汽車結構 第01章-發(fā)動機工作原理和總體構造

《汽車構造》電子教案

第一章發(fā)動機工作原理和總體構造3/10/20231第一章發(fā)動機的工作原理和總體構造發(fā)動機的分類四沖程發(fā)動機工作原理二沖程發(fā)動機工作原理發(fā)動機的總體構造發(fā)動機的主要性能指標與特性內燃機產品名稱和型號編制規(guī)則3/10/20232哈爾濱工業(yè)大學（威海）

第一節(jié)發(fā)動機的分類熱機內燃機外燃機活塞式內燃機燃氣輪機往復活塞式旋轉活塞式3/10/20233哈爾濱工業(yè)大學（威海）第一節(jié)汽車用發(fā)動機的分類熱機→內燃機（外燃機）→活塞式內燃機（燃氣輪機）（1）按所用的燃料分類：液體燃料發(fā)動機和氣體燃料發(fā)動機；（2）按發(fā)火方式分類：壓燃式發(fā)動機和點燃式發(fā)動機；（3）按工作循環(huán)的沖程數分類：四沖程發(fā)動機和二沖程發(fā)動機；（4）按氣缸數及其排列方式分類：單缸發(fā)動機和多缸發(fā)動機；單缸有立式與臥式，多缸有V、W型與對置式；（5）按冷卻方式分類：水冷式和風冷式兩種；（6）按進氣方式分類：非增壓式發(fā)動機和增壓式發(fā)動機；（7）按每氣缸中的氣門數分類：二氣門、四氣門、五氣門發(fā)動機。3/10/20235哈爾濱工業(yè)大學（威海）第一節(jié)汽車用發(fā)動機的分類3/10/20236哈爾濱工業(yè)大學（威海）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二、四沖程柴油機工作原理3/10/20237哈爾濱工業(yè)大學（威海）上止點:活塞頂部離曲軸中心最遠處，即活塞最高位置。下止點:活塞頂部離曲軸中心最近處，即活塞最低位置?；钊谐?上、下止點間的距離。曲柄半徑:曲軸與連桿下端的連接中心至曲軸中心的距離。一、四沖程汽油機工作原理3/10/20239哈爾濱工業(yè)大學（威海）氣缸工作容積（氣缸排量）:活塞從上止點到下止點所掃 過的容積。發(fā)動機排量:多缸發(fā)動機各氣缸工作容積的總和。

為氣缸直徑（mm）；為活塞行程（mm）;為氣缸數。3/10/202310哈爾濱工業(yè)大學（威海）四沖程汽油機工作循環(huán)過程3/10/202311哈爾濱工業(yè)大學（威海）

壓縮行程為使吸入氣缸的可燃混合氣能迅速燃燒，以產生較大的壓力，從而使發(fā)動機發(fā)出較大功率，必須在燃燒前將可燃混合氣壓縮，使其容積縮小、密度加大、溫度升高，故需要有壓縮過程。在這個過程中，進、排氣門全部關閉，曲軸推動活塞由下止點向上止點移動一個行程，稱為壓縮行程。在示功圖上，壓縮行程用曲線 表示?；钊_到上止點時壓縮終了，此時，混合氣被壓縮到活塞上方很小的空間，即燃燒室中?？扇蓟旌蠚鈮毫ι叩?.6～1.2MPa，溫度可達600～700K。

壓縮比3/10/202313哈爾濱工業(yè)大學（威海）壓縮比:壓縮前氣缸中氣體的最大容積與壓縮后的最小容積之比。換言之，壓縮比等于氣缸總容積（活塞在下止點時，活塞頂部以上的氣缸容積）與燃燒室容積（活塞在上止點時，活塞頂部以上的容積）之比，即

現代汽油發(fā)動機壓縮比一般為6～9（轎車有的達到9～11）。如一汽-大眾捷達轎車EA827型1.6L發(fā)動機的壓縮比為8.5，而EA113型1.6L發(fā)動機則為9.3。3/10/202314哈爾濱工業(yè)大學（威海）

壓縮比越大，在壓縮終了時混合氣壓力和溫度越高，燃燒速度增快，因而發(fā)動機發(fā)出的功率增大，熱效率提高，經濟性越好。但壓縮比過大時。不僅不能進一步改善燃燒情況，反而會出現爆燃和表面點火不正常的燃燒現象。爆燃是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。爆燃時，火焰以極高的速率傳播，溫度和壓力急劇升高，形成壓力波，以聲速向前推進。當這種壓力波撞擊燃燒室壁面時就發(fā)出尖銳的敲缸聲。同時，還會引起發(fā)動機過熱、功率下降、燃油消耗量增加等一些不良后果。嚴重爆燃時甚至造成氣門燒毀、軸瓦破裂、活塞燒頂、火花塞絕緣體被擊穿等機件損壞現象。表面點火是由于燃燒室內熾熱表面（如排氣門頭，火花塞電極，積碳）點燃混合氣產生的另一種不正常燃燒。表面點火發(fā)生時，也伴有強烈的敲擊聲（較沉悶），產生的高壓會使發(fā)動機機件承受的機械負荷增加，壽命降低。因此，在提高發(fā)動機壓縮比的同時，必須注意防止爆燃和表面點火的發(fā)生。此外，發(fā)動機壓縮比的提高還受到排氣污染法規(guī)的限制。3/10/202315哈爾濱工業(yè)大學（威海）排氣行程可燃混合氣燃燒后生成的廢氣，必須從氣缸中排除，以便進行下一個工作循環(huán)。當膨脹接近終了時，排氣門開啟，靠廢氣的壓力進行自由排氣，活塞到達下止點后再向上止點移動時，繼續(xù)將廢氣強制排到大氣中?；钊缴现裹c附近時，排氣行程結束。這一行程在示功圖上用曲線表示。在排氣行程中，氣缸內壓力稍高于大氣壓力，約為0.105~0.115MPa。排氣終了時，廢氣溫度約為900~1200K。由于燃燒室占有一定的容積，因此在排氣終了時，不可能將廢氣排盡，這一部分留下的廢氣稱為殘余廢氣。3/10/202317哈爾濱工業(yè)大學（威海）四個沖程-五個過程3/10/202318哈爾濱工業(yè)大學（威海）總結四沖程汽油機的工作循環(huán)包括四個活塞行程，即進氣行程、壓縮行程、膨脹行程（作功行程）和排氣行程。經過這四個行程，完成一個工作循環(huán)。這期間活塞在上、下止點間往復了四個行程，曲軸旋轉了兩周。(在發(fā)動機內，每一次將熱能轉變?yōu)闄C械能都必須經過吸入空氣、壓縮和輸入燃料，使之發(fā)火燃燒而膨脹作功，然后將生成的廢氣排除這樣一系列連續(xù)過程，稱為一個工作循環(huán)。)3/10/202319哈爾濱工業(yè)大學（威海）柴油機在進氣行程吸入的是純空氣，在壓縮行程終了時，柴油機噴油泵1將油壓提高到10～15MPa以上，通過噴油器2噴入氣缸，在很短時間內與壓縮后的高溫空氣混合，形成可燃混合氣。因此，這種發(fā)動機的可燃混合氣是在氣缸內部形成的。由于柴油機的壓縮比高（一般為16～22），所以壓縮終了時氣缸內的空氣壓力可達3.5～4.5MPa，同時溫度高達750～1000K，大大超過柴油機的自燃溫度。因此，柴油噴入氣缸后，在很短時間內與空氣混合后便立即自行發(fā)火燃燒，氣缸內氣壓急劇上升至6～9MPa，溫度也升到2000～2500K。在高壓氣體推動下，活塞向下運動并帶動曲軸旋轉而作功。廢氣同樣經排氣管排入大氣中。3/10/202321哈爾濱工業(yè)大學（威海）柴油機汽油機轉速較汽油機低質量大制造和維修費用高壓縮比高，燃油消耗率低，燃油經濟性好轉速高質量小工作噪聲小起動容易制造和維修費用低燃油消耗率高，燃油經濟性差3/10/202322哈爾濱工業(yè)大學（威海）總結四沖程發(fā)動機在一個工作循環(huán)的四個活塞行程中，只有一個行程是作功的，其余三個則是作功行程的輔助行程。因此，在單缸發(fā)動機內，曲軸每轉兩周中只有半周是由于膨脹氣體的作用使曲軸旋轉，其余一周半則依靠飛輪慣性維持轉動。顯然，作功行程時，曲軸的轉速比其它三個行程內曲軸轉速要高，所以曲軸轉速是不均勻的，因而發(fā)動機運轉就不平穩(wěn)。為了解決這個問題，飛輪必須做成具有更大的轉動慣量，而這樣做將使整個發(fā)動機質量和尺寸增加。顯然，單缸發(fā)動機工作振動大，采用多缸發(fā)動機可以彌補上述缺點。因此，現在汽車上基本不用單缸發(fā)動機，用的最多的是4缸、6缸、8缸發(fā)動機。在多缸四沖程發(fā)動機的每一個氣缸內，所有的工作過程是相同的，并按上述次序進行，但所有氣缸的作功行程并不同時發(fā)生。例如，在4缸發(fā)動機內，曲軸每轉半周便有一個氣缸在作功；在8缸發(fā)動機內，曲軸每轉1/4周便有一個作功行程。氣缸數越多，發(fā)動機的工作越。平穩(wěn)。但發(fā)動機氣缸數增多，一般將使其結構復雜，尺寸及質量增加。3/10/202323哈爾濱工業(yè)大學（威海）二沖程汽油機工作原理3/10/202325哈爾濱工業(yè)大學（威海）3/10/202326哈爾濱工業(yè)大學（威海）如圖c，活塞接近上止點時火花塞發(fā)出電火花，點燃被壓縮的混合氣。高溫、高壓氣體膨脹迫使活塞向下移動。進氣孔1逐漸被關閉，流入曲軸箱的混合氣則應活塞的下移而被預先壓縮。3/10/202329哈爾濱工業(yè)大學（威海）如圖d，當活塞接近下止點時，排氣管2開啟，廢氣經過孔2、排氣管、消聲器流到大氣中，受到預壓的新鮮混合氣便自曲軸箱經孔3流入缸內，并掃除廢氣。廢氣從氣缸內被新鮮混合氣掃除并代替的過程，稱為氣缸的換氣過程，故孔3被稱為掃氣孔或換氣孔。3/10/202330哈爾濱工業(yè)大學（威海）結論

二沖程發(fā)動機一個工作循環(huán)所包含兩個行程是：（1）第一行程

活塞自下止點向上移動，事先已充入活塞上方氣缸內的混合氣被壓縮，新的可燃混合氣又自化油器被吸入活塞下方的曲軸箱內。（2）第二行程

活塞自上止點向下移動，活塞上方進行著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。為了防止新鮮混合氣大量與廢氣混合并隨廢氣一起排出氣缸而造成浪費，活塞頂做成特殊的形狀，使新鮮混合氣的氣流被引向上部，這樣還可以利用新鮮混合氣來掃除廢氣，使排氣更為徹底。但是在二沖程發(fā)動機中，要完全避免可燃混合氣的損失是很困難的。3/10/202331哈爾濱工業(yè)大學（威海）活塞由下止點向上止點運動，當將排氣孔（a點）關閉時，壓縮過程開始。到上止點前開始點火（或噴油）燃燒，缸內壓力迅速增高，c～f段即燃燒過程。接著活塞下行膨脹作功，一直到b點，排氣孔被打開，開始排氣。示功圖上bda曲線為二沖程發(fā)動機的換氣過程，大約占130°～150°曲軸轉角。接著活塞繼續(xù)向上，便重復壓縮過程，進行新的循環(huán)。3/10/202332哈爾濱工業(yè)大學（威海）二沖程化油器式發(fā)動機的優(yōu)缺點（1）曲軸每轉一周就有一個作功行程。在理論上它的功率應等于四沖程發(fā)動機的2倍。（2）二沖程發(fā)動機的運轉比較均勻平穩(wěn)。（3）構造較簡單，質量較小。（4）使用方便。（5）由于構造上的關系，二沖程發(fā)動機的最大缺點是不易將廢氣自氣缸內排出得較干凈，并且在換氣時減少了有效工作行程。因此，在同樣的工作容積和曲軸轉速下，二沖程發(fā)動機不如四沖程發(fā)動機經濟。3/10/202333哈爾濱工業(yè)大學（威海）第四節(jié)發(fā)動機的總體構造

發(fā)動機是一部由許多機構和系統(tǒng)組成的復雜機器。現代汽車發(fā)動機的結構形式很多，即使是同一類型的發(fā)動機，其具體構造也是多種多樣的。3/10/202334哈爾濱工業(yè)大學（威海）發(fā)動機的總體構造3/10/202335哈爾濱工業(yè)大學（威海）圖1-11CA488發(fā)動機由下面兩個機構和五個系統(tǒng)組成：（1）機體組發(fā)動機的機體組包括氣缸蓋14、氣缸體7及油底殼37。有的發(fā)動機將氣缸體分鑄成上下兩部分，上部稱為氣缸體、下部稱為曲軸箱。機體的作用是作為發(fā)動機缸各機構、各系統(tǒng)的裝配基體，而且其本身的許多部分又分別是曲軸連桿機構、配氣機構、供給系、冷卻系和潤滑系的組成部分。氣缸蓋和氣缸體的內壁共同組成方燃燒室的一部分，是承受高溫、高壓的機件。在進行結構分析時，常把機體組列入曲柄連桿機構。（2）曲柄連桿機構曲柄連桿機構包括活塞13、連桿10、帶有飛輪28的曲軸5等。這是將活塞的直線往復運動變?yōu)榍S的旋轉運動并輸出動力的機構。（3）配氣機構配氣機構包括進氣門19、排氣門15、搖臂45、氣門間隙調節(jié)器46、凸輪軸25以及凸輪軸定時帶輪20（由曲軸定時帶輪6驅動）。其作用是使可燃混合氣及時充入氣缸并及時從氣缸排出廢氣。（4）供給系供給系包括汽油箱、汽油泵、汽油濾清器、化油器38、空氣濾清器、進氣管39、排氣管53、排氣消聲器等。其作用是把汽油和空氣混合成成分合適的可燃混合氣供入氣缸，以供燃燒，并將燃燒生成的廢氣排出發(fā)動機。3/10/202336哈爾濱工業(yè)大學（威海）（續(xù)）（5）點火系點火系的功用是保證按規(guī)定時刻及時點燃氣缸中被壓縮的混合氣。其中包括供給低壓電流的蓄電池和發(fā)動機以及分電器、點火線圈與火花塞等。（6）冷卻系冷卻系主要包括水泵、散熱器、風扇22、分水管以及氣缸體和氣缸蓋里鑄出的空腔——水套等。其功用是把受熱機件的熱量散到大氣中去，以保證發(fā)動機的正常工作。（7）潤滑系潤滑系包括機油泵50、機油集濾器51、限壓閥、潤滑油道、機油濾清器等。其功用是將潤滑油供給作相對運動的零件，以減少它們之間的摩擦阻力，減輕機件的磨損，并部分地冷卻摩擦零件，清洗摩擦表面。（8）起動系包括起動機及其附屬裝置，用以使靜止的發(fā)動機起動并轉入自行運轉。3/10/202337哈爾濱工業(yè)大學（威海）第五節(jié)發(fā)動機的主要性能指標與特性發(fā)動機的主要性能指標發(fā)動機的速度特性發(fā)動機的工作狀況3/10/202338哈爾濱工業(yè)大學（威海）發(fā)動機主要性能指標動力性指標經濟性指標運轉性能指標有效轉矩有效功率燃油消耗率排氣品質噪聲起動性能3/10/202339哈爾濱工業(yè)大學（威海）動力性指標1.有效轉矩——發(fā)動機通過飛輪對外輸出的轉矩稱為有效轉矩，以表示，單位為N?m。有效轉矩與外界施加于發(fā)動機曲軸上的阻力矩相平衡。2.有效功率——發(fā)動機通過飛輪對外輸出的功率稱為有效功率用表示，單位為KW。它等于有效轉矩與曲軸角速度的乘積。發(fā)動機的有效功率可以用臺架試驗方法測定，也可用測功器測定有效轉矩和曲軸角速度，然后運用下面的公式計算發(fā)動機的有效功率（KW），其中為曲軸轉速（r/min）。3/10/202340哈爾濱工業(yè)大學（威海）燃油消耗率發(fā)動機每發(fā)出1KW有效功率，在1h內所消耗的燃油質量（以g為單位），稱為燃油消耗率。很明顯，燃油消耗率越低，經濟性越好。燃油消耗率[g/(kW?h)]按下式計算

（1-2）式中，為發(fā)動機在單位時間內的耗油量（kg/h），可由試驗測定；為發(fā)動機的有效功率（KW）。3/10/202341哈爾濱工業(yè)大學（威海）發(fā)動機的速度特性

發(fā)動機速度特性指發(fā)動機的功率、轉矩和燃油消耗率三者隨曲軸轉速變化的規(guī)律。這個特性可以通過發(fā)動機在試驗臺上（例如測功器試驗臺）進行試驗而得。試驗時，先保持一定的發(fā)動機節(jié)氣門開度，同時用測功器對發(fā)動機曲軸施加一定的阻力矩。當發(fā)動機運轉穩(wěn)定后，即阻力矩與發(fā)動機發(fā)出的有效轉矩相等時，可用轉速表測出此時的穩(wěn)定轉速，同時在測功器上測出該轉速下的發(fā)動機有效轉矩，根據式（1-1）即可計算出有效功率。另外，可測出消耗一定量汽油所經歷的時間，用以換算出發(fā)動機每小時耗油量，從而按式（1-2）計算出燃油消耗率。改變測功器的阻力矩數值，用與上述相同的方法，又可以得到相應于另一轉速的一組、、的數值。如此重復若干次，即可得到一定節(jié)氣門開度下的一系列、、、 的數值。根據這些數據可畫出、、隨變化的關系曲線，即相應于這一節(jié)氣門開度的速度特性曲線。如果改變節(jié)氣門開度又可得到另外一組特性曲線，則當節(jié)氣門開度最大時所得到的是總功率特性，也稱發(fā)動機外特性（圖1-13）；而把節(jié)氣門其它開度情況下得到的特性稱為部分速度特性。3/10/202342哈爾濱工業(yè)大學（威海）發(fā)動機的速度特性發(fā)動機速度特性指發(fā)動機的功率、轉矩和燃油消耗率三者隨曲軸轉速變化的規(guī)律。3/10/202343哈爾濱工業(yè)大學（威海）發(fā)動機工作狀況發(fā)動機工作狀況（簡稱發(fā)動機工況）一般是用它的功率與曲軸轉速來表征，有時也用負荷與曲軸轉速來表征。下面舉一個例子：注意：不要把負荷和功率的概念混淆3/10/202344哈爾濱工業(yè)大學（威海）

發(fā)動機在某一轉速下的負荷，就是當時發(fā)動機發(fā)出的功率與同一轉速下所可能發(fā)出的最大功率之比，以百分數表示。如某一轉速是全負荷，并不意味著是發(fā)動機發(fā)出的是最大功率。就是說，功率的大小并不代表負荷的大小。此外，外特性曲線上各點都表示在各轉速下的全負荷工況，但在同一根部分特性曲線上各點的負荷值卻不相同。在同一轉速下，節(jié)氣門開度越大表示負荷越大，但是兩者并不成比例。重點3/10/202345哈爾濱工業(yè)大學（威海）右圖為某發(fā)動機的一組特性曲線。Ⅰ表示相應與節(jié)氣門全開啟時的外特性曲線，Ⅱ、Ⅲ分別表示節(jié)氣門保持在開度依次減小的位置Ⅱ和位置Ⅲ所得到部分特性。a、b、c和d四個工況下的負荷值：工況a負荷為零（稱為發(fā)動機空轉工況）工況b負荷=工況c負荷=工況d負荷=（全負荷）3/10/202346哈爾濱工業(yè)大學（威海）第六節(jié)內燃機產品名稱和型號編制規(guī)則為了便于內燃機的生產管理和使用，我國對內燃機名稱和型號編制方法重新審定并頒布了國家標準GB725-91。該標準的主要內容如下：（1）內燃機產品名稱均按所采用的燃料命名，例如柴油機、汽油機、煤氣機、沼氣機；（2）內燃機型號由阿拉伯數碼和漢語拼音字母組成；（3）內燃機型號由下列四部分組成：1）首部：產品特征代號，由制造廠根據需要自選相應字母表示，但需經行業(yè)標準化歸口單位核準、備案。2）中部：由缸數符號、氣缸布置形式符號、沖程符號和缸徑符號組成。3）后部：結構特征和用途特征符號，分別按上表規(guī)定。4）尾部：區(qū)分符號。同一系列產品應改進等原因需要區(qū)分時，由制造廠選用適當符號表示。下面舉一個型號編制示例：3/10/202347哈爾濱工業(yè)大學（威海）內

燃

機

型

號

說

明3/10/202348哈爾濱工業(yè)大學（威海）（1）柴油機165F—單缸、四沖程、缸徑65mm、風冷、通用型。R175A—單缸、四沖程、缸徑75mm、水冷、通用型（R表示175產品換代符號，型A為系列產品改進的去分符號）。R175ND—單缸、四沖程、缸徑75mm、凝氣冷卻、發(fā)電機組用。496T—四缸、直列、四沖程、缸徑95mm，水冷、拖拉機用。12V135ZG—12缸、V型、四沖程、缸徑135mm、水冷增壓、工程機械用。6E135C—6缸、二沖程、缸徑135mm、水冷、船用主機、左機基本型。12VE230—12缸、V型、二沖程、缸徑230mm、水冷、增壓、船用主機、左機基本型。6E430SZ—6缸、二沖程、缸徑430mm、水冷、十字頭式、可倒轉、增壓、船用主機、左機基本型。G6300C—G系列、6缸、四沖程、缸徑300mm、可倒轉、船用主機、右機基本型。（2）汽油機1E65F—單缸、二沖程、缸徑65mm、風冷、通用型。4100Q—四缸、四沖程、缸徑100mm、水冷、汽車用。3/10/202349哈爾濱工業(yè)大學（威海）思考題1、汽車發(fā)動機通常是由哪些機構與系統(tǒng)組成的？它們各有什么功用？2、柴油機與汽油機在可燃混合氣形成方式與著火方式上有何不同？它們所用的壓縮比為何不一樣？3、四沖程汽油機和柴油機在總體構造上有何異同？4、CA-488汽油機有4個氣缸，汽缸直徑87.5mm，活塞沖程92mm，壓為縮比8.1，試計算其氣缸工作容積、燃燒室容積及發(fā)動機排量（容積以L為單位）。3/10/202350哈爾濱工業(yè)大學（威海）1、汽車發(fā)動機通常是由哪些機構與系統(tǒng)組成的？它們各有什么功用？答：汽車發(fā)動機通常是由兩個機構和五個系統(tǒng)組成的。其中包括：機體組、曲柄連桿機構