汽车基础知识-单元二 汽车发动机

2.1发动机基本知识2.1.1发动机的分类1按活塞运动方式的不同分类活塞式发动机可分为往复活塞式和转子活塞式两种，如图2-1所示。2根据所用燃料种类不同分类活塞式发动机主要分为汽油机、柴油机和气体燃料发动机三类。以汽油和柴油为燃料的活塞式发动机分别称作汽油机和柴油机。使用天然气、液化石油气和其他气体燃料的活塞式发动机称作气体燃料发动机，如图2-2所示。3按冷却方式的不同分类活塞式发动机分为水冷式和风冷式两种。以冷却液为冷却介质的称作水冷式发动机，而以空气为冷却介质的则称作风冷式发动机，如图2-3所示。下一页返回2.1发动机基本知识4按照气缸数目分类发动机按照气缸数目可以分为单缸发动机和多缸发动机。仅有一个气缸的发动机称为单缸发动机；有两个及以上气缸的发动机称为多缸发动机。现代车用发动机多采用四缸、六缸、八缸发动机。5多缸发动机按照气缸的布置不同分类可分为直列式发动机、对置式发动机、V形式发动机、W形式发动机、斜置式发动机、卧式发动机等。6按进气状态不同分类活塞式发动机还可分为增压和非增压两类。若进气是在接近大气状态下进行的，则为非增压发动机或自然吸气式发动机；若利用增压器将进气压力增高，进气密度增大，则为增压发动机。增压可以提高发动机功率。上一页下一页返回2.1发动机基本知识7按着火方式分类发动机根据所使用燃料的不同，着火方式也不相同，具体可分为点燃式发动机（汽油机属于此类）和压燃式发动机（柴油机属于此类）。2.1.2发动机结构基本术语1发动机基本结构往复活塞式发动机的基本结构如图2-4所示，发动机的工作腔称作气缸。在气缸盖上装有进气门和排气门，进、排气门头朝下尾朝上倒挂在气缸盖上。通过进、排气门的开闭实现向气缸内充气和向气缸外排气。活塞在气缸内做往复运动，通过活塞销与连杆的一端铰接，连杆的另一端则与曲轴相连，构成曲柄连杆机构。因此，当活塞在气缸内做往复运动时，连杆便推动曲轴旋转。构成气缸的零件称作气缸体，支承曲轴的零件称作曲轴箱，气缸体与曲轴箱的连铸体称作机体。下一页返回上一页2.1发动机基本知识2基本术语（1）上、下止点如图2-5所示，活塞顶离曲轴回转中心最远处为上止点；活塞顶离曲轴回转中心最近处为下止点。在上、下止点处，活塞的运动速度为零。（2）活塞行程上、下止点间的距离S称为活塞行程。曲轴的回转半径R称为曲柄半径。曲轴每回转一周，活塞移动两个活塞行程。对于气缸中心线通过曲轴回转中心的发动机，其S=2R。（3）气缸工作容积Vh上、下止点间所包容的气缸容积称为气缸工作容积。上一页下一页返回2.1发动机基本知识式中D——气缸直径，cm；S——活塞行程cm。（4）发动机排量VL。发动机所有气缸工作容积的总和称为发动机排量。式中i——气缸数（5）燃烧室容积Vc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。（6）气缸总容积Va燃烧室容积与气缸工作容积之和为气缸总容积。上一页下一页返回2.1发动机基本知识（7）压缩比ε气缸总容积与燃烧室容积的比值，即它表示活塞由下止点移动到上止点时，气缸内气体被压缩的程度。压缩比越大，则压缩终了时气缸内的温度和压力就越高。目前，一般车用汽油机的压缩比约为10，柴油机的压缩比为15-22。2.1.3四行程发动机的工作原理往复活塞式发动机将热能转变为机械能需要经历进气、压缩、做功、排气四个连续的过程，称为一个工作循环。凡是曲轴旋转两周，活塞往复四个行程完成一个工作循环的发动机称为四行程发动机，即在一个活塞行程内只进行一个过程。因此，活塞行程可分别用四个过程命名。根据使用的燃料的不同又可分为四行程汽油机和四行程柴油机。上一页下一页返回2.1发动机基本知识1四行程汽油机的工作原理汽油机是将汽油和空气混合后的可燃混合气吸入发动机气缸内，用电火花强制点燃使其燃烧，产生热能而膨胀做功。四行程汽油发动机的工作循环是由进气、压缩、做功和排气四个过程组成，如图2-6所示。（1）进气行程活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点，此时排气门关闭，进气门开启。在活塞移动过程中，气缸容积逐渐增大，气缸内形成一定的真空度。空气和汽油的混合物通过进气门被吸入气缸，并在气缸内进一步混合形成可燃混合气。由于进气系统有阻力，进气终了时气缸内的气体压力略低于大气压力，为0.075~0.090MPa。由于气缸壁、活塞等高温机件及上一循环残留的高温残余废气的加热，气体的温度上升到80℃~130℃。上一页下一页返回2.1发动机基本知识（2）压缩行程进气行程结束后，曲轴继续带动活塞由下止点移至上止点。这时，进、排气门均关闭。随着活塞移动，气缸容积不断减小，气缸内的混合气被压缩，其压力和温度同时升高。压缩终了时，可燃混合气压力为0.6~1.5MPa，可燃混合气的温度为327℃~427℃。压缩终了时可燃混合气的压力和温度取决于压缩比。压缩比越大，燃烧速度越快，因而发动机发出的功率便越大，经济性越好。但压缩比过大时，不仅不能进一步改善燃烧，反而会出现爆燃和表面点火等不正常燃烧现象。（3）做功行程压缩行程结束时，进、排气门仍旧关闭。安装在气缸盖上的火花塞产生电火花，将气缸内的可燃混合气点燃，火焰迅速传遍整个燃烧室，同时放出大量的热能。上一页下一页返回2.1发动机基本知识燃烧气体的体积急剧膨胀，压力和温度迅速升高。在气体压力的作用下，活塞由上止点移至下止点，并通过连杆推动曲轴旋转做功。做功行程，瞬时压力可达3~5MPa，瞬时温度可达1927℃~2527℃。（4）排气行程排气门开启，进气门仍然关闭，曲轴通过连杆带动活塞由下止点移至上止点，此时膨胀过后的燃烧气体在其自身剩余压力和在活塞的推动下，经排气门排出气缸之外。当活塞到达上止点时，排气行程结束，排气门关闭。由于排气系统存在排气阻力，所以在排气终了时，气缸内压力稍高于大气压力，为0.015~0.125MPa。废气温度为627℃~927℃。因燃烧室占有一定容积，故排气终了时，不可能将废气排尽，留下的这一部分废气称为残余废气。上一页下一页返回2.1发动机基本知识2四行程柴油机工作原理四行程柴油机的工作循环同样包括进气、压缩、做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。（1）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。（2）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可高达3~5MPa，温度可高达470℃~970℃。（3）做功行程上一页下一页返回2.1发动机基本知识在压缩行程结束时，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，连杆推动曲轴旋转做功。（4）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。3四行程汽油机与柴油机的比较四行程汽油机与四行程柴油机的共同点是：（1）每个工作循环都包含进气、压缩、做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。上一页下一页返回2.1发动机基本知识（2）四个活塞行程中，只有一个做功行程，其余三个是耗功行程。两者不同之处是：（1）汽油机的可燃混合气从进气行程开始到压缩行程终了，形成时间较长。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，并占小部分做功行程，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发动机，称柴油机为压燃式发动机。2.1.4发动机的总体构造通常，汽油机由两大机构五大系统组成，柴油机由两大机构四大系统组成。下面是常见四缸轿车发动机的结构，如图2-7所示。汽油机各系统组成及功能，见表2-1。上一页返回2.2曲柄连杆机构2.2.1功用及组成1功用曲柄连杆机构是往复活塞式发动机将热能转变为机械能的主要机构。它把燃气作用在活塞顶面上的压力转变为曲轴的转矩，向工作机械输出机械能。发动机工作过程中，燃料燃烧产生的气体压力直接作用在活塞顶上，推动活塞作往复直线运动，经活塞销、连杆传递给曲轴，使曲轴旋转。2组成曲柄连杆机构由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组三部分组成。2.2.2机体组机体组是发动机的支架，是曲柄连杆机构、配气机构和发动机各系统主要零部件的装配基体。下一页返回2.2曲柄连杆机构另外，气缸盖和机体内的水套、油道以及油底壳又分别是冷却系和润滑系的组成部分。主要由气缸体、曲轴箱、气缸盖、气缸盖罩、气缸垫、油底壳等组成，如图2-8所示。1气缸体水冷式发动机的气缸体和曲轴箱常铸成一体，而且多缸发动机的各个气缸也合铸成一个整体，称为气缸体—曲轴箱，简称气缸体，如图2-9所示。气缸体上半部有若干个为活塞在其中运动导向的圆柱形空腔，称为气缸。下半部为支撑曲轴的曲轴箱，其内腔为曲轴旋转的空间。气缸体的构造与气缸排列形式、气缸结构形式和曲轴箱结构形式有关。多缸发动机按气缸排列形式有3种，如图2-10所示：直列式、V型和水平对置式。上一页下一页返回2.2曲柄连杆机构各气缸排成一直列的称为直列式。其特点是机体的宽度小而高度和长度大，一般只用于六缸以下的发动机。通常把采用直列式气缸排列的发动机称为直列式发动机。六缸直列式发动机的平衡性最好。两列气缸排成V型（夹角通常为90°）的称为V型式。此发动机称为V型发动机。V型发动机气缸体宽度大，而长度和高度小，形状比较复杂。但气缸体的刚度大，质量和外形尺寸较小。对置式发动机是指两列气缸水平相对排列，其优点是重心低，而且对置式发动机的平衡性好。目前，大众公司生产的奥迪A8发动机W12采用的是新型Ｗ型发动机，它实际是两个六缸发动机呈V型排列，每个六缸发动机又呈小角度V型排列，此发动机结构更紧凑，动力更强劲，工作更平稳。上一页下一页返回2.2曲柄连杆机构2气缸盖气缸盖用来密封气缸的上部，与活塞、气缸等共同构成燃烧室。气缸盖是结构复杂的箱形零件。其上加工有进、排气门座孔，气门导管孔，火花塞安装孔（汽油机）或喷油器安装孔（柴油机）。在气缸盖内还铸有水套、进排气道和燃烧室或燃烧室的一部分。若凸轮轴安装在气缸盖上，则气缸盖上还加工有凸轮轴承孔或凸轮轴承座及其润滑油道。图2-11为发动机的气缸盖分解图。当活塞位于上止点时，活塞顶面以上、气缸盖底面以下所形成的空间称为燃烧室。在汽油机气缸盖底面通常铸有形状各异的凹坑，习惯上称这些凹坑为燃烧室，如图2-12所示。①浴盆形燃烧室：结构简单，气门与气缸轴线平行，进气道弯度较大。压缩行程终了能产生挤气涡流。上一页下一页返回2.2曲柄连杆机构②楔形燃烧室：结构比较紧凑，气门相对气缸轴线倾斜，进气道比较平直，进气阻力小。压缩行程终了时能产生挤气涡流。③半球形燃烧室：结构最紧凑，燃烧室表面积与其容积之比（面容比）最小。进排气门呈两列倾斜布置，气门直径较大，气道较平直。火焰传播距离较短，不能产生挤气涡流。3气缸垫气缸垫是机体顶面与气缸盖底面之间的密封件，如图2-13所示。其作用是保持气缸密封不漏气，保持由机体流向气缸盖的冷却液和机油不泄漏。按所用材料的不同，气缸衬垫可分为金属—石棉衬垫、金属—复合材料衬垫和全金属衬垫等多种。上一页下一页返回2.2曲柄连杆机构4油底壳油底壳的主要功用是储存机油和封闭机体或曲轴箱。油底壳用薄钢板冲压或用铝铸制而成。油底壳内设有挡板，用以减轻汽车颠簸时油面的震荡。此外，为了保证汽车倾斜时机油泵能正常吸油，通常将油底壳局部做得较深。油底壳底部设放油螺塞。有的放油螺塞带磁性，可以吸附机油中的铁屑。2.2.3活塞连杆组活塞连杆组主要由活塞、活塞环、活塞销和连杆等机件组成，如图2-14所示。1活塞活塞的主要功用是承受燃烧气体压力，并将此力通过活塞销传给连杆以推动曲轴旋转。此外活塞顶部与气缸盖、气缸壁共同组成燃烧室。上一页下一页返回2.2曲柄连杆机构现代汽车发动机不论是汽油机还是柴油机广泛采用铝合金活塞，只在极少数汽车发动机上采用铸铁或耐热钢活塞。2活塞环活塞环分气环和油环两种。气环的主要功用是密封和传热。保证活塞与气缸壁间的密封，防止气缸内的可燃混合气和高温燃气漏入曲轴箱，并将活塞顶部接受的热传给气缸壁，避免活塞过热。油环的主要功用是刮除飞溅到气缸壁上的多余的机油，并在气缸壁上涂布一层均匀的油膜。3活塞销活塞销用来连接活塞和连杆，并将活塞承受的力传给连杆。4连杆连杆组包括连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴承等零件。上一页下一页返回2.2曲柄连杆机构习惯上把连杆体、连杆盖和连杆螺栓合起来称作连杆，有时也称连杆体为连杆。连杆组的功用是将活塞承受的力传给曲轴，并将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆小头与活塞销连接，同活塞一起作往复运动；连杆大头与曲柄销连接，同曲轴一起做旋转运动，因此在发动机工作时连杆作复杂的平面运动。2.2.4曲轴飞轮组曲轴飞轮组主要由曲轴、飞轮、正时齿轮、皮带轮及曲轴扭转减震器等组成，为曲轴飞轮组结构示意图，如图2-15所示。1曲轴曲轴的功用是把活塞、连杆传来的气体力转变为转矩，用以驱动汽车的传动系统和发动机的配气机构以及其他辅助装置。上一页下一页返回2.2曲柄连杆机构曲轴由若干个单元曲拐构成。一个连杆轴颈，左右两个曲柄臂和左右两个主轴颈构成一个单元曲拐。单缸发动机的曲轴只有一个曲拐，多缸直列式发动机曲轴的曲拐数与气缸数相同，Ｖ型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。将若干个单元曲拐按照一定的相位连接起来再加上曲轴前、后端便构成一根曲轴。多数发动机的曲轴，在其曲柄臂上装有平衡重。各曲拐的相对位置或曲拐布置取决于气缸数、气缸排列形式和发动机工作顺序。当气缸数和气缸排列形式确定之后，曲拐布置就只取决于发动机工作顺序。在选择发动机工作顺序时，应注意以下几点：①应该使接连作功的两个气缸相距尽可能的远，以减轻主轴承载荷和避免在进气行程中发生抢气现象。②各气缸发火的间隔时间应该相同。发火间隔时间以曲轴转角表示。上一页下一页返回2.2曲柄连杆机构③V型发动机左右两列气缸应交替发火。四行程直列四缸发动机的发火间隔角为720°/4=180°。4个曲拐在同一平面内。发动机工作顺序为1-3-4-2或1-2-4-3，其工作循环见表2-2。2飞轮对于四行程发动机来说，每四个活塞行程做功一次，即只有做功行程做功，而排气、进气和压缩三个行程都要消耗功。因此，曲轴对外输出的转矩呈周期性变化，曲轴转速也不稳定。为了改善这种状况，在曲轴后端装置飞轮。飞轮是转动惯量很大的盘形零件，其作用如同一个能量存储器。在做功行程中发动机传输给曲轴的能量，除对外输出外，还有部分能量被飞轮吸收，从而使曲轴的转速不会升高很多。上一页下一页返回2.2曲柄连杆机构在排气、进气和压缩三个行程中，飞轮将其储存的能量放出来补偿这三个行程所消耗的功，从而使曲轴转速不致降低太快。除此之外，飞轮还有下列功用：飞轮是摩擦式离合器的主动件；在飞轮轮缘上镶嵌有供起动发动机用的飞轮齿圈。上一页返回2.3配气机构2.3.1配气机构的作用及组成其功用是按照发动机的工作顺序和工作循环的要求，定时开启和关闭各缸的进、排气门，使新气进入气缸，废气从气缸排出。所谓新气，对于汽油机就是汽油与空气的混合物，对于柴油机则为纯净的空气。配气机构由气门组和气门传动组两部分组成，如图2-17所示。气门组主要包括气门、气门导管、气门座和气门弹簧、锁片等主要部件，实现对气缸的密封。气门传动组是使进、排气门按配气相位规定的时刻及时开、闭，并保证有足够的开度。通常由凸轮轴、凸轮轴齿形带轮、液压挺柱、摇臂等零部件组成。下一页返回2.3配气机构2.3.2充气效率进入气缸内的新气数量对发动机性能的影响很大。进气量越多，发动机的有效功率和转矩越大。因此，配气机构首先要保证进气充分，进气量尽可能的多；同时，废气要排除干净，因为气缸内残留的废气越多，进气量将会越少。新鲜空气或可燃混合气充满气缸的程度，用充气效率ηV来表示。所谓充气效率就是指在进气过程中，发动机每一工作循环的实际充气量与理论充气量的比值。式中M——进气过程中，实际进入气缸的新气的质量；M0——在理想状态下，充满气缸工作容积的新气质量。上一页下一页返回2.3配气机构充气效率越高，表明进入气缸内的新鲜空气或可燃混合气的质量越多，可燃混合气燃烧时可能放出的热量越大，发动机发出的功率也就越大。实际充入气缸的新鲜气体的质量总是小于在进气状况下充满气缸工作容积的新鲜气体的质量，即充气效率总是小于1，一般为0.80~0.90。影响发动机充气效率的因素很多，就配气机构而言，要求其结构有利于减小进气和排气的阻力，进、排气门的开启时刻和持续开启的时间应适当，使进气和排气过程尽可能充分，使充气效率得以提高。2.3.3配气相位用曲轴转角表示的进、排气门实际开闭时刻和开启持续时间，称为配气相位。通常用相对于上、下止点曲拐位置的曲轴转角的环形图来表示，称为配气相位图。上一页下一页返回2.3配气机构从理论上说，随着曲轴的旋转，活塞位于做功行程结束（排气行程开始）的下止点时，排气门开始开启，当活塞位于排气行程结束（进气行程开始）的上止点时，排气门即关闭，同时，进气门开始开启，当活塞位于进气行程结束（压缩行程开始）的下止点时，进气门即关闭。曲轴再旋转一圈，完成压缩与做功行程时，进、排气门都关闭着。进气和排气的时间各占180°曲轴转角。然而，实际上，由于发动机工作时曲轴的转速很高，活塞在每一行程所经历的时间很短，一台最大功率时转速为8000r/min的发动机，活塞一个行程所经历的时间仅为0.00375s，转速再高的发动机，其活塞一个行程所经历的时间则更短。进气门和排气门这样短的开启时间，会使发动机（气缸）充气不足、排气不净，导致发动机的功率得不到应有的发挥。上一页下一页返回2.3配气机构因此，现代发动机都采取延长进、排气门开启时间的方法，即进气门的开启和关闭时刻不是恰好在活塞位于进气行程上止点和下止点的时刻；排气门的开启和关闭也不是恰好在活塞位于排气行程下止点和上止点的时刻，而是分别提前和延迟一定的曲轴转角，以改善进、排气状况，从而提高发动机的动力性，如图2-18所示。进气门在进气行程上止点之前开启称为早开。从进气门开到上止点曲轴所转过的角度称作进气提前角，记作α。进气门在进气行程下止点之后关闭称为晚关。从进气行程下止点到进气门关闭曲轴转过的角度称作进气迟后角，记作β。整个进气过程持续的时间或进气持续角为180°+α+β曲轴转角。一般α=0°～30°、β=30°～80°曲轴转角。上一页下一页返回2.3配气机构排气门在作功行程结束之前，即在作功行程下止点之前开启，称为排气门早开。从排气门开启到下止点曲轴转过的角度称作排气提前角，记作γ。排气门在排气行程结束之后，即在排气行程上止点之后关闭，称为排气门晚关。从上止点到排气门关闭曲轴转过的角度称作排气迟后角，记作δ。整个排气过程持续时间或排气持续角为180°+γ+δ曲轴转角。一般γ=40°~80°、δ=0°~30°曲轴转角。由于进气门早开和排气门晚关，致使活塞在上止点附近出现进、排气门同时开启的现象，称其为气门重叠。重叠期间的曲轴转角称为气门重叠角，它等于进气提前角与排气迟后角之和，即α+δ。进气门提前开启的目的，是为了保证新鲜气体或可燃混合气能顺利、充足地充入气缸；上一页下一页返回2.3配气机构而进气门晚关则是为了在压缩行程开始时，利用气缸内的压力暂时低于大气或环境压力，靠进气气流的惯性使新鲜气体或可燃混合气仍可能继续进入气缸。排气门早开的原因是当活塞在做功行程接近下止点时，可燃混合气的燃烧膨胀已基本结束，但气缸内的气体压力仍然较高，利用此压力可使气缸内的废气迅速地自由排出；排气门晚关是由于活塞到达上止点时，气缸内的压力仍高于大气或环境压力，利用排气流的惯性可使废气继续排出。不同发动机由于其结构形式、转速各不相同，因而配气相位也不相同。同一台发动机转速不同也应有不同的配气相位，转速越高，提前角和迟后角也应越大。采用不变的配气相位发动机，它只适应于发动机某一常用的转速。最有利的配气相位需通过反复试验确定。上一页下一页返回2.3配气机构现代发动机有些具有可变的配气相位，发动机转速高时，增大进气门的升程，提前开启和延迟关闭进气门，提高发动机的功率；发动机转速低时，减少进气门的升程，延迟开启和提前关闭进气门，提高发动机的转矩，以满足发动机对经济性、稳定性和减少排放污染物的要求。上一页返回2.4汽油机电控燃油喷射系统2.4.1可燃混合气成分可燃混合气中空气与燃油的比例称为可燃混合气成分或可燃混合气浓度，通常用过量空气系数和空燃比表示。过量空气系数是指燃烧1kg燃油实际供给的空气质量与完全燃烧1kg燃油的化学计量空气质量之比为过量空气系数，记作α。α=1的可燃混合气称为理论混合气；α<1的称为浓混合气；α>1的则称为稀混合气。空燃比是指可燃混合气中空气质量与燃油质量之比，记作R或A/F。按照化学反应方程式的当量关系，可求出1kg汽油完全燃烧所需空气质量约为14.7kg。显然，A/F=14.7的可燃混合气为理论混合气；A/F<14.7的为浓混合气；A/F>14.7的为稀混合气。空燃比A/F=14.7称为理论空燃比或化学计量空燃比。下一页返回2.4汽油机电控燃油喷射系统2.可燃混合气成分对发动机运转性能的影响可燃混合气成分对发动机的性能影响很大。试验证明，发动机的功率和燃油消耗率都是随着可燃混合气成分的变化而变化的，如图2-19所示。由于气缸内还存在废气、混合气混合不均匀等因素，使气缸内理论混合气并不能完全燃烧。对于α>1的稀混合气，气缸内有足够的空气使燃料完全燃烧。通常，当α=1.05~1.15时，燃料消耗率最低，经济性最好，称为经济混合气。当α更大时，由于空气过量，燃烧速度减小，热损失增加，发动机功率降低，出现进气管回火现象，发动机动力性、经济性均下降。对于α>1的混合气，气缸内汽油分子较多，使燃烧速度加快，发动机功率增大，称发动机输出最大功率时的可燃混合气为功率混合气，其值一般在α=0.85~0.95。上一页下一页返回2.4汽油机电控燃油喷射系统如果混合气太浓，将使燃烧不完全，产生大量一氧化碳，同时在燃烧室内产生积炭，并发生排气管放炮和冒黑烟现象，导致发动机功率下降，燃油消耗率显著增加。一般为了兼顾发动机的动力性和经济性，混合气浓度应在α=0.88~1.11。过浓或过稀（α≤0.4或α≥1.4）的混合气，都将导致火焰无法传播，发动机运转不稳直至熄火。3.发动机各工况对可燃混合气成分的要求（1）稳定工况对混合气的要求发动机的稳定工况是指发动机已经完全预热，进入正常运转，且在一定时间内转速和负荷没有突然变化的情况。稳定工况又可分为怠速、小负荷、中等负荷、大负荷和全负荷等几种。①怠速和小负荷工况。怠速是指发动机对外无功率输出且以最低稳定转速运转。上一页下一页返回2.4汽油机电控燃油喷射系统在怠速工况下，节气门处于关闭状态，此时，吸入气缸内的可燃混合气少，气缸内残余废气较大。又因转速低、空气流速慢、汽油雾化蒸发不良，使混合气燃烧不良。因此要求供给少量的浓混合气（α=0.6~0.8）。发动机负荷在25%以下称为小负荷。在小负荷工况时，节气门略开，混合气的品质与数量有所增加，废气对混合气的稀释作用有所减弱。因而，混合气的浓度略为减少（α=0.7~0.9）。②中等负荷工况。汽车发动机的大部分工作时间都处于中等负荷状态，是指负荷在25%~85%。此时，节气门开度较大，进入气缸内的可燃混合气数量多，燃烧条件好，可供给发动机较稀的混合气，以获得最佳的燃油经济性。上一页下一页返回2.4汽油机电控燃油喷射系统③大负荷和全负荷工况。在大负荷时，节气门开度已超过85%，此时应随着节气门开度的增大而逐渐地加浓混合气以满足发动机功率的要求（α=0.85~0.95）。（2）过渡工况对混合气的要求汽车在运行中的主要过渡工况可分为冷启动、暖机、加速和减速3种形式。①冷启动：冷机启动时，发动机要求供给很浓的混合气，以保证混合气中有足够的汽油蒸气，使发动机能够顺利启动。但在冷启动时燃料和空气的温度很低，汽油蒸发率很小，为了保证冷启动顺利，要求混合气的浓度达到α=0.2~0.6，才能在气缸内形成可燃混合气。②暖机：发动机冷机启动后，各气缸开始依次点火而做功，发动机温度逐渐上升，即暖机。上一页下一页返回2.4汽油机电控燃油喷射系统发动机在暖机过程中，由于温度较低燃油雾化较差，因此也需要浓混合气，而且随着发动机温度升高而过量空气系数逐渐增大，直至达到正常工作温度时为止，发动机进入怠速工况。③加速和减速：发动机的加速是指发动机的转速突然迅速增加的过程。此时，节气门开度突然加大，进气管压力随之增加，由于汽油的流动惯性和进气管压力增大后汽油蒸发量的减少，大量的汽油颗粒被沉积在进气管壁上，形成较厚油膜，而进入气缸内的实际混合气则瞬时被稀释，严重时会出现过稀，使发动机转速下降。为了避免这一现象发生，在发动机加速时，应向进气管喷入一些附加汽油以弥补加速时的暂时稀释，以获得良好的加速性能。当汽车减速时，驾驶员迅速松开加速踏板，节气门突然关闭。此时由于惯性作用发动机仍保持很高的转速，因此进气管真空度急剧增高，上一页下一页返回2.4汽油机电控燃油喷射系统促使附着在进气管壁上的汽油蒸发汽化，并在空气量不足的情况下进入气缸内，造成混合气过浓，严重时甚至熄灭。因此，在发动机减速时，应供给较稀的混合气，以避免这一现象的发生。2.4.2电控燃油喷射系统汽油喷射系统，它是在恒定的压力下，利用喷油器将一定数量的汽油直接喷入气缸或进气管道内的汽油机燃油供给装置。电控燃油喷射系统根据其作用不同，分为4个子系统，即空气供给系统、排气系统、燃油供给系统和电子控制系统。1空气供给系统空气供给系统的作用是为发动机可燃混合气的形成提供必要的空气，并计量和控制燃油燃烧时所需要的空气量。上一页下一页返回2.4汽油机电控燃油喷射系统空气供给系统如图2-20所示，空气经过空气滤清器、空气流量计、节气门体进入进气总管，再分配到各缸进气歧管，在进气歧管内空气与喷油器喷出的燃油进行混合后被吸入气缸内燃烧。汽车在正常行驶时，空气流量由节气门控制，而节气门则通过油门踏板操纵。（1）空气滤清器空气滤清器用来滤清空气中所含的尘埃，以减少气缸、活塞、活塞环等零件的磨损，延长发动机的使用寿命。（2）稳压箱与进气歧管稳压箱作用是消除进气压力脉动，保证各缸混合气分配均匀。进气歧管的功用是将空气或可燃混合气引入气缸，保证进气充分及各缸进气量均匀一致。上一页下一页返回2.4汽油机电控燃油喷射系统2.排气系统排气系统是将燃烧废气顺畅地从发动机中排除的系统。电控汽油机排气系统主要由排气歧管、排气消声器和催化转化器组成，如图2-21。（1）排气歧管排气歧管是与发动机气缸盖相连的，将各缸的排气集中起来导入排气总管。（2）排气消声器排气消声器的作用是消除废气中火星及火焰，降低排气噪声。消声器通过衰减排气压力和排气压力的脉动，使排气能量耗散殆尽。（3）催化转化器催化转化器是一种发动机机外净化装置，它能净化汽车排出的一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOX）。上一页下一页返回2.4汽油机电控燃油喷射系统3.燃油供给系统燃油供给系统的作用是供给发动机燃烧过程所需的燃油。燃油供给系统主要由燃油箱、燃油泵、燃油滤清器、油压调节器、喷油器等组成，如图2-22所示。燃油泵将燃油从燃油箱中吸出后，经过燃油滤清器滤除杂质和水分。燃油压力调节器控制燃油分配管的油压（通常为250~300kPa）后，送至各缸喷油器。喷油器则根据ECU发出的指令，将计量后的燃油喷入各进气歧管或稳压箱中与流入发动机内的空气进行混合，形成可燃混合气。发动机喷油量由喷油器的通电时间来决定。4.电子控制系统电子控制系统的功用是根据发动机和车辆的运行状况确定燃油最佳喷射量和最佳点火提前角。上一页下一页返回2.4汽油机电控燃油喷射系统此外还可进行怠速控制、排放控制和自诊断等。电子控制系统由电控单元、各种传感器、执行器，以及连接它们的控制电路所组成，如图2-23所示。不同类型的电控汽油喷射系统的控制功能、控制方式和控制电路的布置不完全一样，但基本原理相似。（1）传感器传感器是对发动机运行状况的一些参数进行检测，并将它们转换成计算机能接受的电信号后再送给ECU。常用的传感器有空气流量计、进气管绝对压力传感器、发动机转速与曲轴位置传感器等。（2）电控单元电控单元的功用是根据其内存的程序和数据对空气流量计及各种传感器输入的信息进行运算、处理、判断，然后输出指令，向喷油器提供一定宽度的电脉冲信号以控制喷油量。上一页下一页返回2.4汽油机电控燃油喷射系统（3）执行器执行器包括节气门控制部件、喷油器、带输出驱动级点火线圈组件、活性碳罐电磁阀和电动燃油泵，接受电控单元指令，分别对节气门怠速步进电机、喷油时间、点火时刻、活性碳罐通断和电动燃油泵工作进行控制。上一页返回2.5柴油机电控燃油喷射系统2.5.1柴油机可燃混合气的形成与燃烧室1.柴油机混合气形成特点由于柴油的蒸发性和流动性都比汽油差，目前柴油机可燃混合气的形成方法基本上有两种：空间雾化混合和油膜蒸发混合。空间雾化混合是将柴油以雾状喷向燃烧室空间，并在空间内形成混合气。为使混合均匀，要求柴油喷注与燃烧室形状相适应，并利用燃烧室中的空气运动促进混合。油膜蒸发混合是将柴油大部分喷射到燃烧室壁上形成油膜，油膜受热并在强烈的旋转气流的作用下逐渐蒸发，与空气形成比较均匀的可燃混合气。在柴油实际喷射中，很难保证燃料完全喷到燃烧室空间或燃烧室壁面，所以两种混合方式都兼而有之，只是多少、主次有所不同。下一页返回2.5柴油机电控燃油喷射系统2.燃烧室柴油机燃烧室的形状一般按其结构形式分为直喷式燃烧室和分隔式燃烧室两大类。常见的直喷式燃烧室有：球形和ω形，如图2-24所示。分隔式燃烧室的容积一部分位于气缸盖中，另一部分则在气缸内，如图2-25所示。在气缸内的部分称主燃烧室，位于气缸盖中的部分称副燃烧室。主、副燃烧室之间用通道连通。分隔式燃烧室又有涡流室燃烧室和预燃室燃烧室之分。2.5.2电控柴油机燃油喷射系统的分类与组成1.电控柴油机燃油喷射系统的分类电控柴油机喷射系统根据其产生高压燃油的机构，可分为直列泵电控喷射系统、分配泵电控喷射系统、单缸泵电控喷射系统、泵喷油器电控喷射系统和共轨式电控喷射系统等。上一页下一页返回2.5柴油机电控燃油喷射系统2.电控柴油喷射的基本原理电控柴油喷射系统由传感器、控制单元（ECU）和执行元件三部分组成。传感器采集发动机转速、进气流量、温度、压力和加速踏板位置等信号，并将检测的参数输入给ECUECU对来自传感器的信息与储存的参数值进行比较、运算，确定最佳运行参数。执行机构按照最佳参数对喷油压力、喷油量、喷油时间、喷油规律等进行控制，驱动喷油系统，使柴油机工作状态达到最佳。3.共轨式电控喷射系统组成及工作原理共轨式电控柴油喷射系统的组成如图2-26所示。该系统是由燃油泵、共轨、喷油器以及控制这些部件的ECU、各种传感器构成，是一种完全由电子控制的燃油喷射装置。上一页下一页返回2.5柴油机电控燃油喷射系统4.共轨式电控喷射系统工作原理通过发动机驱动机构驱动的燃油泵将燃油从油箱中抽出，抽出的燃油要经过燃油滤清器的滤清进入高压泵，高压泵对燃油泵输送过来的燃油进行加压，将低压油转化成高压油。并储存在共轨系统中，然后分配到各缸的喷油器，ECU根据传感器（发动机转速传感器、空气流量计、温度传感器、压力和加速踏板位置传感器等）的信息控制喷油器电磁阀的开闭向气缸内喷油。上一页返回2.6发动机润滑系2.6.1润滑系功用润滑系统的功用就是在发动机工作时连续不断地把数量足够、温度适当的洁净机油输送到全部运动件的摩擦表面，并在摩擦表面之间形成油膜，实现液体摩擦，从而减小摩擦阻力、降低功率消耗、减轻机件磨损，以达到提高发动机工作可靠性和耐久性的目的。2.6.2润滑方式（1）压力润滑压力润滑是将润滑油以一定压力供入摩擦表面的润滑方式。主要用于曲轴主轴承、连杆轴承及凸轮轴承等负荷较大、相对运动速度较高的摩擦表面的润滑。下一页返回2.6发动机润滑系（2）飞溅润滑飞溅润滑是利用发动机工作时运动零件溅泼起来的油滴或油雾润滑摩擦表面的润滑方式。主要用来润滑负荷较轻的气缸壁面和配气机构的凸轮、挺柱、气门杆以及摇臂等零件的工作表面。（3）润滑脂润滑通过润滑脂油嘴定期加注润滑脂来润滑零件的工作表面，如水泵及发电机轴承等。2.6.3润滑系组成润滑系统由机油泵、机油滤清器、机油冷却器、集滤器等组成。此外，润滑系统还包括机油压力表、温度表和机油管道等，如图2-27所示。2.6.4润滑油路发动机润滑系油路如图2-27所示。当发动机工作时，机油从油底壳经上一页下一页返回2.6发动机润滑系集滤器被机油泵送入机油滤清器。全部机油经滤清器滤清之后进入发动机主油道，再经气缸体上的纵向油道分别润滑主轴承。然后，机油经曲轴上的斜油道，从主轴承流向连杆轴承润滑连杆轴颈。同时主油道还和凸轮轴轴承润滑油道及液压挺柱油道相通，用于润滑凸轮轴轴承和向液压挺柱供油。机油压力是由安装在机油滤清器支架上的一个油压感应塞监控的。当发动机启动之前，机油压力较低，油压感应塞将低压信号传给机油压力控制器，机油压力控制器控制机油报警灯亮。在润滑油路中，有一个装在机油泵上的限压阀，有一个装在机油滤清器支架上的旁通阀。当发动机处于冷态或机油黏度较大时，部分机油因油压高或机油流量过大，经限压阀流回油底壳，可避免机油压力过高而造成危险。在机油滤清器内有一个旁通阀，当滤清器堵塞时，旁通阀打开，未被滤清的机油仍能输送到机体主油道，保证机油供给。上一页下一页返回2.6发动机润滑系2.6.5曲轴箱通风在发动机工作时，会有部分可燃混合气和燃烧产物经活塞环由气缸窜入曲轴箱内。窜入曲轴箱的废气中的水蒸气易在润滑油中形成泡沫，破坏润滑油的供给；废气中的水蒸气和酸性物质使润滑油变质；同时，漏入曲轴箱内的气体使曲轴箱压力和温度升高，将造成机油从油封、衬垫处泄漏而流失。当发动机在低温下运行时，还可能有液态燃油漏入曲轴箱，稀释机油。这些物质如不及时清除，将加速机油变质并使机件受到腐蚀或锈蚀。因此曲轴箱必须设有通风装置，排出漏入的气体并加以利用，同时使新鲜的空气进入曲轴箱，形成不断的对流。又因为窜入曲轴箱内的气体中含有HC及其他污染物，所以不允许把这种气体排放到大气中。强制式曲轴箱通风系统就是防止曲轴箱气体排放到大气中的净化装置。上一页下一页返回2.6发动机润滑系福特公司的V型发动机曲轴箱强制通风系统如图2-28所示。发动机工作时，在进气管内真空度作用下，窜入曲轴箱内的气体经曲轴箱通气软管7被抽到进气管进入气缸燃烧。新鲜空气经空气滤清器1、空气软管2进入到曲轴箱内。这种通风方式还可防止因曲轴箱内压力过高而造成的曲轴箱漏油。为了防止在发动机低速小负荷时进气管的真空度太大而将机油从曲轴箱内吸出，在曲轴箱通气软管上装有单向阀（PCV阀）。上一页返回2.7发动机冷却系2.7.1冷却系作用冷却系统的功用是使发动机在所有工况下都保持在适当的温度范围内。冷却系统既要防止发动机过热，也要防止冬季发动机过冷。在发动机冷起动之后，冷却系统还要保证发动机迅速升温，尽快达到正常的工作温度。若发动机过热，将导致充气效率下降，早燃和爆燃的倾向加大，致使发动机功率下降；运动机件间正常的间隙受到破坏，使零件不能正常运动，甚至卡死、损坏；零件因力学性能下降而导致变形和损坏。若发动机过冷，将导致进入气缸的可燃混合气雾化不好，因而燃烧不好，造成发动机功率下降及油耗上升；同时因混合气与温度较低的气缸壁接触，使其中原已汽化的燃油重又凝结而流入曲轴箱内，不仅增加油耗，且使机油变稀而影响润滑，导致发动机功率下降，磨损增加。下一页返回2.7发动机冷却系2.7.2冷却系分类冷却系按冷却介质的不同可分为水冷系和风冷系两类。以冷却液为冷却介质的为水冷系统。水冷系是通过冷却液在发动机水套中循环流动而吸收多余的热量，再将此热量散入大气而进行冷却的一系列装置。水冷系因冷却强度大、易调节，便于冬季起动而广泛用于汽车发动机上。采用水冷系时，气缸盖内冷却水的温度应保持在80℃~90℃范围内，气缸壁的温度应保持在200℃~280℃。以空气为冷却介质的冷却系统称风冷系统。风冷系是将发动机中高温零件的热量，通过装在气缸体和气缸盖表面的散热片直接散入大气中而进行冷却的一系列装置。风冷系因冷却效果差、噪声大、功耗大等缺点，仅用于部分小排量及军用汽车的发动机中。上一页下一页返回2.7发动机冷却系2.7.3水冷系的组成及水路循环1.水冷系的组成汽车发动机的水冷系统均为强制循环水冷系统，即利用水泵提高冷却液的压力，强制冷却液在发动机中的循环流动。这种系统包括水泵、散热器、冷却风扇、节温器、补偿水桶、发动机机体和气缸盖中的水套等，如图2-29所示。为便于驾驶员能及时掌握冷却系的工作情况，水冷系中还设有水温表和高温警告灯等。2.水冷系的工作原理冷却液在水泵中增压后，进入发动机的机体水套。冷却液从水套壁周围流过并从水套壁吸热而升温，然后向上流入气缸盖水套，从气缸盖水套壁吸热之后经节温器及散热器进水软管流入散热器。上一页下一页返回2.7发动机冷却系在散热器中冷却液使流过散热器周围的空气散热而降温，最后冷却液经散热器出水软管返回水泵，如此循环不止。在汽车行驶或冷却风扇工作时，空气从散热器周围高速流过以增强对冷却液的冷却。3.水冷系的水路循环通常冷却液在冷却系内的循环流动有三种情况：①水温高时，发动机气缸盖出水孔的冷却液流经散热器再经水泵流回水套，称为大循环；②水温低时，发动机气缸盖出水孔的冷却液不经过散热器而直接流回水套，称为小循环。③大小循环同时存在，称为混合循环。上一页返回2.8发动机点火系2.8.1点火系的作用点火系统的基本功用是在发动机各种工况和使用条件下，在气缸内适时、准确、可靠地产生电火花，以点燃可燃混合气，使发动机做功。2.8.2点火系的组成及控制原理1.点火系的组成点火系统由低压电源、点火开关、ECU、点火控制模块、点火线圈、火花塞、高压线和各种传感器等组成。有的点火系统还将点火线圈直接安装在火花塞上方，取消了高压线，如图2-30所示。2.点火系的控制原理如图2-31所示，发动机运行时，ECU不断地采集发动机的转速、负荷、冷却液温度、进气温度等信号，并根据存储器ROM中存储的有关程序下一页返回2.8发动机点火系与有关数据，确定出该工况下最佳点火提前角和初级电路的最佳导通角，并以此向点火控制模块发出指令。点火控制装置根据ECU的点火指令，控制点火线圈初级回路的导通和截止。当电路导通时，有电流从点火线圈中的初级绕组通过，点火线圈此时将点火能量以磁场的形式储存起来。当初级绕组中电流被切断时，在其次级绕组中将产生很高的感应电动势（15~20kV），由控制系统直接进行高压电的分配，送至到工作气缸上的火花塞，点火能量被瞬间释放，并迅速点燃气缸内的混合气，发动机完成做功过程。此外，在带有爆燃传感器的点火提前角闭环控制系统中，ECU还根据爆燃传感器的输入信号来判断发动机的爆燃程度，并将点火提前角控制在轻微爆燃的范围内，使发动机能获得较高燃烧效率。上一页返回2.9发动机起动系2.9.1发动机的起动起动系的作用就是按发动机要求提供一定的转矩，使发动机达到规定的转速，顺利完成起动过程。发动机起动时，必须克服气缸内被压缩气体的阻力和发动机本身及其附件内相对运动的零件之间的摩擦阻力，克服这些阻力所需的力矩称为起动转矩。能使发动机顺利起动所必需的曲轴转速，称为起动转速。车用汽油发动机在温度为0℃~20℃时，最低起动转速一般为30~40r/min。为了使发动机能在更低的温度下迅速起动，要求起动转速不低于50~70r/min。若起动转速过低，压缩行程内的热量损失过多，气流的流速过低，将使汽油雾化不良，导致气缸内的混合气不易着火。下一页返回2.9发动机起动系对于车用柴油机的起动，为了防止气缸漏气和热量散失过多，保证压缩终了时气缸内有足够的压力和温度，还要保证喷油泵能建立起足够的喷油压力，使气缸内形成足够强的空气涡流，要求的起动转速较高，可达150~300r/min，否则柴油雾化不良，混合气质量不好，发动机起动困难。此外，柴油发动机的压缩比较汽油机大，因此起动转矩也大，所以起动柴油发动机所需要的起动机功率也比汽油机大。2.9.2起动系的组成及控制原理1.起动系的组成起动系主要由蓄电池、起动机、起动继电器、点火开关、安全开关（有的汽车采用）、低温起动预热装置等