汽车结构第1章发动机工作原理和总体构造

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第一章发动机任务原理和总体构造第一章发动机的任务原理和总体构造发动机的分类四冲程发动机任务原理二冲程发动机任务原理发动机的总体构造发动机的主要性能目的与特性内燃机产品称号和型号编制规那么1/2/20242哈尔滨工业大学〔威海〕第一节发动机的分类1/2/20243哈尔滨工业大学〔威海〕内燃机的特点内燃机是热力发动机的一种，其特点是液体或气体燃料与空气混合后直接输入机器内部熄灭而产生热能，然后再转变成机械能。内燃机具有热效率高、体积小、质量小、便于挪动以及起动性能好等优点，因此广泛运用于飞机、船舰以及汽车、迁延机、坦克等各种车辆上。但是，内燃机普通要求运用石油燃料，同时排出的废气中所含有害气体成分较高。为处理能源与大气污染的问题，目前国内、外正努力于排气净化以及其它新能源发动机的研讨任务。1/2/20244哈尔滨工业大学〔威海〕第一节汽车用发动机的分类热机→内燃机〔外燃机〕→活塞式内燃机〔燃气轮机〕〔1〕按所用的燃料分类：液体燃料发动机和气体燃料发动机；〔2〕按发火方式分类：压燃式发动机和点燃式发动机；〔3〕按任务循环的冲程数分类：四冲程发动机和二冲程发动机；〔4〕按气缸数及其陈列方式分类：单缸发动机和多缸发动机；单缸有立式与卧式，多缸有V、W型与对置式；〔5〕按冷却方式分类：水冷式和风冷式两种；〔6〕按进气方式分类：非增压式发动机和增压式发动机；〔7〕按每气缸中的气门数分类：二气门、四气门、五气门发动机。1/2/20245哈尔滨工业大学〔威海〕第一节汽车用发动机的分类1/2/20246哈尔滨工业大学〔威海〕第二节四冲程发动机任务原理一、四冲程汽油机任务原理二、四冲程柴油机任务原理1/2/20247哈尔滨工业大学〔威海〕一、四冲程汽油机任务原理1/2/20248哈尔滨工业大学〔威海〕上止点:活塞顶部离曲轴中心最远处，即活塞最高位置。下止点:活塞顶部离曲轴中心最近处，即活塞最低位置。活塞行程:上、下止点间的间隔。曲柄半径:曲轴与连杆下端的衔接中心至曲轴中心的间隔。一、四冲程汽油机任务原理1/2/20249哈尔滨工业大学〔威海〕气缸任务容积〔气缸排量〕:活塞从上止点到下止点所扫 过的容积。发动机排量:多缸发动机各气缸任务容积的总和。为气缸直径〔mm〕；为活塞行程〔mm〕;为气缸数。1/2/202410哈尔滨工业大学〔威海〕四冲程汽油机任务循环过程1/2/202411哈尔滨工业大学〔威海〕进气行程进气过程中，进气门开启，排气门封锁。随着活塞从上止点向下止点挪动，活塞上方的气缸容积增大，从而气缸内的压力降低到大气压以下，即在气缸内呵斥真空吸力。这样，可燃混合气便经进气管道和进气门被吸入气缸。由于进气系统有阻力，进气终了时气缸内的气体压力约为0.075～0.09MPa。流进气缸内的可燃混合气，由于与气缸壁、活塞顶等高温机件外表接触并与前一循环留下的高温剩余废气混合，所以温度可升高到370～400K。在示功图上，进气行程用曲线 表示。曲线位于大气压力线下面，它与大气压力线纵坐标之差即表示气缸内的真空度。1/2/202412哈尔滨工业大学〔威海〕紧缩行程为使吸入气缸的可燃混合气能迅速熄灭，以产生较大的压力，从而使发动机发出较大功率，必需在熄灭前将可燃混合气紧缩，使其容积减少、密度加大、温度升高，故需求有紧缩过程。在这个过程中，进、排气门全部封锁，曲轴推进活塞由下止点向上止点挪动一个行程，称为紧缩行程。在示功图上，紧缩行程用曲线 表示。活塞到达上止点时紧缩终了，此时，混合气被紧缩到活塞上方很小的空间，即熄灭室中。可燃混合气压力升高到0.6～1.2MPa，温度可达600～700K。紧缩比1/2/202413哈尔滨工业大学〔威海〕紧缩比:紧缩前气缸中气体的最大容积与紧缩后的最小容积之比。换言之，紧缩比等于气缸总容积〔活塞在下止点时，活塞顶部以上的气缸容积〕与熄灭室容积〔活塞在上止点时，活塞顶部以上的容积〕之比，即

现代汽油发动机紧缩比普通为6～9〔轿车有的到达9～11〕。如一汽-群众捷达轿车EA827型1.6L发动机的紧缩比为8.5，而EA113型1.6L发动机那么为9.3。1/2/202414哈尔滨工业大学〔威海〕紧缩比越大，在紧缩终了时混合气压力和温度越高，熄灭速度增快，因此发动机发出的功率增大，热效率提高，经济性越好。但紧缩比过大时。不仅不能进一步改善熄灭情况，反而会出现爆燃和外表点火不正常的熄灭景象。爆燃是由于气体压力和温度过高，在熄灭室内离点燃中心较远处的末端可燃混合气自燃而呵斥的一种不正常熄灭。爆燃时，火焰以极高的速率传播，温度和压力急剧升高，构成压力波，以声速向前推进。当这种压力波撞击熄灭室壁面时就发出锋利的敲缸声。同时，还会引起发动机过热、功率下降、燃油耗费量添加等一些不良后果。严重爆燃时甚至呵斥气门烧毁、轴瓦破裂、活塞烧顶、火花塞绝缘体被击穿等机件损坏景象。外表点火是由于熄灭室内炽热外表〔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熄灭。外表点火发生时，也伴有剧烈的敲击声〔较沉闷〕，产生的高压会使发动机机件接受的机械负荷添加，寿命降低。因此，在提高发动机紧缩比的同时，必需留意防止爆燃和外表点火的发生。此外，发动机紧缩比的提高还遭到排气污染法规的限制。1/2/202415哈尔滨工业大学〔威海〕作功行程在这个行程中，进、排气门依然封锁。当活塞接近上止点时，装在气缸盖上的火花塞即发出电火花，点燃被紧缩的可燃混合气。可燃混合气熄灭后，放出大量的热能，气压力和温度迅速添加，所能到达的最高压力约3~5MPa，相应温度那么为2200~2800K。高温、高压燃气推进活塞从上止点向下止点运动，经过连杆使曲轴旋转并输出机械能。它除了用于维持发动机本身继续旋转而外，其他即用于对外作功。示功图上曲线表示活塞向下挪动时，气缸内容积添加，气体压力和温度都降低，在作功构成终了的点，压力降至0.3~0.5MPa，温度那么降为1300~1600K。1/2/202416哈尔滨工业大学〔威海〕排气行程可燃混合气熄灭后生成的废气，必需从气缸中排除，以便进展下一个任务循环。当膨胀接近终了时，排气门开启，靠废气的压力进展自在排气，活塞到达下止点后再向上止点挪动时，继续将废气强迫排到大气中。活塞到上止点附近时，排气行程终了。这一行程在示功图上用曲线表示。在排气行程中，气缸内压力稍高于大气压力，约为0.105~0.115MPa。排气终了时，废气温度约为900~1200K。由于熄灭室占有一定的容积，因此在排气终了时，不能够将废气排尽，这一部分留下的废气称为剩余废气。1/2/202417哈尔滨工业大学〔威海〕四个冲程-五个过程1/2/202418哈尔滨工业大学〔威海〕总结四冲程汽油机的任务循环包括四个活塞行程，即进气行程、紧缩行程、膨胀行程〔作功行程〕和排气行程。经过这四个行程，完成一个任务循环。这期间活塞在上、下止点间往复了四个行程，曲轴旋转了两周。(在发动机内，每一次将热能转变为机械能都必需经过吸入空气、紧缩和输入燃料，使之发火熄灭而膨胀作功，然后将生成的废气排除这样一系列延续过程，称为一个任务循环。)1/2/202419哈尔滨工业大学〔威海〕四冲程柴油机任务原理四冲程柴油机〔压燃式发动机〕的每个任务循环也阅历进气、紧缩、作功、排气四个行程。但由于柴油机的燃料是柴油，其粘度比汽油大，而其自燃温度却较汽油低，故可燃混合气的构成及点火方式都与汽油机不同。1/2/202420哈尔滨工业大学〔威海〕柴油机在进气行程吸入的是纯空气，在紧缩行程终了时，柴油机喷油泵1将油压提高到10～15MPa以上，经过喷油器2喷入气缸，在很短时间内与紧缩后的高温空气混合，构成可燃混合气。因此，这种发动机的可燃混合气是在气缸内部构成的。由于柴油机的紧缩比高〔普通为16～22〕，所以紧缩终了时气缸内的空气压力可达3.5～4.5MPa，同时温度高达750～1000K，大大超越柴油机的自燃温度。因此，柴油喷入气缸后，在很短时间内与空气混合后便立刻自行发火熄灭，气缸内气压急剧上升至6～9MPa，温度也升到2000～2500K。在高压气体推进下，活塞向下运动并带动曲轴旋转而作功。废气同样经排气管排入大气中。1/2/202421哈尔滨工业大学〔威海〕柴油机汽油机转速较汽油机低质量大制造和维修费用高紧缩比高，燃油耗费率低，燃油经济性好转速高质量小任务噪声小起动容易制造和维修费用低燃油耗费率高，燃油经济性差1/2/202422哈尔滨工业大学〔威海〕总结四冲程发动机在一个任务循环的四个活塞行程中，只需一个行程是作功的，其他三个那么是作功行程的辅助行程。因此，在单缸发动机内，曲轴每转两周中只需半周是由于膨胀气体的作用使曲轴旋转，其他一周半那么依托飞轮惯性维持转动。显然，作功行程时，曲轴的转速比其它三个行程内曲轴转速要高，所以曲轴转速是不均匀的，因此发动机运转就不平稳。为理处理这个问题，飞轮必需做成具有更大的转动惯量，而这样做将使整个发动机质量和尺寸添加。显然，单缸发动机任务振动大，采用多缸发动机可以弥补上述缺陷。因此，如今汽车上根本不用单缸发动机，用的最多的是4缸、6缸、8缸发动机。在多缸四冲程发动机的每一个气缸内，一切的任务过程是一样的，并按上述次序进展，但一切气缸的作功行程并不同时发生。例如，在4缸发动机内，曲轴每转半周便有一个气缸在作功；在8缸发动机内，曲轴每转1/4周便有一个作功行程。气缸数越多，发动机的任务越。平稳。但发动机气缸数增多，普通将使其构造复杂，尺寸及质量添加。1/2/202423哈尔滨工业大学〔威海〕第三节二冲程发动机任务原理二冲程汽油机任务原理二冲程柴油机任务原理〔可参考课本自学〕二冲程发动机的任务循环是在两个活塞行程内，即曲轴旋转一周的时间内完成的。1/2/202424哈尔滨工业大学〔威海〕二冲程汽油机任务原理1/2/202425哈尔滨工业大学〔威海〕1/2/202426哈尔滨工业大学〔威海〕图a表示活塞向上挪动，到活塞将三孔都封锁时，开场紧缩在上一循环即已吸入缸内的可燃混合气，同时在活塞下面的曲轴箱内构成真空度〔这种发动机的曲轴箱必需密封〕。1/2/202427哈尔滨工业大学〔威海〕如图b，当活塞继续上行时，进气孔1开启，在大气压力作用下，可燃混合气便自化油器流入曲轴箱。1/2/202428哈尔滨工业大学〔威海〕如图c，活塞接近上止点时火花塞发出电火花，点燃被紧缩的混合气。高温、高压气体膨胀迫使活塞向下挪动。进气孔1逐渐被封锁，流入曲轴箱的混合气那么应活塞的下移而被预先紧缩。1/2/202429哈尔滨工业大学〔威海〕如图d，当活塞接近下止点时，排气管2开启，废气经过孔2、排气管、消声器流到大气中，遭到预压的新颖混合气便自曲轴箱经孔3流入缸内，并扫除废气。废气从气缸内被新颖混合气扫除并替代的过程，称为气缸的换气过程，故孔3被称为扫气孔或换气孔。1/2/202430哈尔滨工业大学〔威海〕结论二冲程发动机一个任务循环所包含两个行程是：〔1〕第一行程活塞自下止点向上挪动，事先已充入活塞上方气缸内的混合气被紧缩，新的可燃混合气又自化油器被吸入活塞下方的曲轴箱内。〔2〕第二行程活塞自上止点向下挪动，活塞上方进展着作功过程和换气过程，而活塞下方那么进展可燃混合气的预紧缩。为了防止新颖混合气大量与废气混合并随废气一同排出气缸而呵斥浪费，活塞顶做成特殊的外形，使新颖混合气的气流被引向上部，这样还可以利用新颖混合气来扫除废气，使排气更为彻底。但是在二冲程发动机中，要完全防止可燃混合气的损失是很困难的。1/2/202431哈尔滨工业大学〔威海〕活塞由下止点向上止点运动，当将排气孔〔a点〕封锁时，紧缩过程开场。到上止点前开场点火〔或喷油〕熄灭，缸内压力迅速增高，c～f段即熄灭过程。接着活塞下行膨胀作功，不断到b点，排气孔被翻开，开场排气。示功图上bda曲线为二冲程发动机的换气过程，大约占130°～150°曲轴转角。接着活塞继续向上，便反复紧缩过程，进展新的循环。1/2/202432哈尔滨工业大学〔威海〕二冲程化油器式发动机的优缺陷〔1〕曲轴每转一周就有一个作功行程。在实际上它的功率应等于四冲程发动机的2倍。〔2〕二冲程发动机的运转比较均匀平稳。〔3〕构造较简单，质量较小。〔4〕运用方便。〔5〕由于构造上的关系，二冲程发动机的最大缺陷是不易将废气自气缸内排出得较干净，并且在换气时减少了有效任务行程。因此，在同样的任务容积和曲轴转速下，二冲程发动机不如四冲程发动机经济。1/2/202433哈尔滨工业大学〔威海〕第四节发动机的总体构造发动机是一部由许多机构和系统组成的复杂机器。现代汽车发动机的构造方式很多，即使是同一类型的发动机，其详细构造也是多种多样的。1/2/202434哈尔滨工业大学〔威海〕发动机的总体构造1/2/202435哈尔滨工业大学〔威海〕图1-11CA488发动机由下面两个机构和五个系统组成：〔1〕机体组发动机的机体组包括气缸盖14、气缸体7及油底壳37。有的发动机将气缸体分铸成上下两部分，上部称为气缸体、下部称为曲轴箱。机体的作用是作为发动机缸各机构、各系统的装配基体，而且其本身的许多部分又分别是曲轴连杆机构、配气机构、供应系、冷却系和光滑系的组成部分。气缸盖和气缸体的内壁共同组成方熄灭室的一部分，是接受高温、高压的机件。在进展构造分析时，常把机体组列入曲柄连杆机构。〔2〕曲柄连杆机构曲柄连杆机构包括活塞13、连杆10、带有飞轮28的曲轴5等。这是将活塞的直线往复运动变为曲轴的旋转运动并输出动力的机构。〔3〕配气机构配气机构包括进气门19、排气门15、摇臂45、气门间隙调理器46、凸轮轴25以及凸轮轴定时带轮20〔由曲轴定时带轮6驱动〕。其作用是使可燃混合气及时充入气缸并及时从气缸排出废气。〔4〕供应系供应系包括汽油箱、汽油泵、汽油滤清器、化油器38、空气滤清器、进气管39、排气管53、排气消声器等。其作用是把汽油和空气混合成成分适宜的可燃混合气供入气缸，以供熄灭，并将熄灭生成的废气排出发动机。1/2/202436哈尔滨工业大学〔威海〕〔续〕〔5〕点火系点火系的功用是保证按规定时辰及时点燃气缸中被紧缩的混合气。其中包括供应低压电流的蓄电池和发动机以及分电器、点火线圈与火花塞等。〔6〕冷却系冷却系主要包括水泵、散热器、风扇22、分水管以及气缸体和气缸盖里铸出的空腔——水套等。其功用是把受热机件的热量散到大气中去，以保证发动机的正常任务。〔7〕光滑系光滑系包括机油泵50、机油集滤器51、限压阀、光滑油道、机油滤清器等。其功用是将光滑油供应作相对运动的零件，以减少它们之间的摩擦阻力，减轻机件的磨损，并部分地冷却摩擦零件，清洗摩擦外表。〔8〕起动系包括起动机及其附属安装，用以使静止的发动机起动并转入自行运转。1/2/202437哈尔滨工业大学〔威海〕第五节发动机的主要性能目的与特性发动机的主要性能目的发动机的速度特性发动机的任务情况1/2/202438哈尔滨工业大学〔威海〕1/2/202439哈尔滨工业大学〔威海〕动力性目的1.有效转矩——发动机经过飞轮对外输出的转矩称为有效转矩，以表示，单位为N•m。有效转矩与外界施加于发动机曲轴上的阻力矩相平衡。2.有效功率——发动机经过飞轮对外输出的功率称为有效功率用表示，单位为KW。它等于有效转矩与曲轴角速度的乘积。发动机的有效功率可以用台架实验方法测定，也可用测功器测定有效转矩和曲轴角速度，然后运用下面的公式计算发动机的有效功率〔KW〕，其中为曲轴转速〔r/min〕。1/2/202440哈尔滨工业大学〔威海〕燃油耗费率发动机每发出1KW有效功率，在1h内所耗费的燃油质量〔以g为单位〕，称为燃油耗费率。很明显，燃油耗费率越低，经济性越好。燃油耗费率[g/(kW•h)]按下式计算

〔1-2〕式中，为发动机在单位时间内的耗油量〔kg/h〕，可由实验测定；为发动机的有效功率〔KW〕。1/2/202441哈尔滨工业大学〔威海〕发动机的速度特性发动机速度特性指发动机的功率、转矩和燃油耗费率三者随曲轴转速变化的规律。这个特性可以经过发动机在实验台上〔例如测功器实验台〕进展实验而得。实验时，先坚持一定的发动机节气门开度，同时用测功器对发动机曲轴施加一定的阻力矩。当发动机运转稳定后，即阻力矩与发动机发出的有效转矩相等时，可用转速表测出此时的稳定转速，同时在测功器上测出该转速下的发动机有效转矩，根据式〔1-1〕即可计算出有效功率。另外，可测出耗费一定量汽油所阅历的时间，用以换算出发动机每小时耗油量，从而按式〔1-2〕计算出燃油耗费率。改动测功器的阻力矩数值，用与上述一样的方法，又可以得到相应于另一转速的一组、、的数值。如此反复假设干次，即可得到一定节气门开度下的一系列、、、 的数值。根据这些数据可画出、、随变化的关系曲线，即相应于这一节气门开度的速度特性曲线。假设改动节气门开度又可得到另外一组特性曲线，那么当节气门开度最大时所得到的是总功率特性，也称发动机外特性〔图1-13〕；而把节气门其它开度情况下得到的特性称为部分速度特性。1/2/202442哈尔滨工业大学〔威海〕发动机的速度特性发动机速度特性指发动机的功率、转矩和燃油耗费率三者随曲轴转速变化的规律。1/2/202443哈尔滨工业大学〔威海〕发动机任务情况发动机任务情况〔简称发动机工况〕普通是用它的功率与曲轴转速来表征，有时也用负荷与曲轴转速来表征。下面举一个例子：留意：不要把负荷和功率的概念混淆1/2/202444哈尔滨工业大学〔威海〕发动机在某一转速下的负荷，就是当时发动机发出的功率与同一转速下所能够发出的最大功率之比，以百分数表示。如某一转速是全负荷，并不意味着是发动机发出的是最大功率。就是说，功率的大小并不代表负荷的大小。此外，外特性曲线上各点都表示在各转速下的全负荷工况，但在同一根部分特性曲线上各点的负荷值却不一样。在同一转速下，节气门开度越大表示负荷越大，但是两者并不成比例。重点1/2/202445哈尔滨工业大学〔威海〕右图为某发动机的一组特性曲线。Ⅰ表示相应与节气门全开启时的外特性曲线，Ⅱ、Ⅲ分别表示节气门坚持在开度依次减小的位置Ⅱ和位置Ⅲ所得到部分特性。a、b、c和d四个工况下的负荷值：工况a负荷为零〔称为发动机空转工况〕工况b负荷=工况c负荷=工况d负荷=〔全负荷〕1/2/202446哈尔滨工业大学〔威海〕第六节内燃机产品称号和型号编制规那么为了便于内燃机的消费管理和运用，我国对内燃机称号和型号编制方法重新审定并公布了国家规范GB725-91。该规范的主要内容如下：〔1〕内燃机产品称号均按所采用的燃料命名，例如柴油机、汽油机、煤气机、沼气机；〔2〕内燃机型号由阿拉伯数码和汉语拼音字母组成；〔3〕内燃机型号由以下四部分组成：1〕首部：产品特征代号，由制造厂根据需求自选相应字母表示，但需经行业规范化归口单位核准、备案。2〕中部：由缸数符号、气缸布置方式符号、冲程符号和缸径符号组成。3〕后部：构造特征和用途特征符号，分别按上表规定。4〕尾部：区分符号。同一系列产品应改良等缘由需求区分时，由制造厂选用适当符号表示。下面举一个型号编制例如：1/2/202447哈尔滨工业大学〔威海〕内

燃

机

型

号

说

明1/2/202448哈尔滨工业大学〔威海〕〔1〕柴油机165F—单缸、四冲程、缸径65mm、风冷、通用型。R175A—单缸、四冲程、缸径75mm、水冷、通用型〔R表示175产品换代符号，型A为系列产品改良的去分符号〕。R175ND—单缸、四冲程、缸径75mm、凝气冷却、发电机组用。496T—四缸、直列、四冲程、缸径95mm，水冷、迁延机用。12VZG—12缸、V型、四冲程、缸径mm、水冷增压、工程机械用。6EC—6缸、二冲程、缸径mm、水冷、船用主机、左机根本型。12VE230—12缸、V型、二冲程、缸径230mm、水冷、增压、船用主机、左机根本型。6E430SZ—6缸、二冲程、缸径430mm、水冷、十字头式、可倒转、增压、船用主机、左机根本型。G6300C—G系列、6缸、四冲程、缸径300mm、可倒转、船用主机、右机根本型。〔2〕汽油机1E65F—单缸、二冲程、缸径65mm、风冷、通用型。4100Q—四缸、四冲程、缸径100mm、水冷、汽车用。1/2/202449哈尔滨工业大学〔威海〕思索题1、汽车发动机通常是由哪些机构与系统组成的？它们各有什么功用？2、柴油机与汽油机在可燃混合气构成方式与着火方式上有何不同？它们所用的紧缩比为何不一样？3、四冲程汽油机和柴油机在总体构造上有何异同？4、CA-488汽油机有4个气缸，汽缸直径87.5mm，活塞冲程92mm，压为缩比8.1，试计算