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汽车发动机 模块一 课题一汽车发动机的认识 概述 四行程发动机工作原理 发动机的总体构造 内燃机名称及型号编制规则 二行程发动机工作原理 发动机相关常用术语 1 1概述 发动机 热能 机械能 1 按燃料的使用不同分 一 发动机的定义 二 发动机的分类 现代汽车大多使用往复活塞式内燃机 它将燃料在发动机气缸内部进行燃烧 把产生的热能转变成机械能 汽油 柴油 乙醇及酒精汽油 E10 液化石油气 LPG 燃料电池 氢和氧 压缩天然气 CNG 含氧燃料 化学电池 太阳能电池 3 按冷却方式不同 2 按完成一个工作循环所需行程数 四行程发动机 二行程发动机 转子型发动机 转子式 直列式2 3 4 5 6 8 型4 6 8 12 对置式4 6 8 W型12 宾利欧陆 16 布加迪威龙 4 按气缸数及排列形式分 直列式 对置式 型 W型式汽车发动机的排列形式 5 按照进气系统是否采用增压方式分类 内燃机按照进气系统的进气形式分 自然吸气式 非增压式 强制进气式 增压式 注 现社会上流通使用的汽车基本是汽油机采用自然吸气式 但是有一部分也已使用了涡轮增压系统 柴油机基本采用增压式 其都是为了提高使用功率 1 2 上止点 TDC 下止点 BDC 活塞行程 S 曲柄半径 R 气缸工作容积 Vh 燃烧室容积 Vc 气缸总容积 Va 一 发动机结构基本术语 压缩比 发动机排量 工作循环 发动机相关常用术语 注 上止点前为BTDC 上止点后为ATDC 发动机内部工作视频I 汽车构造 动画图像视频 发动机工作动画教学视频 上止点 下止点 活塞行程 活塞由一个止点到另一个止点移动的距离 称为活塞行程 S 对应一个活塞行程 曲轴旋转180度 活塞在气缸内做往返运动时 活塞顶部距离曲轴旋转中心最远的位置 活塞在气缸内做往返运动时 活塞顶部距离曲轴旋转中心最近的位置 活塞从上止点到下止点所走过的气缸容积 称为气缸工作容积 Vh 活塞处于上止点时 活塞顶部与缸盖所形成的空间称为燃烧室容积 VC 活塞在下止点时 活塞上方全部空间 称为气缸总容积 Va 燃烧室容积 气缸工作容积 气缸总容积 压缩比 气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比 用 表示 例如 现代汽油车发动机压缩比一般为8 11 中高级轿车基本达到10以上 柴油机压缩比一般为18 23 Va 气缸总容积 Vh 气缸工作容积 Vc 燃烧室容积 与连杆下端 即连杆大头 相连的曲柄销中心到曲轴回转中心的距离 曲轴每转一圈 活塞移动两个行程 曲柄半径 工作循环 对于往复活塞式发动机 每进行一次能量转换 均要经过进气 压缩 作功 排气四个过程 这种周而复始的连续过程 称为发动机的一个工作循环 多缸发动机各气缸工作容积的总和 称为发动机排量 用表示VL 发动机排量 VL Vh i Vh 气缸工作容积 单缸排量 i 气缸数目 动态演示 观看演示 1 进气行程 2 压缩行程 3 作功行程 4 排气行程 四行程汽油发动机工作原理 1 3 一 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 1 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0 074 0 093Mpa 温度上升至353 403 活塞下行 进新鲜混合气 压力值的换算 1MPa 1000KPa 10Kg 10Bar 1000000Pa 10kgf cm2温度值的换算 K为开氏温度 其从273 15开始相当于0 长度换算单位 1m 10分米 100cm 1000mm 100000丝 1000000微米 1000000000纳米1S 1000ms 2 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 8 1 5Mpa 温度继续上升至600 700 活塞上行 油气混合气 3 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3 5Mpa 最高温度可达2200 2800 作功终了时气缸内压强下降至0 3 0 5Mpa 温度下降至1300 1600 活塞下行 火花塞开始点火 4 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0 102 0 120Mpa 温度下降至900 1200 a 活塞上行 四行程汽油机的工作原理 四冲程汽油机是将空气与汽油以一定比例混合 形成良好的混合气 在进气行程 适时的被吸入气缸内部 经压缩后达到一定的高温火花塞再以精确时间点火燃烧而产生热能 燃烧后的气体所形成的高温高压促使分子迅速膨胀 其作用于活塞顶部 则推动活塞作直线向下行运动 同时通过连杆 曲轴飞轮机构而变为旋转的转矩 再通过传动机构对外输出作功 飞轮此时贮存一定的惯性力带动曲轴旋转完成剩下的排 进 压三个工作行程 这样 通过吸入混合气之后压缩 点火作功 排气四行程周而复始 连续不断的工作方式即为四冲程汽油机的工作原理 二 四冲程柴油机的工作原理 喷油器 排气行程 进气门 排气门 纯空气 温度300 370K压力0 0785 0 0932MPa 温度750 1000K压力3 5MPa 瞬时 温度2000 2500K压力6 9MPa 温度800 1000K压力0 105 0 125MPa 终了 温度1200 1500k压力0 2 0 4MPa 吸气行程 压缩行程 作功行程 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 四行程柴油机工作原理视频 四冲程柴油机是将新鲜空气在进气行程时被吸入气缸内部 经压缩后新鲜空气达到一定的高温 燃油喷射系统再在精确时间喷入良好雾化后的柴油并与空气混合 经压缩后达到一定温度的新鲜气体瞬间点燃混合气产生燃烧 所形成的高温高压促使分子迅速膨胀 其作用于活塞顶部 则推动活塞作直线向下行运动 同时通过连杆 曲轴飞轮机构而变为旋转的转矩 再通过传动机构对外输出作功 飞轮此时贮存一定的惯性力带动曲轴旋转完成剩下的排 进 压三个工作行程 这样 通过吸入混合气之后压缩 点火作功 排气四行程周而复始 连续不断的工作方式即为四冲程汽油机的工作原理 四行程柴油机工作原理 与汽油机工作原理相比 其进气和压缩行程的气都是新鲜空气 且在作功行程时与汽油机有所不同 由于用的柴油粘度比汽油大 不易蒸发 且自燃温度又较汽油低 所以采用的是 压缩自燃式点火 注 相比较而言柴油机的压缩比比汽油机要高得多 汽油机为8 11 而柴油机可达到16 22 且压缩压强也要大得多 压缩终了是可达到3 5 4 5MPa 分析和比较汽油机 柴油机的工作 异同 首先分别看一下汽油机和柴油机的图示 火花塞 喷油器 思考 四冲程汽油机和柴油机的工作循环有什么相同之处呢 共同特点 1 每个工作循环曲轴转两转 720 每一行程曲轴转半转 180 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 其它三个行程是为作功行程做准备工作的辅助行程 虽然作功行程是主要行程 但其它三个行程也不可缺少 3 发动机运转的第一个循环 必须有外力使曲轴旋转完成进气 压缩行程 着火后 完成作功行程 依靠曲轴和飞轮贮存的能量便可自行完成以后的行程 以后的工作循环发动机无需外力就可自行完成 思考 四冲程汽油机和柴油机的工作循环有什么不同呢 汽油机 柴油机的工作不同点 柴油机和汽油机的比较 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 同时柴油价格也较低 因此 柴油机的燃料经济性能好 而且柴油机的排气污染少 排放性能较好 但它的主要缺点是转速低 体积较大 噪声大 振动大 制造和维修费用高 在其发展过程中 柴油机不断发扬其优点 克服缺点 提高速度 现已得到了比较广泛地应用 二行程发动机工作原理 一 二行程汽油机二行程汽油机的工作循环也是由进气 压缩 作功 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 下面以曲轴箱换气式二行程汽油机为例加以说明 1 4 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 排气孔 进气孔 换气孔 图a表示活塞向上运动 将三排孔都关闭 活塞上部开始压缩 图b 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 图c 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 图d 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换气孔流入气缸内 并扫除废气 排气孔 进气孔 换气孔 二行程汽油机的工作原理动态视频 两个行程 第一行程 活塞从下止点向上止点运动 将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进气管道内由进气道被吸入活塞下方的曲轴箱内 第二行程 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 二冲程柴油机工作原理 换气 燃烧 排气 压缩 喷油器 空气 扫气泵 废气 排气门 1 四冲程发动机的进 排气是两个分开的专门过程 而二冲程发动机单纯的排气 或进气 时间极短 主要是一个几乎完全重叠的 以新鲜气体清扫废气的换气过程 这样的换气过程不可避免地会发生新鲜气体和废气混合 造成废气难以排净和新鲜气体随废气排出的后果 2 完成一个工作循环 二冲程发动机只需转一转 而四冲程发动机需要转两转 因此 当发动机工作容积 压缩比和转速相等时 从理论上讲 二冲程发动机的功率应为四冲程发动机功率的两倍 但实际上 只有1 5 1 6倍 这是由于二冲程发动机难以将废气排净 以及为了安排换气过程而较多地损失了高压气体的作功能力 另外还有可燃混合气随废气排出等所致 3 当转速相同时 二冲程发动机的作功次数较四冲程发动机多一倍 因此 二冲程发动机运转较平稳 这对单缸发动机来说更为明显 4 由于没有气门或只有排气门 也就省去了配气机构或使配气机构较为简单 简化了发动机的结构 易受磨损和经常需要修理的运动部件数量较少 由于二冲程汽油机有混合气损失 故经济性差 在大中型汽车上的应用受到了限制 但由于它结构简单 重量轻 制造成本低等优点 轻便摩托车和微型汽车的小排量发动机广泛采用 二冲程柴油机由于换气时进入气缸的是纯空气 没有燃料损失 为某些汽车所采用 二行程与四行程发动机的比较 二行程与四行程发动机的比较 总结 优点 1 曲轴转一周就做一次功 工作容积转速相同时 理论上功率是四行程的二倍 2 工作频率较大 所以运转比较均匀平稳3 没有专门的配气机构 构造简单 质量较小4 使用方便缺点 不易将废气自气缸内排出干净 并且在换气时减少了有效的工作行程 实际功率只等于四行程的1 5 1 6倍 换气时有一部分新鲜可燃混合气随同废气排出 不如四行程的发动机经济 且还会有相当一部分的润滑剂的损消耗 由于上述的缺点 二行程发动机没有在汽车上采用 但由于制造费用低廉 构造简单 重量小 所以在摩托车上广泛应用 课后问题 一 发动机工作偱环四行程中 进气 压缩 作功 排气行程时相对应的气门精确工作状态 二 四行程汽油机的工作原理三 二行程汽油机的工作原理 三角活塞转子发动机简介 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 1 5发动机的总体构造 曲柄连杆机构 组成 活连杆组 曲轴飞轮组 包括 活塞 活塞环 连杆总成 活塞销 轴瓦 曲轴主体 主轴颈 连杆轴颈 曲柄 平衡块 飞轮等 作用 发动机接受动力且输出动力的主要零部件 其将活塞所承受的直线往复运动力转变为曲轴的旋转运动而形成转矩 对外输出动力 组成 进气门 排气门 挺柱 推杆 摇臂 凸轮轴以及凸轮轴正时齿轮 作用 使可燃混合气适时适量进入气缸并及时从气缸排出废气 发动机的配气机构 组成 汽油箱 汽油泵 汽油滤清器 燃油总管 燃油压力调节器 喷油器 碳罐等 以上都属电控发动机所具备的元器件 在早期的化油器车型中 其配置则有所不同 化油器 空气滤清器 进气管 排气管 排气消声器 作用 将一定量的汽油经适当的压力雾化且与新鲜空气混合成可燃混合气供入气缸 燃烧产生动力 电控发动机燃油供给系 燃油供给系统的工作原理视频 组成 储水壶 水泵 节温器 散热器 风扇 分水管 气缸体放水阀以及气缸体和气缸盖里铸成的空腔 水套 作用 将发动机工作后产生的热量散到大气中去 并保证发动机正常工作温度 发动机冷却系 发动机冷却系工作原理动态演示 组成 机油泵 集滤器 限压阀 润滑油道 机油粗滤器 机油细滤器和机油冷却器 功用 将润滑油供入到相对运动的零件表面 以减少它们之间的相互摩擦阻力 可以减轻机件的磨损 并适当冷却及清洗摩擦部件工作表面 主要还可以起到防锈作用 发动机润滑系示图 发动机润滑系工作原理动态演示 组成 蓄电池 发电机 分电器 点火线圈和火花塞 主高压线 分缸线等 作用 在适当的时刻以充分的能量点燃气缸中被压缩的混合气 桑塔纳发动机点火系 起动系组成 起动机 电磁开关 起动开关等组成 起动机则由电枢总成 电磁开关 外壳总成 驱动端盖 电刷端