01-发动机的工作原理及总体构造讲解

1、1发动机构造课程 11002715主讲主讲：卢少波 2015.09重庆大学重庆大学 汽车工程学院汽车工程学院2学习“发动机构造”的基本要求1. 组成组成 发动机由哪些发动机由哪些基本部分基本部分构成？各构成部分又包括哪些构成？各构成部分又包括哪些总成总成？各总成又？各总成又包括哪些包括哪些零件零件？学习？学习“发动机构造发动机构造”后，应能将发动机的结构后，应能将发动机的结构层层分解层层分解，心中有数。心中有数。2. 功能及工作原理功能及工作原理 发动机各组成部分（包括总成、零件）的发动机各组成部分（包括总成、零件）的作用作用是什么？它是怎样是什么？它是怎样实现实现（完成）它的功能？在此基础上

2、，理解发动机零件的（完成）它的功能？在此基础上，理解发动机零件的结构形式结构形式，理解发，理解发动机的动机的装配装配、调整调整、维护维护的相关基本知识。的相关基本知识。3. 类型类型 发动机的发动机的型式型式多种多样，各多种多样，各总成总成的型式也是多种多样。它们有哪些的型式也是多种多样。它们有哪些基基本类型本类型？各基本类型的？各基本类型的特点特点是什么？这是全面掌握发动机构造必须注意是什么？这是全面掌握发动机构造必须注意的。以此为基础，有助于进一步学习和理解本课中的。以此为基础，有助于进一步学习和理解本课中未提及未提及的一些发动机的一些发动机构造。构造。4. 认识认识 通过阅读课本上的通过

3、阅读课本上的图图和观察和观察实物实物及实物及实物模型模型，认识发动机的总成及主，认识发动机的总成及主要零件。这个要零件。这个“认识认识”包括认识实物及名称。包括认识实物及名称。3第一章 汽车发动机的工作原理及总体构造第一节 发动机分类第二节 往复活塞式内燃机基本结构及术语第三节 往复活塞式内燃机工作原理第四节 发动机的总体构造第五节 发动机主要性能指标与特性第六节 内燃机产品名称和型号编制规则4发动机的定义n发动机是将某一种形式的能量转变成机械能的机器。n现代汽车大多使用往复活塞式内燃机。它将燃料在发动机气缸内部进行燃烧，把产生的热能转变成机械能，简称热机热机。5第一节 发动机分类n热力发动机

4、n内燃机 ：直接以燃料燃烧所生成的燃烧产物为工质的热机。 例如：例如：活塞式内燃机、燃气轮机n外燃机：燃料在热机外部燃烧，能量通过热交换器传给工质（如蒸汽）的热机。 例如：例如：蒸汽机、汽轮机、热气机6n按活塞运动方式分为n往复活塞式发动机n旋转活塞式发动机活塞式内燃机往复活塞式发动机往复活塞式发动机旋转活塞发动机旋转活塞发动机7活塞式内燃机n按使用燃料火花塞火花塞 汽油发动机汽油发动机柴油发动机柴油发动机压燃式发动机压燃式发动机强制点火式强制点火式(点燃式点燃式)发动机发动机n按点火方式气体燃料发动机（气体燃料发动机（CNG&LPG） 添加了一套气体燃料供给系统减压器减压器混合器混合

5、器喷油嘴喷油嘴8活塞式内燃机n按冷却方式分为n液冷发动机n水冷发动机n油冷发动机n风冷发动机9活塞式内燃机n按完成一个工作循环所需行程数n四冲程发动机n二冲程发动机四冲程发动机四冲程发动机二冲程发动机二冲程发动机 在一个工作循环中活塞往复四个行程的内燃机称作四冲程往复活塞式内燃机; 活塞往复两个行程便完成一个工作循环的则称作二冲程往复活塞式内燃机。 10n 按气缸数单缸发动机单缸发动机多缸发动机多缸发动机活塞式内燃机11活塞式内燃机L型型(直列式直列式/单列式单列式)发动机发动机V型型(双列式双列式)发动机发动机P型型(平卧式平卧式/对置式对置式)发动机发动机n 按气缸排列方式：12活塞式内燃

6、机n按照进气状态分类 n增压发动机n非增压发动机（自然吸气式）非增压非增压(自然吸气自然吸气)式发动机式发动机增压式发动机增压式发动机13化油器化油器化油器式发动机化油器式发动机直接喷射式发动机直接喷射式发动机喷油器喷油器喷油泵喷油泵n 按混合气形成方式活塞式内燃机14活塞式内燃机分类小结n按活塞运动方式分为：往复活塞式发动机往复活塞式发动机旋转活塞式发动机n按完成工作循环分为：四冲程发动机四冲程发动机、二冲程发动机；n按冷却方式分为：风冷式发动机、水冷式发动机水冷式发动机；n按所用燃料分为：汽油发动机、柴油发动机汽油发动机、柴油发动机；n按气缸数量分为：单缸发动机、多缸发动机多缸发动机；n按

7、点火方式分为：强制点火式强制点火式( (点燃式点燃式) )发动机、压燃式发动机发动机、压燃式发动机；n按气缸排列方式分为：L L型型( (直列式直列式/ /单列式单列式) )发动机、发动机、V V型型( (双列式双列式) )发动机发动机、P型(平卧式/对置式)发动机等；n按混合气形成方式分为：化油器式发动机、直接喷射式发动机直接喷射式发动机；n按是否对进气增压分为：非增压式发动机、增压式发动机非增压式发动机、增压式发动机 第二节 往复活塞式内燃机的 基本结构及基本术语（0）机体组）机体组（1）曲柄连杆机构）曲柄连杆机构（2）配气机构）配气机构（3）冷却系统（4）润滑系统（5）起动系统（6）供给

8、系统（燃油/进排气）（7）点火系统（汽油机）起动机蓄电池火花塞点火线圈进气门点火开关起动飞轮曲轴箱润滑油曲轴连杆活塞冷却水正时皮带排气门凸轮轴分电器空气滤清器化油器往复活塞式内燃机的基本术语u工作循环（working cycle） 由进气进气、压缩压缩、作功作功和排气排气等四个工作过程组成的密闭过密闭过程程。周而复始地进行这些过程，内燃机才能持续地作功。往复活塞式内燃机的基本术语u上、下止点q 活塞顶离曲轴回转中心最远处、即活塞最高位置，称为上止点（Top Dead Center，TDC）q 活塞顶离曲轴回转中心最近处、即活塞最低位置，称为下止点（Bottom Dead Center，BDC）

9、q 在上、下止点处，活塞的运动速度为零。往复活塞式内燃机的基本术语u活塞行程q 上、下止点间的距离S称为活塞行程；q 曲轴的回转半径R称为曲柄半径，S=2R (气缸中心线通过曲轴回转中心的发动机,正置曲柄连杆机构)18往复活塞式内燃机的基本术语u气缸工作容积（Volume）q 活塞从上止点到下止点所扫过的容积称为气缸工作容积，气缸工作容积，记作VS；)(10462LSDVs式中： D气缸直径（mm）； S活塞行程（mm）；19往复活塞式内燃机的基本术语u发动机排量（Displacement）q 所有气缸工作容积的总和称为发动机排发动机排量量，记作VL；iVVSL式中： VS气缸工作容积； i

10、气缸数目；20往复活塞式内燃机的基本术语u燃烧室容积q 活塞位于上止点时, 活塞顶面以上与气缸盖底面以下之间形成的容积称为燃烧室燃烧室容积容积，记作Vc；21往复活塞式内燃机的基本术语u气缸总容积q 活塞位于下止点时，活塞顶部与气缸盖之间的容积称为气缸总容积气缸总容积，记作Va；q气缸总容积等于气缸工作容积与燃烧室容积之和，即：cSaVVV22往复活塞式内燃机的基本术语u压缩比（Compression ratio）q 压缩比是气体压缩前的容积与气体压缩后的容积之比值，即气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比压缩比，记作 表示； 式中：Va气缸总容积； VS气缸工作容积； Vc燃烧室容积；q 压缩

11、比是发动机中一个非常重要的概念，压缩比表示了气体的压缩程度。cSccScaVVVVVVV12324压缩比n 越大,（压缩终了时的压力越大、温度越高，燃烧速度越快）因此发动机功率越大，油耗率越低。n 过大，易产生爆燃，易产生表面点火。n爆燃爆燃（爆震）：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。n表面点火表面点火：由燃烧室内炽热面或炽热点点燃混合气而产生的一种不正常燃烧。n汽油机的压缩比一般为 611（车用汽油机一般811）。柴油机压缩比一般为1622。往复活塞式内燃机的基本术语u工况q 发动机在某一时刻的运行状态。以该时刻发动机输出的有效功率和曲轴转速表示。曲轴转速即为发动机转速

12、。u负荷率q发动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，以百分数表示。负荷率通常简称负荷。ABC2526 基本术语基本术语n工作循环n上、下止点n活塞行程 Sn气缸工作容积（气缸排量）Vsn发动机工作容积（发动机排量）VL = i Vsn燃烧室容积Vcn气缸总容积 Va Va=Vs+Vcn压缩比 =Va/Vcn工况：转矩/转速n负荷率：P/Pmax往复活塞式内燃机的基本术语27第三节 往复活塞式内燃机工作原理3.1 四冲程汽油机工作原理工作工作循环循环活塞活塞运动运动进气门进气门排气门排气门缸内压力缸内压力（MPa）缸内温度缸内温度（K）进气进气行程行程向下向下开

13、开关关0.08-0.09（终了）（终了）320-380（终了）（终了）压缩压缩行程行程向上向上关关关关0.8-1.5（终了）（终了）600-750（终了）（终了）作功作功行程行程向下向下关关关关3-6.5（最高）（最高）0.3-0.5（终了）（终了）2200-2800（最高）（最高）1200-1500（终了）（终了）排气排气行程行程向上向上关关开开0.105-0.12（终了）（终了）900-1100（终了）（终了）四冲程发动机的示功图上止点上止点下止点下止点n进气行程r - an压缩行程a - cn作功行程c - bn排气行程b - r28293.2 四冲程柴油机工作原理n柴油的主要特点n粘度

14、大；不易蒸发；自燃温度低。n柴油机工作循环与汽油机相同n工作循环包括四个行程，每个行程180曲轴转角；n只有一个作功行程，其余三个是耗功行程。n柴油机与汽油机主要不同点n混合气形成：柴油机不用化油器，燃油直接喷入气缸内。n点火方式：压燃，无点火系统。30n柴油机的特点 n压缩比高 柴油机1622,汽油机为611；n最高转速较低 柴油机25003000(r/min), 汽油机40007000 (r/min)； n油耗较低 比汽油机低约30%n质量较大n制造、维修费用高 喷油泵、喷油器的制造难度大n振动、噪声较大 工作粗暴n排气污染小 过量空气系数大，燃烧比较完全，CO、HC、NOx 的排放量较少

15、。31 柴油机由于用的柴油粘柴油机由于用的柴油粘度比汽油大、不易蒸发度比汽油大、不易蒸发, ,且自燃温度又较汽油低且自燃温度又较汽油低, ,所以采用的是所以采用的是: : 压缩自燃式点火。压缩自燃式点火。柴油呈柴油呈细细雾状雾状喷油压力高喷孔直径小喷油泵喷油泵喷油器喷油器要求：要求：喷油器喷油器喷油泵喷油泵32进气行程进气行程压缩行程压缩行程作功行程作功行程排气行程排气行程新鲜空气新鲜空气 开始喷油开始喷油四冲程柴油机各行程示意图吸入气缸的只吸入气缸的只是纯净的空气是纯净的空气 压缩行程终了压缩行程终了时气体压力高时气体压力高35MPa 喷油器将燃油喷油器将燃油喷入燃烧室喷入燃烧室 温度低温度

16、低700900K 333.3 四冲程发动机运转平稳问题n曲轴每转两周，1个气缸作功1次曲轴转速是不均匀的,发动机运转是不平稳的。n飞轮转动惯量越大，越平稳;n 缸数越多，越平稳;343.4 二冲程汽油机工作原理n工作循环n第一行程第一行程（活塞向上，下止点到上止点）：压缩；压缩；进气进气（进入曲轴箱）n第二行程第二行程（活塞向下，上止点到下止点）：燃烧作功；燃烧作功；换气换气（缸内进气、排气）。n结构n无进、排气阀无进、排气阀（进/排气孔、扫气孔均由活塞开/闭）；n活塞活塞顶部顶部为一特殊形状，以利为一特殊形状，以利换气换气。35二冲程发动机的示功图na-c 压缩nc-z 燃烧nz-b 膨胀作

17、功nb-f 自由排气nf-d-h 换气nh-a 额外排气36带扫气泵的二冲程柴油机n第一行程n活塞上行n扫、进/换、压缩n第二行程n活塞下行n做功、排、扫n比二冲程汽油机的经济性好.3.5 二冲程柴油机工作原理37n二冲程发动机二冲程发动机特点特点n功率大功率大 理论上为四冲程的理论上为四冲程的2倍，实际为倍，实际为1.51.6倍；倍；n运转平稳运转平稳 每两个行程就有一次作功；每两个行程就有一次作功；n结构简单，质量小结构简单，质量小 无配气机构无配气机构n使用、维修方便使用、维修方便n燃油经济性差燃油经济性差 换气时有部分换气时有部分新鲜可燃混合气新鲜可燃混合气随废气随废气被排出被排出n排

18、气污染大排气污染大n二冲程二冲程汽汽/柴柴油机的主要油机的主要不同之处不同之处n进入缸内的是空气而不是可燃混合气,因此可方便地增大进气量(如用扫气泵);进气充分、燃油经济性好；n进气不经过曲轴箱；n无火花塞,有喷油系统; 结构较复杂。3.6 二冲程内燃机特点与差异38第四节 发动机的总体构造n曲柄连杆机构：曲柄连杆机构：把燃气作用在活塞顶上的把燃气作用在活塞顶上的力力转变为转变为曲轴曲轴的的转矩转矩，以向，以向工作机械输出工作机械输出机械能机械能。(力力转矩；转矩；直线运动直线运动转动转动)n配气机构：配气机构：按要求按要求定时定时开启和关闭进、排气门，使新鲜开启和关闭进、排气门，使新鲜可燃混

19、合气可燃混合气（汽（汽油机）或油机）或空气空气及时进入气缸，及时进入气缸，废气废气及时从气缸排出。及时从气缸排出。n燃油系统：燃油系统：把燃油按工况供入气缸以供燃烧。把燃油按工况供入气缸以供燃烧。n进排气系统：进排气系统： 把空气按需供入气缸，并将把空气按需供入气缸，并将 燃烧生成的废气排出发动机。燃烧生成的废气排出发动机。n点火系：点火系：按照按照点火次序点火次序在规定时刻产生在规定时刻产生电火花电火花点燃气缸中已被压缩的混点燃气缸中已被压缩的混合气。合气。n冷却系：冷却系：把发动机的部分热量把发动机的部分热量散发散发到到大气中大气中，以保证发动机正常工作。，以保证发动机正常工作。n润滑系：

20、润滑系：减少减少摩擦阻力摩擦阻力以减轻零件的以减轻零件的磨损磨损，并有，并有冷却冷却和和清洗清洗磨擦面的作磨擦面的作用。用。n起动系：起动系：使静止的发动机起动以转入自行转动。使静止的发动机起动以转入自行转动。2 2个机构个机构6 6 个系统个系统供给系供给系发动机结构示意图机体组曲柄连杆机构气环油环气环油环曲轴带轮曲轴带轮曲轴正时齿轮曲轴正时齿轮活塞活塞连杆连杆曲轴曲轴轴瓦及止推环轴瓦及止推环飞轮飞轮轴瓦及止推环轴瓦及止推环配气机构曲轴正时齿轮曲轴正时齿轮正时齿形带正时齿形带中间齿轮中间齿轮张紧轮张紧轮凸轮轴正凸轮轴正时齿轮时齿轮凸轮轴凸轮轴进排气门组件进排气门组件供给系空气滤清器空气滤清器

21、油箱油箱燃油滤清器燃油滤清器油气分离器油气分离器化油器化油器催化催化转化转化器器消声器消声器供给系空气滤清器空气滤清器油箱油箱发动机控制单元发动机控制单元（ECU）节气门节气门排气系统排气系统供给系柴油滤清器柴油滤清器柱塞式柱塞式喷油泵喷油泵油水分油水分离器及离器及输油泵输油泵油箱油箱喷油器喷油器冷却系散热器及冷却风扇散热器及冷却风扇散热器出水管散热器出水管散热器散热器进水管进水管补水桶补水桶水泵水泵节节温温器器润滑系集油器集油器机油泵机油泵机油滤清器机油滤清器机油压力调节阀机油压力调节阀机机油油压压力力阀阀点火系点火线圈点火线圈蓄电池蓄电池分电器分电器火花塞火花塞点火开关点火开关起动系起动开

22、关起动开关蓄蓄电电池池起动电机起动电机单向离合器单向离合器线圈线圈50第五节 主要性能指标与特性n动力性指标：发动机作功能力大小n经济性指标：发动机热效率和燃油消耗率n强化指标： 承受热负荷和机械负荷能力n紧凑性指标：结构紧凑程度n环境指标： 排放品质和噪声水平n可靠性指标：规定条件下，正常持续工作能力n耐久性指标：主要零件磨损到不能继续工作的极限时间n工艺性指标：制造和维修的方便程度n发动机特性：发动机主要性能指标随其运转工况变化而变化的关系表征发动机性能特点;评价发动机性能;促进发动机结构改进和创新.主要性能指标动力性指标动力性指标 p 有效转矩有效转矩Te 指发动机通过曲轴或飞轮对外输出

23、的转矩, 通常用Te表示,单位为N.m. 有效转矩是作用在活塞顶部的气体压力通过连杆传给曲轴产生的转矩,并克服了摩擦、驱动附件等损失之后从曲轴对外输出的净转矩。主要性能指标动力性指标动力性指标 p 有效功率有效功率 Pe 指发动机通过曲轴或飞轮对外输出的功率,通常用Pe表示,单位为kW。有效功率同样是曲轴对外输出的净功率。它等于有效转矩与曲轴转速的乘积。发动机的有效功率可以在专用的试验台上用测功机测定, 测出有效转矩和曲轴转速，然后下式计算有效功率：)(9550kWnTPee式中：Te有效转矩(N.m); n曲轴转速（r/min）主要性能指标动力性指标动力性指标 平均有效压力平均有效压力 pe

24、单位气缸工作容积发出的有效功称为平均有效压力平均有效压力,常用Pme表示,单位Mpa. Pme可以看作是一个假想的、平均不变的压力作用在活塞顶上,使活塞移动一个冲程所作的功,即每循环所作的有效功。平均有效压力越大，发动机的作功能力越强。hemeVWP式中： We 有效功; Vh 工作容积主要性能指标经济性指标经济性指标 p 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有效热效率。有效热效率越高，发动机的经济性越好（油耗低）。p 主要性能指标经济性指标经济性指标 p 有效燃油消耗率有效燃油消耗率 燃油消耗率是指单位时间内单位有效功的燃油消耗量，也就是发动机每发出1kW有效功

25、率在1小时内所消耗的燃油质量（以g为单位），燃油消耗率通常用ge表示，其单位为g/kW.h，计算公式如下： 有效燃油消耗率越小,表示发动机曲轴输出净功率所消耗的燃油越少,其经济性越好。通常发动机铭牌上给出的有效燃油消耗率 ge 是最小值。)/(1000hkWgPGgeTe式中：GT每小时的燃油消耗（kg/h）Pe有效功率（kW）主要性能指标强化指标强化指标 p 升功率升功率 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，单位kW/L。升功率越大, 发动机的作功能力越强, 热负荷和机械负荷高。 p 强化系数强化系数 平均有效压力与活塞平均速度的乘积称为强化系数，以pme vm

26、表示。31030nSvm式中：vm活塞平均速度(m/s); S活塞行程(mm); n标定转速(r/min)主要性能指标紧凑性指标紧凑性指标 p 比容积比容积 发动机外轮廓体积与其标定功率的比值。 p 比质量比质量 发动机的干质量与其标定功率的比值。 比容积和比质量越小，发动机结构越紧凑。环境指标环境指标 p 排放排放 有害气体CO、HC、NOx；颗粒物PM；二氧化碳CO2。 p 噪声噪声 GB1495-2002要求，如：轿车加速行驶噪声限值74dB (A)。主要性能指标可靠性指标可靠性指标 p 评价方法评价方法 首发故障行驶里程、平均故障间隔里程、主要零件损坏率等。耐久性指标耐久性指标 p 评

27、价方法评价方法 大修里程：发动机出厂到第一次大修之间汽车行驶里程数。工艺性指标工艺性指标 降低生产成本和维修费用。59发动机特性 发动机的速度特性发动机的速度特性nPe, Te和 be 随发动机转速 n 的变化关系n发动机外特性节气门全开时的转速特性n发动机部分特性节气门部分开启时的转速特性PeTeeben发动机外特性曲线发动机外特性曲线60发动机特性n发动机工况用负荷负荷表示n负荷负荷-发动机发出的功率与同一转速下可能发出的最大功率之比，用百分数表示;n同一转速下,节气门开度越大,负荷越大,但二者不成比例。工况工况a 负荷负荷=0/45=0工况工况b 负荷负荷=20/45=44.4%工况工况

28、c 负荷负荷=32/45=71.1%工况工况d 负荷负荷=45/45=100%Pendcba4532200(kw)节气门节气门全开全开节气门部分节气门部分开启开启节气门部分节气门部分开启开启注意：注意：负荷与功率的概念不可混淆负荷与功率的概念不可混淆； 负荷与载荷的概念不可混淆。负荷与载荷的概念不可混淆。 发动机的负荷特性发动机的负荷特性61第六节 内燃机产品名称和型号编制规则 （GB/T 725-2008）n内燃机产品名称均按所采用的燃料命名如：汽油机、柴油机、双燃料发动机。n内燃机型号由以下四部分组成n第一部分：第一部分：制造商代号或系列符号，由制造厂根据需要选择相应13位字母表示。 n第

29、二部分：第二部分：由气缸数、气缸布置型式符号、冲程型式符号、缸径符号组成。n第三部分：第三部分：结构特征和用途特征符号,以字母表示。 n第四部分：第四部分：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。第三部分与第四部分可用“-”分隔。62型号的表示方法缸数缸数符号符号制造商制造商代号代号或或系列系列代号代号冲程型式冲程型式符符号号缸径缸径或或缸径缸径/行程行程符号符号（宜可用发动机排量或功率）（宜可用发动机排量或功率）气缸气缸布置形式布置形式符号符号结构特征结构特征符号符号用途特征用途特征符号符号区分区分符号符号无符号无符号多缸多缸直列直列及及单缸卧式单缸卧式V V

30、 V形形P P 平卧形平卧形H H H H形形X X X X形形无符号无符号冷却液冷却冷却液冷却 F F 风冷风冷 N N 凝气冷却凝气冷却 S S 十字头式十字头式 D Dz z可倒转可倒转 Z Z 增压增压 Z ZL L增压中冷增压中冷无符号无符号通用型及固定动力通用型及固定动力 T T 拖拉机拖拉机 M M 摩托车摩托车 G G 工程机械工程机械 Q Q 车用车用 J J 铁路机车铁路机车 D D 发电机组发电机组 C C 船用主机船用主机, ,右机右机基本型基本型 CZ CZ船用主机船用主机, ,左机左机基本型基本型 Y Y 农用运输车农用运输车 L L 林业机械林业机械E表示二冲程，表示二冲程，四冲程四冲程不标