内燃机原理与构造.ppt

内燃机原理 第1章内燃机的总体构造与基本工作原理 1 1 1内燃机发展简史 1885年德国人戈特利布 戴姆勒 GottliebDaimler 仿照四冲程煤气机的工作原理制成了第一台汽油机 并于1886年使第一台用汽油机驱动的汽车问世 与此同时 德国工程师卡尔 奔驰 KarlBenz 也于1886年1月20日向德国帝国专利局申请了他发明的汽车专利 同年11月2日专利局批准了他的发明 并颁发了专利证书 因此 奔驰和戴姆勒两人是世界上公认的汽车发明人 1890年英国的克拉克和罗伯逊 德国的卡尔 奔驰成功地发明了二冲程内燃机 为了研制使用廉价燃料的发动机 并进一步提高发动机的热效率 1892年德国工程师鲁道夫 狄塞尔 RudolfDiesel 首先提出了柴油机的工作原理 他在发明专利中写道 在气缸中的纯空气将被活塞强烈的压缩 致使它所产生的温度远超过所使用燃料的自然温度 而燃料的喷入气缸是在活塞越过上止点之后进行的 一般来说 现代的柴油机基本上是按照这一原理工作的 关于增压技术 柴油机增压的设想早在1892年鲁道夫 狄塞尔发表柴油机理论时就提出来了 当时他指出 在单缸机上安装增压泵和进气室 这样改变了进气室中的空气压力 就能改变输出功率 1911 1914年瑞士工程师艾尔弗德 比希 AlfredBuchi 首先提出柴油机废气涡轮增压的理论 并于1915年进行了试验 1925年他又以 脉冲增压 获得瑞士专利 1926年废气涡轮增压技术开始用于四冲程柴油机 1942年以后在低速 船用二冲程柴油机上陆续采用 增压技术可以有效地提高柴油机的平均有效压力 从而大幅度地提高柴油机的有效功率 关于排放标准 1961年美国开始规定轿车的排气标准 1970年美国加利福尼亚州决定对载重卡车用柴油机排放的一氧化碳 碳氢化合物和氮氧化合物从1973年和1975年起分两个阶段进行限制 接着在欧洲 日本和我国都相应制定了汽车排放法规 并且这些法规将越来越严格 此外 由于从1973年10月开始 石油输出国大幅度地提高石油价格 从而引起各国对发动机燃油经济性的重视 1 1 2内燃机的分类 1 按工作循环所需行程数 按照完成一个工作循环所需的行程数来分 有四冲程内燃机和二冲程内燃机 汽车和工程机械用内燃机多为四冲程内燃机 2 按着火方式分 有压缩着火 压燃式 和强制点火 点燃式 两类 3 按使用燃料种类分 有汽油机 柴油机 煤气机 气体燃料及多种燃料发动机等 4 按进气状态分 有非增压式内燃机和增压式内燃机之分 5 按冷却方式分 有水冷式和风冷式两种 汽车和工程机械用内燃机多数是水冷式的 6 按气缸数及布置分 有单缸内燃机 多缸内燃机 立式内燃机 卧式内燃机 直列式内燃机 V形内燃机 图1 1a 对置气缸式内燃机 图1 1b 斜置式内燃机 7 按用途分类 有汽车用 工程机械用 拖拉机用 船用 坦克用 摩托车用 发电用 农用等内燃机 8 其他 除以上方式分类外 还可按转速来分 有高速 中速和低速等几种 图1 1V形与对置气缸排列 a V形内燃机b 对置气缸式内燃机 第2节内燃机的总体构造 1 2四冲程汽油机总体组成 1 凸轮轴2 摇臂3 排气门4 火花塞5 电控喷油器6 燃油滤清器7 电动燃油泵8 燃油箱9 点火线圈组件10 燃油压力调节阀11 进气门12 冷却液温度传感器13 爆震传感器14 进气管15 进气温度传感器16 节气门17 节气门传感器18 空气滤清器19 空气质量计20 控制单元 ECU 21 冷却液套22 曲轴位置传感器23 点火开关24 蓄电池25 起动电机26 飞轮27 油底壳28 机油29 曲轴30 连杆31 曲轴带轮 主动三角皮带轮 32 正时皮带33 气缸34 排气三元催化转化器35 氧传感器36 活塞37 凸轮轴正时皮带轮 凸轮轴带轮 四冲程汽油机主要由下列机构和系统组成 1 曲柄连杆机构2 配气机构3 供给系统4 点火系统5 润滑系统6 冷却系统7 起动系统 起动装置 四冲程柴油机的构造除点火系统和供给系统外 与汽油机的大体相同 第3节内燃机的基本工作原理 1 火花塞2 气缸盖3 凸轮轴4 机体5 进气道6 气缸7 活塞8 曲轴9 曲轴正时皮带轮10 传动链轮11 连杆12 气门13 凸轮轴正时齿轮 图1 4四冲程汽油机基本结构简图 1 气缸2 活塞3 连杆4 曲轴5 气缸盖6 进气门7 进气道8 火花塞9 排气门10 排气道 表1 1四冲程汽油机工作过程 四冲程原理 1 进气行程当活塞从上止点 活塞顶面离曲轴中心最远处 向下止点 活塞顶面离曲轴中心最近处 运动时 曲轴转角为0 180 进气门开启 排气门关闭 电控喷油器向进气道喷油 空气与汽油混合 而后被吸入气缸 该过程称为进气行程 2 压缩行程当活塞继续从下止点向上止点运动时 相当于曲轴转角180 360 进排气门均关闭 进入气缸的混合气被压缩 该过程称为压缩行程 四冲程原理 3 做功行程 燃烧 膨胀行程 在压缩行程末 火花塞开始点火 进 排气门都关闭 进入气缸的可燃混合气被点燃 燃烧 放出大量的热能 导致气缸内气体压力和温度迅速增加 最高压力达5Mpa 最高温度达2800K 气体体积急剧膨胀 推动活塞从上止点向下止点运动 相当于曲轴转角360 540 通过连杆使曲轴旋转并输出机械能 该过程称为做功行程 4 排气行程活塞继续从下止点往上止点运动 相当于曲轴转角540 720 这时 进气门关闭 排气门开启 燃烧后产生的废气被排出气缸 该过程称为排气行程 4 多缸发动机结构特点 4缸发动机曲轴单缸发动机功率小 转速不均匀 工作振动大 现代汽车发动机都是多缸发动机 用得最多的是4缸 6缸 8缸发动机 多缸发动机是由多个结构相同的气缸组成 它们共用一个机体 一根曲轴 曲轴的曲柄布置应该使各缸做功行程均匀分布在720 曲轴转角内 如 4缸发动机曲轴 图1 5 相邻工作缸的曲柄夹角为180 曲轴每转180 便有一个气缸做功 又如 6缸发动机 曲轴每转120 便有一个气缸在做功 气缸数越多 发动机工作越平稳 但结构也越复杂 5 示功图 ra 进气行程ac 压缩行程czb 做功行程z 最高燃烧压力b 做功终点r 排气终点 0 大气压力 2 四冲程柴油机结构特点与工作原理 柴油机所用的燃料是柴油 与四冲程汽油机相比基本结构特点是没有火花塞 喷油器直接安装在气缸顶部 向气缸内喷油 图1 7 其工作原理与四冲程汽油机也有所不同 在进气行程 进入气缸的是纯空气 而不是可燃混合气 在压缩行程末 喷油器向气缸喷入高压柴油 由于气缸的高温高压作用 柴油迅速着火燃烧 使气体急剧膨胀 推动活塞做功 其着火方式属于压燃式 而不是汽油机的点燃式 轿车柴油机 55KW 4200rpm 全铝结构 气缸盖 气缸体 曲轴箱 贯穿螺栓强化整机强度刚度四气门 双顶置凸轮 DOHC 直喷 增压中冷可变截面增压器 VNT 共轨燃油喷射系统 CR 带中冷EGR和进气控制的空气管理可变进气涡流 选装 氧化催化器 柴油机与汽油机比较 各有优缺点 表1 3 1 3 2二冲程发动机结构特点与工作原理 图1 8二冲程汽油机基本结构1 气缸2 扫气孔3 活塞4 连杆5 曲轴箱6 曲轴7 进气孔8 排气孔9 火花塞 二冲程汽油机与四冲程汽油机比较见表1 4 2 二冲程柴油机的结构特点与工作原理 图1 9二冲程柴油机结构1 活塞2 进气孔3 排气门4 泵 喷嘴5 传动轮 由柴油机驱动 6 单向离合器7 废气排出口8 排气涡轮叶轮9 离心式风机10 排水口11 增压空气冷却器12 进水口13 集流箱 第4节内燃机产品名称和型号编制规则 内燃机型号由四部分组成 首部 包括产品系列代号 换代符号和地方 企业代号 由制造厂根据需要自选相应字母表示 但需经行业标准化归口单位核准 备案 中部 由缸数符号 气缸布置形式符号 冲程符号和缸径符号组成 后部 由结构特征符号和用途特征符号组成 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 后部与尾部可用 分隔 型号表示方法 首部中部后部尾部 系列代号缸数符号换代符号气缸布置形式符结构特征符号地方 企业代号冲程符号 E表示二冲程 四冲程不标符号 用途特征符号区分符号缸径符号 以气缸直径的毫米数 表示 气缸直径的毫米取整数 气缸布置形式符号结构特征符号用途特征符号 型号示例 柴油机YZ6102Q 六缸直列 四冲程 缸径102mm 水冷 汽车用 YZ为扬州柴油机厂代号 12V135ZG 12缸 V型 四冲程 缸径135mm 水冷 增压 工程机械用 12VE230ZCZ 12缸 V型 二冲程 缸径230mm 水冷 增压 船用主机 左机基本型 汽油机 1 1E65F 单缸 二冲程 缸径65mm 风冷 通用型 2 12V135ZG 12缸 V形 四冲程 缸径135mm 水冷 增压 工程机械用 3 HH465QE 4缸 四冲程 缸径65mm 水冷 车用 汽车发动机产品型号编制规则 范围本标准规定了发动机型号的编制规则 本标准适用于重庆渝安淮海动力有限公司生产的发动机 发动机型号结构表示方法首部中部尾部产品类别号产品特征号排量代号结构代号变型代号2 2首部2 2 1产品类别号 按产品基本形式分类 从大写英文字母A到X 除O I外 依次分类排列 产品类别号由设计部门确定 如现量产机型465 466 464 462为A类 474为B类 产品特征号 根据产品结构个性特点进行分类 用大写英文字母表示 以便于区分和记忆为主 产品特征号由设计部门确定 如现量产机型465 466 464代号为F 474机型代号为G 2 3中部2 3 1排量代号 根据产品的排量 用阿拉伯数字表示 以排量的前两位自然数字为基数 遵循四舍五入的原则确定第3位数进行圆整 排量在1升以上的用两位数字表示 排量在1升以下的用壹位数字表示 如现量产机型1 012升的均用10表示 1 05升用11 0 798升的用8表示 2 3 2结构代号 按产品燃料形式分类表示 具体代号见下表 燃料名称汽油柴油液化石油气压缩天燃气代号G 单一汽油燃料应省略 DLN注 1 燃料代号采用英文字母 2 单一燃料是指只有一套燃料供给系统 只能燃用一种燃料的发动机 3 同时具有多用燃料的发动机 燃料间用加 区分表示 2 4尾部主要用于区分产品改型或产品提升换代的区别代号 用两位阿拉伯数字表示 如01 02 基本型没有此代号 3产品示例例1 AF10排量为0 97升的单一汽油燃料基本型汽车发动机 例2 AF10 01排量为1 012升的单一汽油燃料改进型汽车发动机 例3 BG13排量为1 31升的单一汽油燃料基本型汽车发动机 例4 CK14排量为1 375升的单一汽油燃料基本型汽车发动机 例5 AF11G N排量为1 05升的汽油和天燃气双燃料基本型汽车发动机 例6 AF7排量为0 70升的单一汽油燃料基本型汽车发动机 第3章曲柄连杆机构 第1节曲柄连杆机构的运动与受力3 1 1 曲柄连杆机构的运动设中心曲柄半径为R连杆长度为L 根据力学推导 活塞的位移x 速度v 加速度a随曲轴转角的变化关系是x R 1 sin a 2 cosa v R sin2a 2 sina a R cos2a cosa 式中 连杆比 R L 一般在1 3 1 4 曲轴角速度 匀速运动时 它等于 n 曲轴转速 r min 3 1 2 曲柄连杆机构的受力分析 第2节机体组件 气缸盖结构 燃烧室形式 3 2 3 气缸垫 气缸垫 图3 11 安装在气缸盖和气缸体之间 其功能是保证气缸盖与气缸体接触面的密封 防止漏气 漏水和漏油 目前应用较多的是铜皮 石棉结构的气缸垫 其翻边处有三层铜皮 压紧时不易变形 有的气缸垫还采用在石棉中心用编织的钢丝网或有孔钢板作骨架 两面用石棉及橡胶粘结剂压成 有的采用实心有弹性的金属片作为气缸垫 以适应发动机强化要求 第3节曲柄连杆机构 3 3 1 活塞连杆组件 1 活塞活塞 图3 13 的功能是承受气缸中的气体压力 并通过活塞销将此力传给连杆 驱动曲轴旋转 活塞顶部还与气缸盖 气缸壁一起组成燃烧室 活塞直接与高温气体接触 散热条件差 工作时顶部温度达到600 700K 且温度分布很不均匀 间隙过小 容易造成活塞拉缸 间隙过大 又会导致压缩不良 功率下降 油耗上升 活塞顶部承受气体压力很大 在做功行程 汽油机的活塞瞬时承受的最大压力值达3 5MPa 柴油机高达6 9MPa 并承受侧压力的作用 加速活塞表面的磨损 也容易引起活塞变形 活塞由顶部 头部和裙部三部分组成 1 活塞顶部它是燃烧室的组成部分 其形状 位置和大小都是为满足可燃混合气的形成和燃烧的要求 其顶部有平顶 凸顶和凹顶三种 图3 14 2 活塞头部 防漏部 活塞头部指第一道活塞环槽到活塞销孔以上的部分 它有数道环槽 用以安装活塞环 起密封 传热等作用 汽油机一般有三道环槽 其中有两道气环槽和一道油环槽 在油环槽侧面上钻有许多径向小孔 使油环从气缸壁上刮下的机油经过这些小孔流回油底壳 柴油机压缩比高 一般有四道环槽 上部三道安装气环 下部安装油环 第一道环槽工作条件最恶劣 一般应离顶部较远些 近年来 为减少HC的排放 也出现第一道环槽移近顶部的活塞 为了提高第一道环槽的耐热和耐磨性 有的在第一道环槽部位铸入耐热合金钢护圈 3 活塞裙部活塞裙部指从油环槽下端面起至活塞最下端的部分 活塞裙部对活塞在气缸内的往复运动起导向作用 并承受气体侧压力 为了使活塞在正常工作温度下与气缸壁保持比较均匀的间隙 以免在气缸内卡死或加大局部磨损 必须在冷态下预先把活塞裙部加工成特定的形状 6 活塞销孔偏置结构 图3 16 有些高速汽油机的活塞销孔中心线偏离活塞中心线平面 向做功行程中受侧压力的一方偏移了1 2mm 这种结构可使活塞在压缩行程到做功行程中较为柔和地从压向气缸的一面过渡到压向气缸的另一面 以减少敲缸的声音 在安装时要注意 活塞销偏置的方向不能装反 否则换向敲击力会增大 使裙部受损 2 活塞环 2 油环油环有普通油环和组合油环两种 图3 19 1 普通油环 图3 19a 普通油环又叫整体式油环 2 组合式油环 图3 19b 它由上下数片刮油钢片与中间的扩胀器组成 活塞销 其作用是连接活塞和连杆小头 将活塞承受的气体作用力传给连杆 活塞销的内孔有三种形状 圆柱形 组合形 两段截锥面与一段圆柱组合 和两段截锥形 活塞销与活塞销座孔及连杆小头衬套孔的连接配合有全浮式和半浮式两种 全浮式 是指当发动机工作时 活塞销 连杆小头和活塞销座都有相对运动 使磨损均匀 为了防止活塞销轴向窜动刮伤气缸壁 在活塞销两端装有卡环 进行轴向定位 由于铝活塞热胀系数比钢大 为了保证活塞销与活塞销座孔在高温工作时有正常间隙 0 01 0 02mm 在冷态时为过渡配合 装配时 应先把铝活塞加热到一定程度 再把活塞销装入 半浮式 的特点是活塞销中部与连杆小头采用紧固联接 活塞销只能在两端销座内自由摆动 而和连杆小头没有相对自由运动 活塞销不会轴向窜动 不需要卡环 小轿车上应用较多 4 连杆 1 平分式分面与连杆杆身轴线垂直 汽油机多采用这种连杆 因为一般汽油机连杆大头的横向尺寸都小于气缸直径 可以方便地通过气缸进行拆装 2 斜分式分面与连杆杆身轴线成30 60 夹角 柴油机多采用这种连杆 因为 柴油机压缩比大 受力较大 曲轴的连杆轴颈较粗 相应的连杆大头尺寸往往超过了气缸直径 为了使连杆大头能通过气缸 便于拆装 一般都采用斜切口 斜切口的连杆盖安装时应注意方向 V形发动机左右两侧对应两个气缸的连杆是装在曲轴的一个连杆轴颈上的 称为叉形连杆 它有如下三种形式 1 并列式相对应的左右两缸连杆并列安装在同一连杆轴颈上 2 主副式一列缸的连杆为主连杆 直接安装在连杆轴颈上 另一列连杆为副连杆 铰接在主连杆大头 或连杆盖 上的两个凸耳之间 3 叉式左右对应的两列气缸连杆中 一个连杆大头做成叉形 跨于另一个连杆厚度较小的大头两端 3 3 2 曲轴飞轮组 曲轴一般用中碳钢或中碳合金钢模锻而成 曲轴一般由主轴颈 曲柄销 连杆轴颈 曲柄臂 平衡重块等组成 为了润滑曲轴主轴颈和连杆轴颈 在轴颈上还钻有油孔 并有斜油道相通 再与机体的主油道联通 曲轴的形状取决于气缸数 气缸排列和发动机的点火顺序 下面介绍多缸发动机的点火顺序 多缸发动机的点火顺序应均匀分布在720 曲轴转角内 并且使连续做功的两缸相距尽可能远 以减轻主轴承的载荷 避免可能发生的进气重叠现象 4缸四冲程发动机的点火间隔角为720 4 180 4个曲柄布置在同一平面内 1 4缸与2 3缸互相错开180 其发火顺序的排列有两种可能 即1 3 4 2或1 2 4 3 其工作循环分别见表3 1和3 2 6缸四冲程发动机的点火间隔角为720 6 120 6个曲柄分别布置在三个平面内 其发火顺序的排列有两种可能 即1 5 3 6 2 4或1 4 2 6 3 5 国产汽车都采用前一种 其工作循环见表3 3 8缸四冲程V型发动机的点火间隔角为720 8 90 发动机左右两列对应的一对连杆共用一个曲柄 所以V型八缸发动机只有四个曲柄 曲柄布置可以与4缸发动机相同 4个曲柄布置在同一平面内 也可以布置在两个互相错开90 的平面内 使发动机得到更好地平衡 点火顺序为1 8 4 3 6 5 7 2 其工作循环见表3 4 表3 14缸机工作循环 点火顺序1 3 4 2 表3 24缸机工作循环 点火顺序1 2 4 3 表3 1 表3 2 表3 36缸机工作循环 点火顺序1 5 3 6 2 4 表3 48缸机工作循环 点火顺序1 8 4 3 6 5 7 2 2 曲轴扭转减振器 曲轴是一种扭转弹性系统 其本身具有一定的自振频率 在发动机工作过程中 经连杆传给连杆轴颈的作用力的大小和方向都是周期性变化 安装在曲轴后端的飞轮转动惯量最大 可以认为是匀速旋转 由此造成曲轴各曲柄的转动比飞轮时快时慢 这种现象称之为曲轴的扭转振动 当振动强烈时甚至会扭断曲轴 扭转减振器的功能就是吸收曲轴扭转振动的能量 消减扭转振动 避免发生强烈的共振及其引起的严重恶果 目前用的较多的是橡胶式曲轴扭转减振器 带轮毂固定在曲轴前端 分别通过橡胶垫和橡胶体与带轮 前惯性盘 和后惯性盘连接 当曲轴转动发生扭转时 因后惯性盘及带轮惯性盘转动惯量最大 角速度均匀 从而使橡胶体和橡胶垫产生很大的交变剪切变形 消除了曲轴扭转能量 减轻了共振 3 飞轮 它是一个很重的铸铁圆盘 用螺栓固定在曲轴后端的连接盘上 具有很大的转动惯量 其主要功用是用来贮存做功行程的能量 用于克服进气 压缩和排气行程的阻力和其他阻力 使曲轴能均匀地旋转 飞轮外缘压有齿圈与起动电机的驱动齿轮啮合 供起动发动机用 汽车离合器也装在飞轮后端面 利用飞轮后端面作为驱动件的摩擦面 用来对外传递动力 在飞轮轮缘上作有记号 刻线或销孔 供找压缩上止点用 当飞轮上的记号与外壳上的记号对正时 正好是压缩上止点 有的还有进排气相位记号 供油 柴油机 或点火 汽油机 记号供安装和修理用 飞轮与曲轴在制造时一起进行过动平衡实验 在拆装时应严格按相对应位置安装 飞轮紧固螺钉承受作用力大 应按规定力矩和正确方法拧紧 第5章汽油机燃料供给与燃烧 第1节汽油机对燃料供给系的基本要求5 1 1 稳定工况对混合气浓度的要求1 怠速工况要求供给 a 0 6 0 8的浓混合气 2 小负荷工况混合气浓度可以略微减小 一般 a 0 75 0 9 3 中等负荷工况应供给较稀的经济混合气 一般 a 1 0 1 15 4 大负荷和全负荷工况应供给较浓的功率混合气 一般 a 0 85 0 95 5 1 2 过渡工况对混合气浓度的要求1 冷起动工况供给极浓的混合气 a 0 2 0 6 2 暖机工况从起动时的极浓减小到稳定怠速运转所要求的浓度为止 3 加速工况在急加速时 必须采用专门的装置额外供油 加浓混合气 以满足发动机急加速的要求 综上所述 发动机所要求的空燃比是随发动机工况而变化的 第2节汽油机燃料供给系的基本组成 化油器式燃料供给系统主要由汽油箱 汽油滤清器 汽油泵 化油器和供油管道等组成 2 汽油泵的结构与工作原理汽油泵有机械膜片式汽油泵和电动式汽油泵两种 1 机械膜片式汽油泵它安装在发动机曲轴箱一侧 由发动机凸轮轴的偏心轮驱动 内部有膜片 膜片驱动机构和进出油阀等 2 电动式汽油泵泵筒固定在汽油泵中心 底部装有进油阀 在泵筒中有带出油阀的柱塞 带继电器的线圈可产生磁场 使柱塞往复运动实现泵油 第3节化油器 5 3 1 化油器的作用化油器是汽油机供给系统的核心 其作用是根据汽油机不同的工况要求 供给发动机不同数量和不同浓度的可燃混合气 其性能的好坏直接影响到发动机的动力性能 经济性能和排放性能 5 3 2 化油器的基本结构与工作原理化油器由简单化油器 主供油系统 怠速系统 加浓系统 加速系统 起动系统等部分组成 1 简单化油器的基本结构与工作原理 1 基本结构它由浮子室 主喷管 主量孔 喉管 节气门等组成 2 简单化油器的工作原理 3 简单化油器的供油特性2 主供油系统3 怠速系统 1 作用 它是保证发动机在怠速和很小负荷工况时供给少而浓的混合气 2 结构 它由怠速喷口 怠速调整螺钉 过渡喷口 怠速空气量孔 怠速油道 怠速油量孔及节气门最小开度限位螺钉等组成 3 工作原理 怠速系统的工作过程可分为如下四个阶段 2 简单化油器的工作原理 发动机处于进气行程时 活塞由上止点向下止点运动 气缸容积增大 产生一定的真空度 空气经空气滤清器吸入气缸 当空气流经化油器喉管处时 流速升高 压力下降 产生一定真空度 在浮子室内与喷管口处压力差作用下 浮子室中的汽油经量孔从喷管喷出 并随即被高速空气流冲散 成为大小一等的雾状颗粒 雾化 雾化的汽油在混合气与空气混合 形成可燃混合气进入气缸 从汽油与空气接触直到燃烧前 汽油不停地进行着吸热 蒸发 扩散并与空气混合 3 简单化油器的供油特性 如图5 1曲线2所示 在发动机转速不变时 简单化油器所供给的混合气浓度是随节气门开度变化的 在节气门开度很小时 喉管处的真空度很低 不足以将汽油吸出 随着节气门开度增大 当喉管处的真空度增加到一定值后 才开始有汽油从喷管流出 喉管处的真空度增加 供油量增多 节气门开度增大 吸入的空气量也增加 但吸入空气量的增长率低于汽油供给量的增长率 所以简单化油器供给的混合气随节气门开度的增大而变浓 简单化油器的供油特性不能适应发动机实际工作时对混合气浓度的要求 需进行修正 使之符合理想化油器特性 图5 1曲线1 为此 增加了主供油系统 怠速系统 加浓系统 加速系统和起动系统等 以满足发动机工作的需要 化油器特性曲线比较 化油器主供油系统 化油器怠速系统的工作过程可分为如下四个阶段 1 在低怠速时 节气门开度最小 节气门位于怠速喷口和过渡喷口之间 此时化油器喉管处的真空度很小 而节气门下面真空度却很大 浮子室中的汽油经主量孔和怠速油量孔被吸入怠速油道 并与从怠速空气量孔进入的空气混和成泡沫状的油液 从怠速喷口喷出 位于节气门上方的过渡喷口实际上成了第二个怠速空气量孔 这不仅能限制怠速喷口的出油量 而且由此渗入的空气也可使汽油进一步泡沫化 2 当节气门稍开大 供给的空气量增多时 过渡喷口已位于节气门的边缘 怠速喷口和过渡喷口同时喷油 使怠速出油量增加 混合气不至于瞬间变稀 以保证发动机工况过渡平稳 3 当节气门开度进一步开大时 化油器喉管处真空增大 主供油系统开始工作 形成 三口喷油 的局面 此时 主喷管出油量较少 而且气流速度较低 汽油雾化较差 仅由其单独工作满足不了负荷加大的要求 两个供油系统时间内的同时工作 可防止因空气量增加而引起工况过渡时混合气变稀 4 当节气门一开度加大到发动机进入中小负荷工况时 怠速喷口和过渡喷口处的真空度已降低到不能将汽油吸出的程度 怠速系统停止工作 由主供油系统单独工作 怠速系统中装有怠速调整螺钉和节气门最小开度限位螺钉 两个螺钉配合调整 可以改变发动机怠速工作时供给的混合气的数量和浓度 从而调整发动机的怠速转速 4 加浓系统 1 作用 其功能是当发动机负荷增大到80 85 以上时 额外地供给部分汽油 以保证发动机最大功率时所需较浓的混合气要求 2 结构与工作原理加浓系统有机械式和真空式两种 1 机械加浓装置 2 真空加浓装置该装置通常采用活塞式结构 推杆与位于空气缸中的活塞相连 在推杆上装有预先压缩的弹簧 在空气缸内 活塞下方有空气通道与化油器喉管上方相通 活塞上方有真空通道通到节气门下方 由上述结构原理可知 真空加浓装置起作用的时刻完全取决于节气门下面的真空度 而节气门下面的真空度不仅与发动机的负荷有关 也与转速有关 5 加速系统 1 作用 其功能是当汽车需要加速行驶或超车时 在节气门突然开大的瞬间将一定量的燃油一次性喷入喉管 使混合气临时加浓 以满足加速的需要 2 结构 加速系统有活塞式和膜片式两种 3 工作原理 当节气门开度减小时 摇臂逆时针回转 并通过拉杆和连接板带动活塞杆和活塞向上移动 将进油阀打开 使加速泵腔内充满汽油 当缓慢地加大节气门开度时 活塞也缓慢下降 加速泵腔内形成的油压不高 不能使进油阀关闭严密 于是汽油通过进油阀流回浮子室 加速装置不起作用 当节气门迅速开大时 由于活塞下移很快 加速泵腔内的油压迅速增加 使进油阀完全关闭 同时顶开出油阀 将泵腔内的汽油从加速量孔喷入化油器喉管处 以加浓混合气 这种加浓作用只是一时的 当节气门停止运动后 即使保持开度很大 加速泵也不再供油 5 加速系统 6 起动系统 其功用是在发动机起动过程中 供给极浓的混合气 图5 4是化油器上常用的阻风门式起动系统 阻风门安装在化油器喉管的上方 阻风门轴是偏置的 可借助气流的作用比较容易地使阻风门在非起动工况下保持常开状态 发动机冷起动前 驾驶员通过拉钮将阻风门关闭 起动机带动曲轴旋转时 在阻风门后面产生很高的真空度 使主供油系统和怠速系统同时供油 因通过阻风门边缘的空隙流入的空气量很少 故混合气极浓 发动机一旦着火起动后 转速瞬时变高 化油器喉管处的真空度也增大 当真空度达到一定值时 自动阀依靠弹簧力被吸开 增大空气供给量 以防止发动机因混合气过浓而熄火 有的化油器不装自动阀 而只在阻风门上开出一个或几个进气孔 也可防止起动后期混合气过浓 发动机起动后应及时将阻风门打开 6 起动系统 7 化油器的操纵机构 其功用是控制节气门及阻风门的开度 常用的操纵机构如图5 5所示 其特点是双套驱动 单向传动 1 脚操纵加速踩下加速踏板时 摆杆绕固定点逆时针摆动 并带动拉杆左移从而使节气门开度增大 反之 松开加速踏板时 节气门开度减小 怠速工况时踏板在复位弹簧的作用下回到最高位置 此时节气门的最小开度由调整螺钉来决定 2 手操纵拉钮有阻风门拉钮和手动节气门拉钮 1 阻风门拉钮 用以控制阻风门开或关 拉出时阻风门关闭 推回时阻风门打开 软钢丝与护套间的摩擦力可使阻风门保持在某一开度位置 2 手动节气门拉钮 用以控制节气门开或关 拉出时节气门开度增大 推回时节气门开度减小 其定位也是利用软钢丝与护套间的摩擦力来实现 化油器的操纵机构 第4节汽油机的燃烧过程 5 4 2 汽油机的非正常燃烧 5 4 2 汽油机的非正常燃烧1 爆燃1 气缸内有金属撞击声 敲缸 2 发动机过热 水温表显示温度过高 3 在轻微爆燃时 发动机功率略有增加 强烈爆燃时 发动机功率下降 油耗上升 4 缸内压力线出现锯齿形爆燃波 2 表面点火由燃烧室内炽热部分 排气门盘端面 火花塞电极 金属突出点或积炭等 点燃混合气的现象称为表面点火或炽热点火 第5节影响燃烧过程的因素 影响汽油机燃烧过程的因素有 燃料的性质 发动机的转速 点火提前角 发动机负荷 混合气的成分 冷却水的温度 燃烧室的形状 压缩比 气缸直径以及气缸盖和活塞的材料等 点火提前角的大小对汽油机的性能影响很大 当节气门全开 额定转速下混合气成分不变时 改变点火提前角 燃烧示功图的变化如图5 7 点火提前角过大 点火过早 最高燃烧压力出现在压缩行程的上止点以前 最高压力及升高率过大 活塞上行消耗的压缩功增加 发动机容易过热 有效功率下降 工作粗暴程度增加 点火提前角过小 点火过迟 燃烧开始时活塞已向下止点移动相当距离 使混合气的燃烧在较大容积下进行 炽热的燃气与缸壁接触面积增大 散热损失增多 最高压力降低 且膨胀不充分 使排气温度过高 发动机过热 功率下降 耗油量增多 有时还会造成化油器 回火 或排气管 放炮 现象 曲线3对应的点火提前角 ig3比较适当 影响燃烧过程的因素 第6节发动机的排气污染 5 6 2 排气污染的控制1 发动机的机内净化 1 改善发动机的燃烧状况 2 改善可燃混合气的品质2 发动机的机外净化 1 二次空气喷射这种方法是将新鲜空气喷射到排气门附近 使高温废气和空气接触混合 以便使未燃的HC CO进一步燃烧 2 催化转换器它是利用催化剂的作用 使排气中的有害成分CO HC NOx尽量进行化学反应 转化为对人体无害的CO2 H2O N2的一种排气净化装置 3 曲轴箱强制通风装置发动机工作时 有部分可燃混合气和燃烧产物会经气缸 活塞环窜入曲轴箱内 它们含有HC等有害气体 不能排向大气 应进行净化 即采用曲轴箱强制通风装置 发动机工作时 新鲜空气自空气滤清器经过管和闭式通风口进入曲轴箱和曲轴箱内窜气混合 再从气缸盖罩通入管中经PCV阀 被吸入进气管 因此 有适量的窜气在气缸内再次燃烧 4 汽油蒸发控制系统它是将燃油箱和浮子室内蒸发的汽油蒸气收集和储存在炭罐内 在发动机工作时再将其送入气缸燃烧 第7章柴油机的燃料供给与燃烧 7 1 1 柴油机混合气的形成现代柴油机一般采用如下途径解决上述问题 1 组织空气在气缸中的流动 促进可燃混合气形成 2 设计出各种燃烧室 使混合气形成和燃烧快速进行 3 采用高喷油压力 15 200MPa 向气缸喷油 使燃油雾化均匀 与空气快速混合燃烧 4 采用电子控制技术 准确控制燃料定时 定量向气缸喷射 7 1 2 柴油机混合气形成方式7 1 3 柴油机燃烧室1 直喷式燃烧室2 分隔式燃烧室 第2节柴油机燃料供给系统组成 7 2 1 柴油机燃料供给系统组成柴油机燃料供给系由低压油路和高压油路两部分组成 低压油路包括油箱 油水分离器 柴油滤清器和输油泵等部件 高压油路包括喷油泵 高压油管 调速器和喷油器等组成 第3节柱塞式喷油泵泵油机构 图7 1 是喷油泵的核心 每缸有一组泵油机构 它主要由柱塞偶件 柱塞7和柱塞套5 出油阀偶件 出油阀3和出油阀座4 出油阀弹簧2和柱塞弹簧11等组成 喷油泵机构 柱塞偶件 柱塞偶件由柱塞5和柱塞套1组成 柱塞可在柱塞套内作往复运动 两者配合间隙极小 约在0 0018 0 003mm 需经精密磨削加工或选配研磨而成 故称它们为偶件 使用中不允许互换 如有损坏 应成对更换 同时 要求所使用的柴油要高度清洁 多次过滤 柱塞套被压紧在泵体上 在其上部开有进 回油孔2 有的柱塞套进 回油孔是分开的 进油孔只作定位孔 有的另在柱塞外圆上加工有定位槽 柱塞套装入喷油泵体后 定位螺钉即插入柱塞套定位槽内 以保证正确的安装位置 并防止工作中柱塞套发生转动 柱塞在柱塞套中作往复运动 其上部圆柱面开有斜切槽4 并通过柱塞中心油道3与柱塞顶相通 柱塞切槽有直切槽和螺旋槽两种 柱塞偶件 第4节分配式喷油泵 柱塞式喷油泵是具有与柴油机缸数相同的柱塞偶件和出油口个数的喷油泵 而分配式喷油泵是具有一个分配转子 分配柱塞 和多个出油口的喷油泵 它具有结构简单 零部件少 体积小 质量轻 高速性能好 故障少和容易维修等优点 其主要问题是每循环供油量不大 精密偶件加工精度要求高 所以 分配式喷油泵被广泛应用于轻型柴油汽车上 分配式喷油泵按其结构特点分为转子式 径向压缩式 和单柱塞式 轴向压缩式 两大类 下面以应用较广的单柱塞分配式喷油泵 简称VE型分配泵 为例介绍其工作原理 VE型喷油泵主要由泵体 泵盖 滑片式输油泵 泵油机构 断油电磁阀和喷油提前器等组成 第5节调速器 7 5 1 调速器的作用它是一种随柴油机负荷与转速的变化自动调节喷油泵供油量 以限制或稳定转速的装置 汽车柴油机还常在怠速下运转 由于其转速波动大 造成怠速不稳 容易熄火 所以 柴油机都安装有调速器 用得较多的是全程式和两极式机械调速器 7 5 2 全程式调速器2 VE型分配泵配用的全程式调速器工作原理 1 起动工况起动时 将油量调节到加浓位置 供油量最大 有利于柴油机的起动 起动后 油量调节套筒左移 供油量减少 以防柴油机高速空转 2 怠速工况柴油机怠速运转时 油量调节套筒左移至最小供油量位置 全程式调速器 3 部分负荷及标定工况调速手柄处于怠速调整螺钉和高速限制螺钉之间的任意位置 发动机在部分负荷下工作 调速弹簧对拉力杆的拉力与调速器飞锤离心力的轴向分力保持平衡 油量调节套筒也稳定在某一中间供油量位置 发动机在某一中间转速稳定工作 若负荷减小 通过飞锤 调速套筒等 使油量套筒左移 供油量减少 柴油机转速回落 保持转速基本稳定 若负荷增加 调速过程与上相反 使油量套筒右移 供油量增加 以适应外界负荷增加的需要 发动机在标定工况下工作时 发动机转速也就处于标定转速 4 高速控制当发动机在标定工况下完全卸载 发动机转速急速升高 达到最高空转转速 通过飞锤控制油量调节套筒左移 供油量减少 使柴油机转速回落 防止发动机转速进一少升高而造成飞车 5 标定油量调节标定油量调整可通过泵体外部的油量调节螺钉进行调整 拧入调节螺钉 供油量增加 标定油量增大 反之标定油量减少 第6节喷油器及燃油喷射 7 6 1 喷油器功用它是一种向柴油机燃烧室喷射高压燃油的装置 根据不同柴油机要求 将高压油泵来的柴油雾气 以一定的喷油压力 喷雾细度 喷油规律 射程和喷雾锥角喷入燃烧室特定位置 与空气混合燃烧 7 6 2 喷油器构造与工作原理车用柴油机喷油器大多采用孔式喷油器 其基本构造如图7 3所示 喷油器主要部件是一对精密偶件 喷油嘴偶件 由针阀和针阀体组成 喷油器工作时 来自喷油泵的高压柴油 经进油管接头进入喷油器体上的进油道 再进入针阀中部的环形油腔 作用在针阀的承压锥面上 对针阀形成一个向上的轴向推力 此推力大于喷油器调压弹簧的预压时 针阀上移 打开喷孔 高压油随即喷入燃烧室中 喷油泵停止供油时 高压油道内压力迅速下降 针阀在调压弹簧作用下及时回位 将喷孔关闭 停止供油 进入针阀体环形油腔的少量柴油 用来润滑喷油嘴偶件 针阀的开启压力取决于调压弹簧的预紧力要求 可通过调压螺钉调整 旋入时压力增大 反之 减小 喷油器及燃油喷射 7 6 3 喷油器分类 现代柴油汽车发动机基本采用闭式喷油器 根据喷油嘴偶件的结构不同 闭式喷油器又分为孔式喷油器和轴针式喷油器等 分别用不同的燃烧室 1 孔式喷油器它是喷油嘴偶件中的针阀不直接伸出喷孔 喷油嘴头部孔小且多 一般喷孔有1 7个 直径为0 2 0 5mm 用于热负荷较高的柴油机中 2 轴式喷油器它是喷油嘴偶件中的针阀伸出喷孔 喷孔一般只有一个 直径较大 可达1 3mm 7 6 4 喷雾特性与喷油规律1 喷雾特性它是指与燃料喷散雾化有关的特性 一般以燃油喷散的细度 均匀度 油束射程 偏转角和喷雾锥角等表示 2 喷油规律它是单位时间 或1 喷油泵凸轮轴转角 喷油器喷入燃烧室的油量随时间 或喷油泵凸轮轴转角 的变化关系 第7节柴油机的燃烧过程 7 7 1 柴油机的燃烧过程根据柴油机燃烧过程进展的实际特征 分为以下四个阶段 1 着火延迟期是指从喷油开始到柴油开始着火的时期 它主要进行柴油着火前的物理化学准备过程 同时 燃料不断喷入 2 速燃期是指从柴油开始着火到气缸内最高压力点的时期 在该速燃期内 燃料燃烧非常迅速 气缸压力和温度急剧增加 3 缓燃期是指从最高压力点到最高温度点的时期 在缓燃期 由于活塞下行 气缸容积变大 氧气变少 废气增多 所以混合气燃烧速度减缓 气缸内压力增加不显著 而温度却继续上升 若