发动机结构原理及发展趋势(合力叉车)下

1发动机结构原理及发展趋势合肥工业大学机械与汽车工程学院程晓章2005.122第1讲概述1.1热力发动机的分类热力发动机（热机）内燃机外燃机（如蒸汽机、Stirling机）燃气轮机（旋转式内燃机）活塞式内燃机旋转活塞式（Wankel）往复活塞3•按燃料：汽、柴、NG、LPG、酒精等•按着火方式：压燃式、点燃式•按冲程：四、二•按冷却：水、风、油•按气缸数：单、双、多•按转速：低、中、高•按增压：非增压、增压•按气缸排列：立、卧、直列、V、对置•按混合气准备方式：化油器、燃料喷射•按气门、凸轮轴布置：顶置、侧置•按用途：农用、船用、汽车用、工程机械用、发电用41.2汽车发动机发展简史1824年，法国人发表Carnot循环理论1862年，法国人Rochas第一次提出等容燃烧的四行程循环理论1876年，德国人Otto，制造出第一台四冲程煤气机（3kw，压比2.5，效率10%-20%）（第一次重大突破）1881年，英国人Clerk推出二冲程内燃机1886年，德国人Daimler和Benz制造出装有汽油机的第一辆汽车(三轮车,0.9L,400rpm,0.65kw,单缸二冲程)1893年，德国人Diesel发表四冲程压燃内燃机的工作原理，并在1898年研制出第一台以煤油为燃料的压燃式内燃机（第二次重大突破）1926年，瑞士人Buchi提出废气涡轮增压理论，50年代后，废气涡轮增压开始广泛应用于发动机（第三次重大突破）1967年，德国Bosch公司推出电控汽油喷射系统，开创了电控技术在汽车发动机上应用的历史。近20年，以电控单元为核心的发动机管理系统（EMS）（第四次重大突破）5我国内燃机发展可分为三个阶段：建国初期（53～78）。我国直到50年代中期，才开始成批生产汽车发动机CA10-6缸5.56L，EQ140-6缸5.42L等。改革开放后15年(78～93)。NJ130C车NJ70-6缸3.5L，红旗轿CA770的8V100-5.6L，上海轿SH760的680Q-2.23L，BJ212的492Q-2.5L等。新的发展时期（94年以后）。引进、消化加自主开发研制等。从意大利引进Sofim8140-4缸2.5L柴油机，从美国引进Cummins6BT5.9X系列-6缸5.8L柴油机，从奥地利引进steyrWD615-6缸9.72L柴油机，自主开发YC6105Q-6.5L柴油机，6110A-6.8L柴油机，D6114Q-8.27L柴油机，以及轿车汽油机，如桑塔纳2000GLi-AFE型1.8L电喷汽油机，桑塔纳2000GSi-AJR型1.8L无分电器电喷汽油机等。近几年，第一辆国产柴油轿车捷达SDI、第一辆国产TDI柴油轿车宝来TDI1.9L、第一辆国产TDI柴油豪华轿车奥迪A6-2.5TDI的问世。奇瑞正在研发的1.9升汽车柴油发动机，江淮推出的柴油MPV等等。据统计，2004年，纳入统计范围的38家我国汽车发动机企业，累计生产发动机428.57万台。预测2005年我国发动机产量将突破500万台。6以下是几种典型的汽车发动机：图1-1轿车V形8缸汽油机（德国宝马7系列的735i和745i汽油机，排量3.5～4.4L。润滑油换油期达40000km。）7图1-2轿车直列4缸汽油机（日本丰田佳美2AZ-FE型汽油机，4缸2.4L，压缩比9.6。功率117kW/5600r/min，最大转矩220N·m/4000r/min。0～60km/h加速时间9.9s。DOHC每缸4气阀。缸套偏离曲轴10mm，减少侧压力减少磨损。机体缸盖铝合金压铸，水套较狭小因此暖机快。质量112kg。）8图1-3轿车直列4缸汽油机（日本本田2L汽油机，功率119kW/6500r/min，最大转矩191N·m/4000r/min。整机结构刚性好，质量轻。采用i-VTEC（intelligent智能控制阀-Variablevalvetimingandliftelectroniccontrol电子控制可变配气定时和升程）。每缸4气阀，双级进气歧管。）9图1-4客车V形12缸汽油机（美国通用汽车公司北方之星XV12型汽油机，功率560kW/6000r/min，最大转矩610N·m。机体壁厚7mm，凸轮轴后端驱动。每列6缸达到良好平衡。每缸一只高压喷油器，安装在燃烧室中央，缸内直接对准活塞喷射，降低油耗和冷起动的HC排放。排气催化处理。三级可变配气相位凸轮轴，使发动机在1500r/min时就达到最大转矩的90%。怠速稳定性好，泵损失低。以内部EGR系统取代外部EGR系统使汽油机经济性更好。润滑油换油期5800km。）10图1-5桑塔纳2000GSi轿车AJR型汽油机11图1-6奥迪A6V型6缸汽油机12图1-7卡特皮勒3408型柴油机13图1-8燃气轮机141.3基本术语图1-9发动机基本术语•发动机工作循环•上止点和下止点•曲柄半径R和活塞行程S•缸径D•气缸工作容积和发动机排量（Vh=1/4·D2S,VL=iVh）•燃烧室容积VC和气缸总容积Va•压缩比ε15图1-10p—V示功图图1-11p—ф示功图•发动机运转工况和特性：发动机运转工况指发动机某一时刻的运行状态（一般指n,Pe,Ttq，pme）。额定功率和额定转速。发动机速度特性（外特性、柴油机的冒烟特性），负荷特性，万有特性。(见图1-13、图1-14和图1-15）•负荷：发动机在某一转速下的负荷，是指当时发动机发出的功率与同一转速下所可能发出的最大功率之比。•发动机示功图：p—V示功图（压容图）和p—ф示功图（展开示功图）16图1-12四行程汽油机示功图17图1-14BJ492Q汽油机外特性图1-13柴油机负荷特性18图1-15NJ422A汽油机万有特性191.4发动机的基本性能指标动力性能指标（有效功率，有效转矩，转速，平均有效压力）经济性能指标（有效燃油消耗率，有效润滑油消耗率，有效热效率）环保性能指标（排放，噪声）结构性能指标（比容积，比功率质量）运转性能指标（冷启动性，可靠性，耐久性）加工工艺性能指标等。20•有效功率是指发动机在单位时间内发出的有效功，以Pe表示，单位是kW•有效转矩是指发动机曲轴输出的转矩,以Ttq表示,单位是N·m,Pe=Ttqn/9550•转速指标是指发机曲轴每分钟转的转数，以n表示，单位是r/min•平均有效压力是指单位气缸工作容积的有效功。也可假想为平均不变的压力作用到活塞顶上，使活塞移动一个冲程所作的功，以pme表示，单位是MPa。•有效燃油消耗率是指单位功率在单位时间内燃料的消耗电量，以be表示，单位是g/(kw.h)•有效润滑油消耗率是指单位功率在单位时间内润滑油的消耗量，以bm表示，单位是g/(kw·h)•有效热效率指实际循环发出的有效功与消耗的燃料的热值之比，以ηet表示(现代柴油机标定工况下的有效热效率不超过45%，汽油机不超过30%)21•排放指标指从发动机油箱、曲轴箱排出的气体和从气缸中排出的废气中所含的有害排放物的量。主要是CO、HC、NOX和PM。我国于2004年1月1日起对汽车排放实行欧Ⅱ标准，今年4月，国家环保总局公布了五项机动车污染物排放新标准，轻型汽车Ⅲ号排放标准将自2007年7月1日起在全国实施，Ⅳ号标准将于2010年7月1日起实施。（北京提前两年实施）•噪声（GB1495-79）如轿车在加速行驶时，车外最大的允许噪声为82dB（A）。•比容积单位容积的发动机功率•比功率质量单位标定功率的发动机干质量（无冷却液、润滑油和燃油）221.5汽车发动机及传动装置在汽车上的布置形式FR(front-rear)(货车、大客车、轿车等)FF（轿车等）MR（运动型轿车、赛车等）RR（大、中型客车，微轿等）4WD（越野车、吉普等）231.6我国发动机型号编制规则（GB/725—1991）部位首部中部后部尾部含义系列代号换代符号地方和企业代号缸数气缸布置形式冲程缸径mm结构特征用途特征设计区分代号拼音字母数字缺省：L型或单缸V：V型P：平卧型缺省：四冲程E：二冲程数字缺省：水冷F：风冷N：凝气冷却S：十字头式Z：增压ZL：增压中冷DZ：可逆转缺省：通用或固定T：拖拉机用M：摩托车用G：工程机械用Q：汽车用J：机车用D：发电用C：船用右机CZ：船用左机Y：农用运输车L：林业机械用数字或字母24示例：6135Q6缸L型四冲程135水冷车用柴油机10V120FQ10缸V型四冲程120风冷车用柴油机12VE230ZCZ12缸V型二冲程230增压水冷船用左机柴油机1E65F单缸L型二冲程65风冷通用汽油机BJ492QABJ，北京汽车制造厂4缸L型四冲程92水冷车用汽油机变形EQ6100-1EQ，第二汽车制造厂6缸L型四冲程100水冷汽车用汽油机变形252.1基本工作原理（以四冲程柴油机为例）四冲程柴油机活塞在一个工作循环中从上止点到下止点，又从下止点到上止点往复运动两次，同时完成进气、压缩、作功和排气四个工作过程。第2讲发动机基本工作原理及组成26图2-1进气行程进气行程时曲轴转动使活塞从上止点运动到下止点。柴油机吸入的是纯空气，进气行程结束时气缸内气体压力为0.085～0.095MPa，温度为310～340K。27图2-2压缩行程压缩行程时曲轴转动使活塞从下止点运动到上止点。压缩行程结束时，气缸内气体压力达3.0～5.0MPa，温度上升到750～1000K。在活塞接近上止点之前10～35°CA，柴油以12～100MPa的压力喷入气缸。28图2-3作功行程作功行程时高温高压气体膨胀，推动活塞从上止点运动到下止点。迅速燃烧的混合气在上止点稍后，压力上升到6.0～9.0MPa，温度上升到1800～2200K。活塞到达下止点时，缸内压力降到0.2～0.5MPa，温度下降到1000～1200K。29图2-4排气行程排气行程时曲轴带动活塞从下止点运动到上止点。活塞到达上止点时，未排净的废气压力仍有0.105～0.12MPa，温度有700～900K。30除进气、着火方式等以外，四冲程柴油机工作原理和汽油机基本相同。1．进气行程进气行程时曲轴转动使活塞从上止点运动到下止点。进气行程汽油机吸入汽油和空气的混合气，进气行程结束，气缸内混合气压力为0.08～0.09MPa，混合气温度370～400K。2．压缩行程压缩行程时曲轴转动使活塞从下止点运动到上止点。压缩行程结束时，气缸内混合气压力可达0.8～1.5MPa，温度上升到600～750K，但并未达到汽油空气混合气自燃的温度。因此，在活塞接近上止点之前10～15°CA，通过火花塞点火，混合气接近定容燃烧。3．作功行程作功行程时高温高压气体膨胀，推动活塞从上止点运动到下止点。迅速燃烧的混合气在上止点略后，压力上升到3.0～6.5MPa，温度上升到2200～2800K，因此推动活塞，通过连杆摇动曲轴对外输出转矩。活塞到达下止点时，缸内压力降到0.35～0.5MPa，温度下降到1200～1500K。4．排气行程排气行程时曲轴带动活塞从下止点运动到上止点。活塞到达上止点时，废气压力仍有0.105～0.12MPa，温度为900～1100K。排气行程结束时，气缸内仍然残留的废气为残余废气。残余废气量与进气过程中吸入气体量的比值称为残余废气系数。31二冲程发动机的进气、压缩、作功和排气工作过程在曲轴转动一周即360°CA内完成，活塞运动从下止点到上止点，又从上止点到下止点的一个往复。曲轴箱换气式二冲程汽油机在机体的中部设置进气口、扫气口和排气口，排气口位置略高于扫气口。第一行程第一行程指活塞从下止点运动到上止点。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。第二行程第二行程指活塞从上止点运动到下止点。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。二行程汽油机工作原理简介：32(a)压缩(b)进气图2-5二行程汽油机工作过程（第一行程）33(c)作功(d)排气和扫气图2-6二行程汽油机工作过程（第二行程）342.2汽车发动机的总体构造机体与气缸盖曲柄连杆机