第一章.汽车发动机的工作原理及总体构造

1、 第一章第一章.发动机的工作原理及总体构造发动机的工作原理及总体构造 重点内容重点内容 发动机结构基本术语发动机结构基本术语 四行程发动机的工作原理四行程发动机的工作原理 发动机的总体构造发动机的总体构造 发动机的主要性能指标发动机的主要性能指标 第一节第一节.汽车发动机的定义及类型汽车发动机的定义及类型 一一.汽车发动机的定义及其类型汽车发动机的定义及其类型 （一）定义：（一）定义： 1) 发动机：发动机：将某一种形式的能量转换为机将某一种形式的能量转换为机 械能的机器。械能的机器。 2) 热力发动机（热机）：热力发动机（热机）：将热能转换为机将热能转换为机 械能的机器。包括内燃机和外燃机两

2、种。械能的机器。包括内燃机和外燃机两种。 3) 内燃机：内燃机：燃料（气、液体）燃烧的热气燃料（气、液体）燃烧的热气 直接将所含热能转变为机械能的一种机器。直接将所含热能转变为机械能的一种机器。 （二）内燃机的用途和特点（二）内燃机的用途和特点 1、用途：、用途： 在交通运输、工程机械、军用国防、中小电在交通运输、工程机械、军用国防、中小电 站等处均能用到。站等处均能用到。 2、特点（相对于蒸汽机）、特点（相对于蒸汽机） 1）有效热效率较高）有效热效率较高 蒸汽机：蒸汽机：1116 柴油机（增压后）：柴油机（增压后）：3046 汽油机：汽油机：2030 2）功率范围广，适应性好）功率范围广，适

3、应性好 3）体积功率高，单位功率质量小）体积功率高，单位功率质量小 4）使用操纵方便，启动快）使用操纵方便，启动快 5）运行比较安全，不易引起爆炸事故）运行比较安全，不易引起爆炸事故 6）对于燃料的要求较高，不能直接使用固）对于燃料的要求较高，不能直接使用固 体燃料体燃料 7）排放、噪声引起的危害较大）排放、噪声引起的危害较大 8）结构较复杂，零件的加工精度高）结构较复杂，零件的加工精度高 二二.内燃机的分类内燃机的分类 （一）（一）按所用燃料分按所用燃料分 1、汽油机、汽油机 2、柴油机、柴油机 3、气体燃料发动机、气体燃料发动机 （二）（二）按燃料在汽缸内的着火方式分按燃料在汽缸内的着火方

4、式分 1、压燃式内燃机（如：柴油机）、压燃式内燃机（如：柴油机） 2、点燃式内燃机（如：汽油机）、点燃式内燃机（如：汽油机） （三）（三）按完成一个工作循环的冲程数分按完成一个工作循环的冲程数分 工作循环：工作循环：发动机各气缸完成进气、压缩、做功、发动机各气缸完成进气、压缩、做功、 排气四个过程称为一个工作循环。排气四个过程称为一个工作循环。 1、二冲程内燃机：二冲程内燃机：曲轴转一圈，活塞在气缸内曲轴转一圈，活塞在气缸内 上下往复各一次完成一个工作循环的内燃机。上下往复各一次完成一个工作循环的内燃机。 2、四冲程内燃机：四冲程内燃机：曲轴转两圈，活塞在气缸内曲轴转两圈，活塞在气缸内 上下往

5、复各两次完成一个工作循环的内燃机。上下往复各两次完成一个工作循环的内燃机。 （四）按冷却方式分（四）按冷却方式分 1、水冷式水冷式内燃机内燃机 2、风冷式风冷式内燃机内燃机 （五）按气缸数目分（五）按气缸数目分 1、单缸机单缸机 2、多缸机多缸机 （六）按进气方式分（六）按进气方式分 1、非增压非增压内燃机内燃机 2、增压增压内燃机内燃机 （七）按活塞运动方式分（七）按活塞运动方式分 1、往复式往复式活塞式活塞式 2、旋转式旋转式活塞式活塞式 第二节第二节.四冲程发动机工作原理四冲程发动机工作原理 一一. 基本结构基本结构 见课本见课本11页页 二二. 基本术语基本术语 1.工作循环：工作循环

6、：发动机各气缸完成进气、压发动机各气缸完成进气、压 缩、缩、 做功、排气四个过程成为一个工作循环。做功、排气四个过程成为一个工作循环。 2.上止点（下止点）：上止点（下止点）：活塞顶离曲轴旋转中活塞顶离曲轴旋转中 心最远（近心最远（近)处。即活塞的最高（低）位置。处。即活塞的最高（低）位置。 v 上止点上止点 v 下止点下止点 v 活塞行程活塞行程(S) v 曲柄半径曲柄半径(R) v 气缸工作容积气缸工作容积(V h ) v 发动机排量发动机排量(VL) v 燃烧室容积燃烧室容积(Vc ) v 气缸总容积气缸总容积(Va ) v 工作循环工作循环 3. 活塞的行程：上下止点之间的距离活塞的行

7、程：上下止点之间的距离S。 4. 气缸工作容积（气缸排量）气缸工作容积（气缸排量）Vs： 活塞从上止点到下止点所扫过的容积。活塞从上止点到下止点所扫过的容积。 定义式：定义式： Vs=（ /4 106）D2S(L) 常作为表征内燃机尺寸大小及动力性能的主要常作为表征内燃机尺寸大小及动力性能的主要 结构参数之一。结构参数之一。 5. 发动机排量（发动机工作容积）发动机排量（发动机工作容积）VL ： 发动机各气缸工作容积的总和。发动机各气缸工作容积的总和。 定义式：定义式：VL Vs*i i:发动机气缸数。发动机气缸数。 6. 燃烧室容积燃烧室容积Vc： 活塞在上止点时，活塞顶以上的空间容积活塞在

8、上止点时，活塞顶以上的空间容积。 7. 气缸总容积气缸总容积Va： 活塞在下止点时，活塞顶以上的空间容积。活塞在下止点时，活塞顶以上的空间容积。 定义式：定义式：VaVsVc 8. 压缩比压缩比： 压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积 之比。之比。 定义式：定义式：Va/ Vc 物理意义：物理意义：表示气缸内气体被压缩的倍数或燃气燃表示气缸内气体被压缩的倍数或燃气燃 烧后膨胀的倍数。是发动机的重要性能参数。烧后膨胀的倍数。是发动机的重要性能参数。 柴油机柴油机：1422 汽油机汽油机：69（轿车有的达到（轿车有的达到911） 9. 工况：工况

9、：内燃机在某一时刻的运行状况简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的和曲轴转速表示。曲轴转速即为内燃机的 转速。转速。 10.负荷率：负荷率： 内燃机在某一转速下发出的内燃机在某一转速下发出的 有效功率与相同转速下发出的最大有效功有效功率与相同转速下发出的最大有效功 率的比值成为负荷率，以百分数表示。负率的比值成为负荷率，以百分数表示。负 荷率通常简称为负荷。荷率通常简称为负荷。 三、四冲程汽油机的工作原理三、四冲程汽油机的工作原理 1、进气行程、进气行程 活塞：活塞：从上止点移动到下止点从上

10、止点移动到下止点 气门：气门：进气门打开，排气门关闭进气门打开，排气门关闭 曲轴：曲轴：旋转从旋转从 0A180A 进气终了压力：进气终了压力：pde0.0750.09 Mpa 进气终了温度：进气终了温度：Tde370400K 2.压缩行程压缩行程 活塞：活塞：从下止点移动到上止点从下止点移动到上止点 气门：气门：进气门关闭，排气门关闭进气门关闭，排气门关闭 曲轴：曲轴：旋转从旋转从180A360A 压缩终了压力：压缩终了压力：pco0.81.5 Mpa 压缩终了温度：压缩终了温度：Tco600750 K 压缩行程压缩行程 进气门关闭 排气门关闭 压缩比： =Va/Vc P V r a 示功图

11、 大气压力线大气压力线 c 上止点 下止点 温度600800K， 压力6001500 kPa 3.作功行程作功行程 活塞：活塞：从上止点移动到下止点从上止点移动到下止点 气门：气门：进气门关闭，排气门关闭进气门关闭，排气门关闭 曲轴：曲轴：旋转从旋转从360A540A 最高压力：最高压力：pmax3.06.5 Mpa 最高温度：最高温度：Tmax22002800 K 膨胀终了压力：膨胀终了压力：pex0.350.5Mpa 膨胀终了温度：膨胀终了温度：Tex12001500 K 作功行程作功行程 进气门关闭 排气门关闭 P V r a 示功图 大气压力线大气压力线 c Z b 上止点 下止点 瞬

12、时最高：温度 22002800 K， 压 力35MPa 作功终了：温度 15001700 K， 压 力300500 KPa 4、排气行程、排气行程 活塞：活塞：从下止点移动到上止点从下止点移动到上止点 气门：气门：进气门关闭，排气门开启进气门关闭，排气门开启 曲轴：曲轴：旋转从旋转从540720 排气终了气体压力（残余废气压力）：排气终了气体压力（残余废气压力）： pr0.1050.12 Mpa 排气终了气体温度（残余废气温度）：排气终了气体温度（残余废气温度）： Tr9001100 K 排气行程排气行程 进气门关闭 排气门打开 P V r 示功图 大气压力线大气压力线 c Z b 上止点 下

13、止点 温度9001200 K 压 力105125 kPa 残余废气 二、四冲程柴油机的工作原理二、四冲程柴油机的工作原理 1.进气冲程进气冲程 与汽油机主要区别：与汽油机主要区别：进入气缸的是纯空进入气缸的是纯空 气。气。 进气终了压力：进气终了压力：pde0.0850.095Mpa 进气终了温度：进气终了温度：Tde310340K 2.压缩冲程压缩冲程 与汽油机的主要区别与汽油机的主要区别： 压缩比高于汽油机；在压缩行程快要结束压缩比高于汽油机；在压缩行程快要结束 的时候，喷油器向气缸内喷入柴油。当油的时候，喷油器向气缸内喷入柴油。当油 与空气混合后在高压下达到其自燃点就开与空气混合后在高压

14、下达到其自燃点就开 始着火燃烧。始着火燃烧。 压缩终了压力：压缩终了压力：pco3.05.0 Mpa 压缩终了温度：压缩终了温度：Tco7501000K 3.做功冲程做功冲程 柴油机由于是边喷油、边混合、边燃烧，柴油机由于是边喷油、边混合、边燃烧， 所以，所以最开始虽然活塞有所下行，但所以，所以最开始虽然活塞有所下行，但 气缸内的压力基本不变。气缸内的压力基本不变。 最高压力：最高压力：pmax69Mpa 最高温度：最高温度：Tmax18002200K 膨胀终了压力：膨胀终了压力：pex0.20.5Mpa 膨胀终了温度：膨胀终了温度：Tex10001200K 4.排气冲程排气冲程 排气终了气体

15、压力：排气终了气体压力：p r 0.105 0.12Mpa 排气终了气体温度：排气终了气体温度：Tr700900K 三、四冲程汽油机、柴油机特点比较三、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，经济完全，所以柴油机的有效热效率好，经济 性好。性好。 汽油机：汽油机：be=270325 g/(kw.h) 柴油机柴油机: be=214285 g/(kw.h) 2、柴油机无点火系，所以故障少些，易保柴油机无点火系，所以故障少些，易保 养。但柴油机有高精度零件如喷油泵、喷养。但柴油机有高精度零件如喷油泵、喷

16、油器等，其成本较高，并且加工较难。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，这样导致柴油机笨的零部件强度要求高，这样导致柴油机笨 重重 4、柴油机转速低于汽油机柴油机转速低于汽油机 原因：原因：1）由于柴油机的压缩比高，所以其）由于柴油机的压缩比高，所以其 受到的机械负荷较大，故其零部件的质量受到的机械负荷较大，故其零部件的质量 较大，导致运动时惯性力较大。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）汽油机可燃混合气的混合时间和 质量优于柴油机。质量优于柴油机。 5、柴油机运转噪音高，但

17、有害气体的排放柴油机运转噪音高，但有害气体的排放 优于汽油机，而微粒排放较高。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。柴油机启动困难，汽油机易启动。 汽油机与柴油机、四冲程与二冲程内燃机的比较汽油机与柴油机、四冲程与二冲程内燃机的比较 四冲程汽油机与四冲程柴油机的四冲程汽油机与四冲程柴油机的共同点共同点是：是： 1)1)每个工作循环都包含进气、压缩、作功和排气等四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，每个行程各占个活塞行程，每个行程各占180180曲轴转角，即曲轴每曲轴转角，即曲轴每 旋转旋转两周两周完成一个工作循环。完成一个工作循环。 2)2)四个

18、活塞行程中，只有一个作功行程，其余三个是四个活塞行程中，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，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可在曲轴上安装转动惯量较大的飞轮惯量较大的飞轮或采用多缸内燃或采用多缸内燃 机并使其按一定的工作顺序依次进行工作。机并使其按一定的工作顺序依次进行工作。 四冲程汽油机与四冲程柴油机的四冲程汽油机与四冲程柴油机的不同

19、点不同点是：是： 1)1)汽油机的可燃混合气在汽油机的可燃混合气在气缸外部气缸外部开始形成并延开始形成并延 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 可燃混合气在可燃混合气在气缸内部气缸内部形成，从压缩行程接近终形成，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。了时开始，并占小部分作功行程，时间很短。 2)2)汽油机的可燃混合气用汽油机的可燃混合气用电火花点燃电火花点燃，柴油机则，柴油机则 是是自燃自燃。所以又称汽油机为点燃式内燃机，称柴。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。油机为压燃式内燃机。 第四节第四节.发动机

20、的总体构造发动机的总体构造 一、机体组一、机体组 作用：是发动机各机构各系统的装配基体。作用：是发动机各机构各系统的装配基体。 组成：气缸盖、气缸体、油底壳等组成：气缸盖、气缸体、油底壳等 二、曲柄连杆机构二、曲柄连杆机构 作用：是发动机借以产生动力，并将活塞的往复直线运作用：是发动机借以产生动力，并将活塞的往复直线运 动转变为曲轴旋转运动而输出动力的机构动转变为曲轴旋转运动而输出动力的机构 组成：活塞、连杆、曲轴、飞轮等组成：活塞、连杆、曲轴、飞轮等 三、配气机构三、配气机构 作用：使可燃混合气及时充入气缸并及时从气缸排除废作用：使可燃混合气及时充入气缸并及时从气缸排除废 气。气。 组成：进

21、（排）气门、摇臂、凸轮轴等组成：进（排）气门、摇臂、凸轮轴等 四、供给系四、供给系 作用：根据发动机各种工况要求，配置具有一定数量和浓度的可燃作用：根据发动机各种工况要求，配置具有一定数量和浓度的可燃 混合气供入气缸，并将燃烧后生成的废气排出发动机。混合气供入气缸，并将燃烧后生成的废气排出发动机。 组成：汽油箱、汽油泵、汽油滤清器、化油器等组成：汽油箱、汽油泵、汽油滤清器、化油器等 五、点火系五、点火系 作用：保证按规定时刻及时点燃气缸中被压缩的可燃混合气。作用：保证按规定时刻及时点燃气缸中被压缩的可燃混合气。 组成：蓄电池、发电机、火花塞、分电器等组成：蓄电池、发电机、火花塞、分电器等 六、

22、冷却系六、冷却系 作用：散发受热机件的热于大气中，以使发动机在最适宜的温度下作用：散发受热机件的热于大气中，以使发动机在最适宜的温度下 工作。工作。 组成：水泵、水箱、风扇、节温器等组成：水泵、水箱、风扇、节温器等 七、润滑系七、润滑系 作用：将润滑油不断地供给作相对运动地零件以减少他们之间的摩作用：将润滑油不断地供给作相对运动地零件以减少他们之间的摩 擦阻力，减轻机件的磨损。擦阻力，减轻机件的磨损。 组成：机油泵、机油滤清器、润滑油道等组成：机油泵、机油滤清器、润滑油道等 八、起动系八、起动系 作用：使静止的发动机启动并转入自行的运转。作用：使静止的发动机启动并转入自行的运转。 组成：起动机

23、及其附属组成：起动机及其附属装置装置 第五节第五节 发动机的性能指标发动机的性能指标 一、动力性指标一、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，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。均有效压力等作为评价发动机动力性好坏的指标。 1.1.有效转矩有效转矩 发动机对外输出的转矩称为有效转矩，记作发动机对外输出的转矩称为有效转矩，记作 T Te e， 单位为单位为 NmNm 。 2.2.有效功率有效功率 发动机在单位时间对外输出的有效功称为有效功发动机

24、在单位时间对外输出的有效功称为有效功 率，记作率，记作 pepe 单位为单位为 KWKW。它等于有效转矩与曲轴。它等于有效转矩与曲轴 角速度的乘积。角速度的乘积。 式中：式中：TeTe有效转矩，有效转矩，NmNm； n n曲轴转速，曲轴转速，r/minr/min。 3.3.发动机转速发动机转速 发动机曲轴每分钟的回转数称为发动机转速，发动机曲轴每分钟的回转数称为发动机转速， 用用 n n 表示，单位为表示，单位为 r/minr/min 。发动机转速的高低，。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

25、转速的不同功率的大小，即发动机的有效功率随转速的不同 而改变。而改变。 二、二、 经济性指标经济性指标 发动机经济性指标包括发动机经济性指标包括有效热效率有效热效率和和有效燃油消有效燃油消 耗率耗率等。等。 1.1.有效热效率有效热效率 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，记作有效热效率，记作 ee。显然，为获得一定数量的。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。机的经济性越好。 2.2.有效燃油消耗率有效燃油消耗率 发动机每输出发动机每输