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汽车发动机构造与原理doc
第1篇汽车发动机构造与原理
第1章发动机基本结构与工作原理
内容提要
1.四冲程汽油机基本结构与工作原理
2.四冲程柴油机基本结构与工作原理
3.二冲程汽油机基本结构与工作原理
4.发动机的分类
5.发动机的主要性能指标
发动机：
将其它形式的能量转化为机械能的机器。
内燃机：
将燃料在气缸内部燃烧产生的热能直接转化为机械能的动力机械。
有活塞式和旋转式两大类。
本书所提汽车发动机，如无特殊说明，都是指往复活塞式内燃机。
内燃机特点：
单机功率范围大（0.6-16860kW）、热效率高（汽油机略高于0.3，柴油机达0.4左右）、体积小、质量轻、操作简单，便于移动和起动性能好等优点。
被广泛应用于汽车、火车、工程机械、拖拉机、发电机、船舶、坦克、排灌机械和众多其它机械的动力。
1.1四冲程发动机基本结构及工作原理
1.1.1四冲程汽油机基本结构及工作原理
1.四冲程汽油机基本结构（图1-2）
2.四冲程汽油机基本工作原理（图1-2）
表1-1四冲程汽油机工作过程
行程名称
曲轴转角
活塞行向
进气门
排气门
进气
0º～180º
↓
开
关
压缩
180º～360º
↑
关
关
作功
360º～540º
↓
关
关
排气
540º～720º
↑
关
开
3.工作过程分析
（1）四冲程发动机：
活塞在上、下止点间往复移动四个行程（相当于曲轴旋转了两周），完成进气、压缩、作功、排气一个工作循环的发动机就称为四冲程发动机。
四个行程中，只有一个行程作功，造成曲轴转速不均匀，工作振动大。
所以在曲轴后端安装了一个质量较大的飞轮，作功时飞轮吸收储存能量，其余三个行程则依靠飞轮惯性维持转动。
（2）冲程与活塞行程：
冲程：
指发动机的类型；
行程S：
指活塞在上、下两个止点之间距离；
气缸工作容积Vs：
一个活塞在一个行程中所扫过的容积。
式中Vs——工作容积（m3）；
D——气缸直径（mm）；
S——活塞行程（mm）。
发动机的排量Vst：
一台发动机所有气缸工作容积之和。
式中Vst——发动机的排量（L）；
i——气缸数。
（3）压缩行程的作用
一是提高进入气缸内混合气的压力和温度（压缩终了的气缸内气体压力可达0.6~1.2MPa，温度达600K~700K），为混合气迅速着火燃烧创造条件；
二是可以有效提高发动机的燃烧热效率η。
由热力学第一定律
当混合气被压缩程度提高时，发动机混合气燃烧所达到的最高温度（T1）升高，而排气的温度（T2）降低，导致热效率提高。
1860年，法国人Lenoir（勒努瓦）研制成功的世界第一台内燃机，没有压缩行程，热效率仅4.5%；1876年，德国人奥托（Otto）制造出第一台四冲程内燃机，采用压缩行程，虽然压缩比只有2.5，但热效率却提高到12%，有力地证明了科学是第一生产力这个真理。
压缩比ε：
气缸内气体被压缩的程度。
式中Va——气缸总容积（活塞处于下止点时，活塞顶部以上的气缸容积）；
Vc——气缸燃烧室容积（活塞处于上止点时，活塞顶部以上的容积）。
现代汽油机压缩比一般为7～11，如广州本田雅阁2.4i-VTEC发动机压缩比为9.7，而3.0V6-VTEC发动机压缩比则为10。
发动机压缩比也不能过高，否则会导致压缩终了温度和压力升高，汽油机产生爆震燃烧（参见4.4），热负荷、机械负荷、噪音和振动加大，起动困难。
可变压缩比（SVC）发动机：
能根据发动机工作负荷变化，自动调节压缩比。
负荷减少时，使压缩比提高；全负荷时，使压缩比降低。
可有效达到防止爆震燃烧，增加功率、降低油耗、减少排放的目的。
当气缸、活塞等磨损，气门不密封时，将导致发动机压缩气体外泄，热效率和功率下降。
4.多缸发动机结构特点
单缸发动机问题：
功率小，转速不均匀，工作振动大，现代汽车发动机都是多缸发动机，用得最多的是4缸、6缸、8缸发动机。
多缸发动机结构特点：
由多个结构相同的气缸组成，它们共用一个机体，一根曲轴。
曲轴的曲柄布置应该使各缸作功行程均匀分布在7200曲轴转角内。
如4缸发动机曲轴（图1-3）相邻工作缸的曲柄夹角为1800，曲轴每转1800便有一个气缸作功。
5.示功图
将四冲程发动机在一个工作循环里气缸内气体压力随气缸工作容积或曲轴转角变化的关系以座标图表示，得到图1-4所示的发动机示功图。
由示功图可以看到发动机一个工作循环里工作状态的变化，检查判断发动机性能优劣。
发动机特征点参数随机型、结构等有所不同，一般范围如表1-2所示。
表1-2发动机特征点参数
a
c
z
b
r
汽油机
P
0.075～0.09
0.6～1.2
3～5
0.3～0.5
0.105～0.115
T
370～400
600～700
2200～2800
1300～1600
900～1200
柴油机
P
0.08～0.09
3.5～4.5
6～9
0.2～0.4
0.105～0.125
T
300～370
750～1000
2000～2500
1200～1500
800～1000
注：
P-气缸内气体压强（MPa）；T-气缸内气体温度（K）
1.1.2四冲程柴油机结构特点与工作原理
结构特点：
没有火花塞，喷油器直接安装在气缸顶向气缸内喷油（图1-5）。
工作原理：
进气行程进入气缸的是纯空气，而不是可燃混合气；在压缩行程末，喷油器向气缸喷入高压柴油，由于气缸的高温高压作用，柴油迅速着火燃烧，使气体急剧膨胀，推动活塞作功。
其着火方式属于压燃式，而不是汽油机的点燃式。
燃料：
柴油，粘度高，不易挥发，自燃点低，不会产生爆燃。
为了使柴油可靠着火，提高发动机燃烧热效率，柴油机的压缩比汽油机高得多，一般为16～22，所以其最高燃烧压力也比汽油机高，工作也比汽油机粗暴。
柴油机与汽油机比较（表1-3）：
表1-3柴油机与汽油机比较
性能
汽油机
柴油机
着火方式
点燃
压燃
燃油消耗
高
低
热效率
30%左右
40%左右
工作平稳性
柔和
粗暴
发动机转速
高（4000～6000r/min）
低（2500～3000r/min）
升功率
大
小
起动性
易
难
制造维修成本
低
高
比质量
小
大
使用寿命
短
长
排放
CO、HC大，NOX、黑烟少
CO、HC小，NOX、黑烟多
柴油机的转速也在不断提高，奔驰V230轿车柴油机，最高转速可达6000r/min。
1.2二冲程发动机结构特点及工作原理
二冲程发动机：
指活塞在上、下止点间往复移动两个行程（相当于曲轴旋转3600），完成进气、压缩、作功、排气一个工作循环的发动机。
1.2.1二冲程汽油机结构特点与工作原理
1.结构特点（图1-6）
没有进、排气门，代之以进、排气孔7和8，由活塞圆柱面控制其开闭。
另外还有扫气孔2，扫气时曲轴箱和气缸连通。
2.二冲程汽油机工作原理
（1）第一行程（换气-压缩行程）：
活塞自下止点向上止点移动，到活塞圆柱面将排气孔8和扫气孔2都关闭时，开始压缩上一循环吸入气缸内的汽油与空气混合气，同时在活塞下面的曲轴箱内形成真空度（曲轴箱是密封的）。
当活塞继续上行时，进气孔7打开，新的汽油与空气可燃混合气经进气孔7被吸入活塞下方的曲轴箱内。
（2）第二行程（作功-换气行程）：
活塞接近上止点时，火花塞点火，点燃被压缩的混合气，高温、高压气体急剧膨胀，推动活塞向下运动，对外作功。
当活塞下行关闭进气孔7到露出排气孔8时，气缸开始排气，同时压缩活塞下方的可燃混合气；活塞继续下行到露出扫气孔2时，受到预压的新鲜混合气自扫气孔流入缸内，并扫除废气。
为了防止新鲜混合气大量与废气混合并排出气缸而造成浪费，活塞顶做成特殊形状，使新鲜混合气的气流被引向上部，还可以利用新鲜混合气来扫除废气，使排气更干净。
二冲程与四冲程汽油机比较（见表1-4）：
表1-4二冲程与四冲程汽油机比较
性能
二冲程汽油机
四冲程汽油机
结构
简单
复杂
比质量
小
大
燃油消耗
高
低
升功率
大
小
制造维修成本
低
高
比质量
小
大
起动性
好
差
使用寿命
短
长
排放
大
小
理论上二冲程比四冲程汽油机升功率大一倍，但实际上由于排气、换气占去了1/3行程，使作功行程缩短，导致实际单位气缸工作容积的功率只比四冲程汽油机大50%～60%。
由于排气行程短，废气排不尽，部分新鲜可燃混合气在扫气时随废气外流，造成燃油消耗率高，经济性差，HC排放增加。
同时，由于作功频繁，机械负荷和热负荷大，润滑困难，导致发动机寿命短。
因此，二冲程汽油机在现代汽车上较少采用，而被广泛应用于摩托车和微型汽车。
1.2.3二冲程柴油机结构特点与工作原理
1.结构特点
图1-7所示为美国GM公司生产的710G3B型二冲程柴油机。
在气缸盖上安装有排气门3和泵-喷嘴4，当排气门打开时，排出的废气冲击排气涡轮叶轮8使其旋转，并带动离心式风机9旋转，将空气加压，增压空气经冷却器11，进入集流箱13，再从缸套上的空气进气孔2进入气缸。
2.二冲程柴油机工作原理（图1-7）
（1）第一行程：
活塞自下止点向上止点运动，行程开始时，进气孔2和排气门3均开启，利用从离心式风机9压来的空气使气缸换气。
活塞继续向上移动，进气孔被遮盖，排气门也关闭，气缸内的空气受到压缩，压力和温度上升。
当活塞接近上止点时，高压燃油从泵-喷嘴4喷入气缸并着火燃烧，使气缸内压力急剧升高。
（2）第二冲程：
高温高压气体急剧膨胀，推动活塞从上止点向下止点运动，对外作功。
活塞接近下止点时，排气门开启，排出的废气冲击涡轮叶轮8使其旋转，并带动离心式风机9旋转，将空气加压，增压空气经冷却器11冷却后，再从缸套上的空气进气孔2进入气缸，进行换气。
二冲程柴油机的工作过程与二冲程汽油机工作过程不同的是：
进入柴油机气缸的是纯空气，而不是可燃混合气，而且空气进入气缸前先经过增压，所以二冲程柴油机比二冲程汽油机的经济性好。
日本雅马哈发动机公司于1999年3月开发出100km只燃用3升柴油的车用二冲程SD型柴油机。
美国GM公司生产的710G3B型二冲程柴油机功率达3060kW，燃油消耗率仅196.4g/kW•h。
二冲程柴油机主要应用于内燃机车、低速船用柴油机上。
1.3内燃机分类及型号
1.3.1内燃机的分类
内燃机种类繁多，根据不同特点有不同分类（表1-5）。
表1-5内燃机的分类
分类方法
类别
含义
按冲程数分
二冲程内燃机
活塞经过两个行程完成一个工作循环的内燃机
四冲程内燃机
活塞经过四个行程完成一个工作循环的内燃机
按着火方式分
点燃式内燃机
压缩气缸内的可燃混合气，并用外源点火燃烧的内燃机
压燃式内燃机
压缩气缸内的空气或可燃混合气，产生高温，引起燃料着火的内燃机
按使用燃料种类分
液体燃料内燃机
燃烧液体燃料（汽油、柴油、醇类等）的内燃机
气体燃料内燃机
燃烧气体燃料（液化石油气、天然气等）的内燃机
多种燃料内燃机
能够使用着火性能差异较大的两种或两种以上燃料的内燃机
按进气状态分
非增压内燃机
进入气缸前的空气或可燃混合气未经压缩的内燃机。
对于四冲程内燃机亦称自吸式内燃机
增压内燃机
进入气缸前的空气或可燃混合气先经过压气机压缩．藉以增大充量密度的内燃机
按冷却方式分
水冷式内燃机
用水冷却气缸和气缸盖等零件的内燃机
风冷式内燃机
用空气冷却气缸和气缸盖等零件的内燃机
按气缸数及布置分
单缸内燃机
只有一个气缸的内燃机
多缸内燃机
具有两个或两个以上气缸的内燃机。
立式内燃机
气缸布置于曲轴上方且气缸中心线垂直于水平面的内燃机。
卧式内燃机
气缸中心线平行于水平面的内燃机。
直列式内燃机
具有两个或两个以上直立气缸，并呈一列布置的内燃机。
V形内燃机
具有两个或两列气缸，其中心线夹角呈V形，并共用一根曲轴输出功率的内燃机（图1-8a）
对置气缸式内燃机
两个或两列气缸分别排列在同一曲轴的两边呈1800夹角的内燃机（见图1-8b）
斜置式内燃机
气缸中心线与水平面呈一定角度（不是直角）的内燃机
按用途分类
有汽车用、机车用、拖拉机用、船用、坦克用、摩托车用、发电用、农用、工程机械用等内燃机。
1.3.2内燃机型号
根据国家标准GB725-91规定，我国内燃机型号由以下四个部分组成：
型号示例
4100Q——四缸、直列、四冲程、缸径100mm、水冷、汽车用。
1E65F——单缸、二冲程、缸径65mm、风冷、通用型。
12V135ZG——12缸、V型、四冲程、缸径135mm、水冷、增压、工程机械用。
1.4发动机性能指标
评价一台发动机好坏，需要有一批性能指标来衡量。
常见的性能指标有动力性能指标、经济性能指标、运转性能指标和可靠性、耐久性能指标等。
1.4.1动力性能指标
1.有效转矩
发动机曲轴输出的平均转矩称为有效转矩，以Te表示，单位为N•m。
有效转矩与外界施加于发动机曲轴上的阻力矩相平衡，可以用发动机台架试验方法测得。
2.平均有效压力
指单位气缸工作容积所输出的有效功，以Pme表示，单位为kPa。
平均有效压力越大，动力性能越好。
3.有效功率
发动机曲轴输出的功率称为有效功率，用Pe表示。
它等于有效转矩与曲轴角速度的乘积。
（kW）
式中Te——有效转距（N•m）；
n——曲轴转速（r/min）。
有效功率也可以由下式计算：
（kW）
式中Pme——平均有效压力（kPa）；
Vs——气缸工作容积（m3）；
n——曲轴转速（r/min）；
i——气缸数；
τ——冲程系数，二冲程τ＝1，四冲程τ＝2。
发动机制造厂按国家规定标定的有效功率，称为标定功率。
标定功率时的发动机转速称标定转速，发动机名称牌上标明的功率就是标定功率。
标定功率是根据发动机用途、使用特点以及连续运转时间来确定的，各个国家有所不同，我国内燃机功率标定分以下四级（表1-6）：
表1-6我国内燃机功率标定
分级
含义
应用
15min功率
在标准环境条件下，内燃机能连续稳定运转15min时的最大有效功率
汽车等
1h功率
在标准环境条件下，内燃机能连续稳定运转1h时的最大有效功率
工程机械、拖拉机等
12h功率
在标准环境条件下，内燃机能连续稳定运转12h时的最大有效功率
部分拖拉机和电站等
持续功率
在标准环境条件下，内燃机能长期连续稳定运转的最大有效功率
铁路机车、船舶和发电机组等
发动机还常用升功率Pc比较不同发动机动力性能，它是指发动机在标定工况下每升气缸工作容积所发出的有效功率。
升功率越大，发动机动力性能越好。
1.4.2经济性能指标
1.燃油消耗率
发动机每发出1kW有效功率，在1h内所消耗的燃油质量（以g为单位），称为燃油消耗率，用be表示。
可按下式计算
g/（kW•h）
式中B——发动机每小时消耗的燃油质量（kg/h）；
Pe——发动机的有效功率（kW）。
2.有效热效率
燃料中所含的热量转变为有效功的比例称为有效热效率，用ηe表示。
式中We——发动机有效功（kJ）；
Q1——燃料中所含的热量（kJ）。
当测得发动机有效功率Pe和每小时消耗的燃油质量B时，则
或
式中Hu——燃料低热值（kJ/kg）。
现代汽车汽油机ηe值一般0.30左右，柴油机0.40左右。
1.4.3运转性能指标
发动机的运转性能指标主要指排放指标、噪声、起动性能等。
1.排放指标
发动机的排气中含有多种对人体有害的物质，主要有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）、醛类和微粒（含碳烟）等。
其主要危害见表1-7。
表1-7发动机主要有害排放及危害
有害排放
有害物特征
危害
CO
无色、无臭、有毒气体
使人出现恶心、头晕、疲劳等缺氧症状，严重时窒息死亡
NO2
赤褐色带刺激性的气体
伤害心、肝、肾。
与光化学反应形成臭氧和醛等
HC
刺激性的气体
破坏造血机能，造成贫血、神经衰弱，降低肺对传染病的抵抗力。
与光化学反应形成臭氧和醛等
光化学烟雾
HC与NOx在阳光作用下所形成的烟雾，有刺激性
降低大气可见度，伤害眼睛、咽喉，影响植物生长
醛类
较强的刺激性臭味
伤害眼睛、上呼吸道、中枢神经
微粒
碳烟等
伤害肺组织
SO2
无色、刺激性气体
刺激鼻喉，引起咳嗽、胸闷，支气管炎等
1955年9月中的几天里，美国洛杉矶的光化学烟雾非常浓烈，两天之内就有400多名65岁以上的老年人死亡，比平时高出几倍。
此外，还有几千人受到不同程度的伤害，地里的蔬菜变质，四分之一的森林干枯而死，那一幕幕惨状至今令人难忘。
目前世界汽车保有量6.6亿辆,每年排向大气中的有害物质高达7亿多吨，严重污染了大气，已形成公害。
为此，各国都制定了相应的汽车排放标准，如美国加州汽车排放法规，它是目前世界上最严的标准，规定2004年后生产的汽油轿车排放必须满足表1-8的低排放要求：
表1-8美国加州汽车排放法规（2004年实施的标准）
排放物
NMOG
CO
NOx
甲醛
要求
g/mile
（g/km）
0.075
（0.047）
3.4
（2.11）
0.05
（0.03）
0.0145
（0.009）
注：
用“非甲烷有机气体”NMOG替代了传统的碳氢化合物HC，因为排气中的组合物会随燃料的改变而改变，而NMOG的不同组成物对环境的影响不同，给予不同的加权后再叠加。
表中指标测试耐久性要求为50000mile。
我国排放标准参照欧洲法规体系，2000年开始执行EUⅠ标准，2003年开始执行EUⅡ标准。
2.噪声
噪声是发动机工作时发出的一种声强和频率无一定规律的声音，主要有燃烧噪声和机械噪声。
它不仅损害人的听觉器官，还伤害神经系统、心血管系统、消化系统和内分泌系统，容易使人性情烦躁，反应迟钝，甚至耳聋，诱发高血压和神经系统的疾病。
汽车是城市主要噪声源之一，发动机又是汽车的主要噪声源，应该给予控制。
我国的噪声标准中规定，小型水冷汽油机噪声不大于110dB（A），轿车的噪声不大于82dB（A）。
3.起动性能
起动性能是表征发动机起动难易的指标。
发动机起动性能好，便于汽车起步行驶，同时减少了起动时的功率消耗和发动机的磨损。
起动性能一般以一定条件下的起动时间长短来衡量。
我国标准规定，不采用特殊的低温起动措施，汽油机在-10℃、柴油机在-5℃以下的气温条件下起动，能在15s以内达到自行运转。
1.4.4可靠性与耐久性能指标
可靠性与耐久性也是汽车发动机使用中的两个重要指标。
1.可靠性
可靠性是指发动机在规定的运转条件下，具有持续工作，不至因为故障而影响正常运转的能力。
一般以保证期内的不停车故障数、停车故障数、更换主要零件和重要零件数等具体指标来衡量。
按照汽车发动机可靠性试验方法的规定，我国汽车发动机应能在标定工况下连续运行300~1000h。
2.耐久性
耐久性是指发动机在规定的运转条件下，长期工作而不大修的性能。
一般以发动机从开始使用到第一次大修前累计运转的时间表示。
上述发动机的动力性能指标、经济性能指标、运转性能指标和可靠性、耐久性等指标，对不同用途的发动机要求是不同的。
各项指标之间既相互联系又相互制约，往往为了降低排气污染，而不得不牺牲发动机的动力和经济性能指标。
1.5汽车发动机总体组成
在一个机体上安装一个机构（曲柄连杆机构）和六大系统（换气系统、燃料供给系统、润滑系统、冷却系统、点火系统和起动系统），如表1-9和图1-9所示。
柴油机则为五大系统，没有点火系统。
表1-9发动机总体组成
名称
功用
主要部件
机体组件
发动机的骨架，支承着发动机的所有零部件
机体、气缸、气缸盖、气缸垫等
曲柄连杆机构
将活塞顶的燃气压力转变为曲轴的转矩，输出机械能
活塞、连杆、曲轴、飞轮等
换气系统
按照发动机要求，定时开闭进、排气门，吸入干净空气，排除废气
空气滤清器、进排气管系、配气机构（气门组件、凸轮轴、驱动机构）、排气消音器等
燃料供给系统
按照发动机要求，定时、定量供给所需要的燃料
汽油机：
汽油箱、输油泵、滤清器、压力调节器、各种传感器、电控喷油器、电控单元等；（旧汽油机采用化油器）
柴油机：
柴油箱、输油泵、滤清器、高压油泵、调速器、喷油器等
点火系统
按规定的时刻，准时点燃汽油机气缸内的可燃混合气
蓄电池、点火开关、点火线圈组件、传感器、电控装置、火花塞等
润滑系统
润滑、减摩、延长寿命、密封、清洁、冷却、防锈蚀
油底壳、机油泵、机油滤清器、机油压力表、机油道等
冷却系统
保持发动机在适宜的温度下工作
冷却水泵、风扇、节温器、散热器、冷却水道等
起动系统
起动发动机
蓄电池、起动开关、起动马达等
1-凸轮轴2-摇臂3-排气门4-火花塞5-电控喷油器6-燃油滤清器7-电动燃油泵8-燃油箱9-点火线圈组件10-燃油压力调节阀11-进气门12-水温传感器13-爆振传感器14-进气管15-进气温度传感器16-节气门17-节气门传感器18-空气滤清器19-空气质量计20-控制单元（ECU）21-冷却水套22-发动机转速传感器23-点火开关24-蓄电池25-起动马达26-飞轮27-油底壳28-机油29-曲轴30-连杆31-曲轴皮带轮32-传动皮带33-气缸34-排气三元催化转化器35-氧传感器36-活塞37-凸轮轴皮带轮
本章小结
1.现代汽车发动机基本都采用内燃机。
内燃机是将燃料在气缸内燃烧所产生的热能转化为机械能的机器，它具有热效率高、体积小、质量轻、便于移动和起动性好等优点。
2.四冲程发动机是活塞在气缸内上、下止点间往复移动四个行程，完成进气、压缩、作功、排气一个工作循环的发动机。
按着火方式分为点燃式和压燃式。
汽油机采用点燃式，柴油机采用压燃式。
3.衡量汽车发动机性能的主要指标有动力性能指标（有效转矩、有效功率、平均有效压力）、经济性能指标（燃油消耗率、有效热效率）、运转性能指标（排放指标、噪声、起动性能）和可靠性、耐久性能等。
发动机铭牌上标明的功率及相应的转速，即为标定功率和标定转速。
我国分四级进行功率标定。
4.汽车发动机总体结构由机体组件、曲柄连杆机构、换气系统、燃油系统、润滑系统、冷却系统、点火系统（汽油机）和起动系统所组成。
【复习思考题】
1.名词解释：
发动机、内燃机、汽油机、柴油机、二冲程内燃机、四冲程内燃机、点燃式内燃机、压燃式内燃机、非增压内燃机、增压内燃机、直列式内燃机、V形内燃机、斜置式内燃机、上止点、下止点、活塞行程、工作容积、燃烧室容积、气缸总容积、发动机排量、压缩比、示功图、发动机有效转矩、发动机平均有效压力、有效功率、发动机标定功率、发动机标定转速、升功率、15min功率、1h功率、12h功率、持续功率、燃油消耗率、有效热效率。
2.画出四冲程汽油机的结构简图，并说明其工作原理。
3.画出四冲程柴油机的结构简图，并比较其结构和工作原理与四冲程汽油机的异同点。
4.四冲程内燃机的压缩行程有什么作用？
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