第一章內(nèi)燃機(jī)基本構(gòu)造和原理

第一章內(nèi)燃機(jī)基本構(gòu)造與原理

發(fā)動(dòng)機(jī)：是將其它形式的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)器。熱力發(fā)動(dòng)機(jī)：將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)器。熱力發(fā)動(dòng)機(jī)包括內(nèi)燃機(jī)和外燃機(jī)。內(nèi)燃機(jī)：分為活塞式內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)。活塞式內(nèi)燃機(jī)：分為往復(fù)和旋轉(zhuǎn)活塞式內(nèi)燃機(jī)。第一節(jié)內(nèi)燃機(jī)的分類活塞式內(nèi)燃機(jī)的分類1、按燃料分類：汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)2、按沖程分類：四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)和二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)3、按冷卻方式分類：水冷發(fā)動(dòng)機(jī)和風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)4、按氣缸數(shù)目分類：單缸發(fā)動(dòng)機(jī)和多缸發(fā)動(dòng)機(jī)5、按進(jìn)氣方式：增壓和非增壓6、按點(diǎn)火方式：壓燃和點(diǎn)燃7、按轉(zhuǎn)速：高速和低速8、按氣缸排列方式:立式、臥式、V型、對(duì)置式9、按用途：汽車、拖拉機(jī)、船用和工程機(jī)械用

第二節(jié)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理一、四沖程汽油機(jī)工作原理1、四沖程汽油機(jī)的構(gòu)造上止點(diǎn)下止點(diǎn)活塞行程(S)曲柄半徑(R)氣缸工作容積(Vh)發(fā)動(dòng)機(jī)排量(VL)燃燒室容積(Vc)氣缸總?cè)莘e(Va)工作循環(huán)2、基本術(shù)語（2）下止點(diǎn)：活塞在氣缸里作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)活塞向下運(yùn)動(dòng)到最低位置，即活塞頂部距離曲軸旋轉(zhuǎn)中心最近的極限位置。（1）上止點(diǎn)：活塞在氣缸里作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)活塞向上運(yùn)動(dòng)到最高位置，即活塞頂部距離曲軸旋轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)的極限位置。（4）曲柄半徑：曲軸旋轉(zhuǎn)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(gè)止點(diǎn)到另一個(gè)止點(diǎn)移動(dòng)的距離，即上、下止點(diǎn)之間的距離。一般用s表示，對(duì)應(yīng)一個(gè)活塞行程，曲軸旋轉(zhuǎn)180°。

（5）氣缸工作容積：活塞從一個(gè)止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)止點(diǎn)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(diǎn)時(shí)，其頂部與氣缸蓋之間的容積。一般用Vc表示。（7）氣缸總?cè)莘e：活塞位于下止點(diǎn)時(shí)，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?cè)莘e就是氣缸工作容積和燃燒室容積之和，即Va＝Vc＋Vh。

（8）發(fā)動(dòng)機(jī)排量：多缸發(fā)動(dòng)機(jī)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?cè)莘e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?cè)莘e；Vh

－氣缸工作容積；Vc

－燃燒室容積；（10）工作循環(huán)：包括進(jìn)氣、壓縮、作功和排氣過程，即完成進(jìn)氣、壓縮、作功和排氣四個(gè)過程叫一個(gè)工作循環(huán)。(1)、進(jìn)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(jī)的工作過程3、四沖程汽油機(jī)的工作過程

排氣門關(guān)閉進(jìn)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(diǎn)下止點(diǎn)示功圖：表示活塞在不同位置時(shí)氣缸內(nèi)氣體壓力的變化情況。（1）進(jìn)氣行程進(jìn)氣行程

曲軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)排氣門關(guān)閉，進(jìn)氣門打開。進(jìn)氣過程開始時(shí)，活塞位于上止點(diǎn)，氣缸內(nèi)殘存有上一循環(huán)未排凈的廢氣，因此，氣缸內(nèi)的壓力稍高于大氣壓力。隨著活塞下移，氣缸內(nèi)容積增大，壓力減小，當(dāng)壓力低于大氣壓時(shí)，在氣缸內(nèi)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(jìn)氣門被吸入氣缸，直至活塞向下運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)。在進(jìn)氣過程中，受空氣濾清器、化油器、進(jìn)氣管道、進(jìn)氣門等阻力影響，進(jìn)氣終了時(shí)，氣缸內(nèi)氣體壓力略低于大氣壓，約為0.0736～0.0883MPa，同時(shí)受到殘余廢氣和高溫機(jī)件加熱的影響，溫度達(dá)到350～400K。

進(jìn)氣門關(guān)閉排氣門關(guān)閉活塞上行PVra示功圖大氣壓力線c上止點(diǎn)下止點(diǎn)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(zhuǎn)帶動(dòng)活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)進(jìn)氣門和排氣門都關(guān)閉，氣缸內(nèi)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(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)壓縮行程結(jié)束。此時(shí)可燃混合氣壓力可達(dá)0.83～1.96MPa，溫度可達(dá)500～700K。壓縮比越大，壓縮終了時(shí)氣缸內(nèi)的壓力和溫度越高，則燃燒速度越快，發(fā)動(dòng)機(jī)功率也越大。但壓縮比太高，容易引起爆燃和表面點(diǎn)火。汽油機(jī)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(dòng)機(jī)壓縮比一般為6～9(轎車有的達(dá)9～11)。壓縮比越大，在壓縮終了時(shí)的溫度和壓力越高，燃燒速度增快，發(fā)動(dòng)機(jī)功率增大，熱效率提高，經(jīng)濟(jì)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(nèi)離點(diǎn)燃中心較遠(yuǎn)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(jìn)。當(dāng)壓力波撞擊燃燒室壁時(shí)就發(fā)出尖銳的敲缸聲。引起發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，功率下降，燃油消耗量增加等一系列不良后果。嚴(yán)重爆燃時(shí)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(diǎn)火由于燃燒室內(nèi)熾熱表面與熾熱處(如排氣門頭，火花塞電極，積炭處)點(diǎn)燃混合氣產(chǎn)生的另一種不正常燃燒。伴有強(qiáng)烈的較沉悶敲擊聲。產(chǎn)生的高壓會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)件負(fù)荷增加、壽命降低、經(jīng)濟(jì)性差。進(jìn)氣門關(guān)閉排氣門關(guān)閉活塞下行PVra示功圖大氣壓力線cZb上止點(diǎn)下止點(diǎn)瞬時(shí)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(jìn)氣門和排氣門仍然保持關(guān)閉。當(dāng)活塞位于壓縮行程接近上止點(diǎn)位置時(shí)，火花塞產(chǎn)生電火花點(diǎn)燃可燃混合氣，可燃混合氣燃燒后放出大量的熱使氣缸內(nèi)氣體溫度和壓力急劇升高，最高壓力可達(dá)2.9～4.9MPa，最高溫度可達(dá)2200～2800K，高溫高壓氣體膨脹，推動(dòng)活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，通過連桿使曲軸旋轉(zhuǎn)并輸出機(jī)械功，除了用于維持發(fā)動(dòng)機(jī)本身繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)外，其余用于對(duì)外作功。隨著活塞向下運(yùn)動(dòng)，氣缸內(nèi)容積增加，氣體壓力和溫度降低，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)時(shí)，作功行程結(jié)束，氣體壓力降低到0.29～0.49MPa，氣體溫度降低到1500～1700K。

進(jìn)氣門關(guān)閉排氣門打開活塞上行PVr示功圖大氣壓力線cZb上止點(diǎn)下止點(diǎn)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(nèi)燃燒后生成的廢氣必須從氣缸中排出去以便進(jìn)行下一個(gè)進(jìn)氣行程。當(dāng)作功接近終了時(shí)，排氣門開啟，進(jìn)氣門仍然關(guān)閉，靠廢氣的壓力先進(jìn)行自由排氣，活塞到達(dá)下止點(diǎn)再向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，繼續(xù)把廢氣強(qiáng)制排出到大氣中去，活塞越過上止點(diǎn)后，排氣門關(guān)閉，排氣行程結(jié)束。受排氣阻力的影響，排氣終止時(shí)，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(zhuǎn)，活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，又開始了下一個(gè)新的循環(huán)過程?？梢娝男谐唐蜋C(jī)經(jīng)過進(jìn)氣、壓縮、作功、排氣四個(gè)行程完成一個(gè)工作循環(huán)，這期間活塞在上、下止點(diǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)了四個(gè)行程，相應(yīng)地曲軸旋轉(zhuǎn)了兩圈。二、四沖程柴油機(jī)的工作原理

四行程柴油機(jī)和四行程汽油機(jī)的工作過程相同，每一個(gè)工作循環(huán)同樣包括進(jìn)氣、壓縮、作功和排氣四個(gè)行程，由于柴油機(jī)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(jī)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(jìn)氣門排氣門純空氣

進(jìn)氣行程：吸入氣缸的是純空氣，在進(jìn)氣通道中沒有化油器，進(jìn)氣阻力小，進(jìn)氣終了時(shí)氣體壓力略高于汽油機(jī)而氣體溫度略低于汽油機(jī)。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(diǎn)時(shí)，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(nèi)形成可燃混合氣并著火燃燒。柴油機(jī)的壓縮比比汽油機(jī)的壓縮比大(為16～22)，壓縮終了時(shí)氣體溫度和壓力都比汽油機(jī)高，大大超過了柴油機(jī)的自燃溫度。壓縮終了時(shí)，氣體壓力約為2.9～4.9MPa，氣體溫度約為750～950K，柴油機(jī)是壓縮后自燃著火。

作功行程：柴油噴入氣缸后，在很短的時(shí)間內(nèi)與空氣混合后便立即著火燃燒，柴油機(jī)的可燃混合氣是在氣缸內(nèi)部形成的。柴油機(jī)燃燒過程中氣缸內(nèi)出現(xiàn)的最高壓力要比汽油機(jī)高得多，可高達(dá)5.9～8.8MPa，最高溫度也可高達(dá)1800～2200K。作功終了時(shí)，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(shí)，氣缸內(nèi)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(jī)與柴油機(jī)的區(qū)別

汽油機(jī)1.吸入可燃混合氣，其形成的時(shí)間從進(jìn)氣開始直到壓縮終了。2.電火花點(diǎn)燃，ε小(6-9)。經(jīng)濟(jì)性差。3.轉(zhuǎn)速高，5000-6000r/min。4.質(zhì)量小，制造維修方便，工作噪聲低。

柴油機(jī)1.吸入純空氣，只在壓縮終了時(shí)，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(jì)性高。3.轉(zhuǎn)速低，2500-3000r/min。4.質(zhì)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(dòng)機(jī)工作過程的區(qū)別

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

二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)是在兩個(gè)活塞行程內(nèi)，即曲軸旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)完成的一、二沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理：二行程汽油機(jī)的工作循環(huán)也是由進(jìn)氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣過程組成，但它是在曲軸旋轉(zhuǎn)一圈(360°)，活塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)行程內(nèi)完成的。二行程發(fā)動(dòng)機(jī)與四行程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理不同，結(jié)構(gòu)也不一樣。

第一行程：活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，事先已充滿活塞上方氣缸內(nèi)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(nèi)。

第二行程：活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，活塞上方進(jìn)行作功過程和換氣過程，而活塞下方則進(jìn)行可燃混合氣的預(yù)壓縮。

曲軸箱換氣式二行程汽油機(jī)：氣缸上有三排孔，利用這三排孔分別在一定時(shí)刻被活塞打開或關(guān)閉進(jìn)行進(jìn)氣、換氣和排氣的。工作原理如下：活塞向上運(yùn)動(dòng)，將三排孔都關(guān)閉，活塞上部開始?jí)嚎s，當(dāng)活塞繼續(xù)上行時(shí)，活塞下方打開了進(jìn)氣孔，可燃混合氣進(jìn)入曲軸箱，活塞接近上止點(diǎn)時(shí)，火花塞點(diǎn)燃混合氣，氣體燃燒膨脹，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)氣孔關(guān)閉，曲軸箱內(nèi)的混合氣受到壓縮，當(dāng)活塞接近下止點(diǎn)時(shí)，排氣孔打開，排出廢氣，活塞再向下運(yùn)動(dòng)，換氣孔打開，受到壓縮的混合氣便從曲軸箱經(jīng)進(jìn)氣孔流入氣缸內(nèi)，并掃除廢氣。（一）二沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程1-進(jìn)氣孔2-排氣孔3-掃氣孔（二）二沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)與四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相比

優(yōu)點(diǎn)1.理論上它的功率等于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的二倍。2.由于作功頻率高，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)比較均勻平穩(wěn)。3.構(gòu)造簡單，質(zhì)量較小。4.易受磨損和經(jīng)常需要修理的運(yùn)動(dòng)部件數(shù)量較少。

缺點(diǎn)

1.廢氣排除不干凈。

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

3.實(shí)際上它的功率應(yīng)等于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的1.5-1.6倍。二、二沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

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

第一行程：活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，行程開始前不久，進(jìn)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(dāng)活塞繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)進(jìn)氣孔被關(guān)閉，排氣門也關(guān)閉，空氣受到壓縮，當(dāng)活塞接近上止點(diǎn)時(shí)，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(nèi)壓力增大。

第二行程：活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，開始時(shí)氣體膨脹，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，對(duì)外作功，當(dāng)活塞下行到大約2/3行程時(shí)，排氣門開啟，排出廢氣，氣缸內(nèi)壓力降低，進(jìn)氣孔開啟，進(jìn)行換氣，換氣一直延續(xù)到活塞向上運(yùn)動(dòng)1/3行程進(jìn)氣孔關(guān)閉結(jié)束。帶有掃氣泵的二行程柴油機(jī)工作過程如下：兩大機(jī)構(gòu)曲柄連桿機(jī)構(gòu)：機(jī)體組、活塞連桿組、曲軸飛輪組配氣機(jī)構(gòu)：氣門組、氣門傳動(dòng)零件組五大系統(tǒng)供給系：點(diǎn)火系冷卻系潤滑系起動(dòng)系第四節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的總體構(gòu)造第五節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)和特性

一、發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)：

1、動(dòng)力性能指標(biāo)

2、經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)

3、運(yùn)轉(zhuǎn)性能指標(biāo)二、發(fā)動(dòng)機(jī)的速度特性三、發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況1、動(dòng)力性能指標(biāo)（1）有效扭矩：指發(fā)動(dòng)機(jī)通過曲軸或飛輪對(duì)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(dòng)機(jī)通過曲軸或飛輪對(duì)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(zhuǎn)速的乘積。

Pe=TeN/9550N為曲軸轉(zhuǎn)速(r/min)2、經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)1、用燃油消耗率來評(píng)價(jià)內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能2、燃油消耗率：是指發(fā)動(dòng)機(jī)每發(fā)出1kW有效功率在1小時(shí)內(nèi)所消耗的燃油質(zhì)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(shí)的燃油消耗量，kg/h3、燃油消耗率越小，表示發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出凈功率所消耗的燃油越少，經(jīng)濟(jì)性越好。3、運(yùn)轉(zhuǎn)性能指標(biāo)排放煙度有害氣體(CO，HC，NOx)排放量噪聲啟動(dòng)性能二、發(fā)動(dòng)機(jī)的速度特性發(fā)動(dòng)