南农大汽车拖拉机学课件第1章 发动机总体构造和工作原理

第一章发动机总体构造和工作原理

主要内容第一节发动机的总体构造第二节发动机的基本工作原理第三节发动机主要性能指标第四节影响发动机工作性能的主要因素第一节发动机的总体构造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。一、内燃机的分类（一）按所用燃料分类：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：压燃式发动机和点燃式发动机。（三）按工作循环的行程数分：四行程内燃机和二行程发动机。（四）按气缸数及其排列方式分：单缸内燃机、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：水冷式和风冷式。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。第二节发动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。（二）活塞行程活塞从一个止点运动到另一个止点所经过的距离。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（四）压缩比气缸总容积与燃烧室容积之比值，常用“ξ”表示，即（五）活塞总排量多缸内燃机所有气缸工作容积之和，用“Vz”表示二、四行程内燃机工作原理（一）四行程汽油机工作原理1.进气行程（图1－5a）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。2.压缩行程（图1－5b）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。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3MPa～5MPa，相应温度为2200K～2800K。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。4.排气行程（图1-5d）可燃混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。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。abcd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1—6a） 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1—6b） 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16～22，致使压缩终了时压力可达3.5MPa～4.5MPa，温度可高达750K～1000K。3.作功行程（图1—6c） 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6～9MPa，温度上升到2000K～2500K。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0.2MPa～0.4MPa，温度约为1200K～1500K。4.排气行程（图1—6d） 排气终了时刻，气缸内压力约为0.105MPa～0.125MPa，温度约为800K～1000K。（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1—7a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1—7b所示。2.第二行程活塞上行到接近上止点时，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。abcd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（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120KPa～1410KPa）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。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1.5～1.6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。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°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°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。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 V V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 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。第三节发动机主要性能指标一、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1-12120四行程单缸试验柴油机P-V图及P-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。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。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）。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。

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%。（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）。（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）。（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。

指示热效率ηi和指示燃料消耗率bi

指示热效率ηi是实际循环指示功与所消耗的燃料热量之比值

。

指示燃料消耗率bi

（简称指示比油耗）是指单位指示功的耗油量，通常以每千瓦小时的耗油量表示。

[g／（kW·h）]

2．内燃机经济性指标ηi

、

bi的大致范围ηi

bi[g／（kW·h

）]汽油机

0.3-0.4205-320柴油机

0.4-0.5170-205

3发动机强化指标

（1）升功率PL和比质量me

升功率PL（kW／L）是发动机每升工作容积所发出的有效功率。它用来衡量发动机容积利用的程度。

比质量me（kg／kW）是发动机的干质量m与所给出的标定功率之比。它表征质量利用程度和结构紧凑性。（2）强化系数pmeCm

其值愈大，发动机的热负荷和机械负荷愈高。

升功率PL、比质量me和强化系数pmeCm的大致范围

PL（kW／L）

me（kg／kW）

pmeCm

（MPa·m／s）汽油机

30-701.1-4.08-17汽车柴油机

18-302.5-9.06-11三、

发动机的环境指标

1排放（欧洲排放体系）

标准名称

生效时间

CO/g.km-1

HC/g.km-1

NOX/g.km-1

NOX+HC/g.km-1

测试规范

欧洲11992.072.72－

－

0.97ECE+EUDC欧洲21996.012.20－

－

0.50欧洲32000.01①

2.300.200.15－修改试验规范

2000.01②

2.300.120.15－欧洲42005.01①

2.300.100.08－2005.01②

2.300.100.08－①表示欧盟委员会建议；②表示欧盟议会建议。

第一部分（ECE），试验时需运行4个循环，总时间为13min。每循环持续时间为195s，总里程为4.052km，每循环里程为1.013km，平均车速为18.7km／h（不包括怠速时为27.01km／h）最高车速为

50km／h，怠速时间占31％。第二部分为附加的市区行驶工况（EUDC），总时间为1220s，试验里程为11.007km，平均速度为32.5km／h（不包括怠速时为42.6km／h），最高车速为120k／h，怠速时间占26.2％。取样开始时刻为试验开始40s后。欧3（2000年）改为启动后即取样。

2、噪声按产生机理分：流体噪声、机械噪声、电磁噪声、燃烧噪声危害：刺激神经，使人心情烦躁、反应迟钝交通运输噪声是现代城市的主要噪声源，约占城市噪声的75%，而其中发动机又是汽车的主要噪声源。包含流体噪声、机械噪声和燃烧噪声。四、

机械损失

机械损失所消耗的功率占指示功率的10%-30%。降低机械损失，特别是摩擦损失，使实际循环得到的功尽可能转变成对外输出的有效功，是提高发动机性能重要的一个方面。

机械损失分配情况

机械损失名称

占Pm的百分比（%）

占Pi的百分比（%）

摩擦损失

其中

活塞及活塞环

连杆、曲轴轴承配气机构

62-7545-6015-202-3

8-20

驱动各种附件损失其中水泵风扇机油泵

电器设备

10-202-36-81-21-2

1-5带动机械增压器损失

6-10

泵气损失

10-20

2-4

总功率损失

10010-30

1机械效率ηm

机械效率ηm是有效功率和指示功率的比

机械效率ηm的大致范围是：汽油机

0.7-0.9柴油机

0.7-0.85

2、机械损失的测定（1）倒拖法特点：必须使用平衡式电力测功器，而且由于缸内压力、温度与实际不符，测量结果往往偏大我国汽车发动机试验标准中规定，应优先采用此法测量机械损失功率（2）灭缸法特点：仅适用于多缸发动机，不能用于废气涡轮增压发动机及单缸机。对于柴油机，测量较准；但对汽油机，由于停缸会使进气情况改变，往往得不到正确结果。Pm=(i-1)Pe-(Pe(1)+Pe(2)+…)（3）油耗线法（又称负荷特性法）

特点：适用于柴油机，但不适用于汽油机负荷特性：发动机转速不变，其经济性指标随负荷而变化的关系负荷：节气门开度，汽油机中对应混合气的数量，柴油机中对应供油量方法：在负荷特性曲线中找出接近直线的线段，并顺此线段作延长线，直至与横坐标相交，则交点到坐标原点的长度即为该机的平均机械损失压力pmm的数值

3、影响机械损失的因素（1）气缸直径及行程

根据试验，机械损失功率与缸径、行程的大致关系为

发动机工作容积增加，即加大缸径或行程时，机械效率提高。当气缸工作容积一定，而行程、缸径比（S／D）减小时，机械效率提高。

3、影响机械损失的因素（2）气缸直径及行程

根据试验，机械损失功率与缸径、行程的大致关系为

发动机工作容积增加，即加大缸径或行程时，机械效率提高。当气缸工作容积一定，而行程、缸径比（S／D）减小时，机械效率提高。

（3）配气机构

产生摩擦的部件：气门与气门导管、摇臂与凸轮主要影响因素：低转速下，负荷主要由弹簧力引起；高转速时，负荷主要由惯性力引起采取的措施：减少运动件的惯性质量（3）转速n（或活塞平均速度Cm）发动机转速上升（Cm随之加大），致使：

1）各摩擦副间相对速度增加，摩擦损失增加

2）曲柄连杆机构的惯性力加大，活塞侧压力和轴承负荷均增高，摩擦损失增加

3）泵气损失加大

4）驱动附件消耗的功多

因此，n上升，机械损失功率增加，机械效率ηm下降

提高转速强化发动机的动力性能与ηm的降低相互矛盾

（4）.负荷

（5）润滑油品质和冷却水温度

（1）润滑油

润滑油粘度：即稠稀程度，表示了流体分子之间内摩擦力的大小。粘度大，内摩擦力大，流动性差，使摩擦损失增加，但承载能力强，易于保持液体润滑状态润滑油粘度主要受油的品种和温度的影响粘度比：表示粘度随温度的变化程度，即50℃和100℃时润滑油运动粘度的比值γ50/γ100。粘度比愈大，粘度随温度变化愈大。希望粘度随温度变化小，以保证内燃机在各种热状态下都能工作良好选用原则；在保证发动机正常工作时有可靠润滑条件的前提下，尽量选用粘度较小的润滑油，以减少摩擦损失，改善起动性能

（2）冷却水温度

在发动机使用过程中，应严格保持一定的油温和水温，即限制在一定热力状态下工作。提高水温，对性能有益，但受水的沸点限制，一般水冷发动机，水温多在80～95℃范围

50%掺比的乙二醇冷却液，沸点108℃，冰点-36℃。五、

热平衡

1、

实际循环热平衡

1、实际循环与理论循环（空气标准循环）的差异

理论循环（四个假设）实际循环差异假设工质是理想气体，物理常数与标准状态下的空气物理常数相同（比热容是定值

）实际气体比热是随温度上升而增大

，因此循环的最高温度降低，存在泄漏使工质数量减少

Wk

假设工质是在闭口系统中作封闭循环

为使循环重复进行，必须更换工质，换气损失（泵气损失+提前排气损失W）Wr假设工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程

气缸壁和工质间始终存在着热交换，使压缩、膨胀线均脱离理论循环的绝热压缩、膨胀线

Wb

假设燃烧是外界无数数个高温热源定容或定压向工质加热。工质放热为定容放热

（1）燃烧需要一定的时间，所以喷油或点火在上止点前，并且燃烧还会延续到膨胀行程，由此形成非瞬时燃烧损失和补燃损失（2）部分燃料由于缺氧产生不完全燃烧损失（3）在高温下部分燃烧产物分解而吸热使循环的最高温度下降Wzηt

、ηi

、

ηe

、

bi、be的大致范围ηtηi

ηebi[g/(kW·h)]be[g/(kW·h)]汽油机

0.54-0.580.3-0.40.25-0.3205-320270-325柴油机

0.64-0.670.4-0.50.3-0.45170-205190-285

2、汽油机与柴油机热量分配的差异名

称

汽油机

柴油机

理论循环热效率ηt

0.54-0.580.64-0.67指示热效率ηi

0.30-0.400.40-0.45各种损失使热效率下降

工质比热容变化燃烧不完全及热分解传热损失提前排气

0.10-0.120.08-0.100.03-0.050.01

0.09-0.100.06-0.090.04-0.010.01

说明：1）汽油机ηt低于柴油机ηt的主要原因是压缩比ε小所造成，所以提高压缩比一直是提高汽油机热效率的主要方向，但受到不正常燃烧的限制

；2）实际工质比热容变化引起的损失，占有较大比例。汽油机因相对的空气量少，混合气较浓，缸内燃烧温度较高，故此项损失较柴油机大。所以应用稀混合气是汽油机减少损失的途径之一；

3）对于柴油机，不完全燃烧主要是混合气形成及燃烧组织不完善引起，故燃油喷射、气流运动与燃烧室形状间的良好配合是柴油机应改善之处。

2、

发动机热平衡

指热量表现为有效功及各项损失的分配情况。QT=QE+QS+QR+QB+QL

说明：

主要由废气带走（QR

），其次传给冷却水（QS）；在某些汽油机中不完全燃烧损失的热量（QB

）所占比例较大；

回收QR一直是人们极为关注的问题，如废气涡轮增压；QT发动机所耗燃油的热量

QE转化为有效功的热量QS传递给冷却介质的热量QR废气带走的热量QB燃料不完全燃烧热损失QL其它热量损失汽油机

25-3012-2730-500-453-10柴油机

30-4015-3525-450-52-5增压柴油机

35-4510-2525-400-52-5第四节影响发动机工作性能的主要因素一、影响内燃机动力性与经济性的主要因素（1）增压度在保持过量空气系数等几个参数不变的条件下，如果采用增压技术，提高空气密度可以使Ne成比例地增长。（2）换气质量换气是否充分，这是每循环发挥工作性能的基础。换气完善程度由来衡量，尽量提高充量系数有利于发动机的工作。对汽油机，充进气缸的燃油量与成比例，所以换气尽量充分，值高，有利于提高Ne；对柴油机，充进气缸的空气量越多功能，能够完全燃烧的循环供油量也才能越多，与存在着比例关系。所以要求换气充分，就是要求提高。（3）对指示效率产生实际影响的因素包括压缩比的高低，燃烧是否及时完全和热损失的多少等。（4）尽量减少机械损失二、影响机械损失及机械效率的主要因素1．增压当内燃机采用排气涡轮增压时，Ni与增压度增加成正比地增加，此时气缸中最大爆压虽有增加，但采取降低压缩比等措施后，Pz增加的幅度将低于Ni增加的幅度，致使机械损失减少；当采用机械增压时，机械损失的减少与否，将视增压比的高低由泵气功与压气机耗功的和而定。此外，增压后，润滑油温度的提高，会使润滑油粘性阻力降低，并且燃烧较为柔和，有利于减轻轴承上的冲击负荷等。综上所述，若内燃机转速不变，则机械损失功率将与非增压时大致相当。由于Ni值提高，所以涡轮增压及低压比的机械增压将使ηm提高。2．曲轴转速及活