汽车发动机的工作原理及总体构造2.ppt

第一章 汽车发动机工作原理及总体构造,发动机的分类 基本术语 四冲程发动机工作原理和总体构造 二冲程发动机工作原理和总体构造,第一章 汽车的发动机类型,第一节 概述,一、发动机及其种类 概述 什么叫发动机?,凡是把某种形式的能转变为机械能的机器,各种发动机因能源不同 又可分为风力发动机、水力发动机 和热力发动机等。,热力发动机将燃料燃烧所产生的热能转变为机械能。因燃料燃烧所处部位不同，热力发动机又可分为外燃机和内燃机两大类。,燃料在发动机外部燃烧的叫外燃机。 如蒸汽机、汽轮机等。,燃料直接在发动机内部燃烧的叫内燃机。 如柴油机、汽油机、煤气机等。,内燃机与外燃机比较，具有以下优点： 热效率高增压柴油机最高热效率可达46，而蒸汽机只有1116。 功率范围广，适应性好最小的不到lkW，最大的可达35000kW。同一型号，经少量改装，可适应各种不同用途的需要。 结构紧凑，重量轻，尺寸小。 使用操作方便，起动快正常情况下，一般的柴油机或汽油机能在3-5s时间内起动，并能在短时间内达到全负荷运转，而且操作比较轻便。 运转安全 。,二、内燃机的分类,内燃机的结构形式很多，可按下列方法分类： (1)按活塞运动方式分往复活塞式 旋转活塞式,二、内燃机的分类,(2)按采用的燃料不同分 有柴油机、汽油机、气体燃料发动机等。,(3)按气缸冷却方式分为水冷与风冷,二、内燃机的分类,(4)按完成一个工作循环的行程数(冲程)可分为： 四冲程式：活塞往复四个行程完成一个工作循环。 二冲程式：活塞往复两个行程完成一个工作循环。,二、内燃机的分类,(5)按进气方式分 增 压 式：装有增压器，空气经过增压后 进入气缸。 非增压式；不装增压器，利用活塞的抽 吸作用将空气吸入气缸拖拉 机和汽车上大部分都采用非 增压式。,二、内燃机的分类,(6) 按发动机气缸数可分为单缸与多缸,二、内燃机的分类,(7)按着火方式分 压燃式：利用气缸内被压缩的空气所产生的高温高压使燃料自行着火燃烧。柴油机就属于这种着火方式 点燃式：利用外界热源(如电火花)点燃燃料，使其着火燃烧。如汽油机、天然气发动机等。,二、内燃机的分类,(8)接用途可分为 固定式：用作固定作业的动力，如 发电、排灌、农产品加工等作业。 移动式：用作移动机械的动力，如拖拉机和汽车的发动机。,二、内燃机的分类,(9)按气缸排列形式分 有直列式、卧式和V型等。,二、内燃机的分类,第一节小结,目前，应用最广、数量最多的汽车发动机为水冷、四冲程往复活塞式内燃机，其中汽油机用于轿车和轻型客、货车上，而大客车和中、重型货车发动机多为柴油机。 少数轿车和轻型客、货车发动机用柴油机。 以风冷或二冲程活塞式内燃机为动力的汽车为数不多。现主要用于摩托车和小型动力作业机械。 为满足汽车加速性能的要求，用增压的方法提高内燃机的功率。因此，近年来增压内燃机倍受重视，并得到了积极的发展。,第二节 往复活塞式内燃机的基本结构及基本术语,基本结构简介,图1-1,它由气缸盖1 排气门2 进气门3,喷油器4 (汽油机 为火花塞) 气缸5 活塞6 连杆8 活塞销7 曲轴10 曲柄11 飞轮12等构成,基本结构简介,有密闭的工作腔周向气缸、顶缸盖和气门、底活塞顶等组成。 工作腔容积能变化活塞往复运动实现（气缸内表面为圆柱形）。 往复运动变为曲轴的旋转运动作往复运动的活塞通过活塞销与连杆的一端铰接，连杆的另一端则与曲轴相连，构成曲柄连杆机构来实现。 其他为保证发动机能正常工作，需要支撑和散热缸体及冷却系、空气供给装置进排气系统、燃料供给装置燃料供给系、着火装置电火系、润滑系等。,结构特点,常用的基本名词术语与定义,工作循环,工作循环完成进气、压缩、作功和排气四个过程即为 一个工作循环。,上止点活塞在气缸里作往复直线运动时，当活塞向上运动到最高位置，即活塞顶部距离曲轴旋转中心最远的极限位 置，称为上止点TDC(Top Dead Center)。,下止点活塞在气缸里作往复直线运动时，当活塞向下运动到最低位置，即活塞顶部距离曲轴旋转中心最近的极限位置，称为下止点BDC(Bottom Dead Center)。,活塞行程活塞从一个止点到另一个止点移动的 距离。 即上、下止点之间的距离称为活塞行程S 。 对应一个活塞行程，曲轴旋转180,常用的基本名词术语与定义,曲柄半径,曲柄半径曲轴旋转中心到曲柄销中心之间的距离称为曲柄半径R。 通常活塞行程为曲柄半径的两倍，即： S =2R 。,气缸工作容积活塞从一个止点运动到另一个止点所扫过的容积，称为气缸工作容积Vh 。 式中：D气缸直径，单位mm； S活塞行程，单位mm；,发动机排量多缸发动机各气缸工作容积 的总和称为发动机排量Vt。 Vt=Vhi 式中：Vh 气缸工作容积； i 气缸数目。,常用的基本名词术语与定义,燃烧室容积活塞位于上止点时，其顶部与气缸盖 之间的容积。 气缸总容积活塞位于下止点时，其顶部与气缸盖 之间的容积称为气缸总容积Va。 显而易见，气缸总容积就是气缸工作容积和燃烧 室容积之和，即: VaVcVh,常用的基本名词术语与定义,压缩比气缸总容积与燃烧室容积之比（气体压缩前 的容积与气体压缩后的容积之比）。 意 义表示气体的压缩程度，是非常重要的概念。 公式： 式中：Va 气缸总容积； Vh 气缸工作容积； Vc 燃烧室容积；,通常汽油机的压缩比为812，柴油机的压缩比较高，一般为1624。,第三节 内燃机的工作原理,单缸四行(冲)程汽油机的工作原理,四行程汽油机的运转是按进气行程、压缩行程、作功行程和排气行程的顺序不断循环反复的进行的。,四行程发动机工作原理,观看演示,1、进气行程,2、压缩行程,3、作功行程,4、排气行程,排气门关闭,进气门开启,四行程汽油机的工作原理,观察工作原理并注意与前者的区别,汽油发动机四个行程的图示,1.进气行程,.压缩行程,.作功行程,4.排气行程,每一行程工作的具体分析如下,进气门 开, 排气门 关, 活 塞 自上止点 至下止点, 气 缸 真空, 吸入混合气。,进气行程,进气行程,排气门关闭,进气门开启,大气压力线,P,V,r,a,示功图,上止点,下止点,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。,进气终了时气缸内压强为0.0740.093Mpa，温度上升至353403K,活 塞 下 行,在进气过程中，受空气滤清器、化油器、进气管道、进气门等阻力影响，进气终了时，气缸内气体压力略低于大气压，约为0.0750.09MPa，同时受到残余废气和高温机件加热的影响，温度达到370400K。实际汽油机的进气门是在活塞到达上止点之前打开，并且延迟到下止点之后关闭，以便吸入更多的可燃混合气。,进气行程,进气门 关, 排气门 关, 活 塞 自下止点 至上止点, 气 缸 混合气被 压缩, 气压及温 度增高.,压缩行程,活塞从下止点上止点。 进气门和排气门都关闭，气缸内成为封闭容积。 可燃混合气受到压缩，压力和温度不断升高，压缩行程终点可燃混合气压力可达0.61.2MPa，温度可达600700K。,压缩行程,压缩行程,进气门关闭,排气门关闭,P,V,r,a,示功图,大气压力线,c,上止点,下止点,压缩终了时气缸内压强上升至0.61.5Mpa，温度继续上升至600700K 。,活 塞 上 行,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，发动机功率也越大。 但压缩比太高，容易引起爆燃。压缩行程有利于混合气的迅速燃烧并可提高内燃机的有效热效率。汽油机的压缩比一般为812。,压缩行程,进气门 关, 排气门 关, 活 塞 自上止点 至下止点, 气 缸 混合气被 点燃燃烧, 气压及温 度急剧增高.,作功行程,燃烧过程和膨胀过程 进气门和排气门仍关闭 当活塞压缩行程接近上止点(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作功。,作功行程,作功行程,进气门关闭,排气门关闭,P,V,r,a,示功图,大气压力线,c,Z,b,上止点,下止点,作功中气缸内最高压强可达35Mpa，最高温度可达22002800K；作功终了时气缸内压强下降至0.30.5Mpa，温度下降至13001600K。,活 塞 下 行,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。,作功行程,进气门 关, 排气门 开, 活 塞 自下止点 至上止点, 气 缸 废气排出, 气压及温 度下降。,排气行程,废气必须从气缸中排出去以便进行下一个循环。 当作功接近终了时，排气门开启，进气门仍关闭，先靠废气的压力自由排气，活塞到达下止点再向上止点运动时，继续把废气强制排出，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，目的是能排出更多的废气。 由于燃烧室容积的存在，不可能将废气全部排出气缸。,排气行程,进气门关闭,排气门打开,P,V,r,示功图,大气压力线,c,Z,b,上止点,下止点,残余废气,排气终了时气缸内压强下降至0.1020.120Mpa，温度下降至9001200K,a,活 塞 上 行,排气行程,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，相应地曲轴旋转了两圈。,排气行程,实际汽油机气门早开晚关如排气门都是在活塞到达下止点前打开，上止点后关闭，以便排除更多的废气。 汽油机每完成进气、压缩、作功、排气四个行程即完成一个工作循环。 四冲程汽油机每完成一个工作循环，活塞往复四次，曲轴旋转两圈(7200)。 每冲程占曲轴转角为7200/4冲程=1800,小 结,分析,单缸四行(冲)程柴油机的工作原理,工作循环相同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。 着火方式不同由于柴油机使用柴油，粘度大，不易蒸发，自燃温度低，故可燃混合气的形成，压缩比，着火方式，燃烧过程以及气体温度压力的变化都和汽油机不同。,四行程柴油机工作原理,与汽油机工作原理相比，只有一个行程即作功行程中，柴油机由于用的柴油粘度比汽油大、不易蒸发，且自然温度又较汽油低，所以采用的是,压缩自燃式点火。,进气行程,压缩行程,作功行程,排气行程,新鲜空气,四行程柴油机各行程示意图,开始喷油,进气行程,在柴油机进气行程中，被吸入气缸的只是纯净的空气。 柴油机进气系统阻力较小，气缸残留废气少，温度较低，故进气行程结束时，缸内气体压力较高为0.0850.095MPa，温度较低，约为310340K。,压缩纯空气。 在压缩行程接近上止点时，喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室. 柴油和空气在气缸内形成可燃混合气并着火燃烧。 柴油机压缩比比汽油机压缩比大 (一般为1624)，故压缩终了时气体温度和压力比汽油机高，大大超过柴油的自燃温度。 压缩终了时，气体压力约为3.54.5MPa，气体温度约为7501000K。 柴油机是压缩后自燃着火的，不需要点火，故柴油机又称为压燃机。,压缩行程,作功行程,喷油在压缩行程接近终点时，喷油器以很高的压力，很小的喷孔直径，将柴油呈细雾状喷出。 缸内混合细微的油滴在缸内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气（汽油机缸外混合）。 达到自燃温度燃烧。 活塞已过上止点，可燃混合气燃烧膨胀作功，柴油机燃烧最高压力比汽油机高得多，达69MPa，最高温度达20002500K。 活塞到下止点，作功行程结束，气体压力约为0.20.4MPa，温度约为12001500K。,柴油机的排气行程和汽油机一样，废气同样经排气管排入到大气中去。 排气终了时，气缸内气体压力约为0.1050.125MPa，气体温度约为8001000K。,排气行程,柴油机与汽油机比较,柴油机的压缩比高，热效率高，燃油消耗率低，经济性好。 柴油机的排气污染少，排放性能较好。 但其主要缺点是转速低，质量大，噪声大，振动大，制造和维修费用高。,分析和比较汽油机、柴油机的工作异同,火花塞,喷油器,汽油机、柴油机的工作相同点,每个工作循环曲轴转两周; 每一行程曲轴转半周; 只有作功行程产生动力。,汽油机、柴油机的工作不同点,思考与练习：,1、 发动机的定义是什么？ 2、 发动机的分类如何？ 3、 什么是发动机的排量、燃烧室容积和压缩比？ 4、 汽油机和柴油机在可燃混合气形成方式和点火 方式上有何不同？它们在结构上有何区别？,二行程汽油机的工作原理,工作循环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。 区别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（two-stroke-engine）与四行程发动机工作原理不同，结构也不一样。,动画,二行程汽油机的四个工作过程,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。 各工作过程占曲轴转角小。,二行程汽油机的结构特点,第一行程 压缩+进气 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，新的可燃混合气又从化油器被吸入活塞下方的曲轴箱内。,二行程汽油机的工作原理,活塞上行: 上方压缩 下方-吸气,二行程汽油机的工作原理,第二行程 燃烧作功+排气 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。,二行程汽油机的工作原理,活塞下行(上半程): 上方作功 下方-预压,二行程汽油机的工作原理,活塞下行(下半程): 上方换气 下方-预压,二行程汽油机的工作原理,二冲程内燃机和四冲程内燃机比较,(1)曲轴每转一圈就有一个作功行程，因此在相同缸径、行程和转速时，在理论上它的功率为四冲程内燃机的两倍。 (2)也出于以上原因，它运转比较平稳，可采用尺寸较小的飞轮。 (3)省去了一套配气机构，使结构简单。,其缺点是不易将废气从气缸内排除干净，并且在换气时减少了有效作功行程。所以实际上它的功率只等于四冲程内燃机的1.51.6倍并且在换气时还有一部分新鲜可燃混合气随废气排出，因此其经济性较差。,多缸发动机的工作原理,单缸发动机一个工作循环只有一个冲程作功，其他三个冲程不作功。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。 而多缸发动机作功行程是错开的，按照工作顺序作功，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，作功间隔角越小，同时参与作功的气缸就越多，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。,第四节 发动机的总体构造,汽车发动机是极为复杂的机器。但就其总体构造而言，却都是由机体组、曲柄连杆机构、配气机构、进排气系统、燃油系统、冷却系统、润滑系统、起动系统和有害排放物控制装置等组成。如果是汽油机，还包括点火系统。若为增压发动机，则还应有增压系统。,一、发动机的总体构造,1-气缸盖罩；2-凸轮轴；3-气缸盖；4-摆臂；5-气门间隙自动调节器；6-气门弹簧；7-进气门；8-排气门；9-活塞；10-连杆；11-机体；12-曲轴；13-油底壳；14-机油泵；15-机油管；16-集滤器；17-曲轴齿形带轮；18-张紧轮；19-正时齿形带；20-凸轮轴齿形带轮；21-化油器；22-空气滤清器,1-风扇；2-水泵； 3-气缸盖；4-小循环水管； 5-进、排气支管总成； 6-曲轴箱通风； 7-化油器； 8-气缸盖出水管； 9-摇臂机构； 10-空气压缩机皮带； 11-曲轴正时齿轮； 12-凸轮轴正时齿轮； 13-正时齿轮室盖及曲轴前油封； 14-风扇皮带； 15-发动机前悬置支架总成； 16-发动机前悬置软垫总成； 17-机油泵； 18-油底壳； 19-活塞、连杆总成； 20-机油泵、分电器总成；,21-主轴承盖；22-曲轴；23-曲轴止推片；24-凸轮轴；25-油底壳衬垫；26-曲轴 箱通风管；27-缸体；28-后挺杆室盖；29-曲轴箱通风挡油板；30-飞轮壳；31-飞轮；32-发 动机后悬置螺栓、螺母；33-发动机后悬置软垫；34-限位板；35-空气滤清器；36-绝热垫及 衬垫；37-进气管；38-曲轴箱通风单向阀；3 9-阀体；40-单向阀；41-弹簧；42-弯管接头； 43-排气管；44-放水阀；45-细滤器；46-出水软管；47-联轴套；48-气缸套；49-定位销； 50-挺杆室衬垫；51-挺杆室盖；52-分电器；53-加机油管和盖；54-汽油泵；55-机油粗滤器,一汽奥迪100型轿车发动机,20-凸轮轴前端油封； 19-凸轮轴正时齿轮； 18-正时齿轮上罩盖； 17-气缸体； 16-偏心轮张紧机构； 15-正时皮带.14-中间轴. 13-中间轴正时齿轮； 12-压缩机支架； 11-正时齿轮下罩盖； 10-水泵、电机曲轴皮带轮； 9-压缩机曲轴皮带轮； 8-压紧盖； 7-正时齿轮拧紧螺栓； 6-调整垫片； 5-压缩机皮带； 4-曲轴正时齿轮； 3-曲轴前端封油挡板； 2-曲轴轴承盖.1-曲轴；,21-凸轮轴罩盖； 22-机油加油口 盖； 23-凸轮轴机油 挡油板； 24-凸轮轴轴承盖； 25-排气门. 26-气门弹簧； 27-进气门； 28-液压挺杆总成； 29-凸轮轴； 30-气缸密封垫片； 31-气缸盖； 32-火花塞； 33-活塞销；,34-曲轴后端封油挡板；35-飞轮齿环；36-油底壳；37-活塞；38-油标尺；39-连杆总成；40-机油集滤器；41-中间轴轴瓦；42-放油螺塞；43-曲轴主轴瓦,汽油机的组成,汽油机由两大机构和五大系统组成。 即由曲柄连杆机构 配气机构 燃油系统 冷却系统 润滑系统 起动系统 点火系统组成,柴油机的组成,柴油机由两大机构和四大系统组成。 即由曲柄连杆机构 配气机构 燃油系统 冷却系统 润滑系统 起动系统组成,(1)、曲柄连杆机构,功用是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。 组成由机体组、活塞连杆组和曲轴飞组等组成。 工作原理作功行程将活塞承受燃气压力的直线运动，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,功用是根据发动机的工作顺序和工作过程，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。 组成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,功用（汽油机）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。 功用（柴油机）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。,(4) 润滑系统,功用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。 组成由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。,(5) 冷却系统,功用将受 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。 组成水冷 却系通常由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成。,(6) 点火系统,功用点燃汽油机气缸内的可燃混合气。 布置在汽油机缸盖上装有火花塞，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。 组成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。,(7) 起动系统,定义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。 分析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曲轴，使活塞克服阻力作往复运动，促使发动机气缸内的可燃混合气能燃烧膨胀作功，发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。 组成起动机、自动分离装置等。,小 结：发动机总体结构,多缸发动机的工作原理,1、四缸直列发动机的工作原理,（1）桑塔纳发动机（四缸）结构示意图,四缸发动机工作过程演示,四缸发动机的工作顺序表,2、六缸直列发动机结构与工作原理,CA6102型汽油机纵横剖视图,基本特点,是六气缸、水冷、四冲程汽油机。 发动机机体为龙门式结构，由HT25-47高强度铸铁铸制。气缸镶嵌铌合金铸铁干式气缸套。气缸盖是铜钼合金铸铁的整体式结构，其上镶有铬镍铸铁进、排气门座圈和粉末冶金气门导管。 活塞由含镍共晶铝合金液态模锻。活塞顶上有圆形凹坑，可借以在较大范围内调整压缩比，以适应油料变化和高原地区 提高压缩比的需要。曲轴用45号钢锻造。其后端设有整体式双刃口橡胶油封。前端装有扭振减振器。 凸轮轴位于曲轴箱内，即所谓下置凸轮轴。,六缸发动机工作过程演示,六缸发动机的工作过程,3、V型发动机,欧宝25L轿车发动机的结构图,基本特点,该发动机为六缸、水冷、四冲程、电控汽油喷射式汽油机。气缸呈V形排列，气缸夹角为54。每缸四气门，双上置凸轮轴，倒置桶形液力挺柱。铝合金气缸盖，进、排气道经成形研磨头加工，表面光滑。铝合金机体，在曲轴箱底面装设加强板，以增加机体刚度。在两列气缸中间的水套中装置机油冷却器，用发动机的冷却液冷却机油。气缸直径为81.6mm，而气缸中