第一章：汽车发动机的工作原理

第一篇：汽车发动机第一章:汽车发动机的工作原理及总体构造第一节发动机的分类一、分类车用内燃机(internalcombustionengine)，根据其将热能转变为机械能的主要构件的型式，可分为活塞式内燃机和燃气轮机两大类。前者又可按活塞运动方式分为往复活塞式内燃机（reciprocatingengine）和旋转活塞式内燃机两种。外燃机则包括蒸气机、汽轮机和热气机。1、按照所用燃料分类内燃机按照所使用燃料的不同可以分为汽油机(gasolineengine)和柴油机(dieselengine)以及气体燃料发动机.2、按照行程(stroke)分类内燃机按照完成一个工作循环(operatingcycle)所需的行程数可分为四行程内燃机(four-strokecycleengine)和二行程内燃机(two-strokecycleengine)3、按照冷却方式分类内燃机按照冷却方式不同可以分为水冷发动机(liquid-cooledengine)和风冷发动机(air-cooledengine)。4、按照气缸(cylinder)数目分类内燃机按照气缸数目不同可以分为单缸发动机(single-cylinderengine)和多缸发动机(multi-cylinderengine)。5、按照气缸排列方式分类内燃机按照气缸排列方式不同可以分为单列式和双列式。6、按照进气系统是否采用增压方式分类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[naturaryaspiratedengine(non-superchargedengine)]和强制进气(增压式)发动机(superchargedengine)二、发动机基本术语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)。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s：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。一般用s表示，对应一个活塞行程，曲轴旋转180°。曲柄半径R：曲轴旋转中心到曲柄销中心之间的距离，一般用R表示。通常活塞行程为曲柄半径的两倍，即S=2R。气缸工作容积Vh：活塞从一个止点运动到另一个止点所扫过的容积，一般用Vh表示。燃烧室容积Vc：活塞在上止点时，活塞上方的容积。气缸总容积Va：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。一般用Va表示，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压缩比(compressionratio)：是发动机中一个非常重要的概念，压缩比表示了气体的压缩程度，它是气体压缩前的容积与气体压缩后的容积之比值，即气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比。一般用ε表示。通常汽油机的压缩比为6～10，柴油机的压缩比较高，一般为16～22。每一个工作循环包括进气、压缩、作功和排气过程，即完成进气、压缩、作功和排气四个过程叫一个工作循环。第二节四行程发动机工作原理一、四行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。汽油机(gasolineengine)1、进气行程(intakestroke)由于曲轴的旋转，活塞从上止点(topdeadcenter)向下止点(bottomdeadcenter)运动，这时排气门关闭，进气门打开。进气过程开始时，活塞位于上止点，气缸内残存有上一循环未排净的废气，因此，气缸内的压力稍高于大气压力。随着活塞下移，气缸内容积增大，压力减小，当压力低于大气压时，在气缸内产生真空吸力，空气经空气滤清器并与化油器供给的汽油混合成可燃混合气，通过进气门被吸入气缸，直至活塞向下运动到下止点。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0.08～0.09MPa，同时受到残余废气和高温机件加热的影响，温度达到320～380K。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(intakestroke)排气门关闭进气门开启活塞温度320~380K，压力80~90kPa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。2、压缩行程(compressionstroke)曲轴继续旋转，活塞从下止点向上止点运动，这时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，当活塞到达上止点时压缩行程结束。此时气体的压力和温度主要随压缩比的大小而定，可燃混合气压力可达0.8～1.5MPa，温度可达600～750K。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。所谓爆燃就是由于气体压力和温度过高，可燃混合气在没有点燃的情况下自行燃烧，且火焰以高于正常燃烧数倍的速度向外传播，造成尖锐的敲缸声。会使发动机过热，功率下降，汽油消耗量增加以及机件损坏。轻微爆燃是允许的，但强烈爆燃对发动机是很有害的，汽油机的压缩比一般为ε＝7～10。压缩行程(compressionstroke)进气门关闭排气门关闭活塞压缩比：ε=Va/VcPVra示功图大气压力线c上止点下止点温度600~750K，压力800~1500kPa3、作功行程(powerstroke)作功行程包括燃烧过程和膨胀过程，在这一行程中，进气门和排气门仍然保持关闭。当活塞位于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3.0～6.5MPa，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，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0.35～0.5MPa，气体温度降低到1200～1500K。作功冲程(powerstroke)进气门关闭排气门关闭活塞PVra示功图大气压力线cZb上止点下止点瞬时最高：温度2200~2800K，压力3.5~6.5MPa作功终了：温度1200~1500K，压力350~500kPa4、排气行程(exhauststroke)可燃混合气在气缸内燃烧后生成的废气必须从气缸中排出去以便进行下一个进气行程。当作功接近终了时，排气门开启，进气门仍然关闭，靠废气的压力先进行自由排气，活塞到达下止点再向上止点运动时，继续把废气强制排出到大气中去，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，以便排出更多的废气。由于燃烧室容积的存在，不可能将废气全部排出气缸。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0.105～0.12MPa，温度约为900～1100K。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(exhauststroke)进气门关闭排气门打开活塞PVr示功图大气压力线cZb上止点下止点温度900~1100K压力105~12kPa残余废气二、四行程柴油机的工作原理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，但由于柴油机使用的燃料是柴油，柴油与汽油有较大的差别，柴油粘度大，不易蒸发，自燃温度低，故可燃混合气的形成，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，下面主要分析一下柴油机和汽油机在工作过程中的不同点。四行程柴油机在进气行程中所不同的是柴油机吸入气缸的是纯空气而不是可燃混合气，在进气通道中没有化油器，进气阻力小，进气终了时气体压力略高于汽油机而气体温度略低于汽油机。进气终了时气体压力约为0.085～0.095MPa，气体温度约为310～340K。喷油器喷油泵吸气行程压缩行程作功行程排气行程进气门排气门纯空气温度310~340K压力850~950kPa温度750~1000K压力3~5MPa瞬时：温度1800~2200K压力6~9MPa温度700~900K压力105~120kPa终了：温度1000~1200K压力200~500kPa压缩行程压缩的也是纯空气，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。柴油机的压缩比比汽油机的压缩比大很多(一般为16～22)，压缩终了时气体温度和压力都比汽油机高，大大超过了柴油机的自燃温度。压缩终了时，气体压力约为3~5MPa，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。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，同时柴油价格较低，因此，柴油机的燃料经济性能好，而且柴油机的排气污染少，排放性能较好。但它的主要缺点是转速低，质量大，噪声大，振动大，制造和维修费用高。在其发展过程中，柴油机不断发扬其优点，克服缺点，提高速度，有望得到更广泛地应用。柴油喷入气缸后，在很短的时间内与空气混合后便立即着火燃烧，柴油机的可燃混合气是在气缸内部形成的，而不象汽油机那样，混合气主要是在气缸外部的化油器中形成的。柴油机燃烧过程中气缸内出现的最高压力要比汽油机高得多，可高达6～9MPa，最高温度也可高达1800～2200K。作功终了时，气体压力约为0.2～0.5MPa，气体温度约为1000～1200K。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0.105～0.120MPa，气体温度约为700～900K。第三节二行程发动机的工作原理一、二行程汽油机工作原理二行程汽油机的工作循环也是由进气、压缩、燃烧膨胀、排气过程组成，但它是在曲轴旋转一圈(360°)，活塞上下往复运动的两个行程内完成的。因此，二行程发动机（two-stroke-engine）与四行程发动机工作原理不同，结构也不一样。例如曲轴箱换气式二行程汽油机，气缸上有三排孔，利用这三排孔分别在一定时刻被活塞打开或关闭进行进气、换气和排气的。工作原理如下：图a表示活塞向上运动，将三排孔都关闭，活塞上部开始压缩，当活塞继续上行时，活塞下方打开了进气孔，可燃混合气进入曲轴箱（图b），活塞接近上止点时（图c），火花塞点燃混合气，气体燃烧膨胀，推动活塞向下运动，进气孔关闭，曲轴箱内的混合气受到压缩，当活塞接近下止点时，排气孔打开，排出废气，活塞再向下运动，换气孔打开，受到压缩的混合气便从曲轴箱经进气孔流入气缸内，并扫除废气（图d）。1、进气孔2、排气孔3、扫气孔1、进气孔2、排气孔3、扫气孔曲轴箱第一行程：活塞从下止点向上止点运动，事先已充满活塞上方气缸内的混合气被压缩，新的可燃混合气又从化油器被吸入活塞下方的曲轴箱内。第二行程：活塞从上止点向下止点运动，活塞上方进行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。二、二行程柴油机的工作原理二行程柴油机和二行程汽油机工作类似，所不同的是，柴油机进入气缸的不是可燃混合气，而是纯空气。例如带有扫气泵的二行程柴油机工作过程如下：第一行程：活塞从下止点向上止点运动，行程开始前不久，进气孔和排气门均以开启，利用从扫气泵流出的空气使气缸换气。当活塞继续向上运动进气孔被关闭，排气门也关闭，空气受到压缩，当活塞接近上止点时，喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室，燃油和空气混合后燃烧，使气缸内压力增大。第二行程：活塞从上止点向下止点运动，开始时气体膨胀，推动活塞向下运动，对外作功