发动机的工作原理和总体构造

内燃机构造教材：1、《汽车构造》上册：面向21世纪课程教材—吉林工大陈家瑞主编第一章发动机的工作原理和总体构造第一节发动机的分类一、发动机：将某一种形式的能量（热能、电能、化学能、太阳能等）转变成机械能的机器。二、热力发动机：将热能转变成机械能的发动机。1、外燃机：燃料在机器外部燃烧，产生的热能输入到机器内部并转变成机械能输出的热力发动机。如蒸汽机。2、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，然后再将热能转变成机械能输出的热力发动机。如活塞式内燃机、燃气轮机(按热能转变成机械能的主要构件分）。3、比较：外燃机体积大，重量重，热效率低；内燃机热效率高，体积小，重量轻，便于移动，起动性能好;燃气轮机功率大，转速高，质量小（没有往复运动件，单位功率质量小），转矩特性好（减少变速器挡数），燃料适应性好，起动性好，但耗油量、噪声和制造成本均较高，适用于坦克发动机三、活塞式内燃机：按活塞运动方式分：1、往复活塞式内燃机2、转子活塞式内燃机三角活塞旋转式发动机（简称转子发动机）于1958年由德国F.汪克尔发明，关键技术是1954年F.汪克尔提出的气密封系统，1964年德国NSU公司将转子发动机装在轿车上，1967年日本东洋工业公司成批生产，至今。比较：转子发动机与往复活塞式发动机相比，优点是体积小，重量轻，转速高，升功率大，现代转子发动机燃油消耗率水平接近往复活塞式发动机，但耐久性、可靠性等较差，制造成本较高。1、按所用的燃料分：（1）液体燃料发动机；汽油机（gasolineengine）；柴油机（dieselengine）。（2）气体燃料发动机：压缩天然气发动机（CNG）；液化石油气发动机（LPG）。2、按发火方式分：（1）点燃式发动机（如汽油机、气体燃料发动机）；（2）压燃式发动机（如柴油机）。3、按工作循环的冲程数分：（1）四冲程发动机；（2）二冲程发动机。4、按冷却方式分：（1）水冷发动机；（2）风冷发动机。5、按进气方式分：（1）自然吸气式发动机（非增压式发动机）；（2）强制吸气式（增压式发动机）。6、按气缸数分：（1）单缸发动机；（2）多缸发动机。7、按气缸排列方式分：（1）单列发动机：直立式发动机、平卧式发动机（2）双列发动机：V型发动机、水平对置式发动机往复活塞式内燃机:一、四冲程汽油机工作原理（一）基本工作原理第二节四冲程发动机工作原理1、化油器式汽油机：汽油和空气在化油器内混合成可燃混合气，再输入发动机气缸并加以压缩，然后用电火花使之点火燃烧发热而作功——传统式。2、汽油喷射式汽油机：（1）进气管内喷射：将汽油喷射入进气管内，同空气混合成可燃混合气，再输入发动机气缸并加以压缩，然后用电火花使之点火燃烧发热而作功——（现代轿车电控汽油喷射式汽油机）。（2）气缸内直接喷射：将汽油直接喷射入气缸内同空气混合成可燃混合气并加以压缩，然后用电火花使之点火燃烧发热而作功——（未来发展）。曲柄连杆机构—气缸7内装有活塞8，活塞通过活塞销10、连杆11与曲轴14相连接。活塞在气缸内作往复直线运动，通过连杆推动曲轴转动，通过飞轮13对外输出作功。（二）单缸汽油机基本结构：配气机构—为了吸入新鲜气体和排出废气，设有进气门2和排气门3，曲轴14通过正时齿轮副推动配气凸轮轴转动，凸轮通过挺杆克服气门弹簧力顶开气门，气门在气门弹簧预紧力的作用下关闭。供给系—汽油和空气在化油器4内混合成新鲜可燃混合气，经过进气管1、进气门2吸入气缸内，燃烧后的废气经过排气门3、排气管排入大气中。冷却系—水泵9由曲轴14上的皮带轮带动，将来自散热器冷却后的冷却水泵入气缸7燃烧室周围的冷却水套，经过气缸盖6中的冷却水套，热水由气缸盖上部的出水口流往散热器。点火系—气缸内的新鲜可燃混合气经过压缩后由气缸盖上伸入燃烧室内的火花塞5产生的点火花点燃。润滑系—机油泵17由配气凸轮轴上的偏心凸轮驱动，将油底壳16内的机油吸入并经过机油管15、润滑油道泵入到各运动件的摩擦部位进行润滑。上止点（T.D.C.）：下止点（B.D.C.）：活塞行程S：曲柄半径R：气缸工作容积Vh：发动机工作容积VL：VL=式中：D——气缸直径（cm）S——活塞行程（cm）i——气缸数燃烧室容积VC：气缸总容积Va：压缩比：（三）发动机基本术语活塞顶离曲轴中心最远处。活塞顶离曲轴中心最近处。上、下止点之间的距离。曲轴与连杆下端的连接中心至曲轴中心的距离。活塞从上止点到下止点所扫过的容积（气缸排量）。多缸发动机各气缸工作容积的总和（发动机排量）。活塞在上止点时，活塞顶上方的气缸容积（或气缸最小容积）。活塞在下止点时，活塞顶上方的气缸容积（或气缸最大容积）（Va=VC+Vh）气缸总容积与燃烧室容积之比。（=Va/VC=1+Vh/VC）iSD42在发动机内，每一次将热能转变成机械能都必须经过吸入空气、压缩和输入燃料，使之发火燃烧而膨胀作功，然后将生成的废气排除这样一系列连续过程，称为一个工作循环。...（1）进气行程（0~180CA）：活塞自上止点向下止点移动，活塞上方气缸容积增大，形成一定真空，此时排气门关闭，进气门打开，可燃混合气由化油器经进气歧管、进气门吸入气缸，历时一个活塞行程，曲轴旋转180°转角。由于有进气阻力，进气终了时缸内压力低于大气压力，约为0.075~0.09MPa；由于气缸内的可燃混合气受上一循环残余废气和高温零件的加热，进气终了时缸内气体温度上升到370~400K。（a）进气行程1、四冲程汽油机的工作循环（四）四冲程发动机的工作循环：四冲程发动机的工作循环需要经过进气、压缩、膨胀（作功）、排气四个过程，对应活塞上下四个行程，相应的曲轴转角旋转720（两周）。压缩终了时，可燃混合气的压力、温度取决于压缩比的大小。愈大，压缩终了时的可燃混合气的压力、温度愈高，燃烧速度愈快，发动机发出功率愈大，经济性愈好，但汽油机的压缩比过高会引起爆燃和表面点火等不正常的燃烧现象，一般在6~9之间，现代轿车汽油机的在9~11之间。（b）压缩行程（2）压缩行程（180~360CA）：为了使可燃混合气能迅速燃烧，使发动机发出更大功率，燃烧前必须将可燃混合气压缩，使其容积缩小，密度加大，温度升高。此时，进、排气门均关闭，活塞从下止点向上止点移动，曲轴旋转180CA。（a）爆燃：由于压缩比过高导致压缩终了时气体压力和温度过高，在火花塞点火之后燃烧室内离点燃中心较远处的末端可燃混合气自燃而造成的一种不正常燃烧现象，称为爆燃。爆燃现象：爆燃时，火焰以极高的速率传播，温度和压力急剧升高，形成压力波，以声速推进，当这种压力波撞击燃烧室壁时就发出尖锐的敲缸声。同时还会引起发动机过热、功率下降、燃油消耗率增加等一系列不良后果，严重爆燃时甚至造成排气门烧废、轴瓦破裂、活塞顶熔穿、火花塞绝缘体被击穿等机件损坏现象。（b）表面点火：在火花塞点火之前，由于燃烧室内灼热表面（如排气门头部、火花塞电极处、积碳处）点燃可燃混合气而产生的另一种不正常燃烧现象，称为表面点火。表面点火现象：表面点火发生时，也伴有强烈的敲缸声（较沉闷），产生的高压会使发动机机件机械负荷增加，寿命降低。（c）汽油机压缩比的选择：应在避免引起爆燃和表面点火的前提下尽可能提高压缩比，以提高发动机功率，改善燃油经济性。进、排气门仍关闭。当压缩行程接近终了时，火花塞发出电火花，点燃被压缩的可燃混合气，放出大量的热能，使气缸内的压力和温度迅速增加，所能达到的最大压力PZ约为3~5MPa，相应温度为2200~2800K。...（c）作功（膨胀）行程（3）作功（膨胀）行程：（360~540CA）高温、高压燃气推动活塞从上止点向下止点移动，通过连杆使曲轴旋转并通过飞轮输出机械能，除了一部分用于维持发动机继续运转外，其余大部分机械能用于对外作功，期间曲轴旋转180CA，膨胀终了时，压力降至0.3~0.5MPa，相应温度则降为1300~1600K。（d）排气行程（4）排气行程（540~720CA）：当膨胀接近终了时，排气门打开，靠废气的压力进行自由排气（排气门开启时废气压力与大气压力之比大于临界压力比），大部分废气自行排出。活塞到达下止点后再向上止点移动，继续将废气强制排到大气中，排气终了时缸内压力稍大于大气压力（排气阻力存在），约为0.105~0.115MPa，废气温度约为900~1200K。由于燃烧室占有一定容积，因此在排气终了时（上止点），不可能将废气排尽，留下的这一部分废气称为残余废气。柴油的粘度比汽油大，不易蒸发，不可能用气缸外部的化油器进行雾化，因此不可能采用气缸外部形成可燃混合气的方法，唯有在高温、高压的气缸内采用高压喷射才能将柴油在很短的时间内完全雾化。柴油机压缩比较高（一般为16～22），所以压缩终了时的压力可达3.5～4.5MPa，温度高达750～1000K，大大超过柴油的自燃温度，故柴油高压（10MPa以上）喷入气缸后，在很短时间内与空气混合后便自行着火燃烧，最大爆发压力可达6～9MPa，最高燃气温度可达2000～2500K。二、四冲程柴油机工作原理四冲程柴油机每个工作循环也经历进气、压缩、作功、排气四个行程，相应地曲轴旋转了两周。柴油的自燃温度比汽油低，因此，可燃混合气的着火方式可采用自燃（压燃）方式，与汽油机的点燃方式不同（否则会产生爆炸性燃烧，使柴油机工作粗暴）。图中喷油泵2凸轮轴一端的传动齿轮由曲轴正时齿轮经过中间齿轮驱动旋转，泵油机构产生高压燃油，经过高压油管进入气缸盖上的喷油器1，在压缩终了附近，由伸入气缸内的喷油嘴头部喷孔喷入雾化良好的燃油，在燃烧室内与空气混合成可燃混合气后自燃。喷油泵凸轮轴的转速是曲轴转速的1／2。（一）柴油机压缩比的选择依据柴油机压缩比远较汽油机的压缩比高，这是因为柴油机采用压燃的着火方式，为了保证发动机良好的冷起动性能，压缩比远较汽油机的高。柴油机压缩比应在保证良好的冷起动性能前提下尽可能低，因为过高的压缩比会导致发动机工作粗暴，而且，发动机的循环热效率随着压缩比的增加已接近缓慢，增加不明显，对燃油经济性并没有带来多大改善（二）柴油机与汽油机工作原理的不同：1、着火方式不同：汽油机是点燃式，柴油机是压燃式；2、可燃混合气形成方式不同：汽油机是气缸外部化油器内均匀混合（传统化油器式和现代轿车进气管内电控汽油喷射式），柴油机是气缸内部燃烧室内不均匀混合；（均匀性体现在燃料的蒸发性、混合气形成时间的长短）3、发动机功率调节方式不同：汽油机是通过调节节气门开度的大小改变可燃混合气的数量而改变发动机功率的大小，属“量”的调节；柴油机是通过改变喷油泵每循环的供油量即改变每循环喷入气缸内的燃油量，从而改变可燃混合气的浓度而改变发动机功率的大小，属“质”的调节。（三）柴油机与汽油机性能比较：汽油机具有转速高（轿车高达5000~6000r/min）、质量小、工作柔和、起动容易、制造成本低和维修方便等优点，不足之处是燃油消耗率较高，燃油经济性较差，适用于轿车型乘做人员车辆；柴油机燃油消耗率较汽油机低30%左右，且柴油价格低，所以燃油经济性好，而且输出扭矩较大，但冷起动困难、工作粗暴、工作转速较低（一般4000r/min以下）、制造成本高、维修困难，适用于运输型汽车。（四）飞轮的作用：四冲程发动机工作循环的四个活塞行程中，只有一个行程是作功的，其余三个行程是依靠飞轮的惯性作用完成的，飞轮的作用就是①储存作功行程时的动能，克服活塞上行时的压缩负功，维持工作循环周而复始，并使曲轴转速均匀。②飞轮的另一作用就是通过飞轮上的齿圈起起动和输出机械能的作用。多缸发动机每循环作功的曲轴转角间隔小，工作较均匀，转速较平稳，飞轮的转动惯量较小。因此，汽车发动机用的较多的是四缸、六缸和八缸发动机。第三节二冲程发动机工作原理一、二冲程汽油机工作原理（一）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。（二）二冲程汽油机的结构特点：二冲程汽油机采用曲轴箱扫气，曲轴箱是密封的，对多缸机而言，各曲柄轴室相互之间是密封的，气缸壁上开有矩形扫气口和排气口，气缸壁上开有进气口（右