发动机基本结构及工作原理

发动机基本结构及工作原理第一节发动机的分类和基本构造1.分类汽车发动机（主要指车用往复活塞式内燃机）分类方法很多，按照不同的分类方法可以把汽车发动机分成不同的类型，下面是其分类情况。(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和柴油发动机(图1-1)。使用汽油燃料的内燃机称为汽油机；使用柴油为燃料的内燃机称为柴油机。(2)按照冲程分类图1-1内燃机按照完成一个工作循环所需的冲程数可分为四冲程内燃机和二冲程内燃机(图1-2)。把曲轴转两圈(720°)，活塞在气缸内上下往复运动四个冲程，完成一个工作循环的内燃机称为四冲程内燃机；而把曲轴转一圈(360°)，活塞在气缸内上下往复运动两个冲程，完成一个工作循环的内燃机称为二冲程内燃机。汽车发动机广泛使用四冲程内燃机。图1-2(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和风冷发动机(图1-3)。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。4)按照气缸数目分类内燃机按照气缸数目不同可以分为单缸发动机和多缸发动机(图1-4)。仅有一个气缸的发动机称为单缸发动机；有两个以上气缸的发动机称为多缸发动机。如双缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸等都是多缸发动机。现代车用发动机多采用四缸、六缸、八缸发动机。图1-3图1-4(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(图1-5)。单列式发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的，但为了降低高度，有时也把气缸布置成倾斜的甚至水平的；双列式发动机把气缸排成两列，两列之间的夹角180°(一般为90°)称为V型发动机，若两列之间的夹角=180°称为对置式发动机。(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)式发动机和强制进气(增压式)发动机(图1-6)。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。图1-5图1-62.基本构造发动机是一种由许多机构和系统组成的复杂机器。无论是汽油机，还是柴油机；无论是四冲程发动机，还是二冲程发动机；无论是单缸发动机，还是多缸发动机。要完成能量转换，实现工作循环，保证长时间连续正常工作，都必须具备以下一些机构和系统。(1)曲柄连杆机构(图1-7)曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。在作功冲程中，活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并从曲轴对外输出动力。而在进气、压缩和排气冲程中，飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。(2)配气机构（图1-8）配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入气缸,并使废气从气缸内排出,实现换气过程。配气机构大多采用顶置气门式配气机构，一般由气门组、气门传动组和气门驱动组组成。图1-5图1-6(3)燃料供给系统（图1-9）汽油机燃料供给系的功用是根据发动机的要求，配制出一定数量和浓度的混合气，供入气缸，并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中去；柴油机燃料供给系的功用是把柴油和空气分别供入气缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧，最后将燃烧后的废气排出。(4)润滑系统（图1-10）润滑系的功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。并对零件表面进行清洗和冷却。润滑系通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。(5)冷却系统冷却系的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。水冷发动机的冷却系通常由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成。图1-9图1-10(7)点火系统（图1-12）在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系，点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。(8)起动系统（图1-13）要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功,推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转,工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置，称为发动机的起动系。图1-12图1-10（9）小结汽油发动机两大机构五大系统曲柄连杆机构配气机构燃油供给系润滑系冷却系点火系启动系柴油发动机两大机构四大系统曲柄连杆机构配气机构燃油供给系润滑系冷却系启动系第二节发动机常用术语如图1-14所示:图1-14①上止点TDC：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。②下止点BDC: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。③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。一般用Ｓ表示，对应一个活塞行程，曲轴旋转180°。④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。⑤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。⑥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。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。⑦发动机排量VL：各气缸工作容积的总和。VL=i*Vh，其中i为气缸数目，Vh为气缸工作容积。⑧压缩比: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。第三节发动机的工作原理１、四冲程汽油机的工作原理四冲程汽油机的运转是按进气冲程、压缩冲程、作功冲程和排气冲程的顺序不断循反复的。(1)进气冲程（图1-15）由于曲轴的旋转，活塞从上止点向下止点运动，这时排气门关闭，进气门打开。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。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。(2)压缩冲程（图1-16）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。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＝6～10。图1-15图1-16(3)作功冲程（图1-17）作功冲程包括燃烧过程和膨胀过程，在这一冲程中，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，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，作功冲程结束。(4)排气冲程（图1-18）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，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。可见四冲程汽油机经过进气、压缩、作功、排气四个冲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冲程，相应地曲轴旋转了两圈。图1-17图1-18２、四冲程柴油机的工作原理四冲程柴油机（图1-19）和四冲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、作功和排气四个冲程，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。图1-19①四冲程柴油机在进气冲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。②压缩冲程压缩的也是纯空气，在压缩冲程接近上止点时，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。柴油机是压缩后自燃着火的，不需要点火，故柴油机又称为压燃机。③优点：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。④缺点：转速低，质量大，噪声大，振动大，制造和维修费用高。第四节发动机的主要性能指标与特性１、发动机性能指标发动机的性能指标是用来衡量发动机性能好坏的标准。发动机的主要性能指标有：动力性能指标、经济性能指标和排放性能指标。1)动力性能指标动力性能指标指曲轴对外作功能力的指标，包括有效扭矩、有效功率和曲轴转速。ａ、有效扭矩：指发动机通过曲轴或飞轮对外输出的扭矩，通常用Te表示，单位为N.m。有效扭矩是作用在活塞顶部的气体压力通过连杆、传给曲轴产生的扭矩,并克服了摩擦，驱动附件等损失之后从曲轴对外输出的净扭矩。ｂ、有效功率：指发动机通过曲轴或飞轮对外输出的功率，通常用Pe表示，单位为kW。有效功率同样是曲轴对外输出的净功率,它等于有效扭矩和曲轴转速的乘积。发动机的有效功率可以在专用的试验台上用测功器测定，测出有效扭矩和曲轴转速，然后用下面公式计算出有效功率。Ｐe＝ａ．Ｔe．ｎ（ｋｗ）式中：Te－有效扭矩，单位为N·m；n－曲轴转速，单位为r/min。a－系数（ａ＝１／9545.45）ｃ、转速：指发动机曲轴每分钟的转数，单位为r/min。发动机产品铭牌上标明的功率及相应转速称为额定功率和额定转速。按照汽车发动机可靠性试验方法的规定汽车发动机应能在额定工况下连续运行300～1000小时。(2)经济性能指标通常用燃油消耗率来评价内燃机的经济性能。燃油消耗率是指单位有效功的燃油消耗量，也就是发动机每发出１ｋｗ有效功率在1小时内所消耗的燃油质量(以ｇ为单位)，燃油消耗率通常用ｇe表示。其单位为:g/kW·h，计算公式如下:ｇe＝ｂ．Ｇt／Ｐe式中：Ｇt－每小时的燃油消耗量，kg/h；Ｐe－有效功率，kW。ｂ－系数（b＝1000）很明显，有效燃油消耗率越小，表示发动机曲轴输出净功率所消耗的燃油越少，其经济性越好。通常发动机铭牌上给出的有效燃油消耗率ge是最小值。(3)排放性能指标排放性能指标包括排放烟度、有害气体(CO，HC，NOx)排放量、噪声等。2.特性发动机性指标（有效扭矩、有效功率、有效燃油耗）随着其运转工况（转速、负荷）变化而变化的关系称为发动机特性，其性能指标随发动机曲轴转速变化关系称为发动机的速度特性，而性能指标随负荷变化的关系称为发动机的负荷特性。用曲线来表示这些关系，称为发动机的特性曲线。发动机特性是对发动机性能进行全面评价和鉴定的依据。发动机特性包括负荷