0汽车发动机的工作原理及总体构造2

第一章汽车发动机工作原理及总体构造发动机的分类基本术语四冲程发动机工作原理和总体构造二冲程发动机工作原理和总体构造第一章汽车的发动机类型第一节概述一、发动机及其种类概述什么叫发动机?凡是把某种形式的能转变为机械能的机器各种发动机因能源不同又可分为风力发动机、水力发动机和热力发动机等。热力发动机——将燃料燃烧所产生的热能转变为机械能。因燃料燃烧所处部位不同，热力发动机又可分为外燃机和内燃机两大类。燃料在发动机外部燃烧的叫外燃机。如蒸汽机、汽轮机等。燃料直接在发动机内部燃烧的叫内燃机。如柴油机、汽油机、煤气机等。内燃机与外燃机比较，具有以下优点：热效率高——增压柴油机最高热效率可达46％，而蒸汽机只有11％～16％。功率范围广，适应性好——最小的不到lkW，最大的可达35000kW。同一型号，经少量改装，可适应各种不同用途的需要。结构紧凑，重量轻，尺寸小。使用操作方便，起动快——正常情况下，一般的柴油机或汽油机能在3-5s时间内起动，并能在短时间内达到全负荷运转，而且操作比较轻便。运转安全。二、内燃机的分类内燃机的结构形式很多，可按下列方法分类：(1)按活塞运动方式分——往复活塞式旋转活塞式二、内燃机的分类(2)按采用的燃料不同分有柴油机、汽油机、气体燃料发动机等。(3)按气缸冷却方式分——为水冷与风冷二、内燃机的分类(4)按完成一个工作循环的行程数(冲程)可分为：四冲程式：活塞往复四个行程完成一个工作循环。二冲程式：活塞往复两个行程完成一个工作循环。二、内燃机的分类(5)按进气方式分增压式：装有增压器，空气经过增压后进入气缸。非增压式；不装增压器，利用活塞的抽吸作用将空气吸入气缸·拖拉机和汽车上大部分都采用非增压式。二、内燃机的分类(6)按发动机气缸数可分为单缸与多缸二、内燃机的分类(7)按着火方式分压燃式：利用气缸内被压缩的空气所产生的高温高压使燃料自行着火燃烧。柴油机就属于这种着火方式点燃式：利用外界热源(如电火花)点燃燃料，使其着火燃烧。如汽油机、天然气发动机等。二、内燃机的分类(8)接用途可分为固定式：用作固定作业的动力，如发电、排灌、农产品加工等作业。移动式：用作移动机械的动力，如拖拉机和汽车的发动机。二、内燃机的分类(9)按气缸排列形式分有直列式、卧式和V型等。二、内燃机的分类第一节小结目前，应用最广、数量最多的汽车发动机为水冷、四冲程往复活塞式内燃机，其中汽油机用于轿车和轻型客、货车上，而大客车和中、重型货车发动机多为柴油机。少数轿车和轻型客、货车发动机用柴油机。以风冷或二冲程活塞式内燃机为动力的汽车为数不多。现主要用于摩托车和小型动力作业机械。为满足汽车加速性能的要求，用增压的方法提高内燃机的功率。因此，近年来增压内燃机倍受重视，并得到了积极的发展。第二节往复活塞式内燃机的基本结构及基本术语基本结构简介图1-1它由气缸盖1排气门2进气门3喷油器4(汽油机为火花塞)气缸5活塞6连杆8活塞销7曲轴10曲柄11飞轮12等构成基本结构简介有密闭的工作腔——周向气缸、顶缸盖和气门、底活塞顶等组成。工作腔容积能变化——活塞往复运动实现（气缸内表面为圆柱形）。往复运动变为曲轴的旋转运动——作往复运动的活塞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，构成曲柄连杆机构来实现。其他——为保证发动机能正常工作，需要支撑和散热缸体及冷却系、空气供给装置进排气系统、燃料供给装置燃料供给系、着火装置电火系、润滑系等。结构特点常用的基本名词术语与定义工作循环工作循环——完成进气、压缩、作功和排气四个过程即为一个工作循环。上止点——活塞在气缸里作往复直线运动时，当活塞向上运动到最高位置，即活塞顶部距离曲轴旋转中心最远的极限位置，称为上止点TDC(TopDeadCenter)。下止点——活塞在气缸里作往复直线运动时，当活塞向下运动到最低位置，即活塞顶部距离曲轴旋转中心最近的极限位置，称为下止点BDC(BottomDeadCenter)。活塞行程——活塞从一个止点到另一个止点移动的距离。即上、下止点之间的距离称为活塞行程S。对应一个活塞行程，曲轴旋转180°常用的基本名词术语与定义曲柄半径曲柄半径——曲轴旋转中心到曲柄销中心之间的距离称为曲柄半径R。通常活塞行程为曲柄半径的两倍，即：S=2R。气缸工作容积——活塞从一个止点运动到另一个止点所扫过的容积，称为气缸工作容积Vh。式中：D－气缸直径，单位mm；S－活塞行程，单位mm；发动机排量——多缸发动机各气缸工作容积的总和称为发动机排量Vt。Vt=Vh×i式中：Vh——气缸工作容积；i——气缸数目。常用的基本名词术语与定义燃烧室容积——活塞位于上止点时，其顶部与气缸盖之间的容积。气缸总容积——活塞位于下止点时，其顶部与气缸盖之间的容积称为气缸总容积Va。显而易见，气缸总容积就是气缸工作容积和燃烧室容积之和，即:Va＝Vc＋Vh常用的基本名词术语与定义压缩比——气缸总容积与燃烧室容积之比ε（气体压缩前的容积与气体压缩后的容积之比）。意义——表示气体的压缩程度，是非常重要的概念。公式：式中：Va－气缸总容积；Vh－气缸工作容积；Vc－燃烧室容积；通常汽油机的压缩比为8～12，柴油机的压缩比较高，一般为16～24。第三节内燃机的工作原理单缸四行(冲)程汽油机的工作原理四行程汽油机的运转是按进气行程、压缩行程、作功行程和排气行程的顺序不断循环反复的进行的。四行程发动机工作原理观看演示1、进气行程2、压缩行程3、作功行程4、排气行程排气门关闭进气门开启四行程汽油机的工作原理观察工作原理并注意与前者的区别汽油发动机四个行程的图示1.进气行程２.压缩行程３.作功行程4.排气行程每一行程工作的具体分析如下进气门开,排气门关,活塞自上止点至下止点,气缸真空,吸入混合气。进气行程进气行程排气门关闭进气门开启大气压力线PVra示功图上止点下止点示功图：表示活塞在不同位置时气缸内气体压力的变化情况。进气终了时气缸内压强为0.074～0.093Mpa，温度上升至353～403K活塞下行在进气过程中，受空气滤清器、化油器、进气管道、进气门等阻力影响，进气终了时，气缸内气体压力略低于大气压，约为0.075～0.09MPa，同时受到残余废气和高温机件加热的影响，温度达到370～400K。实际汽油机的进气门是在活塞到达上止点之前打开，并且延迟到下止点之后关闭，以便吸入更多的可燃混合气。进气行程进气门关,排气门关,活塞自下止点至上止点,气缸混合气被压缩,气压及温度增高.压缩行程活塞从下止点→上止点。进气门和排气门都关闭，气缸内成为封闭容积。可燃混合气受到压缩，压力和温度不断升高，压缩行程终点可燃混合气压力可达0.6～1.2MPa，温度可达600～700K。压缩行程压缩行程进气门关闭排气门关闭PVra示功图大气压力线c上止点下止点压缩终了时气缸内压强上升至0.6～1.5Mpa，温度继续上升至600～700K。活塞上行压缩比越大，压缩终了时气缸内的压力和温度越高，则燃烧速度越快，发动机功率也越大。但压缩比太高，容易引起爆燃。压缩行程有利于混合气的迅速燃烧并可提高内燃机的有效热效率。汽油机的压缩比一般为ε＝8～12。压缩行程进气门关,排气门关,活塞自上止点至下止点,气缸混合气被点燃燃烧,气压及温度急剧增高.作功行程燃烧过程和膨胀过程进气门和排气门仍关闭当活塞压缩行程接近上止点(即点火提前角)位置时，火花塞产生电火花点燃可燃混合气可燃混合气燃烧后放出大量的热使气缸内气体温度和压力急剧升高，最高压力可达3～5MPa，最高温度可达2200～2800K。高温高压气体膨胀，推动活塞从上止点向下止点运动作功。作功行程作功行程进气门关闭排气门关闭PVra示功图大气压力线cZb上止点下止点作功中气缸内最高压强可达3～5Mpa，最高温度可达2200～2800K；作功终了时气缸内压强下降至0.3～0.5Mpa，温度下降至1300～1600K。活塞下行通过连杆使曲轴旋转并输出机械功。除了用于维持发动机本身继续运转外，其余用于对外作功。随着活塞向下运动，气缸内容积增加，气体压力和温度降低，当活塞运动到下止点时，作功行程结束。气体压力降低到0.3～0.5MPa，气体温度降低到1300～1600K。作功行程进气门关,排气门开,活塞自下止点至上止点,气缸废气排出,气压及温度下降。排气行程废气必须从气缸中排出去以便进行下一个循环。当作功接近终了时，排气门开启，进气门仍关闭，先靠废气的压力自由排气，活塞到达下止点再向上止点运动时，继续把废气强制排出，活塞越过上止点后，排气门关闭，排气行程结束。实际汽油机的排气行程也是排气门提前打开，延迟关闭，目的是能排出更多的废气。由于燃烧室容积的存在，不可能将废气全部排出气缸。排气行程进气门关闭排气门打开PVr示功图大气压力线cZb上止点下止点残余废气排气终了时气缸内压强下降至0.102～0.120Mpa，温度下降至900～1200Ka活塞上行排气行程受排气阻力的影响，排气终止时，气体压力仍高于大气压力，约为0.105～0.115MPa，温度约为900～1200K。曲轴继续旋转，活塞从上止点向下止点运动，又开始了下一个新的循环过程。可见四行程汽油机经过进气、压缩、作功、排气四个行程完成一个工作循环。这期间活塞在上、下止点往复运动了四个行程，相应地曲轴旋转了两圈。排气行程实际汽油机气门早开晚关——如排气门都是在活塞到达下止点前打开，上止点后关闭，以便排除更多的废气。汽油机每完成进气、压缩、作功、排气四个行程即完成一个工作循环。四冲程汽油机每完成一个工作循环，活塞往复四次，曲轴旋转两圈(7200)。每冲程占曲轴转角为7200/4冲程=1800小结分析单缸四行(冲)程柴油机的工作原理工作循环相同——四行程柴油机和四行程汽油机的工作过程相同，每一个工作循环同样包括进气、压缩、作功和排气四个行程。着火方式不同——由于柴油机使用柴油，粘度大，不易蒸发，自燃温度低，故可燃混合气的形成，压缩比，着火方式，燃烧过程以及气体温度压力的变化都和汽油机不同。四行程柴油机工作原理与汽油机工作原理相比，只有一个行程即作功行程中，柴油机由于用的柴油粘度比汽油大、不易蒸发，且自然温度又较汽油低，所以采用的是压缩自燃式点火。进气行程压缩行程作功行程排气行程新鲜空气四行程柴油机各行程示意图开始喷油进气行程在柴油机进气行程中，被吸入气缸的只是纯净的空气。柴油机进气系统阻力较小，气缸残留废气少，温度较低，故进气行程结束时，缸内气体压力较高为0.085～0.095MPa，温度较低，约为310～340K。压缩纯空气。在压缩行程接近上止点时，喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室.柴油和空气在气缸内形成可燃混合气并着火燃烧。柴油机压缩比比汽油机压缩比大(一般为16～24)，故压缩终了时气体温度和压力比汽油机高，大大超过柴油的自燃温度。压缩终了时，气体压力约为3.5～4.5MPa，气体温度约为750～1000K。柴油机是压缩后自燃着火的，不需要点火，故柴油机又称为压燃机。压缩行程作功行程喷油——在压缩行程接近终点时，喷油器以很高的压力，很小的喷孔直径，将柴油呈细雾状喷出。缸内混合——细微的油滴在缸内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（汽油机缸外混合）。达到自燃温度燃烧。活塞已过上止点，可燃混合气燃烧膨胀作功，柴油机燃烧最高压力比汽油机高得多，达6～9MPa，最高温度达2000～2500K。活塞到下止点，作功行程结束，气体压力约为0.2～0.4MPa，温度约为1200～1500K。柴油机的排气行程和汽油机一样，废气同样经排气管排入到大气中去。排气终了时，气缸内气体压力约为0.105～0.125MPa，气体温度约为800～1000K。排气行程柴油机与汽油机比较柴油机的压缩比高，热效率高，燃油消耗率低，经济性好。柴油机的排气污染少，排放性能较好。但其主要缺点是转速低，质量大，