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汽车构造与维修汽车构造与维修汽车构造与维修汽车构造与维修 汽车构造 汽车构造 （2）发动机总体结构及基本原理 （2）发动机总体结构及基本原理 一、发动机的定义： 发动机是将其它形式的能量转变为机械能的一种机械装置。汽车采用的发动机是内燃机。内燃机是燃 料在发动机内部燃烧的一种热力机，可分为活塞式内燃机和燃气轮机两大类。活塞式内燃机可按活塞运动 方式分为往复活塞式内燃机和旋转活塞式内燃机两种。往复活塞式内燃机在汽车上应用最为广泛，是本课 研究的重点。 二、发动机的分类： 1. 按使用燃料不同分：汽油机、柴油机等。使用汽油为燃料的内燃机称为汽油机；使用柴油为燃料的内 燃机称为柴油机。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。 2. 按工作循环分：四冲程发动机、二冲程发动机。曲轴旋转两圈（720） ，活塞在气缸内上下往复运动四 个行程，完成一个工作循环的发动机称为四冲程发动机；而曲轴旋转一圈（360） ，活塞在气缸内上下往 复运动两个行程，完成一个工作循环的发动机称为二冲程发动机。汽车发动机广泛使用四冲程发动机。 3. 按冷却方式分：水冷式发动机、风冷式发动机。水冷式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；而风冷式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。水冷式发动机冷却均匀，工作可靠，冷却效果好，被广泛地应用于现 代车用发动机。 4. 按气缸排列分：单行直线排列发动机、双行 v 形排列发动机。单行直线排列发动机的各个气缸排成一 列，一般是垂直布置的，但为了降低高度，有时也把气缸布置成倾斜的甚至水平的；双行 v 形排列发动机 把气缸排成两列，两列之间的夹角180（一般为 90）称为 v 型发动机，若两列之间的夹角=180，称为 对置式发动机。 5. 按气缸数分：单缸发动机、多缸发动机。仅有一个气缸的发动机称为单缸发动机；有两个以上气缸的 发动机称为多缸发动机。如双缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸等都是多缸发动机。现代车用 发动机多采用四缸、六缸、八缸发动机。 6. 按进气系统的类型分：自然吸气式发动机、涡轮增压式发动机。汽油机常采用自然吸气式；柴油机为 了提高功率有采用增压式的。 7. 按气门位置分：顶置气门式发动机、侧置气门式发动机。 三、发动机的总体结构 发动机是一种由许多机构和系统组成的复杂机器。现代汽车发动机的结构型式很多，即使是同一类型 的发动机，其具体构造也是各种各样的。但就其总体功能而言，基本上都是由如下的机构和系统组成：曲 柄连杆机构、配气机构、冷却系、润滑系、燃料供给系、点火系、起动系。 1. 曲柄连杆机构 作用：将燃料燃烧时产生的热量转变为活塞往复运动的机械能，再通过连杆将活塞往复运动变为曲轴的旋 转运动而对外输出动力。 组成：由气缸体和曲轴箱组、活塞连杆组、曲轴飞轮组组成。 2. 配气机构 作用：使可燃混合气及时充入气缸并及时从气缸中排出废气。 组成：它由进气门、排气门、挺杆、推杆、摇臂、凸轮轴、正时齿轮等组成。 3. 冷却系 作用：把受热零件的热量散到大气中去，以保证发动机正常工作。 组成：它由水泵、散热器、风扇、分水管、水套等组成。 4. 润滑系 作用：将润滑油供给作相对运动的零件以减少它们之间的摩擦阻力，减轻机件的磨损，并部分地冷却摩擦 零件；清洗摩擦表面。 组成：由机油泵、滤清器、限压阀、润滑油道、机油冷却器等组成。 5. 燃料供给系 作用：按需要向气缸内供应已配制好的可燃混合气，燃烧后排出废气。 组成：化油器式由燃油箱、汽油泵、化油器、进气管、排气管、滤清器等组成。 直喷式由燃油箱、电动汽油泵、油压调节器、喷油器、进气管、排气管、滤清器等组成。 6. 点火系 作用：保证按规定时刻及时点燃气缸中被压缩的混合气。 组成：由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈、火花塞等组成。 7. 起动系 作用：使静止的发动机起动并转入自行运转。 组成：由起动机及附属装置等组成。 汽油机一般都由上述两个机构和五个系统组成。 对于汽车用柴油机， 由于其混合气是自行着火燃烧的， 所以柴油机没有点火系。因此柴油机由两个机构和四个系统组成。 四冲程柴油机与四冲程汽油机结构的区别： （1）无点火系； （2）燃料供给系有较大差别:柴油机燃料 供给系的作用：向气缸内供应纯空气并在规定时刻向气缸内喷入柴油，燃烧后排出废气。组成：由燃油箱、 喷油泵、喷油器、进气管、排气管、滤清器等组成。 四、发动机常用术语 1. 上止点：活塞顶距离曲轴旋转中心最远的位置； 2. 下止点：活塞顶距离曲轴旋转中心最近的位置； 3. 活塞行程：上、下两止点间的距离，用 s 表示； 4. 曲柄半径：曲轴旋转中心到曲柄销中心之间的距离，一般用 r 表示；通常活塞行程为曲柄半径的两倍， 即 s=2r 。 5. 燃烧室容积：当活塞位于上止点时，活塞顶上面的气缸空间，用 vc 表示； 6. 气缸工作容积（气缸排量） ：活塞从一个止点移到另一个止点所扫过的容积，用 vh 表示； 3 2 10 4 =s d vh ，式中：d气缸直径，单位 mm；s活塞行程，单位 mm。 7. 气缸总容积：活塞位于下止点时，活塞顶上面的全部气缸容积，用 va 表示，即： vhvcva+= 8. 发动机工作容积（发动机排量） ：多缸发动机所有气缸工作容积的总和，用 vl 表示。 9. 压缩比：气缸总容积与燃烧室容积的比值，用表示。 vc vh vc vcvh vc va += + =1 表示活塞从下止点移到上止点时，气缸内气体被压缩的程度。现代汽车发动机压缩比，汽油机一般 为 69（有的轿车可达 911） ，柴油机的压缩比较高，一般为 1622。 五、四冲程汽油机工作原理 为使发动机产生动力，必须先将燃料和空气供入气缸，经压缩后使之燃烧产生热能，以气体为工作介 质并通过推动活塞和连杆使曲轴旋转， 从而使热能转变为机械能， 最后再将燃烧后的废气排出气缸。至此， 发动机完成了一个工作循环。此循环周而复始地进行，发动机便产生连续的动力。 活塞在气缸内往复四个行程完成一个工作循环的发动机称四冲程发动机。四冲程发动机每个循环由进 气、压缩、作功、排气四个冲程组成。 （1）进气行程 进气行程中，进气门打开，排气门关闭，转动的曲轴带动活塞从上止点向下止点运动，缸内容积增大， 压力降低而形成真空，将可燃混合气吸入气缸。由于进气系统的阻力，进气终了时缸内气体的压力略低于 大气压，约为 0.0750.09mpa，温度达到 370400k。 （2）压缩行程 为使吸入缸内的混合气迅速燃烧，放出更多的热量，从而使发动机发出更大的功率，必须在混合气燃 烧前对其进行压缩，使其容量变小、温度升高。为此，在进气终了时便立即进入压缩行程。在此行程中， 进、排气门均关闭，曲轴推动活塞定时由下止点向上止点移动一个行程。 压缩终了时， 活塞到达上止点， 混合气被压入活塞上方很小的燃烧室中。 此时， 混合气压力高达 0.6 1.2mpa，温度可达 600700k。发动机的压缩比越大，则混合气燃烧迅速、发动机发出的功率大、经济性 就好。但压缩比过大，容易引起爆燃和表面点火等不正常燃烧现象，从而造成发动机过热、功率下降、油 耗增加以及机件损坏。 （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。 ） （3）作功行程 在压缩行程接近终了时，火花塞产生电火花点燃混合气，此时进、排气门仍关闭。由于混合气的迅速 燃烧，使缸内气体温度和压力迅速升高，最高压力可达 35mpa，最高温度可达 22002800k。在高温高 压气体的作用力推动下，活塞向下止点运动，通过连杆使曲轴旋转运动，产生力矩而作功。发动机至此完 成了一次将热能转变为机械能的过程。 在作功行程终了时， 压力降为 0.30.5mpa， 温度降为 13001600k。 （4）排气行程 混合气燃烧后成为废气，应从气缸内排出，以便下一个工作循环得以进行。因此，当作功行程接近终 了时，排气门打开，进气门仍然关闭，因废气压力高于大气压而自动排出，此外，当活塞越过下止点上移 时，还靠活塞的推挤作用强制排气。活塞到上止点附近时，排气行程结束。排气终了时，缸内压力约为 0.1050.115mpa，温度约为 9001200k。 至此，发动机完成一个工作循环，接着又开始了下一个新工作 循环。 六、四冲程柴油机工作原理 四行程柴油机和汽油机一样，每个工作循环也经历进气行程、压缩行程、作功行程和排气行程四个行 程。但由于柴油机使用的燃料是柴油，其粘度比汽油大，不易蒸发，而其自燃温度却比汽油低，故可燃混 合气的形成及点火方式都与汽油机不同。 下面主要分析一下柴油机和汽油机在工作过程中的不同点。 1. 进气冲程吸入气缸的是纯空气而不是可燃混合气，在进气通道中没有化油器，进气阻力小，进气 终了时气体压力略高于汽油机而气体温度略低于汽油机。进气终了时气体压力约为 0.07850.0932mpa， 气体温度约为 300370k； 2 .压缩冲程压缩的也是纯空气，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。柴油机的压缩比比汽油机的压缩比大很多（一般为 16 22） ，压缩终了时气体温度和压力都比汽油机高，大大超过了柴油机的自燃温度。压缩终了时，气体压力 可达 35mpa，温度可达 8001000k； 3. 作功冲程压缩行程末，喷油泵将高压柴油呈雾状喷入气缸内的高温空气中，迅速汽化并与空气形 成混合气，由于此时气缸内的温度远高与柴油的自燃温度（约 500k 左右） ，柴油便立即自行着火燃烧。此 行程中， 瞬间压力可达 5-10mpa， 瞬间温度可达 18002200k； 作功行程终了时， 气体压力约为 0.20.4mpa， 温度约为 12001500k； 4. 排气冲程与汽油机基本相同。排气终了时，气缸内压力约为 0.1050.125mpa，温度约为 800 1000k。 七、汽油机与柴油机的相同点与不同点 相同点： （1）每一个发动机工作循环，曲轴转两周（720） ，每一个行程曲轴转半周，进气行程是进气门开启，排 气行程是排气门开启，其余两个行程进、排气门均关闭。 （2）四个行程中，只有作功行程产生动力，其余三个行程是为作功行程做准备工作的辅助行程。 （3）在发动机运转的第一循环时，必须有外力起动。 不同点： （1）汽油机的混合气是在气缸外部的化油器中形成的，而柴油机的混合气是在气缸内部形成的。柴油机 在进气行程时，被吸入气缸内的是纯空气。 （2）汽油机在压缩终了时，靠火花塞强制点火，而柴油机则靠自燃。 八、二冲程汽油机工作原理 二行程汽油机的工作循环也是由进气、压缩、燃烧、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。 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：活塞向上运动，将三排孔都关闭，活塞上部开始压缩，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，活塞接近上止点时，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，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。 第一行程活塞在曲轴的带动下，由下止点向上止点运动，当活塞上行到将换气口、排气口关闭 时，已进入气缸的混合气被压缩，直到活塞运动到上止点，压缩行程便结束。与此同时，随着活塞上行， 曲轴箱容积增大，形成一定的真空度。当活塞上行到进气口露出时，新鲜混合气被吸入曲轴箱内。 第二冲程当活塞上行到接近上止点时，火花塞产生电火花，点燃缸内的可燃混合气，混合气着 火燃烧产生高温、高压，在气压的作用下，活塞由上止点向下止点运动，带动曲轴旋转向外输出功率。当 活塞下移到将进气口堵死时，随着活塞继续下移，曲轴箱内的新鲜混合气被预压。当活塞下行到排气口露 出时，燃烧后的废气在自身压力下经排气口排出，紧接着换气口开启，曲轴箱内被预压的混合气经换气口 进入气缸。这一过程称为“换气过程” ，它一直延续到下一个行程活塞上行到将换气口、排气孔关闭为止。 九、二冲程柴油机工作原理 二行程柴油机和二行程汽油机工作类似，所不同的是，柴油机进入气缸的不是可燃混合气，而是纯