汽车原理与结构-发动机工作原理.ppt

1、上次课内容回顾：,一、汽车基本组成 发动机 底盘 车身 电气及辅助 二、现代汽车布局形式 发动机前置后轮驱动 （FR） 发动机前置前轮驱动 （FF） 发动机后置后轮驱动 （RR） 发动机中置后轮驱动 （MR) 发动机前置全轮驱动 (4WD、nWD） 三、汽车行驶原理 总阻力、驱动力、附着力的概念及其关系 FtFMt/r F = FfFwFiFj FG F Ft F,共33页 第1页,第三章 汽车发动机,发动机是汽车的动力源。 目前商品化汽车中除少数电动汽车外，汽车 发动机都属于热能动力装置（热机）。本章节 将着重介绍热机中的往复活塞式内燃机。 动力发展历史上的曾出现过外燃机、内燃机、 涡轮机等

2、。,共33页 第2页,蒸汽机在80年代初期推出中国市场,3.1 汽车发动机概述,一、热机简介 1、外燃机 外燃机包括蒸汽机、气轮机、热气机等，其工质 为中间物质（如空气、水等）。燃料燃烧所产生的 燃烧物不用于直接作功，而是驱动中间物质间接作功。 该类发动机普遍结构复杂、体积庞大、工作准备 时间长、效率低。 最早用于工业的蒸汽机工作效率仅达到0.3，到 20世纪七十年代，蒸汽机的最高效率约1530。,共33页 第3页,2、内燃机,内燃机以燃料燃烧所产生的燃烧物作为工质直 接作功，是现代汽车动力的主要形式。 该类发动机具有外燃机难以比拟的优越性。 结构紧凑 体积小 工作便利 效率高 因此，内燃机

3、及其广泛地被用于 汽车动力。,共33页 第4页,化学能,热能,机械能,燃烧,机器,内燃机分类,活塞运动方式:往复式、旋转式 所用燃料:汽油、柴油、气体、混合燃料等 冷却方式:水冷式、风冷式 燃烧室状态:增压式、非增压式 现代中小型汽油机普遍采用计算机控制电喷 式燃油供给，取代传统化油器。,共33页 第5页,3、内燃发动机发展趋势,汽车发动机的发展应适应于现代交通的需 求，即高效、安全、舒适、环保等。 汽车工业市场竞争加剧的环境下，道路交通 密度的增加，发动机技术体现了如下特点： 燃烧效率、机械效率、输出功率提高 运行速度增加、工作噪声减小 输出平稳性、工作可靠性提高 废气排放减少,共33页 第

4、6页,内燃发动机新技术,20世纪末至21世纪初，随着计算机技术的普 及，世界汽车列强加大了对发动机的开发力度， 设计与工艺水平都获得积极的发展。 如： 椭圆气缸内燃机（提高燃烧效率） 增压内燃机（提高输出功率） 混合燃料发动机（减少排放污染） 目前乃至将来一个时期应用最广的水冷式、 四冲程往复活塞式发动机仍然是常规发动机的发 展主流。,共33页 第7页,3.2 发动机原理与基本术语,一、内燃机基本原理 发动机的核心部件是气缸，即内燃机的燃烧 工作腔；燃烧后的物质直接驱动活塞，同过曲柄 滑块机构完成运动和动力的传递与输出。 （如图所示）,共33页 第8页,化学能,热能,机械能,转换效率,二、四冲

5、程发动机,内燃机工作是由进气、 压缩、作功、排气四个阶段 组成，但一台能实用的发动 机，应配备各种辅助设备， 技术函盖机械、热力、电子、 化工等方面。发动机实际结 构要复杂得多。,共33页 第9页,基本术语,共33页 第10页,三、基本术语,1、工作循环（四冲程） 内燃机工作是由进气、压缩、作功、排气四个 阶段组成的封闭工作过程，这些过程反复地进行使 内燃机得以持续工作。 2、活塞上下止点 按活塞顶面距曲轴回转中心距离来定义：远点 为上止点，近点为下止点。（如图）,气缸工作图 90度位置为活塞运动加速度变化的特殊点 远点位置活塞处于瞬间的相对气缸静止，运动方向改变 远点位置活塞处于瞬间的相对气

6、缸静止，运动方向改变,气缸工作图,共33页 第11页,3、活塞行程S,上下止点间的距离S。本结构中，活塞旋转一周， 活塞运动距离为S2R（曲柄半径）。 4、气缸工作容积Vs 上下止点间所包容的气缸体积。 VsD2S/4106（L） D气缸内径（mm）；S活塞行程（mm）,共33页 第12页,5、内燃机排量VL,内燃机所有气缸工作容积的总和。 VLi Vs i内燃机缸数 一般内燃机气缸数有2、4、5、6、8等 6、燃烧室容积VC 活塞位于上止点时顶面与缸体下面所围成的空间。,共33页 第13页,7、气缸总容积Va,气缸总容积与气缸燃烧室容积之和。 Va Vs VC 8、气缸压缩比 气缸总容积与气

7、缸燃烧室容积之比。 Va /VC1 Vs /VC 压缩比是内燃机的一个重要参数。 压缩比越大，燃烧爆炸前燃烧室内压力越大，温度 越高，同等条件下内燃机所能输出的功率将大。 一般发动机气缸压缩比取6：111.6：1，目前增 压内燃机可达到1：13左右。,共33页 第14页,9、负荷率,内燃机在某一转速下发出的有效功率与该转速 下能发出的最大功率之比。 功率、转速、扭矩的非线性关系 输出功率的不稳定性 最高转速、最低转速的限制性,共33页 第15页,3.3 往复活塞式内燃机,一、四冲程汽油机工作原理 四冲程往复活塞式内燃机（含汽油机、柴油 机）工作循环有进气、压缩、作功、排气四个过 程，且分别在四

8、个活塞行程内完成。 曲柄旋转两周（活塞往返两次） 仅一个作功行程（三个行程耗功）,共33页 第16页,进气门开启排气门关闭 活 塞 从上止点运动到下止点气缸状态 真空，吸入混合气,共33页 第17页,进气门,排气门,1、进气行程,活塞第一次从上止点移至下止点的过程。 此时进气门开启，排气门关闭；活塞移动过 程容积增大，腔内形成一定真空；空气、雾状 汽油同时被吸入并进一步均匀混合。 进气靠大气压力，由于系统的阻力，进气 终止时缸内压力略小于一个大气压（0.08 0.09MPa），上次工作循环的燃烧余热维持系统 温度约350550。,共33页 第18页,进气门关闭排气门关闭 活 塞：从下止点运动到

9、上止点气缸状态：混合气被压缩，气压 及温度增高,共33页 第19页,进气门,排气门,2、压缩行程,活塞第一次从下止点移至上止点的过程。 活塞至下止点时，进气、排气门皆关闭，内燃机 惯性系统驱动曲轴继续转动，活塞由近点向远点移 动，造成缸内容积逐渐减小，原来吸入的混合气体 被压缩（约0.81.5MPa）温度升高至330480。 气缸内压力的大小取决于压缩比，压力越大 有利于混合气体的迅速燃烧，从而提高内燃机的工 作效率；但压缩比太大要造成不正常燃烧（如爆燃 现象）。因此如上所述，经验表明取611较合适。,共33页 第20页,进气门 关闭排气门关闭活 塞：从上止点运动到下止点气缸状态：混合气被点燃

10、燃烧， 气压及度急剧增高,共33页 第21页,进气门,排气门,3、作功行程,活塞第二次从上止点向下指点移动的过程。 压缩行程结束，进气、排气门仍然关闭。安装 在气缸顶部的点火装置（火花塞、点火环）产生电 火花，点燃缸内可燃混合气体并迅速传遍整个燃烧 室，产生大量的热。缸内压力、温度猛增，推动活 塞向下止点移动（作功）。 作功过程缸内最大压力可达3.06.5MPa，内部 温度高达19302530；作功结束（活塞抵达下止 点），缸内压力约维持0.350.5MPa，温度约为 9301230。,共33页 第22页,进气门关闭排气门开启活 塞：从下止点运动到上止点气缸状态：废气排出，气压及温 度下降,共

11、33页 第23页,进气门,排气门,4、排气行程,活塞第二次从下止点移至上 止点的过程。 此时排气门开启，进气门仍 然关闭。由于系统的惯性，促使 活塞继续向上止点移动。气缸容 积减小，内部废气通过排气门输 出，最后排气门关闭，进行下一 次循环。,共33页 第24页,(a) （b） （c） （d） (a) 进气行程：活塞第一次从上止点移至下止点的过程。 （b）压缩行程：活塞第一次从下止点移至上止点的过程。 （c）作功行程：活塞第二次从上止点向下指点移动的过程。 （d）排气行程：活塞第二次从下止点移至上止点的过程。,四冲程,共33页 第25页,原理小结：,内燃机工作循环包含活塞在上下止点间作的两 次

12、往返运动，（曲轴转过720）进、排气门 各开关一次。 循环中的四个行程分别由工作过程命名。 二、有关技术和应注意的问题 1、内燃机工作循环的时间很短，发动机最高的输 出速度可达2万转/分，即一分钟内完成1万个 工作循环。,共33页 第26页,2、供气配时问题,发动机工作的四个过程与四个行程在时间上 并非完全对应。 为达到减少废气、增加进气的目的，转换过 程存在微量时间差。 如：进气门早于上止点开启，迟于下止点关 闭；而排气门应早于下止点开启，迟于上止点关 闭等。,共33页 第27页,3、功率输出的波动性,工作循环中的四个行程只有第三行程作功，其 他行程必须用惯性装置进行能量的存储和释放来 维持

13、连续运动。 由于功率输出不均匀，发动机功率常用平均功 率、最大功率等参数。 4、随机性 单个气缸的进、排气、点火等动作协调是一个 复杂而随机的过程，调试时存在量的差异。,共33页 第28页,5、多缸发动机,内燃机通常由多缸组成（多缸驱动同一曲轴）。 此时应考虑气缸的几何排列及各缸相对的工作 时序。如六缸发动机（内燃机）三角配置。即六个 气缸按1、6；2、5；3、4分三组工作，每组相位差 120。 多缸内燃机一般采用结构、尺寸相同的气缸， 总排气量等于各气缸排气量的总和。其输出功率增 加，运动的稳定性提高。但相对单缸而言结构、调 试较为复杂。,共33页 第29页,工作循环是在两个活塞行程内完成（曲轴转360）。 1、下止点移至上止点，进气孔闭，扫气孔、排气孔开。 2、下止点移至上止点，进气孔开，扫气孔、排气孔闭。,（a） （b） （c） （d） 1、进气 2、排气 3、燃烧室 4、火花塞 5扫气孔 6、活塞 7、连杆 8、曲轴箱 9、曲轴,三、两冲程内燃机简介,共33页 第30页,四、四冲程柴油机,四冲程柴油机与汽油机工作原理相同，但结 构上存在一定的差别。 1、共同点 进气、压缩、作功、排气四个工作过程分别在 四个活塞行程上完成，曲轴转过720。 第三行程为作功行程。 与汽油机一样，柴油发动机都由多缸组成。,共33页 第31页,2、不同点,