内燃机工作原理

第一章发动机概论发动机基本组成和常用术语四冲程发动机工作原理二冲程发动机工作原理多缸四冲程发动机的工作顺序内燃机产品的名称及型号编制规则发动机在汽车上的支承发动机：汽车动力来源。一部转换能量的机器:某种能量机械能热机:热能机械能内燃机：燃料与空气混合后在机器内部燃烧而产生热能，然后再转变为机械能。往复活塞式内燃机发动机的定义车用内燃机水冷发动机风冷发动机车用内燃机车用内燃机车用内燃机四冲程发动机二冲程发动机汽油发动机柴油发动机单缸发动机多缸发动机化油器式发动机直接喷射式发动机车用内燃机单列式发动机双列式发动机按照所用燃料分类内燃机按照所使用燃料的不同可以分为汽油机和柴油机(图1-1)。使用汽油为燃料的内燃机称为汽油机；使用柴油机为燃料的内燃机称为柴油机。汽油机与柴油机比较各有特点；汽油机转速高，质量小，噪音小，起动容易，制造成本低；柴油机压缩比大，热效率高，经济性能和排放性能都比汽油机好。柴油机与汽油机比较，柴油机的压缩比高，热效率高，燃油消耗率低，同时柴油价格较低，因此，柴油机的燃料经济性能好，而且柴油机的排气污染少，排放性能较好。但它的主要缺点是转速低，质量大，噪声大，振动大，制造和维修费用高。按照行程分类内燃机按照完成一个工作循环所需的行程数可分为四行程内燃机和二行程内燃机(图1-2)。把曲轴转两圈(720°)，活塞在气缸内上下往复运动四个行程，完成一个工作循环的内燃机称为四行程内燃机；而把曲轴转一圈(360°)，活塞在气缸内上下往复运动两个行程，完成一个工作循环的内燃机称为二行程内燃机。汽车发动机广泛使用四行程内燃机。四冲程二冲程按照冷却方式分类内燃机按照冷却方式不同可以分为水冷发动机和风冷发动机(图1-3)。水冷发动机是利用在气缸体和气缸盖冷却水套中进行循环的冷却液作为冷却介质进行冷却的；而风冷发动机是利用流动于气缸体与气缸盖外表面散热片之间的空气作为冷却介质进行冷却的。水冷发动机冷却均匀，工作可靠，冷却效果好，被广泛地应用于现代车用发动机。按照气缸数目分类内燃机按照气缸数目不同可以分为单缸发动机和多缸发动机(图1-4)。仅有一个气缸的发动机称为单缸发动机；有两个以上气缸的发动机称为多缸发动机。如双缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸等都是多缸发动机。现代车用发动机多采用四缸、六缸、八缸发动机。按照气缸排列方式分类内燃机按照气缸排列方式不同可以分为单列式和双列式(图1-5)。单列式发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的，但为了降低高度，有时也把气缸布置成倾斜的甚至水平的；双列式发动机把气缸排成两列，两列之间的夹角180°(一般为90°)称为V型发动机，若两列之间的夹角=180°称为对置式发动机。按照进气系统是否采用增压方式分类内燃机按照进气系统是否采用增压方式可以分为自然吸气(非增压)式发动机和强制进气(增压式)发动机(图1-6)。汽油机常采用自然吸气式；柴油机为了提高功率有采用增压式的。1.1.1单缸发动机结构示意图1.1发动机基本组成和常用术语1.1.2基本术语1.上止点：活塞离曲轴回转中心最远处，通常指活塞上行到最高位置。2.下止点：活塞离曲轴回转中心最近处，通常指活塞下行到最低位置。3.活塞行程(S)：上、下两止点间的距离(mm)。4.曲柄半径(R)：与连杆下端(即连杆大头)相连的曲柄销中心到曲轴回转中心的距离(mm)。曲轴每转一转，活塞移动两个行程。5.气缸工作容积(Ⅴh)：活塞从上止点到下止点所让出的空间容积(L)。Ⅴh=πD2S/(4×106)(L)式中：D——气缸直径(mm)。6.发动机排量(ⅤL)：发动机所有气缸工作容积之和(L)。设发动机的气缸数为i，则ⅤL=Ⅴhi(L)7.燃烧室容积(ⅤC)：活塞在上止点时，活塞上方的空间叫燃烧室，它的容积叫燃烧室容积(L)。8.气缸总容积(Ⅴa)：活塞在下止点时，活塞上方的容积称为气缸总容积(L)。它等于气缸工作容积与燃烧室容积之和，即Ⅴa=Ⅴh+ⅤC9.压缩比(ε)：气缸总容积与燃烧室容积的比值，即ε=Ⅴa/ⅤC=(Ⅴh+ⅤC)/ⅤC=1+Ⅴh/ⅤC它表示活塞由下止点运动到上止点时，气缸内气体被压缩的程度。压缩比越大，压缩终了时气缸内的气体压力和温度就越高。一般车用汽油机的压缩比为6~10，柴油机的压缩比为15~22。10.发动机的工作循环：在气缸内进行的每一次将燃料燃烧的热能转化为机械能的一系列连续过程(进气、压缩、作功和排气)称发动机的工作循环。11.二冲程发动机：活塞往复两个行程完成一个工作循环的称为二冲程发动机。12.四冲程发动机：活塞往复四个行程完成一个工作循环的称为四冲程发动机。§1.2四冲程发动机的工作原理一、四冲程汽油机的工作原理1、进气行程2、压缩行程3、作功行程4、排气行程单缸四冲程汽油机的工作过程进气行程排气门关闭进气门开启活塞温度370~400K，压力0.07~0.09MPa大气压力线PVra示功图上止点下止点示功图：表示活塞在不同位置时气缸内气体压力的变化情况。压缩行程进气门关闭排气门关闭活塞压缩比：ε=Va/VcPVra示功图大气压力线c上止点下止点温度600~700K，压力0.6~1.5MPa作功行程进气门关闭排气门关闭活塞PVra示功图大气压力线cZb上止点下止点瞬时最高：温度2200~2800K，压力3~5MPa作功终了：温度1300~1600K，压力0.3~0.5MPa排气行程进气门关闭排气门打开活塞PVr示功图大气压力线cZb上止点下止点温度900~1200K压力0.105~0.115MPa残余废气二、四冲程柴油机的工作原理喷油器排气行程进气门排气门纯空气温度300-370K压力0.0785～0.0932MPa温度750-1000K压力3-5MPa瞬时：温度2000-2500K压力6-9MPa温度800-1000K压力0.105-0.125MPa终了：温度1200～1500k压力0.2-0.4MPa吸气行程压缩行程作功行程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？？共同特点：1.每个工作循环曲轴转两转(720°)每一行程曲轴转半转(180°)，进气行程是进气门开启，排气行程是排气门开启，其余两个行程进、排气门均关闭。2.四个行程中，只有作功行程产生动力，其它三个行程是为作功行程做准备工作的辅助行程，虽然作功行程是主要行程，但其它三个行程也不可缺少。3.发动机运转的第一个循环，必须有外力使曲轴旋转完成进气、压缩行程，着火后，完成作功行程，依靠曲轴和飞轮贮存的能量便可自行完成以后的行程，以后的工作循环发动机无需外力就可自行完成。思考四冲程汽油机和柴油机的工作循环有什么不同呢？不同点汽油机柴油机汽油与空气缸外混合，进入可燃混合气进入气缸的是纯空气电火花点燃混合气高温气体加热柴油燃烧有点火系无点火系无喷油器有喷油器§1.3二冲程发动机的工作原理二冲程汽油发动机工作原理二冲程柴油发动机工作原理一、二冲程汽油机工作原理压缩混合气进气点火燃烧排气换气孔进气孔排气孔火花塞二、二冲程柴油机工作原理换气燃烧排气压缩喷油器空气扫气泵废气排气门1.四冲程发动机的进、排气是两个分开的专门过程，而二冲程发动机单纯的排气(或进气)时间极短，主要是一个几乎完全重叠的，以新鲜气体清扫废气的换气过程。这样的换气过程不可避免地会发生新鲜气体和废气混合，造成废气难以排净和新鲜气体随废气排出的后果。2.完成一个工作循环，二冲程发动机只需转一转，而四冲程发动机需要转两转。因此，当发动机工作容积、压缩比和转速相等时，从理论上讲，二冲程发动机的功率应为四冲程发动机功率的两倍，但实际上，只有1.5～1.6倍，这是由于二冲程发动机难以将废气排净，以及为了安排换气过程而较多地损失了高压气体的作功能力，另外还有可燃混合气随废气排出等所致。3.当转速相同时，二冲程发动机的作功次数较四冲程发动机多一倍。因此，二冲程发动机运转较平稳，这对单缸发动机来说更为明显。4.由于没有气门或只有排气门，也就省去了配气机构或使配气机构较为简单，简化了发动机的结构。易受磨损和经常需要修理的运动部件数量较少。由于二冲程汽油机有混合气损失，故经济性差，在大中型汽车上的应用受到了限制。但由于它结构简单、重量轻、制造成本低等优点，轻便摩托车和微型汽车的小排量发动机广泛采用。二冲程柴油机由于换气时进入气缸的是纯空气，没有燃料损失，为某些汽车所采用。二冲程发动机与四冲程发动机相比，有何优点？从各单缸发动机工作原理可知，只有作功行程产生动力，其它三个行程都要消耗动力。为了维持运动，单缸发动机必须有一个贮备能量较大的飞轮。即使如此，发动机运转仍然是不平稳的，作功行程快，其它行程慢。汽车上实际应用的是多缸发动机，它是由若干个相同的单缸排列在一个机体上共用一根曲轴输出动力所组成。现代汽车上用的较多是四缸、六缸、八缸发动机。§1.3多缸四冲程发动机的工作顺序多缸发动机是在曲轴转角720°内(四冲程)或曲轴转角360°内(二冲程)，各缸都要象单缸发动机一样完成一个工作循环。为了使发动机运转平稳，各缸作功间隔角大都均等。如四冲程六缸发动机各缸作功间隔角为Ψ=720°/6=120°即曲轴每转1200就有一个缸作功，各缸作功行程略有搭接，这样发动机运转较单缸发动机平稳得多。另外，由于各缸的作功行程为其它缸的准备行程提供动力，所以贮存能量的飞轮也较单缸发动机小得多。四缸发动机从理论上讲作功冲程就已连续，而六、八缸发动机都有作功重叠，且缸数越多、重叠得就越大，发动机运转得就越平稳。各缸做功行程顺序（据机器平衡性及各缸机械负荷和热负荷的均匀性）：直列四缸：1-3-4-2；1-2-4-3直列六缸：1-5-3-6-2-4§1.5发动机的总体构造两大机构曲柄连杆机构配气机构五大系统供给系点火系冷却系润滑系起动系制作：刘艳旺Email：[e-mail]连杆飞轮曲轴活塞排气门推杆挺柱正时齿轮配气机构曲柄连杆机构进气门摇臂凸轮轴凸轮轴1曲柄连杆机构)曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。在作功行程中，活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并从曲轴对外输出动力。而在进气、压缩和排气行程中，飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。2配气机构配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气过程。配气机构大多采用顶置气门式配气机构，一般由气门组、气门传动组和气门驱动组组成。3燃料供给系统汽油机燃料供给系的功用是根据发动机的要求，配制出一定数量和浓度的混合气，供入气缸，并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中去；柴油机燃料供给系的功用是把柴油和空气分别供入气缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧，最后将燃烧后的废气排出。4点火系统在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系，点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。强制循环式水冷却系示意图1-百叶窗；2-散热器；3-散热器盖；4-风扇；5-小循环水管；6-水泵；7-节温器；8-出水管；9-水套；10-水温表和传感器；11-水套放水开关；12-散热器放水开关5冷却系统冷却系的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。水冷发动机的冷却系通常由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成。6润滑系统润滑系的功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。并对零件表面进行清洗和冷却。润滑系通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。桑塔纳发动机润滑系示意图7起动系统要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此