汽车发动机原理学习

汽车发动机原理学习 学习目的 1 汽车发动机组成结构2 汽车发动机工作过程3 汽车发动机动力性经济性排放性4 汽车发动机性能指标 及影响发动机性能指标的因素5 汽车发动机在我国的发展概况和应用前景 1 汽车发动机构造 发动机是一种由许多机构和系统组成的复杂机器 无论是汽油机 还是柴油机 无论是四行程发动机 还是二行程发动机 无论是单缸发动机 还是多缸发动机 要完成能量转换 实现工作循环 保证长时间连续正常工作 都必须具备以下一些机构和系统 1 曲柄连杆机构 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 活塞连杆组 活塞 活塞环 活塞销 连杆 连杆螺栓 连杆轴瓦等 曲轴飞轮组 飞轮 飞轮壳 曲柄连杆结构 2 配气机构 2 配气机构由气门 气门弹簧 凸轮轴 挺杆 凸轮轴传动机构等组件等 功能是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 配气机构 配气机构 3 燃料供给系统 化油器式由汽油箱 汽油泵 汽油滤清器等组成 电控燃油喷射式由空气供给系统 燃油供给系统和电子控制系统组成 燃料供给系统 润滑系统由机油泵 集滤器 限压阀 油道 机油滤过器等组成 4 润滑系统 5 冷却系统 水冷式由水套 水泵 散热器 风扇 节温器等组成 风冷式由风扇和散热片等组成 6 点火系统 传统式由蓄电池 发电机 点火线圈 断电器 火花塞等组成 普通式和传统式点火系统类似 只是用电子元件取代了断电器 电子点火式全部是全电子点火系统 完全取消了机械装置 由电子系统控制点火时刻 包括蓄电池 发电机 点火线圈 火花塞和电子控制系统等 7 起动系统 由起动机机器附属装置组成汽油机由以上两大机构和五大系统组成 即由曲柄连杆机构 配气机构 燃料供给系 润滑系 冷却系 点火系和起动系组成 柴油机由以上两大机构和四大系统组成 即由曲柄连杆机构 配气机构 燃料供给系 润滑系 冷却系和起动系组成 柴油机是压燃的 不需要点火系 发动机工作过程 发动机的工作过程可以分为四个步骤 进气压缩做功排气 发动机是一种能量转换机构 它将燃料燃烧产生的热能转变成机械能 要完成这个能量转换必须经过进气 把可燃混合气 或新鲜空气 引入气缸 然后将进入气缸的可燃混合气 或新鲜空气 压缩 压缩接近终点时点燃可燃混合气 可燃混合气着火燃烧 膨胀推动活塞下行实现对外作功 最后排出燃烧后的废气 即进气 压缩 作功 排气四个过程 把这四个过程叫做发动机的一个工作循环 工作循环不断地重复 就实现了能量转换 使发动机能够连续运转 把完成一个工作循环 曲轴转两圈 720 活塞上下往复运动四次 称为四行程发动机 下面介绍一下四行程发动机的工作过程 1 进气行程由于曲轴的旋转 活塞从上止点向下止点运动 这时排气门关闭 进气门打开 进气过程开始时 活塞位于上止点 气缸内残存有上一循环未排净的废气 因此 气缸内的压力稍高于大气压力 随着活塞下移 气缸内容积增大 压力减小 当压力低于大气压时 在气缸内产生真空吸力 空气经空气滤清器并与化油器供给的汽油混合成可燃混合气 通过进气门被吸入气缸 直至活塞向下运动到下止点 曲轴继续旋转 活塞从下止点向上止点运动 这时进气门和排气门都关闭 气缸内成为封闭容积 可燃混合气受到压缩 压力和温度不断升高 当活塞到达上止点时压缩行程结束 此时气体的压力和温度主要随压缩比的大小而定 可燃混合气压力可达0 6 1 2MPa 温度可达600 700K 压缩比越大 压缩终了时气缸内的压力和温度越高 则燃烧速度越快 发动机功率也越大 但压缩比太高 容易引起爆燃 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 会使发动机过热 功率下降 汽油消耗量增加以及机件损坏 轻微爆燃是允许的 但强烈爆燃对发动机是很有害的 汽油机的压缩比一般为 6 10 2 压缩行程 3 作功行程 作功行程包括燃烧过程和膨胀过程 在这一行程中 进气门和排气门仍然保持关闭 当活塞位于压缩行程接近上止点 即点火提前角 位置时 火花塞产生电火花点燃可燃混合气 可燃混合气燃烧后放出大量的热使气缸内气体温度和压力急剧升高 最高压力可达3 5MPa 最高温度可达2200 2800K 高温高压气体膨胀 推动活塞从上止点向下止点运动 通过连杆使曲轴旋转并输出机械功 除了用于维持发动机本身继续运转外 其余用于对外作功 随着活塞向下运动 气缸内容积增加 气体压力和温度降低 当活塞运动到下止点时 作功行程结束 气体压力降低到0 3 0 5MPa 气体温度降低到1300 1600K 4 排气行程 可燃混合气在气缸内燃烧后生成的废气必须从气缸中排出去以便进行下一个进气行程 当作功接近终了时 排气门开启 进气门仍然关闭 靠废气的压力先进行自由排气 活塞到达下止点再向上止点运动时 继续把废气强制排出到大气中去 活塞越过上止点后 排气门关闭 排气行程结束 实际汽油机的排气行程也是排气门提前打开 延迟关闭 以便排出更多的废气 由于燃烧室容积的存在 不可能将废气全部排出气缸 受排气阻力的影响 排气终止时 气体压力仍高于大气压力 约为0 105 0 115MPa 温度约为900 1200K 曲轴继续旋转 活塞从上止点向下止点运动 又开始了下一个新的循环过程 可见四行程汽油机经过进气 压缩 作功 排气四个行程完成一个工作循环 这期间活塞在上 下止点往复运动了四个行程 相应地曲轴旋转了两圈 3 汽车发动机动力性经济性排放性 1 动力性指标 1 有效功率发动机在单位时间对外输出的有效功称为有效功率 发动机机轴上所净输出的功率 2 发动机转速发动机曲轴每分钟的回转数称为发动机转速 3 有效转矩发动机对外输出的转矩称为有效转矩 扭矩在物理学中就是力矩的大小 等于力和力臂的乘积 2 经济性指标 发动机经济性指标一般用有效燃油消耗率表示 发动机每输出1kW h的有效功所消耗的燃油量 以g为单位 称为有效燃油消耗率 3 排放性指标 排放指标主要是指从发动机油箱排出的气体和从汽缸排出的废气中所含的有害排放物的量 主要是废气中的一氧化碳 CO 和碳氢化合物 HC 氮氧化物 NOx 含量 4 排放净化方式 措施 机内净化 改善可燃混合气的品质和燃烧状况 发动机的计算机控制 发动机的主要性能指标 1 动力性能指标功率 Power 转矩 Torque 转速 Revolution Speed 有效平均压力 BrakeMeanEffectivePressure BMEP 2 经济性能指标有效燃料消耗率 BrakeSpecificFuelConsumption BSFC 机油消耗率 Oil LubricantConsumption 3 环保性能指标碳氢 HC 一氧化碳 CO 氮氧化物 NOx 二氧化碳 CO2 颗粒物 ParticulateMatter PM 干碳烟 DrySoot DS 噪声振动冲击 NoiseVibrationHarshness NVH 4 使用性能指标可靠性或耐久性 Robust Reliability Durability 检测 维护 Inspection Maintenance I M 动力性与经济性指标的影响因素 动力性 1 节气门调整不当 不能全开2 空气滤清器堵塞3 燃油压力过低4 气缸缺火5 点火正时不当或高压火花弱6 空气流量计或进气歧管真空度传感器 冷却液温度传感器 节气门位置传感器故障7 喷油器堵塞或雾化不良8 废气再循环装置工作不良9 排气受阻 在发动机加载时 进气歧管真空度明显偏低 燃油经济性 1 发动机与油耗的关系说到发动机与油耗的关系 有的人往往把油耗的大小与发动机的排量联系在一起 认为大排量的发动机的油耗会大于小排量的发动机 实事不尽然 大车和小车相比油耗相对较大主要是整车质量上的问题而不是发动机的原因 发动机的工作过程中影响油耗的两个最根本因素是空燃比和发动机负荷 这两个值都有一个理论上的最佳值 在实际工作过程中 空燃比和发动机负荷的实际值越接近理论值 汽车就越省油 发动机在负荷为90 空燃比为1 05 1时燃烧效率最高2 轮胎与油耗的关系轮胎作为汽车的关键承载部件之一 承受车辆负荷 向路面传递驱动力和制动力等作用 因此 轮胎也能影响汽车的燃油经济性 操纵性和安全性 胎面上的花纹是轮胎与路面直接接触的唯一部位 从表面上看起来 它的形状 排布不过是简单的直线与弧线的组合 事实上这里边蕴藏着轮胎科技的精华 直接影响着轮胎的抓地力和胎噪 滚动阻力等性能 不同类型花纹的轮胎的燃油消耗率不同 折线花纹轮胎比一般花纹要省油 节油轮胎可省油 节油轮胎比起同规格产品来说 在负载不变的情况下滚动阻力值平均降低21 至24 由于每减少3 5 的滚动阻力就能节约1 的燃油消耗 因此 如果一部车使用四条节油轮胎 平均可降低约5 的汽车燃油量 3 车重与油耗的关系对一台车油耗影响最大的因素其实要算车重 行驶同样的距离 越重的车做功越多 也就需要更多的燃油 4 汽车的传动系对汽车的燃油经济性有重要影响汽车的传动系对汽车的燃油经济性有重要影响 变速器档位越多 不但汽车换档平顺 而且使发动机增加了处于经济工况下运行的机会 有利于提高燃油经济性 因此现代汽车都是趋向于5档或以上变速器 或者采用无极变速 保证在任何条件下具有使发动机在最经济工况下工作的可能性 在速度不变的情况下 接合高速档时 传动比小发动机转速低 接合低速档时 传动比大相应的发动机转速高 由发动机负荷特性可知 当发动机负荷相同时 一般是转速越低燃油消耗率越小 在一定的行驶条件下 传动系的速比越小 汽车的燃油经济性越高 因此汽车的经济行驶都在高档位 自动挡变速箱 挡位越多越省油 无级变速CVT最省油 动力性能提高途径 一 减少摩擦损失 提高发动机内部润滑性能1 合理设置润滑方式2 选择性能良好的润滑部件并合理设置润滑油道3 根据不同地区和气温差异选用质量性能良好的润滑油及润滑脂4 对影响摩擦损失较大的零部件 如汽缸套和活塞环等采用金属陶瓷等新型材料 并进行精磨合 能使摩擦阻力降低80 左右二 减少热损失 改善发动机燃烧条件1 提高发动机的压缩化2 提高发动机的进排气效率3 改善点火提前角4 使用汽油喷射系统 1 环保性能指标及其影响因素 环境指标主要指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 以期削减发动机排气和噪声对环境的污染 当前 排放指标和噪声水平已成为发动机的重要性能指标 1 排放指标主要是指从发动机油箱 曲轴箱排出的气体和从汽缸排出的废气中所含的有害排放物的量 对汽油机来说主要是废气中的一氧化碳 CO 和碳氢化合物 HC 含量 对柴油机来说主要是废气中的氮氧化物 NOx 和颗粒 PM 含量 因此要提高此项指标 必须减少废气中有害气体的含量 2 噪声是指对人的健康造成不良影响及对学习 工作和休息等正常活动发生干扰的声音 由于汽车是城市中的主要噪声源之一 而发动机又是汽车的主要噪声源 因此控制发动机的噪声就显得十分重要 如我国的噪声标准 GB T18697 2002 中规定 轿车的噪声不得大于79dB A 因此 可通过较少发动机噪声产生及降低发动机产生声音的大小来提高此项指标 2 使用性能指标及其影响因素 使用性能指标包含可靠性指标和耐久性指标 1 可靠性指标是表示发动机在规定的使用条件下 在规定的时间内 正常持续工作能力的指标 可靠性有多种评价方法 如首次故障行驶里程 平均故障间隔里程等 2 耐久性指标是指发动机主要零件磨损到不能继续正常工作的极限时间 因此零件寿命直接影响到耐久性指标 提高发动机性能的途径 1 增压2 组织燃烧 提高指示效率 3 提高充两系数 4 提高转速5 提高机械效率6 采用2冲程 总结 一般来讲 衡量一款发动机的好坏主要有三个基本技术指标 功率 扭矩 升功率 数值越高 意味着发动机的动力性能越好 当今社会有许多的因素会影响发动机的动力 比如 油路积碳过多 正时错位 缸压不够 发动机温度过高等等一系列的原因 针对各因素找出方法才能更好的保护好发动机 汽车发动机在我国的发展概况及应用前景 1随着引进产品的国产化及引进技术的消化吸收 我国发动机产品的技术水平有了很大的提高 国外许多先进技术在国产发动机上得以实现 例如多气门 涡轮增压 柴油高压喷射 汽油机电喷 三效催化转化装置应用和废气再循环等 国内原有的机型在引进技术促进下也有了很大的改进与发展 主要表现在以下几个方面 一是用较先进机型逐步取代旧机型 二是CAD CAE CAM等先进技术及先进测试手段及设备在我国发动机行业广泛应用 三是新技术随引进机型出现 四是国内已大批量生产多气门机型发动机 五是国内已出现可变气门升程技术 六是汽油机电喷技术在国内已较广泛使用 七是柴油机燃油喷射系统在技术上有所进展 八是国内涡轮增压器