汽车发动机工作原理及总体构造

第一章发动机的工作原理和总体构造一、热力发动机即是将燃料的热能转变为机械能的一种动力装置。①内燃机：可燃混合气在机器内部燃烧而产生热能，然后再转为机械能。燃料在机器外部的锅炉内燃烧，将锅内的水加热，使之变为高温高压的水蒸气，然后送至机器内部，使所含热能转变为机械能。内燃机的优点：热效率高、体积小、重量轻、广泛应用。但由于使用的是石油燃料，因而污染较大。城市的大气污染相当部分来至内燃机所排出的废气。热力发动机②外燃机：第一节发动机的分类液化石油发动机按每一工作循环的冲程数分：按点火方式分：柴油机天然气发动机点燃式发动机（汽油机）压燃式发动机（柴油机）四冲程发动机：活塞往复四个单程完成一个工作循环。二冲程发动机：活塞往复二个单程完成一个工作循环。汽油机按所用燃料分：气体燃料发动机液体燃料发动机1、内燃机：①活塞式内燃机（本书的主要介绍对象。）②燃气轮机：旋转式的内燃机。活塞式内燃机分类：一个工作循环：在气缸中完成一次热功转换所进行的一系列连续过程。单缸（立式、卧式）发动机多缸（直列、Ｖ型、Ｐ型或对置式）发动机按气缸数及排列方式分：Ｐ型或对置式多缸（直列、Ｖ型、Ｐ型或对置式）发动机按冷却方式分：水冷式发动机风冷式发动机按是否装增压装置分：增压发动机非增压发动机（自然吸气发动机）按每缸气门数分：二气门发动机多气门发动机活塞由上止点到下止点所扫过的气缸容积Vh。Vh=（πD²/4×103）×S(L)(D：气缸直径，cm.S：活塞冲程，cm.)4、气缸排量（气缸工作容积）：5、发动机排量：VL=Vh•ⅰ(ⅰ----气缸数)活塞在上止点位置活塞在下止点位置6、燃烧室容积：当活塞在上止点时，活塞上方与缸盖围成的容积Vc。7、气缸总容积：Va=Vc+Vh8、压缩比：第四节四冲程发动机工作原理一、气缸总容积1、上止点：活塞顶部离曲轴中心最远处。2、下止点：活塞顶部离曲轴中心最近处。3、活塞冲程：上、下止点间的距离S。（发动机基本术语）汽油机：汽油粘度小，蒸发性好，在气缸外部形成混合气，自燃温度高于380ºC，外火源点燃。柴油机：柴油粘度大，蒸发性差，在气缸内部形成混合气，自燃度为250ºC左右，压缩自燃。汽油机又称点燃式发动机。柴油机又称压燃式发动机。二、可燃混合气的形成及发火方式：三、四冲程（汽油机，柴油机）的工作原理1、进气行程：柴油机：新鲜空气。汽油机：汽油与空气的混合物。活塞被曲轴带动由上止点向下止点移动，此时进气门开启，排气门关闭。活塞由上下被吸入气缸。终了压力：“汽”0.75—0.90温度：100—130ºC（个大气压）“柴”0.80—0.9560—80ºC由于进气有阻力，进气终了的压力略小于大气压力。由于上一循环留在气缸中的高温残余废气与新鲜气体混合，所以进气终了气体温度↑。进开排关V↑，P↓气缸内产生真空度新鲜空气（柴油机）汽油与空气的混合气（汽油机）进入气缸的是2、压缩行程：为使混合气体能迅速燃烧，产生较大的压力，使发动机发出较大的功率，必须在燃烧前对可燃混合气进行压缩，使之V↓，T↑。“汽”压缩接近终了，可燃混合气体由火花塞活塞由下上电极发出的电火花点燃。“柴”压缩接近终了，由喷油泵把柴油提高至上百个大气压以上使之雾化，再送至喷油器，由喷油器把雾状柴油喷入气缸，使与压缩后的高温空气混合，达自然温度时，便自行发燃烧。压缩比ε：ε=Va/Vc=1+Vh/Vc是发动机重要的结构参数。ε越大，压缩终了的P、T越高，燃烧越快，膨胀作功愈充分。从而使发动机的动力性、经济性提高。但ε过高，对汽油机来说，会引起T过高而造成两种不正常燃烧即：进关排关V↓P↑，T↑终了P、T：“汽”6—12；300—400ºC“柴”35—45；500—700ºC爆燃：由于ε过大P、T过高，远离火焰中心的可燃混合气在火焰尚未到达就自行发火燃烧的一种不正常燃烧。爆燃时，火焰以1500—2000m/s的速度向外传播，P、T极剧增加，形成压力波，撞击燃烧室壁，发出尖锐的敲缸声。同时，引起发动机过热功率↓，气门、火花塞等部件被燃坏。表面点火：由于ε过大P、T过高，在电火花之前可燃混合气就被燃烧室炽热的表面点燃的另一种不正常燃烧。表面点火发生时，伴有沉闷的敲缸声，产生的高压使发动机负荷↑，寿命↓。①现代汽油机的压缩比一般为ε=6—9（个别轿车可达9—11）。②柴油机靠压缩自燃，所以压缩比设计等较高ε=16—22。具有较好的经济性。但高的压缩比带来高的压缩压力、燃烧压力，使柴油机各部件要承受高的机械负荷，因而需要增加强度及刚度。故柴油机的尺寸、重量指标不如汽油机。*进关曲轴强制排关旋转作功3、作功行程：压缩终了，气缸容积很小，迅速燃烧的混合气使缸内P、T急剧升高。最高压力：“汽”30—50温度：1900---2500ºC“柴”60---901700---2200ºC高温高压气体推动活塞由上下热能机械能4、排气行程：可燃混合气燃烧后变成废气，为了进行下一循环，必须把废气排气过程。活塞由下上废气经排气门排出气缸进关排开终了压力：“汽”3---5温度：1000---1300ºC终了压力：“汽”1.05---1.25温度：600---900ºC“柴”1.05---1.25500---700ºC。“柴”2---4800---1000ºC四冲程发动机经过进气、压缩、作功、排气四个冲程完成一个工作循环。此期间，活塞在上、下止点间往复移动了四个行程，曲轴旋转了两周。进气终了P：“汽”0.75—0.90（个大气压）“柴”0.80—0.95压缩终了P：“汽”6—12“柴”35—45燃烧时的最高P：“汽”30—50“柴”60---90作功终了P：“汽”3---5“柴”2---4排气终了P：“汽”1.05---1.25“柴”1.05---1.255、示功图：表示发动机在工作过程中，其P、V的变化情况，曲线包围的面积即为发动机的指示功。*VPP0进气终了P：“汽”0.75—0.90（个大气压）“柴”0.80—0.95“汽”6—12“柴”35—45燃烧时的最高P：“汽”30—50“柴”60---90作功终了P：“汽”3---5“柴”2---4排气终了P：P0P0P0P0“汽”1.05---1.25“柴”1.05---1.25压缩终了P：汽油机：（优点）ε较小，体积小，重量轻，转速较高，动力性好。制造维修成本低，噪声小，起动容易。主要用于轿车、微型车（客车、货车）、军用越野车。（缺点）燃料经济差，排污大（HC、N0x、CO）柴油机：（优点）ε较大，燃料燃烧完全，经济性好。（缺点）由于ε较大P、T较高，所以体积大、重量大，转速较低，制造维修成本高（喷油泵、喷油器加工精度要求高）。常用于中、重型货车。（对经济性要求高，动力性要求较低）。同排量的单缸与多缸发动机优缺点比较：单缸：结构简单、重量轻。运转不平稳、冲击振动大。多缸：与单缸相反。发火间隔角=720º/i（i——缸数）。现代汽车上一般不用单缸机，用得最多的是四缸、六缸、八缸。四：四冲程汽油机和柴油机的优缺点比较1、结构：无进排气门及配气机构，由三孔控制进、排气，活塞为凸顶。一：二冲程汽油机的工作原理：第三节二冲程发动机工作原理二冲程发动机的一个工作循环也包括进气、压缩、燃烧作功、排气四个行程。只不过这些行程的完成仅需活塞在两个行程内，即曲轴旋转一周完成。2、工作原理：活塞上行（三孔均闭），压缩上一循环吸入气缸的可燃混合气，活塞上方曲轴箱V↑，P↓产生真空度；上行2/3行程（孔1开启），可燃混合气吸入曲轴箱接近上止点，由火花塞发火点燃。。（a、b、c)②高温高压气体推动活塞下行，孔1逐渐关闭；曲轴箱内气体被预压，接近下止点（孔2开启，废气排出，接着孔3开启，新鲜混合气自孔3流入气缸，并驱除废气。）（d)V↓，P↑气(发动机的工作原理)*活塞上行：压缩，进气。下行：作功，换气。二冲程汽油机的工作原理二、二冲程柴油机的工作原理：1、结构：有一排气门，有一进气孔，活塞顶部为凹顶。2、工作过程：进孔开排门开上行1/3行程（进孔关，排门关）①活塞由下上（空气进入，废气排出）上行接近上止点，由喷油器喷入高压雾状柴油与高压空气迅速混合，发火自燃。②高温高压气体推动活塞下行至2/3行程。（排气门开，废气排出，接着，进气孔开，进行换气。）*活塞上行：换气；压缩下行：作功，换气。二冲程发动机与四冲程发动机比较，其主要优点、缺点如下：优点：1）曲轴每转一周就有一个作功行程，因此，当二冲程发动机的工作容积和转速与四冲程发动机相同时，在理论上它的功率应等于四冲程发动机的两倍。2）由于发生作功过程的频率较高，故二冲程发动机的运转比较平稳。3）由于没有专门的换气机构，所以其结构较简单，质量也比较小。4）由于附属机构少，所以受磨损和经常需要修理的运动部件数量也比较少缺点：1）不易将气缸内的废气排除干净，而且在换气时减少了有效工作行程。因此，在同样的工作容积和曲轴转速下，二冲程发动机的功率并不等于四冲程发动机的两倍，只等于1.5~1.6倍。2）在换气时有一部分新鲜可燃混合气随废气排出，因此，二冲程发动机不如四冲程发动机经济。燃料供给系：汽油机：由化油器向气缸供给由汽油与空气混合的混合气。柴油机：由喷油泵提供雾状柴油，通过喷油器喷入气缸。曲柄连杆机构：进行热功转换。配气机构：控制进、排气门的开启时刻及延续时间。五大系统（包括）：点火系：（汽油机独有）在压缩行程接近上止点时，点火系即在火花塞电极间产生电火花以点燃混合气。冷却系：降低气缸及高温部件的高温，使发动机保持正常的工作温度。润滑系：减少相对运动部件的摩擦阻力，减轻磨损。起动系：用外力转动发动机曲轴以达到燃烧作功所需的条件。两大机构：第四节发动机的总体构造发动机结构示意图曲柄连杆机构：进行热功转换。配气机构：控制进、排气门的开启时刻及延续时间。燃料供给系：汽油机：由化油器向气缸供给由汽油与空气混合的混合气。柴油机：由喷油泵提供雾状柴油，通过喷油器喷入气缸。汽油机柴油机点火系：（汽油机独有）在压缩行程接近上止点时，点火系即在火花塞电极间产生电火花以点燃混合气。冷却系：降低气缸及高温部件的高温，使发动机保持正常的工作温度。润滑系：减少相对运动部件的摩擦阻力，减轻磨损。起动系：用外力转动发动机曲轴以达到燃烧作功所需的条件。第三节发动机的主要性能指标与特性发动机的主要性能指标包括：动力性指标：有效扭矩Te、有效功率Pe、转速n经济性指标：be运转性指标：排气品质、噪声、起动性。一、动力性指标：1、有效扭矩Te：发动机对外输出的扭矩。——可在实验台架上测出。2、有效功率Pe：发动机对外输出的功率。Pe=（Te×n）/9550(kw)；Te(N·m)、n(r/min)——可测定二、经济性指标：1、燃油消耗率be：发动机每发出1KW有效功率，在1h内所消耗的燃油量。be=x1000(g/kwh)；B—发动机每小时的耗油量(kg/h)——可测定BPe三、发动机的运转性能指标：1、排气品质：有害气体成分的限制标准。P41美日欧韩：74---80dB(A)中国：82---89dB(A)3、起动性能：标准：汽油机在-10ºC，柴油机在-5ºC以下气温条件下，接通起动机15s内发动机要能自行运转。1、定义：指发动机的Pe、Te、be随曲轴转速的变化规律。这个特性可通过发动机在试验台上进行试验而求。四、发动机的速度特性：2、噪声：车外噪声标准试验方法：保持一定的节气门开度，变更发动机的转速，经测定，计算得到一系列相应Pe、Te、be值，然后以转速横坐标，Pe、Te、be为纵坐标，按比例绘制它们的变化规律，即得发动机在这一节气门开度的速度特性曲线。如图：外特性：节气门全开时所测得到的速度特性。代表发动机不同转速下的最高性能。部分速度特性：节气门部分开度所测得的速度特性。五、发动机的工作状况（工况）：发动机工况可用它的功率与曲轴转速来表示，或用负荷与曲轴转速来表示。发动机在某一转速下的负荷=Χ100%如图表示发动机的一组特性曲线：I为节气门全开时的外特性。Ⅱ、Ⅲ为节气门部分开启时的部分特性。在a，b，c，d四个工况下的负荷值如下：a