发动机工作原理与总体构造

发动机基本术语与类型

发动机简单工作原理

发动机性能指标

第一章

发动机工作原理与总体构造

发动机基本术语

发动机分类

发动机总体构造

第一节

发动机基本术语和类型

发动机是汽车的动力源，是把某一种形式的能量转变成机械能的机器。

现代汽车所使用的发动机多为内燃机。内燃机把燃料燃烧的化学能转变成热能，然后又把热能转变成机械能，并且这种能量转换过程是在发动机气缸内部进行的。汽车上使用的内燃机主要是汽油机和柴油机。发动机

工作循环：在发动机内，每一次将热能转变为机械能都必须经过吸入空气、压缩和输入燃料，使之发火燃烧而膨胀作功，然后将生成的废气排除这样一系列连续过程，称为一个工作循环。一个工作循环包括进气、压缩、作功

和排气四个过程一、发动机的基本术语发动机结构示意图

单缸发动机结构示意图●上止点（TopDeadCenter）活塞离曲轴旋转中心最远的位置●下止点（BottomDeadCenter）

活塞离曲轴旋转中心最近的位置●活塞行程

S

上下止点之间的距离

上止点下止点活塞行程●曲柄半径R

曲轴旋转中心到曲柄销中心的距离

●气缸工作容积（排量）VS（L）

活塞由上止点运动到下止点，活塞顶部所扫过的容积

VS=(π/4)D2·S×10-6曲柄半径气缸工作容积●燃烧室容积（压缩容积）VC

活塞位于上止点时，活塞顶部上方的容积

●气缸总容积Va

气缸工作容积与燃烧室容积之和

Va=VS+VC

燃烧室容积气缸总容积●压缩比ε

气缸总容积与燃烧室容积之比

ε=Va/VC=1+VS/VC

ε表示气缸内气体被压缩的程度

ε↑→（压缩终了气体）P、T↑

汽油机一般6～11，柴油机一般16～22压缩比

●发动机（内燃机）排量VL（L）

所有气缸的工作容积之和

VL=i·VS

发动机排量

热能动力装置（热机）

内燃机

直接以燃料燃烧所生成的燃料产物为工质的热机

●活塞式内燃机（汽车发动机）往复活塞式旋转活塞式

●燃气轮机

外燃机

燃料燃烧加热其它工质（水）

●蒸气机

●汽轮机二、发动机的分类

液体燃料发动机

●汽油机

●柴油机

●代用燃料（非石油燃料）发动机

●酒精、氢气、甲醇发动机等

气体燃料发动机

●天然气发动机

●液化石油气发动机等按所用燃料种类

四冲程发动机二冲程发动机按工作循环的冲程数

点燃式发动机、压燃式发动机

按发火方式单缸发动机多缸发动机按气缸数

直列立式、直列卧式、V型发动机按气缸排列方式水冷发动机风冷发动机按冷却方式非增压发动机增压发动机按进气方式

●每气缸设有一个进气门和一个排气门的发动机，称为二气门发动机；

●每气缸设有2个进气门和2个排气门的发动机，称为四气门发动机；

●每气缸设有3个进气门和2个排气门的发动机，称为五气门发动机。按每气缸的气门数三、发动机的总体构造

机体

气缸体+曲轴箱的连铸体

●构成气缸的零件称做气缸体

●支承曲轴的零件称作曲轴箱

●骨架作用，安装各个机构和系统气缸盖

●组成燃烧室，布置各零件机体组

主要件

活塞、连杆、曲轴

功用

将活塞的往复直线运动→曲轴的旋转运动，对外输出动力活塞连杆组曲轴飞轮组机体组曲柄连杆机构

●功用

定时开启和关闭进排气门

●主要部件气门组传动组

配气机构

燃油供给系统

将燃油及时供给气缸进、排气系统

将空气及时供给气缸

将废气及时排除供给系统

汽油机点燃混合气通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。点火系统功用防止发动机过热，及时散热分类风冷系水冷系冷却系

功用润滑、冷却、清洁、密封、防腐

润滑方式压力润滑飞溅润滑润滑系

利用外力起动发动机起动系第二节四冲程发动机工作原理●四冲程汽油机工作原理●四冲程柴油机工作原理工作循环进气行程

压缩行程

作功行程

排气行程四冲程内燃机工作循环

行程活塞运动气门状态曲轴转角功用进气门排气门第一上→下开关00→1800进气第二下→上关关1800→3600压缩第三上→下关关3600→5400作功第四下→上关开5400→7200排气工作循环特点

1、进气行程2、压缩行程3、作功行程4、排气行程

单缸四冲程汽油机的工作过程一、四冲程汽油机工作原理排气门关闭进气门开启活塞温度370~440K，

压力75~90kPa大气压力线PVra示功图上止点下止点示功图：表示活塞在不同位置时气缸内气体压力的变化情况。进气行程

进气提前角●早于上止点开启●增加进入气缸内的混合气量

进气晚关角●迟于下止点关闭●减少进气过程所消耗的功进气终了时刻●

p：约为0.07~0.09MPa<大气压●

T：约为320~380K>大气温度由进气门开启到进气门关闭

PraV（φ）大气压力线进气行程示功图

进气门关闭排气门关闭活塞压缩比：ε=Va/VcPVra示功图大气压力线c上止点下止点温度600~800K，

压力600~1500kPa压缩行程

（压缩上止点）●进气门关闭●排气门关闭活塞上行，气缸内气体被压缩，缸内压力温度都升高●p：约为0.8~1.5MPa

●T：约为600~750K由进气门关闭到活塞移到上止点PraV（φ）大气压力线c压缩行程示功图进气门关闭排气门关闭活塞PVra示功图大气压力线cZb上止点下止点瞬时最高：温度2200~2800K，

压力3~5MPa作功终了：温度1500~1700K，

压力300~500kPa

作功行程火花塞跳火，点燃可燃混合气，燃烧气体的体积急剧膨胀

●进气门关闭●排气门关闭高温高压燃气推动活塞下行，对外作功●p：高达3.0~6.5MPa

●T：高达2200~2800K

作功行程结束时●p：约为0.35~0.5MPa

●T：约为1200~1500K

燃气压力推动活塞由上止点移至下止点PraV（φ）大气压力线cZb

作功行程示功图

进气门关闭排气门打开活塞PVr示功图大气压力线cZb上止点下止点温度900~1200K压力105~125kPa残余废气排气行程排气提前角

●早于下止点开启●减少气缸内的废气量排气晚关角

●迟于上止点关闭●减少排气过程消耗的功排气终了时，残余废气

●p：0.105~0.12MPa

●T：900~1100K气门重叠角

●在排气门关闭之前，进气门就已打开，进气门同时开启时期所对应的曲轴转角从排气门开启到排气门关闭的时刻PraV（φ）大气压力线cZb排气行程示功图二、四冲程柴油机工作原理吸入的只是纯净空气

●进气系统阻力较小，残余废气的温度较低进气行程结束时

●P：约为0.085~0.095MPa

●T：约为310~340K压缩行程●压缩比大●压缩行程终了时P：高达3~5MPaT：高达750~1000K进气行程喷油器高压雾状喷油（10~20MPa）●柴油蒸发汽化，形成可燃混合气●温度远高于柴油的自燃点（600K）●燃气压力、温度迅速升高，膨胀作功最大压力和温度●P：高达6~9MPa●T：高达1800~2200K作功行程结束时●P：0.2~0.5MPa●T：1000~1200K作功行程排气终了时残余废气●P：约为0.105~0.12MPa●T：约为700~900K排气行程Pra大气压力线V（φ）Zbc

四冲程柴油机示功图喷油器喷油泵吸气行程压缩行程作功行程排气行程进气门排气门纯空气温度300~370K压力800~900kPa温度800~1000K压力3~5MPa瞬时：温度1800~2200K压力5~10MPa温度800~1000K压力105~400kPa终了：温度800~1000K压力105~400kPa四冲程柴油机的工作原理四冲程汽油机和柴油机

工作循环相同之处1、每个工作循环曲轴转两周，每一行程曲轴转半周。2、只有作功行程产生动力。四冲程汽油机和四冲程柴油机

工作循环不同之处汽油机柴油机汽油与空气缸外混合，进入可燃混合气进入气缸的是纯空气电火花点燃混合气高温气体加热柴油燃烧有点火系无点火系无喷油器有喷油器第三节二冲程内燃机工作原理

二行程发动机的工作循环也是由进气、压缩、燃烧膨胀、排气过程组成，但它是在曲轴旋转一圈(360°)，活塞上下往复运动两个行程内完成的。

因此，二行程发动机与四行程发动机工作原理不同，结构也不一样。

*观看动画一、曲轴箱换气式二冲程汽油机换气机构

进气孔

排气孔

扫气孔工作过程

上行冲程

下行冲程压缩混合气进气点火燃烧排气扫气孔进气孔排气孔火花塞二冲程汽油机工作原理

活塞在曲轴带动下由下止点移至上止点

●扫气：活塞由下止点→关闭扫气孔

●额外排气：排气孔未关

●压缩：三个孔均关，直到上止点

●进气：活塞上行到进气孔打开，新混合气进入曲轴箱上行冲程（第一行程）活塞由上止点移至下止点

●作功：排气孔和扫气孔均关闭，进气孔未关，直至排气孔打开●进气：混合气被压缩直至进气孔关闭●先期排气：排气孔开启，膨胀后的废气排出●扫气：扫气孔打开→活塞到下止点下行冲程（第二行程）

a：排气孔关闭

ac：压缩过程

czb：作功过程

b：排气孔打开

bf：先期排气

f：扫气孔开启

fdh：扫气

h：扫气孔关闭

ha：额外排气

换气过程：bda（130°~150°曲轴转角）二冲程内燃机示功图带扫气泵的气门—气孔式直流扫气二冲程柴油机工作原理如下图。二、二行程柴油机工作原理换气燃烧排气压缩喷油器空气扫气泵废气排气门二冲程柴油机工作原理理论上它的功率应等于四冲程发动机的二倍。由于作功频率较大，二冲程发动机的运转比较均匀平稳。构造简单，质量较小。易受磨损和经常需要修理的运动部件数量较少。二冲程发动机与四冲程发动机相比

主要性能指标

速度特性与负荷

内燃机产品名称

第三节发动机的性能指标※

发动机的性能指标用来衡量发动机性能好坏的标准

动力性指标：表征内燃机对外作功能力

经济性指标：发动机油耗环境指标：排放性和噪声水平强化指标：承受热负荷和机械负荷的能力紧凑性指标：表征发动机总体结构紧凑程度可靠性指标：表征发动机正常持续工作能力耐久性指标：主要零件磨损损坏的极限时间工艺性指标：制造工艺性和维修工艺性好坏一、主要性能指标※

有效转矩发动机对外输出的转矩Te（单位：N·m）※

有效功率发动机曲轴的输出功率Pe=Te(2πn/60)×10-3(KW)Te—有效转矩（N·m）n—曲轴转速（r/min）

1.动力性指标※

发动机转速发动机曲轴每分钟的回转数n（单位：r/min）n一般范围车用汽油机：4000~6000r/min

车用柴油机：2000~4000r/min※

平均有效压力单位气缸工作容积输出的有效功pme（单位：MPa）平均有效压力↑→发动机作功能力↑

pme一般范围：汽油机：0.65~1.2MPa

柴油机：0.6~0.95MPa发动机转速与平均有效压力※

标定工况：发动机在标定功率/标定转速下的工作状况（可靠性和寿命）

同一发动机用途不同，标定功率不同

标定功率≠最大功率，是根据发动机用途制定的有效功率最大使用限度

发动机产品标牌上数据（华晨宝马325i）

最大功率[Kw(Ps)/rpm]：160(218)/6500最大扭矩(N·m/rpm)：250/2750–4250

标定功率/标定转速有效热效率ηe燃料燃烧所产生的热量转化为有效功的百分数

有效燃油消耗率be

发动机每输出1KW·h有效功率所消耗的燃油量be=(B/Pe)×103[g/(KW·h)]

B—每小时的燃油消耗量（kg/h）

Pe—有效功率（kW）

2.经济性指标有害排放物汽油机

主要是废气中的CO和HC的量对柴油机主要是废气中的NOx和颗粒的排放量

发动机的噪声是汽车噪声的主要来源约占城市噪声的75%

GB：轿车噪声≯82dB（A）3.环境指标发动机主要有害排放及危害有害排放有害物特征危

害CO无色、无臭、有毒气体使人出现恶心、头晕、疲劳等缺氧症状，严重时窒息死亡NO2赤褐色带刺激性的气体伤害心、肝、肾。与光化学反应形成臭氧和醛等HC刺激性的气体破坏造血机能，造成贫血、神经衰弱，降低肺对传染病的抵抗力。与光化学反应形成臭氧和醛等光化学烟雾HC与NOx在阳光作用下所形成的烟雾，有刺激性降低大气可见度，伤害眼睛、咽喉，影响植物生长醛类较强的刺激性臭味伤害眼睛、上呼吸道、中枢神经