汽车概论-第三章-汽车发动机构造

从汽车的整体构造而言，任何一辆汽车都包括发动机、底盘、车身和电气设备四大组成部分。发动机是将某一种形式的能量转化为机械能的机将燃料燃烧所产生的热能转化为机械能的装置。汽车用活塞式发动机可以根据不同的特征分类。1．按使用燃料分类2．按发火方式分类车用发动机可以分为点燃式发动机和压燃式发动机。3．按工作循环的冲程数分类4．按气缸数及其排列方式分类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。曲柄连杆机构的工作条件的特点是高温、高压、高速和化学腐蚀。由于曲柄连杆机构是在高压下作变速运动，因此它在工作中的受力情况很复杂，其中有气体作用力、运动质量惯性力、摩擦力以及外界阻力等。一、机体组组件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，也可简称为气缸体。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；下半部为支承曲轴的曲轴箱，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，气缸体本身应具有足够的刚度和强度。一、机体组组件2.气缸盖与气缸衬垫（1）气缸盖气缸盖的主要功用是密封气缸上部，并与活塞顶部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。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。汽油机常用燃烧室形状有以下几种：①半球形燃烧室半球形燃烧室（如图3-4a所示）的结构较前两种紧凑，但因进、排气门分别置于缸盖两侧，故使配气机构比较复杂。由于其散热面积小，有利于促进燃料的完全燃烧和减少棑气中的有害气体，现代发动机上用得较多。②楔形燃烧室楔形燃烧室（如图3-4b所示）的结构较简单、紧凑，在压缩终了时能形成挤气涡流，但存在较大的激冷面积，对排放不利。③盆形燃烧室盆形燃烧室（如图3-4c所示）结构较简单、但不够紧凑。3．油底壳油底壳的主要功用是贮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。其形状决定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，采用丁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，防止汽车行驶时油面波动过大。油底壳底部装有放油塞，有的放油塞是磁性的，能吸机油中的金属碎屑，以减少发动机运动零件的磨损。二、曲柄连杆机构曲柄连杆机构是发动机的主要运动机构，其功用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，同时将作用于活塞上的力转变为曲轴对外输出的转矩，以驱动汽车车轮转动。曲柄连杆机构由活塞连杆组和曲轴飞轮组等零部件组成。1.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，其组成示意图如图3-6所示。（1）活塞活塞的主要作用是承受气缸中的气体压力，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、气缸壁共同组成燃烧室，由于活塞顶部直接与高温燃气接触，燃气的最高温度可达2500K以上，因此活塞的温度也很高，例如活塞顶部的温度可高达600-700K高温。在发动机的作功行程时，活塞顶部承受着燃气的带冲击性的高压力。对于汽油机活塞瞬时的压力最大值可达3-5Mpa；对于柴油机活塞，其最大值可达6-9Mpa；采用废气涡轮增压器的发动机时则更高。高压导致活塞的侧压力大，加速活塞外表面的磨损，也容易引起活塞变形。（2）活塞环活塞环包括气环和油环两种。气环的作用是保证活塞与气缸壁间的密封，防止气缸中的高温、高压燃气大量漏入曲轴箱，同时还将活塞顶部的大部分热量传导到气缸壁，再由冷却水或空气带走。油环用来刮除气缸壁上多余的机油，并在气缸壁面涂上一层均匀的机油膜，这样既可以防止机油窜入气缸燃烧，又可以减小活塞、活塞环与气缸的磨损和摩擦阻力。此外，油环也起到封气的辅助作用。（3）活塞销活塞销的功用是连接活塞和连杆小头，将活塞承受的气体作用力传给连杆。活塞销在高温下承受很大的周期性冲击载荷，润滑条件很差（一般靠飞溅润滑），因而要求有足够的刚度和强度，表面耐磨，质量尽可能小。为此，活塞销通常做成空心圆柱体。活塞销一般用低碳钢或低碳合金钢制造，先经表面渗碳处理以提高表面硬度，并保证心部有一定的冲击韧度，然后进行精磨和抛光。（4）连杆连杆的功用是将活塞承受的力传给曲轴，从而使得活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆承受活塞销传来的气体作用力及其本身摆动和活塞组往复运动时的惯性力。这些力的大小和方向都是周期性变化的。因此，连杆受到的是压缩、拉伸和弯曲等交变载荷。这就要求连杆在质量尽可能小的条件下，有足够的刚度和强度。连杆一般用中碳钢或合金钢经模锻而成，然后经机械加工和热处理，连杆由连杆小头、杆身和连杆大头(包括连杆盖)三部分组成。2.曲轴飞轮组曲轴飞轮组主要由曲轴和飞轮以及其它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。曲轴飞轮组结构示意图如图3-12所示。（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。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，使曲轴承受弯曲与扭转载荷。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。曲轴的形状和各曲拐的相对位置，取决于缸数、气缸排列方式和发火次序。在安排多缸发动机的发火次序时，应注意使连续作功的两缸相距尽可能远，以减轻主轴承的载荷，同时避免可能发生的进气重叠现象(即相邻两缸进气门同时开启)，以避免影响充气；作功间隔应力求均匀，即在发动机完成一个工作循环的曲轴转角内，每个气缸都应发火作功一次，而且各缸发火的间隔时间（以曲轴转角表示，称为发火间隔角）应力求均匀。（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，经连杆传给曲柄销的作用力的大小和方向都是周期性地变化的，这种周期性变化的激力作用在曲轴上，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作是均匀的。这样，曲拐便会忽而比飞轮转得快，忽而又比飞轮转得慢、形成相对于飞轮的扭转摆动，也就是曲轴的扭转振动，当激力频率与曲轴自振频率成整数倍时，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，定时齿轮或链条磨损增加，严重时甚至将曲轴扭断。（3）飞轮飞轮主要功用是将在作功行程中传输给曲轴的功的一部分贮存起来，用以在其它行程中克服阻力，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转矩尽可能均匀，并使发动机有可能克服短时间的超载荷。飞轮上通常刻有第一缸发火定时记号，以便校准发火时间。多缸发动机的飞轮应与曲轴一起进行平衡，否则在旋转时因质量不平衡而产生的离心力，将引起发动机振动并加速主轴承的磨损。为了在拆装时不破坏它们的平衡状态，飞轮与曲轴之间应有严格的相对位置，用定位销或不对称布置螺栓予以保证。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发火次序的要求，定时开启和关闭进、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新鲜空气或可燃混合气被吸进气缸越多，则发动机可能发出的功率越大。新鲜空气或可燃混合气充满气缸的程度，用充量系数来表示。所谓充量系数就是在进气过程中，实际进入气缸内的新鲜空气或可燃混合气的质量与在进气状态下充满气缸工作容积的新鲜空气或可燃混合气的质量之比。充量系数越高，表明进入气缸内的新鲜空气或可燃混合气越多，可燃混合气燃烧时所放出的热量越大，所以发动机发出的功率越大。一、配气机构的分类与组成配气机构（如图3-15所示）由气门组和气门传动组零件组成。配气机构可以从不同角度分类。按气门的布置形式，主要有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、链传动式和带传动式。按每气缸气门数目，可分为二气门式、四气门和五气门等多气门式。二、配气相位配气相位就是进、排气门的实际开闭时刻，通常用相对于上、下止点曲拐位置的曲轴转角的环形图来表示，这种图形称为配气相位图（如图3-18所示）。现代发动机都采用延长进、排气时间的方法，即气门的开启和关闭时刻并不正好是活塞处在上止点和下止点的时刻，而是分别提前和延迟一定的曲轴转角，以改善进、排气状况，从而提高发动机的动力性。三、气门组气门组包括气门、气门座、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座、气门锁片等零件组成。有的进气门还设有气门旋转机构。气门由头部和杆部两部分组成。头部的工作温度很高，其冷却和润滑条件又较差。因此，要求气门必须具有足够的强度、刚度、耐热和耐磨能力。进气门的材料采用合金钢，而排气门则采用耐热合金钢，有的发动机排气门头部用耐热合金钢制造，而杆部则用铬钢制造，然后将两者焊在一起。四、气门传动组气门传动组主要包括凸轮轴、定时齿轮、挺柱，此外还有推杆、摇臂和摇臂轴等。气门传动组的作用是使进、排气门能按配气相位规定的时刻开闭，且保证有足够的开度。1．凸轮轴凸轮轴上主要配置有各缸进、排气凸轮，用以使气门按一定的工作次序和配气相位及时开闭，并保证气门有足够的升程。2.推杆推杆的作用是将从凸轮轴经过挺柱传来的推力传给摇臂，它是气门机构中最易弯曲的零件，要求有很高的刚度。在动载荷大的发动机中，推杆应尽量做得短些。3.摇臂摇臂实际上是一个双臂杠杆，用来将推杆传来的力改变方向，作用到气门杆端以推开气门。摇臂内还钻有润滑油道和油孔。在摇臂的短臂端螺纹孔中旋入用以调节气门间隙的调节螺钉，螺钉的球头与推杆顶端的凹球座相接触。摇臂通过摇臂衬套空套在摇臂轴上，而后者又支撑在摇臂轴前后支座上。一、发动机的进气系统进气系统的功用是尽可能均匀地向各气缸供给空气与燃油的混合气或纯净的空气。一般进气系统主要包括空气滤清器和进气支管。在燃油喷射式发动机中，进气系统还包括空气流量计或进气管压力传感器，以便对进入气缸的空气量进行计量。1.空气滤清器燃油燃烧需要大量的空气，若不将空气中的杂质或灰尘滤除，必然加速气缸的磨损，缩短发动机使用寿命。空气滤清器的功用主要是滤除空气中的杂质或灰尘，让洁净的空气进入气缸。另外，空气滤清器也有消减进气噪声的作用。一、发动机的进气系统2.进气支管对于气道燃油喷射式发动机或柴油机，进气支管只是将洁净的空气分配到各缸进气道。进气支管必须将空气-燃油混合气或洁净空气尽可能均匀地分配到各个气缸，为此进气支管内气体流道的长度应尽可能相等。为了减少气体流动阻力，提高进气能力，进气支管的内壁应该光滑。轿车发动机的进气支管多由铝合金制造。铝合金进气支管具有重量轻、导热性好的优点。气道燃油喷射式发动机除应用铝合金进气支管外，近来采用复合塑料进气支管的发动机日渐增多。二、发动机的排气系统发动机排气系统的功用是以尽可能小的排气阻力和噪声，将气缸内的废气排到大气中。排气系统主要包括排气支管、挠性管、排气中管、消音器和排气尾管等。直列型发动机在排气行程期间，气缸中的废气经排气门进入排气支管，再由排气支管进入排气管、催化转换器和消声器，最后由排气尾管排到大气中。这种排气系统称作单排气系统。三、发动机增压系统所谓增压就是将空气预先压缩然后再供入气缸，以期提高空气密度、增加进气量的一项技术。由于进气量增加，可相应地增加循环供油量，从而可以增加发动机功率。如图所示，发动机排出的废气（蓝色箭头）推动涡轮排气端的涡轮机叶轮并使之旋转，由此便能带动与之同轴的另一侧的压气机叶轮同时转动。压气机叶轮把空气（红色箭头）从进风口强制吸进，并经叶片的旋转压缩后，再进