内燃机总体构造和工作原理

1、第一章 内燃机总体构造和工作原理内燃机是指燃料直接在发动机内部燃烧的一种热力发动机。内燃机每实现一次热功转换，要经历一系列连续过程，构成一个工作循环。内燃机由于具有热效率高、体积小、质量轻、便于移动及起动性能好等优点，广泛应用于各种车辆和农业装备等。目前，内燃机已经成为工农业发展的重要动力之一。 在农业生产中，农业装备因作业环境复杂，道路条件差，且经常处于变负荷及全负荷工作状态，所以，对其发动机有以下几点要求：（1）有良好的动力性和经济性；（2）噪声和振动要小，排气污染要轻；（3）零件应有较高的耐磨性和使用可靠性；（4）应有较高的互换性和良好的修复性能；（5）结构简单，使用、维护、拆装简便。本

2、章主要阐述内燃机的总体结构、基本工作原理、主要性能指标及影响内燃机工作性能的主要因素。第一节 内燃机的总体构造一、内燃机的分类内燃机的结构型式很多，根据其将热能转化为机械能的主要构件的形式，可分为活塞式内燃机和燃气轮机两类。活塞式内燃机又可按活塞运动方式分为往复活塞式和旋转活塞式两种。往复活塞式内燃机在汽车、拖拉机上应用最为广泛。活塞式内燃机根据不同的特征可以分为以下几类：（一）按所用燃料分类       可分为液体燃料发动机（汽油机、柴油机等）和气体燃料发动机（天然气发动机、液化石油气发动机等）。（二）按着火方式分 

3、60;  可分为压燃式发动机和点燃式发动机。同样条件下，由于柴油自燃点比汽油低，因此采用压燃式（自燃式）着火。即通过喷油泵和喷油器将柴油直接喷入发动机气缸内，在气缸内与压缩空气均匀混和后，在高压高温下自燃。汽油自燃温度比柴油要高，因此一般采用点燃式着火。即利用火花塞发出的电火花强制点燃汽油，使其着火燃烧。（三）按工作循环的行程数分  内燃机每一次将热能转变为机械能都必须经过吸入空气、压缩和输入燃料，使混和气体着火燃烧而膨胀作功，最后排除废气的这样一系列连续过程，即完成一个工作循环。往复活塞式发动机根据每一工作循环所需活塞行程数来分，四个行程完成一个工作循环的称为四行程内燃机

4、，两个行程完成一个工作循环的称为二行程发动机。（四）按气缸数及其排列方式分  仅有一个气缸的称为单缸内燃机，有两个及以上的称为多缸内燃机机。单缸有立式、卧式，多缸有V形和对置式。（五）按冷却方式分    根据冷却方式不同，发动机可以分为水冷式和风冷式。此外，内燃机还可按进气方式分类。不装增压器，空气靠活塞的抽吸作用进入气缸内的内燃机称为非增压式内燃机；装有增压器，并通过其提高进气压力和进气量的发动机称为增压式内燃机。近年来，还有按气缸的气门数来分类的方法。当每个气缸设有一个进气门和一个排气门的，称为二气门内燃机；每个缸设有2个进气门和2个排气门的，称为四

5、气门内燃机；每个气缸设有3个进气门和2个排气门的，称为5气门内燃机。二、内燃机的总体构造内燃机是由多个机构和系统组成的复杂机器。其结构型式多样，即使是同一类型的内燃机，具体构造也是多种多样。但就其总体功能而言，基本上都是由以下的机构和系统组成：曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系统、润滑系统、冷却系统、点火系统、起动系统。（一）柴油机的总体结构柴油机通常由两大机构四大系统构成。如图1-1我国第一汽车集团公司无锡柴油机厂生产的6110B型，立式6缸往复四行程压燃式水冷增压高速柴油机。     图1-1  第一汽车集团公司6110B柴油机纵

6、横剖面图a纵剖面          1-1  第一汽车集团公司6110B柴油机纵横剖面图（续）b横剖面 1曲柄连杆机构曲柄连杆机构主要由活塞组、连杆组、曲轴飞轮组等组成。它是柴油机运动和动力传递的核心，即通过连杆实现活塞在气缸中的往复运动与曲轴旋转运动的有机联系，将活塞的推力转变为曲轴的转矩，达到运动和动力输出的最终目的。与曲柄连杆机构直接相关的机体、气缸套、气缸盖和油底壳等构件，是整台柴油机所有机构和系统的支承。2配气机构配气机构主要由气门组、气门传动组和气门驱动组等组成。它严格按照

7、柴油机既定工作循环的要求，通过气门的“早开迟闭”，将干净的新鲜空气尽可能多的适时充入气缸，并及时将废气从气缸中排出。与配气机构直接相关的还有设置在气缸盖内的进气道和排气道及与它们连接的进气歧管和排气歧管、空气滤清器、消声灭火器等构件。增压式柴油机还专门设置了利用废气带动涡轮的增压器。3燃料供给系统燃料供给系统包括低压油路和高压油路两部分。低压油路依次由燃油箱、柴油滤清器、输油泵和低压油管等组成；高压油路依次由喷油泵及调速器、高压油管和喷油器等组成。它们根据柴油机工作循环的需要和工作负荷的变化，将清洁的高压柴油适时适量地供给喷油器，喷油器又使柴油以雾状喷入燃烧室，继而与气缸内的压缩空气得以混合并

8、燃烧。4润滑系统润滑系统一般由机油泵、机油滤清器、限压阀、润滑油道、机油冷却器和油底壳等组成。其功能是将润滑油压送到相对运动零件的摩擦表面，达到减少摩擦阻力，减轻零件磨损，清洗运动零件表面磨屑和冷却、减振、防锈等综合效果。5冷却系统冷却系统主要由水泵、节温器、散热器、循环水套、分水管和风扇及机油散热器等组成。它使受热零件多余热量得以散发，保证柴油机工作温度不致过高或过低。6起动系统起动系统因起动方式不同使其组成各异。利用电动机起动时，包括蓄电池、电起动机、传动装置和起动安钮等；利用辅助发动机起动时，包括起动发动机、传动机构和操纵机构等。为有利于起动，多数柴油机上还没有减压机构和预热装置。因此，

9、起动系统是借助外力使静止的柴油机起动并转入自行运转。（二）汽油机的总体结构汽油机通常由两大机构五大系统等构成。图1-2为用于小轿车的奥迪（Audi）A4型汽油机结构图。其曲柄连杆机构、配气机构、润滑系统、冷却系统和起动系统的构成与柴油机类似，这里不再赘述。但是汽油机燃料供给系统与柴油机差别较大，且汽油机还设有点火系统。1燃料供给系统传统的燃料供给系统主要由汽油箱、汽油泵、滤清器、化油器、空气滤清器、进气歧管、排气歧管和消声灭火器等组成。它根据汽油机工作循环的需要和工作负荷的变化，将清洁的汽油和空气适时适量混合成浓度合适的可燃混合气并充入气缸燃烧。现代的燃料供给系统主要由燃油供给系统，空气供给系

10、统和电子控制系统等组成。其中，汽油供给系统包括汽油箱、电动汽油泵、汽油滤清器、汽油压力调节器、喷油器、冷起动喷油器和汽油压力缓冲器等；空气供给系统包括空气滤清器、空气流量计或进气压力传感器、节气门和怠速空气阀等；电子控制系统包括电控单元、各类传感器和执行装置等。正是基于此类电子控制燃油喷射装置的应用，显著提高了汽油机的动力性和经济性 ，并大大降低了废气中的有害排放物。此外，汽油喷射燃油供给系统还具有结构紧凑、可靠性高、耗电量少、响应性好、成本低廉等优点，它已成功的取代了化油器式燃油供给系统，并逐步得以广泛应用。2.点火系统柴油机气缸内燃油燃烧前最高温度可达773973K（500700），大大超

11、过柴油的自燃温度473673K（200400）。所以柴油喷入气缸后，能够在很短的时间内与空气混合后自行着火燃烧。汽油机其时缸内温度为573673K（300400），低于汽油的自燃温度，不能自行着火燃烧。因而，为了保证其顺利燃烧膨胀作功，需要在燃烧室内设置火花塞，用电火花引燃。通常，我们称能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部装置为汽油机的点火系统。汽油机点火系统的功用：按汽油机各缸的点火顺序和一定的提前量，及时供给火花塞足够的高压电，使其两级间产生足够强烈的电火花，保证顺利点燃混合气并膨胀作功。图1-2 奥迪（Audi）A4型汽油机     &

12、#160;  第二节 内燃机的基本工作原理一、内燃机基本术语（一）止点1.上止点：活塞在气缸中运动，当活塞离曲轴中心最远时，活塞顶部所处的位置。2.下止点：活塞在气缸中运动，当活塞离曲轴中心最近时，活塞顶部所处的位置。   图1-3  内燃机的结构1-气缸盖  2-排气门  3-进气门  4-喷油器  5-气缸  6-活塞  7-活塞销8-连杆  9-主轴承  10-曲轴  11-曲柄  12-飞轮 （二）活塞行程活塞从一个止点运动到另一个止点所

13、经过的距离。常用字母“S”表示，即曲轴每转半圈（180°），活塞运动一个行程。（三）容积1.燃烧室容积：活塞位于上止点时，活塞顶部与气缸盖之间的空间容积。常用“Vo”表示。2.气缸工作容积：活塞从上止点运动到下止点时，它所扫过的空间容积。常用“Vh”表示，即                           

14、0;                                          （1-1）式中   D气缸直径（cm）   

15、0;   S活塞行程（cm）3.气缸总容积：活塞位于下止点时，活塞顶部与气缸盖之间的空间容积。常用“Va”表示，即                                （1-2）（四）压缩比气缸总容积与燃烧室容积之比值，常用“”表示，即  

16、                     =                     （1-3）   压缩比表示活塞从下止点运动到上止点时，气体在气缸内被压缩的

17、程度。不同类型的内燃机对压缩比的要求不同，柴油机较高（=1522），汽油机较低（=610）。（五）活塞总排量多缸内燃机所有气缸工作容积之和，用“Vz”表示，即                                Vz=Vh·I   

18、0;                     （1-4）      式中  I气缸数二、四行程内燃机工作原理（一）四行程汽油机工作原理现代汽车发动机的构造如图14所示。a图1-4  汽车发动机的构造（菲亚特发动机）1-油底壳  2-曲轴带轮  3-曲轴  4-连杆  5-水泵带轮

19、  6-水泵  7-活塞  8-气缸盖  9-加机油盖  10-火花塞  11-气缸体  12-飞轮（汽车构造 陈家瑞主编 2002年）图1-4  汽车发动机的构造（菲亚特发动机）13-发电机  14-排气管  15-排气凸轮轴  16-气门  17-气门弹簧  18-进气凸轮轴  19-空气滤清器  20-节气门  21-分电器  22-机油滤清器  23-机油泵  24-集滤器为使内燃机产生动力，必须先

20、将燃料和空气送入气缸，经压缩后使之燃烧产生热能，燃烧后膨胀的气体推动气缸内的活塞7，活塞通过活塞销、连杆4与曲轴3相连接，从而使曲轴3旋转，将热能转变成机械能，最后再将燃烧后的废气排出气缸。至此，内燃机完成一个工作循环。活塞在气缸内往复四个行程即曲轴旋转两周完成一个工作循环的内燃机，称为四行程内燃机。在四行程内燃机每个工作循环，活塞的四个行程分别为：进气行程、压缩行程、膨胀行程（作功行程）和排气行程。通常利用示功图表示活塞在不同位置时气缸内压力的变化情况，分析工作循环中气体压力p与相应活塞不同位置的气缸容积V之间的变化关系，其中，曲线围成的面积表示单个气缸内一个工作循环中的气体所作的功。四行程

21、汽油机的示功图如图15所示：1.进气行程（图15a） 化油器式汽油机将空气与燃料在气缸外的化油器中进行混合，形成可燃混合气并被吸入气缸。进气过程中，进气门开启，排气门紧闭。随着活塞从上止点向下止点移动，活塞上方的气缸容积增大，气缸内的压力降低到大气压以下，从而产生真空吸力。这样可燃混合气便经过进气管道和进气门被吸入气缸。由于进气系统中的阻力，在进气终了时，缸内气体压力略低于大气压，约为0.075MPa0.09MPa。同时吸入的可燃混合气与气缸壁、活塞顶等高温机件接触，以及和前一循环完成后残留缸内的高温废气混合，至使可燃混合气温度高达370K400K。示功图，曲线ra位于大气压力线以下，它与大气

22、压力线纵坐标之差为活塞在缸内各位置时的真空度。2.压缩行程（图15b） 为使吸入气缸的混合气迅速燃烧，产生较大压力，进而使内燃机发出较大功率，必须在混合气燃烧前将其压缩，使其体积缩小、密度增大、温度升高。因此，在进气行程终了时要立即进入压缩行程。在此行程中，进气门、排气门全部关闭，曲轴推动活塞由下止点向上止点移动一个行程。示功图曲线ac表示当活塞到达上止点时，混合气被压入活塞上方很小的燃烧室中。可燃混合气的压力pc高达0.6MPa1.2MPa，温度可达600K700K。气缸中气体压缩前最大容积与压缩后最小容积之比即为压缩比。现代汽油机压缩比有的高达911，例如上海大众生产的桑塔纳2000轿车发

23、动机的压缩比为9.5:1。3.作功行程（图1-5c）  在此行程中，进、排气门仍旧关闭。当活塞接近压缩行程上止点时，气缸盖上的火花塞即发出电火花，点燃被压缩的可燃混合气。可燃混合气燃烧后，放出大量的热能，其压力和温度迅速增加，所能达到的最高压力Pz约3MPa5MPa，相应温度为2200K2800K。高温、高压燃气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能。示功图曲线zb表示活塞向下移动时，气缸容积逐渐增加，其内气体压力和温度逐渐降低，在作功行程终了的b点，压力降至0.3MPa0.5MPa，温度则降为1300K1600K。4.排气行程（图1-5d）  可燃混

24、合气燃烧后生成的废气，必须从气缸中排除，以便进行下一个工作循环。当作功行程接近终了时，排气门开启，依靠废气的压力进行自由排气；当活塞到达下止点后再向上止点移动时，继续将废气强制排入大气中。活塞到上止点附近时，排气行程结束。示功图曲线br表示排气行程中，气缸内压力约高于大气压力 0.105MPa0.115MPa。排气终了时，废气温度约为900K1200K。由于燃烧室具有一定的容积，排气终了时不可能将废气排尽，留下的废气称为残余废气。压缩比越大，压缩终了时的混合气压力和温度均越高，燃烧速度就越快，从而使内燃机发出的功率增大，热效率提高，经济性更好。压缩比过大时，不仅不能改善燃烧状况，反而会引起爆燃

25、和表面点火等不正常燃烧现象。爆燃是由于可燃混合气压力和温度过高，使燃烧室内离点燃中心较远处的可燃混合气自燃而造成的一种不正常燃烧。此时，火焰以极高的速率传播，温度和压力急剧升高，形成压力波。以致撞击燃烧室并产生尖锐的敲缸声。同时，还会引起内燃机过热、功率下降、燃油消耗量增加等一系列不良后果。爆燃严重时甚至造成气门烧毁、轴瓦破裂、活塞烧顶、火花塞绝缘体被击穿等损坏现象。表面点火是燃烧室内炽热表面（如排气门头、火花塞电极、积炭）点燃混合气产生的另一种不正常燃烧现象。表面点火发生时，也会伴有强烈的敲击声，产生的高压会使机件负荷增加，寿命降低。a    

26、0;                             bc                     &

27、#160;                d图1-5  四行程汽油机的示功图a进气行程   b压缩行程   c作功行程（膨胀行程）  d排气行程 （二）四行程柴油机工作原理四行程柴油机是压燃式内燃机，其每一工作循环也经历进气、压缩、作功、排气四个行程。和汽油机的不同之处在于柴油粘度较大，自燃温度较汽油低，致使可燃混合气的形成及点火方式与汽油机不同。a  &#

28、160;               b                   c                

29、0;   d  图1-6  四行程柴油机工作原理图1-喷油器  2-排气门  3-进气门  4-气缸  5-喷油泵  6-活塞  7-连杆  8-曲轴1.进气行程（图16a）    此行程进入气缸的不是可燃混合气，而是纯空气。2.压缩行程（图16b）    此行程气缸内只有纯空气和上一循环未排尽的废气。由于柴油机压缩比一般高达1622，致使压缩终了时压力可达3.5MPa4.5MPa，温度可高达750K1000K。3.作功行程（图16c） 

30、0;  压缩行程末，喷油泵以高压柴油雾化并通过喷油器喷入气缸，在很短的时间内，雾状柴油汽化并与空气混合，在气缸内形成可燃混合气。由于此时缸内温度远高于柴油的自燃温度（约500K），致使柴油立即着火燃烧，且此后一段时间内喷油器保持喷油，气缸内压力急剧上升到69MPa，温度上升到2000K2500K。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转作功。作功行程终了时，气缸内压力约为0.2MPa0.4MPa，温度约为1200K1500K。4.排气行程（图16d）    排气终了时刻，气缸内压力约为0.105MPa0.125MPa，温度约为800K1000K。由此可见：1.

31、汽油机的混合气是在气缸外部的化油器中形成的，而柴油机的混合气是在气缸内部形成的。2.汽油机靠火花塞强制点火，而柴油机则靠自燃。（三）四冲程内燃机的工作特点1.内燃机每一工作循环，曲轴旋转两周，每一行程曲轴旋转半周，进气行程是进气门开启，排气行程是排气门开启，另两个行程时进、排气门均为关闭状态。2.四个行程中，只有作功行程产生动力，其他三个行程为作功行程的辅助行程。3.实现内燃机一循环，必须靠外力使曲轴旋转并完成进气、压缩行程，待着火并完成作功行程，则依靠曲轴和飞轮贮存足够的能量使之能自行完成以后的行程。三、二行程内燃机工作原理（一）二行程汽油机工作原理活塞在气缸内往复运动两个行程，曲轴旋转一周

32、，完成一个工作循环的内燃机，称为二行程内燃机。二行程汽油机完成一个工作循环也需向缸内引入可燃混合气，随后将其压缩，点火作功后再将燃烧后的废气排出。图17表示一种用曲轴箱扫气的二行程化油器式汽油机的工作示意图。缸体上有三个孔，排气孔2位于作功时活塞全行程的三分之二处，并稍高于扫气孔3，进气孔1位于气缸下部。1.第一行程活塞在曲轴的带动下，由下止点向下止点运动，当活塞上行到将扫气孔、排气孔关闭时，开始压缩上一循环吸入缸内的可燃混合气，同时活塞下方曲轴箱内形成真空度如图17a所示。活塞继续上行，进气孔1开启，在大气压力作用下，可燃混合气自化油器流入曲轴箱如图17b所示。2.第二行程活塞上行到接近上止

33、点时，火花塞产生电火花，点燃缸内被压缩的可燃混合气，并产生高温、高压的膨胀气体，迫使活塞向下运动，带动曲轴旋转并输出功率如图1-7c所示。a                 b                   c   

34、0;           d 图1-7  二行程汽油机工作示意图a 压缩       b进气（可燃混合气）     c 燃烧      d排气1-进气孔  2-排气孔  3-扫气孔随着活塞向下运动，进气孔1逐渐关闭，进入曲轴箱内的混合气被压缩。当活塞接近下止点时，排气孔2开启，废气经排气孔、排气管、消声器排放

35、到大气中。曲轴箱内预压缩的新鲜混合气经扫气孔3进入气缸内，并进一步扫除废气，如图17d所示。废气被新鲜混合气扫除并取代的过程，称为“换气过程”，它一直延续到下一行程，即活塞上行将扫气孔、排气孔关闭为止。由此可见，第一行程：活塞上方进行换气、压缩，活塞下方进气；第二行程：活塞上方进行作功、换气，活塞下方混合气被预压缩。排气孔位置稍高于扫气孔，使得作功行程终了时，排气孔首先开启，缸内废气在残余压力作用下迅速排出，有利于排气干净。还可使缸内压力迅速降低，便于扫气孔开启时，新鲜混合气进入。活塞顶部通常加工成特殊形状，便于从扫气孔进入气缸的新鲜混合气引入缸的上部，以防止新鲜混合气混入废气。随废气一同排出

36、，又可驱赶废气，使排气更彻底。事实上，尽管如此，也不能完全避免新鲜混合气随废气一同排出缸外，造成可燃混合气损失的情况，所以二行程内燃机的换气过程品质较差。图1-8为二行程内燃机示功图。图1-8  二行程内燃机示功图 活塞由下止点向上止点运动，当排气孔（a点）关闭时，压缩过程开始。到上止点前开始点火（或喷油）燃烧，缸内压力迅速增高，cf段即燃烧过程。接着活塞下行膨胀作功，一直到b点，排气孔被打开，开始排气。此时，缸内压力较高，一般为0.3MPa0.6MPa，故废气从缸内排出时，压力迅速下降。当活塞继续下移将换气孔打开，曲轴箱内的新鲜可燃混合气（或空气）进入气缸。这段时间的排气

37、称为自由排气。排气一直延续到活塞下行到下止点后再向上将排气孔关闭时为止。曲线bda为二行程内燃机的换气过程，大约占130°150°曲轴转角。接着活塞继续上行，便重复压缩过程，进行新的循环。（二）二行程柴油机工作原理图1-9所示为带扫气泵的二行程柴油机。与二行程汽油机工作原理有很多相同之处，不同的是进入气缸的不是混合气而是纯空气。新鲜空气由换气泵提高压力（约120KPa1410KPa）后，经气缸外部的空气室和气缸上的进气孔进入气缸内，而废气由专设的排气孔排出。        a  

38、60;                         b           c               

39、;          d 图1-9  带扫气泵的二行程柴油机a换气     b压缩     c燃烧      d排气 1.第一行程活塞由下止点向上止点运动，行程开始前，进气孔和排气孔都已打开，换气泵将提高压力后的空气泵入气缸进行换气，如图1-9a所示。当活塞继续上行使进气孔、排气孔关闭时，开始压缩缸内的空气，如图1-9b所示。当活塞接近上止点时，喷

40、油器向缸内喷入雾状柴油，柴油迅速与空气混合形成可燃混合气并自行着火燃烧，如图1-9c所示。2.第二行程活塞到达上止点后，燃料着火燃烧产生的高温、高压气体推动活塞下行作功。直至排气孔打开，废气随即靠自身压力排出缸外，如图1-9d所示。此后，进气孔开启，进行与二行程汽油机类似的换气过程。直至进气孔完全被遮盖。此种形式的内燃机称为气门窗孔直流扫气柴油机，它利用纯空气扫除废气，经济性较高。（三）二行程内燃机的特点1.四行程内燃机的进、排气是两个独立过程，而二行程内燃机排气（或进气）过程是一个完全重叠的、以新鲜气体清扫废气的换气过程，时间极短。换气时会不可避免的造成新鲜气体与废气的混合，使废气难以排净和

41、新鲜气体随废气排出。2.完成一个循环，二行程内燃机曲轴只需旋转一周，四行程内燃机需要两周。从理论上讲，当内燃机工作容积、压缩比、转速相等时，二行程内燃机功率应是四行程内燃机的两倍。实际上，由于二行程内燃机废气不易排尽，故一般约1.51.6倍。因此，二行程内燃机的经济性较差。3.转速相同时，二行程内燃机的作功次数较四行程内燃机多一倍。因此，二行程内燃机运转较为平稳。4.二行程内燃机配气机构简单，简化了内燃机的结构。由于二行程汽油机可燃混合气部分损失，经济性较差，排放污染严重，使得其在大中型汽车上的应用受到限制。但它结构简单、质量轻、制造成本较低，在摩托车和微型汽车等小排量发动机的车辆上广泛采用。

42、二行程柴油机由于换气过程中进入气缸的是纯空气，没有燃料损失，仍为一些汽车所采用。四、多缸四行程内燃机的工作原理四行程内燃机工作循环中，只有一个作功行程，进气、压缩、排气行程都要消耗功，故在工作中转速不均，运动部件承受变载荷，可能造成零部件磨损乃至破坏。为提高转速的均匀性和增大功率，通常采用多缸结构。多缸内燃机具有两个或两个以上的气缸，各缸活塞连杆连接在同一根曲轴上。图1-10为四缸四行程内燃机简图。图1-10  四缸四行程内燃机的工作过程各缸均按进气、压缩、作功、排气顺序完成循环。曲轴每旋转两周，各缸均完成一个工作循环。为保证转速均匀，各缸作功行程应均匀地分布在720°曲轴

43、转角内。各缸作功行程的间隔角为：                                                &

44、#160;          （1-5）四缸内燃机其工作顺序常采用1-3-4-2（或1-2-4-3）。即第一缸作功后，紧接着是第三缸作功，再接着是第四缸作功，最后是第二缸作功。其工作过程见表1-1。表1-1  四缸四行程内燃机的工作过程工作顺序1-3-4-21-2-4-3曲轴转角各缸工作过程各缸工作过程一 缸二 缸三 缸四 缸一 缸二 缸三 缸四 缸0°180°180°360°360°540°540°720°

45、;作功排气进气压缩排气进气压缩作功压缩作功排气进气进气压缩作功排气作功排气进气压缩压缩作功排气进气排气进气压缩作功进气压缩作功排气 中小吨位汽车上多采用六缸四行程内燃机，各作功行程的间隔角为：                                  

46、                          （1-6）表1-2  六缸四行程内燃机的工作过程工作顺序1-5-3-6-2-4曲轴转角0°60°120°180°240°300°360°420°480°540°600°

47、660°720°各缸工作过程第一缸作 功排 气进 气压 缩第二缸排 气进 气压 缩作 功排 气第三缸进气压 缩作 功排 气进 气第四缸作功排 气进 气压 缩作 功第五缸压 缩作 功排 气进 气压 缩第六缸进 气压 缩作 功排 气 五、内燃机产品名称和型号编制规则1982年，为了便于内燃机的生产管理和使用，我国颁布了国家标准（GB725-82）。该标准主要内容如下：内燃机产品名称均按所采用的燃料命名，如柴油机、汽油机、煤气机、沼气机、双（多种）燃料发动机等。内燃机型号由阿拉伯数字和汉语拼音字母组成。内燃机型号由下列四部分：1.首部：为产品系列符号和（或）换代标志符号

48、，由制造厂根据需要自选相应字母表示，但需主管部或部主管标准化机构核准。2.中部：由缸数符号、行程符号、气缸排列形式符号、缸径符号等组成。3.后部：结构特征和用途特征符号，以字母表示。4.尾部：区分符号。同一系列产品因改进等原因需要区分时，由制造厂选用适当符号表示。内燃机型号的排列顺序代表的意义规定如图111所示。  缸径符号(以气缸直径的mm数表示)首部中部后部尾部系列符号换代标志符号缸数符号气缸排列形式符号行程符号(E表示二行程，四冲程不标号)结构特征符号区分符号用途特征符号符号结构特征无符号水冷F风冷N凝气冷却S十字头式Dz可倒转(直接换向)Z增压符号含义无符号直列及单缸卧式VV

49、形P平卧式符号用途无符号通用型T拖拉机M摩托车G工程机械Q车用J铁路机车D发电机组C船用主机，右机基本型C1船用主机，左机基本型图1-11 内燃机名称与型号编制图1-11 内燃机名称与型号编制 举例如下：汽油机：1E65F表示单缸、二行程、缸径65mm、风冷、通用型汽油机4100Q表示四缸、四行程、缸径100mm、水冷、车用汽油机。柴油机：495T表示四缸、直列、四行程、缸径95mm、水冷、拖拉机用柴油机4120F表示四缸、四行程、缸径120mm、风冷、通用型柴油机YZ6102Q表示扬州柴油机厂制造、六缸直列、四行程、缸径102mm、水冷、车用柴油机。第三节  内燃机主要性能指标为了

50、表征内燃机的性能特点，比较其性能优劣，一般以性能参数作为评价指标。内燃机的性能指标可分为四大类：指示性能指标、有效性能指标、环境性能指标和其它性能指标。具体表现内燃机的动力性、经济性、运转性和耐久可靠性指标等。鉴于汽车和拖拉机的发动机都是往复活塞式内燃机，本书讨论范围仅限于往复活塞式内燃机。一、内燃机的指示性能指标指示性能指标用以评定内燃机实际循环情况的优劣，其中，平均指示压力、指示功率评定循环的动力性；指示热效、指示燃料消耗率评定循环的经济性。图1-12所示示功图反映工质压力P随气缸工作容积V（或曲轴转角）变化的关系。图1-12  120四行程单缸试验柴油机P-V图及P-图P-V图

51、曲线包容的面积表示工质完成一个实际循环所做的有用功。P-图称为展开示功图。1.指示功Wi和平均指示压力pi指示功是指一个实际循环工质对活塞所做的有用功。用Wi（kJ）表示，它可根据实测示功图通过计算求得。Wi=abA，kJ                       （1-7）式中：a示功图纵坐标的比例尺，；b示功图横坐标的比例尺，L/cm；A示功图面积，cm2。因为不同内燃机

52、具有不同的工作容积，不能仅用指示功Wi评价工作循环的好坏，还必须采用工作影响指标（平均指示压力pi），对发动机的工作循环进行评价。平均指示压力是指循环指示功Wi与气缸工作容积Vh之比。                   （1-8）显然，平均指示压力pi愈大，气缸工作容积的利用程度越高，发动机工作循环愈优，设活塞面积为A（cm2），活塞行程为s（cm），从前式得出Wi =piVh=piAs*10-3 ，kJ 

53、;                      （1-9）如图1-13所示，pi的一般范围是：汽油机；柴油机；增压柴油机1-2.5MPa。图1-13  指示功与平均指示压力2.指示功率Ni指示功率Ni是指发动机单位时间（每秒）内所做的指示功。设平均指示压力为；单缸工作容积为；缸数为；转速为。对四行程发动机：      &

54、#160;                   （1-10）对二行程发动机：                       （1-11）以表示发动机行程数，可将上两式改写成：  &#

55、160;                            （1-12）若气缸工作容积Vh以升为单位，则                  

56、60;       （1-13）3.指示燃油消耗率指示燃油消耗率gi是指单位指示功所消耗的燃油量（GT）。如测发动机每小时燃油消耗量为，指示功率为Ni（kW），则指示燃油消耗率为：                 （1-14）gi的大致范围是：柴油机为；汽油机为。4.指示热效率指示热效率（）是指发动机实际循环指示功与所消耗燃料的热量之比值。=   

57、                      （1-15）式中：QI所消耗的热量，kJ。hu燃料的低热值。的大致范围是：柴油机为0.250.4；汽油机为0.40.5。二、内燃机的有效性能指标发动机有效性能指标是以曲轴输出功率为基础的指标，用以评价内燃机的设计与制造水平及其整机性能。有效性能指标分为动力性指标和经济性指标。1.内燃机动力性能指标（1）有效功率Ne指示功率Ni不可能完全输出，即

58、在传递过程中不可避免产生如下机械损失。a、内部运动机件的摩擦损失约占总机械损失的60%70%。如活塞及活塞环与气缸壁、轴承鱼轴颈、配气机构等。b、驱动附属机构的损失约占总机械损失的10%20%。如驱动冷却水泵、机油泵、喷油泵、风扇、电动机和点火装置等。c、进、排气过程所消耗的功率约占总机械损失的10%20%。上述损失导致功率消耗称为机械界损失功率Nm。指示功率与机械损失功率之差，称为有效功率，可由试验测得。                

59、;           （1-17）（2）有效扭矩Me内燃机工作时，由功率输出轴输出的扭矩称为有效扭矩Me（Nm）。它与有效功率的关系是：                                

60、;       （1-18）         （1-19）（3）平均有效压力Pe内燃机单位气缸工作容积输出的有效功，称为平均有效压力Pe（kPa）。有效功率与平均有效压力之间有下列关系是：                      （1-2

61、0）或          （1-21）对于排量一定的发动机，Pe正比于Me，Pe值越大，则单位气缸工作容积输出功越多，输出转矩越大。Pe值是发动机重要的动力指标之一。Pe的一般范围是：汽油机0.7 MPa 1.3MPa；柴油机0.6 MPa 1.0MPa；增压柴油机0.9 MPa 2.2MPa（4）转速n和活塞平均速度Cm提高内燃机转速，即可增加单位时间的做功次数，从而使内燃机体积小、重量轻和功率大。转速n增加，活塞平均速度Cm随之增加。     

62、0;                  （1-23）Cm增大，则活塞组的热负荷和曲柄连杆机构的惯性力均增大，磨损加剧，寿命下降，以致Cm已成为表征发动机强化程度的参数。一般汽油机不超过18m/s；柴油机不超过13m/s。为了提高转速又不使Cm过大，可以减小行程S，即采用较小的行程缸径比（S/D）值。但S/D值减小也会造成燃烧室高度减小，其表面积与容积比（A/V）值增大，混合气形成条件变差，不利于燃烧。n、Cm、S/D值的大致范

63、围是：机 型n（r/min）Cm（m/s）S/D小客车汽油机5000800012180.71.0载货车汽油机360045001-150.81.2汽车汽油机200050009150.71.2增压柴油机150040008120.91.32内燃机经济性指标（1）有效热效率有效热效率是指循环的有效功与所消耗燃料的热量之比。                        （1-

64、24）或       =式中： =获得有效功所消耗燃料的热量；ge有效燃料消耗率；机械效率。内燃机台架试验时，可采用单缸熄火法、拖动法、示功法等方法测定。值愈接近1，表明内燃机性能越好。参照Ni与Pi的关系，可导出平均机械损失压力Pm计算式                      （1-25）Pm值的一般范围是：汽油机0.15

65、 MPa 0.25MPa；柴油机0.2 MPa 0.3MPa现代内燃机机械效率一般范围：机  型非增压四行程柴油机0.750.80增压四行程柴油机0.800.92非增压二行程柴油机0.700.80增压二行程柴油机0.750.90四行程汽油机0.700.85（2）有效燃料消耗率ge有效燃油消耗率是指单位有效功所消耗燃油的量。                   （1-26）和的大致范围是：机型汽油机0.250

66、.3270325柴油机0.30.451902853内燃机强化性能指标（1）升功率NL升功率是指内燃机每升工作容积产生的有效功率。             （1-27）NL与Pen乘积成正比，即提高平均有效压力和转速，可提高升功率，提高发动机强化程度。（2）比重量Ge内燃机比重量是指其净重G与标定工况有效功率之比。它表征内燃机结构重量利用程度及结构紧凑性。          &#

67、160;                （1-28）当内燃机净重一定时，有效功率越大，比重量越小，则其强化程度越高。NL与Ge的大致范围是：机  型NL（kW/L）Ge(kg/kW)汽油机30701.14.0汽车柴油机18302.59.0拖拉机柴油机9155.51.6（3）强化系数内燃机强化系数用平均有效压力与活塞平均速度的乘积表示。其系数越大，则内燃机强化程度越高，即机械负荷和热负荷越高。的大致范围是：汽油机8 MPa·m/

68、s 17MPa·m/s；小型高速柴油机6 MPa·m/s 11 MPa·m/s；重型汽车柴油机9 MPa·m/s 15 MPa·m/s。表1-4  内燃机的有效指标有效指标Pe（kPa）n（r/min）Cm（m/s）s/Pgeg/（kW·h）NL（kW/L）Ge（kg/kW）汽油机650-12003600-600010-15270-32522-5580-140柴油机600-9502000-4000241-28518-3060-99三、内燃机的环境性能指标内燃机除要求具有良好的动力性、经济性和较高的强化程度外，还必须具有良好的

69、排气清净性、较低噪声度、较小振动和可靠的低温起动性。1.排放污染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、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气等。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。为了保护环境，保障人体健康，内燃机在工作机理和结构设计上应尽量使有害排放物减少，对废气加以净化处理。世界各国制订了内燃机排污标准，我国已拟订了废气排放和排气烟度限制标准及其测试方法国家标准。如表1-4和表1-5所示。表1-5  汽油车怠速污

70、染物排放标准值年限车别CO（%）HC（碳氢化合物）四行程二行程IIIIIIIII1995年7月1日以前定型汽车3.54.0900120065007000新生产车4.04.51000150070007800在用汽车4.55.012002000800090001995年7月1日以后定型汽车3.03.560090060006500新生产车3.54.0700100065007000在用汽车4.54.5900120075008000注： = 1 * ROMAN I表示最大总质量不大于3500kg的汽车 = 2 * ROMAN II表示最大总质量大于3500kg的汽车表1-6  柴油车

71、自由加速烟度排放标准年限车别烟度值（FSN）年限车别烟度值（FSN）1995年7月1日以前定型汽车4.01995年7月1日以后定型汽车3.5新生产车4.5新生产车4.0在用汽车5.0在用汽车4.52.噪声污染内燃机工作时产生的噪声刺激神经，使人心情烦燥、反应迟钝、甚至导致耳聋、高血压和神经系统疾病。噪声主要源于进排气门、风扇和增压器等的气体动力噪声、气缸内燃烧噪声、机体内的机械噪声（如活塞敲击、配气机构运行、齿轮运转）等。国际标准组织（ISO）提出了保护环境和保护听力的噪声标准，现代内燃机噪声已大大超过了允许的值。为此，我国拟订了机动车辆允许噪声、中小功率柴油机噪声限值和噪声测试方法的标准。3

72、.起动性能内燃机在一定温度下能可靠起动，且起动迅速，功率消耗的功率小、磨损少是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，汽油在-10、柴油机在-5以下的环境条件下起动顺利，且15s以内能自行运转。四、内燃机的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。评定其可靠性，最广泛采用的是无故障指标，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

73、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。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。可靠性和耐久性受诸多因素的影响，例如所用材质、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。当然发动机的可靠性与耐久

74、性也与其结构组成和工作机理有关。内燃机工作时，各系统及有关机件将承受不同机械负荷与热负荷。机械负荷包括由于气体压力、冲击力、惯性力引起的应力和振动、预紧、摩擦等引起的附加应力，使内燃机零部件分别受到拉伸、压缩、弯曲、扭转等或它们复合成的各种负荷引起的变形。热负荷过大可使某些零件温度过高而失去工作能力，如零件烧伤、变形导致配合间隙破坏，材料强度、硬度下降而加速磨损，润滑油变质结胶而使机件润滑条件恶化、磨擦磨损加剧等；热负荷过大还使某些零件温差过大导致内部热应力过大，如缸盖底面和活塞顶部变形和裂纹等。同时，某些结构还会发生化学蚀损，如气缸内壁上部因高温废气而蚀损，湿式缸套外壁因电化学作用而穴蚀，高

75、压油路、冷却水路、曲轴轴瓦等结构也可能穴蚀。内燃机在正常运转、满负荷作业和正确的技术维护下，机械负荷、热负荷和化学蚀损将在允许限度以内，可靠性和耐久性将合乎规律地自然地缓慢下降。如果处在“敲缸”、超负荷、过热、“飞车”等不正常情况下长期作业，发动机将承受不应有的静负荷、动负荷、热负荷，甚至加速化学蚀损，可靠性和耐久性急剧下降。五、内燃机的热平衡内燃机燃料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：           

76、0;            （1-29）式中：进入内燃机的燃料产生的热量，如代表内燃机每小时的耗油量，Hu代表燃料低热值（kJ/kg）, 则；相当于有效功的热量，；随废气排出的热量，相当于废气内能与新鲜充量内能之差，不包括燃料不完全燃烧的热损失。如和分别代表废气和新鲜充量的平均定压比热，代表进气管入口处新鲜充量的温度，代表废气在靠近排气门处的温度，M1表示每小时排出的废空气量，M2每小时消耗的空气量则；传递给冷却介质的热量，如G代表冷却水的循环量，c代表冷却水的比热，t2和t1分别代表

77、出水口和进水口处的水温，则；其余热损失，包括燃料不完全燃烧的热损失，即相当于燃料完全燃烧应该放出的热量与燃料在燃烧过程中实际放出的热量之差；还包括驱动辅助机构和附属装置的能量消耗；废气热量损失和机体辐射热损失等。显然，热平衡随内燃机负荷、转速、供油或点火提前角等工况参数和调整参数的改变有所不同。为了估计热平衡方程式中各项相对值，同时便于比较不同内燃机热平衡，常以百分数来表示热平衡方程式。                 

78、60;      （1-30）式中：；                      ；                      。一般高速四行程内燃机热平衡的百分数大约如表1-8所示。表1-8  高速四行程内燃机的热平衡（%）热平衡各项组成汽油机柴油机增压柴油机qe203030403545qr404535402540qw253020251025qs5525关于内燃机的热平衡，还可用热流图来表示其中各项的大小与相互关系，如图1-15所示。图1-15  内燃机的热流图a.从废气回收的热量               b.从气缸避回收的热量&