发动机的工作原理和总体构造.3.10

第1章发动机的工作原理和总体构造发动机的分类基本术语四冲程汽油机的工作原理四冲程柴油机的工作原理发动机的总体结构发动机的主要性能指标与特性内燃机产品名称和型号编制规则§1.1发动机的分类1、区分几个概念：发动机：将某种能量直接转换为机械能，并拖动某些机械进行工作的机器。热机：是将热能转换为机械能的发动机，热机分为：内燃机和外燃机内燃机：液体或气体燃料和空气混合后，直接输入机器内部燃烧而产生热能，然后转变为机械能。外燃机：燃料在机器外部燃烧，把水加热，得到高温高压的水蒸气，然后把水蒸汽输送至机器内部，将热能转变为机械能。例如：蒸汽机。内燃机与外燃机相比，具有热效率高、体积小、质量小、便于移动、起动性能好等优点，广泛应用于飞机、轮船及各种车辆上。我们今后所讲的发动机指往复活塞式内燃机。往复活塞式内燃机结构示意图2发动机的分类（1）按着火方式分类：点燃式和压燃式发动机。用火花塞将缸内的可燃混合气点燃的发动机，称为点燃式发动机，例如：汽油机。压缩缸内的空气或可燃混合气，产生的高温使燃料发生自燃的发动机称为压燃式发动机。例如柴油机。（2）按燃料的种类分：汽油机、柴油机、天然气发动机、液化石油气发动机等等。（3）按冷却方式分类：水冷发动机和风冷发动机水冷发动机：以水或冷却液作为冷却介质的发动机。风冷发动机：以空气作为冷却介质的发动机。（4）按进气状态分类：自然吸气发动机和增压发动机自然吸气发动机：空气或可燃混合气在进入气缸之前未经压气机压缩而直接进入气缸的发动机。增压发动机：空气或可燃混合气在进入气缸之前经压气机压缩后进入气缸的发动机。（5）按冲程数分为：二冲程发动机和四冲程发动机。发动机的一个工作循环包括：进气过程、压缩过程、做功过程和排气过程。二冲程发动机：曲轴转一圈，活塞往复两个单程完成一个工作循环的发动机。四冲程发动机：曲轴转两圈，活塞往复四个单程完成一个工作循环的发动机。（6）按缸数和气缸排列方式分类按缸数：单缸和多缸机单缸机：仅有一个气缸的发动机多缸机：有两个以上气缸的发动机按气缸排列方式分：直列式、对置式和V型等直列式发动机：气缸呈一列布置对置式发动机：气缸呈两列布置，且两列气缸中心线之间的夹角为180度。V型发动机：气缸呈两列布置，且两列气缸中心线之间的夹角小于180度。§1.2四冲程发动机的工作原理1、发动机的基本术语上止点：活塞在气缸内运动时，活塞顶面距离曲轴旋转中心最远的位置。下止点：活塞在缸内运动时，活塞顶面距离曲轴旋转中心最近的位置。活塞行程：活塞上、下止点之间的距离称活塞行程，以S表示。对应一个活塞行程，曲轴旋转180°曲柄半径：曲轴的旋转中心到曲柄销中心之间的距离，以R表示。S=2R气缸工作容积：活塞运动一个行程所扫过的容积，以Vs来表示。casVVVD—气缸直径（mm）燃烧室容积：活塞在上止点时，其顶部以上与气缸盖底平面之间的容积，以Vc来表示。燃烧室容积是活塞在缸内运动所能达到的最小容积。气缸总容积：气缸工作容积与燃烧室容积之和Va=Vs+Vc发动机的排量：发动机全部气缸的工作容积之和，即：气缸工作容积Vs与缸数i的乘积Vst=Vs×i压缩比：气缸总容积与燃烧室容积的比值,它表示进气过程中进入气缸内的气体在压缩冲程终了时被压缩的程度。ε=Va/Vc=(Vs+Vc)/Vc=Vs/Vc+1上止点下止点2四冲程发动机的工作原理一、四冲程汽油机的工作原理四冲程发动机的一个工作循环包括四个活塞行程。（1）进气行程（2）压缩行程（3）作功行程（4）排气行程曲轴转动两圈，一个行程相当与曲轴转动180度。单缸四冲程汽油机的工作过程（1）进气行程作用：将空气和燃料形成的可燃混合气吸入气缸。特点：进气门打开、排气门关闭，活塞由上止点向下止点移动一个行程，缸内的容积增大，压力下降，当下降到大气压以下时，形成真空，将可燃混合气吸入气缸。进气终了时的气体状态参数：压力：0.075～0.09MPa，温度：370～400K。（a）进气行程（2）压缩行程作用：在燃烧前将可燃混合气压缩，使其容积减小，密度增大，温度升高，以保证可燃混合气能迅速燃烧。特点：进、排气门关闭，活塞从下止点向上止点移动一个行程，缸内的温度和压力升高，压缩终了时，混合气被压缩到燃烧室中。压缩终了时的气体状态参数：压力：0.6～1.2MPa，温度：600～700K。压缩过程缸内气体被压缩的程度用压缩比来表示，汽油机的压缩比一般为：8～11，压缩比过大时，汽油机容易发生爆燃。（b）压缩行程（3）作功行程作用：当活塞接近上止点时，火花塞将可燃混合气点燃，产生高温、高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动，通过曲柄连杆机构对外输出机械功。特点：进、排气门关闭，火花塞点火后，缸内的温度和压力先升高至最高爆发压力，然后高温高压的燃气推动活塞向下运动，气缸内容积增大，气体的压力和温度下降。燃烧过程中的最高爆发压力：3～5MPa,最高温度是：2200～2800K。作功行程终了时的气体状态参数：压力：0.3～0.5MPa，温度：1300～1600K。（c）作功（膨胀）行程（4）排气行程作用：把燃烧后产生的废气排到缸外。特点：当作功行程接近终了时，排气门开启，依靠废气的压力进行自由排气；活塞到达下止点接着向上止点运动的过程中，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。排气终了时，缸内气体的状态参数：压力：0.105～0.115MPa，温度：900～1200K（d）排气行程总结汽油机的工作原理：汽油机在进气行程将燃料和空气的可燃混合气吸入气缸，在压缩行程对可燃混合气进行压缩，使其温度和压力升高，压缩行程接近终了时，火花塞将可燃混合气点燃，高温高压的燃气推动活塞向下运动，通过曲轴对外输出机械功，在作功行程接近终了时，排气门打开，将废气排出缸外。3四冲程柴油机的工作原理四冲程柴油机的一个工作循环也包括：进气、压缩、作功、排气四个行程。由于柴油的粘度比汽油大，自燃温度比汽油低，因此，柴油机和汽油机的混合气形成方式和着火方式不同。（1）进气行程：作用：将纯空气吸入气缸。（不是可燃混合气）进气终了时，缸内气体的状态参数：压力约为0.0785～0.0932MPa，略高于汽油机，而温度约为300～370K，略低于汽油机。（2）压缩行程作用：压缩纯空气；在压缩行程接近上止点时，喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室，与空气混合后自行燃烧。压缩终了时，缸内气体的状态参数：压力可高达3~5Mpa，温度可高达750~1000K，大大超过了柴油自燃的温度。柴油机压缩比比汽油机高，一般为16～22，故压缩终点的温度比汽油机高。（3）作功行程作用：高温高压的燃气推动活塞向下运动，通过曲轴对外输出机械功。燃烧过程中：缸内出现的最高压力可达6～9MPa，比汽油机高得多，最高温度高达2000～2500K，略低于汽油机；作功终了时，缸内气体的状态参数：压力约为0.2～0.4MPa，温度约为1200～1500K。（4）排气行程作用：将缸内的废气排到缸外排气终了时，气缸内气体的状态参数：压力约为0.105～0.125MPa，温度约为800～1000K。总结柴油机的工作原理：柴油机在进气行程将新鲜的空气吸入气缸，在压缩行程对空气进行压缩，使其温度升高，压缩行程接近终了时，喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室，燃油在短时间与空气混合，形成可燃气体，并自行燃烧，高温高压的燃气推动活塞向下运动，通过曲轴对外输出机械功，在作功行程接近终了时，排气门打开，将废气排出缸外。柴油机与汽油机的比较性能汽油机柴油机着火方式点燃压燃压缩比8~1116~22燃油消耗高低热效率30%左右40%左右工作平稳性柔和粗暴发动机转速高（5000~6000r/min）低（2200~3000r/min）共同特点：1、每个工作循环曲轴转两周（720度曲轴转角），每一行程曲轴转半周（180度）。2、只有作功行程产生动力，其余三个行程是作功的辅助行程。4多缸发动机的工作原理多缸四冲程发动机每个气缸的工作循环和单缸机是完全一样的，都要经过进气、压缩、作功和排气四个冲程，不同点：多缸机在一个工作循环内各个气缸按照发火顺序依次作功，其做功冲程是叉开的。为什么要采用多缸发动机？单缸发动机的四个冲程中只有一个冲程作功，其余三个冲程不作功，所以曲轴的转速是不均匀的，因而发动机的运转就不平稳。为了使运转平稳，飞轮必须具有很大的转动惯量，由此会使整个发动机的质量和尺寸增加。多缸发动机是曲轴每转两圈，各个气缸按照发火顺序交替作一次功，因此，运转平稳，振动小。车发用动机最常用的缸数是的四缸，六缸和八缸发动机。思考四冲程汽油机和柴油机的工作循环有什么相同之处呢？四冲程汽油机和柴油机的工作循环有什么不同呢？由于二冲程发动机主要在摩托车和大型的船用发动机上使用，其工作原理就不具体介绍了，属于自学内容。§1.4发动机的总体构造机体组两大机构曲柄连杆机构、配气机构五大系统起动系、供给系冷却系、润滑系点火系（1）机体组组成：气缸体、气缸盖、油底壳作用：骨架作用，安装各个机构和系统（2）曲柄连杆机构：组成：活塞连杆组、曲轴飞轮组两部分作用：将活塞的往复直线运动转变成曲轴的旋转运动对外输出动力（3）配气机构组成：气门组、气门传动组作用：定时开启和关闭进、排气门（4）供给系统组成：燃油供给系统和进、排气系统组成作用：将燃油和空气及时地供给气缸，并将燃烧后的废气及时排出。汽油机典型的燃料供给系统（5）点火系作用：点燃可燃混合气组成：蓄电池、点火开关、点火线圈、分电器、火花塞（6）冷却系统作用：防止发动机过热，及时散发热量组成：水泵、散热器、风扇、分水管、水套等组成分类：风冷、水冷（7）发动机润滑系作用：润滑、冷却、清洁、密封、防腐组成：集滤器、机油泵、滤清器、油道等组成（8）起动系作用：内燃机不能自行起动，借助外力使之运转组成：起动机、蓄电池、起动开关等§1.5发动机主要性能指标与特性发动机主要性能指标有：动力性能指标、经济性能指标和运转性能指标。（1）动力性指标有效转矩Ttq：发动机通过飞轮对外输出的平均转矩。有效功率Pe：发动机通过飞轮对外输出的功率。式中：Ttq——有效转矩Ttq（N·m）n——曲轴的转速（r/min）转速n:曲轴在一分钟内转过的圈数)(9550106023kWnTnTPtqetq标定功率：在发动机产品铭牌上标出的功率，是发动发出的最大功率，它根据发动机的用途制定。同一种型号的发动机，当其用途不同时，其标定功率值并不相同。标定转速：在发动机产品铭牌上标出的转速。标定工况：发动机在标定功率和标定转速下运转的工况。（2）经济性指标燃油消耗率be：发动机每发出1kW有效功率，在1h内所消耗的燃油质量，燃油消耗率越低，经济性越好。式中：B——每小时的燃油消耗量（kg/h）；Pe——表示发动机的有效功率（kW）310(/)eeBbgkWhP（3）运转性能指标排气品质：发动机排出的有害排放物：NOx，HC，CO以及颗粒。有害排放需满足排放法规。噪声：噪声需满足噪声限值。起动性：在一定温度下，发动机能迅速而可靠的起动，起动消耗的功率越少，磨损就越少。（4）发动机速度特性（掌握概念、对曲线的分析不要求）发动机速度特性：当燃料供给调节机构的位置（汽油机为节气门开度、柴油机为齿条位置）固定不变时，发动机的有效功率、有效转矩和有效燃油消耗率随转速的变化规律。发动机外特性：当燃料供给调节机构的位置达到最大时，发动机的有效功率、有效转矩、有效燃油消耗率随转速的变化规律。外特性代表了发动机所具有的最高动力性能。发动机的部分速度特性：燃料供给调节机构保持在其他位置下，得到的速度特性。TtqPePeTtqbebe（5）发动机工作状况（运转状态）一般用它的功率与转速来表征，有时也用负荷和转速来表征。发动机在某一转速下的负荷，是指发动机驱动从动机械所消耗的功率或有效转矩的大小，可以用同一转速下发动机发出的功率与该转速下发动机可能发出的最大功率之比的百分数来表示。区分负荷和功率：负荷是个相对值，功率是个