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第二章发动机的工作原理和总体构造一、热力发动机即是将燃料的热能转变为机械能的一种动力装置。①内燃机：可燃混合气在机器内部燃烧而产生热能，然后再转为机械能。燃料在机器外部的锅炉内燃烧，将锅内的水加热，使之变为高温高压的水蒸气，然后送至机器内部，使所含热能转变为机械能。内燃机的优点：热效率高、体积小、重量轻、广泛应用。但由于使用的是石油燃料，因而污染较大。城市的大气污染相当部分来至内燃机所排出的废气。热力发动机②外燃机：第一节发动机的分类液化石油发动机按每一工作循环的冲程数分：按点火方式分：柴油机天然气发动机点燃式发动机（汽油机）压燃式发动机（柴油机）四冲程发动机：活塞往复四个单程完成一个工作循环。二冲程发动机：活塞往复二个单程完成一个工作循环。汽油机按所用燃料分：气体燃料发动机液体燃料发动机1、内燃机：①活塞式内燃机（本章的主要介绍对象。）②燃气轮机：旋转式的内燃机。活塞式内燃机分类：一个工作循环：在气缸中完成一次热功转换所进行的一系列连续过程。单缸（立式、卧式）发动机多缸（直列、Ｖ型、Ｐ型或对置式）发动机按气缸数及排列方式分：Ｐ型或对置式多缸（直列、Ｖ型、Ｐ型或对置式）发动机L型发动机：•又称“直列”(LineEngine)发动机，是指汽缸是按直线排列的，它所有的汽缸均按同一角度肩并肩排成一个平面。“直列”一般用L代表，后面加上汽缸数就是发动机代号，现代汽车上主要有L3、L4、L5、L6型发动机。优点：稳定，成本低，结构简单，运转平衡性好，体积小稳定性高，低速扭矩特性好，燃料消耗少，尺寸紧凑，应用比较广泛。缺点：当排气量和汽缸数增加时，发动机的长度将大大增加。直列4缸发动机，一般广泛运用于2.2升排量以下的发动机中。直列6缸发动机，目前的佼佼者就是著名的BMW，BMW直列6缸发动机凝聚了当今量产发动机的顶尖技术，堪称直列6缸的巅峰之作。V型发动机：•是将所有汽缸分成两组，把相邻汽缸以一定的夹角布置在一起，使两组汽缸形成两个有一个夹角的平面，从侧面看汽缸呈V字形，故称V型发动机。V型发动机的高度和长度尺寸小，在汽车上布置起来较为方便。尤其是现代汽车比较重视空气动力学，要求汽车的迎风面越小越好，也就是要求发动机盖越低越好。常见的V型发动机有V6、V8、V10、V12。还有V3、V5以及V16（不要跟有些直列发动机代表气门数搞浑了）。顾名思义，V代表发动机气缸成V型排列，一般是90度，这样可以抵消运转时的震动，更加稳定。也有75度和72度的。雷诺赛车甚至用了超过90度的广角V10引擎。优点：运转稳定（针对V6、V8、V12）、节省空间。缺点：结构比较复杂，不利于保养和维修，并且造价较高。同时，V3、V5包括V10都由于其结构或排量的原因，并不非常稳定，尤其是作为F1发动机的V103L引擎，更是需要投入大量的精力和经费用于保证其稳定性。H型发动机：•又称水平对置发动机，这也是V型发动机的一种，只不过V的夹角变成了180度了，一般为4缸或6缸。优点：◆低重心：产生的横向震动容易被支架吸收、有效将全车较重的发动机重心降低，更容易达到整体平衡。◆低振动：活塞运动的平衡良好（180度左右抵消）。相比直列式，在曲轴方面所需的平衡配重因素减少，有助转速提升。它能保持650转的低转速，并保证发动机平稳的工作。同样相比其它发动机行式油耗最低。缺点：造价高，发动机太宽。目前世界上只有“保时捷”和“斯巴鲁”两家汽车制造商生产水平对置发动机。W型发动机：•W型发动机是德国大众专属发动机技术。简单说就是两个V型发动机相加，再组成一个V型发动机，也就是“V+V=W=V”。W型与V型发动机相比可以将发动机做得更短一些，曲轴也可短些，这样就能节省发动机所占的空间，同时重量也可轻些，但它的宽度更大，使得发动机室更满。优点：结构更紧凑，可以容纳更多的汽缸数，有更大的排量。缺点是，结构太复杂了！运转平衡性也不好。由于专利的原因，这种发动机只在大众和奥迪等少量车上可以见到，在欧版大众高尔夫、欧版大众帕萨特以及奥迪A8上，分别装备着W6,W8和W12发动机。转子发动机：•转子发动机最早是德国科学家汪克尔发明的，所以又叫汪克尔发动机。其实转子发动机的效率并不高，只是升功率高。转子发动机全称为三角活塞转子发动机，它是一种特殊的活塞式发动机。转子活塞为一个凸弧边三角形，当转子在近似椭圆的外旋轮线缸体内旋转时，弧边三角形的三个顶点与缸壁保持接触，从而使转子弧面同缸壁之间形成三个相互分隔的工作室。这三个工作室的容积大小随转子的转动而周期性变化，转子每旋转一周，各个工作室都能完成一次四个冲程的过程，这四个冲程同活塞往复式发动机的四个冲程相对应，从而形成完整的工作循环。缺点：是费油，污染环境，还有机器的寿命比较短。目前只有“马自达”在应用这项技术。按冷却方式分：水冷式发动机风冷式发动机水冷和风冷的不同•内燃机按照冷却方式不同可以分为水冷发动机和风冷发动机。水冷发动机是利用在气缸体和气缸盖冷却水套中进行循环的冷却液作为冷却介质进行冷却的；而风冷发动机是利用流动于气缸体与气缸盖外表面散热片之间的空气作为冷却介质进行冷却的。水冷发动机冷却均匀，工作可靠，冷却效果好，被广泛地应用于现代车用发动机。按是否装增压装置分：增压发动机非增压发动机（自然吸气发动机）•内燃机按照进气系统是否采用增压方式可以分为自然吸气(非增压)式发动机和强制进气(增压式)发动机。•汽油机常采用自然吸气式；柴油机为了提高功率有采用增压式的。•涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入汽缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入汽缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整一下发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了。按每缸气门数分：二气门发动机多气门发动机活塞由上止点到下止点所扫过的气缸容积Vh。Vh=（πD²/4×103）×S(L)(D：气缸直径，cm.S：活塞冲程，cm.)4、气缸排量（气缸工作容积）：5、发动机排量：VL=Vh•ⅰ(ⅰ----气缸数)活塞在上止点位置活塞在下止点位置6、燃烧室容积：当活塞在上止点时，活塞上方与缸盖围成的容积Vc。7、气缸总容积：Va=Vc+Vh8、压缩比：第四节四冲程发动机工作原理一、气缸总容积1、上止点：活塞顶部离曲轴中心最远处。2、下止点：活塞顶部离曲轴中心最近处。3、活塞冲程：上、下止点间的距离S。汽油机：汽油粘度小，蒸发性好，在气缸外部形成混合气，自燃温度高于380ºC，外火源点燃。柴油机：柴油粘度大，蒸发性差，在气缸内部形成混合气，自燃度为250ºC左右，压缩自燃。汽油机又称点燃式发动机。柴油机又称压燃式发动机。二、可燃混合气的形成及发火方式：三、四冲程（汽油机，柴油机）的工作原理1、进气行程：柴油机：新鲜空气。汽油机：汽油与空气的混合物。活塞被曲轴带动由上止点向下止点移动，此时进气门开启，排气门关闭。活塞由上下被吸入气缸。终了压力：“汽”0.75—0.90温度：100—130ºC（个大气压）“柴”0.80—0.9560—80ºC由于进气有阻力，进气终了的压力略小于大气压力。由于上一循环留在气缸中的高温残余废气与新鲜气体混合，所以进气终了气体温度↑。进开排关V↑，P↓气缸内产生真空度新鲜空气（柴油机）汽油与空气的混合气（汽油机）进入气缸的是2、压缩行程：为使混合气体能迅速燃烧，产生较大的压力，使发动机发出较大的功率，必须在燃烧前对可燃混合气进行压缩，使之V↓，T↑。“汽”压缩接近终了，可燃混合气体由火花塞活塞由下上电极发出的电火花点燃。“柴”压缩接近终了，由喷油泵把柴油提高至上百个大气压以上使之雾化，再送至喷油器，由喷油器把雾状柴油喷入气缸，使与压缩后的高温空气混合，达自然温度时，便自行发燃烧。压缩比ε：ε=Va/Vc=1+Vh/Vc是发动机重要的结构参数。ε越大，压缩终了的P、T越高，燃烧越快，膨胀作功愈充分。从而使发动机的动力性、经济性提高。但ε过高，对汽油机来说，会引起T过高而造成两种不正常燃烧即：进关排关V↓P↑，T↑终了P、T：“汽”6—12；300—400ºC“柴”35—45；500—700ºC爆燃：由于ε过大P、T过高，远离火焰中心的可燃混合气在火焰尚未到达就自行发火燃烧的一种不正常燃烧。爆燃时，火焰以1500—2000m/s的速度向外传播，P、T极剧增加，形成压力波，撞击燃烧室壁，发出尖锐的敲缸声。同时，引起发动机过热功率↓，气门、火花塞等部件被燃坏。表面点火：由于ε过大P、T过高，在电火花之前可燃混合气就被燃烧室炽热的表面点燃的另一种不正常燃烧。表面点火发生时，伴有沉闷的敲缸声，产生的高压使发动机负荷↑，寿命↓。①现代汽油机的压缩比一般为ε=6—9（个别轿车可达9—11）。②柴油机靠压缩自燃，所以压缩比设计等较高ε=16—22。具有较好的经济性。但高的压缩比带来高的压缩压力、燃烧压力，使柴油机各部件要承受高的机械负荷，因而需要增加强度及刚度。故柴油机的尺寸、重量指标不如汽油机。*进关曲轴强制排关旋转作功3、作功行程：压缩终了，气缸容积很小，迅速燃烧的混合气使缸内P、T急剧升高。最高压力：“汽”30—50温度：1900---2500ºC“柴”60---901700---2200ºC高温高压气体推动活塞由上下热能机械能4、排气行程：可燃混合气燃烧后变成废气，为了进行下一循环，必须把废气排气过程。活塞由下上废气经排气门排出气缸进关排开终了压力：“汽”3---5温度：1000---1300ºC终了压力：“汽”1.05---1.25温度：600---900ºC“柴”1.05---1.25500---700ºC。“柴”2---4800---1000ºC四冲程发动机经过进气、压缩、作功、排气四个冲程完成一个工作循环。此期间，活塞在上、下止点间往复移动了四个行程，曲轴旋转了两周。进气终了P：“汽”0.75—0.90（个大气压）“柴”0.80—0.95压缩终了P：“汽”6—12“柴”35—45燃烧时的最高P：“汽”30—50“柴”60---90作功终了P：“汽”3---5“柴”2---4排气终了P：“汽”1.05---1.25“柴”1.05---1.255、示功图：表示发动机在工作过程中，其P、V的变化情况，曲线包围的面积即为发动机的指示功。*VPP0进气终了P：“汽”0.75—0.90（个大气压）“柴”0.80—0.95“汽”6—12“柴”35—45燃烧时的最高P：“汽”30—50“柴”60---90作功终了P：“汽”3---5“柴”2---4排气终了P：P0P0P0P0“汽”1.05---1.25“柴”1.05---1.25压缩终了P：汽油机：（优点）ε较小，体积小，重量轻，转速较高，动力性好。制造维修成本低，噪声小，起动容易。主要用于轿车、微型车（客车、货车）、军用越野车。（缺点）燃料经济差，排污大（HC、N0x、CO）柴油机：（优点）ε较大，燃料燃烧完全，经济性好。（缺点）由于ε较大P、T较高，所以体积大、重量大，转速较低，制造维修成本高（喷油泵、喷油器加工精度要求高）。常用于中、重型货车。（对经济性要求高，动力性要求较低）。同排量的单缸与多缸发动机优缺点比较：单缸：结构简单、重量轻。运转不平稳、冲击振动大。多缸：与单缸相反。发火间隔角=720º/i（i——缸数）。现代汽车上一般不用单缸机，用得最多的是四缸、六缸、八缸。四：四冲程汽油机和柴油机的优缺点比较1、结构：无进排气门及配气机构，由三孔控制进、排气，活塞为凸顶。一：二冲程汽油机的工作原理：第三节二冲程发动机工作原理二冲程发动机的一个工作循环也包括进气、压缩、燃烧作功、排气四个行程。只不过这些行程的完成仅需活塞在两个行程内，即曲轴旋转一周完成。2、工作原理：活塞上行（三孔均闭），压缩上一循环吸入气缸的可燃混合气，活塞上方曲轴箱V↑，P↓产生真空度；上行2/3行程（孔1开启），可燃混合气