汽车发动机原理构造及电控 - 第一章 汽车发动机的工作原理与总体构造.ppt

汽车发动机原理构造及电控 瓦特实现人类快速的梦想 1886年 德国人卡尔 本茨和戴姆勒发明了世界上第一辆汽车 如何实现人类梦想 美梦成真 发动机的类型基本工作原理总体构造性能指标发动机特性 理论 维修常用工具维修常用量具总成拆装 实操 内燃机产品名称和型号编制规则 拓展 汽车发动机的工作原理与总体构造 第一章 汽车发动机的工作原理与总体构造 本章教学要求 1 掌握汽油机 柴油机一般构造及其组成 汽油机 柴油机的工作情况 2 熟悉发动机常用术语 掌握发动机的类型 3 掌握发动机型号编制规则 正确识读内燃机型号 4 理解二 四冲程汽油 柴油机的工作原理 掌握它们各自的特点 5 了解发动机的性能指标 指示性指标 动力性指标和经济性指标 6 了解发动机速度特性 负荷特性 即发动机的工作状况 理论知识 发动机的类型发动机的基本工作原理发动机的总体构造发动机的性能指标发动机特性 发动机的类型 1 按着火方式分类2 按使用燃料种类分类3 按冷却方式分类4 按进气状态分类5 按冲程数分类6 按汽缸数分类7 按布置方式分类 1 按着火方式分类 分为压燃式发动机和点燃式发动机 压燃式发动机为压缩式汽缸内的空气或可燃混合气 产生高温 引起燃料自然的内燃机 点燃式发动机是将压缩汽缸内的可燃混合气用点火器点燃的内燃机 2 按使用燃料种类分类 汽油机柴油机气体燃料发动机煤气机液化石油气发动机多种燃料发动机 3 按冷却方式分类 分为水冷式发动机和风冷式发动机 以水或为冷却液为冷却介质的称作水冷式发动机 空气为冷却介质的称作风冷式发动机 4 按进气状态分类 分为非增压发动机和增压发动机 非增压发动机是指进入汽缸前的空气或可燃混合气未经气机压缩的发动机 仅带扫气泵而不带增压器的二冲程发动机亦属此类 增压发动机是指进入汽缸前的空气或可燃混合气已经在压气机内压缩 从而增大进气充量密度的发动机 5 按冲程数分类 分为二冲程发动机和四冲程发动机 在发动机内 每一次将热能转变为机械能 都必须经过吸入新鲜充量 空气或可燃混合气 压缩 当新鲜充量为空气时还要输入燃料 使之着火燃烧而膨胀做功 然后将生成的废气 已燃气体 排出汽缸这样一系列连续过程 成为一个工作循环 对于往复活塞式发动机 可以根据每一工作循环所需活塞行程数来分类 凡活塞往复四个单程 或曲轴旋转两转 完成一个工作循环的称为四冲程发动机 活塞往复两个单程 或曲轴旋转一转 完成一个工作循环的称为二冲程发动机 6 按汽缸数分类 仅有一个汽缸的称为单缸发动机 有两个以上汽缸的称为多缸发动机 7 按布置方式分类 多缸发动机根据汽缸间的排列方式可划分为直列式 汽缸呈一列布置 对置式 汽缸呈两列布置 且两列汽缸之间的中心线呈180 和V型 汽缸呈两列布置 且两列汽缸之间夹角为V型 等发动机 直列式 V型 对置式 本讲小结 本讲我们讲述了发动机的类型 包括 按着火方式分类按使用燃料种类分类按冷却方式分类按进气状态分类按冲程数分类按汽缸数分类按布置方式分类发动机还可按用途分类 如 汽车用 机车用 拖垃机用 船用 坦克用 发电用 农用 工程机械用等 发动机的基本术语 1 上止点 TDC TopDeadCenter 活塞往复运动时 其顶点从一个方向转为相反方向的转变点位置为止点 2 下止点 BDC BottomDeadCenter 活塞运动的上 下两个止点之间的距离S称为活塞行程 3 活塞行程 插入一段视频 介绍上止点和下止点 剪辑时间 07 07 08 06 曲轴与连杆下端的连接中心至曲轴中心的垂直距离称为曲柄半径 一般用R表示 活塞行程为曲柄半径的两倍 即S 2R 4 曲轴半径 一个汽缸中活塞运动一个行程所扫过的容积称为汽缸工作容积 可用符号表示 单位为L 即式中 D 汽缸直径 mm S 活塞行程 mm 5 汽缸工作容积 插入一段视频 介绍上止点和下止点 剪辑时间 08 06 08 21 燃烧室容积 活塞在上止点时 活塞顶部与汽缸盖之间的容积称为燃烧室容积 一般用表示 单位为L 6 燃烧室容积 插入一段视频 介绍上止点和下止点 剪辑时间 08 21 08 42 活塞在下止点时 活塞顶上方的容积称为汽缸总容积一般用表示 单位为L 显然 汽缸总容积是汽缸工作容积与燃烧室容积之和 即式中 燃烧室容积 L 汽缸工作容积 L 7 汽缸总容积 插入一段视频 介绍上止点和下止点 剪辑时间 08 42 09 03 多缸发动几个汽缸工作容积的总和称为发动机排量 一般用表示 单位为L 即式中 汽缸工作容积 L 汽缸数目 8 发动机排量 汽缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比 一般用 表示 即式中 汽缸总容积 L 燃烧室容积 L 汽缸工作容积 L 9 压缩比 压缩比表示活塞由下止点运动到上止点时 汽缸内的气体被压缩的程度 压缩比越大 压缩终了时汽缸内气体的压力和温度越高 目前 一般汽油机的压缩比约为6 12 柴油机的压缩比一般约为12 22 在汽缸内进行的每一次将燃料燃烧的热能转变成机械能的一些列连续过程 进气 压缩 做功 排气 称发动机的一个工作循环 10 工作循环 本讲小结 本讲我们介绍了发动机常用术语 上止点 下止点活塞行程曲轴半径汽缸工作容积燃烧室容积汽缸总容积发动机排量压缩比工作循环 四冲程发动机的工作原理 1 四冲程汽油机的工作原理 汽缸内装有活塞 活塞通过活塞销 连杆与曲轴相连接 活塞在汽缸内做往复运动 通过连杆推动曲轴转动 为了吸入新鲜充量和排除废气 设有进 排气系统 四冲程汽油机的工作循环包括四个活塞行程 即进气行程 压缩行程 膨胀行程 作功行程 和排气行程 进气行程 压缩行程 做功行程 排气行程 由于在此期间汽缸中气体的压力随汽缸容积的改变而不断地变化 因此采用气体压力 随气缸容积V变化的示功图来表示 1 进气行程汽油机将空气与燃料先在汽缸外部的化油器中 化油器 节气门体处 单点喷射 或进气道内 进气道多点喷射 进行混合 形成可燃混合气后被吸入气缸 进气行程中 进气门开启 排气门关闭 四冲程汽油机的工作循环 在示功图上 进气行程用曲线ra表示 曲线ra的大部分位于大气压力线下面 这部分与大气压力线纵坐标之差即表示气缸内的真空度 在这个过程中 进 排气门全部关闭 曲轴推动活塞由下止点向上止点移动一个行程 称为压缩行程 2 压缩行程 在示功图上 压缩行程用曲线ac表示 可燃混合气压力Pc升高到0 6 1 2MPa 温度可达600 700k 现代汽油发动机的压缩比一般为8 11 如一汽大众宝来轿车1 6L发动机的压缩比为10 3 在这个行程中 进 排气门仍旧关闭 当活塞接近上止点时 火花塞发出电火花 点燃被压缩的可燃混合气 燃烧放出大量的热能 产生的高温 高压燃气推动活塞上下运动 通过连杆使曲轴旋转并输出机械能 用于发动机本身运转和对外作功 3 作功行程 示功图上曲线zb表示活塞向下移动时 气缸内容积增加 气体压力和温度都降低 在作功行程终了的b点 压力降至0 3 0 5Mpa 温度则降为1300 1600K 可燃混合气燃烧后生成的废气 必须从气缸中排除 以便进行下一个工作循环 当膨胀接近终了侧 排气门开启 靠废弃的压力进行自由排气 活塞到达下止点后再向上止点移动时 继续将废气强制排到大气中 活塞到上止点附近时 排气行程结束 4 排气行程 在示功图上用曲线br表示 在排气行程中 气缸内压力稍高于大气压力 约为0 105 0 115Mpa 排气终了时 废气温度约为900 1200K 2 四冲程柴油机的工作原理 现代柴油发动机的构造如图所示 四冲程柴油机的每个工作循环也经历了进气 压缩 作功 排气四个行程 四冲程柴油机的工作循环 但由于柴油机的燃料是柴油 其粘度比汽油大 而其自燃温度却较汽油低 故可燃混合气的形成及着火方式都与汽油机不同 柴油机在进气行程吸入的是纯空气 在压缩行程接近终了时 柴油机喷油泵将油压提高到10MPa以上 将柴油通过喷油器喷入气缸 在很短时间内与压缩后的高温空气混合 形成可燃混合气 由于柴油机的压缩比高 一般为16 22 所以压缩终了时气缸内的空气压力可达3 5 4 5MPa 同时温度高达750 1000K 大大超过柴油的自燃温度 因此 柴油喷入汽缸后 在很短时间内与空气混合便立即发火燃烧 汽缸内气压急剧上升到6 9MPa 温度也升到2000 2500K 在高压气体推动下 活塞向下运动并带动曲轴旋转而作功 废气同样经排气管排入大气中 本讲小结 综上所述 四冲程发动机经过进气 压缩 燃烧作功 排气四个行程 完成一个工作循环 这期间活塞在上 下止点间往复移动了四个行程 曲轴旋转了两周 二冲程发动机的工作原理 1 二冲程汽油机的工作原理 二冲程发动机的工作循环是在两个活塞行程内 即曲轴旋转一周的时间内完成的 仿真平台 总体构造 二冲程汽油机工作循环 只抓取动画部分 活塞由曲轴带动从下止点向上止点移动 当活塞上行至关闭换气孔和排气孔时 已进入气缸的新鲜混合气被压缩 活塞继续上移至上止点时 压缩结束 与此同时 活塞上行时 其下方曲轴箱内形成一定真空度 当活塞上行到一定位置时 进气孔开启 新鲜的混合气被吸入曲轴箱 1 第一行程 仿真平台 总体构造 二冲程汽油机第一行程 只抓取动画部分 活塞接近上止点时 火花塞产生电火花 点燃被压缩混合气 燃烧行程的高温 高压气体推动活塞下行作功 当活塞下行到关闭进气孔后 曲轴箱内的混合气被预压 活塞继续下行至排气孔开启时 燃烧后废气靠自身压力经排气孔排出 紧接着 换气孔开启 曲轴箱内经预压的混合气进入气缸 并排除气缸内残余废气 这一过程称换气过程 它将一直延续到下一冲程活塞再上行关闭换气孔和排气孔时为止 活塞下行到下止点时 第二行程结束 2 第二行程 仿真平台 总体构造 二冲程汽油机第二行程 只抓取动画部分 二冲程汽油机的具体工作过程 截取此视频 注意版权问题 抓取此段视频 但要将 新浪版权 标识作处理 观看视频 优点 结构简单 维护容易 使用方便 运行比较均匀平稳 二冲程汽油机的优缺点 缺点 燃烧效率低 燃油经济性差 动力不大 2 二冲程柴油机的工作原理 截取此视频 注意版权问题 抓取此段视频 但要将 新浪版权 标识作处理 观看二冲程柴油机工作原理视频 在第一行程中 活塞自下止点向上止点移动 行程开始前不久 进气孔和排气门均已开启 利用自扫气泵流出的空气 压力约为0 12 0 14MPa 使气缸换气 1 第一行程 当活塞继续向上移动 进气孔被遮盖 排气门也被关闭 空气受到压缩 当活塞接近上止点时 气缸内的压力增到3MPa 温度约升至850 1000K 燃油在高压 约17 20MPa 下喷入汽缸内 这时燃油自行着火燃烧 使气缸内压力增高 在第二行程中 活塞受燃烧气体膨胀作用自上止点向下止点移动而作功 2 第二行程 燃烧 活塞下行2 3行程时排气门开启 排出废气 此后汽缸内压力降低 进气孔开启 进行换气 换气一直继续到活塞向上移动1 3行程的距离 直到进气孔完全被遮盖为止 这种形式的发动机称为气门 窗孔直流扫气柴油机 与四冲程柴油机比较 二冲程柴油机的优缺点与上面讨论二冲程汽油机时所指出的优缺点基本相同 但由于二冲程柴油机用纯空气扫除废气 没有燃料损失 故经济性较高 二冲程柴油机的优缺点 本讲小结 二冲程发动机在汽车上较少采用 摩托车上应用广泛 但由于电喷技术的发展 目前电控喷射的二冲程发动机在汽车上得到了更进一步的发展 发动机的总体构造 发动机是一部由两大机构和五大系统组成的复杂机器 是汽车的心脏 点火系 配气机构 冷却系 Text 曲柄连杆机构 润滑系 起动系 燃料供给系 曲柄连杆机构 曲柄连杆机构由活塞 连杆 带有飞轮的曲轴等组成 是将活塞的直线往复运动变为曲轴的旋转运动并输出动力的机构 配气机构 配气机构由进气门 排气门 摇臂 气门间隙调节器 凸轮轴以及凸轮轴定时带轮等组成 其作用是使可燃混合气及时充入汽缸并从汽缸排除废气 汽油机燃料供给系 供给系统由汽油箱 汽油泵 汽油滤清器 空气滤清器 进气管 排气管 排气消声器等组成 其作用是把汽油和空气混合为成分合适的可燃混合气供入气缸 以供燃烧 并将燃烧生成的废气排出发动机 柴油机燃料供给系 柴油机供给系统由油箱 喷油泵 喷油器 输油泵 滤清器 调整器 传感器 电控单元等组成 其作用是定时定量定压 向燃烧室喷入燃料 使之与空气混合 形成可燃混合气 在高温下自行燃烧 做功后 将废气排出 冷却系 冷却系统由水泵 散热器 风扇 分水管以及气缸体和水套等组成 其功用是把受热部件的热量散到大气中去 以保证发动机正常工作 润滑系 润滑系统由机油泵 机油集滤器等组成 其功用是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 减轻部件的磨损 并部分地冷却摩擦零件 清洗摩擦表面 点火系 点火系由供给低压电流的蓄电池和发电机以及分电器 点火线圈与火花塞等组成 其功用是保证按规定时刻点燃气缸中被压缩的可燃混合气 起动系 起动系由起动机及附属装置组成 用以使静止的发动机起动并转入自行运转 本讲小结 发动机是很多机构和系统组成的复杂机械 随着现代汽车电控化的发展 发动机的结构形式越来越多 但其基本结构都是相似的 通常都是由两大机构 五大系统组成 柴油机没有点火系统 本讲讲述了两大机构 五大系统的基本结构和功用 发动机的性能指标 发动机的性能指标 指示性能指标 有效性能指标 强化指标 紧凑性指标 运转性能指标 可靠性指标 耐久性指标 工艺性指标 1 指示性能指标 指示性能指标是表示气缸内燃气的工作品质 包括燃气作功的能力和热量转变为机械功的效率 指示性能指标有循环指示功 平均指示压力 指示功率 指示热效率 指示燃油消耗率 循环指示功 在气缸内完成一个工作循环 工质对活塞所做的功 称为循环指示功 用表示 平均指示压力 平均指示压力 MPa 是指一个循环所做的指示功与汽缸工作容积之比 大致范围 指示功率 指示功率是指发动机单位时间所作的指示功 指示热效率 指示热效率是实际循环指示功与所消耗的燃料热量之比 指示燃油消耗率 指示燃油消耗率 简称指示比油耗 是指单位指示功的耗油量 通常以每千瓦小时的耗油量表示 单位是g kw h 式中 3 6 103为1kW h热功当量 即1kW h 3 6 103kj HU为燃料的低热值 kJ kg 这时指示热效率为 2 有效性能指标 有效性能指标是表示内燃机整体的工作能力 即对外作功的能力 它不仅表示了气缸内气体的工作效果 而且也反映了内燃机本身的机械损耗 有效功率总是低于指示功率 即 动力性能指标经济性能指标 Pm为机械损失功率 动力性能指标 1 有效转矩 2 有效功率 3 发动机转速n 4 平均有效压力 1 有效转矩 发动机通过飞轮对外输出的平均转矩称为有效转矩 以表示 有效转矩与外界施加于发动机曲轴上的阻力矩相平衡 2 有效功率 发动机通过飞轮对外输出的功率称为有效功率 以表示 它等于有效转矩与曲轴角速度的乘积 发动机的有效功率可以用台架试验的方法测定 也可用测功器测定有效转矩和曲轴转速 然后用下式计算发动机的有效功率 即 式中 为有效转矩 N m n为曲轴转速 r min 3 发动机转速n 发动机转速是指发动机曲轴每分钟的转数 单位为r min 发动机产品铭牌上标明的功率及相应转速称为额定功率和额定转速 按照汽车发动机可靠性试验方法的规定汽车发动机应能在额度工况下连续运行300 1000h 4 平均有效压力 平均有效压力 MPa 是发动机单位汽缸工作容积输出的有效功 值大 说明单位汽缸工作容积对外输出的功多 做功能力强 它是评定发动机动力性的重要指标 经济性能指标 1 有效燃油消耗率 2 有效热效率 3 机械效率 1 有效燃油消耗率 有效燃油消耗率是单位有效功的耗油量 简称耗油率 通常以每千瓦小时的耗油量表示 2 有效热效率 有效热效率是发动机的有效功 J 与所消耗燃料热量之比 3 机械效率 机械效率是有效功率和指示功率之比 机械效率 的大致范围是 汽油机0 7 0 9柴油机0 7 0 85 3 升功率 升功率 KW L 是发动机每升工作容积所发出的有效功率 它用来衡量发动机容积的利用率 升功率是从发动机有效功率的角度对其汽缸工作容积的利用率作总的评价 它与平均有效压力和转速的乘积成正比 升功率越大 发动机的强化程度越高 发出一定有效功率的发动机尺寸越小 升功率是评定一台发动机力性能和强化程度的重要指标之一 4 紧凑性指标 1 比质量 2 单位体积功率 紧凑性指标是指内燃机的比质量和单位体积功率 1 比质量 比质量 kg kw 是发动机的总质量m与所给出的标定功率Pe之比 它表征质量利用程度 结构紧凑性 制造技术和材料利用程度等综合参数的指标 比质量的大致范围 3 5 8 16 kg kw 2 单位体积功率 单位体积功率是指内燃机的标定功率Pe与其外廓体积V之比 外廓体积是指内燃机外廓尺寸长 宽 高的乘积 发动机的结构紧凑性对整车布置 车身外形设计有一定的影响 若要提高发动机的结构紧凑性 必须提高发动机的比容积 5 运转性能指标 发动机的运转性能指标主要指排气品质 噪声 起动性能等 1 排放指标 2 噪声 3 起动性能 1 排放指标 汽车发动机对环境的污染主要来自排气产物 主要污染物是CO HC和NOx 柴油机的排放产物中还有微粒和碳烟 下表为我国轻型汽车污染物排放限值 2 噪声 汽车是城市中主要的噪声源之一 发动机又是汽车的主要噪声源 见下表 故必须给予控制 下表是各部件噪声所占比例 3 起动性能 发动机起动性能的好坏除与发动机结构有关外 还与发动机工作过程相联系 它直接影响汽车机动性 操作者的安全和劳动强度 我国标准规定 不采用特殊的低温起动措施 汽油机在 10 柴油机在 5 以下的气温条件下起动发动机时 15s以内发动机要能自行运转 6 可靠性指标 可靠性是指发动机在规定的运转条件下 具有持续工作 不至因为故障而影响正常运转的能力 衡量指标为 保证期内的不停车故障数 停车故障数 更换主要零件和重要零件数 7 耐久性指标 耐久性是指发动机在规定的运转条件下 长期工作而不大修的性能 衡量指标一般一发动机从开始使用到第一次大修前累计运转的时间表示 8 工艺性指标 工艺性指标是指评价发动机制造工艺性和维修工艺性好坏的指标 发动机结构工艺性好 则便于制造 便于维修 就可以降低生产成本和维修费用 本讲小结 发动机性能的好坏通常以性能指标来描述 本讲讲述了发动机的指示性能指标 有效性能指 标强化指标 紧凑性指标 运转性能指标 紧凑性指标 可靠性指标 耐久性指标和工艺性指标等 发动机特性 发动机特性 发动机特性与特性曲线 发动机速度特性 发动机负荷特性 1 发动机特性与特性曲线 发动机特性 发动机性能指标随调整情况及运转工况而变化的关系 特性用曲线表示称为特性曲线 它是评价发动机性能的一种简单 方便 必不可少的形式 2 发动机速度特性 发动机速度特性是指发动机油门位置不变 汽油机节气门开度或柴油机供油拉杆 时 主要