教案02发动机工作原理和总体构造汇总.docx

1、教案02发动机工作原理和总体构造汇总第一章 发动机的工作原理和总体构造 实训 :发动机总体认识 附讲义:第一章 发动机的工作原理和总体构造第一节 发动机的分类汽车的动力源是发动机。发动机是将某一种形式的能量转化为机械能的机器。 将燃料燃烧所产生的热能转化为机械能的装置称为热力发动机, 简称 热机 。 内燃机 是热力发动机的 一种, 其特点是液体或气体燃料与空气混合后直接输人机器内部燃烧而产生热能, 然后再转变成机械能。 另一种热机是 外燃机 , 如蒸汽机, 其特点是燃料在机器外部的锅炉内燃烧, 将锅护内的水加热而产生高 温、高压的水蒸汽,输送至机器内部,使所含的热能转变为机械能。内燃机具有热效

2、率高、体积小、质量小、便于移动以及起动性能好等优点,因而广泛应用于飞机、 船舰以及汽车、拖拉机、坦克等各种车辆上。但是,内燃机一般要求使用石油燃料,同时排出的废气中 所含有害气体成分较高。 为解决能源与大气污染的问题, 目前国内、 外正致力于排气净化以及其它新能 源发动机的研究工作。 往复活塞式内燃机在汽车上应用最广泛, 是本课程的主要讨论对象。 汽车用活塞式内燃机可以根据 不同的特征分类。 (1按所用的燃料分类 可分 为液体燃料发动机(汽油机、柴 油机等和气体燃料发动机(如 天然气发动机、液化石油气发动 机等 。(2 按发火方式分类 可分为 压燃式发动机与点燃式发动机。 柴油的特性是在同样的

3、条件下其 自燃点比汽油的自燃点低,因此 采用压燃式(自燃式发火。一 般可通过喷油泵和喷油器将柴油 直接喷人发动机的气缸内,在气 缸内与压缩空气均匀混合后,在 高温下得以自燃,这种发动机称 为压燃式发动机。汽油的特性是其自燃的温度(425比柴油(320338的要高,因此常采用点燃式发火。利用 火花塞发出的电火花强制点燃汽油,使其发火燃烧,这种发动机称为点燃式发动机。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。(3按工作循环的冲程数分类 在发动机内,每一次将热能转变为机械能都必须经过吸人空气、压 缩和输

4、人燃料, 使之发火燃烧而膨胀作功, 然后将生成的废气排除这样一系列连续过程, 称为一个工作 循环。对于往复活塞式发动机,可以根据每一工作循环所需活塞行程数来分类。凡曲轴转两圈 (720 , 活塞往复四个单程完成一个工作循环的称为四冲程发动机,把曲轴转一圈 (360 ,活塞往复两个单程即 完成一个工作循环的称为二冲程发动机。汽车发动机广泛使用四行程内燃机。根据其将热能转化为机械能的主要构件往复活塞式活塞式内燃机燃气轮机旋转活塞式 (4按气缸数及其排列方式分类 仅有一个 气缸的称为单缸发动机, 有两个以上气缸的称为 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

5、动机。 单缸有立式与 卧式, 多缸有 V 形与对置式。 现代车用发动机多 采用四缸、六缸、八缸发动机。(5按冷却方式分类 根据冷却方式不同, 发 动机可以分为 水冷式和风冷 式两种。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。 (6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。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

6、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 +=+=VcVs Vc Vs Vc 汽油机的压缩比一般为 =610。柴油机的压缩比一般为 =1622。物理意义:反映气体被压缩的剧烈程度。 压缩比越大,压缩终了时气缸内的压力和温度越高, 则燃烧速度越快,热效率高,经济性好,发动机功率也越大。但压缩比过高,不仅不能进一步改善 功率和经济性,反而会容易引起 爆燃和表面点火燃烧 等不正常燃烧想象。所谓爆燃就是由于气体压力和温度过高, 可燃混合气在没有点燃的情况下自行燃烧, 且火焰以 高于正常燃烧数倍的速度向外传播,造成尖锐的敲缸声。爆燃会使发动机过热,

7、功率下降,汽油消 耗量增加以及机件损坏。轻微爆燃是允许的,但强烈爆燃对发动机是很有害的。严重爆燃:造成气门烧毁、轴瓦破裂、活塞烧顶、火花塞绝缘体被击穿等机件损坏现象。 表面点火:是由于燃烧室内炽热表面(如排气门头,火花塞电极,积炭点燃混合气产生的 一种不正常燃烧现象。表面点火发生时,也伴有强烈的敲击声(较沉闷,产生的高压会使发动机 机件承受的机械负荷增加,寿命降低。因此, 在提高发动机压缩比的同时,必须注意防止爆燃和表面点火的发生。 此外, 发动机压缩 比的提高还受到排气污染法规的限制。(3 作功行程作功行程包括燃烧过程和膨胀过程,在这 一行程中,进气门和排气门仍然保持关闭。当 活塞位于压缩行

8、程接近上止点 (即点火提前角 位置时,火花塞产生电火花点燃可燃混合气,可燃混合气燃烧后放出大量的热使气缸内气体温度和压力急剧升高, 最高压力可达 35MPa ,最高温度可达 22002800K ,高温高压气体膨胀,推动活塞从上止点向下止点运动,通过连杆使曲轴旋转并输出机械功,除了用于维持发动机本身继续运转外,其余用于对外作功。随着活塞向下运动,气缸内容积增加,气体压力和温度降低,当活塞运动到下止点时,作功行程结束,气体压力降低到 0.30.5MPa ,气体温度降 低到 13001600K 。(4 排气行程可燃混合气在气缸内燃烧后生成的废气必须从气缸中排出去以便 进行下一个进气行程。 当作功接近

9、终了时, 排气门开启, 进气门仍然关闭,靠废气的压力先进行自由排气,活塞到达下止点再向上止点运动时,继续把废气强制排出到大气中去,活塞越过上止点后,排气门关闭,排气行程结束。实际汽油机的排气行程也是排气门提前打开,延迟关闭,以便排出更多的废气。由于燃烧室容积的存在,不可能将废气全部排出气缸。受排气阻力的影响,排气终止时,气体压力仍高于大气压力,约为 0.1050.115MPa ,温度约为 9001200K 。曲轴继续旋转, 活塞从上止点向下止点运动, 又开始了下一个新的循环过程。 可见四行程汽油 机经过进气、压缩、作功、排气四个行程完成一个工作循环,这期间活塞在上、下止点往复运动了 四个行程,

10、相应地曲轴旋转了两圈。二 四行程柴油机的工作原理四行程柴油机和四行程汽油机的工作过程相同, 每一个工作循环同样包括进气、 压缩、 作功和 排气四个行程,但由于柴油机使用的燃料是柴油,柴油与汽油有较大的差别,柴油粘度大,不易蒸 发,自燃温度低, 故可燃混合气的形成,着火方式,燃烧过程以及气体温度压力的变化都和汽油机 汽油机具有转速高 (目前轿车汽油机最高转速达 50006000r/min, 货车汽油机转速达 4000r/min左右、质量小、工作噪声小、起动容易、制造和维修费用低等特点,故在轿车和轻型货车及越野 牟退得到广泛的应用;其不足之处是燃油消耗率高,燃油经济性差。柴油机因压缩比高,燃油经济

11、性好。一般装载质量为 5t 以上的货车大都采用柴油机。柴油机 的主要缺点是转速低(一般转速在 25003000r/min左右,质量大,噪声大,振动大,制造和维 修费用高(因为喷油泵和喷油器加工精度要求高。但目前柴油机的这些缺点正在逐渐得到克服, 其应用范围正在向中、轻型货车扩展。国外有的轿车也采用柴油机,其最高转速可达 5000r/min。 由此可见,四冲程发动机在一个工作循环的四个活塞行程中,只有一个行程是作功的,其余 三个行程则是作功的辅助行程,要消耗能量。因此,在单缸发动机内,曲轴每转两周中只有半周是 由于膨胀气体的作用使曲轴旋转,其余一周半则依靠飞轮惯性维持转动。显然,作功行程时,曲轴

12、 的转速比其它三个行程内曲轴转速要高, 所以曲轴转速是不均匀的因而发动机运转就不平稳. 为了 解决这个间题, 飞轮必须做成具有更大的转动惯量, 而这样做将使整个发动机质量和尺寸增加。 显 然,单缸发动机工作振动大,采用多缸发动机可以弥补上述缺点。因此,现在汽车上基本不用单缸 发动机,用得最多的是 4缸、 6缸、 8缸发动机。在多缸四冲程发动机的每一个气缸内,所有的工作过程是相同的、并按上述次序进行,但所 有气缸的作功行程并不同时发生。例如,在 4缸发动机内,曲轴每转半周便有一个气缸在作功;在 8缸发动机内,曲轴每转 1/4周便有一个作功行程。气缸数越多,发动机的工作越平稳。但发动机 气缸数增多

13、,一般将使其结构复杂,尺寸及质量增加。第 三 节 二行程汽油机的工作原理一 二行程汽油机的工作原理二行程汽油机的工作循环也是由进气、压缩、燃烧膨胀、排气过程组成,但它是在曲轴旋转一 圈 (360 ,活塞上下往复运动的两个行程内完成的。因此,二行程发动机与四行程发动机工作原理 不同,结构也不一样。例如 曲轴箱换气式二行程汽油机 , 气缸上有三排孔, 利用这三排孔分别在一定时刻被活塞打开或关闭进行进气、 换气和排气的。 工作原理如下:a 活塞向上运动, 将三排孔都关闭,活塞上部开始压缩。上部压力增大,下部压力降低。b 当活塞继续上行时,活塞下方打开了进气孔,可燃混合气进入曲轴箱。c 活塞接近上止点

14、时,火花塞点燃混合气,气体燃烧膨胀,推动活塞向下运动,进气孔关闭, 曲轴箱内的混合气受到压缩。 d 当活塞接近下止点时,排气孔打开,排出废气,活塞再向下运动,换气孔打开,受到压缩 的混合气便从曲轴箱经进气孔流入气缸内,并扫除废气。我们人为定义两个行程:第一行程:活塞从下止点向上止点运动,事先已充满活塞上方气缸内的混合气被压缩,活塞 下方容积增大,产生真空,新的可燃混合气又从化油器被吸入活塞下方的曲轴箱内。第二行程:活塞从上止点向下止点运动,活塞上方进行作功过程和换气过程,而活塞下方则 进行可燃混合气的预压缩。为快速换气做好了准备。由于二冲程汽油发动机结构特点,新鲜混合气会随废气一起排出气缸。为

15、了防止因此而造成 浪费, 活塞顶做成特殊的形状, 使新鲜混合气的气流被引向上部, 这样还可以利用新鲜混合气来扫 除废气,使排气更为彻底。但是在二冲程发动机中,要完全避免可燃混合气的损失是很困难的。 二冲程化油器式发动机与四冲程化油器式发动机相比较,其主要优点如下: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 2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均匀平稳。3 由于没有专门的换气机构,所以其构造较简单,质量也比较小。4 使用方便。因为附属机构少。所以易受磨损和经常需要修理的运动部件数

16、量也比较少。 由于构造上的关系,二冲程发动机的最大缺点是不易将废气自气缸内排除得较干净,并且在 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 2倍,只等于 1.5-1.6倍;而且在换气时有一部分新鲜可燃混合气随同废气排 出,因此二冲程发动机不如四冲程发动机经济。由于上述的缺点,二冲程化油器式发动机在汽车上较少被采用。但这种发动质量小、生产制 造费用低,在摩托车、发电机组方面应用较多。随着技术进步,目前电控喷射二冲程汽油发动机在汽车上开始应用。二 二行程柴油机的工作原理二行程柴油机和二行程汽油机工作类似, 所不同的是, 柴油机进入

17、气缸的不是可燃混合气, 而 是纯空气。例如带有扫气泵的二行程柴油机工作过程如下:第一行程:活塞从下止点向上止点运动,行程开始前不久,进气孔和排气门均已开启,利用 从扫气泵流出的空气使气缸换气。 当活塞继续向上运动进气孔被关闭, 排气门也关闭, 空气受到压 缩,当活塞接近上止点时,喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室,燃油和空气混合后燃烧,使气缸 内压力增大。 第二行程:活塞从上止点向下止点运动,开始时气体膨胀,推动活塞向下运动,对外作功, 当活塞下行到大约 2/3行程时, 排气门开启, 排出废气, 气缸内压力降低, 进气孔开启, 进行换气, 换气一直延续到活塞向上运动 1/3行程进气孔关闭结束。第

18、 四 节 多缸发动机的工作原理前面介绍的是单缸发动机的工作过程, 而现代汽车发动机都是多缸四行程发动机, 那么, 多缸 四行程发动机与单缸四行程发动机的工作过程有什么区别呢?就能量转换过程, 发动机的每一个气 缸和单缸机的工作过程是完全一样的,都要经过进气、压缩、作功和排气四个行程。但是单缸发动机的四个行程中只有一个行程作功, 其余三个行程不作功, 即曲轴转两圈, 只有 半圈作功,所以运转平稳性较差,功率越大,平稳性就越差。为了使运转平稳,单缸机一般都装有 一个大飞轮。 而多缸发动机的作功行程是错开的, 按照一定的工作顺序作功, 即曲轴转两圈各缸交 替作功,因此,运转平稳,振动小。缸数越多,作

19、功间隔角越小,同时参与作功的气缸越多,发动 机运转越平稳。多缸机使用最多的有四缸发动机,六缸发动机和八缸发动机。看看广告,就会发现,不少厂家总拿发动机的汽缸数目和排列形式来说事,卖微型车的极力吹鼓他 的车用的 4缸机而非 3缸, 用 V6发动机的一定要把 V 字弄得醒目惹眼。 广告宣传确实起到了很大效果, 现在不少车迷认为“ 4缸比 3缸好” 、 6缸比 4缸好” 、 “ V 型比直列好” 、 “ V 型发动机是高级发动机”等 概念。现在国产车中已有近 20种车装配了 V6或 V8型发动机你有多少个汽缸战士?单缸发动机的曲轴每转两周才能产生一次燃烧做功, 这样它的声音听起来也不连续顺畅, 听一

20、听小 排量摩托车的声音就知道了。 最为不能让人接受的是它的运转极不平稳, 转速波动较大, 而且单缸发动 机的外形也不适合装在汽车上为此, 现在的汽车上已见不到单缸发动机了, 两缸机也不好找了, 最少是 3缸发动机。国内生产的华利面包车、老款夏利车、吉利豪情和奥拓、福莱尔上,装的都是 3缸机, 1升以下的微型车上多用 3 缸机, 1升至 2升的发动机一般采用 4缸或 5缸机。 2升以上的发动机大多为 6缸, 4升以上的发动机使用 8 缸的占绝大多数。在相同排量的情况下, 增加汽缸数可以提高发动机的转速, 从而可以提高发动机的输出功率。 另外, 增加汽缸数可以使发动机运转更平稳, 使其输出扭矩和输

21、出功率更加稳定。 增加汽缸数可以使汽车更容 易起动,加速响应性更好。为了提高汽车的性能,必须增加汽缸数。因此,豪华轿车、跑车、赛车等高 性能汽车的汽缸数都在 6缸以上,最多者已达到 18缸。但是, 汽缸数的增加不能无限制。 因为随着汽缸数的增加, 发动机的零部件数也成比例地增加, 从 而使发动机结构复杂,降低发动机的可靠性,增加发动机重量,提高制造成本和使用费用,增加燃料消 耗,并使发动机的休积变大因此, 汽车发动机的汽缸数都是根据发动机的用途和性能要求, 在权衡各种利弊之后做出的合适 选择。实际使用的发动机是个什么样子呢?下面介绍发动机的总体构造。第 五 节 发动机的总体构造发动机是一种由许

22、多机构和系统组成的复 杂机器。无论是汽油机,还是柴油机;无论是 四行程发动机,还是二行程发动机;无论是单 缸发动机, 还是多缸发动机。 要完成能量转换, 实现工作循环,保证长时间连续正常工作,都 必须具备以下一些机构和系统。(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,

23、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

24、油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。(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。(7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。(8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, 曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程, 称为发动机的起动。 完成起动过程所需的装置, 称为发动机的起动系。汽油机 由以上 大系统 组成,即由曲柄连杆机构, 配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系、 点火系和起动系组成; 柴 油机 由以上 两大机构和四大系统 组 成,即由曲柄连杆机构、配气机构、 燃料供给系、润滑系、冷却系和起动 系组成,柴油