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第一章发动机概论 发动机基本组成和常用术语四冲程发动机工作原理二冲程发动机工作原理发动机总体构造发动机主要性能指标与特性内燃机产品的名称及型号编制规则 主讲人 发动机 汽车动力来源 一部转换能量的机器 某种能量机械能热机 热能机械能内燃机 燃料与空气混合后在机器内部燃烧而产生热能 然后再转变为机械能 往复活塞式内燃机 发动机的定义 车用内燃机 水冷发动机 风冷发动机 车用内燃机 车用内燃机 车用内燃机 四冲程发动机 二冲程发动机 汽油发动机 柴油发动机 单缸发动机 多缸发动机 化油器式发动机 直接喷射式发动机 车用内燃机 单列式发动机 双列式发动机 按照所用燃料分类使用汽油为燃料的内燃机称为汽油机 使用柴油机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 但它的主要缺点是转速低 质量大 噪声大 振动大 制造和维修费用高 点火方式 点燃式发动机 压燃式发动机 汽油自燃温度高 采用火花塞强制点火 汽油发动机为点燃式发动机 柴油自然温度低 采用高压缩比压燃 柴油发动机为压燃式发动机 按照行程分类 二冲程发动机 四冲程发动机 曲轴旋转一周完成一个工作循环 由于换气不彻底 经济性较差 但结构简单 因此在摩托车上广泛使用 曲轴旋转二周完成一个工作循环 四冲程发动机有独立的进气和排气冲程 换气彻底 在汽车上广泛使用 并已逐渐用于摩托车 四冲程 二冲程 按照冷却方式分类内燃机按照冷却方式不同可以分为水冷发动机和风冷发动机 水冷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 按照气缸数目分类内燃机按照气缸数目不同可以分为单缸发动机和多缸发动机 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 按照气缸排列方式分类内燃机按照气缸排列方式不同可以分为单列式和双列式 单列式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 双列式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 直列发动机 V形发动机 水平对置发动机 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是否采用增压方式可以分为自然吸气 非增压 式发动机和强制进气 增压式 发动机 图1 6 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 工作方式 转子式发动机 活塞式发动机 转子发动机又称为米勒循环发动机 它采用三角转子旋转运动来控制压缩和排放 与传统的活塞往复式发动机的直线运动迥然不同 转子发动机取消了无用的直线运动 因而同样功率的转子发动机尺寸较小 重量较轻 而且振动和噪声较低 具有较大优势 三角转子把汽缸分成三个独立空间 三个空间各自先后完成进气 压缩 做功和排气 三角转子自转一周 发动机点火做功三次 还存在气密性 润滑和磨损等一系列技术难题 1 1单缸发动机结构示意图 1发动机基本组成和常用术语 1 2基本术语 1 上止点 活塞离曲轴回转中心最远处 通常指活塞上行到最高位置 2 下止点 活塞离曲轴回转中心最近处 通常指活塞下行到最低位置 3 活塞行程 S 上 下两止点间的距离 mm 4 曲柄半径 R 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 mm 曲轴每转一转 活塞移动两个行程 5 气缸工作容积 活塞从上止点到下止点所让出的空间容积 L 式中 D 气缸直径 mm 6 发动机排量 发动机所有气缸工作容积之和 L 设发动机的气缸数为i 则7 燃烧室容积 活塞在上止点时 活塞上方的空间叫燃烧室 它的容积叫燃烧室容积 L 8 气缸总容积 活塞在下止点时 活塞上方的容积称为气缸总容积 L 它等于气缸工作容积与燃烧室容积之和 即 9 压缩比 气缸总容积与燃烧室容积的比值 即它表示活塞由下止点运动到上止点时 气缸内气体被压缩的程度 压缩比越大 压缩终了时气缸内的气体压力和温度就越高 一般车用汽油机的压缩比为6 10 柴油机的压缩比为15 22 10 发动机的工作循环 在气缸内进行的每一次将燃料燃烧的热能转化为机械能的一系列连续过程 进气 压缩 作功和排气 称发动机的工作循环 11 二冲程发动机 活塞往复两个行程完成一个工作循环的称为二冲程发动机 12 四冲程发动机 活塞往复四个行程完成一个工作循环的称为四冲程发动机 2四冲程发动机的工作原理 2 1 四冲程汽油机的工作原理1 进气行程2 压缩行程3 作功行程4 排气行程 单缸四冲程汽油机的工作过程 进气行程 排气门关闭 进气门开启 活塞 温度370 400K 压力0 07 0 09MPa 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 压缩行程 进气门关闭 排气门关闭 活塞 压缩比 Va Vc P V r a 示功图 大气压力线 c 上止点 下止点 温度600 700K 压力0 6 1 5MPa 作功行程 进气门关闭 排气门关闭 活塞 P V r a 示功图 大气压力线 c Z b 上止点 下止点 瞬时最高 温度2200 2800K 压力3 5MPa 作功终了 温度1300 1600K 压力0 3 0 5MPa 排气行程 进气门关闭 排气门打开 活塞 P V r 示功图 大气压力线 c Z b 上止点 下止点 温度900 1200K压力0 105 0 115MPa 残余废气 2 2 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 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 不同点 3二冲程发动机的工作原理 二冲程汽油发动机工作原理二冲程柴油发动机工作原理 3 1 二冲程汽油机工作原理 压缩混合气 进气 点火燃烧 排气 换气孔 进气孔 排气孔 火花塞 二冲程汽油机工作原理图 3 2 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 曲轴每转一周完成一个工作循环 作功一次 当曲轴转速相同时 二冲程内燃机单位时间的作功次数是四冲程内燃机的两倍 由于曲轴每转一周作功一次 因此曲轴旋转的角速度比较均匀 2 二冲程内燃机的换气过程时间短 另外 进 排气过程几乎同时进行 利用新气扫除废气 新气可能流失 废气也不易清除干净 因此 二冲程内燃机的换气质量较差 3 曲轴箱换气式二冲程内燃机因为没有进 排气门 而使结构大为简化 二冲程发动机与四冲程发动机相比 有何优点 4发动机的总体构造 连杆 飞轮 曲轴 活塞 排气门 推杆 挺柱 正时齿轮 配气机构曲柄连杆机构 进气门 摇臂 凸轮轴 凸轮轴 1曲柄连杆机构曲柄连杆机构是发动机实现工作循环 完成能量转换的主要运动零件 它由机体组 活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成 在作功行程中 活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动 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配气机构配气机构的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 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燃料供给系统汽油机燃料供给系的功用是根据发动机的要求 配制出一定数量和浓度的混合气 供入气缸 并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中去 柴油机燃料供给系的功用是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 最后将燃烧后的废气排出 4点火系统在汽油机中 气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的 为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞 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 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 强制循环式水冷却系示意图1 百叶窗 2 散热器 3 散热器盖 4 风扇 5 小循环水管 6 水泵 7 节温器 8 出水管 9 水套 10 水温表和传感器 11 水套放水开关 12 散热器放水开关 5冷却系统冷却系的功用是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 水冷发动机的冷却系通常由冷却水套 水泵 风扇 水箱 节温器等组成 6润滑系统润滑系的功用是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 润滑系通常由润滑油道 机油泵 机油滤清器和一些阀门等组成 桑塔纳发动机润滑系示意图 7起动系统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的曲轴 使活塞作往复运动 气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功 推动活塞向下运动使曲轴旋转 发动机才能自行运转 工作循环才能自动进行 因此 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 5发动机性能指标 1 发动机的性能指标是用来衡量发动机性能好坏的标准 发动机的主要性能指标有 动力性能指标 经济性能指标和排放性能指标等 1 动力性能指标动力性能指标指曲轴对外作功能力的指标 包括有效扭矩 有效功率和曲轴转速 平均有效压力 a 有效扭矩 指发动机通过曲轴或飞轮对外输出的扭矩 通常用Te表示 单位为N m 有效扭矩是作用在活塞顶部的气体压力通过连杆 传给曲轴产生的扭矩 并克服了摩擦 驱动附件等损失之后从曲轴对外输出的净扭矩 b 有效功率 指发动机通过曲轴或飞轮对外输出的功率 通常用Pe表示 单位为kW 有效功率同样是曲轴对外输出的净功率 它等于有效扭矩和曲轴转速的乘积 发动机的有效功率可以在专用的试验台上用测功器测定 测出有效扭矩和曲轴转速 然后用下面公式计算出有效功率 式中 有效扭矩 单位为N m n 曲轴转速 单位为r min c 转速 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 d 平均有效压力单位气缸工作容积发出的有效功称为平均有效压力 记作pme 单位为MPa 显然 平均有效压力越大 发动机的作功能力越强 2 经济性指标a 燃油消耗率是指单位时间内单位有效功的燃油消耗量 也就是发动机每发出1kW有效功率在1小时内所消耗的燃油质量 以g为单位 通常用ge表示 其单位为g kW h B为发动机在单位时间内的耗油量有效燃油消耗率越小 其经济性越好 b 有效热效率 燃料燃烧所产生的热量转化为有效功的百分数称为有效热效率 记作 e 显然 为获得一定数量的有效功所消耗的热量越少 有效热效率越高 发动机的经济性越好 3 强化指标强化指标是指发动机承受热负荷和机械负荷能力的评价指标 一般包括升功率和强化系数等 a 升功率发动机在标定工况下 单位发动机排量输出的有效功率称为升功率 升功率大 表明每升气缸工作容积发出的有效功率大 发动机的热负荷和机械负荷都高 b 强化系数平均有效压力与活塞平均速度的乘积称为强化系数 活塞平均速度是指发动机在标定转速下工作时 活塞往复运动速度的平均值 4 紧凑性指标 紧凑性指标是用来表征发动机总体结构紧凑程度的指标 通常用比容积和比质量衡量 1 比容积 发动机外廓体积与其标定功率的比值称为比容积 2 比质量 发动机的干质量与其标定功率的比值称为比质量 干质量是指未加注燃油 机油和冷却液的发动机质量 比容积和比质量越小 发动机结构越紧凑 5 环境指标 环境指标用来评价发动机排气品质和噪声水平 由于它关系到人类的健康及其赖以生存的环境 因此各国政府都制定出严格的控制法规 以期消减发动机排气和噪声对环境的污染 6 可靠性指标 可靠性指标是表征发动机在规定的使用条件下 正常持续工作能力的指标 可靠性有多种评价方法 如首发故障行驶里程 平均故障间隔里程 主要零件的损坏率等 7 耐久性指标 指发动机主要零件磨损到不能继续正常工作的极限时间 通常用发动机的大修里程 即发动机从出厂到第一次大修之间汽车行驶的里程数来衡量 2 特性发动机的主要性能指标有效扭矩Te 有效功率Pe 有效耗油率随其运转工况 负荷 转速 变化而变化的关系称为发动机的特性 性能指标随发动机曲轴转速变化的关系称为发动机的速度特性 性能指标随负荷变化的关系称为发动机的负荷特性 用曲线来表示这些关系 称为发动机的特性曲线 发动机特性是对发动机性能进行全面评价和鉴定的依据 在发动机特性中 其速度特性最为常用 下面仅介绍发动机的速度特性 3 发动机的速度特性发动机速度特性指发动机的功率 转矩和燃袖消耗率三者随曲轴转速变化的规律 这个特性可以通过发动机在试验台上 例如测功器试验台 进行试验而求得 试验时 先保持一定的发动机节气门开度 同时用测功器对发动机曲轴施加一定的阻力矩 当发动机运转稳定后 即阻力矩与发动机发出的有效转矩相等时 可用转速表测出此时的稳定转速n 同时在测功器上测出该转速下的发动机有效转矩 根据式 1 1 即可计算出有效功率Pe 另外 可测出消耗一定量汽油所经历的时间 用以换算出发动机每小时耗油量B 从而由式 1 2 计算出燃油消耗率6 改变测功器的阻力矩数值 用与上述相同的方法 又可以得到相应于另一转速的Te Pe ge 4 发动机工作状况发动机工作状况 简称发动机工况 一般是用它的功率与曲轴转速来表征 有时也用负荷与曲轴转速来表征 发动机负荷是指发动机驱动从动机械所耗费的功率或有效转矩的大小 也可表述为发动机在某一转速下的负荷 就是当时发动机发出的功率与同一转速下所能发出的最大功率之比 在同一转速下 节气门开度不同 发动机发出的功率不同 注意 负荷的概念不同于功率 如某一转速全负荷不意味着发动机发出最大功率 所以功率大小不等于负荷大小 为了便于内燃机的生产管理和使用 国家标准 GB725 82 内