汽油机原理与结构.doc
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1、员 工 培 训 教 材常柴技术中心 二O一一年五月目 录一、汽油机原理与结构31、汽油机原理 42、汽油机结构 6二、汽油机装配要求 121、单机装配要求122、水泵机组装配要求153、发电机组装配要求16 4、发动机维护 17三、汽油机常见故障分析及排除法 20 四、小型通用汽油机发展概况及相应排放法规 28附录1简单故障现象及处理方法对照表30 附录2 CQ168F、CQ188F汽油机主要技术规格 33附录3 CQ168F、CQ188F线路图解 34汽油机原理与结构内燃机是将燃料(汽油、柴油、煤气等)在其燃烧室中燃烧所产生的热能直接转化为机械能的一种动力机械。汽油机作为内燃机的一种,由于汽
2、油机的构造简单、轻巧、造价便宜、工作平衡、噪声也小,所以主要用在摩托车、小汽车和小载重量的卡车上,以及工农业生产和国防建设中。汽油机的缺点是燃料价格较贵,并且燃油消耗率较高。汽油是易燃品,贮存时须注意安全防火。我公司目前开发及拟开发的汽油机产品有:CQ154F、CQ168F、CQ168F-1、CQ170F、CQ188F、CQ190F汽油机等。并以汽油机为核心动力,大力开发水泵机组系列、发电机组系列,以及适合农业、园林、建筑和市政用等机械,见下图。图1 常柴生产的小型通用汽油机 a发电机组 b水泵机组 c手推式草坪机 d 微耕机 e 割草机 f 打夯机图2 小型通用汽油机的部分用途汽油机原理内燃
3、机按冲程数可分为四冲程和二冲程内燃机。四冲程内燃机由四个冲程(曲轴旋转两周)完成一个工作循环,二冲程内燃机由两个冲程(曲轴旋转一周)完成一个工作循环。四冲程汽油机工作过程由进气、压缩、燃烧、膨胀、排气五个工作过程组成。图3 同一曲轴转角各缸内工作过程示意图一、进气过程。进气门在上止点前开始开启,当活塞由上止点下移时,气缸内形成真空,可燃混合气经进气门被吸入气缸,这时空气流经化油器的喉管处时,在喉管处形成了一定的真空度,浮于室中的汽油在大气与喉管处压力差的作用下从喷管喷出,与空气组成可燃混合气。化油器是汽油机的专用燃料供给装置,根据汽油机的工况,按一定重量比例使空气和汽油组成可燃混合气。由于化油
4、器中装有节气门(控制可燃混合气的流量),所以进气门阻力比柴油机大,进气终点压力Pa较低,约为0.070.09Mpa。汽油机高温机件的温度比柴油机高,进气终点温度Ta也较柴油机高,约为370400K。进气门关闭时刻也像柴油机一样,在下止点之后。图4 进气过程示意图二、压缩过程。进气门关闭之后,可燃混合气开始被压缩。在压缩过程中,汽油加速汽化,在点火之前汽油全部汽化,与空气组成比较均匀的可燃混合气。因为汽油采用外源点火,所以压缩比S较低,压缩终了压力Po约为0.81.4Mpa,压缩终了的温度约为600700K。图5 压缩过程示意图三、燃烧过程和膨胀过程。在压缩上止点前(1015)CA时,火花塞跳火
5、点燃可燃混合气,形成了火焰中心,由于汽油机混合气比较均匀,所以汽油机的燃烧速度比柴油机快,接近等容加热循环,最高爆发压力也接近上止点。燃烧结速点和柴油机一样,也在膨胀线上,但结束得比较早。汽油机的最高爆发压力Pz约为35 Mpa,最高温度Tz约为22002700K。汽油机的膨胀过程和柴油机相似。不同之处是由于压缩比低,膨胀比也小,因此膨胀终点的压力和温度比柴油机高(Pb=0.4Mpa,Pb=12001500K)。图6 燃烧和膨胀过程示意图四、排气过程。排气过程也与柴油机相同。但是,汽油机的气门重叠角比柴油机小。如果气门重叠角过大,则由于废气流动的惯性,将把已进入气缸内的可燃混合气带着一起排出气
6、缸,使燃油消耗率增加。在某些工作情况下,甚至废气有可能倒流向进气管,使进气管内的可燃混合气着火燃烧,产生“放炮”现象,通常称为回火。汽油机排气终点的压力Pr=0.1050.12 Mpa,温度Tr=8001100K。图7 排气过程示意图汽油机结构内燃机在工作过程中能输出动力,除了直接将燃料的热能转变为机械能的燃烧室和曲柄连杆机构外,还必须具有一些机构和系统予以保证,并且这些机构和系统是互相紧密联结和协调工作的。不同类型和用途的内燃机,其机构和系统的形式不同,但其功用是完全一致的。内燃机通常由下列机构和系统组成:1、机体与气缸盖。机体是内燃机的骨架,各种机构和系统都装在机体上,它主要由气缸体、曲轴
7、箱及油底壳等组成。气缸盖也是一个重要的固定件,它与活塞顶共同形成燃烧室空间。不少零件以及气道和油道也布置在它上面。2、曲柄连杆机构。曲柄连杆机构是内燃机的主要运动件,由活塞、连杆、曲轴及飞轮等组成。活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动,通过连杆和曲轴转化为旋转运动,并将动力输出。3、供给系。供给系包括燃油供给系,进、排气系统,它们的功用是将燃油和空气及时供给气缸,并将燃烧后的废气及时排出。汽油机燃油供给系的主要部件是化油器,柴油机则是高压油泵和喷油器。进、排气系统的主要部件是空气滤清器、进气管、排气管和消声器。4、配气机构。配气机构的功用是定时开启和关闭进气门和排气门。配气机构一般由气门组、传动
8、组和驱动组等组成。5、点火系。点火系是汽油机和煤气机特有的系统,因为汽油机的混合气需用电火花来点燃。点火系分为蓄电池点火系和磁电机点火系。它们由火花塞、点火线圈、断电器和分电器组成。6、冷却系。内燃机工作时,由于混合气的燃烧会使活塞、气缸、燃烧室及喷油器等零部件受到加热,如不适当地加以冷却,就不能进行正常工作,甚至被烧坏。冷却系分为水冷和风冷两种。水冷是以水作为冷却介质;风冷是以空气作为冷却介质。水冷式内燃机装有水泵风扇、散热器等,气缸体和气缸盖内设有冷却水套;风冷式内燃机的气缸体和气缸盖上则设有散热片。7、润滑系。内燃机工作时,必须连续向高速运动机件供给足够的润滑油,以减轻机件的磨损。润滑方
9、式有压力润滑、飞溅润滑和油雾润滑。压力润滑由机油泵将机油送到各高速运动件处,飞溅润滑由曲轴将曲轴箱中的机油甩起飞溅到各运动机件上。小型单缸汽油机则采用飞溅和油雾润滑。8、起动装置。内燃机不能自行起动,必须借助外力使之运转着火燃烧,以达到自行运转状态。因此内燃机设有专用的起动装置。手摇起动的内燃机设有起动爪;马达起动的装有起动电机;用压缩空气起动的装有压缩空气起动装置等。汽油机具体结构图8 本田型小型通用汽油机内部结构示图一、机体及气缸盖。机体是内燃机的骨架,内燃机的所有零件和附件几乎都要装在它上面。汽油机机体是铝件压铸成型。在气缸体内用来引导活塞作往复运动的圆筒形空间,称为气缸。气缸的内壁称为
10、气缸壁。气缸壁在汽油机工作时,要受到燃烧气体高温高压的作用,并承受活塞传来的侧压力和摩擦力。由于活塞与气缸壁是在高温下作高速的相对运动,润滑条件又较差,因此磨损比较严重。因此对气缸的材料、加工精度和表面粗糙度等都有较高的要求。气缸盖装于气缸体上部,用于密封气缸的上平面,并与气缸和活塞顶部共同组成燃烧室。汽油机气缸盖采用铝合金,因铝的导热性好,工作时温度较低,对汽油机工作有利,但强度和刚度都比铸铁差。气缸盖由于受到燃气的加热和气体力的作用,会产生较大的热应力和弯曲应力,如刚度不足或使用不当,就会产生变形甚至开裂,引起漏气和冲破气缸垫的故障。汽油机的燃烧室是气缸盖的重要组成部分,它的形状和布置都对
11、汽油机的性能有重要影响。对汽油机燃烧室的基本要求是:结构紧凑,以减少散热损失,提高热效率,减少爆燃倾向;火花塞的位置要适当,使火焰传播距离缩短,并避免发生失火现象;形状要合理,使燃烧柔和,降低燃烧噪声。气缸盖螺栓。气缸盖螺栓是紧固气缸盖和气缸体的连接件,它的分布位置对于气缸盖和气缸体的受力情况,密封可靠性以及气缸套的变形大小,都必须有一定的影响。为了保证气缸盖与气缸体结合面的密封可靠,气缸盖螺栓必须具有一定的预紧力,而且还必须按一定的次序拧紧。气缸垫。气缸垫是气缸盖和气缸体结合面之间的密封件,其功用为补偿结合面的不平处,保证可靠的密封。二、配气机构。配气机构的功用是按照内燃机工作循环的要求,保
12、证新鲜空气(柴油机)或可燃混合气(汽油机)适时充入气缸,并将燃烧后的废气及时排出。对配气机构的要求是:进入气缸的充量尽可能多,气缸内的废气尽可能排净,这两者又是相互影响的。因前一循环的废气如果排不干净,则后一循环的进气就受到明显的影响,此外由于配气机构也作高速往复运动,气门在开闭时,不断拍击气门座,所以应尽量减少振动和噪声,提高工作可靠性和延长使用寿命。汽油机是顶置气门,顶置气门配气机构由凸轮轴、挺柱、气门摇臂和气门等零件组成。图9配气机构示意图气门:气门是汽油机的重要零件之一。它的工作情况对汽油机的性能有很大的影响。在压缩和燃烧过程中,气门必须保证严密的密封,不能出现漏气现象。否则汽油机的动
13、力性和经济性均会恶化,甚至无法起动和工作。气门在漏气情况下工作,本身就会受到高温燃气的冲刷而迅速损坏,使汽油机的可靠性和耐久性降低。气门的材料多选用耐热、耐腐蚀、耐磨的材料。配气相位:进、排气门开始开启和关闭的时刻以曲轴转角表示时,称为配气相位。汽油机的配气相位对其性能,特别是对汽油机的动力性有很大的影响。因为汽油机所以能向外输出功率,主要是由于进入气缸的燃料燃烧后放出大量的热能,提高了气缸内气体的压力推动活塞作功的结果。然而燃料的燃烧需要有足够的空气量相配合,因为燃料中的主要成分是碳和氢,如不与空气中的氧相结合就不能燃烧。进入气缸的燃料量的多少完全由燃料供给系统来控制和调节,进入气缸的空气量
14、的多少则受多种因素的影响,配气相位就是其中最重要的因素之一。三、汽油机燃料供给系统:汽油机使用的燃料主要是汽油。汽油是从石油中提炼出来的多种碳氢化合物的混合物,其中碳的含量为85%,氢为14%,其余是少量的胶质、硫化物、酸类及灰分等。汽油的性质对汽油机的工作过程有很大的影响,特别是汽油的蒸发性、抗爆性及生胶倾向等。汽油机燃料供给系统一般由油箱、油管、汽油机滤清器、汽油泵及化油器等部件组成,它的功用是在工作时间内可靠地供给汽油机一定量的清洁燃料,以保证汽油机在不同工况下能获得所需要的可燃混合气。汽油箱:汽油箱的容量和形状是根据汽油机的用途和使用时间确定。汽油滤清器:汽油进入汽油泵前,需将汽油中的
15、水分和机械杂质予以清除,否则易使汽油泵和化油器等部件发生故障及加剧磨损(注:小型通用汽油机多使用燃油滤网替代此部件,参看附录4中油箱部件图)。汽油泵:汽油泵的功用是将汽油从汽油箱中吸出,以一定的压力克服输油管路和滤清器的阻力,将汽油送至化油器。(注:小型通用汽油机大多不使用汽油泵,汽油依靠重力作用从油箱进入化油器)化油器:在汽油机工作过程中,汽油和空气组成可燃混合气的时间很短,仅有百分之几秒。要在这样短的时间内形成良好的可燃混合气,关键在于汽油的蒸发速度。汽油机的化油器是将汽油雾化成细小的油粒,使单位体积汽油的蒸发表面积加大,并使油粒与高速气流相撞,提高汽油的蒸发速度,为迅速形成良好的可燃混合
16、气创造有利条件。图10所示为化油器的简单结构示意图,从图中可以看出,化油器串接在空滤器与汽油机之间。当汽油机的吸气过程周而复始的进行,气流通过化油器喉管2时,由于喉管流通截面缩小,气流被加速,引起局部压力下降,形成了一定的真空度,从而使汽油从燃油喷管处喷出。混合气的过量空气系数a一般通过改变燃油主量孔4的流通截面积来调节。由于汽油机可燃混合气的着火界限很窄,当a小于0.4或超过1.25时,发动机已不能稳定工作。因此,不能像柴油机那样采用变质调节的的方法。燃油主量孔4调试好后将其固定不变,这是进入气缸的燃油量完全取决于喉管的真空度,也就是说取决于流过喉管的空气量。空气量可以通过改变节气门3的开度
17、大小来调节。这样,就可以通过改变节气门开度实现汽油机的功率调节了。图10 化油器结构示意图1-燃油喷管 2-喉管 3-节气门 4-主量孔 5-浮子室四、汽油机润滑系统:汽油机运转时,各部件中具有相对运动的零件表面,它们之间以很小的间隙作高速相对运动。如曲轴主轴颈与主轴承;曲柄销与连杆轴承;凸轮轴与凸轮轴轴承;活塞、活塞环与气缸壁;配气机构的各运动副以及正时齿轮副等。由于汽油机在高转速、受力大的情况下工作,如果不进行润滑将产生严重的后果。即:消耗功率、摩擦生热加速磨损、影响汽油机寿命。润滑系统是汽油机必不可少的一个辅助系统。润滑系统的任务就是定量地将洁净而温度适当的润滑油(机油)输送到运动零件的
18、摩擦表面,使两个摩擦表面之间形成一定的油膜层,从而形成液体摩擦,使摩擦阻力减少,功率消耗降低,机件磨损减轻,以提高汽油机工作的可靠性和耐久性。润滑系的作用是:减少摩擦作用、冷却作用、清洗作用、密封作用、防锈作用。润滑油性能要求:适当的粘度和较高的粘温指数、良好的清净分散能力、良好的抗氧化性及碱性保持性、腐蚀性小、良好的消泡性。部分小型通用汽油机采用图11所示类型的连杆部件,连杆盖上突出的甩油匙即充当类似机油泵的功用。图11 带甩油匙类型的连杆部件五、冷却系统:汽油机工作时,高温燃气及摩擦生成的热会使活塞、气缸套、气缸盖、气门和喷油器、火花塞等零件的温度升高,而引起零件热变形,降低其机械强度和刚
19、度,破坏润滑油膜;进入气缸的空气(或可燃混合气)由于强度受热,比容增大,使得实际进入气缸中的气体重量减少。汽油机中的高温可燃混合气常常会产生早燃或爆燃,导致不正常工作,这些都会使汽油机性能下降。当过热情况严重时,会使零件损坏。因此,对汽油机必须加以适当冷却。冷却过度也会引起一些不良后果:首先将热量过多地散发到大气中去就必然要损耗一部分燃料燃烧所发出的热能;其次汽油机在过冷的情况下工作时,可燃混合气不能很好地形成和燃烧,使燃料消耗量增加;机油在低温时粘度增高,零件运动的摩擦阻力增加,输出功率减少,气缸内温度过低还容易使汽油蒸发凝结在气缸壁上,流入曲轴箱稀释机油,增加零件磨损。因此不应过度冷却。汽
20、油机采用风冷方式,采用空气做冷却介质。由风扇产生的高速运动的空气直接将高温零件的热量带走,使汽油机在最适宜的温度下工作。在气缸和气缸盖外壁都布置了散热片,用以增加散热面积,还布置了导风罩、导流板,用以合理地分配冷却空气和提高空气利用率,使冷却效果更有效和均匀。主要有:散热片、风扇、导风罩和导流板组成。 图12 汽油机风冷示意图六、起动系统:要使汽油机由静止状态转入工作状态,必须先用外力驱动汽油机的曲轴旋转,使活塞作往复运动,以便将可燃混合气压缩到一定程度后,再点燃燃烧,燃烧后的高温高压气体推动活塞使曲轴旋转,汽油机才能自行运转。因此,汽油机借助外力由静止状态过渡到自行运转的过程,称为汽油机起动
21、完成起动过程所需的装置,称为起动装置,起动装置包括动力驱动装置和起动辅助装置。动力驱动装置是用于克服汽油机的起动阻力,起动辅助装置是为了使汽油机起动轻便、迅速和可靠。手拉起动时,将绳索的一头打成结勾在绳轮边缘的斜口上,并在绳轮上按曲轴工作时的旋转方向绕23圈,拉动后,绳索自动脱离起动绳轮。拉绳起动的汽油机均采用磁电机点火装置,起动转速较高。因此,起动时必须用力猛拉绳索,使汽油机在瞬时超过起动转速,汽油机起动成功。七、汽油机点火系统:在现代汽油机中,工作混合气是用电火花点燃的。保证按时在火花塞电极间产生电火花的全部装置,称为点火花系统。它的功用有两点:首先将电源的低电压转换成高电压,这种电压在
22、发动机气缸内的火花塞上产生火花;将“火花”适时送到气缸,点燃被压缩的工作混合气,使汽油机工作。汽油机采用磁电机点火。在磁电机点火中,主要元件是磁电机(如图13),用以产生低压电流,并将其变为高压电流,然后输送到火花塞上去,所以磁电机实际上是发电机、点火线圈和分电器的联合装置。图13 小型通用汽油机磁电机系统汽油机装配要求单机装配要求检查气缸盖锐边、毛刺:检查气缸盖关键部位锐边、毛刺是否清除干净;检查气缸盖加工面是否有磕碰、划伤现象。装进排气门、气门弹簧、气门弹簧座、导向板、摇臂总成、进排气门双栓:先将进、排气门放入对应的导管孔内,然后放上气门弹簧,再用对应的弹簧座锁住气门;将导向板用摇臂螺栓固
23、定在气缸盖相应位置,然后在摇臂螺栓上放上摇臂,再依次拧上调整螺母、锁紧螺母。装配前要保证各零件的清洁;最后分别将进、排气门双栓旋入相应的螺纹孔内同时放上进、排气门垫片。装隔热板、化油器、空滤下座、火花塞:将气缸盖装入专用夹具中,用气动扳手旋紧进、排气门双栓,在进气门侧依次装入隔热板、化油器纸垫片、化油器纸垫片、化油器、化油器铁垫片、空滤下座,最后用螺母将空滤锁紧(装大空滤时化油器铁垫片换为化油器纸垫片),然后将火花塞旋入火花塞螺纹孔内并用气扳枪旋紧;将装配好的缸盖总成摆放到工位器具车上并保持整齐、清洁,相互之间不得磕碰,待送总装生产线。检查室盖毛刺:用目测、手感检测室盖毛刺、锐边是否清除干净,
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