第一章內燃機基本構造和原理

第一章內燃機基本構造與原理

發(fā)動機：是將其它形式的能量轉化為機械能的機器。熱力發(fā)動機：將熱能轉化為機械能的機器。熱力發(fā)動機包括內燃機和外燃機。內燃機：分為活塞式內燃機和燃氣輪機?；钊絻热紮C：分為往復和旋轉活塞式內燃機。第一節(jié)內燃機的分類活塞式內燃機的分類1、按燃料分類：汽油發(fā)動機和柴油發(fā)動機2、按沖程分類：四沖程發(fā)動機和二沖程發(fā)動機3、按冷卻方式分類：水冷發(fā)動機和風冷發(fā)動機4、按氣缸數(shù)目分類：單缸發(fā)動機和多缸發(fā)動機5、按進氣方式：增壓和非增壓6、按點火方式：壓燃和點燃7、按轉速：高速和低速8、按氣缸排列方式:立式、臥式、V型、對置式9、按用途：汽車、拖拉機、船用和工程機械用

第二節(jié)四沖程發(fā)動機工作原理一、四沖程汽油機工作原理1、四沖程汽油機的構造上止點下止點活塞行程(S)曲柄半徑(R)氣缸工作容積(Vh)發(fā)動機排量(VL)燃燒室容積(Vc)氣缸總容積(Va)工作循環(huán)2、基本術語（2）下止點：活塞在氣缸里作往復直線運動時，當活塞向下運動到最低位置，即活塞頂部距離曲軸旋轉中心最近的極限位置。（1）上止點：活塞在氣缸里作往復直線運動時，當活塞向上運動到最高位置，即活塞頂部距離曲軸旋轉中心最遠的極限位置。（4）曲柄半徑：曲軸旋轉中心到曲柄銷中心之間的距離，一般用R表示。通?；钊谐虨榍霃降膬杀叮磗=2R。（3）活塞行程：活塞從一個止點到另一個止點移動的距離，即上、下止點之間的距離。一般用s表示，對應一個活塞行程，曲軸旋轉180°。

（5）氣缸工作容積：活塞從一個止點運動到另一個止點所掃過的容積。一般用Vh表示：

Vh=πD2·S×10-6/4（L）

式中：D－氣缸直徑，單位mm；

S－活塞行程，單位mm；

（6）燃燒室容積：活塞位于上止點時，其頂部與氣缸蓋之間的容積。一般用Vc表示。（7）氣缸總容積：活塞位于下止點時，其頂部與氣缸蓋之間的容積。一般用Va表示，顯而易見，氣缸總容積就是氣缸工作容積和燃燒室容積之和，即Va＝Vc＋Vh。

（8）發(fā)動機排量：多缸發(fā)動機的各氣缸工作容積的總和。一般用VL表示：

VL=Vh×i式中：Vh－氣缸工作容積；i

－氣缸數(shù)目。（9）壓縮比：是氣體壓縮前的容積與氣體壓縮后的容積之比值，即氣缸總容積與燃燒室容積之比稱為壓縮比。一般用ε表示。

ε=Va/Vc式中：Va

－氣缸總容積；Vh

－氣缸工作容積；Vc

－燃燒室容積；（10）工作循環(huán)：包括進氣、壓縮、作功和排氣過程，即完成進氣、壓縮、作功和排氣四個過程叫一個工作循環(huán)。(1)、進氣行程(2)、壓縮行程(3)、作功行程(4)、排氣行程

單缸四沖程汽油機的工作過程3、四沖程汽油機的工作過程

排氣門關閉進氣門開啟活塞下行溫度350~400K，壓力0.0736~0.0883 MPa大氣壓力線PVra示功圖上止點下止點示功圖：表示活塞在不同位置時氣缸內氣體壓力的變化情況。（1）進氣行程進氣行程

曲軸旋轉帶動活塞從上止點向下止點運動，這時排氣門關閉，進氣門打開。進氣過程開始時，活塞位于上止點，氣缸內殘存有上一循環(huán)未排凈的廢氣，因此，氣缸內的壓力稍高于大氣壓力。隨著活塞下移，氣缸內容積增大，壓力減小，當壓力低于大氣壓時，在氣缸內產(chǎn)生真空吸力，空氣經(jīng)空氣濾清器并與化油器供給的汽油混合成可燃混合氣，通過進氣門被吸入氣缸，直至活塞向下運動到下止點。在進氣過程中，受空氣濾清器、化油器、進氣管道、進氣門等阻力影響，進氣終了時，氣缸內氣體壓力略低于大氣壓，約為0.0736～0.0883MPa，同時受到殘余廢氣和高溫機件加熱的影響，溫度達到350～400K。

進氣門關閉排氣門關閉活塞上行PVra示功圖大氣壓力線c上止點下止點溫度500~700K，壓力0.83~1.96MPa（2）壓縮行程壓縮行程曲軸繼續(xù)旋轉帶動活塞從下止點向上止點運動，這時進氣門和排氣門都關閉，氣缸內成為封閉容積，可燃混合氣受到壓縮，壓力和溫度不斷升高，當活塞到達上止點時壓縮行程結束。此時可燃混合氣壓力可達0.83～1.96MPa，溫度可達500～700K。壓縮比越大，壓縮終了時氣缸內的壓力和溫度越高，則燃燒速度越快，發(fā)動機功率也越大。但壓縮比太高，容易引起爆燃和表面點火。汽油機的壓縮比一般為ε＝6～9。

壓縮比定義：壓縮前氣缸中氣體的最大容積與壓縮后的最小容積之比稱為壓縮比。用ε表示。ε=Va/Vc

現(xiàn)代化油器式發(fā)動機壓縮比一般為6～9(轎車有的達9～11)。壓縮比越大，在壓縮終了時的溫度和壓力越高，燃燒速度增快，發(fā)動機功率增大，熱效率提高，經(jīng)濟性好。壓縮比過大的不良后果

名稱原因現(xiàn)象后果爆燃由于氣體壓力和溫度過高，在燃燒室內離點燃中心較遠處的末端可燃混合氣自燃而造成的一種不正常燃燒?；鹧嬉詷O高的速率向外傳播，形成壓力波，以聲速向前推進。當壓力波撞擊燃燒室壁時就發(fā)出尖銳的敲缸聲。引起發(fā)動機過熱，功率下降，燃油消耗量增加等一系列不良后果。嚴重爆燃時甚至造成氣門燒毀、軸瓦破裂、活塞燒頂、火花塞絕緣體擊穿等。表面點火由于燃燒室內熾熱表面與熾熱處(如排氣門頭，火花塞電極，積炭處)點燃混合氣產(chǎn)生的另一種不正常燃燒。伴有強烈的較沉悶敲擊聲。產(chǎn)生的高壓會使發(fā)動機機件負荷增加、壽命降低、經(jīng)濟性差。進氣門關閉排氣門關閉活塞下行PVra示功圖大氣壓力線cZb上止點下止點瞬時最高溫度：2200~2800K，壓力：2.9~4.9MPa燃燒過程

作功終了：溫度1500~1700K，壓力0.29~0.49MPa(3)作功行程作功行程

包括燃燒過程和膨脹過程，在這一行程中，進氣門和排氣門仍然保持關閉。當活塞位于壓縮行程接近上止點位置時，火花塞產(chǎn)生電火花點燃可燃混合氣，可燃混合氣燃燒后放出大量的熱使氣缸內氣體溫度和壓力急劇升高，最高壓力可達2.9～4.9MPa，最高溫度可達2200～2800K，高溫高壓氣體膨脹，推動活塞從上止點向下止點運動，通過連桿使曲軸旋轉并輸出機械功，除了用于維持發(fā)動機本身繼續(xù)運轉外，其余用于對外作功。隨著活塞向下運動，氣缸內容積增加，氣體壓力和溫度降低，當活塞運動到下止點時，作功行程結束，氣體壓力降低到0.29～0.49MPa，氣體溫度降低到1500～1700K。

進氣門關閉排氣門打開活塞上行PVr示功圖大氣壓力線cZb上止點下止點溫度900~1100K壓力0.103~0.123MPa殘余廢氣(4)排氣行程

排氣行程可燃混合氣在氣缸內燃燒后生成的廢氣必須從氣缸中排出去以便進行下一個進氣行程。當作功接近終了時，排氣門開啟，進氣門仍然關閉，靠廢氣的壓力先進行自由排氣，活塞到達下止點再向上止點運動時，繼續(xù)把廢氣強制排出到大氣中去，活塞越過上止點后，排氣門關閉，排氣行程結束。受排氣阻力的影響，排氣終止時，氣體壓力仍高于大氣壓力，約為0.105～0.115MPa，溫度約為900～1200K。曲軸繼續(xù)旋轉，活塞從上止點向下止點運動，又開始了下一個新的循環(huán)過程?？梢娝男谐唐蜋C經(jīng)過進氣、壓縮、作功、排氣四個行程完成一個工作循環(huán)，這期間活塞在上、下止點往復運動了四個行程，相應地曲軸旋轉了兩圈。二、四沖程柴油機的工作原理

四行程柴油機和四行程汽油機的工作過程相同，每一個工作循環(huán)同樣包括進氣、壓縮、作功和排氣四個行程，由于柴油機使用的燃料是柴油，粘度大，不易蒸發(fā)，自燃溫度低，故可燃混合氣的形成、著火方式、燃燒過程以及氣體溫度壓力的變化都和汽油機不同。噴油器噴油泵吸氣行程壓縮行程作功行程排氣行程進氣門排氣門純空氣

進氣行程：吸入氣缸的是純空氣，在進氣通道中沒有化油器，進氣阻力小，進氣終了時氣體壓力略高于汽油機而氣體溫度略低于汽油機。氣體壓力約為0.0785～0.0923MPa，氣體溫度約為300～340K。

壓縮行程：壓縮的也是純空氣，在壓縮行程接近上止點時，噴油器將高壓柴油以霧狀噴入燃燒室，柴油和空氣在氣缸內形成可燃混合氣并著火燃燒。柴油機的壓縮比比汽油機的壓縮比大(為16～22)，壓縮終了時氣體溫度和壓力都比汽油機高，大大超過了柴油機的自燃溫度。壓縮終了時，氣體壓力約為2.9～4.9MPa，氣體溫度約為750～950K，柴油機是壓縮后自燃著火。

作功行程：柴油噴入氣缸后，在很短的時間內與空氣混合后便立即著火燃燒，柴油機的可燃混合氣是在氣缸內部形成的。柴油機燃燒過程中氣缸內出現(xiàn)的最高壓力要比汽油機高得多，可高達5.9～8.8MPa，最高溫度也可高達1800～2200K。作功終了時，氣體壓力約為0.29～0.58MPa，氣體溫度約為1000～1300K。

排氣行程：廢氣經(jīng)排氣管排入到大氣中去，排氣終了時，氣缸內氣體壓力約為0.10～0.12MPa，氣體溫度約為500～800K。三、四沖程汽油機與柴油機的區(qū)別

汽油機1.吸入可燃混合氣，其形成的時間從進氣開始直到壓縮終了。2.電火花點燃，ε小(6-9)。經(jīng)濟性差。3.轉速高，5000-6000r/min。4.質量小，制造維修方便，工作噪聲低。

柴油機1.吸入純空氣，只在壓縮終了時，由噴油器噴入柴油。2.自燃，需提高汽缸的壓力和溫度。ε大（16-22），經(jīng)濟性高。3.轉速低，2500-3000r/min。4.質量大，制造維修困難，工作噪聲高。四、多缸與單缸四行程發(fā)動機工作過程的區(qū)別

前面介紹的是單缸發(fā)動機的工作過程，而現(xiàn)代汽車發(fā)動機都是多缸四行程發(fā)動機，就能量轉換過程，多缸發(fā)動機的每一個氣缸和單缸機的工作過程是完全一樣的，都要經(jīng)過進氣、壓縮、作功和排氣四個行程。但是單缸發(fā)動機的四個行程中只有一個行程作功，其余三個行程不作功，即曲軸轉兩圈，只有半圈作功，所以運轉平穩(wěn)性較差，功率越大，平穩(wěn)性就越差。為了使運轉平穩(wěn)，單缸機一般都裝有一個大飛輪。而多缸發(fā)動機的作功行程是差開的，按照工作順序作功，即曲軸轉兩圈交替作功，運轉平穩(wěn)，振動小。缸數(shù)越多，作功間隔角越小，同時參與作功的氣缸越多，發(fā)動機運轉越平穩(wěn)。多缸機使用最多的有四缸發(fā)動機，六缸發(fā)動機和八缸發(fā)動機。第三節(jié)二沖程發(fā)動機的工作原理

二沖程發(fā)動機的工作循環(huán)是在兩個活塞行程內，即曲軸旋轉一周內完成的一、二沖程汽油發(fā)動機工作原理：二行程汽油機的工作循環(huán)也是由進氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣過程組成，但它是在曲軸旋轉一圈(360°)，活塞上下往復運動的兩個行程內完成的。二行程發(fā)動機與四行程發(fā)動機工作原理不同，結構也不一樣。

第一行程：活塞從下止點向上止點運動，事先已充滿活塞上方氣缸內的混合氣被壓縮，新的可燃混合氣又從化油器被吸入活塞下方的曲軸箱內。

第二行程：活塞從上止點向下止點運動，活塞上方進行作功過程和換氣過程，而活塞下方則進行可燃混合氣的預壓縮。

曲軸箱換氣式二行程汽油機：氣缸上有三排孔，利用這三排孔分別在一定時刻被活塞打開或關閉進行進氣、換氣和排氣的。工作原理如下：活塞向上運動，將三排孔都關閉，活塞上部開始壓縮，當活塞繼續(xù)上行時，活塞下方打開了進氣孔，可燃混合氣進入曲軸箱，活塞接近上止點時，火花塞點燃混合氣，氣體燃燒膨脹，推動活塞向下運動，進氣孔關閉，曲軸箱內的混合氣受到壓縮，當活塞接近下止點時，排氣孔打開，排出廢氣，活塞再向下運動，換氣孔打開，受到壓縮的混合氣便從曲軸箱經(jīng)進氣孔流入氣缸內，并掃除廢氣。（一）二沖程汽油發(fā)動機工作過程1-進氣孔2-排氣孔3-掃氣孔（二）二沖程汽油發(fā)動機與四沖程汽油發(fā)動機相比

優(yōu)點1.理論上它的功率等于四沖程發(fā)動機的二倍。2.由于作功頻率高，二沖程發(fā)動機的運轉比較均勻平穩(wěn)。3.構造簡單，質量較小。4.易受磨損和經(jīng)常需要修理的運動部件數(shù)量較少。

缺點

1.廢氣排除不干凈。

2.換氣時減少有效工作行程和損失一部分新鮮可燃混合氣，經(jīng)濟性差。

3.實際上它的功率應等于四沖程發(fā)動機的1.5-1.6倍。二、二沖程柴油發(fā)動機工作原理

二沖程柴油發(fā)動機與二沖程汽油發(fā)動機相比主要區(qū)別是二沖程柴油發(fā)動機在進氣行程中吸入汽缸的是純空氣，而不是可燃混合氣。經(jīng)濟性較高。噴油器換氣壓縮燃燒排氣

第一行程：活塞從下止點向上止點運動，行程開始前不久，進氣孔和排氣門均以開啟，利用從掃氣泵流出的空氣使氣缸換氣。當活塞繼續(xù)向上運動進氣孔被關閉，排氣門也關閉，空氣受到壓縮，當活塞接近上止點時，噴油器將高壓柴油以霧狀噴入燃燒室，燃油和空氣混合后燃燒，使氣缸內壓力增大。

第二行程：活塞從上止點向下止點運動，開始時氣體膨脹，推動活塞向下運動，對外作功，當活塞下行到大約2/3行程時，排氣門開啟，排出廢氣，氣缸內壓力降低，進氣孔開啟，進行換氣，換氣一直延續(xù)到活塞向上運動1/3行程進氣孔關閉結束。帶有掃氣泵的二行程柴油機工作過程如下：兩大機構曲柄連桿機構：機體組、活塞連桿組、曲軸飛輪組配氣機構：氣門組、氣門傳動零件組五大系統(tǒng)供給系：點火系冷卻系潤滑系起動系第四節(jié)發(fā)動機的總體構造第五節(jié)發(fā)動機的主要性能指標和特性

一、發(fā)動機的主要性能指標：

1、動力性能指標

2、經(jīng)濟性能指標

3、運轉性能指標二、發(fā)動機的速度特性三、發(fā)動機工作狀況1、動力性能指標（1）有效扭矩：指發(fā)動機通過曲軸或飛輪對外輸出的扭矩，通常用Te表示，單位為N·m。（2）有效功率：指發(fā)動機通過曲軸或飛輪對外輸出的功率，通常用Pe表示，單位為kW。它等于有效扭矩和曲軸轉速的乘積。

Pe=TeN/9550N為曲軸轉速(r/min)2、經(jīng)濟性能指標1、用燃油消耗率來評價內燃機的經(jīng)濟性能2、燃油消耗率：是指發(fā)動機每發(fā)出1kW有效功率在1小時內所消耗的燃油質量(以g為單位)，燃油消耗率通常用be表示，其單位為g/kW·h。

be=1000B/PeB每小時的燃油消耗量，kg/h3、燃油消耗率越小，表示發(fā)動機曲軸輸出凈功率所消耗的燃油越少，經(jīng)濟性越好。3、運轉性能指標排放煙度有害氣體(CO，HC，NOx)排放量噪聲啟動性能二、發(fā)動機的速度特性發(fā)動