第一章 发动机工作原理与结构3

发动机外特性曲线分析：此特性代表了发动机所具有的最高动力性能。1、可以从此曲线上找出发动机所能发出的最高功率和最高转矩及其相应转速。2、最高转矩和最高功率所对应的转速不同3、发动机的最低燃油消耗率并不是出现在最高功率或最高转矩对应的转速下，此说明发动机的最高动力性与最好经济性不能兼得。最低燃油消耗率所对应的转速介于最高功率和转矩对应的转速之间。《汽车构造》（上）主要介绍汽车常规动力－内燃机的基本组成和基本工作原理。讲授汽车发动机的工作过程和总体结构，曲柄连杆机构，配气机构，进、排气系统，燃油供给系，润滑系，冷却系，点火系，起动系等。课程内容提要《汽车构造》（下）主要介绍底盘，它是构成汽车的基础。它由传动系统、行驶系统、转向系统和制动系统共同构成，分别完成传递发动机动力、支承整车重量和实现行走、控制汽车行驶方向、控制汽车行驶速度等主要功能。学习本课程的目的及特点A、奠定后续专业课的基础B、培养结构分析的基本能力本课程的特点A、只涉及汽车结构原理和构成B、内容的系统性与独立性C、较强的实践性本课程的目的及特点汽车发动机发动机是汽车的心脏，为汽车的行走提供动力。简单讲，发动机就是一个能量转换机构，即将燃料放在密封汽缸内燃烧，气体膨胀推动活塞作功，使热能转变为机械能，这是发动机最基本原理。虽然发动机伴随着汽车走过了100多年的历史，天才的发动机设计者们，不断地将最新科技与发动机融为一体，把发动机变成一个复杂的机电一体化产品，使发动机性能达到近乎完美的程度，但发动机的工作原理仍然未变。第一节发动机的分类一、发动机：将某一种形式的能量（热能、电能、化学能、太阳能等）转变成机械能的机器。二、热力发动机：将热能转变成机械能的发动机。1、外燃机：燃料在机器外部燃烧，产生的热能输入到机器内部并转变成机械能输出的热力发动机。如蒸汽机。2、内燃机：液体或气体燃料和空气混合后直接输入机器内部燃烧而产生热能，然后再将热能转变成机械能输出的热力发动机。如活塞式内燃机、燃气轮机(按热能转变成机械能的主要构件分）。第一节发动机的分类比较外燃机体积大，重量重，热效率低；内燃机热效率高，体积小，重量轻，便于移动，起动性能好;燃气轮机功率大，转速高，质量小（没有往复运动件，单位功率质量小），转矩特性好（减少变速器挡数），燃料适应性好，起动性好，但耗油量、噪声和制造成本均较高，适用于坦克发动机三、活塞式内燃机：按活塞运动方式分：1、往复活塞式内燃机2、转子活塞式内燃机三角活塞旋转式发动机（简称转子发动机）于1958年由德国F.汪克尔发明，关键技术是1954年F.汪克尔提出的气密封系统，1964年德国NSU公司将转子发动机装在轿车上，1967年日本东洋工业公司成批生产，至今。比较：转子发动机与往复活塞式发动机相比，优点是体积小，重量轻，转速高，升功率大，现代转子发动机燃油消耗率水平接近往复活塞式发动机，但耐久性、可靠性等较差，制造成本较高。1、按所用的燃料分：（1）液体燃料发动机；汽油机（gasolineengine）；柴油机（dieselengine）。（2）气体燃料发动机：压缩天然气发动机（CNG）；液化石油气发动机（LPG）。2、按发火方式分：四、往复活塞式内燃机:（1）点燃式发动机（如汽油机、气体燃料发动机）；（2）压燃式发动机（如柴油机）。3、按工作循环分：四冲程发动机、二冲程发动机按完成一个工作循环活塞的行程数第一章发动机的工作原理与总体结构本章讲述内容：发动机的分类四冲程发动机的工作原理二冲程发动机的工作原理（自学）发动机的总体构造发动机主要性能指标与特性内燃机产品名称和型号编制规则5、按进气方式分：（1）自然吸气式发动机（非增压式发动机）（2）强制吸气式（增压式发动机）6、按气缸数分：单缸发动机、多缸发动机。7、按气缸排列分：直列式发动机、V型发动机、对置式发动机。第二节四冲程发动机的工作原理第二节四冲程发动机的工作原理1、单缸汽油机结构上止点：活塞离曲轴回转中心最远处。下止点：活塞离曲轴回转中心最近处。冲程：活塞由一个止点到另一个止点运动一次的过程；2、发动机基本术语曲柄半径R：曲轴旋转中心到曲柄销中心之间的距离称为曲柄半径，通常活塞行程为曲柄半径的两倍，即S=2R活塞行程S：上、下两止点间的距离（mm）,对应一个活塞的行程，曲轴旋转180°气缸工作容积（Vh）：活塞从上止点到下止点所让出的空间容积。（气缸排量）发动机工作容积（Vl）：发动机所有气缸工作容积之和，也叫发动机的排量。（发动机排量）VL=式中：D——气缸直径（cm）S——活塞行程（cm）i——气缸数燃烧室容积（Vc）：活塞在上止点时，活塞顶与气缸盖之间的空间容积。气缸总容积（Va）：活塞在下止点时，活塞顶上面的空间容积压缩比（ε）：气缸总容积与燃烧室容积的比值。ε=Va/Vc动态演示四冲程发动机：活塞往复四个冲程完成一个循环的发动机。四个循环：进气冲程压缩冲程作功冲程排气冲程四冲程汽油机的工作过程3、四冲程汽油机发动机工作过程四冲程汽油机工作原理：进气行程排气门关闭进气门开启活塞温度370~440K，压力75~90kPa示功图示功图：表示活塞在不同位置时气缸内气体压力的变化情况。四冲程汽油机工作原理：压缩行程进气门关闭排气门关闭活塞压缩比：ε=Va/Vc示功图温度600~800K，压力600~1500kPa汽油机压缩比的选择应在避免引起爆燃和表面点火的前提下尽可能提高压缩比，以提高发动机功率，改善燃油经济性。四冲程汽油机工作原理：作功行程进气门关闭排气门关闭活塞示功图瞬时最高：温度2200~2800K，压力3~5MPa作功终了：温度1500~1700K，压力300~500kPa四冲程汽油机工作原理：排气行程进气门关闭排气门打开活塞示功图温度900~1200K压力105~125kPa残余废气图表四冲程汽油机一个工作循环,活塞上下止点间往复运动四个行程,曲轴旋转两周视频进气行程压缩行程作功行程排气行程新鲜空气二、四行程柴油机各行程示意图开始喷油相同点：每个工作循环曲轴转两周，每一冲程曲轴转半周，进气冲程进气门开，排气冲程排气门开，其余三个冲程进、排气门均关。四个冲程中，只有作功冲程产生动力，其余三个冲程消耗能量，其余三个行程是依靠飞轮的惯性作用完成的。必须用外力起动。工作循环基本内容相似，主要机件的运动相同，结构基本相同。四冲程汽油机与四冲程柴油机的比较不同点：混合气的形成方式不同：汽油机是缸外混合；柴油机是缸内混合；柴油的粘度比汽油大，不易蒸发，不可能用气缸外部的化油器进行雾化，因此不可能采用气缸外部形成可燃混合气的方法，唯有在高温、高压的气缸内采用高压喷射才能将柴油在很短的时间内完全雾化。柴油机压缩比较高（一般为16～22），所以压缩终了时的压力可达3.5～4.5MPa，温度高达750～1000K，大大超过柴油的自燃温度，故柴油高压（10MPa以上）喷入气缸后，在很短时间内与空气混合后便自行着火燃烧，最大爆发压力可达6～9MPa，最高燃气温度可达2000～2500K。柴油的自燃温度比汽油低，因此，可燃混合气的着火方式可采用自燃（压燃）方式，与汽油机的点燃方式不同（否则会产生爆炸性燃烧，使柴油机工作粗暴）。着火方式不同：汽油机点燃式；柴油机是压燃式。柴油机与汽油机性能比较汽油机具有转速高（轿车高达5000~6000r/min）、质量小、工作柔和、起动容易、制造成本低和维修方便等优点，不足之处是燃油消耗率较高，燃油经济性较差，适用于轿车型乘做人员车辆柴油机燃油消耗率较汽油机低30%左右，且柴油价格低，所以燃油经济性好，而且输出扭矩较大，但冷起动困难、工作粗暴、工作转速较低（一般4000r/min以下）、制造成本高、维修困难，适用于运输型汽车。现代汽车发动机为什么要采用多缸发动机工作？现代汽车发动机采用多缸发动机工作原因四冲程发动机工作循环的四个行程中，只有一个行程作功，其余三个行程为作功作准备。单缸发动机曲轴转速是不均匀的，因而发动机运转不平稳，工作振动大，现代汽车采用多缸发动机就可以提高发动机运转的平稳性。一、二冲程汽油机工作原理（一）二冲程发动机的工作循环:是在两个活塞行程内，即曲轴旋转一周的时间内完成的。（二）二冲程汽油机的结构特点：二冲程汽油机采用曲轴箱扫气，曲轴箱是密封的，对多缸机而言，各曲柄轴室相互之间是密封的，气缸壁上开有矩形扫气口和排气口，气缸壁上开有进气口（右图所示最早的活塞阀进气方式）。第三节二冲程汽油机工作原理活塞上行:上方—压缩下方---吸气活塞下行(上半程):上方—作功下方---预压活塞下行(下半程):上方—换气下方---预压1、第一行程：活塞自下止点向上止点运动，已充入活塞上方气缸内的混合气被压缩，新的可燃混合气又从化油器被吸入活塞下方的曲轴箱内。(压缩，进气)2、第二行程：活塞自上止点向下移动，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。(作功，排气)二冲程汽油机工作原理（视频）思考二冲程发动机与四冲程发动机相比，有何不同点？为什么二冲程化油器式发动机在汽车上较少被采用？二冲程汽油机与四冲程汽油机比较1、理论上同样发动机排量、同样工作转速的发动机其功率应等于四冲程汽油机的二倍，由于构造上的原因，二冲程发动机的最大缺点是不易将废气自气缸内排除得较干净，并且在换气时减少了有效工作行程。因此，在同样的工作容积和曲轴转速下，二冲程发动机的功率并不等于四冲程发动机的2倍，只等于1.5～1.6倍；4、二冲程发动机的制造费用低廉，构造简单，重量轻，所以在摩托车上广泛采用。汽油喷射二冲程发动机可以减少扫气损失，改善燃油经济性差的缺点，可望在汽车上得到发展。二冲程汽油机与四冲程汽油机比较2、二冲程汽油机作功间隔短，发动机运转平稳，飞轮转动惯量小，容易上高速。3、二冲程汽油机燃油消耗率远较四冲程汽油机的燃油消耗率高，HC等排放严重。第四节发动机的总体构造机体组曲柄连杆机构配气机构进排气系统燃油供给系点火系润滑系冷却系起动系增压系统15、气缸盖罩现代四冲程汽油机的一般结构（以桑塔纳轿车电喷发动机为例）桑塔纳轿车（2000GSI）电喷发动机（AJR）外形图1、正时齿形带护罩2、空调压缩机3、空调压缩机带轮4、多楔皮带5、曲轴带轮6、张紧轮7、发电机带轮8、导向轮9、动力转向油泵10、动力转向泵带轮11、发电机12、进气歧管13、机油标尺14、燃油分配管35、油底壳桑塔纳轿车（2000GSI）电喷发动机（AJR）轴侧剖视图16、正时齿形皮带17、凸轮轴正时齿形带轮18、水泵齿形带轮19、曲轴正时齿形带轮20、机油泵传动链21、机油泵22、曲轴23、水泵24、活塞25、排气门26、进气门27、气缸体28、气缸盖29、液压挺柱30、凸轮轴31、喷油器32、机油滤清器33、机油压力限压阀34、连杆喷油器气缸盖罩加机油口气缸盖排气歧管进气歧管发电机空调压缩机导向轮动力转向泵带轮水泵气缸体曲轴箱油底壳机油泵链轮曲轴连杆活塞进气门凸轮轴液压挺柱气门弹簧桑塔纳轿车（2000GSI）电喷发动机（AJR）横剖面图www.themegallery.comCompanyLogo两大机构之－－曲柄连杆机构作用：将燃料燃烧时产生的热量转变为活塞往复运动的机械能，再通过连杆将活塞往复运动变为曲轴的旋转运动而对外输出动力。组成：由机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组组成。两大机构之－－配气机构作用：使可燃混合气及时充入气缸并及时从气缸中排出废气。组成：它由进气门、排气门、挺杆、推杆、摇臂、凸轮轴、正时齿轮等组成。五大系统之－－润滑系作用：润滑、冷却、清洗、密封等。组成：由机油泵、滤清器、限压阀、油道等组成。五大系统之－－冷却系作用：把受热零件的热量散到大气中去，以保证发动机正常工作。组成：它由水泵、散热器、风扇、分水管、水套等组成。五大系统之－－燃料系（汽油车）作用：根据发动机各种工况要求，配制具有一定数量和浓度的可燃混合气供入气缸,燃烧后排出废气。组成：化油器式由燃油箱、汽油泵、化油器、进排气管、滤清器等组成。五大系统之－－点火系作用：按规定时刻及时点燃气缸内被压缩的可燃混合气。组成：由蓄电池、分电器、点火线圈、火花塞等组成。五大系统之－－起动系作用：使静止的发动机起动。组成：由起动机及附属装置组成。发动机总体构造影视第五节发动机主要性能指标与特性发动机主要性能指标：动力性指标（有效转矩、有效功率、转速等）和经济性指标（燃油消耗率）和运转性能指标（排气品质、噪声和起动性能等）。一、动力性指标1、有效转矩：发动机通过飞轮对外输出的平均转矩，以Ttq表示，单位为·m。2、有效功率：发动机通过飞轮对外输出的功率。以Pe表示，单位为kW。式中：n——曲轴转速，r/min3、发动机转速发动机曲轴每分钟的回转数称为发动机转速，用n表示，单位为r/min。4.平均有效压力单位气缸工作容积发出的有效功称为平均有效压力，记作pme，单位为MPa。有效燃油消耗率：发动机每发出1kW有效功率，在1h内所消耗的燃油消耗质量，以be表示,单位为g/（kW·h）。（四冲程汽油机一般为270325g/（kW·h），四冲程柴油机一般为190238g/（kW·h）。）二、经济性能指标式中：B为发动机在单位时间内的耗油量有效热效率燃料燃烧所产生的热量转化为有效功的百分数称为有效热效率，记作ηe。三、运转性能指标1、排气品质：针对氮氧化合物，碳氢化合物、一氧化碳等以及排气颗粒有害排放物2、噪声：噪声会刺激人的神经，使人心情烦躁，反应迟钝，诱发高血压和神经系统的疾病3、起动性能：影响汽车机动性能、操作者的安全和劳动强度。我国规定，不采用特殊的低温起动，汽油机在-10℃、柴油机在-5℃以下的气温条件下起动发动机时，15s以内发动机要能自行运行发动机主要性能指标可在发动机测功器台架上试验测定：试验时保持一定油门开度，同时用测功器对发动机施加一定的阻力矩，用转速表测出发动机转速，低于所需转速则减小阻力矩，反之则加大阻力矩，当发动机转速稳定在所需转速时，即阻力矩与发动机输出有效转矩相等时，测量发动机转速和发动机有效转矩，用油耗仪测出发动机单位时间内的耗油质量B，根据式（1-1）换算出发动机有效功率Pe，根据式（1-2）换算出发动机有效燃油消耗率be。四、发动机的速度特性速度特性制取具体步骤（汽油机为例）1）发动机预热，将点火提前角、水温（80～95℃）、油温（80℃左右）保持最佳。2）将油门固定在某一位置后，先将发动机满负荷稳定运转在最低转速处，此时即为试验的起点。耗一定量燃油所需要的时间、测功器读数、转速。3）依次减少发动机负荷，使其转速增加，根据发动机所选择的转速间隔，使发动机稳定工作在某一转速处，再进行此时数据记录。如此试验几个点，到发动机功率开始下降为止。4）在坐标上描点。（横坐标发动机曲轴转速，纵坐标为发动机的功率、转矩、有效燃油消耗率等）（1）发动机全负荷速度特性（又称为发动机外特性）：指油门全开时，发动机的有效功率、有效转矩和有效燃油消耗率三者随发动机转速变化的规律。发动机速度特性：指油门开度一定时，发动机的有效功率、有效转矩和有效燃油消耗率三者随发动机转速变化的规律。汽油发动机外特性（2）发动机部分负荷速度特性：指油门部分开启时，发动机的有效功率、有效转矩和有效燃油消耗率三者随发动机转速变化的规律。发动机负荷：发动机在某一转速下的负荷，就是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。发动机工况：一般是用它的功率与曲轴转速来表征，有时也用负荷和曲轴转速来表征。五、发动机工作状况汽油发动机部分负荷速度特性50%负荷是不是指油门开启一半开度?第六节内燃机产品名称和型号编制规则国家标准GB725—82规定：内燃机型号由由以下四部分组成。首部：为产品特征代号(产品系列符号和换代标志符号)，由制造厂根据需要自选相应字母表示，但需主管部门核准。中部：由缸数符号、冲程符号、气缸排列形式符号和缸径符号等组成。后部：结构特征和用途特征符号，以字母表示。尾部：区分符号。同一系列产品因改进等原因需要区分时，由制造厂选用适当符号表示。小结发动机常用术语工作原理发动机是将某一种形式的能量转变成机械能的机器。分类定义按不同的分类方法大致分为四大类十个基本术语汽油发动机柴油发动机（重点）区别于汽油机的工作过程四个行程的工作过程发动机总体构造：汽油机（两大机构五大系统），柴油机（两大机构四大系统）主要性能指标与特性动力性指标：有效转距，有效功率经济性指标：燃油消耗率速度特性工况与负荷内燃机名称及型号编制规则熟练认识内燃机名称和规格思考:1.解释下列各词：往复活塞式内燃机、曲柄连接机构、上止点、下止点、活塞行程、气缸总容积、气缸工作容积（气缸排量）、发动机工作容积（发动机排量）、压缩比。2.东风牌EQ1090E型汽车的发动机Q6100汽油机有6个缸、气缸直径为100毫米，活塞行程为115毫米，压缩比为6.75，计算其每缸工作容积和发动机排量。3.简单说明四行程汽油发动机有几个工作行程？每个行程作用是什么？每个行程终了时气体的压力和温度各在什么范围？4.往复活塞式内燃机由那些部分组成？它们各起什么作用?5.国产汽车内燃机产品型号包括哪些部分？如何编写？