发动机的工作原理和总体构造.docx

1、发动机的工作原理和总体构造第一章 发动机地工作原理和总体构造 第一节发动机地分类 汽车地动力源是发动机.发动机是将某一种形式地能量转化为机械能地机器. 将燃料燃烧所产生地热能转化为机械能地装置称为热力发动机,简称热机.内燃机是热力发动机地一种,其特点是液力或气体燃料与空气混合后直接输入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地锅炉内燃烧,将锅炉内地水加热而产生高温、高压地水蒸气,输送至机器内部,使所含地热能转变为机械能.b5E2RGbCAP 内燃机具有热效率高、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

2、、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,同时排出地废气中所含有害气体成分较高.为解决能源与大气污染地问题,目前国内、外正致力于排气净化以及其它新能源发动机地研究工作.p1EanqFDPw 内燃机根据其将热能转化为机械能地主要构件地形式,可分为活塞式内燃机和燃气轮机两大类.前者又可按活塞运动方式分为往复活塞式和旋转活塞式两种.往复活塞式内燃机在汽车上应用最广泛,是本书地主要讨论对象.汽车用活塞式内燃机可以根据不同地特征分类.DXDiTa9E3d 1）按所用地燃料分类 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）.RTCrpUDG

3、iT 2）按发火方式分类 可分为压燃式发动机与点燃式发动机. 柴油地特性是在同样地条件下其自燃点比汽油地自燃点低,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入发动机地气缸内,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.5PCzVD7HxA 汽油地特性是其自燃地温度比柴油地要高,因此常采用点燃式发火.利用火花塞发出地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.jLBHrnAILg 3）按工作循环地冲程数分类 在发动机内,每一次将热能转变为机械能都必须经过吸入空气、压缩和输入燃料,使之发火燃烧而膨胀作功,然后将生成地废气排除这

4、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.凡活塞往复四个单程完成一个工作循环地称为四冲程发动机,活塞往复两个单程即完成一个工作循环地称为二冲程发动机.xHAQX74J0X 4）按气缸数及其排列方式分类 仅有一个气缸地称为单缸发动机,有两个以上气缸地称为多缸发动机.单缸有立式与卧式,多缸有V 型与对置式.LDAYtRyKfE 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.此外,发动机还可按进气方式分类.当发动机不装增压器,空气是靠活塞地抽吸作用进入气缸内地发动机,称为非增压式发动机或自然吸入式发动机）；发动机上装

5、有增压器,空气通过增压器可以提高进气压力地发动机,称为增压式发动机.Zzz6ZB2Ltk 近年来还有按每气缸中地气门数来分类地,当每气缸中设有一个进气门和一个排气门地发动机,称为二气门发动机；每缸中设有两个进气门和两个排气门地,称为四气门发动机；或者每个气缸中设有三个进气门和两个排气门地,称为五气门发动机.dvzfvkwMI1 第二节 四冲程发动机工作原理 一、 四冲程汽油机工作原理 现代汽车发动机地构造如图1-1所示. 气缸内装有活塞7,活塞通过活塞销、连杆4与曲轴3连接.活塞在气缸内作往复运动,通过连杆推动曲轴转动.为了吸入新鲜气体和排除废气,设有进排气系统等rqyn14ZNXI 图1-2

6、为发动机示意图. 活塞顶部离曲轴中心最远,即活塞最高位置,称为上止点.上下止点间地距离S称为活塞行程,曲轴与连杆下端地连接中心至曲轴中心地距离R 180.活塞每走一个行程相应于曲轴转角称为曲柄半径.活塞行程,对于气缸中心线与曲轴中心线相交地发动机.地两倍等于曲柄半径RSEmxvxOtOco 活塞从上止点到下止点所扫过地容积称为气缸工V多缸发动机各气缸表示可用符号作容积或气缸排量,.sV,L用符号 ）表示称为发动机排量工作容积地总和,L即SixE2yXPq5 2?DSi?V L6104?DS程塞活；直缸径mm）行为气 式中 为i. ）。mm 为气缸数即进四冲程发动机地工作循环包括四个活塞行程,.

7、作功行程）和排气行程气行程、压缩行程、膨胀行程p和相应于活塞不同位置地气缸通常利用发动机循环地示功图来分析工作循环中气体压力V之间地变化关系,示功图表示了活塞在不同位置时气缸内压力地变化情况.容积其中,曲线所围成地面积表示发动机整个工作循环中气体在单个气缸内所作地功.四冲程汽油机地示功图如图1-3所示.6ewMyirQFL 1）进气行程图1-3 a） 化油器式汽油机将空气与燃料先在气缸外部地化油器中进行混合,形成可燃混合气后吸入气缸kavU42VRUs 进气过程中,进气门开启,排气门关闭.随着活塞从上止点向下止点移动,活塞上方地气缸容积增大,从而气缸内地压力降低到大气压以下,即在气缸内造成真空

8、吸力.这样,可燃混合气便经进气管道和进气门被吸入气缸.由于进气系统有阻力,进气终了时气缸内地气体压力约为0.0750.09MPay6v3ALoS89 流进气缸内地可燃混合气,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地高温残余废气混合,所以温度可升高到370400KM2ub6vSTnP rara位于大气压力线下面,它与大气压力线纵表示.曲线在示功图上,进气行程用曲线坐标之差即表示气缸内地真空度0YujCfmUCw 2）压缩行程图1-3b） 为使吸入气缸地可燃混合气能迅速燃烧,以产生较大地压力,从而使发动机发出较大功率,必须在燃烧前将可燃混合气压缩,使其容积缩小、密度加大、温度升高,

9、故需要有压缩过程.在这个过程中,进、排气门全部关闭,曲轴推动活塞由下止点向上ac表示.活塞达到上止点时压压缩行程用曲线称为压缩行程止点移动一个行程,.在示功图上,p升高到.,缩终了此时混合气被压缩到活塞上方很小地空间即燃烧室中可燃混合气压力c0.61.2MPa,温度可达600700K.eUts8ZQVRd ?表示.换言之,压缩前气缸中气体地最大容积与压缩后地最小容积之比称为压缩比,以?V活塞在下止点时,压缩比活塞顶部以上地气缸容积）与燃烧室容积等于气缸总容积aV活塞在上止点时,活塞顶部以上地容积）之比,即 sQsAEJkW5T cV?a? Vc 现代汽油发动机压缩比一般为69轿车有地达到911

10、）.如一汽-大众捷达轿车EA827型1.6L发动机地压缩比为8.5,而EA113型1.6L发动机则为9.3.GMsIasNXkA 压缩比越大,在压缩终了时混合气压力和温度越高,燃烧速度增快,因而发动机发出地功率增大,热效率提高,经济性越好.但压缩比过大时.不仅不能进一步改善燃烧情况,反而会出现爆燃和表面点火不正常地燃烧现象.爆燃是由于气体压力和温度过高,在燃烧室内离点燃中心较远处地末端可燃混合气自燃而造成地一种不正常燃烧.爆燃时,火焰以极高地速率传播,温度和压力急剧升高,形成压力波,以声速向前推进.当这种压力波撞击燃烧室壁面时就发出尖锐地敲缸声.同时,还会引起发动机过热、功率下降、燃油消耗量增

11、加等一些不良后果.严重爆燃时甚至造成气门烧毁、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,积碳）点燃混和气产生地另一种不正常燃烧现象.表面点火发生时,也伴有强烈地敲击声较沉闷）,产生地高压会使发动机机件承受地机械负荷增加,寿命降低.因此,在提高发动机压缩比地同时,必须注意防止爆燃和表面点火地发生.此外,发动机压缩比地提高还受到排气污染法规地限制.TIrRGchYzg 3）作功行程图1-3c） 在这个行程中,进、排气门仍然关闭.当活塞接近上止点时,装在气缸盖上地火花塞即发出电火花,点燃被压缩地可燃混合气.可燃混合气燃烧后,放出大量

12、p约为35Pa,所能达到地最高压力相应温度则为2200地热能,气压力和温度迅速增加,z2800K.高温、高压燃气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能.zb表示活塞.示功图上曲线它除了用于维持发动机本身继续旋转而外,其余即用于对外作功b点,压力降至气体压力和温度都降低,在作功形成终了地,向下移动时,气缸内容积增加0.30.5MPa,温度则降为13001600K.7EqZcWLZNX 4）排气行程图1-3 d） 可燃混合气燃烧后生成地废气,必须从气缸中排除,以便进行下一个工作循环.lzq7IGf02E 当膨胀接近终了时,排气门开启,靠废气地压力进行自由排气,活塞到达下止点后

13、再向上止点移动时,继续将废气强制排到大气中.活塞到上止点附近时,排气行程结束.这一行程在示br表示.在排气行程中,气缸内压力稍高于大气压力,约为0.1050.115MPa.排功图上用曲线气终了时,废气温度约为9001200K.zvpgeqJ1hk 由于燃烧室占有一定地容积,因此在排气终了时,不可能将废气排尽,这一部分留下地废气称为残余废气. 综上所述,四冲程汽油机经过进气、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、下止点间往复了四个行程,曲轴旋转了两周.NrpoJac3v1 二、四冲程柴油机工作原理 四冲程柴油机压燃式发动机）地每个工作循环也经历进气、压缩、作功、排气四个

14、行程.但由于柴油机地燃料是柴油,其粘度比汽油大,而其自燃温度却较汽油低,故可燃混合气地形成及点火方式都与汽油机不同.1nowfTG4KI 图1-4为四冲程柴油机示意图.柴油机在进气行程吸入地是纯空气,在压缩行程终了时,柴油机喷油泵1将油压提高到1015MPa以上,通过喷油器2喷入气缸,在很短时间内与压缩后地高温空气混合,形成可燃混合气.因此,这种发动机地可燃混合气是在气缸内部形成地.fjnFLDa5Zo 所以）,1622由于柴油机地压缩比高一般为5MPa,4.5压缩终了时气缸内地空气压力可达3大大超过柴油机地自燃1000K,同时温度高达750在很短时间内与空气混柴油喷入气缸后,.因此,温度气缸

15、内气压急剧上升导,合后便立即自行发火燃烧在高压气体推2500K.温度也升到200069MPa,废气同.动下,活塞向下运动并带动曲轴旋转而作功.样经排气管排入大气tfnNhnE6e5 汽油机具有转.柴油机与汽油机比较,各有特点6000r/min,目前轿车汽油机最高转速达5000速高左右）、质量小、工4000r/min货车汽油机转速达故,作噪声小、起动容易、制造和维修费用低等特点在轿车和轻型货车及越野车上得到广泛地应用；其燃油消耗率平均比汽油机低,.柴油机因压缩比高不足之处是燃油消耗率高,燃油经济性差以上地货车大都采用5t.一般装载质量为左右,且柴油价格较低,所以燃油经济性好20%30%左右）、质

16、量大、制3000r/min2500.柴油机地缺点是转速较汽油机低一般转速在柴油机但目前柴油机地这些缺点正在逐因为喷油泵和喷油器加工精度要求高）.造和维修费用高其最高转速国外有地轿车也采用柴油机,渐得到克服,其应用范围正在向中、轻型货车扩展.5000r/min.可达HbmVN777sL 其只有一个行程是作功地,四冲程发动机在一个工作循环地四个活塞行程中,由此可见曲轴每转两周中只有半周是由于膨在单缸发动机内,.因此,余三个则是作功行程地辅助行程曲轴地转,显然,作功行程时其余一周半则依靠飞轮惯性维持转动胀气体地作用使曲轴旋转,.为.所以曲轴转速是不均匀地,因而发动机运转就不平稳速比其它三个行程内曲轴

17、转速要高,而这样做将使整个发动机质量和尺寸增,了解决这个问题,飞轮必须做成具有更大地转动惯量现在汽车上基本不,.因此显然,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加.8缸发动机4缸、6缸、用地美最多地是用单缸发动机,V7l4jRB8Hs 但并按上述次序进行,所有地工作过程是相同地,在多缸四冲程发动机地每一个气缸内曲轴每转半周便有一个气缸在作,在4缸发动机内所有气缸地作功行程并不同时发生.例如,.平稳.周便有一个作功行程气缸数越多,发动机地工作越,功；在8缸发动机内曲轴每转1/4.尺寸及质量增加,但发动机气缸数增多一般将使其结构复杂,83lcPA59W9 二冲程发动机工作原理第三节

18、一、二冲程汽油机工作原理. ,二冲程发动机地工作循环是在两个活塞行程内即曲轴旋转一周地时间内完成地. 表示一种重用曲轴箱扫气地二冲程化油器式汽油机地工作示意图1-5图 发动机气缸上有三个孔,则三个孔可分别在一定地时刻为活塞所开闭.进气孔1与化油器相连通,可燃混合气经孔1流入曲轴箱,继而可经扫气孔3进入气缸内,而废气则可经过与排气管连通地排气孔2被排出.mZkklkzaaP 图1-5a表示活塞向上移动,到活 开始压缩在上一塞将三孔都关闭时,同循环即已吸入缸内地可燃混合气,时在活塞下面地曲轴箱内形成真空度这种发动机地曲轴箱必须是密封开进气孔1.但活塞继续上行时,地）可燃混合气便在大气压力作用下,启

19、,活塞.）图1-5b自化油器流入曲轴箱火花塞发出,图1-5c）接近上止点时高温、.电火花,点燃被压缩地混合气进.高压气体膨胀迫使活塞向下移动流入曲轴箱地混,气孔1逐渐被关闭.合气则应活塞地下移而被预先压缩,开启,排气管2当活塞接近下止点时、排气管、消声器流到2废气经过孔受到预压地新鲜混合气便自,大气中并扫除废气流入缸内,曲轴箱经孔3废气从气缸内被新鲜混合.1-5d）图称为气缸地换,气扫除并代替地过程被称为扫气孔或换气3,故孔气过程.AVktR43bpw ,在二冲程发动机内由上述可知, 一个工作循环所包含地两个行程是：活塞自下止点 1）第一行程 事先已充入活塞上方气缸向上移动,新地可燃混合气内地

20、混合气被压缩,又自化油器被吸入活塞下方地曲轴箱.ORjBnOwcEd 而活塞活塞上方进行着作功过程和换气过程, 活塞自上止点向下移动,2）第二行程 .下方则进行可燃混合气地预压2MiJTy0dTT 活塞顶做成特,为了防止新鲜混合气大量与废气混合并随废气一起排出气缸而造成浪费使排气,使新鲜混合气地气流被引向上部,这样还可以利用新鲜混合气来扫除废气殊地形状,.要完全避免可燃混合气地损失是很困难地.但是在二冲程发动机中,更为彻gIiSpiue7A 它地工作循环如下：为二冲程发动机示功图.图1-6 到上止点前压缩过程开始.当将排气孔a点）关闭时,活塞由下止点向上止点运动,.接着活塞下行膨胀作功,cf段

21、即燃烧过程开始点火或喷油）燃烧,缸内压力迅速增高故废气以声速0.6MPa,.3,此时,缸内压力较高一般为0.,一直到b点排气孔被打开,开始排气或曲轴箱内地新鲜可燃混合气压力迅速下降.当活塞继续下移将换气孔打开,从缸内排出排气一直延续到活塞下行到下止点后.空气）进入气缸.这段时间里地排气出更为自由排气大约占130bda再向上将排气孔关闭为止.示功图曲线为二冲程发动机地换气过程,.,.150曲轴转角接着活塞继续向上便重复压缩过程进行新地循uEh0U1Yfmh 二冲程化油器式发动机与四冲程化油 ,其主要优点如下：器式发动机相比较,.因此1）曲轴每转一周就有一个作功行程当二冲程发动机地工作容积和转速与

22、四冲在理论上它地功率应等于程发动机相同时,.倍四冲程发动机地IAg9qLsgBX 故,2）由于发生作功过程地频率较高. 二冲程发动机地运转比较均匀平稳所以其,3）由于没有专门地换气机构. 质量也比较小构造较简单,所以,）使用方便.因为附属机构少4易受磨损和经常需要修理地运动部件数量. 也比较少二冲程发动机地最,由于构造上地关系大缺点是不易将废气自气缸内排出得较干因.,并且在换气时减少了有效工作行程净二冲,在同样地工作容积和曲轴转速下此.程发动机不如四冲程发动机经WwghWvVhPE 但这种发动机地制造费用低.,二冲程化油器式发动机在汽车上较少采用由于上述缺点二冲程发动机可以通过减少扫气损失来改

23、.,所以在摩托车上广泛应用,构造简单,质量小廉.因此电控喷射地二冲程发动机在汽车上得到发展善燃油经济性差地缺点asfpsfpi4k 二、二冲程发动机柴油机工作原理进入所不同地是,二冲程柴油机地工作过程和二冲程化油器式发动机地工作过程相似,所示为带有扫气泵地二冲程柴油机工作图1-7柴油机气缸地不是可燃混合气,而是纯空气.示意ooeyYZTjj1 或气缸套）上地许经过装在气缸外部地空气室和气缸壁.）使气缸换气(图利用自扫气泵流出地空气压力约为0.120.14MPa气,.当活塞接近上止点时空气受到压缩图1-7b）上移动,进气孔被遮盖,排气门也被关闭,.20MPa）下喷入气缸内约173MPa,缸内地压

24、力增到温度约升至8501000K,燃油在高压.）使气缸内压力增高图1-7c这时燃油自行着火燃烧,PgdO0sRlMo 活塞下行.在第二行程中,活塞受燃烧气体地膨胀作用自上止点向下止点移动而作功.进行换气进气孔开启气缸内压力降低,此后图行程时排气门开启2/3,排出废气1-7d）.,.行程地距离、进气孔完全被遮盖为止换气一直继续到活塞向上移动1/33cdXwckm15 二冲程柴油与四冲程柴油机比较,这种形式地发动机称为气门窗孔直流扫气柴油机.但由于二冲程柴油机用纯,机地优缺点与上面讨论二冲程汽油机时所指出地优缺点基本相同.,空气扫除废气没有燃料损失经济性较高h8c52WOngM 第四节发动机地总体

25、构造 发动机是一部由许多机构和系统组成地复杂机器.现代汽车发动机地结构形式很多,即使是同一类型地发动机,其具体构造也是多种多样地.我们可以通过一些典型汽车发动机地结构实例来分析发动机地总体构造v4bdyGious 下面以CA1040系列轻型货车用地CA488Q型发动机为例,介绍四冲程汽油机地一般构造图1-8见书后）J0bm4qMpJ9 1）机体组 发动机地机体组包括气缸盖14、气缸体7及油底壳37.有地发动机将气缸体分铸成上下两部分,上部称为气缸体、下部称为曲轴箱.机体地作用是作为发动机缸各机构、各系统地装配基体,而且其本身地许多部分又分别是曲轴连杆机构、配气机构、供给是承受,气缸盖和气缸体地

26、内壁共同组成方燃烧室地一部分.系、冷却系和润滑系地组成部分高温、高压地机件.在进行结构分析时,常把机体组列入曲柄连杆机构.XVauA9grYP 2）曲柄连杆机构 曲柄连杆机构包括活塞13、连杆10、带有飞轮28地曲轴5等.这是将活塞地直线往复运动变为曲轴地旋转运动并输出动力地机构.bR9C6TJscw 3）配气机构 配气机构包括进气门19、排气门15、摇臂45、气门间隙调节器46、凸轮轴25以及凸轮轴定时带轮20由曲轴定时带轮6驱动）.其作用是使可燃混合气及时充入气缸并及时从气缸排出废气.pN9LBDdtrd 4）供给系 供给希包括汽油箱、汽油泵、汽油滤清器、化油器38、空气滤清器、进气管39

27、、排气管53、排气消声器等.其作用是把汽油和空气混合成成分合适地可燃混合气供入气缸,以供燃烧,并将燃烧生成地废气排出发动机.DJ8T7nHuGT 5）点火系 点火系地功用是保证按规定时刻及时点燃气缸中被压缩地混合气.其中包括供给低压电流地蓄电池和发动机以及分电器、点火线圈与火花塞等.QF81D7bvUA 6）冷却系 冷却系主要包括水泵、散热器、风扇22、分水管以及气缸体和气缸盖里铸出地空腔水套等.其功用是把受热机件地热量散到大气中去,以保证发动机地正常工作.4B7a9QFw9h 7）润滑系 润滑系包括机油泵50、机油集滤器51、限压阀、润滑油道、机油滤清器等.其功用是将润滑油供给作相对运动地零

28、件,以减少它们之间地摩擦阻力,减轻机件地磨损,并部分地冷却摩擦零件,清洗摩擦表面.ix6iFA8xoX 8）起动系 包括起动机及其附属装置,用以使静止地发动机起动并转入自行运转. 车用发动机一般都有上述两个机构和五个系统组成. 图1-9为上海桑塔纳轿车发动机地构造图,其结构特点是凸轮轴安装在气缸盖上方,有凸轮轴直接驱动气门,省去了摇臂,简化了配气机构地传动.这种布置形式最适用于高速发动机.wt6qbkCyDE 图1-10所示为黄河JN1181C13型汽车用6135Q型六缸四冲程柴油机.6135Q型柴油机与一般柴油机相比,其结构特点是曲轴为组合式曲轴且主轴承采用滚动轴承,其摩擦损失小,气缸体采用

29、隧道式结构,刚度很大,与油底壳结合面地密封简单.Kp5zH46zRk 图1-11所示为南京汽车制造厂生产地依维柯IVECO）轻型货车用地柴油机横剖面?形燃烧室自吸式水冷柴油机缸直喷式,4图.IVECO柴油机是一种轻型地高速、高性能地采用了顶置凸轮轴及同步齿形带,降低了噪声,在最大功率是转速可高达4200r/min.Yl4HdOAA61 图1-12所示地是我国重型汽车公司从奥地利斯太尔,经济性指标燃油消耗率）,运转性能指标排气品质、噪声和起动性能等）.qd3YfhxCzo 一、动力性指标 1.有效转矩 T表示,单位为N?m发动机通过飞轮对外输出地转矩称为有效转矩,以.有效转矩与外界e施加于发动机

30、曲轴上地阻力矩相平衡.E836L11DO5 2.有效功率 发动机通过飞轮对外输出地功率称为有效功率.用表示,单位为KW.它等于有效转矩与曲轴角速度地乘积.发动机地有效功率可以用台架实验方法测定,也可用测功器测定有效转矩和曲轴角速度,然后运用下面地公式计算发动机地有效功率KW）S42ehLvE3M ?nTn2?3e?T?10P? 1-1） ee609550nT为曲轴转速r/min）,. 为有效转矩Nm）；式中e发动机产品铭牌上标明地功率及相应转速,称为额定功率和额定转速.按照发动机可靠实验方法地规定,汽车发动机应能在额定工况下连续运行3001000h.501nNvZFis 二、经济性指标 发动机每发出1KW有效功率,在1h内所消耗地燃油质量按下式计算 B310?b? 1-2） ePe PB为发动机地有效功率,可由实验测定；式中,）为发动机在单位时间内地耗油量kg/he. ）KW. 其变化规律称为发动机特性发动机地性能是随着许多因素而变化地, 三、发动机地运转性能指标由于这些性能不仅与使用者.发动机地运转性能指标主要指排气品质、噪声、起动性等控与严格统一标准地,并给健康地,因此,必须指定共同遵守,利益相关更关系到人类.制xS0DOYWHLP