发动机工作原理与总体构造

汽车拖拉机学 汽车拖拉机学 汽车拖拉机发动机结构与原理汽车拖拉机理论与底盘 主要内容 汽车拖拉机发动机结构与原理 汽车拖拉机理论与底盘 绪论 一 内燃机基本工作特征燃料直接在发动机内部燃烧 并将燃料燃烧释放出的热能转变为机械能的热力发动机称为内燃机 如柴油机 汽油机和煤气机等 一 内燃机的应用和特点 内燃机广泛应用于工业 农业 交通和国防等各个领域 至今 汽车拖拉机的发动机全部采用内燃机 内燃机热效率高 功率范围广 结构紧凑 质量轻 体积小 使用操作方便及运行安全 因为其与外燃机比较 尽管如此 减轻排放污染 减小噪声振动 提高零部件的耐磨性 可靠性 互换性 修复性和整机动力性及经济性仍是内燃机科学技术的重要研究内容 二 内燃机技术发展概况 1 发展史1860年 法国人雷诺尔 Lenoir 研制成功2kW二行程大气压内燃机投入使用 1876年 德国人奥托 Otto 提出并研制出预先压缩四行程煤气内燃机 是第一次重大技术突破 1883年 德国人戴姆勒 Daimler 研制成功化油器式点点火汽油机 转速1000rpm 1883年 德国人奔驰 Benz 研制高速汽油机 并于1886年成功地将汽油机装在车辆上运行 由此诞生了汽车 汽车诞生日1876年 德国奥托制造了世界上第一台往复活塞式四冲程内燃机 1886年 德国人卡尔 本茨设计制造了世界上第一辆汽车 三轮汽车 与此同时 德国人哥德里普 戴母勒发明了世界上第一辆四轮汽车 1886年1月29日被公认为汽车的诞生日 2 内燃机技术的发展现状 1 整机性能不断提高 轻型 高速 大功率 振动小 噪音低 2 增压技术应用广泛 3 电控技术发展迅速 4 陶瓷材料获得应用 概述内燃机的总体构造内燃机的基本工作原理内燃机的主要性能指标影响内燃机工作性能的主要因素 第一章发动机总体构造和工作原理 概述1 发动机及热力发动机 发动机是汽车拖拉机的动力源 凡是能使某种形式的能量转变成机械能的机器都可称为发动机 如热力发动机 水力发动机和风力发动机等 热力发动机是指将燃料燃烧所产生的热能转变成机械能的机器 根据燃料燃烧所处位置的不同 热力发动机又分为外燃机和内燃机两大类 概述2 外燃机和内燃机 燃料在发动机外部燃烧的热力发动机称为外燃机 如蒸气机 汽轮机等 燃料直接在发动机内部燃烧的热力发动机称为内燃机 如柴油机 汽油机和煤气机等 1 1内燃机的总体构造 一 内燃机的分类二 内燃机的总体构造 1 1一 内燃机的分类 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 四行程发动机 二行程发动机 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 直接喷射式发动机发动机 车用内燃机 按冷却方式 按气缸数 按行程数 按燃料类型 1 1一 内燃机的分类 续 压燃式内燃机 点火式内燃机 车用内燃机 直列式 对置式 V型 按着火方式 按排列方式 1 1二 内燃机的总体构造 连杆 飞轮 曲轴 活塞 进气门 排气门 推杆 挺柱 正时齿轮 配气机构 曲柄连杆机构 摇臂 凸轮轴 桑塔纳发动机冷却系示意图 桑塔纳发动机润滑系示意图 单缸发动机结构示意图 桑塔纳发动机结构示意图 1 2内燃机的基本工作原理 一 内燃机的基本术语二 四行程内燃机工作原理 上止点下止点活塞行程 S 曲柄半径 R 气缸工作容积 Vh 发动机排量 VL 燃烧室容积 Vc 气缸总容积 Va 工作循环 VL Vh i Vh D2 S 10 6 4 L D 气缸直径mmS 活塞行程mm 1 2一 基本术语 一 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 1 2二 四冲程发动机的简单工作原理 排气门关闭 进气门开启 活塞 温度370 440K 压力75 90kPa 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 800K 压力600 1500kPa 压缩行程 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1500 1700K 压力300 500kPa 作功行程 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105 125kPa 残余废气 排气行程 表1 1单缸四行程内燃机的工作过程 喷油器 喷油泵 吸气行程 压缩行程 作功行程 排气行程 进气门 排气门 纯空气 温度300 370K压力800 900kPa 温度800 1000K压力3 5MPa 瞬时 温度1800 2200K压力5 10MPa 温度800 1000K压力105 400kPa 终了 温度800 1000K压力105 400kPa 二 四冲程柴油机的工作原理 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 每个工作循环曲轴转两周 每一行程曲轴转半周 只有作功行程产生动力 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 二行程发动机二行程汽油发动机工作原理二行程柴油发动机工作原理 1 2三 二行程发动机的工作原理 压缩混合气 进气 点火燃烧 排气 扫气孔 进气孔 排气孔 火花塞 1 结构 一 二冲程汽油机工作原理 换气 燃烧 排气 压缩 喷油器 空气 扫气泵 废气 排气门 二 二冲程柴油机工作原理 思考 二冲程发动机与四冲程发动机相比 有何优点 理论上它的功率应等于四冲程发动机的二倍 由于作功频率较大 二冲程发动机的运转比较均匀平稳 构造简单 质量较小 易受磨损和经常需要修理的运动部件数量较少 压缩比 定义 压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积之比称为压缩比 用 表示 Va Vc 现代化油器式发动机压缩比一般为6 9 轿车有的达9 11 上海桑塔纳轿车汽油机压缩比为8 2 压缩比过大的不良后果 压缩比过大的不良后果 四冲程发动机工作状态 柴油机工作时各行程状态参数 1 2四 多缸四行程发动机的工作原理 表1 2四缸四行程内燃机的工作过程 1 3内燃机的主要性能指标 内燃机的性能指标用以体现内燃机的动力性 经济性 运转性和耐久可靠性等 可分为四大类 指示性能指标有效性能指标环境性能指标其它性能指标 1 3一 指示性能指标 1 平均指示压力 平均指示压力是指内燃机单位工作容积一个实际循环所做的指示功 1 3一 指示性能指标 续 2 指示功率 指示功率是指内燃机单位时间内所做的指示功 1 3一 指示性能指标 续 3 指示效率指示效率是指实际循环指示功相当的热量与所消耗的燃料热量之比值 4 指示耗油率指示耗油率是指每千瓦小时指示功的耗油量 通常用克表示 1 3二 有效性能指标 以曲轴输出功率为基础 用以评定内燃机设计制造水平和整机性能的指标称为有效性能指标 主要包括 有效功率 平均有效压力 有效转矩 有效效率和有效耗油率等 1 3二 有效性能指标 续 1 有效功率和平均有效压力有效功率是指由试验测得的内燃机曲轴所输出的实际功率 即 机械损失功率 平均有效压力 1 3二 有效性能指标 续 2 有效转矩有效转矩是指从内燃机曲轴上测得的输出转矩 代表内燃机克服负荷的能力 即 1 3二 有效性能指标 续 3 有效效率有效效率是指实际循环有效功 相当的热量与所消耗的燃料热量之比值 即 4 有效耗油率有效耗油率是指每千瓦小时有效功的耗油量 通常用克表示 则 1 3二 有效性能指标 续 5 升功率和比质量升功率是指内燃机每升工作容积所发出的有效功率 即 6 比质量比质量指内燃机的结构质量 净质量 与它所发出的有效功率 额定功率 之比值 它反映了内燃机质量的利用程度和结构紧凑性 1 3三 运转性能指标 内燃机运转性能指标主要指排出气体的品质 噪声和起动性能等 由于这些涉及环境保护与治理的性能不仅直接关系到使用者的安全 而且关系到人类的健康 故必须采用统一标准加以严格控制 1 排气品质内燃机排放污染是指排出废气中的有害成分 主要有一氧化碳 CO 碳氢化合物 HC 氮氧化物 NOx 二氧化硫 SO2 铅化合物 臭味气体 碳烟等固体微粒 以及从曲轴箱通风孔泄漏出的碳氢化合物和从汽油箱逸出的燃油蒸汽等 这些有害排放物主要生成于燃烧过程中 应从混合气形成 燃烧和排气方式上设法加以控制 汽油车怠速污染物排放标准值 柴油车自由加速烟度排放标准 1 3三 运转性能指标 续 2 噪声噪声是对环境的又一污染 内燃机工作时产生的噪声主要由气体噪声 燃烧噪声和机械噪声三部分组成 3 起动性能内燃机在一定温度下能可靠起动 且起动迅速 起动功率消耗小 起动磨损少是其起动性能的重要标志 起动性能的好坏直接影响车辆机动性 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 以下的环境条件下 15s钟以内能顺利启动并自行运转 1 3四 可靠性与耐久性 内燃机的可靠性与耐久性用以衡量其在持续的负荷运转中 工作性能的可靠程度与耐久程度 可靠性是指内燃机在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力 可靠性的评定 最广泛的是采用无故障指标 包括发生故障前的工作时间 故障间隔时间 无故障工作概率等 我国汽车行业对于载货汽车发动机的可靠性评定已有单项指标和综合指标 单项指标包括平均首次故障时间 平均故障间隔时间 当量故障率和使用有效度 综合指标为单项指标加权计算后得出的可靠性水平评定分数 1 3四 可靠性与耐久性 续 耐久性是指内燃机在规定的使用和维修条件下 达到某种技术或经济指标极限时完成规定功能的能力 耐久性常指内燃机的使用寿命或大修寿命 耐久性的评定 设计部门可以按各主要零件的试件在试验中的磨损来确定各主要零件乃至整机的耐久性指标 使用部门可以按整机达到极限状态前的工作小时数或车辆行驶里程数来评定 1 3四 可靠性与耐久性 续 可靠性和耐久性的影响因素 所用材质 加工方法 装配调试 操驶技术 乃至负荷特点 气候因素等 即使同一型号内燃机 可靠性和耐久性也会有相当大差别 内燃机的可靠性与耐久性还与其结构组成和工作机理有关 1 3五 内燃机的热平衡 进入内燃机的燃料所产生的热能只有一部分转化为有效机械能 其余部分通过各种途径而损失 一般情况下 内燃机热平衡方程式可以表述为 1 3五 内燃机的热平衡 续 1 3五 内燃机的热平衡 续 内燃机热平衡中各相对热量的参考范围 1 4影响内燃机工作性能的主要因素 一 机械损失及机械效率的主要影响因素二 内燃机动力性和经济性的主要影响因素 1 4一 机械损失及机械效率的主要影响因素 一 机械损失的基本构成 1 4一 机械损失及机械效率的主要影响因素 续 二 机械效率的主要影响因素 1 气缸直径与活塞行程 2 摩擦损失 1 活塞环的结构与组合 活塞裙部的几何形状 缸套温度及气缸壁与相关运动件的配合间隙等 2 包括承受重负荷的主轴颈 连杆轴颈 平衡轴颈在内的所有轴颈与轴承及其密封装置 3 承受较大负荷的配气机构 特别是低转速下的配气机构处于临界润滑状态 摩擦损失显著增加 1 4一 机械损失及机械效率的主要影响因素 续 3 曲轴转速或活塞平均速度 内燃机曲轴转速增高 活塞平均速度随着增高 各摩擦副之间的相对速度增加 则摩擦损失随之增大 1 4一 机械损失及机械效率的主要影响因素 续 4 负荷变化当内燃机转速一定而负荷减小 供油量减少 时 平均指示压力随之下降 但平均机械损失压力变化很小 机械效率下降 直至内燃机空转时 指示功率全部用于克服机械损失功率 即机械效率等于零 5 润滑油品质和冷却水温度润滑油 机油 粘度对摩擦损失具有重要影响 机油粘度小则流动性好 消耗的摩擦功少 机械效率高 但承载能力差 润滑油膜容易破裂而使润滑失效 反之机油粘度大则流动性差 摩擦损失增加 但其承受能力强 容易保持良好的液体润滑状态 1 4二 内燃机动力性和经济性的主要影响因素 1 22 1 23 1 24 1 25 1 4二 内燃机动力性和经济性的主要影响因素 续 对于机型结构和使用燃料基本确定的内燃机 其相应参数可作为常数 1 26 1 27 1 28 1 4二 内燃机动力性和经济性的主要影响因素 续 对于柴油机 1 29 1 4二 内燃机动力性和经济性的主要影响因素 续 1 4二 内燃机动力性和经济性的主要影响因素 续 1 采用增压技术在保持过量空气系数等参数不变的条件下 增加进气管内的空气密度可以使内燃机有效功率成比例的提高 2 提高指示效率提高指示效率具有改善内燃机动力性和经济性的双重效果 通过对内燃机燃烧过程 混合气的形成 供给系统等方面的改进 寻找减少热力损失的各种途径及各项技术措施 3 提高充量系数对于气缸工作容积