汽车结构第1章_发动机工作原理和总体构造

《汽车构造》电子教案第一章发动机工作原理和总体构造2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第2页第一章发动机的工作原理和总体构造发动机的分类四冲程发动机工作原理二冲程发动机工作原理发动机的总体构造发动机的主要性能指标与特性内燃机产品名称和型号编制规则2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第3页第一节发动机的分类热机内燃机外燃机活塞式内燃机燃气轮机往复活塞式旋转活塞式2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第4页内燃机的特点内燃机是热力发动机的一种，其特点是液体或气体燃料与空气混合后直接输入机器内部燃烧而产生热能，然后再转变成机械能。内燃机具有热效率高、体积小、质量小、便于移动以及起动性能好等优点，因而广泛应用于飞机、船舰以及汽车、拖拉机、坦克等各种车辆上。但是，内燃机一般要求使用石油燃料，同时排出的废气中所含有害气体成分较高。为解决能源与大气污染的问题，目前国内、外正致力于排气净化以及其它新能源发动机的研究工作。2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第5页第一节汽车用发动机的分类热机→内燃机（外燃机）→活塞式内燃机（燃气轮机）（1）按所用的燃料分类：液体燃料发动机和气体燃料发动机；（2）按发火方式分类：压燃式发动机和点燃式发动机；（3）按工作循环的冲程数分类：四冲程发动机和二冲程发动机；（4）按气缸数及其排列方式分类：单缸发动机和多缸发动机；单缸有立式与卧式，多缸有V、W型与对置式；（5）按冷却方式分类：水冷式和风冷式两种；（6）按进气方式分类：非增压式发动机和增压式发动机；（7）按每气缸中的气门数分类：二气门、四气门、五气门发动机。2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第6页第一节汽车用发动机的分类2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第7页第二节四冲程发动机工作原理一、四冲程汽油机工作原理二、四冲程柴油机工作原理2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第8页一、四冲程汽油机工作原理2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第9页上止点:活塞顶部离曲轴中心最远处，即活塞最高位置。下止点:活塞顶部离曲轴中心最近处，即活塞最低位置。活塞行程:上、下止点间的距离。曲柄半径:曲轴与连杆下端的连接中心至曲轴中心的距离。SR一、四冲程汽油机工作原理2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第10页气缸工作容积（气缸排量）:活塞从上止点到下止点所扫过的容积。发动机排量:多缸发动机各气缸工作容积的总和。SVLVSiDVL62104为气缸直径（mm）；为活塞行程（mm）;为气缸数。DSi2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第11页四冲程汽油机工作循环过程2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第12页进气行程进气过程中，进气门开启，排气门关闭。随着活塞从上止点向下止点移动，活塞上方的气缸容积增大，从而气缸内的压力降低到大气压以下，即在气缸内造成真空吸力。这样，可燃混合气便经进气管道和进气门被吸入气缸。由于进气系统有阻力，进气终了时气缸内的气体压力约为0.075～0.09MPa。流进气缸内的可燃混合气，因为与气缸壁、活塞顶等高温机件表面接触并与前一循环留下的高温残余废气混合，所以温度可升高到370～400K。在示功图上，进气行程用曲线表示。曲线位于大气压力线下面，它与大气压力线纵坐标之差即表示气缸内的真空度。rara2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第13页压缩行程为使吸入气缸的可燃混合气能迅速燃烧，以产生较大的压力，从而使发动机发出较大功率，必须在燃烧前将可燃混合气压缩，使其容积缩小、密度加大、温度升高，故需要有压缩过程。在这个过程中，进、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，称为压缩行程。在示功图上，压缩行程用曲线表示。活塞达到上止点时压缩终了，此时，混合气被压缩到活塞上方很小的空间，即燃烧室中。可燃混合气压力升高到0.6～1.2MPa，温度可达600～700K。cpac压缩比2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第14页压缩比:压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积之比。换言之，压缩比等于气缸总容积（活塞在下止点时，活塞顶部以上的气缸容积）与燃烧室容积（活塞在上止点时，活塞顶部以上的容积）之比，即现代汽油发动机压缩比一般为6～9（轿车有的达到9～11）。如一汽-大众捷达轿车EA827型1.6L发动机的压缩比为8.5，而EA113型1.6L发动机则为9.3。caVV2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第15页压缩比越大，在压缩终了时混合气压力和温度越高，燃烧速度增快，因而发动机发出的功率增大，热效率提高，经济性越好。但压缩比过大时。不仅不能进一步改善燃烧情况，反而会出现爆燃和表面点火不正常的燃烧现象。爆燃是由于气体压力和温度过高，在燃烧室内离点燃中心较远处的末端可燃混合气自燃而造成的一种不正常燃烧。爆燃时，火焰以极高的速率传播，温度和压力急剧升高，形成压力波，以声速向前推进。当这种压力波撞击燃烧室壁面时就发出尖锐的敲缸声。同时，还会引起发动机过热、功率下降、燃油消耗量增加等一些不良后果。严重爆燃时甚至造成气门烧毁、轴瓦破裂、活塞烧顶、火花塞绝缘体被击穿等机件损坏现象。表面点火是由于燃烧室内炽热表面（如排气门头，火花塞电极，积碳）点燃混合气产生的另一种不正常燃烧。表面点火发生时，也伴有强烈的敲击声（较沉闷），产生的高压会使发动机机件承受的机械负荷增加，寿命降低。因此，在提高发动机压缩比的同时，必须注意防止爆燃和表面点火的发生。此外，发动机压缩比的提高还受到排气污染法规的限制。2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第16页作功行程在这个行程中，进、排气门仍然关闭。当活塞接近上止点时，装在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，气压力和温度迅速增加，所能达到的最高压力约3~5MPa，相应温度则为2200~2800K。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。它除了用于维持发动机本身继续旋转而外，其余即用于对外作功。示功图上曲线表示活塞向下移动时，气缸内容积增加，气体压力和温度都降低，在作功形成终了的点，压力降至0.3~0.5MPa，温度则降为1300~1600K。zbb2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第17页排气行程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。当膨胀接近终了时，排气门开启，靠废气的压力进行自由排气，活塞到达下止点后再向上止点移动时，继续将废气强制排到大气中。活塞到上止点附近时，排气行程结束。这一行程在示功图上用曲线表示。在排气行程中，气缸内压力稍高于大气压力，约为0.105~0.115MPa。排气终了时，废气温度约为900~1200K。由于燃烧室占有一定的容积，因此在排气终了时，不可能将废气排尽，这一部分留下的废气称为残余废气。br2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第18页四个冲程-五个过程2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第19页总结四冲程汽油机的工作循环包括四个活塞行程，即进气行程、压缩行程、膨胀行程（作功行程）和排气行程。经过这四个行程，完成一个工作循环。这期间活塞在上、下止点间往复了四个行程，曲轴旋转了两周。(在发动机内，每一次将热能转变为机械能都必须经过吸入空气、压缩和输入燃料，使之发火燃烧而膨胀作功，然后将生成的废气排除这样一系列连续过程，称为一个工作循环。)2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第20页四冲程柴油机工作原理四冲程柴油机（压燃式发动机）的每个工作循环也经历进气、压缩、作功、排气四个行程。但由于柴油机的燃料是柴油，其粘度比汽油大，而其自燃温度却较汽油低，故可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第21页柴油机在进气行程吸入的是纯空气，在压缩行程终了时，柴油机喷油泵1将油压提高到10～15MPa以上，通过喷油器2喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。因此，这种发动机的可燃混合气是在气缸内部形成的。由于柴油机的压缩比高（一般为16～22），所以压缩终了时气缸内的空气压力可达3.5～4.5MPa，同时温度高达750～1000K，大大超过柴油机的自燃温度。因此，柴油喷入气缸后，在很短时间内与空气混合后便立即自行发火燃烧，气缸内气压急剧上升至6～9MPa，温度也升到2000～2500K。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转而作功。废气同样经排气管排入大气中。2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第22页柴油机汽油机①转速较汽油机低②质量大③制造和维修费用高④压缩比高，燃油消耗率低，燃油经济性好①转速高②质量小③工作噪声小④起动容易⑤制造和维修费用低⑥燃油消耗率高，燃油经济性差2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第23页总结四冲程发动机在一个工作循环的四个活塞行程中，只有一个行程是作功的，其余三个则是作功行程的辅助行程。因此，在单缸发动机内，曲轴每转两周中只有半周是由于膨胀气体的作用使曲轴旋转，其余一周半则依靠飞轮惯性维持转动。显然，作功行程时，曲轴的转速比其它三个行程内曲轴转速要高，所以曲轴转速是不均匀的，因而发动机运转就不平稳。为了解决这个问题，飞轮必须做成具有更大的转动惯量，而这样做将使整个发动机质量和尺寸增加。显然，单缸发动机工作振动大，采用多缸发动机可以弥补上述缺点。因此，现在汽车上基本不用单缸发动机，用的最多的是4缸、6缸、8缸发动机。在多缸四冲程发动机的每一个气缸内，所有的工作过程是相同的，并按上述次序进行，但所有气缸的作功行程并不同时发生。例如，在4缸发动机内，曲轴每转半周便有一个气缸在作功；在8缸发动机内，曲轴每转1/4周便有一个作功行程。气缸数越多，发动机的工作越。平稳。但发动机气缸数增多，一般将使其结构复杂，尺寸及质量增加。2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第24页第三节二冲程发动机工作原理二冲程汽油机工作原理二冲程柴油机工作原理（可参考课本自学）二冲程发动机的工作循环是在两个活塞行程内，即曲轴旋转一周的时间内完成的。2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第25页二冲程汽油机工作原理2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第26页2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第27页图a表示活塞向上移动，到活塞将三孔都关闭时，开始压缩在上一循环即已吸入缸内的可燃混合气，同时在活塞下面的曲轴箱内形成真空度（这种发动机的曲轴箱必须密封）。2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第28页如图b，当活塞继续上行时，进气孔1开启，在大气压力作用下，可燃混合气便自化油器流入曲轴箱。2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第29页如图c，活塞接近上止点时火花塞发出电火花，点燃被压缩的混合气。高温、高压气体膨胀迫使活塞向下移动。进气孔1逐渐被关闭，流入曲轴箱的混合气则应活塞的下移而被预先压缩。2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第30页如图d，当活塞接近下止点时，排气管2开启，废气经过孔2、排气管、消声器流到大气中，受到预压的新鲜混合气便自曲轴箱经孔3流入缸内，并扫除废气。废气从气缸内被新鲜混合气扫除并代替的过程，称为气缸的换气过程，故孔3被称为扫气孔或换气孔。2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第31页结论二冲程发动机一个工作循环所包含两个行程是：（1）第一行程活塞自下止点向上移动，事先已充入活塞上方气缸内的混合气被压缩，新的可燃混合气又自化油器被吸入活塞下方的曲轴箱内。（2）第二行程活塞自上止点向下移动，活塞上方进行着作功过程和换气过程，而活塞下方则进行可燃混合气的预压缩。为了防止新鲜混合气大量与废气混合并随废气一起排出气缸而造成浪费，活塞顶做成特殊的形状，使新鲜混合气的气流被引向上部，这样还可以利用新鲜混合气来扫除废气，使排气更为彻底。但是在二冲程发动机中，要完全避免可燃混合气的损失是很困难的。2019/8/16哈尔滨工业大学（威海）第32页活塞由下止点向上止点运