发动机基本结构与工作原理

发动机机械结构1.发动机的壳体（1）气缸盖罩（2）气缸盖（3）气缸盖密封垫（4）曲轴箱（5）油底壳密封垫（6）油底壳2.气门机构气门机构由下列部件共同构成：•凸轮轴•传动元件（压杆、挺杆）•气门（整个总成）•可能包括液压气门间隙补偿器（HVA）1进气门2底部气门弹簧座，带有气门杆密封件3上部气门弹簧座4HVA元件5进气凸轮轴6排气门7气门弹簧8滚子式气门摇臂9排气凸轮轴3.曲轴传动机构•曲轴传动机构，是一个将燃烧室压力转化为动能的功能分组•在此过程中，活塞的往复运动转化为曲轴的转动•此外曲轴传动机构还包括一些外围设备，这些设备并不执行主要功能而是提供相关辅助。辅助设备基本包括飞轮、皮带轮（带有扭转减振器）和正时链曲轴传动机构主要包括以下部件：•1活塞•2连杆•3曲轴曲轴传动机构（曲轴）•曲轴将活塞的直线运动转化为转动1扭转减振器的固定装置2用于驱动机油泵的齿轮3主轴承轴颈4连杆轴承轴颈5输出端6平衡重块7油孔8正时链链轮曲轴传动机构（活塞）•活塞是汽油发动机所有传动部件的第一个环节。活塞的任务是吸收燃烧过程中产生的压力并通过活塞销和连杆将其传至曲轴。在此过程中将燃烧热能转化为运动•活塞销座固定活塞内的活塞销•活塞下部的活塞裙用于在气缸内引导活塞•活塞主要尺寸包括直径、总长度和压缩高度。压缩高度是指活塞销轴线与活塞顶上沿之间的距离•一套活塞环通常包括两个气环和一个刮油环活塞的主要部分包括活塞顶、活塞环部分、活塞销座和活塞裙1.活塞顶2.气环3.活塞销4.活塞裙5.刮油环6.气环曲轴传动机构（连杆）1.油孔2.滑动轴承3.连杆4.轴瓦5.轴瓦6.连杆轴承盖7.连杆螺栓在曲轴传动机构中，连杆负责连接活塞和曲轴。活塞的直线运动通过连杆转化为曲轴的转动。此外，连杆还要将燃烧压力产生的作用力由活塞传至曲轴上曲轴传动机构•确定旋转方向时，在发动机动力输出端（离合器或飞轮一侧）相对侧进行观察•站在确定发动机旋转方向时的相同位置，距离最近的是气缸1随后各气缸向动力输出端依次编号曲轴传动机构•如果是V形的发动机，确定气缸的顺序与直列的发动机相似，在发动机动力输出端（离合器或飞轮一侧）相对侧进行观察•左手边的气缸列为1气缸列，气缸顺序依次编号。右手边的是2气缸列，气缸顺序依次编号，如图所示曲轴传动机构•点火顺序曲轴传动机构点火间隔=720°:气缸数•四缸：180°曲轴转角•六缸：120°曲轴转角•八缸：90°曲轴转角•十二缸：60°曲轴转角气缸数越多，点火间隔越小。点火间隔越小，发动机运行越平稳。至少从理论上来讲，质量平衡因素也起到了一定作用，该因素取决于发动机结构形式和点火顺序•下图展示了点火间隔为120°六缸直列发动机的曲轴•图中编号表示各气缸的点火顺序。从编号一数到编号六需转动曲轴两圈即720°。各编号之间的距离相等，即120°4.气缸盖罩气缸盖罩执行以下任务：1.使气缸盖顶端与外部隔离2.隔音3.固定曲轴箱通风系统4.固定安装件为了达到较好的减振效果，气缸盖罩与气缸盖以非刚性方式连接。使用螺栓连接时，通过弹性密封垫和去耦元件达到上述目的气缸盖罩可由铝合金、塑料或镁合金制成•气缸盖罩通常也称作气缸盖盖板或气门盖。它构成了发动机壳体的顶部5.发动机油底壳油底壳是发动机壳体的底部。油底壳用于存储发动机油油底壳执行以下任务：•发动机油的收集容器•回流发动机油的收集容器•曲轴箱的底部•固定安装件1.油底壳2.导流板6.曲轴箱曲轴箱的任务是：•构成燃烧室•固定曲轴传动机构•吸收燃烧产生的作用力•固定冷却液和润滑油输送通道以及曲轴箱通风通道•固定安装件•使曲轴空间与外界隔离密封所有气缸都组装在曲轴箱内。曲轴箱采用双层钢板结构，以便安装冷却水套。曲轴箱下部区域称为曲轴传动机构壳体，因为包含曲轴传动机构。曲轴箱内有很多开孔和通道于不同系统，例如供油系统•曲轴箱可以说是所有发动机的核心组件，因此又称为发动机缸体曲轴箱的结构•V型发动机的“V”型角也必须大小相等，以确保两个气缸列能够具有相同的点火间隔。因此，BMW八缸的气缸列夹角为90°，十二缸为60°•但在特殊情况下，点火间隔不均匀时可产生独特的发动机声音曲轴箱的结构结构分为直列式或V形结构端盖的类型A.封闭式端盖结构B.敞开式端盖结构•气缸套不与水套接触时称为“干式气缸套”•与水套直接接触时称为“湿式气缸套”A.干式气缸套B湿式汽缸套7.汽缸盖气缸盖是一个非常复杂的部件，负责执行多项功能。发动机正时控制几乎都在气缸盖内进行气缸盖的任务是：•构成燃烧室顶•固定气门机构•固定换气通道•吸收燃烧产生的作用力•固定冷却液和润滑油输送通道以及曲轴箱通风通道•固定安装件汽缸盖的结构气缸盖形状在很大程度上取决于所包含的部件：•气门的数量和位置•凸轮轴的位置和数量•火花塞、预热塞或喷射阀的位置•换气通道的形状此外还根据以下标准对气缸盖进行分类：•部件数量•气门数量•冷却方式下图为带有两气门和四气门的燃烧室顶对比。•虽然两气门气缸盖的气门直径较大，但四气门气缸盖的总气门面积和气流横截面显然更大•A.双气门B.四气门汽缸盖的结构•采用横流冷却方式时，气缸盖内的冷却液由较热的排气侧流向较凉的进气侧。这种方式的优点是整个气缸盖内热量分布比较均匀•与之相反，采用纵流冷却方式时，冷却液沿气缸盖纵轴流动，即由端面一侧流向动力输出端或相反。冷却液在流经各个气缸的过程中逐渐加热，因此热量分布非常不均衡。此外还会造成冷却循环回路内压力降低。•也可以组合使用两种冷却方式A.横流冷却方式B.纵流冷却方式汽缸盖的结构•气缸盖作为气缸的顶部构成了燃烧室顶。它与活塞几何因素一起决定了燃烧室的形状。燃烧室是由活塞、气缸盖和气缸壁围成的空间•图C中的布置方式非常有利，因为油气混合气可以非常有效地环绕火花塞流动，相对于燃烧室体积而言燃烧室表面较小，因此热力学损耗较少。气门倾斜角度最大可达25°。发动机工作的基本原理•1进气门•2火花塞•3排气门•4排气通道•5活塞•6连杆•7曲轴•8油底壳•9曲轴箱•10水套•11燃烧室•12排气通道•13气缸盖汽油发动机的工作原理•四冲程发动机1.进气行程新鲜空气或汽油空气混合气被吸入燃烧室内。2.压缩行程吸入的新鲜空气或汽油空气混合气被活塞压缩。3.作功行程燃油空气混合气开始燃烧。产生的压力促使活塞向下移动4.排气行程排出燃烧室内的废气。•为了完成进气和排气行程在燃烧室顶装有气门，这些气门根据需要打开或关闭。不同气门的功能不同。进气门负责吸入新鲜空气或汽油空气混合气。排气门负责排出废气第一冲程：进气行程•第一冲程开始时，活塞位于上止点，向下止点方向移动。进气门打开。•活塞向下移动时，燃烧室容积增大。此时产生轻微真空压力，从而使新鲜汽油空气混合气通过打开的进气门吸入燃烧室内•活塞到达下止点时，燃烧室内充满汽油空气混合气。进气门关闭第二冲程：压缩•气门都关闭时，活塞从下止点向上止点移动由于燃烧室容积减小且汽油空气混合气无法排出，因此混合气经过高度压缩。燃烧室内的压力明显增大•进行快速压缩时，燃烧室内的温度也随之升高。活塞即将到达上止点前，混合气被火花塞的火花点燃。此时称为点火时刻。汽油空气混合气开始燃烧并释放出热能。温度升高时气体迅速膨胀。但燃烧室是一个封闭空间，气体无法快速膨胀。因此燃烧室内的压力急剧增大第三冲程：作功•燃烧室内的高压向其边界面（燃烧室壁、燃烧室顶和活塞）施加作用力。活塞在作用力下向下止点方向移动。此时容积增大，气体能够膨胀，燃烧室内的压力减小。•因此进行作功。燃油内存储的化学能转化为机械功。气体膨胀还导致燃烧室内的温度下降•活塞到达下止点时排气门打开，压力值降至环境压力第四冲程：排气•活塞从下止点向上止点移动•燃烧室容积减小。通过打开的排气门排出燃烧空气。燃烧室内的压力短时稍稍增大，最后重新降至环境压力•第四冲程结束且活塞到达上止点时，排气门关闭。•四冲程过程重新开始基准参数•每进行一个冲程，曲轴旋转180°，活塞由一个止点移动到另一个止点。因此四冲程发动机完成整个一个循环时曲轴旋转720°即转动两圈。•正时时间：吸入新鲜汽油空气混合气和排出废气称为换气。通过进气门和排气门控制换气。气门的开启和关闭时刻也取决于曲轴转角。这些时刻又称为正时时间，因为通过它们决定发动机的换气控制基准参数•活塞即将开始向下移动前进气门打开，活塞重新开始向上移动后进气门关闭•排气门的运行方式相似。活塞开始向上移动前排气门打开，活塞重新开始向下移动后排气门关闭•正时时间的质量即与发动机准确同步，以及准确保持正时时间对以下方面有重要影响：1.最大功率2.最大扭矩3.排气质量4.耗油量5.运行特性。A进气B压缩C作功D排气1上止点（TDC）2下止点（BDC）3进气门打开4进气门关闭5点火时刻6排气门打开7排气门关闭8气门重叠燃烧室充气•燃烧室充气指的是进气行程中进入气缸内的新鲜空气量（汽油空气混合气或空气）。燃烧室充气量越大，发动机输出功率就越高。•因此发动机设计最重要的一个方面就是尽可能达到最高燃烧室充气效率。尽可能减小用于换气过程的能量也非常重要提高充气效率：使进气门开启时间超过曲轴转角180°可提高燃烧室充气效率和发动机功率。进气门在活塞到达TDC前打开并在活塞到达BDC后关闭。在活塞到达TDC前打开表示进气门在排气行程期间打开。排气行程结束时，高速排出的气体产生吸力。如果进气门在活塞到达上止点前打开，即使活塞正在向上移动，也可通过燃烧室内的真空压力吸入新鲜空气。进气门和排气门同时打开的这种状态称为气门重叠。设计为活塞到达BDC后关闭可确保开始压缩行程时进气门仍处于打开状态。这样可使进气过程中加速的新鲜空气在其惯性作用下继续流入燃烧室内。活塞向上移动所产生的压力阻止新鲜空气流入时，该作用结束。最迟在该时刻，进气门必须关闭。但是延长进气时间也只能使充气效果最多达到理论最大充气量的80%，因为进气时存在真空压力•此外还能通过减小新鲜空气进气阻力和降低燃烧室温度提高充气效率•通过气门开启时间提高充气效率的问题在于，这种方法只有在特定转速范围内才能达到最佳效果。转速变化时，吸入新鲜空气和排出废气的动力性也会随之变化。因此无法随时根据需要准确控制气门打开或关闭的时刻。由于在传统发动机中这些时刻固定不变，因此可以接受在特定转速范围内进行准确控制而在其它转速范围内无法确保最佳充气效果的折衷方案。但现代发动机提供了改革正时时间的可能。•提前排气：进行排气行程时，排气门在活塞到达TDC前打开。这样有助于排出废气并减轻曲轴传动机构负荷。提前打开排气门可使燃烧室内的压力降至环境压力。反正此时的压力也不足以继续进行有效功。反之排气过程更加轻松，因为发动机无需克服高压作功。此外还能进一步降低燃烧室内的温度，从而有利于下一个充气过程•气门重叠角基本概念1上止点（TDC）2行程3下止点（BDC）4连杆长度5曲轴半径6缸径7压缩室8排量基本概念气缸：气缸是进行燃烧和活塞移动的空间。根据圆柱形的形状命名为气缸。它所指的不是可以通过活塞改变容积的空间，而是由发动机金属壁构成的工作腔缸径：缸径是指一个气缸的直径行程：行程指的是活塞在气缸内上下止点间移动的距离行程长短由曲轴决定。相当于曲轴半径的两倍止点：止点指的是活塞移动的终点，活塞在止点处改变移动方向，止点分为上止点（TDC）和下止点（BDC）。排量：一个气缸的排量指的是活塞在一个行程过程中经过的空间。或者称作：活塞上止点与下止点位置之间的气缸空间。在发动机的技术数据中，排量通常指的是发动机的总排量。总排量即所有气缸的单个排量之和压缩室：指的是活塞到达上止点位置时活塞以上的空间。此时燃烧室的容积最小燃烧室：燃烧室的边界由气缸盖、活塞和气缸壁构成。燃烧室的容积根据活塞位置不断变化基本概念•压缩比：压缩比指的是排量和压缩室容积之和与压缩室容积之比•行程/缸径比：指的是行程与缸径之比。根据发动机类型分为长行程发动机和短行程发动机。长行程发动机的行程大于气缸内径，短行程发动机的行程小于气缸内径。缸径与行程相等的发动机属于短行程发动机。这种发动机也称为等径程发动机•连杆/曲轴比：指的是连杆长度（两个连杆头中