内燃机装试工技师培训运动件2

汽车发动机原理与构造

—《内燃机装试工》高级技师培训2—

包志毅

2010年7月曲柄连杆机构一、曲柄连杆机构的作用

与气缸盖底面共同组成燃烧室，提供燃料燃烧的场所，把活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，同时将燃气作用在活塞上的力转变为曲轴对外输出的转矩、通过飞轮而作功。二、曲柄连杆机构的组成曲轴连杆机构是柴油机的主要工作机构，全部由运动件组成。主要有活塞组、连杆组以、曲轴飞轮组以及、皮带轮、扭振减振器等

曲柄连杆机构中的作用力及力的传递：气体力作用在活塞顶上，在活塞的四个行程中始终存在，但只有作功行程中的气体力是发动机对外作功的原动力。气体力通过连杆、曲柄销传到主轴承。同时也作用在气缸盖上，并通过气缸盖螺栓传到给机体上。这两个力大小相等、方向相反在机体中相互抵消不传止机体外的支承上，但使机体受到拉伸曲柄连杆机构可视为由往复运动质量和由旋转运动质量组成的当量系统。往复运动质量包括活塞组零件质量和连杆小头集中质量，它沿气缸轴线作往复直线运动，产生瓦报告往复惯性力。旋转运动质量包括曲柄质量和连杆大头质量，它绕曲轴轴线旋转，产生旋转惯性力（离心力），往复惯性力和旋转惯性力通过主轴承和机体传给发动机支承

三、曲轴飞轮组㈠、曲轴1、曲轴的作用：把活塞、连杆传来的燃气压力转变为转矩，用以驱动汽车的传动系统，同时驱动发动机的配气机构以及其他辅助装置2、曲轴材料：根据柴油机动力功率大小，曲轴材料由有球铁、45钢、合金钢等。我厂自然吸气柴油机一般都采用球墨铸铁（QT800）表面氮化处理。增压、增压中冷柴油机多采用40Cr、42CrMoA等轴颈淬火、圆角滚压3、曲轴构造：曲轴机基本上是由若干个单元曲拐组成。一个曲柄销左右两个曲柄臂和左右两个主轴颈构成一个单元曲拐，直列多缸柴油机曲轴的曲拐数与气缸数相同。将若干个单元曲拐连接起来再加上曲轴前后端便构成一根曲轴我厂柴油机曲轴均为全支承曲轴、主轴颈和连杆轴颈均为实心。主轴颈和连杆轴颈均需要润滑。轴颈上有润滑油孔、并通过斜油道将进入主轴颈的滑油引入连杆轴颈曲轴平衡重用来平衡旋转惯性力及其力矩。对于曲拐呈镜象对称不止的四缸和六缸等发动机其旋转惯性力和旋转惯性力矩是外部平衡的、但内部不平衡。为使曲轴达到内部平衡。需要在曲柄上附加平衡重

若在曲轴的每个曲柄臂上都加平衡重则称为完全平衡法4、曲拐布置与多缸发动机的工作顺序

选择发动机的工作顺序：一要使接连工作的两个气缸相距尽可能远；二要各缸发火间隔时间尽量相同。一般为1-3-4-2、1-5-3-6-2-4

多缸柴油机具有两个或两个以上的气缸，各缸的活塞连杆组件都连接在同一根曲轴上。对于每一个气缸来说，都是按单缸柴油机各个过程独立进行循环工作的，但在同一时刻，每个气缸所进行的冲程却不同，这是因为有意以一定的规律相互错开的原因。四冲程柴油机曲轴每转动两圈（即720°）每个气缸完成一个工作循环，为使柴油机运转平衡，必须使每缸的作功冲程均匀地分布在720°曲轴转角内。若四冲程多缸柴油机有i个气缸，则相互间隔角度为：

φ=720°/i

多缸柴油机各个气缸发生同名冲程的顺序称为气缸工作顺序或发火顺序。例如：6110柴油机的发火顺序为1-5-3-6-2-4（见表3-1），即第一缸作功后第五缸作功，继之为第三缸、第六缸、第二缸作功，最后为第四缸作功。以后，各过程按此顺序重复进行。这样六缸柴油机在曲轴转两圈时，各缸内都作功一次，也就是曲轴每转120°就有一个气缸作功，所以它的工作比单缸柴油机要平衡得多。六缸四行程柴油机工作顺序

（发火次序：1-5-3-6-2-4）件号材料热处理总长前端(L×φ)后端(L×φ)曲柄半径飞轮螺栓1005014-155-000042CrMOAN化718107×φ72(71-5)×φ102φ10062.56×M14×1.5φ781005014B300-000042CrMOAN化732(101+6)×φ82φ28(85-5)×φ104φ103.662.57×M16×1.5φ761005014-550-000042CrMOA718(101+6)×φ82φ28(71-5)×φ104φ103.662.57×M16×1.5φ761005014C051-000040Cr988107×φ72(71-5)×φ102φ10062.56×M16×1.5φ781005014-223-0000QT800-2N化988107×φ72(71-5)×φ102φ10062.56×M14×1.5φ781005014-450-0000WQT800-3轴颈淬火988107×φ72(71-5)×φ102φ10062.57×M16×1.5φ761005014-454-000040Cr988107×φ72(71-5)×φ102φ10057.57×M16×1.5φ761005014-460-000042CrMOA1000(107+12)×φ82φ28(71-5)×φ104φ103.662.57×M16×1.5φ761005014-400-000042CrMOA1002(101+6)×φ82φ28(85-5)×φ104φ103.662.57×M16×1.5φ76我厂F3系列用曲轴表我厂曲轴按材料分有球铁和合金钢两种：球铁曲轴一般采用轴颈表面氮化处理的方法来提高其强度和表面耐磨性，其表面氮化层深度≥0.1mm≤0.3mm因此不可以采用磨削的办法来进行修复。合金钢曲轴一般采用轴颈表面感应淬火的方法来提高其强度和表面耐磨性；其感应淬火淬硬层深度F、K系列国产曲轴为2-4mm，Ｌ、Ｍ系列进口曲轴为≥3mm

。因此可以采用磨削的办法来进行修复㈡、曲轴前、后油封㈢、曲轴扭振减振器发动机工作时、曲轴在周期性变化的转矩作用下、各曲拐之间发生周期性相对扭转的现象称为扭转振动。随着曲轴转速的变化，当连杆作用在曲轴上的扭转外力的变化频率与曲轴自振频率成整数倍关系时，便出现共振。为了消除曲轴对扭转振动，便在曲轴上装有扭振减振器

1、橡胶扭振减振器：减振器壳体（轮壳）固定在曲轴前端，壳体外表面胶有一层硫化橡胶层，再外面为扭转振动惯性较大的惯性体（皮带轮）。当曲轴发生扭转振动时，轴前端的角振幅最大，并和装在上面成一体的轮壳一起振动。皮带轮由于转动惯量较大相当于一个转速比较均匀的小飞轮。这样轮壳与相对于皮带轮就产生了相对转动，而使橡胶层产生正反方向交替变化的扭转变形。因变形而皮带轮橡胶层轮壳2、硅油扭振减振器：由钢板冲压而成的减振器壳体于曲轴连接。侧盖与减振器壳体组成封闭腔，其中滑套着扭转振动惯性质量。惯性体与封闭腔间留有一定的间隙，里面充满着高粘度硅油。当发动机工作时，减振壳体与曲轴一起旋转、一起振动，惯性质量则被硅油的粘性摩擦阻尼和衬套的摩擦力所带动。由于惯性质量相当大、因此它近似作匀速运动。于是在惯性质量与减振壳体间产生相对运动。曲轴的振动能量被内摩擦阻尼所吸收、使扭振消除或减轻。硅油-橡胶减振器则集中了橡胶减震器和硅油减振器的两者的优点：机体积小、质量轻、减振性能稳定减震器故障的判断产生的橡胶内部分子摩擦生热，消耗了扭转振动的能量。

橡胶扭振减振器结构简单、工作可靠、制造容易；但其阻尼作用小、橡胶容易老化，故在大功率发动机上多用硅油扭振减振器硅油减振器硅油-橡胶减振器㈣、飞轮

飞轮是一个转动惯量很大的盘形零件，其作用如同一个能量贮存器，可调节曲轴转速波动、稳定转速。飞轮外镶嵌有起动齿圈，外圆刻有上止点记号及相应刻度，用来校准喷油定时以及气门间隙。在柴油机起动时，飞轮也起辅助作用，使起动容易。飞轮端面与离合器联结而向外输出动力。飞轮材料一般为灰铁或蠕墨铸铁。飞轮应进行动平衡㈤、主轴瓦与止推片

柴油机曲轴采用滑动轴承、轴瓦用定位唇在轴承孔内定位。

止推片为半圆环型，用定位销或定位舌防止转动，安装时有合金层的一面朝向曲轴的止推面

轴瓦多采用钢背和减摩合金层或钢背、减摩合金层和软镀层构成㈥、平衡机构为了减少振动提高乘座的舒适性和降低噪声水平，为此必须将引起汽车震动和噪声的发动机不平衡力和不平衡力矩减小到最低限度。在曲轴曲臂上设置的平衡重只能平衡旋转惯性力机其惯性力矩，而往复惯性力及其惯性力矩的平衡只能采用专门的平衡机构。

四缸柴油冲程发动机二阶往复惯性力不平衡，为了平衡二阶往复需要采用双轴平衡机构

四、活塞连杆组件

活塞连杆组的作用是通过活塞在缸套内的往复运动，将高压燃气的热能转化为曲轴的机械能。活塞连杆组主要由活塞、连杆、活塞环、活塞销等零件组成。㈠、活塞

活塞的作用是其顶面与气缸盖底面、气缸壁等共同组成燃烧室；承受气缸中气体压力并通过活塞销和连杆传给曲轴。因此要有足够的强度和刚度同时要有尽可能小的质量、导热性、耐热性好、热膨胀小

活塞多为铝合金铸成；也有采用耐热钢制造

活塞的结构分顶部、头部和裙部。活塞顶部有ω形凹坑的直喷式燃烧室；在直喷式燃烧室的柴油机中、喷油器将燃油直接喷入燃烧室的凹坑中，使其与运动的气流相混合，形成可燃混合气并燃烧。除燃烧室凹坑外，有的活塞顶上还加工有避让气门的气门的凹坑现代发动机活塞头部普遍采用三道活塞环槽结构、自上而下依次为第一道气环、第二道气环、油环，为了隔断由活塞顶传来向第一道环的热流，使部分热量从第二、三道活塞环传出，在第一道环上方设置一道较窄的隔热槽，以减轻第一道环的热负荷，改善其工作条件，防止活塞环粘结。同时为了增强环槽的耐摩磨性，直喷式燃烧室柴油机还在第一环槽处镶嵌耐热护圈，其材料为热膨胀系数与铝合金接近的奥氏体铸铁活塞裙部有供安装活塞肖的销座孔，裙布形状应能保证活塞在气缸内得到良好的导向

为了减轻活塞头部的热负荷，增压、增压中冷柴油机都采用油冷活塞。1、自由喷射冷却、2、内冷活塞震荡冷却。为此在机体主油道上装有活塞冷却喷嘴

柴油机的燃烧室柴油机混合气的形成和燃烧的过程，都是在燃烧室中进行的，燃烧室的结构形式直接影响混合气的形成品质和燃烧状况。为了保证柴油机良好的性能，燃烧必须在规定的时间里迅速完成。为此，喷油的持续时间也较为短促，一般只有15°～35°曲轴转角，对2900转/分的柴油机来讲，也只是0.001～0.002秒，而全部燃烧过程则要求更短。在这样极短的时间内，如不采取适当的措施来保证混合气的迅速形成，要获得良好的燃烧是不可能的。对燃烧室的要求：1、燃烧室结构要紧凑、也就是燃烧室表面积与容积比要小，以减少散热损失，以提高热效率2、能增大进气门直径或进气通道面积，以增加进气量，进而提高发动机转矩和功率3、能在压缩终了行程终点产生挤压涡流，以提高柴油与空气的混合速度，保证混合气得到及时充分地燃烧

此外柴油机燃烧室形状还应与燃油喷射、空气涡流运动进行良好的配合柴油机燃烧室的种类较多,通常可以分为直喷式燃烧室和分隔式燃烧室二大类,而这二大类中，又有多种不同的具体型式。涡流室燃烧室预燃室燃烧室目前，缸径在100毫米以上的车用柴油机中，大多采用ω型直喷式燃烧室。ω型直喷式燃烧室主要靠油雾喷注形状与燃烧室形状相配合，利用进气道形状所形成的进气涡流和压缩上止点附近活塞顶部空气被挤入燃烧室时所形成的挤流，形成可燃混合气。这种燃烧室的特点是底部有一凸起部，以帮助气流的形成，并使燃烧室形状与油雾配合。通常采用3-5孔的多咀喷孔。

ω型直喷式燃烧室形状较简单，易于加工，结构紧凑，散热面积小，热效率高，有利于冷机起动。但对配套的燃料供给系统要求较高，对燃料质量要求也较高。ω型直喷式燃烧室㈡、活塞环

活塞环分气环、油环两种，气环的作用是密封、散热、帮助油环从缸壁上向下刮油；油环的作用是刮油和布油、帮助气环起密封作用

1、气环的密封原理：活塞环在自由状态下不是正圆形，其外廓尺寸比气缸直径大。装入气缸后在其自身弹性作用下环的外侧面与气缸壁紧贴形成第一密封面，气缸内的高压气体不会从第一密封面泄漏。高压空气可能从活塞顶岸与缸壁之间的间隙进入活塞环的侧隙和径向间隙中。进入侧隙中的高压气体使环的下侧面与环槽的下侧面贴紧形成第二密封面，高压空气也不可能从第二密封面泄漏。进入径向间隙的高压空气只能使环的外圆与气缸壁更加贴紧。这时漏气的唯一通道只能是环的开口间隙。如果几道环的开口相互错开，那么形成了迷宫式通道。由于侧隙、径向间隙和端隙都很小，气体在通道内流动的阻力很大，致使气体压力p迅速下降,最后漏入曲轴箱内的气体就很少了，一般仅为进气量的0.2-1.0％2、扭曲环：断面不对称的气环装入气缸后，由于弹性内力的作用使断面发生扭转，故称为扭曲环。如右图扭曲环装入气缸后，其断面中心层以外产生拉应力、断面中心层以内产生压应力，拉应力的合力F1指向环中心、压应力合力F2背离活塞环中心。由于扭曲环中心层内外断面不对称，使F1

与F2不作用在同一平面内形成内力矩M

。在力矩

M的作用下，使环的断面发生扭曲。如果将内圆的上边缘或外圆的下边缘切掉一部分，整个气环将扭曲成碟形称为正扭曲环；反之将内圆的下边缘或外圆的上边缘切掉一部分，整个气环将扭曲成盖形称为负扭曲环

当发动机工作时，在进气、压缩和排气行程中，扭曲环发生扭曲，其工作特点一方面同锥形环：环的外圆面为锥角很小的锥面。理论上锥面环与气缸壁为线接触，磨合性好，增大了接触应力和对气缸壁形状的适应能力。当活塞下行时锥面环能起到向下刮油的作用。而当活塞上行时，由于锥面的油楔的作用，锥面环能够滑过缸壁上油膜而不致将滑油带入燃烧室。另一方面扭曲环的上下侧面与环槽上下侧面向接触，从而防止了环在环槽内上下窜动，消除了泵油现象，减轻了环对环槽的冲击而引起的磨损。在做功行程中巨大的燃气压力作用在环的上侧面和内侧面，足以克服环的弹性内力使环不再扭曲，整个外圆面与气缸接触，这时环的工作特点与矩形环相同

3、梯形环：梯形环断面为梯形，其主要特点为抗粘结性好。当活塞头部温度很高的时候窜入第一道奇环槽中的机油如意结焦而将其环粘住。在侧向力换向活塞左右摆动时，梯形侧隙、径向间隙都发生变化，将槽中的机油胶质挤出。当第一道环为单面梯形环时，同样有用。

4、油环第一道气环：梯形环，环厚4mm，环与环槽的平面间隙0.135~0.165，活塞环闭口间隙0.4~0.55。安装时有“TOP”面向上。第二道气环：矩形扭曲环，环厚3mm，环与环槽的平面间隙0.04~0.09，活塞环闭口间隙0.75~1.00。