《汽车构造》全书教案——第一讲：发动机工作原理

汽车构造教案课程名称汽车构造课时6授课班级教学方式讲授多媒体教学课题发动机工作原理任课教师教学目的与要求1.掌握活塞行程、气缸工作容积、压缩比、有效扭矩、有效功率、燃油消耗率等基本概念；2.理解四冲程汽油机工作原理，重点掌握各个行程的工作特点；3.了解四冲程柴油机基本工作原理；4.了解发动机总体结构；5.能确定发动机的基本特征。重、难点1.重点掌握发动机的排量以及压缩比的概念；2.四冲程汽油机的工作原理。主要内容第一讲：发动机工作原理1.1概述发动机是将某一形式的能量转化为机械能的机器。发动机是汽车最主要的总成之一.它是动力的来源，内燃机汽车发动机的作用是将燃料与空气进行混合在其机体内燃烧，推动活塞往复运动再带动曲轴旋转、从而将化学能转变为机械能向汽车提供动力。由于燃料是在气缸中燃烧.因此又称内燃机。1.2基本术语1．上止点；活塞顶距离曲轴旋转中心最远的位置称为上止点；2．下止点：活塞顶距离曲轴旋转中心最近的位置，称为下止点。3．活塞行程上、下止点间的距离称为活塞行程，用s表示。S=2R（R曲柄半径）即曲轴每转一周，活塞完成两个行程。4.燃烧室容积，活塞在气缸内作往复直线运动，当活塞位于上止点时，活塞顶上面的气缸空间为燃烧室容积，用VC表示。5.气缸工作容积活塞从一个止点移到另一个止点所扫过的容积称为气缸工作容积，用Vh(L)表示。62102SDVh式中D——气缸直径，mm；s——活塞行程，mm；备注6.气缸总容积活塞位于下止点时，活塞顶上部的全部气缸容积称为气缸总容积，用Va表示，即：Va=Vc+Vh7发动机排量多缸发动机所有气缸工作容积的总和称为发动机排量，用VL表示。VL=Vhi式中：i——发动机的气缸数。8.压缩比气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比，用ε表示。ε=Va/Vc=1＋Vh/Vcε表示活塞从下止点移到上止点时，气缸内气体被压缩的程度。汽油机一般为6~9(有的轿车可达9~11)，柴油机一般为16~22。1.3发动机的总体构造一、组成：(两大机构五大系统)曲柄连杆机构、配气机构、供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系。（一）．曲柄连杆机构组成1.曲柄连杆机构由气缸体与曲轴箱组、活塞连杆组、曲轴飞轮组等三部分。（1）气缸体与曲轴箱组由气缸体、曲轴箱、气缸盖、气缸套、气缸垫及油底壳等组成；（2）活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆等组成；（3）曲轴飞轮组由曲轴、飞轮、扭转减振器、平衡重等组成。有的发动机将气缸分铸成上下两部分，上部称为气缸体、下部称为曲轴箱。2.功用：（1）气缸体是发动机各机构、各系统的装配基体，其本身的许多部分又分别是曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系、冷却系和润滑系的组成部分。（2）气缸盖和气缸体的内壁共同组成燃烧室的一部分，是承受高温、高压的机件。它的功用是将燃料燃烧时产生的热量转变为活塞往复运动的机械能，再通过连杆将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动而对外输出动力。（二）配气机构组成：配气机构由进气门、排气门、挺柱、推杆、摇臂、凸轮轴以及凸轮轴正时齿轮(由曲轴正时齿轮驱动)等组成。功用：使可燃混合气及时充入气缸并及时从气缸排出废气。（三）供给系组成：汽油箱、汽油泵、汽油滤清器、化油器、空气滤清器，进气管、排气管、排气消声器等组成。功用：是把汽油和空气混合成合适的可燃混合气供入气缸，以供燃烧，并将燃烧生成的废气排出发动机。（四）点火系蓄电池、断电器(与分电装置等组合成为分电器和点火线圈、火花塞等组成：功用是保证按规定时刻及时点燃气缸中被压缩的混合气。（五）冷却系水泵、散热器、风扇、分水管、气缸体放水阀以及气缸体和气缸盖里铸出的空腔——水套等组成。功用是把受热机件的热量散到大气中去，以保证发动机正常工作。（六）润滑系组成：机油泵、集滤器、限压阀、润滑油道、机油粗滤器、机油细滤器和机油冷却器等组成。功用：将润滑油供给作相对运动的零件以减少它们之间的摩擦阻力，减轻机件的磨损，并部分地冷却摩擦零件。清洗摩擦表面。（七）起动系组成；起动机8及其附属装置等组成，功用：用以使静止的发动机起动并转入自行运转。汽油机一般都由上述两个机构和五个系统组成。对于汽车用柴油机，由于其混合气是自行着火燃烧的，所以柴油机没有点火系。因此柴油机由两个机构和四个系统组成。1.4发动机简单工作原理1.4.1四冲程汽油机工作原理.四冲程发动机活塞在气缸内往复四个行程(相当于曲轴旋转两周)完成一个工作循环的发动机，称为四冲程发动机。.四冲程发动机每个工作循环中的四个活塞行程分别为进气行程、压缩行程、作功行程和排气行程。1.进气行程进气行程将空气与燃料先在气缸外部的化油器中进行混合。开始形成可燃混合气，然后吸入气缸。进气行程中，进气门开启，排气门关闭。曲轴带动活塞从上止点向下止点运动，活塞上方的气缸容积增大。从而气缸内压力降到大气压以下.即在气缸内造成真空吸力。这样.可燃混合气便经进气管道和进气门被吸入气缸.在这个过程中.曲轴转过了180º。由于进气系统有阻力，进气终了时气缸内气体压力约为0.075~0.09MPa。流进气缸内的可燃混合气，因为与气缸壁、活塞顶等高温机件表面接触并与前一循环留下的高温残余废气混合，所以温度升高到370~400K。2.压缩行程为使吸入缸内的混合气迅速燃烧，放出更多的热量，从而使发动机发出更大的功率，必须在混合气燃烧前对其进行压缩，使其容积变小、温度升高。为此，在进气终了时便立即进入压缩行程。在此行程中，进、排门均关闭，曲轴推动活塞定时由下止点向上止点移动一个行程，压缩终了时，活塞到达上止点，混合气被压入活塞上方很小的燃烧室中。此时，混合气压力高达0.6~1.2MPa，温度可达600~700K。压缩比对发动机的影响在发动机技术状况良好的情况下.发动机的压缩比大，则混合气燃烧迅速、发动机发出的功率大、经济性就好。但压缩比过大由于受汽油抗爆性等因素的影响，会导致爆燃和表面点火等不正常燃烧现象的出现，从而造成发动机过热、功率下降、油耗增加等一系列不良后果。因此，在提高汽油机压缩比时，必须防止爆燃和表面点火现象的发生。3.作功行程作功行程在压缩行程接近终了时，火花塞产生电火花点燃混合气，此时进、排气门仍关闭。由于混合气的迅速燃烧，使缸内气体的温度和压力迅速升高，最高压力可达5~9MPa，最高温度可达2200~2800K。在高温高压气体的作用力推动下，活塞向下止点运动，活塞的下移通过连杆使曲轴旋转运动，产生转矩而作功。发动机至此完成了一次将热能转变为机械能的过程。通过连杆使曲轴旋转并输出机械能，除了用于维持发动机本身继续运转外，其余即用于对外作功。作功终了时，压力降至0.3~0.5MPa、温度则降为1300~1600K。此时曲轴又转过180º。4.排气行程排气行程混合气燃烧后成为废气，应从气缸内排出，以便下一个工作循环得以进行。因此，当作功行程接近终了时，排气门打开，进气门仍关闭，因废气压力高于大气压而自动排出，此外，当活塞越过下止点上移时，还靠活塞的推挤作用强制排气。活塞到上止点附近时，排气行程结束。排气终了时，缸内压力约为0.105~0.115MPa，温度约为900~1200K。综上所述.四冲程汽油发动机经过进气、压缩、燃烧作功、排气四个行程，完成一个工作循环。这期间活塞在上下止点间往复移动了四个行程，相应地曲轴旋转两圈(720º)，进排气门各打开一次，发动机有一次作功。至此，发动机完成一个工作循环，接着又开始了下一个新工作循环。1.4.2四冲程柴油机工作原理四冲程的柴油机(压燃式发动机)和汽油机一样，每个工作循环也经历进气行程、压缩行程、作功行程、排气行程四个行程。但由于柴油机用的燃料是柴油，其粘度比汽油大，不易蒸发，而其自燃温度却比汽油低，故可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。1.进气行程进气行程它不同于汽油机的是进入气缸的不是可燃混合气，而是纯空气。2.压缩行程压缩行程不同于汽油机的是压缩的是纯空气，且由于柴油机压缩比高，压缩终了的温度和压力都比汽油机高，压力可达3~5MPa，温度可达800~1000K。3.作功行程作功行程此行程与汽油机有很大不同，在柴油机压缩行程末，喷油泵将高压柴油经喷油器呈雾状喷人气缸内的高温空气中，燃油迅速汽化并与空气形成混合气，由于此时气缸内的温度远高于柴油的自燃温度(约500K左右)，柴油便立即自行着火燃烧，且此后一段时间内边喷油边燃烧，气缸内压力、温度急剧升高，推动活塞下行作功。此行程中，瞬时压力可达5~10MPa，瞬时温度可1800～2200K；作功行程终了时压力约为0.2~0.4MPa，温度约为1200~1500K。4.排气行程排气行程与汽油机基本相同。排气终了气缸内压力约为0.105~0.125MPa，温度约为800~1000K。5.四冲程发动机的工作特点：(1)每一个发动机工作循环，曲轴转两周(720º)，每一个行程曲轴转半周(180º)，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，其他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，但其他三个行程也必不可少。因此，进气行程、压缩行程和排气行程被称为“辅助行程”。(3)在发动机运转的第一循环时，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，并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。6.柴油机与汽油机的不同之处：(1)汽油机的混合气是在气缸外部的化油器中开始形成的，而柴油机的混合气是在气缸内部形成的。柴油机在进气行程时，被吸入气缸内的是纯空气。(2)汽油机在压缩终了时，靠火花塞强制点火，而柴油机则靠自燃。总结发动机基本上是由曲柄连杆机构、配气机构、供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系组成。汽油机一般都由上述两个机构和五个系统组成。对于汽车用柴油机，没有点火系，因此柴油机由两个机构和四个系统组成。四冲程的柴油机和汽油机一样，每个工作循环包括进气行程、压缩行程、作功行程、排气行程四个行程。发动机主要性能指标有两类动力性指标和经济性指标。动力性指标主要有：有效扭矩、有效功率、转速；经济性指标是燃油消耗率。思考与练习题1．什么是发动机?发动机通常是由哪些机构与系统组成?它们各有什么功用?2．指出发动机外露零件、部件的名称和作用。3．什么是发动机的工作循环?四冲程汽油发动机的工作循环是怎么进行的?它与四冲程柴油发动机的工作循环有什么不同？4．四冲程汽油发动机与四冲程柴油发动机相比较，各有哪些优缺点?5．通过发动机的解体，试述发动机的构造，发动机每个机构或系统中的主要代表零部件有哪些?6．什么是发动机的有效指标?主要有哪些?