《汽车发动机构造与维修》课件项目1

1.1发动机的基本工作原理1.2发动机的总体构造与型号编制规则1.3发动机的性能指标与热平衡1.4汽油机可燃混合气的形成与燃烧过程1.5柴油机可燃混合气的形成与燃烧过程1.6国外发动机型号的含义1.7一汽大众迈腾轿车CEA发动机总成从车上整体拆装项目一发动机基本知识

1.1发动机的基本工作原理

1.1.1四冲程汽油机的基本结构

1.基本结构

如图1-1所示，单缸四冲程汽油发动机由正时皮带或正时链、气缸体、活塞、连杆、曲轴、油底壳、飞轮、起动机、蓄电池、电子控制单元(ECU)、点火线圈、火花塞、点火开关、喷油器、空气滤清器、油路、分电器、凸轮轴、进气门、排气门等组成。

图1-1单缸四冲程汽油机构造示意图

2．常用术语

(1)上、下止点：如图1-2所示，活塞顶部离曲轴回转中心最远的位置称为上止点；活塞顶部离曲轴回转中心最近的位置称为下止点。

(2)活塞行程：上、下止点间的距离称为活塞行程，用S表示。曲轴的回转半径R称为曲柄半径(见图1-2)，显然S = 2R。曲轴每转一周，活塞移动两个行程。图1-2发动机常用术语示意图

(3)气缸工作容积：指上、下止点间所包容的气缸容积(见图1-2)，用Vh表示，其单位是升(L)。

多缸发动机各缸工作容积的总和称为发动机工作容积(俗称发动机排量)，用VL表示。若发动机的气缸数为i，则

VL = iVh

(4)燃烧室容积：指活塞在上止点时，活塞顶部上方的容积(见图1-2)，用Vε表示。

(5)气缸总容积：指活塞在下止点时，活塞顶部上方的整个空间(见图1-2)，用Va表示。气缸总容积等于气缸工作容积与燃烧室容积之和，即

Va = Vh + Vε

(6)压缩比：指气缸总容积与燃烧室容积之比，用ε表示。压缩比表示活塞由下止点运动到上止点时，气缸内气体被压缩的程度。压缩比越大，则压缩终了时气缸内气体的压力和温度就越高。汽油机的压缩比一般为8～10，柴油机的压缩比一般为16～22。

3．工作原理

四冲程汽油机的工作循环是由进气、压缩、作功和排气

四个行程组成的。图1-3为单缸四冲程汽油机的工作循环示

意图。图1-3单缸四冲程汽油机的工作循环示意图(a)进气行程；(b)压缩行程；(c)作功行程；(d)排气行程1.1.2四冲程柴油机的工作原理

四冲程柴油机和四冲程汽油机一样，每个工作循环也是由进气、压缩、作功和排气四个行程组成的。但由于柴油机使用的燃料是柴油，其黏度比汽油大，不易蒸发，其自燃温度却比汽油低，故柴油机可燃混合气的形成和着火方式等与汽油机的有很大区别。单缸四冲程柴油机的工作原理如图1-4所示。图1-4单缸四冲程柴油机的工作原理图(a)进气行程；(b)压缩行程；(c)作动行程；(d)排气行程

1.2发动机的总体构造与型号编制规则

1.2.1发动机的总体构造

汽油机通常由两大机构、五大系组成，柴油机通常由两大机构、四大系组成，下面将分别介绍。

1.曲柄连杆机构

曲柄连杆机构主要由气缸体、曲轴箱、气缸盖、活塞、连杆、曲轴和飞轮等组成。其功用是将燃料燃烧时产生的热能转变为活塞往复运动的机械能，再通过连杆将活塞往复运动的机械能转变为曲轴的旋转运动而对外输出的动能。

2.配气机构

配气机构主要由进气门、排气门、摇臂、推杆、凸轮轴和凸轮轴正时齿轮等组成。其功用是使可燃混合气或空气适时充入气缸并及时从气缸排出废气。

3.燃料供给系

1)汽油机燃料供给系

化油器式汽油机燃料供给系主要由汽油箱、汽油泵、汽油滤清器、空气滤清器、化油器、进气歧管、排气歧管、排气消声器等组成。

2)柴油机燃料供给系

高压油泵-喷油器的柴油机燃料供给系主要由柴油箱、柴油滤清器、输油泵、喷油泵、喷油器、空气滤清器、进气歧管、排气歧管、排气消声器等组成。

4.润滑系

润滑系主要由机油泵、集滤器、限压阀、润滑油道、机油滤清器、油底壳等组成。其功用是减小摩擦力，减缓机件磨损，并部分地冷却摩擦零件，清洗摩擦表面。

5.冷却系

冷却系主要由散热器、风扇、水泵、水套等组成。其功用是将机件多余的热量散发到大气中，以保持发动机正常的工作温度。

6.点火系

点火系由火花塞、点火线圈、电子点火控制器、电子控制单元、高压电路、低压电路等组成。其功用是根据发动机的工作要求，定时点燃可燃混合气。柴油机无点火系。

7.起动系

起动系主要由起动机及其附属装置组成。其功用是使静止的发动机起动并转入自行运转。

图1-5和图1-6分别为上海别克君威轿车2.5L发动机前剖面图和侧剖面图。图1-5上海别克君威轿车2.5L发动机前剖面图图1-6上海别克君威轿车2.5L发动机侧剖面图1.2.2发动机的型号编制规则

1.型号的编制总则

国家标准《内燃机产品名称和型号编制规则》(GB/T725—2008)规定，发动机的型号由阿拉伯数字(以下简称数字)、汉语拼音字母或国际通用的英文缩略字母(以下简称字

母)组成。

2.型号的组成

发动机的型号包括下列四部分，表示方法如图1-7所示。图1-7发动机的型号表示方法

3.型号的示例

1)柴油机的型号

YZ6102Q——YZ表示扬州柴油机制造公司生产、六缸、直列、四冲程、缸径102mm、液冷却、汽车用。

2)汽油机的型号

492Q/P—A——四缸、直列、四冲程、缸径92mm、液冷却、汽车用(P为燃料符号，A为区分符号)。

EQ6100Q—1——EQ表示东风汽车制造公司生产、六缸、直列、四冲程、缸径100mm、液冷却、汽车用、第一种变型产品。

3)天燃气机的型号

12V190ZL/T——12缸、V形、四冲程、缸径190mm、液冷却、增压中冷、通用、燃气为天然气。

4)双燃料发动机的型号

G12V190ZLS——12缸、V形、四冲程、缸径190mm、液冷却、增压中冷、通用、燃气为柴油/天然气双燃料(G为系列代号)。

1.3发动机的性能指标与热平衡

1.3.1发动机的性能指标

发动机的性能指标又称发动机的有效性能，它是以曲轴的输出功率为基础的指标。发动机的性能指标用来评价发动机的设计与制造水平，并可将其作为评价各类发动机性能优劣的依据。

1.动力性指标

1)有效功率

发动机对外输出的功率称为发动机的有效功率，记为Pe，单位为kW。Pe可用台架试验来测定，也可用测功器测定有效转矩Me和曲角速度n，然后用如下公式计算出发动机的有效功率Pe

(1-1)

2)有效转矩

发动机对外输出的转矩称为发动机的有效转矩，记为Me，单位为N·m。Me可通过发动机台架试验来测定，也可用下式

进行计算：

(1-2)

3)平均有效压力

发动机单位气缸工作容积发出的有效功称为发动机的平均有效压力，记为Pe。平均有效压力从发动机实际输出功的角度来评定气缸工作容积的利用率。

对于气缸工作总容积和一定的发动机，Pe值越大，则其对外输出的功越多、扭矩越大，所以Pe是发动机重要的动力性能指标。

柴油机的Pe值的一般范围为600～950kPa；汽油机Pe值的一般范围为650～1200kPa。

4)转速

发动机曲轴每分钟的回转数称为发动机转速，记为n，单位为r/min。

2.经济性指标

1)有效热效率

燃料燃烧所产生的热量转化为有效功的百分数称为有效热效率，记为ηe。这说明，为获得一定数量的有效功所消耗的热量越少，有效热效率越高，发动机的经济性越好。

2)有效燃油消耗率

发动机每输出1kW·h的有效功所消耗的燃油量称为有效燃油消耗率，记为ge，单位为g/(kW·h)。有效燃油消耗率越低，经济性越好。ge可用测功器与油耗仪测定。

3．强化指标

强化指标是指发动机承受热负荷和机械负荷能力的评价指标。评价指标主要是升功率，记为PL。

4.紧凑性指标

1)比容积

发动机的外廓体积与其标定功率的比值称为比容积。

2)比质量

发动机的干质量与其标定功率的比值称为比质量。干质量是指未加注燃油、机油和冷却液的发动机质量。

比容积和比质量越小，发动机结构越紧凑。

5.环境保护指标

环境保护指标主要指发动机的排气品质和噪声水平。由于环境保护关系到人类的健康及其赖以生存的环境，因此各国政府都制定出了严格的控制法规，这是控制机动车排气污染的有效措施。当前，发动机的排放品质和噪声水平已成为发动机的重要性能指标。

6.可靠性指标

可靠性指标是表征发动机在规定的使用条件下，正常持续工作能力的指标。可靠性有多种评价方法，如首发故障行驶里程、平均故障间隔里程、主要零件的损坏率等。

7.耐久性指标

耐久性指标是指发动机的主要零件磨损到不能继续正常工作的极限时间，通常用发动机的大修里程即发动机从出厂到第一次大修之间汽车行驶的里程数来衡量。

大修里程的长短与发动机的结构特点、强化程度、零件的材料及加工精度和使用条件等诸多因素有密切关系。1.3.2发动机的热平衡

在发动机的气缸中，燃料燃烧后所放出的总热量，只有25%～40%转化为有效功，其他部分均以不同方式散失于外界。

燃料燃烧发出的总热量在有效功和各种损失之间的分配利用情况，称为发动机的热平衡，它通常由实验测定。研究热平衡对改善发动机的热力过程的设计、使用具有重要意义。1.3.3机械损失

1.机械损失的组成

1)发动机内部运动件的摩擦损失

摩擦损失约占整个机械损失的60%～75%。在摩擦损失中，活塞和活塞环与气缸壁间的摩擦所占的比例最大，因其摩擦面积大，相对速度高，润滑又不好；其次是轴承与轴颈之间的摩擦、气门传动机构的摩擦等。

2)驱动附属机构的损耗

这部分损耗约占全部损失的10%～20%。驱动附属机构的损耗包括驱动配气机构、冷却水泵、风扇、机油泵、喷油泵、调速器、点火装置等的损耗。

3)泵气损失

进、排气过程所消耗的功在测定机械损失时很难分离出去，所以把它包括在机械损失中。泵气损失约占全部机械损失的10%～20%。

机械损失功率可通过发动机台架试验来测定。常用的试验方法有倒拖法和灭缸法。

2.机械效率

有效功率Pe和指示功率Pi (在单位时间内，发动机完成

一个工作循环工质对活塞所作的功)的比值称为机械效率，记为ηm。

ηm用于比较各种不同发动机的机械损失大小。ηm值愈高，说明机械损失愈小，发动机性能愈好。

3.影响机械损失的主要因素

1)发动机的转速

2)发动机的负荷

3)润滑油的黏度和冷却液的温度

1.4汽油机可燃混合气的形成与燃烧过程

1.4.1车用汽油的主要性能与选用

1．汽油的主要性能

1)汽油的蒸发性

汽油的蒸发性可通过燃料的蒸馏试验来测定。

2)燃料的热值

燃料的热值是指1kg燃料完全燃烧后所产生的热量。汽油的热值约为44000kJ/kg。

3)抗爆性

抗爆性是指汽油在汽油机内燃烧时不产生爆燃的性能，它是汽油的一项主要性能指标。汽油抗爆性的评价指标通常用辛烷值来表示。汽油的辛烷值愈高，其抗爆性愈好，使发动机有可能采用较高的压缩比，有利于提高发动机的热效率。

4)氧化安定性

汽油的氧化安定性是指热稳定性，即防止生成高温沉积物的能力。

2．车用汽油标准

根据GB17930—2011《车用汽油》标准，我国车用汽油按研究法辛烷值(RON)划分为90号、93号和97号三个牌号，其对应的抗爆指数不小于90、93和97(目前，国际质量监督检验检疫总局批准了个别省和直辖市提出98号汽油标准，加油站也出售98号汽油)。

3．车用汽油的选用

使用汽车时，应选用厂家规定的汽油牌号，或根据发动机压缩比来选择汽油牌号，压缩比越大，汽油的牌号越高。1.4.2汽油机可燃混合气的形成过程

1.电子控制汽油缸外喷射可燃混合气的形成过程

电子控制汽油缸外喷射(ElecteonicFuleInjection，EFI)系统的发动机在排气行程末和进气行程初，在发动机电子控制单元(ECU)的控制下，喷油器喷射出来的雾状汽油在进气门前方的进气道中与空气进行初步混合后，经进气门进入气缸，在气缸内汽油又不停地进行吸热、蒸发、汽化，与空气进一步混合，直至压缩行程接近终了，才形成良好的可燃混合气。

2.电子控制汽油缸内直接喷射可燃混合气的形成过程

缸内直接喷射(GasolineDirectInjection，GDI)系统的发动机是将汽油直接喷入气缸，利用缸内气流和活塞表面的燃料雾化与空气形成混合气进行燃烧。1.4.3汽油机可燃混合气浓度的表示方法

1．空燃比

空燃比就是混合气中所含空气质量(kg)与燃料质量(kg)的比值，即

2．过量空气系数

过量空气系数是在燃烧过程中，实际供给的空气质量与理论上燃料完全燃烧时所需的空气质量之比，也等于实际空燃比与理论空燃比之比，即1.4.4发动机工况对可燃混合气浓度的要求

1.怠速和小负荷工况

怠速是指发动机对外无功率输出的工况，作功行程产生的动力只用来克服发动机的内部阻力，维持发动机以最低稳定转速运转。

2.中等负荷工况

发动机的负荷在25%～85%之间的称为中等负荷。由于中等负荷时，节气门开度较大，故进入气缸的混合气数量增多，燃烧条件较好。此外，由于发动机大部分的时间处在中等负荷下工作，为提高发动机的经济性，应供给较稀的可燃混合气(α=0.9～1.1)。

3.大负荷和全负荷工况

发动机的负荷在85%以上和100%的分别称为大负荷和全负荷。此时，为了克服较大的外部阻力，或加速行驶，要求发动机发出尽可能大的功率。因此，必须将节气门开大到接近全开或全开，供给较浓的可燃混合气(α=0.85～0.95)。1.4.5汽油机的正常燃烧过程

高速汽油机的燃烧过程持续时间很短。通常借助于展开示功图分析汽油机的燃烧过程。展开示功图的横坐标为曲轴转角φ，纵坐标为气缸内气体压力p，故展开示功图也称为p-φ图。为研究方便，可根据展开示功图上压力变化的特征，将汽油机的燃烧过程划分为三个阶段，如图1-8所示。图1-8汽油机的燃烧过程

1.着火延迟期

着火延迟期是指从火花塞点火开始到火焰中心形成的

阶段。

2.急燃期

急燃期是指从火焰中心形成开始到气缸内出现最高压力为止的阶段。

3.补燃期

补燃期是指从最高压力出现到燃油基本上完全燃烧的

阶段。1.4.6汽油机的不正常燃烧过程

1．爆震燃烧

1)现象与危害

在汽油机的燃烧过程中，燃烧室内有明显的火焰前锋在

推进。

严重的爆燃会有下列危害：

(1)机件过载。

(2)机件烧损。

(3)性能指标下降。

2)预防措施

在发动机的设计和使用中，应采取各种措施来防止爆燃的产生。

2．表面点火

不靠火花塞点火而由燃烧室内炽热物点燃混合气的燃烧现象，称为表面点火。表面点火是由燃烧室内炽热物作为点火源而形成的新的着火现象，是一种不正常的燃烧现象。燃烧室内炽热物有过热的火花塞电极、热的排气门、热的燃烧表面沉积物等。由表面点火产生的新的火焰前锋以正常的速度传播。1.4.7使用因素对汽油机燃烧过程的影响

1.进气初始态p1与T1

2.点火提前角

3.混合气浓度

4.转速

5.负荷

6.燃烧沉积物

1.5柴油机可燃混合气的形成与燃烧过程

1.5.1车用柴油的主要性能与选用

1.柴油的主要性能

1)柴油的发火性

2)柴油的蒸发性

3)柴油的黏度

4)柴油的凝点与牌号

2．车用柴油使用时的注意事项

使用柴油时，必须防止错用汽油或混入汽油，以免引起柴油机起动困难。在严寒条件下，若用普通柴油不能起动时，则可用起动燃料帮助发动。1.5.2柴油机可燃混合气的形成过程

柴油机采用高压喷射的方法，即在压缩行程接近终了时，借助喷油器将柴油喷入燃烧室，与气缸中高温、高压的空气混合形成可燃混合气。经过一系列的物理、化学准备后，着火燃烧；随后，混合气的形成与燃烧便重叠进行，即一边喷油、混合，一边燃烧。1.5.3柴油机的燃烧过程

柴油机的燃烧过程是从压缩行程上止点前喷油开始到作

功行程燃烧终了为止的整个过程。它所占的时间很短(约为50°～70°曲轴转角，高速柴油机的燃烧过程时间只有0.003～0.006s)，整个过程非常复杂。我们把它分为四个阶

段(见图1-9)。图1-9柴油机的燃烧过程

1．着火延迟期(滞燃期)

从喷油开始(A点)到压力脱离压缩线开始急剧上升(B点)为止，这一阶段称为着火延迟期，如图1-9中的Ⅰ线段所示。

2．速燃期(急燃期)

从压力偏离压缩线的B点开始到最高压力点C为止，这一阶段称为速燃期，如图1-9中的Ⅱ线段所示。

3．缓燃期

从最高压力点C开始到气缸内介质温度达到最高温度点D为止，这一阶段称为缓燃期，如图1-9中的Ⅲ线段所示。

4．补燃期(后燃期)

从出现最高温度点D开始到柴油基本烧完为止，这一阶段称为补燃期，如图1-9中的Ⅳ线段所示。当放热量已达到循环放热量的95%～97%时，即认为补燃期结束。

1.6国外发动机型号的含义

国外发动机型号无统一编制规则，由生产厂家自定。

1.日本丰田汽车公司发动机型号

2.瑞典沃尔沃汽车公司发动机型号

3．奥地利斯太尔汽车公司发动机型号

国产斯太尔重型汽