发动机工作原理与总体构造.ppt

第一篇 汽车发动机 Ø发动机工作原理与总体构造 Ø曲柄连杆机构 Ø配气机构机构 Ø汽油机供给系 Ø柴油机供给系 Ø发动机增压系统 Ø发动机冷却系 Ø发动机润滑系 Ø发动机点火系 Ø发动机起动系 第一章 发动机工作原理 和总体构造 第一节 发动机基本术语和类型 知识点： 发动机的基本 术语 发动机的总体 构造 发动机的分类 （一）发动机的基本术语 发动机基本术语 1上止点: 活塞离曲轴旋转中心最远的位置 2下止点:活塞离曲轴旋转中心最近的位置 3活塞行程 S：上下止点之间的距离 4曲柄半径R：曲轴旋转中心到曲柄销中心的距 离 5气缸工作容积VS（单位 L) 活塞由上止点运动到下止点,活塞顶部所扫过 的容积，VS =(/4)D2·S×10-3 6燃烧室容积（余隙容积）VC ：活塞位于上 止点时， 活塞顶部上方的容积 7气缸最大容积Va 活塞位于下止点时,活塞顶部上方的容积Va= VS + VC 8内燃机排量 VL 所有气缸的工作容积之和VL =i·VS 9压缩比： 气缸最大容积Va与燃烧室容积VC之比 = Vc / Va 越大，循环热效率越高 汽油机 =69 有轿车911 柴油机 =1622 （二）发动机的分类 根据划分标准的不同，可将内燃机分为好多种类 1根据所用燃料的不同 柴油机： 以柴油为燃料，进气过程中进入汽缸的是纯空 气，压缩终了时喷入柴油，柴油与空气在汽缸内混合由 于空气经压缩后所达到的温度能引起柴油的自燃，这种 内燃机也称为压燃式内燃机。 汽油机： 以汽油为燃料，空气与汽油在气缸外混合，形 成可燃混合气后进入气缸，经压缩后依靠火花塞产生电 火花引起燃烧。 煤气机： 汽油机进行适当的改进。 2按冲程数 二冲程： 每两个活塞行程（曲轴每转一转）完成 一个工作循环。如摩托车的多数发动机。 四冲程： 每四个活塞行程（曲轴每转两转）完成一 个工作循环。绝大多数发动机所采用。 3按气缸数 单缸：只有一个气缸 多缸：由多个气缸组成 4按气缸排列方式 直列立式、V型、 对置式 对置式 其它类型发动机星型 汪克尔型转子发动机的结构和 工作原 斯特林发动机 这种发动机是伦敦的牧师罗巴特 斯特林（Robert Stirling）于1816年发明的，所以命 名为“斯特林发动机”（Stirling engine）。斯特林发动机是独特的热机，因为他们理论上的 效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。斯特灵发动机是通过气体受热膨胀、遇 冷压缩而产生动力的。这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气（或氦 ）作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程。 外燃机是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机，有别于依靠燃料在发动机内部 燃烧获得动力的内燃机。新型外燃机使用氢气作为工质，在四个封闭的气缸内充有一定容 积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔 中迅速加热，膨胀做功。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质 不直接参与燃烧，也不更换。 由于外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了高效率、低噪音、低污染 和低运行成本。外燃机可以燃烧各种可燃气体，如：天然气、沼气、石油气、氢气、煤气 等，也可燃烧柴油、液化石油气等液体燃料，还可以燃烧木材，以及利用太阳能等。只要 热腔达到700，设备即可做功运行，环境温度越低，外燃机最大的优点是出力和效率不 受海拔高度影响，非常适合于高海拔地区使用。 但是，斯特林发动机还有许多问题要解决，例如膨胀室、压缩室、加热器、冷却室、 再生器等的成本高，热量损失是内燃发动机的2-3倍等。所以，还不能成为大批量使用的发 动机。 斯特林发动机目前有报道，已经开始研究在计算机主板的散热 风扇上使用，通过北桥芯片的发热来带动斯特林发动机，以此来给 硬件降温，该研究还处于研究阶段。 5按冷却方式 风冷： 以空气为冷却介质，没有专门的冷却系统 如：摩托车、小型柴油机、坦克坦克 水冷： 以液体为冷却介质，有专门的冷却系统 6按进气方式 增压：在进气过程中，可燃混合气或空气是通过装 在进气管道上的增压器提高压力，然后进入气缸内 非增压：也叫自然吸气发动机，靠活塞的抽吸作用 7按着火方式 点燃：靠火花塞点火来产生燃烧，汽油机所采用 压燃：靠燃油的自燃来产生燃烧，柴油机所采用 8按用途 固定式：工程机械采用 移动式： 第二节、发动机的总体构造 1机体与气缸盖 机体：骨架作用，安装各个机构和系统，包括气缸体 、油底壳、曲轴箱 缸盖：组成燃烧室，布置各种零部件 2曲柄连杆机构 作用：将活塞的往复直线运动曲轴的旋转运动对外 输出动力组成：活塞、连杆、曲轴三部分 3配气机构 功用：定时开启和关闭进排气门 主要部件：气门组、传动组 4、燃油供给系统 3供给系统 作用：将燃油系统和空气及时地供给气缸，并将燃 烧后的废气及时排除 主要部件：化油器或电控喷油器（汽）、高压油泵 和喷油器、电控及共轨系统（柴）、空气滤清器、进气 管、排气管、消声器等 电控汽油喷射系统的供给系统 汽油控制喷油系统 电控共轨柴油机共轨系统-依维柯索菲姆 TDl是英文Turbo Charged Direct lnjection的缩写，翻译成中文就是涡轮增压+电控共轨柴 油直喷的意思。这种采用了新型技术的柴油发动机，保留了柴油发动机优点的同时，在震 动噪音以及动力方面，已经达到甚至超过汽油发动机的性能，因而得到欧洲用户的普遍欢 迎。TDl只不过是新型柴油发动机的一种，它并非大众独有的某种技术，其他厂商也有类似 技术的柴油发动机。 5点火系统：汽油机和煤气机所采用，点燃混合气 主要部件：火花塞、点火线圈、断电器、分电器 6冷却系 功 用：防止发动机过热，及时散发热量 分 类：风冷、水冷 主要部件：水泵、风扇、水箱、节温器 7润滑系 功 用：润滑、冷却、清洁、密封、防腐 润滑方式： 飞溅润滑：靠曲轴等旋转部件飞溅起的油滴润 滑 压力润滑：靠润滑系统建立起的油压经过各个 油道润滑 各零部件油雾 主要部件：集滤器、机油泵、滤清器、各种阀体 等 8起动系 功用：内燃机不能自行起动，借助外力使之运转 主要部件：起动机、蓄电池、点火开关等 起动系 小节 发动机的总体构造 两大机构 曲柄连连杆机构 配气机构 五大系统统 供给给系 点火系 冷却系 润润滑系 起动动系 第三节 发动机工作原理 知识点： 四冲程发动机工作原理 二冲程发动机工作原理 能力点： 熟练掌握发动机（四冲程和二冲程、汽油 机和柴油机）工作原理； 熟练掌握各冲程的工作特点。 （一）、四冲程发动机工作原理 1四冲程发动机工作原理 四冲程发动机在活塞行程内完成进气、 压缩、作功和排气四个过程，即在一个活塞行 程内只进行一个过程，因此，活塞行程可分别 用四个过程命名，分别称为进气冲程、压缩冲 程、作功冲程、排气冲程。 2四冲程内燃机工作循环 第一冲程：活塞由上止点移到下止点，即 曲轴由0º转到180º进气门打开，新鲜空气被吸 入气缸。 第二冲程：下止点上止点，180º360º ，气体被压缩，进排气门均关闭 第三冲程：上止点下止点，360º540º ，气体膨胀，进排气门均关闭； 第四冲程：下止点上止点，540º720º ，废气被排出，排气门打开。 3、四冲程汽油机的工作原理 （1)进气行程 由进气门开启到进气门关闭 进气提前角： 进气门打开时刻与活塞位于上止点之间的曲 轴转角（为了获得较多的充气量，活塞到达上止点前就 开始开启） 进气晚关角： 活塞到达下止点时刻与进气门关闭时刻之间 的曲轴转角。利用空气流动的惯性及气体的动量，使更 多的空气充入气缸。 进气终了时刻： 气缸吸气时汽缸内气压p=0.0750.09MPa大 气压；气缸温度T=370400K。 进气行程 示功图：表示活塞在不同位置 时气缸内气体压力的变化情况 。 排气门关闭 进气门开启 活塞 温度370440 K， 压 力7590 kPa 大气压力线 P V r a 示功图 上止点 下止点 （2）压缩行程 由进气门关闭到活塞移到上止点（成为压缩上 止点）为止,进排气门都关闭。 活塞上行，气缸内气体被压缩，缸内压力温度都升 高：p=0.61.2MPa；T=600700K 压缩行程 进气门关闭 排气门关闭 活塞 压缩比： =Va/Vc P V r a 示功图 大气压力线 c 上止点 下止点 温度600800K， 压力0.61.2 MPa （3）作功行程（ 燃烧及膨胀行程） 在压缩上止点前10 15 ºCA，火花塞 点火，引燃可燃混 合气，形成火焰中 心。 高温高压燃气推动 活塞下行，对外作 功：p=35MPa； T=22002700K。 示功图czb段曲线 作功行程 进气门关闭 排气门关闭 活塞 P V r a 示功图 大气压力线 c Z b 上止点 下止点 瞬时最高：温度 22002800 K， 压力 35MPa 作功终了：温度 15001700 K， 压 力300500 kPa （4）排气行程 从排气门开启到排气门关闭的时刻 排气提前角：在活塞到达下止点之前与下 止点之间的曲轴转角。 排气晚关角：在上止点与排气门关闭这一 时期曲轴所转过的角度。 在活塞到达下止点之前3080ºCA，膨胀 行程还没有结束的时刻就将排气门打开。(原因 ：气门有一定的开启时间，利用压差,使排气彻 底，利用气流的惯性多排出一部分废气，减少 残余废气。) 气门重叠角：在排气门关闭之前，进气门 就已打开，进排气门同时开启时期所对应的曲 轴转角。 排气行程 进气门关闭 排气门打开 活塞 P V r 示功图 大气压力线 c Z b 上止点 下止点 温度9001200 K 压力 105125 kPa 残余废气 单缸四冲程汽油机的工作过程 1、进气行程 2、压缩行程 3、作功行程 4、排气行程 进气行程 压缩行程 做功行程 排气行程 发动机气门开启角度之间的关系 （5）汽油机示功图 汽油机示功图 4、四冲程柴油机的工作原理 （1）进气行程 在柴油机进气行程中，被吸入气缸的只是纯 净空气。由于柴油机进气系统阻力较小，残余废 气的温度较低，因此进气行程结束时气缸内气体 的压力较高，约为0.0850.095Mpa (相对于汽油机 而言)。 （2）压缩行程 因为柴油机的压缩比大，所以压缩行程终了 时气体压力可高达35 Mpa，温度可高达750 1000K。 （3）作功行程 在压缩行程结束时，喷油泵将柴油泵入 喷油器，并通过喷油器喷入燃烧室。因为喷油 压力很高，喷孔直径很小，所以喷出的柴油呈 细雾状。细微的油滴在炽热的空气中迅速蒸发 汽化并借助于空气的运动，迅速与空气混合形 成可燃混合起。由于气缸内的温度远高于柴油 的自燃点，因此柴油随即自行着火燃烧。燃烧 气体的压力、温度迅速升高，体积急剧膨胀。 在气体压力的作用下，活塞推动连杆，连杆推 动曲轴旋转做功。 在做功行程中，燃烧气体的最大压力可 达69 Mpa，最高温度可达18002200K。做功 结束时压力约为0.20.5 Mpa，温度约为1000 1200K。 （4）排气行程 排气行程与汽油机类似，排气 终了时气缸内残余废气压力约为0.105 0.12Mpa，温度为700900K。 （5）柴油机示功图 柴油机示功图 汽油机示功图 四冲程柴油机的工作原理 喷油器 油 泵 吸气行程压缩行程作功行程排气行程 进气门 排气门 纯空气 温度300370K压 力800900 kPa 温度8001000K压 力35 MPa 瞬时：温度18002200K压 力510 MPa 温度8001000K 压力105400 kPa 终了：温8001000K 压力105400 kPa （二）二冲程发动机工作原理 1特点 二冲程发动机的工作循环是在 两个活塞行程即曲轴旋转一圈的时间内完 成的。经过两个冲程完成一个工作循环， 包括进气、压缩、作功、排气四个过程； 没有专门的配气机构。 2换气机构 没有进排气门，换气是通过三 个孔（进气孔、排气孔、扫气孔）来实现 ，混合燃气在曲轴箱内完成混合。 3工作过程 以采用曲轴箱扫气的单缸二冲程汽油 机为例： 上行冲程：活塞上移，三个孔均关，开始 压缩气体，同时，活塞上移使曲轴箱出现真空 ，上行到进气孔打开时，新鲜混合气进入曲轴 箱。 下行冲程：活塞接近下止点时，电火花 产生点燃可燃混合气，使其温度、压力上升， 推动活塞下行作功，行致排气口打开，废气排 出。另外，进气口关闭，下行活塞使其压缩， 受压气体经扫气口进入气缸，完成换气过程。 二冲程气油机工作剖面图 二冲程汽油机工作原理 压缩混合气 进气 点火燃烧 排气 扫气孔进气孔 排气孔 火花塞 二冲程柴油机工作原理 换气燃烧 排气 压缩 喷油器 空 气 扫气泵 废 气 排气门 4二冲程发动机示功图 a：排气孔关闭 ac：压缩过程 czb：作功过程 b：排气孔打开 bf：先期排气阶段 f：扫气孔开启 fdh：扫气过程 h：扫气孔关闭 ha：额外排气阶段 二冲程发动机示功压力图 5二冲程与四冲程发动机的比较 （1）曲轴每转一周完成一个工作循环，做 功一次。当曲轴转速相同时，二冲程发动机单位 时间的做功次数是四冲程发动机的两倍。由于曲 轴每转一周做功一次，因此曲轴旋转角速度比较 均匀。 （2）二冲程发动机换气过程时间短，仅为 四冲程发动机的1/3左右。另外，进排气过程几乎 同时进行，利用新气扫除废气，新气可能流失， 废气也不易清除干净。 （3）曲轴箱换气方式二冲程发动机因为 没有进排气门，结构大大简化。 二冲程优缺点： 优点：功率大、运转平稳、配气机构简 单 缺点：作功冲程多、机件受热程度增加 、经济性差、燃油消耗率高、润滑条件差 第四节 发动机性能指标 知识点： 动力性指标和经济 性指标 速度特性和负荷 内燃机产品名称 主要内容： 发动机速度特性和负荷 发动机动力性指标和经 济性指标 内燃机产品名称和型号 编制规定 主要性能指标： 发动机的性能指标是用来衡量发动机性能好 坏的标准 1动力性指标 概念：指内燃机对外作功能力的指标 （1）有效转矩Te 曲轴传给汽车传动系的转动力矩。单位 ：N·m （2）有效功率Pe 发动机曲轴的输出功率 Pe = Te（2n / 60）× 10-3 （KW） 式中： Te 有效扭矩，单位为N·m n 曲轴转速，单位为r/min 标定功率： 并不是该内燃机所能发出的最大功率 ，而是内燃机出厂时根据使用目的而调整 的。由于使用目的的不同，同一种内燃机 的标定功率可以不同： 十五分钟功率：内燃机允许连续运转15分钟的最大 有效功率； 一小时功率：内燃机允许连续运转1小时的最大有效 功率； 十二小时功率：内燃机允许连续运转12小时的最大 有效功率； 持续功率：内燃机允许长期连续工作的最大有效功 率； （3）曲轴转速 指曲轴每分钟的转数，通常用n表示 ，单位为r/min。 在标定功率时的转速为标定转速。 2、经济性指标 概念：是指内燃机的生产成本、运转中的消耗以 及修理费用等各项指标。通常用燃油消耗率来评价内燃 机的经济性能 （1）有效燃油消耗率be 发动机每发出一千瓦有效功率在一小时内所消耗 的燃油量 be =（B / Pe）× 103 （g/kW·h） 式中：B 每小时的燃油消耗量，kg/h Pe有效功率，kW 3环保性能指标 （1）有害排放物 对汽油机，主要是废气中的CO和HC的量。 对柴油机，主要是废气中的NOx和颗粒的排放量。 （2）发动机的噪声 是汽车噪声的主要来源，约占城市噪声的75%。 （3）起动性能 发动机的速度 特性曲线 发动机特性曲线 发动机工作状况 第五节 内燃机产品名称与型号编制规则 为了便于内燃机的生产管理和使用，国家标准(GB72582)内 燃机产品名称和型号编制规则中对内燃机的名称和型号作了统一规 定。 内燃机的名称和型号： 内燃机名称均按所使用的主要燃料命名，例如汽油机、柴油机、 煤气机等。 内燃机型号由阿拉伯数字和汉语拼音字母组成。 内燃机型号由以下四部分组成： 首部：为产品系列符号和换代标志符号，由制造厂根据需要自选 相应字母表示，但需主管部门核准。 中部：由缸数符号、冲程符号、气缸排列形式符号和缸径符号等 组成。后部：结构特征和用途特征符号，以字母表示。 尾部：区分符号。同一系列产品因改进等原因需要区分时，由制 造厂选用适当符号表示。 内燃机型号的排列顺序及符号所代表的意义 内燃机型号的排列顺序及符号所代表的意义规定如下： 型号编制举例： (1) 汽油机 1E65F： 表示单缸，二行程，缸径65mm，风冷通用 型 4100Q： 表示四缸，四行程，缸径100mm，水冷车 用 4100Q-4： 表示四缸，四行程，缸径100mm，水冷 车用，第四种变型产品 CA6102： 表示六缸，四行程，缸径102mm，水冷 通用型，CA表示系列符号 8V100： 表示八缸，四行程、缸径100mm，V型， 水冷通用型 TJ376Q： 表示三缸，四行程，缸径76mm，水冷车 用，TJ表示系列符号 CA488： 表示四缸，四行程，缸径88mm，水冷通 用型，CA表示系列符号 (2) 柴油机 195： 表示单缸，四行程，缸径95mm，水冷通用型 165F： 表示单缸，四行程，缸径65mm，风冷通用 型 495Q： 表示四缸，四行程，缸径95mm，水冷车用 6135Q： 表示六缸，四行程，缸径135mm，水冷车 用 X4105： 表示四缸，四行程，缸径105mm，水冷通 用型，X表示系列代号 本章小结 v发动机的基本术语 v发动机的总体构造 v发动机的分类 v二冲程发动机与四冲程发动机工作原理和区别 v柴油机与汽油机的特点