《机械装备导论》课件第2章

第2章动力机械2.1动力机械概述2.2典型动力机械——内燃机2.3发动机的工作原理及性能指标2.4发动机的总体构造2.5其他动力机械简介2.1动力机械概述人类的生存和社会的发展离不开动力，动力的发展和进步也同样标志着社会与科学技术的发展和进步。人类早期利用的动力是风力，在5000多年前人类就开始使用帆船。此后又掌握了用畜力和简单的水力从事生产活动。11世纪，荷兰人使用了风车泵水和碾谷。18世纪，蒸汽机的产生促进了第一次工业革命。19世纪，内燃机的崛起打破了蒸汽机动力的统治地位，并导致了汽车的产生和发展。19世纪末，蒸汽轮机的出现使火力发电得到了很快的发展，进而促进了工业生产的大发展。本世纪以来，随着科学技术的进步，多种多样的汽油机、柴油机、汽轮机、燃气轮机、喷气发动机、火箭发动机等新型动力机械相继出现，多种新型高效的动力循环及新能源(太阳能、地热能、风能、潮汐能等)动力装置应运而生。动力技术的发展促使全球经济得到迅速发展，当今的时代是一个与动力的应用和发展息息相关的时代。动力机械是指将自然界能源直接转换为机械能并拖动其他机械进行工作的机械，所以又称原动机或发动机。动力机械是在完成动力的产生、传递和输出的动力系统中最主要的设备。动力机械有多种形式，若按将自然界中不同能量转变为机械能的方式，可以分为风力机械、水力机械和热力发动机三大类。风力机械有风帆、风车(风力机)、风磨等。水力机械有水车、水磨、水轮机等。热力发动机包括蒸汽机、汽轮机、内燃机(汽油机、柴油机、煤气机等)、热气机、燃气轮机、喷气发动机等。在工业、农业、交通、采矿、兵工等部门，内燃机的应用最为广泛。此外，动力机械也可按作功物质分为蒸汽动力机(如汽轮机、蒸汽机)、燃气动力机(如汽油机、柴油机、煤气机、燃气轮机、喷气发动机等)、水动力机(如水轮机)三类；按加热方式分为内燃动力机(如柴油机、汽油机、煤气机、喷气发动机等)、外燃动力机(如汽轮机、蒸汽机、燃气轮机等)及水动力机(无加热，如水轮机)。2.2典型动力机械——内燃机内燃机是一种典型动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。广义上的内燃机不仅包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机，也包括旋转叶轮式的燃气轮机、喷气式发动机等。通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。活塞式内燃机将燃料和空气混合，在其气缸内燃烧，释放出的热能使气缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞作功，再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出，驱动从动机械工作。活塞式内燃机以往复活塞式最为普遍，它具有体积小、移动灵活、热效率高和操作方便等特点，广泛应用在交通运输、工程机械、农业机械、小型发电设备等领域。2.2.1内燃机的发展历史

活塞式内燃机自19世纪60年代问世以来，经过不断改进和发展，已是比较完善的机械。它热效率高、功率和转速范围宽、配套方便、机动性好，所以获得了广泛的应用。全世界各种类型的汽车、拖拉机、农业机械、工程机械、小型移动电站和战车等都以内燃机为动力。海上商船、内河船舶和常规舰艇，以及某些小型飞机也都由内燃机来推进。世界上内燃机的保有量在动力机械中居首位，它在人类活动中占有非常重要的地位。活塞式内燃机起源于用火药爆炸获取动力，但因火药燃烧难以控制而未获成功。1794年，英国人斯特里特提出从燃料的燃烧中获取动力，并且第一次提出了燃料与空气混合的概念。1833年，英国人赖特提出了直接利用燃烧压力推动活塞作功的设计。之后人们又提出过各种各样的内燃机方案，但在19世纪中叶以前均未付诸实用。直到1860年，法国的勒努瓦模仿蒸汽机的结构，设计制造出第一台实用的煤气机。英国的巴尼特曾提倡将可燃的混合气体在点火之前进行压缩，随后又有人著文论述了对可燃混合气体进行压缩的重要作用，并且指出压缩可以大大提高勒努瓦内燃机的效率。1862年，法国科学家罗沙对内燃机热力过程进行理论分析之后，提出提高内燃机效率的要求，也就是最早的四冲程工作循环。

1876年，德国发明家奥托运用罗沙的原理，成功创制了第一台往复活塞式、单缸、卧式、3.2 kW(4.4马力)的四冲程内燃机，它仍以煤气为燃料，采用火焰点火，转速为156.7 r/min，压缩比为2.66，热效率达到14%，运转平稳。在当时，无论是功率还是热效率，它都是最高的。随着奥托内燃机的推广，其性能也在不断的提高。1880年单机功率已达到11～15 kW

(15～20马力)，到1893年提高到了150 kW。由于压缩比的提高，热效率也随之增高，1886年热效率为15.5%，而1897年已高达20%～26%。1881年，英国工程师克拉克研制成功第一台二冲程的煤气机，并在巴黎博览会上展出。

1883年，德国的戴姆勒创制成功了第一台立式汽油机，它的特点是轻型和高速。当时其他内燃机的转速不超过200 r/min，它却一跃而达到800 r/min，特别适应交通动输机械的需求。1885～1886年，汽油机作为汽车动力成功运行，大大推动了汽车的发展。

1892年，德国工程师狄塞尔受面粉厂粉尘爆炸的启发，设想将吸入气缸的空气高度压缩，使其温度超过燃料的自燃温度，再用高压空气将燃料吹入气缸，使之着火燃烧。于是他于1897年研制成功了压缩点火式内燃机(柴油机)，这为内燃机的发展开拓了新途径。虽然狄塞尔力图使内燃机实现卡诺循环，以求获得最高的热效率，但实际上做到的只是近似的等压燃烧，其热效率仅有26%。压缩点火式内燃机的问世，引起了世界机械业的极大兴趣，压缩点火式内燃机也因发明者而命名为狄塞尔引擎。这种内燃机以后大多用柴油为燃料，故又称为柴油机。1898年，柴油机首先用于固定式发电机组，1903年用作商船动力，1904年装于舰艇，1913年第一台以柴油机为动力的内燃机车制成，1920年左右开始用于汽车和农业机械。早在往复活塞式内燃机诞生以前，人们就曾致力于创造旋转活塞式的内燃机，但均未获成功。直到1954年，联邦德国工程师汪克尔解决了密封问题后，才于1957年研制出旋

转活塞式发动机，被称为汪克尔发动机。它具有近似三角形的旋转活塞，在特定型面的气缸内作旋转运动，按奥托循环工作。这种发动机功率高、体积小、振动小、运转平稳、结构简单、维修方便，但由于它燃料经济性较差、低速扭矩低、排气性能不理想，所以还只是在个别型号的轿车上得到采用。2.2.2内燃机分类

内燃机的分类方法很多，按照不同的分类方法可以把内燃机分成不同的类型，常见的分类形式如下。

1．按照所用燃料分类

内燃机按照所使用燃料的不同可以分为汽油机和柴油机(图2-1)。使用汽油为燃料的内燃机称为汽油机；使用柴油为燃料的内燃机称为柴油机。汽油机与柴油机比较各有特点；汽油机转速高、质量小、噪音小、起动容易、制造成本低；柴油机压缩比大、热效率高、经济性能和排放性能都比汽油机好。图2-1汽油机与柴油机外形图

2．按照行程分类

内燃机按照完成一个工作循环所需的行程数可分为四行程内燃机和二行程内燃机(图2-2)。把曲轴转两圈(720°)，活塞在气缸内上下往复运动四个行程，完成一个工作循环的内燃机称为四行程内燃机；而把曲轴转一圈(360°)，活塞在气缸内上下往复运动两个行程，完成一个工作循环的内燃机称为二行程内燃机。汽车发动机广泛使用四行程内燃机。图2-2四行程内燃机和二行程内燃机外形图

3．按照冷却方式分类

内燃机按照冷却方式不同可以分为水冷发动机和风冷发动机(图2-3)。水冷发动机是利用在气缸体和气缸盖冷却水套中进行循环的冷却液作为冷却介质进行冷却的；而风冷发动机是利用流动于气缸体与气缸盖外表面散热片之间的空气作为冷却介质进行冷却的。水冷发动机冷却均匀，工作可靠，冷却效果好，被广泛地应用于现代车用发动机。图2-3水冷发动机和风冷发动机外形图

4．按照气缸数目分类

内燃机按照气缸数目不同可以分为单缸发动机和多缸发动机(图2-4)。仅有一个气缸的发动机称为单缸发动机；有两个以上气缸的发动机称为多缸发动机。如双缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸等都是多缸发动机。现代车用发动机多采用四缸、六缸、八缸发动机。图2-4单缸和多缸发动机外形图

5．按照气缸排列方式分类

内燃机按照气缸排列方式不同可以分为直列式和双列式(图2-5)。直列式发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的，但为了降低高度，有时也把气缸布置成倾斜的甚至水平的；双列式发动机把气缸排成两列，两列之间的夹角小于180°(一般为90°)者称为V形发动机，两列之间的夹角等于180°者称为对置式发动机。图2-5直列和V形发动机外形图

6．按照进气系统是否采用增压方式分类

内燃机按照进气系统是否采用增压方式可以分为自然吸气(非增压)式发动机和强制进气(增压式)发动机(图2-6)。汽油机常采用自然吸气式；柴油机为了提高功率有采用增压式的。图2-6自然吸气式发动机和增压发动机剖面图2.2.3各种内燃机的典型结构

1．点燃式发动机

图2-7给出了一台二冲程点燃式发动机的横剖面图。它的主要形式为单缸、直立风冷、缸径X行程为50 mm×50 mm、12 h功率/曲轴转速为2.2 kW/(4000 r/min)、15 min功率/曲轴转速为3 kW/(5000r/min)、采用曲轴箱换气。这种形式发动机的优点为结构简单、零件数少，每缸仅有3个运动零件，即活塞、连杆、曲轴。由于做功次数为四冲程机的一倍，因此升功率比四冲程高；但由于有扫气损失，加之采用混合油(将润滑油以一定比例加入汽油中)或采用润滑油一次性地润滑活塞、活塞环与缸套，因此它的燃油、润滑油消耗量，未燃碳氢排放量比四冲程发动机高，常用于小型轻便动力装置上。图2-71E50F发动机横剖面图图2-8为一台用于长安奥拓汽车的368汽油机的剖视图。它的主要形式为直立、四冲程、水冷、三缸机，缸径X行程为68.5 mm×72 mm，标定功率/标定转速为26.2 kW/(5500r/min)、采用化油器供油、二气门、多球形燃烧室和单顶置凸轮轴。由曲轴前端的定时同步带轮通过同步带带动安装于气缸盖上的凸轮轴，再通过摇臂驱动气门。这种传动方式较之下置凸轮轴、齿轮传动，简化了配气机构传动装置，减少了挺柱、推杆等往复运动零件，降低了配气机构的动力载荷，降低了噪声。该发动机主要用于奥拓轿车以及其他小型动力装置。图2-8奥拓368汽油机剖视图1—气缸盖罩；2—气缸盖；3—火花塞；4—排气歧管；5—气缸体；6—飞轮；7—活塞；8—连杆；9—曲轴；10—油底壳；11—机油集滤器；12—机油泵；13—曲轴带轮；14—定时带轮；15—发电机传动带；16—水泵；17—水泵带轮；18—张紧轮；19—定时传动带；20—凸轮轴带轮；21—凸轮轴；22—气门；23—气门摇臂；24—气门摇臂轴；25—分电器图2-9为用于桑塔纳(普通型)轿车的JV型发动机的纵横剖面图。桑塔纳轿车JV型发动机的形式为直列四缸四冲程水冷发动机，缸径X行程为81 mm×86.4 mm，标定功率为

66 kW(5200r/min时)，最大转矩为145 N·m/(3500r/min时)，采用化油器供油、顶置凸轮轴，由曲轴前端的定时同步带轮通过同步带、中间轴和凸轮轴上的同步带轮带动安装于气缸盖上的凸轮轴，高速性能好。图2-10所示为用于奥迪A4型轿车的汽油机纵横剖面图，它的形式为直立四冲程、水冷、四缸，缸径X行程为86.4 mm×81 mm，标定功率/标定转速为110 kW/(6800 r/min)、采用球形燃烧室、顶置凸轮轴、五气门及增压中冷，从而获得良好的动力性、经济性及高速适应性。它采用电控汽油喷射、闭环、电子管理自诊断系统及三效催化剂，对排气进行后处理。其平均有效压力达1.48 MPa，是一种用于小轿车的高性能汽油机。图2-9桑塔纳(普通型)轿车JV型发动机的纵横剖面图图2-10奥迪A4型汽油机纵横剖面图以上介绍的均为采用曲柄连杆机构的往复式发动机，汪克尔转子(又称三角形转子)发动机则是另一种与上述结构完全不同的发动机，图2-11示出了汪克尔发动机的主要部件与工作原理图。它仅有两个运动零件，即三角形转子与偏心轴。三角形转子在缸体型线中的运动规律是由固定在三角形转子上的定时内齿轮绕固定在前端盖上的定时外齿轮作行星运动实现的，内齿轮固定在三角形转子上，三角形转子轴承套在偏心轴颈上，偏心轴一端支承于外齿轮的主轴承中，另一端支承于后端盖的主轴承中，内外齿轮的齿数比为3:2，缸体型线为“双弧外次摆线”又名“双弧长短幅圆外旋轮线”，三角形转子的型线为“外旋轮线的内包络线”或“内旋轮线”。转子转动时通过缸体中的进、排气孔(有时铸在端盖中)换气，燃烧室由缸体与转子表面型线构成，采用密封片、密封条和密封销及它们底部的弹簧片来保证这些密封件紧贴在缸体型面和端盖平面上进行密封。转子发动机的工作原理是以转子表面型线所确定的燃烧室四冲程循环中的进气、压缩、做功和排气行程。由三角形转子另外两个表面所确定的另外两个燃烧室经历了与该表面相同的过程，三角形转子转一圈，偏心轴转三圈，三个燃烧室产生三个做功行程，因此相当于偏心轴转一圈产生一个做功行程。汪克尔转子发动机结构简单、紧凑，零件数少，平衡性好，噪声振动小，有高的升功率和单位质量功率，高速性能好。它的缺点是燃油消耗率高，燃烧室面容比大，HC排放较高，低速低负荷性能较差，目前在一定的领域中有应用。图2-11汪克尔发动机的主要部件与工作原理图1—固定定时齿轮；2—缸体；3—排气道；4—内定时齿轮；5—驱动端；6—偏心轮；7、13—端盖；8—飞轮；9—偏心轮轴；10—转子；11—进气道；12—冷却水通道

2．压燃式发动机

压燃式发动机或柴油机被广泛应用于载货汽车、机车、船舶和发电。由于采用压燃，柴油机的压缩比比汽油机大，在12～24范围内，压缩比的大小取决于发动机缸径、类型以及自然吸气还是采用涡轮增压。柴油机由于应力水平高于汽油机，因此较点燃式内燃机质量大。图2-12所示为第一汽车集团公司无锡柴油机厂生产的6110/125ZL柴油机。它是直立6缸四冲程水冷增压柴油机。图2-12第一汽车集团公司6110B柴油机纵横剖面图(a)纵剖图；(b)横剖面缸径X行程为110 mm×l25 mm，标定功率/标定转速为170 kW/(2300r/min)，最大转矩为850 N·m/(1400 r/min)；采用O形直喷式燃烧室，燃油由4孔喷油器直接喷入活塞顶所形成的燃烧室内；采用特殊设计的进气道产生绕气缸轴线旋转的进气涡流，帮助混合气形成和增加燃烧速率；采用WHIE型增压器，增压压力为120 kPa，最大转矩时的平均有效压力可达1.5 MPa；采用锻钢曲轴，以提高曲轴强度。这种柴油机动力经济性好，最低燃油消耗率不高于205 g/(kW·h)，排放低。

3．分层充量发动机

从20世纪20年代起，内燃机工作者一直希望综合汽油机和柴油机的优点来发展一种混合发动机，通过：①燃油直接喷入缸内，以避免汽油机采用预混燃烧时的爆燃问题；②燃油与空气的混合气由火花塞点燃，避免燃烧受燃油着火性能(如十六烷值)的限制；③通过改变喷入的燃油量来调节功率，避免泵气损失，从而希望获得在优化的压缩比下的高效燃烧。这种发动机要求混合气的浓度分布是在火花塞附近形成较浓的、易于点燃的混合气，在火花塞下游则较稀。这种浓度分布既能保证可靠点燃，又能燃烧较完全，因而称为分层充量发动机。由于燃油直接喷入缸内，不易爆燃，提高了燃料的抗爆性；由于有火花塞助燃，降低了对燃料着火性能的要求，因此可用多种燃料。2.3发动机的工作原理及性能指标2.3.1四冲程发动机工作原理

1．单缸发动机构造及术语单缸汽油发动机的基本结构如图2-13所示。气缸2内装有活塞3，活塞通过活塞销4、连杆5与曲轴9相连接。活塞在气缸内作往复运动，通过连杆推动曲轴转动。为了吸入新鲜气体和排出废气，设有进气门15和排气门16。图2-13单缸汽油发动机的基本结构图图2-14为发动机示意图。活塞顶离曲轴中心最远处，即活塞最高位置称为上止点。活塞顶离曲轴中心最近处，即活塞最低位置称为下止点。上、下止点间的距离S称为活塞行程，曲轴与连杆下端的连接中心至曲轴中心的距离R称为曲柄半径。活塞每走一个行程相应于曲轴转角180°。对于气缸中心线通过曲轴中心线的发动机，活塞行程S等于曲柄半径的2倍。图2-14发动机示意图

2．四冲程汽油机工作原理

四冲程发动机的工作循环包括四个活塞行程，即进气行程、压缩行程、膨胀行程(作功行程)和排气行程。图2-15所示为单缸四冲程汽油机工作循环示意图。1—排气门；2—火花塞活塞；3—连杆；4—进气门；5—气缸；6—曲轴图2-15单缸四冲程汽油机工作循环示意图

1)进气行程(图2-15(a))

化油器式汽油机将空气与燃料先在气缸外部的化油器中进行混合，形成可燃混合气，然后再吸入气缸。进气行程中，进气门开启，排气门关闭，曲轴带动活塞从上止点向下止点移动，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力以下，即在气缸内造成真空吸力。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，进气终了时气缸内气体压力约为0.075～0.09 MPa。吸入气缸内的可燃混合气，因与前一循环留下的高温残余废气混合，并与气缸壁、活塞顶等高温机件表面接触，所以在进气行程结束时，气缸内的气体温度将升高到370～440 K。

2)压缩行程(图2-15(b))

为使吸入气缸的可燃混合气能迅速燃烧，以产生较大的压力，从而使发动机发出较大功率，必须在燃烧前将可燃混合气压缩，使其容积缩小、密度加大、温度升高，即需要有压缩过程。在这个过程中，进、排气门全部关闭，曲轴推动活塞由下止点向上止点移动。在压缩行程中，随着活塞的上移，气缸上方的容积不断减小，混合气温度、压力因受压缩而升高。到压缩终了时，可燃混合气的压力会升高到0.6～1.2 MPa，温度可达600～700 K。

3)作功行程(图2-15(c))

在压缩行程后期，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，点燃被压缩的可燃混合气。可燃混合气迅速燃烧，放出大量的热能。因此，燃烧气体的温度和压力迅速增加。所能达到的最高压力约为3～5 MPa，相应的最高温度则可达到2200～2800 K。

4)排气行程(图2-15(d))

可燃混合气燃烧后生成废气，必须从气缸内排除，以便进行下一个工作循环的进气行程。当作功行程接近终了时，进气门关闭、排气门开启，靠废气的残余压力进行自由排气，活塞到达下止点后再向上止点运动时，继续将废气强制排到大气中。活塞到上止点附近时，排气行程结束。

3．四冲程柴油机工作原理

四冲程的柴油机(压燃式发动机)和汽油机一样，每个工作循环也经历进气、压缩、作功、排气四个行程。但由于柴油机用的燃料是柴油，其粘度比汽油大，不易蒸发，而其自燃温度却较汽油低，故可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。图2-16为单缸四冲程柴油机工作循环示意图。

柴油机在进气行程吸入的是纯空气。在压缩行程接近终了时，柴油机经喷油泵5将油压提高到10 MPa以上，通过喷油器1喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。因此这种发动机的可燃混合气是在气缸内部形成的，而不是像汽油机那样，混合气主要在气缸外面的化油器中形成。图2-16单缸四冲程柴油机工作循环示意图由于柴油机压缩比高(一般为16～22)，故压缩终了时气缸内空气压力可达3 MPa，同时温度高达750～1000 K，大大超过了柴油的自燃温度,故柴油喷入气缸后，在很短时间内与空气混合后便立即自行发火燃烧。气缸内气压急速上升到6～9MPa,温度也升到2000～2500 K。在高压气体推动下，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。

柴油机与汽油机比较，各有特点。汽油机具有转速高(目前轿车用汽油机最高转速达5000～6000 r/min，货车用的达4000 r/min左右)、质量小、工作时噪声小、起动容易、制造和维修费用低等特点，故在轿车和中、小型货车及军用越野车上得到广泛的应用。其不足之处是燃油消耗率较高，因而燃料经济性较差。2.3.2二冲程发动机工作原理

1．二冲程汽油机工作原理

二冲程发动机的工作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。图2-17所示的一种用曲轴箱扫气的二冲程化油器式汽油机的工作示意图。1—进气孔；2—排气孔；3—扫气孔图2-17二冲程汽油机工作示意图(a)压缩；(b)进气(可燃混合气)；(c)燃烧；(d)排气图2-17(a)表示活塞向上运动，当活塞将三个孔都关闭时，开始压缩在上一循环即已进入缸内的可燃混合气，同时在活塞下面的曲轴箱内形成真空度(这种发动机的曲轴箱必须是密封的)。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(图2-17(b))，活塞接近上止点时(图2-17(c))，火花塞发出电火花，点燃被压缩的混合气。高温、高压气体膨胀迫使活塞向下移动。进气孔1逐渐被关闭，流入曲轴箱的混合气则因活塞的下移而被预先压缩，当活塞接近下止点时，排气孔2开启，废气经过孔2、排气管、消声器排到大气中，受到预压的新鲜混合气便自曲轴箱经孔3流入气缸内，并扫除废气(图2-17(d))。废气从气缸内被新鲜混合气扫除并取代的过程，称为气缸换气过程。故孔3称为扫气孔或换气孔。由上述可知，在二冲程汽油机内，一个工作循环所包含的两个行程是：

(1)第一行程。活塞自下止点向上移动，事先已充入活塞上方气缸内的混合气被压缩。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。活塞自上止点向下移动，活塞上方进行作功过程和换气过程，而活塞下方则进行可燃混合气的预压缩。

2．二冲程柴油机工作原理

二冲程柴油机的工作过程和二冲程化油器式发动机的工作过程相似，所不同的是进入柴油机气缸的不是可燃混合气，而是纯空气。图2-18所示为带有扫气泵的二冲程柴油机工作示意图。二冲程发动机的工作原理如下：

第一冲程，活塞从下止点向上止点运动。当活塞处于下止点时，排气阀和进气孔早已打开，储气室中的压缩空气便进入气缸内，并冲向排气阀，这时产生清除废气的作用，同时也使气缸内充满新空气。当活塞由下止点向上止点运动时，进气孔首先由活塞关闭，然后排气阀也关闭；空气在气缸内受到压缩。第二冲程，活塞从上止点向下止点运动。活塞行至上止点前，喷油器将燃油喷入燃烧室中，压缩空气所产生的高温，立刻点燃雾化的燃油，燃烧所产生的压力，推动活塞下行，直到排气阀再打开时为止。燃烧后的废气在内外压力差的作用下，自行从排气阀排出。当进气孔被活塞打开后，气缸内又进行扫气过程。曲轴每转一转，活塞走过两个冲程就完成一个循环，因此叫二冲程柴油机。图2-18二冲程柴油机工作示意图2.3.3发动机主要性能指标

发动机的主要性能指标有动力性指标(有效转矩、有效功率、转速等)，经济性指标(燃油消耗率)，运转性能指标(排气品质、噪声和起动性能等)。

1．动力性能指标

1)有效转矩

发动机通过飞轮对外输出的转矩称为有效转矩，以Te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

发动机通过飞轮对外输出的功率称为有效功率，用Pe表示，单位为kW。它等于有效转矩与曲轴角速度的乘积。

2．经济性指标

发动机每发出1 kW有效功率，在1 h内所消耗的燃油质量(以g为单位)，称为燃油消耗率，用be表示。很明显，燃油消耗率越低，经济性越好。

3．发动机的运转性能指标

发动机的运转性能指标主要指排气品质、噪声、起动性等。由于这些性能不仅与使用者利益相关，更关系到人类的健康，因此，必须指定共同遵守的统一标准，并给予严格控制。

1)排气品质

发动机的排气中含有对人体有害的物质，它对大气的污染已形成公害。为此，各国采取了许多对策，并制定了相应的控制法规。发动机排出的有害排放物，主要有氮氧化合物(NOx)、碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)等以及排气颗粒。

2)噪声

噪声会刺激神经，使人心情烦躁，反应迟钝，甚至耳聋，诱发高血压和神经系统的疾病。汽车是城市主要的噪声源之一，发动机又是汽车的主要噪声源，故必须给予控制。如我国的噪声标准中规定，轿车的噪声不得大于82 dB。

3)起动性能

起动性能好的发动机在一定温度下能可靠发动，起动迅速，起动消耗的功率小，起动期磨损少。发动机起动性能的好坏除与发动机结构有关外，还与发动机工作过程相联系，它直接影响汽车机动性、操作者的安全和劳动强度。我国标准规定，不采用特殊的低温起动措施，汽油机在－10℃、柴油机在－50℃以下的气温条件下起动发动机，15 s以内发动机要能自行运转。

4．发动机的速度特性

发动机速度特性指发动机的功率、转矩和燃油消耗率三者随曲轴转速变化的规律。这个特性可以通过发动机在试验台上(例如测功器试验台)进行试验而求得。

5．发动机工作状况

发动机工作状况(简称发动机工况)，一般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。

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可能发出的最大功率之比，以百分数表示。2.4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。现代发动机的结构形式很多，即使是同一类型的发动机，其具体构造也是各种各样的。下面以东风EQ6100-1型发动机为例，介绍四冲程汽油发动机的一般构造(图2-19)。图2-19东风EQ6100-1型汽油发动机构造图2.4.1曲柄连杆机构

曲柄连杆机构的功用是把燃气作用在活塞顶上的力转变为曲轴的转矩，以向工作机械输出机械能。曲柄连杆机构的主要零件可以分成三组：机体组、活塞连杆组以及曲轴飞轮组。

1．机体组

1)气缸体

水冷发动机的气缸体和曲轴箱常铸成一体，可称为气缸体—曲轴箱，也简称气缸体。气缸体上半部有一个或若干个为活塞在其中运动导向的圆柱形空腔，称为气缸。下半部为支撑曲轴的曲轴箱，其内腔为曲轴运动的空间。作为发动机各个机构和系统的装配基体，气缸体本身应当有足够的刚度和强度。其具体结构形式分为三种，如图2-20所示。图2-20气缸体示意图(a)一般式气缸体；(b)龙门式气缸体；(c)隧道式气缸体1—气缸体；2—水套；3—凸轮轴孔座；4—加强肋；5—湿缸套；6—主轴承座；7—主轴承座孔；8—安装油底壳的加工面；9—安装主轴承盖的加工面气缸体下表面与曲轴轴线在同一平面上的为一般式气缸体(图2-20(a))，北京BJ2023吉普车的492QA型发动机的气缸体即属于这种结构。气缸体下表面移至曲轴轴线以下的为龙门式气缸体(图2-20(b))，解放CA1091型汽车用CA6120型发动机的气缸体即属于这种结构。气缸体下表面再下移，远低于曲轴轴线，曲轴主轴承座孔为整体式结构的为隧道式气缸体(图2-20(c))。如黄河JN1181C13型汽车6135Q型发动机的气缸体即属于这种结构。为了保证气缸表面能在高温下正常工作，必须对气缸和气缸盖随时加以冷却。汽车发动机上较多的是水冷却。发动机用水冷却时，气缸周围和气缸盖中均有用以充水的空腔，称为水套(图2-21)。发动机用空气冷却时，在气缸体和气缸盖外表面铸有许多散热片，以增加散热面积，保证散热充分，如图2-22所示。一般风冷发动机的缸体与曲轴箱是分开铸造的。图2-21气缸体和气缸盖图2-22风冷发动机的气缸体和气缸盖

2)气缸盖

气缸盖的主要功用是封闭气缸上部，并与活塞顶和气缸壁一起形成燃烧室。气缸盖内部也有冷却水套，其端面上的冷却水孔与气缸体的冷却水孔相通，以便利用循环水来冷却燃烧室等高温部分。发动机的气缸盖上应有进、排气门座及气门导管孔和进、排气通道等，如图2-23所示。汽油机气缸盖还设有火花塞座孔，而柴油机则设有安装喷油器的座孔。图2-23CA6102型发动机气缸盖

3)气缸垫

气缸盖与气缸体之间置有气缸垫，以保证燃烧室的密封。气缸垫应满足如下主要要求：①在高温高压燃气作用下有足够的强度，不易损坏；②耐热和耐腐蚀，即在高温、高压燃气或有压力的机油和冷却水的作用下不烧损或变质；③具有一定弹性，能补偿接合面的不平度，以保证密封；④拆装方便，能重复使用，寿命长。

4)油底壳

油底壳的主要功用是储存机油并封闭曲轴箱。油底壳受力很小，一般采用薄钢板冲压而成，其形状取决于发动机的总体布置和机油的容量。在有些发动机上，为了加强油底壳内机油的散热，采用了铝合金铸造的油底壳，在壳的底部还铸有相应的散热肋片。

为了保证在发动机纵向倾斜时机油泵能经常吸到机油，油底壳后部一般做得较深。油底壳内还设有挡油板，防止汽车振动时油面波动过大。油底壳底部装有放油塞。有的放油塞是磁性的，能吸集机油中的金属屑，以减少发动机运动零件的磨损。

2．活塞连杆组

活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆等机件组成(图2-24)。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。图2-24一汽奥迪100型轿车发动机活塞连杆组

1)活塞

活塞的主要作用是承受气缸中气体压力所造成的作用力，并将此力通过活塞销传给连杆，以推动曲轴旋转。活塞顶部还与气缸盖及气缸壁共同组成燃烧室。活塞的基本构造如图2-25所示，分为顶部、头部和裙部三部分。图2-25活塞结构图

(1)活塞顶部。活塞顶部的形状与选用的燃烧室形式有关。汽油机活塞顶部多采用平顶，其优点是吸热面积小，制造工艺简单。有些汽油机为了改善混合气形成和燃烧而采用凹坑或凸顶活塞。凹坑的大小可以用来调节发动机的压缩比(或给气门留下运动空间)。活塞顶部加工应力求光洁。在有的发动机上，为了减轻活塞顶部的热负荷，在活塞顶部喷镀陶瓷。

(2)活塞头部。活塞头部是指活塞环槽以上的部分。其主要作用有三：①承受气体压力，并传给连杆；②与活塞环一起实现气缸的密封；③将活塞顶所吸收的热量通过活塞环传导到气缸壁上。头部切有若干道用以安装活塞环的环槽。汽油机一般有2～3道环槽，上面1～2道用以安装气环，下面一道用以安放油环。在油环槽底面上钻有许多径向小孔，使被油环从气缸壁上刮下来的多余机油，得以经过这些小孔流回油底壳。

(3)活塞裙部。活塞裙部是指自油环槽下端面起至活塞底面的部分。其作用是为活塞在气缸内作往复运动导向和承受侧压力。

2)连杆

连杆的功用是将活塞承受的力传给曲轴，使得活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆(图2-26)由连杆小头2、杆身3和连杆大头5(包括连杆盖7)三部分组成。连杆小头与活塞销相连。工作时，小头与销之间有相对转动，因此小头孔中一般压入减摩的青铜衬套。为了润滑活塞销与衬套，在小头和衬套上钻出集油孔12或铣出集油槽13(图2-27)，用来收集发动机运转时被激溅上来的机油，以便润滑。有的发动机连杆小头采用压力润滑，在连杆杆身内钻有纵向的压力油通道。图2-26连杆组件分解图图2-27连杆的构造(a)斜切口；(b)平切口

3．曲轴飞轮组

曲轴飞轮组主要由曲轴和飞轮以及其他不同功用的零件和附件组成。其零件和附件的种类和数量取决于发动机的结构和性能要求。典型的实例见图2-28。图2-28东风6100Q-1型发动机曲轴飞轮组分解图

1)曲轴

曲轴的功用是承受连杆传来的力，并由此造成绕其本身轴线的力矩使其旋转。在发动机工作中，曲轴受到旋转质量的离心力、周期性变化的气体压力和往复惯性力的共同作用，使曲轴受弯曲与扭转载荷，为了保证工作可靠，要求曲轴具有足够的刚度和强度，各工作表面要耐磨而且润滑良好。

曲轴主要由三部分组成(图2-29)：①曲轴的前端(或称自由端)1；②若干个曲柄销3和左右两端的曲柄4以及前后两个主轴颈2组成的曲拐；③曲轴后端(或称功率输出端)6。曲轴的曲拐数取决于气缸的数目和排列方式。直列式发动机曲轴的曲拐数等于气缸数；V形发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。图2-29曲轴(a)解放CA6102型发动机曲轴；(b)北京BJ492型发动机曲轴

2)曲轴扭转减振器

曲轴是一种扭转弹性系统，本身具有一定的自振频率。在发动机工作过程中，经连杆传给连杆轴颈的作用力的大小和方向是周期性变化的，这种周期性变化的力作用在曲轴上，引起曲拐回转的瞬时角速度也呈周期性变化。由于固装在曲轴上的飞轮转动惯量大，其瞬时角速度基本上可看做是均匀的。这样，曲拐便会比飞轮忽儿转得快，忽儿转得慢，形成相对于飞轮的扭转摆动，这就是曲轴的扭转振动。当外力频率与曲轴自振频率成整数倍关系时，曲轴扭转振动便因共振而加剧。这将使发动机功率受到损失，使齿轮或链条磨损增加，严重时甚至将曲轴扭断。为消减曲轴的扭转振动，有的发动机在曲轴前端装有扭转减振器。汽车发动机最常用的曲轴扭转减振器是摩擦式减振器。其作用原理是使曲轴扭转振动能量逐渐消耗于减振器内的摩擦，从而使振幅逐渐减小。

3)飞轮

飞轮是一个转动惯量很大的圆盘，其主要功用使将在作功行程中输入于曲轴的动能的一部分储存起来，用以在其他行程中克服阻力，带动曲柄连杆机构越过上、下止点，保证曲轴的旋转角速度和输出扭矩尽可能均匀，并使发动机有可能克服短时间的超载荷，此外，在结构上飞轮又往往用作汽车传动系中摩擦离合器的驱动件。飞轮多采用灰铸铁制造，当轮缘的圆周速度超过50 m/s时要采用强度较高的球铁或铸钢制造。2.4.2配气机构

配气机构的功用是按照发动机每一气缸内所进行的工作循环和点火次序的要求，定时开启和关闭各气缸的进、排气门，使新鲜可燃混合气(汽油机)或空气(柴油机)得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排出。

1．配气机构的主要零部件

1)气门组

气门组包括气门、气门导管、气门座及气门弹簧等零件，如图2-30所示。有的进气门还设有气门旋转机构。气门组用来封闭进、排气道口，从而实现气缸的密封。图2-30气门组

2)气门传动组

气门传动组主要包括凸轮轴正时齿轮、挺柱及其导管，气门顶置式配气机构还有推杆、摇臂和摇臂轴等。气门传动组的作用是使气门按配气相位规定的时刻开、闭，并保证规定的开启时间和开启高度。凸轮轴主要由凸轮1、凸轮轴轴颈2等组成(图2-31)。对于下置凸轮轴的汽油机还具有用于驱动机油泵、分电器的螺旋齿轮4和用于驱动汽油泵的偏心轮3。图2-31四缸四冲程汽油机凸轮轴(a)492QA发动机的凸轮轴；(b)凸轮的相对角位置图；(c)进(或排)气凸轮投影

2．气门式配气机构的布置

配气机构主要分为气门配气和气口配气两种，汽车发动机一般采用气门配气机构。气门式配气机构由气门组和气门传动组组成。发动机型号、类型不同，配气机构的布置与驱动方式也不尽相同。配气机构可以从不同角度分类：按气门的布置形式可分为气门顶置式和气门侧置式；按凸轮轴的布置位置可分为凸轮轴下置式、凸轮轴中置式和凸轮轴上置式；按曲轴和凸轮轴的传动方式可分为齿轮传动式、链条传动式和齿带传动式；按每气缸气门数目可分为二气门式、四气门式和五气门式等。气门的布置形式包括气门顶置式配气机构和气门侧置式配气机构。现代汽车的配气机构多采用顶置气门式，如图2-32所示，即气门组安装于气缸盖上，由凸轮通过传动件来控制或由凸轮直接控制。图2-32气门顶置式配气机构2.4.3汽油机供给系

供给系包括汽油箱、汽油泵、汽油滤清器、化油器38、空气滤清器、进气管、排气管、排气消声器等。

汽油机所用的燃料是汽油。汽油在未输入气缸前，须先喷散成雾状(雾化)和蒸发，并按一定的比例与空气混合形成均匀的混合气。这种按一定比例混合的汽油空气混合物，称为可燃混合气。可燃混合气中燃油含量的多少称为可燃混合气浓度。

汽油机供给系的任务是，根据发动机各种不同工况的要求，配制出一定数量和浓度的可燃混合气供入气缸，使之在临近压缩终了时点火燃烧而膨胀作功。最后，供给系还应将燃烧产物——废气排入大气中。

1．化油器式发动机供给系

一般化油器式发动机供给系由图2-33所示装置组成。

化油器由于结构简单、使用方便、成本较低，但是化油器式发动机存在的主要缺点是空气及混合气质量分配不够理想，这对发动机的动力性和经济性的提高以及排放性的改善都有一定的影响，为了克服上述缺点，国外汽车的发展趋势是采用向进气管道内直接喷射汽油的混合气形成系统。这种汽油喷射混合气形成系统已经成功地取代了化油器式供给系统，而且越来越多地用于轿车与轻型汽车的发动机上。图2-33化油器式发动机的燃料供给系统

2．电控的汽油喷射系统

目前汽车发动机上所用的汽油喷射系统，多数是把汽油喷入进气支管或进气道内，也有一些是直接喷入气缸内部。20世纪60年代后，电控的汽油喷射系统装在轿车发动机上付诸实用，以后各国的汽车公司都开发了自己的电控汽油喷射系统。图2-34所示是目前应用较多的一种L型叶特朗尼克(L-Jetronlc)电控汽油喷射系统。它是利用各种传感器，将感应采集的信号送入一个电控单元(ECU)中，根据发动机各种工况的实际要求来控制喷油量。例如，在汽车正常行驶时供给15:1空燃比的混合气，在冷车与全负荷运行时，需要加浓混合气，使供给混合气的空燃比小于14:1。这种喷射系统是用间歇式的喷油方式，混合气的空燃比用微机控制。当电控单元的电流流经喷油器内的电磁线圈时，喷油器就开启并把燃油喷入进气管内，与吸入的空气混合后进入气缸内燃烧，产生动力。图2-34L型叶特朗尼克型喷射系统微机的主要功能是控制喷油器的喷油量。吸入空气量是由节气门的开度确定的。

根据上述L型电控系统的布置，整个电控喷射系统可以分为燃油供给、空气供给与电路控制三部分。2.4.4点火系

点火系的功用是保证按规定时刻及时点燃气缸中被压缩的混合气。其中包括供给低压电流的蓄电池和发电机以及分电器、点火线圈与火花塞等。

汽油发动机工作时，吸入气缸中的可燃混合气在压缩行程终了时靠电火花点燃，使混合气燃烧产生强大的动力，推动活塞向下运动使发动机作功。为此，在汽油发动机的燃烧室中装有火花塞。能够按时在火花塞两电极之间产生电火花的全部装置，称为发动机点火系。为了适应发动机的工作，要求点火系能在规定的时刻，按发动机的点火次序供给火花塞以足够能量的高压电，使其两电极间产生电火花，点燃混合气，使发动机作功。

按照点火系的组成和产生高压电的方法不同，分为传统点火系、半导体点火系、微机控制点火系以及磁电机点火系。2.4.5起动系

起动系包括起动机及其附属装置，用以使静止的发动机起动并转入自行运转。为了使静止的发动机开始进入工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使气缸内吸入可燃混合气，并将其压缩、点燃，混合气燃烧、膨胀产生强大的动力，推动活塞向下运动并带动曲轴旋转，使发动机自动进入工作循环。发动机的曲轴在外力的作用下开始转动，到发动机开始自动地怠速运转的全过程，为发动机的起动过程。发动机常见的起动方式有人力起动、辅助汽油机起动和电力起动机起动等多种形式。

(1)人力起动，即手摇起动或绳拉起动，其结构十分简单。起动时，只需将起动手柄端头的横销嵌入发动机曲轴前端的起动爪内，摇动手柄即可转动曲轴，使发动机起动。这种起动方式操作不便，且加重了驾驶人员的劳动强度，故目前主要用于大功率柴油机的辅助汽油机的起动。在一些装备中、小功率汽油机的汽车上，还备有起动摇柄和起动爪，作为后备起动装置，或用于检修、调整发动机或起动电路故障时转动曲轴。许多高级轿车使用条件较好，电力起动系统工作可靠，不备用起动摇柄和起动爪作为后备起动装置。对于柴油机，由于起动转矩和起动转速要求很高，不可能使用手摇起动，因此其曲轴上无起动爪。

(2)辅助汽油机起动。其起动装置体积大、结构复杂，只用于大功率柴油机的起动。

(3)电力起动机起动。以电动机作为动力源，当电动机轴上的驱动齿轮与发动机飞轮周缘上的环齿啮合时，电动机旋转而产生的动力，就通过飞轮传递给发动机的曲轴，使曲轴旋转、发动机起动。电动机以蓄电池为电源，结构简单、操作方便、起动迅速而可靠。目前，几乎所有的汽车发动机都采用电力起动机起动。2.4.6冷却系

冷却系主要包括水泵、散热器、风扇、分水管以及气缸体和气缸盖里铸出的串腔——水套等。其功用是把受热机件的热量散到大气中去，以保证发动机正常工作。

发动机中使高温零件的热量直接散入大气而进行冷却的一系列装置称为风冷系，而使这些热量先传导给水，然后再散入大气进行冷却的一系列装置则称为水冷系。目前汽车发动机上广泛采用的是水冷系，部分汽车发动机采用风冷系。目前汽车发动机上采用的水冷系，大都是用水泵强制地使水(或冷却液)在冷却系中进行循环流动，故称为强制循环式水冷系。2.4.7润滑系

发动机运转时，由于发动机各运动零件的工作条件不同，所要求的润滑强度也不同，因而要相应地采取不同的润滑方式。曲轴主轴承、连杆轴承及凸轮轴轴承等处承受的载荷及相对运动速度较大，需要以一定压力将机油输送到摩擦面间隙中，方能形成油膜保证润滑。这种润滑方式称为压力润滑。另一种润滑方式是利用发动机工作时运动零件飞溅起来的油滴或油雾润滑摩擦表面，称为飞溅润滑。这种方式可润滑裸露在外面的载荷较轻或无法进行压力润滑的表面。如气缸壁、相对运动速度较小的活塞销，以及配气机构的凸轮表面、挺柱等。在发动机辅助系统中有些零件如水泵及发电机的轴承，则只需定期加注润滑脂(黄油)。近年来在发动机上有采用含有耐磨润滑材料(如尼龙、二硫化钼等)的轴承来代替加注润滑脂的轴承。机油在工作一段时间后，其中将混有发动机零件摩擦产生的金属磨屑和其他机械杂质，以及机油本身生成的胶质。这些杂质若随同机油进入润滑油路，将加速发动机零件的磨损，还可能堵塞油管或油道。为了不使这些杂质进入主油道，现代发动机的润滑系中都设有机油滤清器。

机油在循环过程中，由于吸收零件摩擦所产生的热量会引起温度升高。若机油温度过高，则其粘度下降，摩擦表面油膜不易形成，此外还会加速机油老化变质，缩短机油使用期。过低的机油温度，虽能有利于保持油膜，但将导致摩擦阻力增加。因此应对机油进行适当冷却，以保持油温在正常范围之内，一般发动机是靠汽车行驶中的迎面空气流吹拂油底壳来使机油冷却的。在有些热负荷较高的发动机上,则专设有机油散热器,以加速机油冷却。2.5其他动力机械简介2.5.1风力机风力机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。许多世纪以来，风力机同水力机械一样，作为动力源替代人力、畜力，对生产力的发展发挥过重要作用。近代机电动力的广泛应用以及20世纪50年代中东油田的发现，使风力机的发展缓慢下来。

20世纪70年代初期，由于“石油危机”，出现了能源紧张的问题，人们认识到常规矿物能源供应的不稳定性和有限性，于是寻求清洁的可再生能源遂成为现代世界的一个重要课题。风能作为可再生的、无污染的自然能源又重新引起了人们重视。

风力机的主要部件是风能接收装置。一般说来，凡在气流中能产生不对称力的物理构形都能成为风能接收装置，它以旋转、平移或摆动运动而发出机械功。风力机大都按风能接收装置的结构形式和空间布置来分类，一般分为水平轴结构和垂直轴结构两类。以风轮作为风能接收装置的常规风力机为例，按风轮转轴相对于气流的方向可分为水平轴风轮式(转轴平行于气流方向)、侧风水平轴风轮式(转轴平行于地面、垂直于气流方向)和垂直轴风轮式(转轴同时垂直于地面和气流方向)。

广义风力机还包括那些利用风力产生平移运动的装置，如风帆船和中国古代的加帆手推车等。但无论何种类型的风力机，都是由风能接收装置、控制机构、传动和支承部件等组成的。近代风力机还包括发电、蓄能等配套系统。2.5.2水轮机

水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。

早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形——水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在水电站中，上游水库中的