.6倍。倍。2、二冲程汽油机没有配气机构，结构简单，体积小，重、二冲程汽油机没有配气机构，结构简单，体积小，重量轻，容易维修。量轻，容易维修。3、二冲程汽油机作功间隔短，发动机运转平稳，飞轮转、二冲程汽油机作功间隔短，发动机运转平稳，飞轮转动惯量小，容易上高速。动惯量小，容易上高速。4、二冲程汽油

17、机燃油消耗率远较四冲程汽油机的燃油消、二冲程汽油机燃油消耗率远较四冲程汽油机的燃油消耗率高，耗率高，HC等排放严重，主要用于摩托车。等排放严重，主要用于摩托车。小 结发动机发动机常用术语常用术语工作原理工作原理发动机是将某一种形式的能量转变成发动机是将某一种形式的能量转变成机械能的机器。机械能的机器。分类分类定义定义按不同的分类方法大致分为六类按不同的分类方法大致分为六类十个基本术语十个基本术语汽油发动机汽油发动机柴油发动机柴油发动机（重点）（重点）区别于汽油机的工作过程区别于汽油机的工作过程四个行程的工作过程四个行程的工作过程第四节第四节 发动机的总体构造发动机的总体构造两两大大机机构构曲柄

18、连杆机构曲柄连杆机构配气机构配气机构五五大大系系统统燃料供给系燃料供给系润滑系润滑系冷却系冷却系点火系点火系起动系起动系点此观看录像点此观看录像 桑塔纳发动机结构示意图桑塔纳发动机结构示意图桑塔纳发动机的曲柄连杆机构桑塔纳发动机的曲柄连杆机构:发动机借以产生动力，并将活塞的往复直线运动转变为曲轴发动机借以产生动力，并将活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动而输出动力的机构的旋转运动而输出动力的机构桑桑塔塔纳纳发发动动机机的的配配气气机机构构配气机构：配气机构：将可燃混合气将可燃混合气及时充入气缸及时充入气缸并及时从气缸并及时从气缸排出废气排出废气桑塔纳轿车燃料供给系桑塔纳轿车燃料供给系: 根据

19、发动机各种工况要求，配制具有一定数量和浓度的根据发动机各种工况要求，配制具有一定数量和浓度的可燃混合气供入气缸，并将燃烧生成的废气排出发动机。可燃混合气供入气缸，并将燃烧生成的废气排出发动机。桑塔纳发动机润滑系：桑塔纳发动机润滑系：减少运动零件的摩擦减少运动零件的摩擦阻力，减轻机件的磨损，并部分地冷却摩擦阻力，减轻机件的磨损，并部分地冷却摩擦零件零件桑塔纳发动机冷却系：桑塔纳发动机冷却系：散热，保证发动机在散热，保证发动机在最适宜的温度下工作最适宜的温度下工作桑桑 塔纳发塔纳发动机点火动机点火系：系：保证按保证按规定时刻及规定时刻及时点燃气缸时点燃气缸中被压缩的中被压缩的可燃混合气可燃混合气桑

20、塔纳轿桑塔纳轿车起动机车起动机使静止的发动使静止的发动机起动并转入机起动并转入自行运转自行运转1、风扇、风扇2、水泵、水泵3、气缸盖、气缸盖4、小循环水管、小循环水管5、进、排气歧管总成、进、排气歧管总成6、曲轴箱通风装置、曲轴箱通风装置7、化油器、化油器8、气缸盖出水管、气缸盖出水管9、摇臂机构、摇臂机构10、曲轴箱通风管、曲轴箱通风管11、气缸体、气缸体12、后挺杆室盖、后挺杆室盖13、曲轴箱通风挡油板、曲轴箱通风挡油板14、飞轮壳、飞轮壳15、飞轮、飞轮16、发动机后悬、发动机后悬 置螺栓、螺母置螺栓、螺母17、限位板、限位板18、发动机后悬、发动机后悬 置软垫置软垫19、油底壳衬垫、油

21、底壳衬垫20、凸轮轴、凸轮轴21、曲轴止推片、曲轴止推片22、曲轴、曲轴23、主轴承盖、主轴承盖24、机油泵、分电器总成、机油泵、分电器总成25、活塞、连杆总成、活塞、连杆总成 26、油底壳、油底壳27、机油泵、机油泵28、发动机前悬置软垫总成、发动机前悬置软垫总成29、发动机前悬置支架总成、发动机前悬置支架总成30、风扇皮带、风扇皮带31、正时齿轮室盖及曲轴前油封、正时齿轮室盖及曲轴前油封32、曲轴正时齿轮、曲轴正时齿轮33、凸轮轴正时齿轮、凸轮轴正时齿轮34、空气压缩机皮带、空气压缩机皮带 东风东风 EQ6100-1 型汽油机轴侧剖视图型汽油机轴侧剖视图51、排气管、排气管27、机油泵、机

22、油泵 东风东风 EQ6100-1 型汽油机横剖视图型汽油机横剖视图7、化油器、化油器35、曲轴箱通风单向阀、曲轴箱通风单向阀36、进气管、进气管37、绝热垫及衬垫、绝热垫及衬垫38、空气滤清器、空气滤清器52、弯管接头、弯管接头53、弹簧、弹簧54、单向阀、单向阀55、阀体、阀体11、气缸体、气缸体48、出水弯管、出水弯管50、放水阀、放水阀49、机油细滤器、机油细滤器3、气缸盖、气缸盖39、气缸套、气缸套40、定位销、定位销41、挺杆室衬垫、挺杆室衬垫42、挺杆室盖、挺杆室盖43、分电器、分电器44、加机油管和盖、加机油管和盖45、汽油泵、汽油泵46、机油滤清器、机油滤清器47、联轴套、联轴

23、套19、油底壳衬垫、油底壳衬垫26、油底壳、油底壳15、气缸盖罩、气缸盖罩桑塔纳轿车（桑塔纳轿车（2000GSI）电喷发动机）电喷发动机 （AJR）外形图）外形图1、正时齿形带护罩、正时齿形带护罩2、空调压缩机、空调压缩机3、空调压缩机带轮、空调压缩机带轮4、多楔皮带、多楔皮带5、曲轴带轮、曲轴带轮6、张紧轮、张紧轮7、发电机带轮、发电机带轮8、导向轮、导向轮9、动力转向油泵、动力转向油泵10、动力转向泵带轮、动力转向泵带轮11、发电机、发电机12、进气歧管、进气歧管13、机油标尺、机油标尺14、燃油分配管、燃油分配管35、油底壳、油底壳桑塔纳轿车（桑塔纳轿车（2000GSI）电喷发动机）电喷

24、发动机 （AJR）轴侧剖视图）轴侧剖视图16、正时齿形皮带、正时齿形皮带17、凸轮轴正时齿形带轮、凸轮轴正时齿形带轮18、水泵齿形带轮、水泵齿形带轮19、曲轴正时齿形带轮、曲轴正时齿形带轮20、机油泵传动链、机油泵传动链21、机油泵、机油泵22、曲轴、曲轴23、水泵、水泵24、活塞、活塞25、排气门、排气门26、进气门、进气门27、气缸体、气缸体28、气缸盖、气缸盖29、液压挺柱、液压挺柱30、凸轮轴、凸轮轴31、喷油器、喷油器32、机油滤清器、机油滤清器33、机油压力限压阀、机油压力限压阀34、连杆、连杆喷油器喷油器气缸盖罩气缸盖罩加机油口加机油口气缸盖气缸盖排气歧管排气歧管进气歧管进气歧管

25、发电机发电机空调压缩机空调压缩机导向轮导向轮动力转向泵带轮动力转向泵带轮水泵水泵气缸体气缸体曲轴箱曲轴箱油底壳油底壳机油泵链轮机油泵链轮曲轴曲轴连杆连杆活塞活塞进气门进气门凸轮轴凸轮轴液压挺柱液压挺柱气门弹簧气门弹簧桑塔纳轿车（桑塔纳轿车（2000GSI）电喷发动机）电喷发动机 （AJR）横剖面图）横剖面图 6110Q型柴油机横剖面图型柴油机横剖面图u 柴油机没有点火系，柴油机没有点火系，气缸盖上火花塞的位置被喷气缸盖上火花塞的位置被喷油器代替，高压导线被高压油器代替，高压导线被高压油管代替。油管代替。u 柴油机燃料供给系统柴油机燃料供给系统不同于汽油机不同于汽油机u 化油器式汽油机上化油器式

26、汽油机上的进、排气歧管布置于的进、排气歧管布置于发动机一侧，而柴油机发动机一侧，而柴油机上的进、排气歧管全都上的进、排气歧管全都布置于发动机异侧，以布置于发动机异侧，以免进气受到加热。免进气受到加热。第五节第五节 发动机的主要性能指标与特性发动机的主要性能指标与特性一、动力性指标一、动力性指标 1 1、有效转矩：发动机通过飞轮对外输出的转矩称为发动机的有、有效转矩：发动机通过飞轮对外输出的转矩称为发动机的有效转矩，用效转矩，用TtqTtq表示表示 。2 2、有效功率：发动机通过飞轮对外输出的功率称为发动机的有效、有效功率：发动机通过飞轮对外输出的功率称为发动机的有效功率，用功率，用PePe表示

27、。表示。 式中：式中：T Ttqtq 有效转矩，单位为有效转矩，单位为N Nm m n n 曲轴转速，单位为曲轴转速，单位为r/minr/min 二者关系二者关系 3e210()609550tqtqT nnPTkW二二、经济性指标、经济性指标 燃油消耗率：燃油消耗率：发动机每发出发动机每发出1kW1kW有效功率，在有效功率，在1h1h内所消耗的燃内所消耗的燃油质量油质量( (以以g g为单位为单位) )，称为燃油消耗率，用，称为燃油消耗率，用b be e表示。表示。 燃油消耗率越低，燃油经济性越好燃油消耗率越低，燃油经济性越好 三三、运转性能指标、运转性能指标 1.排气品质排气品质2.噪声噪声

28、3.起动性能起动性能发动机外特性：发动机外特性：当节气门开度达到最大时，当节气门开度达到最大时，所得到的速度特性称为发动所得到的速度特性称为发动机外特性。机外特性。发动机部分特性：发动机部分特性：在节气门其他开度情况下得在节气门其他开度情况下得到的速度特性称为部分特性到的速度特性称为部分特性四、发动机的速度特性四、发动机的速度特性 当燃料供给调节机构位置当燃料供给调节机构位置不变时，发动机的性能指标不变时，发动机的性能指标（有效功率、转矩和燃油消耗（有效功率、转矩和燃油消耗率）随转速变化的规律。率）随转速变化的规律。 四、发动机的工况与负荷四、发动机的工况与负荷 1 1、工况（指发动机的工作状

29、况）：、工况（指发动机的工作状况）：一般用功率与曲轴转速一般用功率与曲轴转速来表征，有时也用负荷与曲轴转速来表示来表征，有时也用负荷与曲轴转速来表示 。 2 2、发动机在某一转速下的负荷：、发动机在某一转速下的负荷：发动机发出的功率与同一发动机发出的功率与同一转速下可能发出的最大功率之比，以百分数表示。转速下可能发出的最大功率之比，以百分数表示。 Pe/kW n/rmin-1 0 050504545323227272020200035004800abcde分析分析右图右图发动发动机的机的负荷负荷 f第六节第六节 内燃机产品名称和型号编制规则内燃机产品名称和型号编制规则 第一部分第一部分：为产品特征代号为产品特征代号( (产品系列符号和换代标志符产品系列符号和换代标志符号号) )，由制造厂根据需要自选相应字母表示，但需主管部门核，由制造厂根据需要自选相应字母表示，但需主管部门核准。准。 第二部分第二部分：由缸数符号、冲程符号、气缸排列形式符号和由缸数符号、冲程符号、气缸排列形式符号和缸径符号等组成。缸径符号等组成。 第三部分第三部分：结构特征和用途特征符号，及燃料符号，以结构特征和用途特征符号，及燃料符