汽车发动机的工作原理及总体构造

汽车发动机的工作原理及总体构造,汽车发动机的工作原理及总体构造,1.汽车发动机的类型,2.往复活塞式内燃机工作原理及基本术语,3.往复活塞式内燃机的基本构造,4.发动机性能指标,优点：与外燃机相比，结构紧凑、体积小、质量轻和容易起动等许多优点,发动机汽车的动力源，心脏。汽车发动机都是热能动力装置，简称热机。热机借助工质的状态变化将燃料燃烧产生的热能转变为机械能。,1.1汽车发动机的类型(1),热机,内燃机,外燃机,直接以燃料燃烧所生成的燃烧产物为工质的热机为内燃机，反之则为外燃机,活塞式内燃机,燃气轮机,蒸汽机、汽轮机和热气机等,1.1汽车发动机的类型(2),由于以上诸多优点，内燃机，尤其是活塞式内燃机被极其广泛的用作汽车动力。活塞式内燃机的分类：,活塞式内燃机,按照活塞运动方式：往复活塞式；旋转活塞式按照所用燃料：汽油机；柴油机；气体燃料发动机按照冷却方式：风冷式；水冷式按照行程数：四冲程；二冲程按照进气状态：增压；非增压,1.1汽车发动机的类型(3),往复活塞式和旋转活塞式,1.1汽车发动机的类型(4),1.1汽车发动机的类型(5),1.1汽车发动机的类型(6),1.1汽车发动机的类型(7),1.2往复活塞式内燃机工作原理及基本术语（1）,1、基本结构,1.2往复活塞式内燃机工作原理及基本术语（11）,2、基本术语1）、工作循环：四个冲程，进气，压缩，做功，排气2）、上下止点：活塞顶离曲轴回转中心最远处为上止点，反之为下止点3）、活塞行程：上下止点之间的距离s为活塞行程；,1.2往复活塞式内燃机工作原理及基本术语（12）,曲轴的回转半径R为曲柄半径，显然有：S=2*r,1.2往复活塞式内燃机工作原理及基本术语（13）,4）、气缸工作容积：上下止点间包含的气缸容积称为气缸工作容积（Vs）,5）、内燃机排量：内燃机所有气缸工作容积的总和称为内燃机排量（VL，有：VL=i*Vs，其中i代表汽缸数）,1.2往复活塞式内燃机工作原理及基本术语（14）,6）、燃烧室容积：活塞位于上止点时，活塞顶面以上气缸盖底面以下所形成的空间称为燃烧室，其容积称为燃烧室容积，也叫压缩容积（Vc）。7）、气缸总容积：气缸工作容积与燃烧室容积之和为气缸总容积。（Va）有：Va=Vs+Vc,1.2往复活塞式内燃机工作原理及基本术语（15）,8）、压缩比：,1.2往复活塞式内燃机工作原理及基本术语（15）,小测试：1）活塞上下止点：2）活塞行程：3）工作容积：4）排量的定义：5）压缩比：,1.2往复活塞式内燃机工作原理及基本术语（16）,9）、工况内燃机在某一时刻的运行状况简称工况，以该时刻内燃机输出的有效功率和曲轴转速表示。曲轴转速即为内燃机转速。10）、负荷率内燃机在某一转速下发出的有效功率与相同转速下所能发出的最大有效功率的比值称为负荷率，以百分数表示。负荷率通常简称负荷。,1.2往复活塞式内燃机工作原理及基本术语（3）,四冲程汽油机工作原理,1.2往复活塞式内燃机工作原理及基本术语（2）,3、内燃机工作原理1)四冲程汽油机工作原理,进气冲程：(1)作用：吸入新鲜混合气(2)活塞运动:从上止点向下止点(3)曲轴转角:0o180o(4)气门状态:进气门打开排气门关闭(5)终了压力:7590kPa(6)终了温度:80130oC,压缩冲程：(1)作用：压缩混合气，为燃烧创造条件(2)活塞运动:从下止点向上止点(3)曲轴转角:180o360o(4)气门状态:进、排气门均关闭(5)终了压力:8001400kPa(6)终了温度:350400oC,做功冲程：(1)作用：燃烧高温高压气体膨胀做功(2)活塞运动:从上止点向下止点(3)曲轴转角:360o540o(4)气门状态:进气门、排气门均关闭(5)最高压力:24903520kPa(6)终了压力:300500kPa(7)终了温度:1200oC,排气冲程：(1)作用：排出膨胀做功后的废气(2)活塞运动:从下止点向上止点(3)曲轴转角:540o720o(4)气门状态:进气门关闭、排气门打开(5)终了压力:105120kPa(6)终了温度:600900oC,1.2往复活塞式内燃机工作原理及基本术语（3）,四冲程汽油机工作原理,1.2往复活塞式内燃机工作原理及基本术语（4）,综上所述：发动机每完成一个工作循环时，曲轴转动二周（720A），进、排气门各开启一次，活塞完成四个行程，其中进气、压缩和排气行程是消耗动力，只有作功行程产生动力。每完成一次进气、压缩、作功、排气的过程，称为一个工作循环。四行程发动机特点：发动机曲轴转二周，活塞往复四个行程完成一个工作循环。,1.2往复活塞式内燃机工作原理及基本术语（5）,四冲程汽油机工作原理,1.2往复活塞式内燃机工作原理及基本术语（6）,2)四冲程柴油机工作原理同样包括进气、压缩、作功和排气等四个过程在各个活塞行程中，进、排气门的开闭和曲柄连杆机构的运动与汽油机完全相同。只是由于柴油和汽油的使用性能不同，使柴油机和汽油机在混合气形成方法及着火方式上有着根本的差别。进气行程在柴油机进气行程中，被吸入气缸的只是纯净的空气。压缩行程因为柴油机的压缩比大，所以压缩行程终了时气体压力高。,1.2往复活塞式内燃机工作原理及基本术语（7）,作功行程在压缩行程结束时，喷油泵将柴油泵入喷油器，并通过喷油器喷入燃烧室。因为喷油压力很高，喷孔直径很小，所以喷出的柴油呈细雾状。细微的油滴在炽热的空气中迅速蒸发汽化，并借助于空气的运动，迅速与空气混合形成可燃混合气。由于气缸内的温度远高于柴油的自燃点，因此柴油随即自行着火燃烧。燃烧气体的压力、温度迅速升高，体积急剧膨胀。在气体压力的作用下，活塞推动连杆，连杆推动曲轴旋转作功。排气行程排气行程开始，排气门开启，进气门仍然关闭，燃烧后的废气排出气缸。,1.2往复活塞式内燃机工作原理及基本术语（8）,四行程柴油机工作原理概略表,1.2往复活塞式内燃机工作原理及基本术语（9）,4、汽油机与柴油机比较共同点：1)每个工作循环都包含进气、压缩、作功和排气等四个活塞行程，每个行程各占180曲轴转角，即曲轴每旋转两周完成一个工作循环。2)四个活塞行程中，只有一个作功行程，其余三个是耗功行程。显然，在作功行程曲轴旋转的角速度要比其他三个行程时大得多，即在一个工作循环内曲轴的角速度是不均匀的。为了改善曲轴旋转的不均匀性，可在曲轴上安装转动惯量较大的飞轮或采用多缸内燃机并使其按一定的工作顺序依次进行工作。,1.2往复活塞式内燃机工作原理及基本术语（10）,不同之处是：1)汽油机的可燃混合气在气缸外部开始形成并延续到进气和压缩行程终了，时间较长。柴油机的可燃混合气在气缸内部形成，从压缩行程接近终了时开始，并占小部分作功行程，时间很短。2)汽油机的可燃混合气用电火花点燃，柴油机则是自燃。所以又称汽油机为点燃式内燃机，称柴油机为压燃式内燃机。,四冲程汽油机、柴油机缸内压力、温度比较（p：Mpa；T：K）,三、四冲程汽油机、柴油机特点比较1、由于柴油机压缩比较高，燃料燃烧非常完全，所以柴油机的有效热效率好，经济性好。汽油机：be=270325g/(kw.h)柴油机:be=214285g/(kw.h)2、柴油机无点火系，所以故障少些，易保养。但柴油机有高精度零件如喷油泵、喷油器等，其成本较高，并且加工较难。3、柴油机最高爆发压力高，所以对发动机的零部件强度要求高，这样导致柴油机笨重。,4、柴油机转速低于汽油机原因：1）由于柴油机的压缩比高，所以其受到的机械负荷较大，故其零部件的质量需较大，导致运动时惯性力较大。2）汽油机可燃混合气的混合时间和质量优于柴油机。5、柴油机运转噪音高，但有害气体的排放优于汽油机，而微粒排放较高。6、柴油机启动困难，汽油机易启动。,1.3二冲程内燃机,1.3二冲程内燃机,1.3二冲程内燃机,1.3二冲程内燃机,二冲程优点1.二冲程发动机没有阀，这就大大简化了它们的结构，减轻了自身的重量。2.二冲程发动机每一回转点火一次，而四冲程发动机每隔一次回转点火一次。动力性较好。这些优点使二冲程发动机更加轻便，简易，制造成本低廉。,1.3二冲程内燃机,二冲程缺点1.二冲程发动机无法像四冲程发动机那样可持续使用那么长时间。精密润滑系统的不足意味着二冲程发动机的零部件耗损得更快。2.二冲程润滑油非常昂贵，每使用一加仑汽油你就需要四盎司润滑油。如果你在轿车上使用二冲程发动机，那么你每一千英里就要烧掉一加仑的润滑油。3.二冲程发动机的燃料消耗效率不高，因而你每加仑油跑不了几里路。,1.3二冲程内燃机,4.二冲程发动机产生很多污染，太多以至于你可能看不到污染在你周围。污染来自两方面。第一是润滑油的燃烧。在某种程度上，润滑油使所有的二冲程发动机烟雾弥漫，一个磨损很严重的二冲程发动机能释放出大团大团的含油烟雾。第二条原因不是很明显。每当往燃烧室注入大量新空气/燃料时，它们中的一些便从排气口泄露了。这正是为何你在任何二冲程摩托艇周围能看到泛着光泽的润滑油。从混有泄出的润滑油的新燃油里释出的碳氢化合物对环境造成了很大的问题。,1.3往复活塞式内燃机基本构造（1）,汽油机：由以下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。,1.3往复活塞式内燃机基本构造（2）,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。,1.3往复活塞式内燃机基本构造（3）,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,1.3往复活塞式内燃机基本构造（4）,3）.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。,1.3往复活塞式内燃机基本构造（5）,4）.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。,1.3往复活塞式内燃机基本构造（6）,5）.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。,1.3往复活塞式内燃机基本构造（7）,6）.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。,1.3往复活塞式内燃机基本构造（8）,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。,1.4往复活塞式内燃机性能指标（1）,发动机的性能指标用来表征发动机的性能特点，并作为评价各类发动机性能优劣的依据。同时，发动机性能指标的建立还促进了发动机结构的不断改进和创新。因此，发动机构造的变革和多样性是与发动机性能指标的不断完善和提高密切相关的。,1.4往复活塞式内燃机性能指标（2）,一、动力性指标动力性指标是表征发动机作功能力大小的指标，一般用发动机的有效转矩、有效功率、转速和平均有效压力等作为评价发动机动力性好坏的指标。1.有效转矩发动机对外输出的转矩称为有效转矩，记作Te，单位为Nm。有效转矩与曲轴角位移的乘积即为发动机对外输出的有效功。,1.4往复活塞式内燃机性能指标（3）,2.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，记作pe单位为KW。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方法测定，也可用测功器测定有效转矩和曲轴角速度，然后用公式计算出发动机的有效功率pe：式中：Te有效转矩，Nm；n曲轴转速，r/min。,1.4往复活塞式内燃机性能指标（4）,3.发动机转速发动机曲轴每分钟的回转数称为发动机转速，用n表示，单位为r/min。发动机转速的高低，关系到单位时间内作功次数的多少或发动机有效功率的大小，即发动机的有效功率随转速的不同而改变。因此，在说明发动机有效功率的大小时，必须同时指明其相应的转速。在发动机产品标牌上规定的有效功率及其相应的转速分别称作标定功率和标定转速。发动机在标定功率和标定转速下的工作状况称作标定工况。标定功率不是发动机所能发出的最大功率，它是根据发动机用途而制定的有效功率最大使用限度。,1.4往复活塞式内燃机性能指标（4）,4.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。,1.4往复活塞式内燃机性能指标（5）,二、经济性指标发动机经济性指标包括有效热效率和有效燃油消耗率等。1.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。,1.4往复活塞式内燃机性能指标（6）,2.有效燃油消耗率发动机每输出1kW的有效功所消耗的燃油量称为有效燃油消耗率，记作be，单位为g/（kWh）。式中：B发动机在单位时间内的耗油量，kg/h；Pe发动机的有效功率，kW。显然，有效燃油消耗率越低，经济性越好。,1.4往复活塞式内燃机性能指标（7）,三、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。1.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。2.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。,1.4往复活塞式内燃机性能指标（8）,四、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。五、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。,1.4往复活塞式内燃机性能指标（9）,六、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。七、耐久性指标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。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。八、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