《汽车拖拉机学 第2版》(中文电子课件)第二章 发动机总体组成与原理

汽车拖拉机学第二章发动机的总体组成与原理2024/7/2第二章发动机总体组成与原理第一节发动机的分类与总体构造第二节发动机的工作原理第三节发动机的主要性能指标第二章的教学内容2024/7/2发动机总体构造发动机的工作原理发动机的主要性能指标第二章的重点、难点2024/7/2掌握发动机奥托循环掌握柴油机工作原理掌握汽油机工作原理第二章的教学要求2024/7/21.发动机奥托循环与实现2.柴油机工作原理与实践3.汽油机工作原理与实践第二章的课程思政融入点2024/7/2科技发展工程伦理学以致用专业能力科学精神第二章的课程思政的育人目标2024/7/2第二章的“耕读教育”思政点映射表课程耕读教育要点耕读教育映射与融入点教育方法与载体途径耕读育人预期成效发动机奥托循环与实现1.奥托循环的基本原理是什么？2.奥托循环有何不足？3.如何取代奥托循环？参观体验、课堂讨论；制作讲义或教材、制作PPT科技发展工程伦理学以致用柴油机工作原理与实践1.柴油机是如何工作的？2.为何拖拉机广泛采用柴油发动机？3.柴油机有何不足之处？如何改进？信息化载体、参观体验、课堂讨论；制作讲义或教材、制作PPT专业能力学以致用工程伦理汽油机工作原理与实践1.汽油机是如何工作的？2.为何汽车广泛采用汽油发动机？3.汽油机有何不足之处？如何改进？信息化载体、参观体验、课堂讨论；制作讲义或教材、制作PPT科学精神科技发展工程伦理2024/7/27

第一节发动机的分类与总体构造2024/7/28一、发动机的分类

发动机是汽车、拖拉机的动力源。凡是能使某种形式的能量转变成机械能的机器都可称为发动机。如热力发动机、水力发动机和风力发动机等，车辆上主要采用热力发动机。第一节发动机的分类与总体构造

热力发动机是指将燃料燃烧所产生的热能转变成机械能的机器。根据燃料燃烧所处位置的不同，热力发动机又分为外燃机和内燃机两大类。

燃料在发动机外部燃烧的热力发动机称为外燃机。如蒸汽机、汽轮机等。反之，燃料直接在发动机内部燃烧的热力发动机称为内燃机。如柴油机、汽油机和煤气机等。2024/7/29

内燃机广泛应用于工业、农业、交通和国防等各个领域。至今，汽车、拖拉机的发动机全部采用内燃机，因为与外燃机比较，内燃机热效率高、功率范围广、结构紧凑、质量轻、体积小、使用操作方便及运行安全。尽管如此，减轻排放污染，减小噪声振动，提高零部件的耐磨性、可靠性、互换性、修复性和整机动力性及经济性仍是内燃机科学技术的重要研究内容。2024/7/2

内燃机广泛应用于飞机、船舰,以及汽车、拖拉机、坦克等各种车辆上。但是,内燃机一般要求使用石油燃料,同时排出的废气中所含有害气体成分较高。为解决能源与大气污染的问题,目前国内、外正致力于内燃机排气净化以及新能源发动机的研究工作。102024/7/211

内燃机根据其将热能转化为机械能的主要构件的形式，可分为活塞式内燃机和燃气轮机两大类。前者又可按活塞运动方式分为往复活塞式和旋转活塞式两种。活塞式内燃机在汽车拖拉机上应用最广泛，装配在汽车拖拉机上内燃机，一般称为发动机，是本书的主要讨论对象。发动机种类繁多，根据不同特点有不同分类。2024/7/212

表2-1发动机的分类分类方法类别含义按行程数分二行程发动机活塞经过2个行程完成一个工作循环的发动机四行程发动机活塞经过4个行程完成一个工作循环的发动机按着火方式分点燃式发动机压缩气缸内的可燃混合气，并用外源点火燃烧的发动机压燃式发动机压缩气缸内的空气或可燃混合气，产生高温，引起燃料着火的发动机按使用燃料种类分液体燃料发动机燃烧液体燃料（汽油、柴油、醇类等）的发动机气体燃料发动机燃烧气体燃料（液化石油气、天然气等）的发动机多种燃料发动机能够使用着火性能差异较大的两种或两种以上燃料的发动机按进气状态分非增压发动机进入气缸前的空气或可燃混合气未经压缩的发动机。对于四行程发动机也称自吸式发动机增压发动机进入气缸前的空气或可燃混合气先经过压气机压缩，借以增大充量密度的发动机2024/7/213

按气缸数及布置分单缸发动机只有一个气缸的发动机多缸发动机具有两个或两个以上气缸的发动机立式发动机气缸布置于曲轴上方且气缸中心线垂直于水平面的发动机卧式发动机气缸中心线平行于水平面的发动机直列式发动机具有两个或两个以上直立气缸，并呈一列布置的发动机V形发动机具有两个或两列气缸，其中心线夹角呈V形，并共用一根曲轴输出功率的发动机对置气缸式发动机两个或两列气缸分别排列在同一曲轴的两边呈180°夹角的发动机斜置式发动机气缸中心线与水平面呈一定角度（不是直角）的发动机按冷却方式分液冷式发动机用冷却液冷却气缸和气缸盖等零件的发动机风冷式发动机用空气冷却气缸和气缸盖等零件的发动机按用途分有汽车用、机车用、拖拉机用、船用、坦克用、摩托车用、发电用、农用、工程机械用等发动机2024/7/214二、发动机的总体构造

虽然发动机类型和结构型式不同、具体构造多种多样，并由许多机构和零部件构成，但其基本构造相同。为保证发动机连续进行工作循环、实现能量转换，并使其能持续地正常工作，根据各组成部分的作用不同，发动机总体构成包括机体组件与曲柄连杆机构、换气系统、燃料供给系统、润滑系统、冷却系统、点火系统（仅汽油机）和启动系统。

第一节发动机的分类与总体构造2024/7/21.机体组件与曲柄连杆机构15

机体组件包括机体、气缸盖、气缸套、油底壳等。机体组件是发动机的骨架，所有运动部件和系统都支承和安装在它上面。

曲柄连杆机构主要由活塞、连杆、曲轴及飞轮等组成。

其功用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并将作用在活塞顶部的燃气压力转变为曲轴的转矩输出。2024/7/22.换气系统16

换气系统由空气滤清器、进排气管道、配气机构、消音灭火器等组成。

功用是定时开关进、排气门，实现气缸的换气；过滤空气中的杂质，保证进气清洁；降低排气噪音。2024/7/23.燃料供给系17

根据发动机所用燃料不同，燃油供给系统分为柴油机供油系统和汽油机供油系统

柴油机供油系统由燃油箱、燃油滤清器、输油泵、燃油泵、喷油器等组成。其功用是定时、定量、定压地向燃烧室内喷入雾化柴油，并创造良好的燃烧条件，满足燃烧过程的需要。

汽油机供油系统由燃油箱、电动汽油泵、滤清器、输油管、回油管、分配油管、油压调节器、电控喷油器、传感器、电控单元等组成。其功用是将汽油与空气按一定比例混合成各种浓度的可燃混合气供入燃烧室，以满足汽油机各种工况下的要求。2024/7/24.润滑系统18

润滑系统由集滤器、机油泵、机油滤清器、机油散热器、油道、机油压力表等组成。

其功用是将机油压送到发动机各运动件的摩擦表面，以减少运动件的摩擦和磨损，带走摩擦热量，清洗表面磨屑，密封和防止零件锈蚀。

即具有：润滑、密封、散热、清洗、防锈等作用。2024/7/25.冷却系统19

冷却系统由散热器、水泵、风扇、水套、节温器、机体散热片等组成。冷却系统的功用是冷却受热机件、保证发动机在适宜的温度下正常工作。

启动系统由蓄电池、启动机、启动开关等组成。其功用是启动发动机，使发机动由静止状态转入稳定运转状态

6.起动系统2024/7/27.点火系统20

汽油机设有点火系统，它由蓄电池、发电机、

点火线圈、点火控制器、高压线、火花塞等组

成。点火系统的功用是定时产生电火花，点燃

混合气。柴油机没有点火系统。图2-1汽油机的整体构造图2-2柴油机的整体构造2024/7/221

第二节发动机的工作原理2024/7/222一、发动机的基本术语

1、基本术语：发动机的基本结构如图2-3所示。①上止点。活塞在气缸中运动，当活塞离曲轴中心最远时，活塞顶部所处的位置。

②下止点。活塞在气缸中运动，当活塞离曲轴中心最近时，活塞顶部所处的位置。③活塞行程。活塞从一个止点运动到另一个止点所经过的距离。常用字母S表示，即曲轴每转半圈（180°），活塞运动一个行程。

④曲柄半径。曲轴与连杆大头连接中心至曲轴中心的距离r称为曲柄半径。

第二节发动机的工作原理2024/7/223

2024/7/2⑤燃烧室容积。活塞位于上止点时，活塞顶部与气缸盖之间的封闭容积。常用V0表示。⑥气缸工作容积。活塞从上止点运动到下止点时，它所扫过的空间容积。常用Vh表示，即式中，D——气缸直径，cm；S—活塞行程，cm。⑦气缸总容积。活塞位于下止点时，活塞顶部与气缸盖之间的封闭容积。常用Va表示，即（2-1）24（2-2）2024/7/225⑧压缩比。气缸总容积与燃烧室容积之比值，常用ε表示，即ε=压缩比表示活塞从下止点运动到上止点时，气体在气缸内被压缩的程度。不同类型的发动机对压缩比的要求不同，柴油机较高（ε=15～22），汽油机较低（ε=6～10）。⑨活塞总排量。多缸发动机所有气缸工作容积之和，用表示，即式中，i——气缸数。⑩发动机工况。发动机在某一时刻的运行状况称为发动机工况，用发动机此时输出的转速和有效功率表示。⑪工作循环。在气缸内进行的每一次将热能转化为机械能的一系列连续过程（进气、压缩、做功和排气）称为发动机的工作循环。（2-3）（2-4）2024/7/226二、单缸四冲程发动机的工作原理

活塞在上、下止点间往复移动四个行程（相当于曲轴旋转了两周），完成进气、压缩、做功、排气一个工作循环的发动机就称为四行程发动机。

四行程发动机工作时，利用气缸中可燃混合气燃烧后产生的高压燃气推动活塞向下运动，并通过连杆带动曲轴旋转对外做功，将燃料燃烧的热能转换为曲轴转动的机械能。

这一能量转换过程必须历经进气、压缩、做功、排气四个行程，活塞在气缸中往复两次完成一个工作循环。第二节发动机的工作原理2024/7/227

1.单缸四冲程汽油机的工作原理2024/7/228

（1）进气行程（以自然吸气为例）

进气过程中，排气门关闭，进气门开启，活塞从上止点向下止点移动一个行程，在气缸内形成真空，新鲜可燃混合气被吸入气缸；

曲轴由0°沿顺时针方向转到180°。当活塞从上止点向下止点移动时，进气系统有阻力，故进气终了时气缸内的气体压力略低于大气压力，为0.075～0.090kPa。1.单缸四冲程汽油机的工作原理2024/7/2

流进气缸内的可燃混合气，因与气缸壁、活塞顶等高温机件接触并与前一行程（排气行程）留下的高温残余废气混合，所以它的温度上升到370～403K在示功图上，进气行程用曲线r-a表示。曲线r-a位于大气压力线以下，它与大气压力线纵坐标之差即表示气缸内的真空度。

自然吸气发动机动力输出平顺，不会因发动机转速的变化而出现骤然加速。而且发动机使用寿命长，维修简单。292024/7/230

1.单缸四冲程汽油机的工作原理2024/7/231

（2）压缩行程

为了使吸入的可燃混合气能迅速燃烧，以产生较大的气体压力，使发动机做功，燃烧前的必须将可燃混合气压缩，此即压缩行程。

在进气行程终了时，活塞自下止点向上止点移动，曲轴由180°转到360°，此时，进、压排气门均关闭。随着气缸的容积不断缩小，可燃混合气受到压缩，其温度和压力不断升高。压缩行程一直继续到活塞到达上止点时为止。压缩终了时，可燃混合气的温度为600～750K，可燃混合气压力为0.8～2.0kPa。2024/7/2

压缩终了时可燃混合气的压力和温度取决于压缩比，压缩比越大，燃烧速度越快，因而发动机发出的功率便越大，经济性越好。但压缩比过大时，不仅不能进一步改善燃烧状况，反而会出现爆燃和表面点火等不正常燃烧现象。32（3）做功行程

在这个行程中，进、排气门仍关闭。当活塞在压缩行程接近上止点时，装在气缸盖上的火花塞在高压电作用下产生电火花，点燃被压缩的可燃混合气。可燃混合气燃烧后，放出大量的热能，使燃气的压力和温度急剧升高。最高压力PZ为3.0～6.5kPa，相应的温度为2200～2800K，且体积迅速膨胀。2024/7/2

此时活塞被高压气体推动从上止点下行，带动曲轴从360°旋转到540°，并输出机械能，除了用以维持发动机本身继续运转外，其余大部分都用于对外做功。在示功图上，曲线Z-b表示活塞向下移动时气缸内容积增加，气体压力和温度都在降低。在做功行程终了的b点，压力降到0.3～0.5kPa，温度则降为1300～1600K。332024/7/234

（4）排气行程

可燃混合气体燃烧后生成的废气必须从气缸中排除，以便进行下一个进气行程。

当做功接近终了时，进气门关闭，排气门开启，曲轴通过连杆推动活塞从下止点向上止点运动，曲轴由540°旋转到720°。废气在自身残余压力和活塞的推力作用下从气缸中排出，进入大气之中。活塞到达上止点附近时，排气行程结束。这一行程在示功图上用曲线b-r表示。由于排气系统存在排气阻力，所以在排气终了时，气缸内压力稍高于大气压力，为0.105～0.120kPa，废气温度为900～1100K。

因燃烧室占有一定容积，故排气终了时，不可能将废气排尽，留下的这一部分废气称为残余废气。2024/7/235

排气结束后，又重新进行进气、压缩、做功、排气行程，循环往复。四行程汽油机的工作过程见下表。2024/7/236

2.单缸四冲程柴油机的工作原理

柴油机使用的燃料是柴油，与汽油相比，柴油黏度大，不易蒸发，但其自燃温度较低，因此可燃混合气的形成及其在缸内点燃方式各有特点。四行程柴油机的工作原理与四行程汽油机基本相似，每个工作循环包括进气行程、压缩行程、做功行程和排气行程。每个工作循环曲轴旋转两周。

单缸四行程柴油机的工作原理示意图如图2024/7/237

（1）进气行程

进气门开启，排气门关闭，活塞在曲轴的带动下从上止点向下止点移动，活塞上方的气缸容积增大，气缸内的压力逐渐降低至大气压以下，即在气缸内产生真空度，这样新鲜的纯空气经进气管道、进气门被吸入气缸。2024/7/2

为了分析工作循环中气体压力P和相应于活塞不同位置的气缸容积V之间的变化关系，经常利用发动机循环的示功图来表示活塞在不同位置时气缸内压力的变化情况。示功图中曲线所围成的面积表示柴油机整个工作循环中气体在单个气缸内所作的功。在四行程柴油机示功图，进气行程压力线为r-a，进气始点r压力略大于大气压力p0，是因为此时活塞上方仍残存少量前一个工作循环未排净的废气（简称残余废气）。r点压力Pr为0.104～0.117MPa，进气行程终点a的压力Pa受到空气滤清器及进气管道阻力的影响，低于P0，Pa为0.08～0.095MPa。进气终点介质（新鲜空气加残余废气）的温度Ta可达300～400K，主要是高温零件加热与高温废气混合的结果。382024/7/239

（2）压缩行程

活塞由下止点向上止点移动，进、排气门均关闭，缸内气体被压缩，使其压力和温度不断上升，如图2-5中a-c线。由于柴油机采用高压缩比（ε=16～22），压缩终点压力Pc为3～5MPa，温度Tc为750～950K，比该状态下柴油的自燃温度高出200～300K，足以保证喷入缸内的柴油自燃。2024/7/2

为了充分利用燃料燃烧产生的热能，提高热效率，要求燃烧过程在活塞上止点稍后即迅速完成，使燃烧后的气体充分膨胀做功。考虑燃料喷入气缸后，须经过一段着火准备时间，因此，实际柴油机工作时，在压缩上止点前10°～35°CA即图2-7中c′点即将燃油喷入气缸。c′点为喷油始点，它距上止点所对应的曲轴转角称为喷油提前角。a-c′-c线为压缩行程气缸容积与缸内气体压力变化曲线。40（3）做功行程

活塞在燃气压力推动下，由上止点向下止点移动，进、排气门仍处于关闭状态。2024/7/241

由于压缩行程末期部分喷入燃油已开始着火燃烧，进入本行程后燃烧速率急剧增加，导致压力迅速升高，如图中c-z段，相当陡，即压力升高率（dp/dψ，ψ为曲轴转角）大，造成柴油机工作较粗暴。此后出现了近似等压膨胀z-z′线，这是由于柴油喷射过程及与空气混合燃烧均需延续一段时间，此时虽然活塞下行，气缸容积有所增加，但缸内压力并不立即下降，直到z′点。其间最高压力Pz为6～9MPa，最高温度Tz可达1800～2200K。随着活塞被推动下移做功，缸内压力、温度逐渐下降，当活塞到达下止点时，做功行程结束，其终点压力Pb为0.2～0.4MPa，温度Tb为1000～1400K。2024/7/242

（4）排气行程

气缸内的混合气燃烧后成为废气。为使柴油机能够继续不断工作，就必须把废气排出机外。排气行程活塞由下止点向上止点移动，排气门打开，废气被强制排出。排气过程中缸内压力与气缸容积变化如图2-5中b-r线。由于排气系统产生的流动阻力使排气终点r的压力Pr为0.104～0.117kPa，略高于外界环境压力P0，其温度Tr为700～900K。排气行程结束时，活塞回到上止点。至此单缸柴油机活塞移动四个行程，完成了一个工作循环。此后曲轴继续转动，上述各过程重复进行。2024/7/243

3.四冲程柴油机与四冲程汽油机的区别

着火方式不同柴油机进气过程吸入气缸的是空气，压缩接近终了将柴油喷入气缸，利用气缸内的高温气体自行着火燃烧，称为压燃式；汽油机则吸入汽油和空气的可燃混合气，压缩接近终了则采用电火花点燃混合气，称为点燃式。

压缩比不同柴油机的压缩比较高，燃气膨胀较充分，膨胀终了的温度较低，热量利用程度较好，耗油率较低；汽油机则相反。所以，柴油机的经济性比汽油机好。

2024/7/2

柴油机平均压力高

柴油机最大压力较高，机件受力大，刚度和强度要求较高，与同等功率的汽油机相比，体积和重量大。柴油机的喷油泵和喷油精密度高，加工较困难，制造成本较高。柴油机的工作噪声也较大。

燃烧类型不同

柴油机的燃烧过程既有等容加热（燃烧）阶段又有等压加热（燃烧）阶段，属混合加热循环；而汽油机只有等容加热阶段，属等容加热循环。柴油机和汽油机工作过程中各点的压力和温度都不同。442024/7/245

单缸四行程发动机曲轴转两圈完成一个工作循环，而两圈中只有半圈做功，故其曲轴旋转不均匀、工作稳定性差、功率小。随着时代的发展，要求发动机的功率越来越大、稳定性越来越高，因而诞生了多缸四行程发动机。

由两个或两个以上气缸所组成的发动机，称为多缸发动机。多缸发动机各缸的活塞连杆组件都连接在同一根曲轴上，用一根曲轴输出功率。多缸发动机的曲轴每转180°，各缸都完成自己的一个行程；曲轴转720°每个缸都完成一个工作循环，做功一次。为了提高整机的平稳性，应尽量将各缸发火做功相对曲轴的转角均匀分布。把一个缸发火做功后到另一个缸发火做功时的曲轴转角，称为发火间隔角，用α表示。三、多缸四冲程发动机的工作原理2024/7/2

式中，i——气缸数。二缸发动机因受曲轴结构限制，其做功行程不可能均布，一般最小发火间隔角为180°；三缸发动机的发火间隔角为240°。2024/7/247

四缸发动机的发火间隔角为180°，四个曲柄布置在同一平面内。1、4缸与2、3缸互相错开180°，其工作顺序有两种，即1-3-4-2或1-2-4-32024/7/248

六缸直列发动机的发火间隔角为120°，六个曲柄分别布置在三个平面内。六缸发动机工作顺序有两种，即1-5-3-6-2-4和l-4-2-6-3-5，国产汽车一般采用前一种。

八缸V形发动机的发火间隔角为90°，发动机左右两列对应的一对连杆共用一个曲柄，所以V形八缸发动机只有四个曲柄。曲柄布置可以与四缸发动机相同，四个曲柄布置在同一平面内，也可以布置在两个互相错开90°的平面内，使发动机得到更好地平衡。八缸发动机工作顺序为1-8-4-3-6-5-7-2。

多缸发动机采用同一缸径、不同缸数的方法获得不同功率，并成为系列产品。其具有工作平稳，制造、维修、使用方便，功率大等特点，故在拖拉机、汽车上得到广泛应用。2024/7/249

第二节发动机的工作原理四、二冲程发动机的工作原理

二行程发动机是指活塞走两个行程，曲轴转一周完成一个工作循环的发动机。目前汽车已不采用二行程的汽油机和柴油机，只有少数农用小动力机械采用二行程发动机，一些低速大型轮船上采用二行程柴油机。

1.二行程发动机的结构特点

二行程发动机的结构特点是没有专设的配气机构，而在气缸壁不同高度上设有进气孔、排气孔和换气孔。二行程汽油机的进气孔与喷油器相接；二行程柴油机的进气孔与空气滤清器相接。排气孔与排气管相连接；换气孔与密封的曲轴箱相通。二行程汽油机的缸盖上安装火花塞，二行程柴油机缸盖上安装喷油器。2024/7/250

2.二行程发动机性能特点

二行程发动机曲轴转一圈，即360°CA，完成一个工作循环，做功一次；而四行程发动机曲轴转二圈，720°CA，完成一个工作循环，做功一次。在排量、压缩比和转速相同的条件下，理论上二行程发动机比四行程发动机的功率大一倍。但因排气和换气占去了总行程的1/3，做功有效行程短，能量利用不充分。所以，实际上二行程发动机比四行程发动机的输出功率只大0.5～0.7倍；利用压差和扫气排气，排气不净、进气不足，换气过程中，有少量新鲜气体随废气排出，经济性差。

由于二行程发动机做功时间间隔短，发动机工作较平稳，可采用尺寸较小的飞轮；同时，二行程发动机没有专设的配气机构，结构简单、体积小、重量轻，单位比重功率大。所以，二行程多用于小功率的汽油机和大功率的柴油机上。2024/7/251第三节发动机的主要性能指标2024/7/2发动机的动力性指标主要有:有效转矩、有效功率、升功率、比质量、标定功率和标定转速等。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效转矩，用Ttq表示，单位为N·m。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功率，用Pe表示，单位为kW。它等于有效转矩与曲轴转速的乘积，即

Tq——有效转矩，N·m；n——曲轴转速，r/min。522024/7/2一、动力性指标第三节发动机的主要性能指标2024/7/23．升功率升功率是指发动机每升工作容积产生的有效功率。即53

—每缸工作容积L；—发动机的有效功率，kW；i——气缸数。升功率反映了发动机排量的利用程度，继续提高升功率式发动机技术的发展方向之一。2024/7/24．比质量比质量指发动机的结构质量G（净质量）与它所发出的有效功率Pe（额定功率）之比值。它反映了发动机结构质量的利用程度和结构紧凑性。

542024/7/25．标定功率和标定转速发动机产品铭牌上标出的为标定工况下的有效功率及相应转速，称为标定功率和标定转速。目前按国家标准规定，发动机标定功率分为4级：①15min功率。在标准环境条件下，发动机连续运转15min的最大有效功率。②1h功率。在标准环境条件下，发动机连续运转1h的最大有效功率。③12h功率。在标准环境条件下，发动机连续运转12h的最大有效功率。④持续功率。在标准环境条件下，发动机以标定转速允许长期连续运转的最大有效功率。55

一般燃油消耗率表示发动机的经济性指标。燃油消耗率是指发动机每发出1kW有效功率，在1h内所消耗的燃油质量（以g为单位），用be表示。很明显，燃油消耗率越低，燃油经济性越好。燃油消耗率[单位为g/（kW·h）]按下式计算

—发动机单位时间的耗油量，kg/h，可由试验测定；Pe—发动机的有效功率，kW。56二、经济性指标