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1、1发动机相关知识工程车辆研究所徐庆华2011.03热力发动机的分类热力发动机（热机）内燃机外燃机（如蒸汽机、Stirling机）燃气轮机（旋转式内燃机）活塞式内燃机旋转活塞式（Wankel）往复活塞发动机结构、原理按燃料：汽、柴、NG、LPG、酒精等按着火方式：压燃式、点燃式按冲程：四、二按冷却：水、风、油按气缸数：单、双、多按转速：低、中、高按增压：非增压、增压按气缸排列：立、卧、直列、V、对置按混合气准备方式：化油器、燃料喷射按气门、凸轮轴布置：顶置、侧置按用途：农用、船用、汽车用、工程机械用、发电用发动机结构、原理卡特皮勒3408型柴油机基本术语发动机基本术语上止点和下止点曲柄半径R和活
2、塞行程S缸径D气缸工作容积和发动机排量（Vh=14D2SVL=iVh）燃烧室容积VC和气缸总容积Va压缩比图1-14BJ492Q汽油机外特性发动机的基本性能指标动力性能指标（有效功率，有效转矩，转速，平均有效压力）经济性能指标（有效燃油消耗率，有效润滑油消耗率，有效热效率）环保性能指标（排放，噪声）结构性能指标（比容积，比功率质量）运转性能指标（冷启动性，可靠性，耐久性）加工工艺性能指标等。排放指标指从发动机油箱、曲轴箱排出的气体和从气缸中排出的废气中所含的有害排放物的量。主要是CO、HC、NOX和PM。噪声（GB1495-79）如轿车在加速行驶时，车外最大的允许噪声为82dB（A）。比容积单
3、位容积的发动机功率比功率质量单位标定功率的发动机干质量（无冷却液、润滑油和燃油）有效功率是指发动机在单位时间内发出的有效功，以Pe表示，单位是kW有效转矩是指发动机曲轴输出的转矩以Ttq表示单位是NmPe=Ttqn9550转速指标是指发机曲轴每分钟转的转数，以n表示，单位是rmin有效燃油消耗率是指单位功率在单位时间内燃料的消耗电量，以be表示，单位是g(kw.h)有效润滑油消耗率是指单位功率在单位时间内润滑油的消耗量，以bm表示，单位是g(kwh)有效热效率指实际循环发出的有效功与消耗的燃料的热值之比，以et表示(现代柴油机标定工况下的有效热效率不超过45%，汽油机不超过30%)基本工作原理
4、（以四冲程柴油机为例）四冲程柴油机(除进气、着火方式等以外，四冲程柴油机工作原理和汽油机基本相同。)活塞在一个工作循环中从上止点到下止点，又从下止点到上止点往复运动两次，同时完成进气、压缩、作功和排气四个工作过程。发动机基本工作原理及组成进气冲程：进气门开启，排气门关闭。活塞从上止点向下止点移动。吸入新鲜空气（可燃气体）压缩冲程：进排气门关闭，活塞从下止点向上止点移动。作功冲程（膨胀冲程）进排气门关闭，可燃气体燃烧后放出大量热能，形成高温高压推动活塞从上止点向下止点运动。排气冲程：进气门关闭，排气门开启。活塞由下止点向上止点运动，将燃烧后的废气排出。发动机的总体构造机体与气缸盖曲柄连杆机构配气
5、机构燃油供给系统冷却系统润滑系统点燃式发动机点火系统起动装置发动机总体构造曲柄连杆机构是运动件，是发动机的主要部件之一。混合气燃烧产生的压力推动活塞在气缸内运动，通过连杆变成为曲轴的旋转运动，并对外输出功率。曲柄连杆机构包括活塞连杆组、曲轴飞轮组两大部件。曲柄连杆机构活塞连杆曲轴组结构及装配活塞连杆组结构及装配活塞组活塞组在气缸内承受和传递燃烧气体压力，与气缸盖、缸套内壁构成密封的燃烧室空间。活塞组包括活塞、活塞环（气环和油环）、活塞销及活塞销卡环等零件。活塞结构活塞由活塞顶部、活塞头部（环槽部）和裙部三部分组成。柴油机活塞活塞顶部指从活塞顶面到到第一道气环上环岸部分（汽油机活塞顶部和柴油机活
6、塞顶部结构上有较大的差异）。活塞头部是从第一道气环槽到油环槽的环槽部。活塞裙部是指从油环槽下环岸到活塞底部。活塞顶面形状（a）平顶（b）凹顶（c）凸顶(d)(e)(f)深凹顶新工艺：活塞顶面一般进行阳极氧化处理，以增加热阻。活塞环活塞环分气环和油环两种。气环作用：密封和导热材料：优质铸铁、球墨铸铁和合金铸铁（耐热、耐磨以及高强度和冲击韧度），镀铬、喷钼、磷化处理。铬基陶瓷复合镀层（CYPRCCC）活塞环和粉末冶金的金属陶瓷等新工艺切口：直切口、阶梯型切口、斜切口、带防转销钉槽（见图3-7）断面形状：矩形环、锥面环、正扭曲内切环、反扭曲内切环、梯形环、桶面环等（见图3-8）(a)直切口(b)阶梯
7、型切口(c)斜切口(d)带防转销钉槽气环的切口形状(a)矩形环(b)锥面环(c)正扭曲内切环(d)反扭曲内切环(e)梯形环(f)桶面环图3-8气环的断面形状油环其作用是涂油和刮油普通槽孔式：回油孔有圆孔、指状铣刀铣削的长条孔和片状铣刀铣削的扁孔等钢带组合式：由上下刮片和支撑弹簧组成背衬式：在油环背面衬以波纹钢带圈或弹簧圈1.衬环是波纹钢带圈衬环2.衬环是弹簧圈(C)背衬式油环1回油孔2、4刮片3支撑弹簧油环活塞销及卡环活塞销图3-10活塞销活塞销销卡环环连杆组图3-11连杆组组成：功能：材料：要求强度高、刚度好、抗疲劳强度高且柔韧性好。一般用中碳钢或中碳合金钢，模锻成型，并调质处理平切口和斜切
8、口连杆斜切口连杆常用的定位方法：止口定位套筒定位锯齿定位斜切口连杆大头的定位方式1.止口定位2.锯齿定位3.套筒定位（a)普通形状轴承(b)等厚度合金层(c)轴向变厚度轴承1.定位舌2.瓦背3.合金层连杆轴瓦连杆轴瓦(上瓦和下瓦)3.3曲轴飞轮组曲轴组v组成v功能曲轴组成:前端、后端、曲拐和平衡重等。有整体式和组合式之分。材料：要求疲劳强度、冲击韧性和耐磨性好。一般用中碳钢或镍铬、铬钼、铬钒等合金钢锻模，或高强度球墨铸铁铸成。主轴颈、曲柄销表面进行高频淬火或氮化处理，曲柄销与曲柄臂的过渡圆角出采用滚压喷丸等硬化处理曲轴轴承（主轴瓦）：有上、下瓦。由瓦背和合金层组成，用定位舌定位。瓦背用低碳钢制
9、造，合金层有锡基和铅基白合金（汽油机），铜基、铝锑镁和铝锡合金（柴油机）常见的曲拐排列与发火顺序三缸机(单列)，三个曲拐互成120夹角，发火间隔为7203=240发火顺序为1-2-3四缸机(单列)四曲拐布置在同一平面发火间隔7204=180发火顺序1-3-4-21-2-4-3五缸机(单列)五个曲拐沿圆周均匀布置在五个平面内各平面夹角为72发火间隔为7205=144发火顺序为1-2-4-5-3六缸机(单列)六个曲拐分别布置在三个平面内各平面夹角为120发火间隔为7206=120发火顺序为1-5-3-6-2-4六缸机(V型)曲拐布置和单列三缸机相同三个曲拐互成120夹角V型夹角为90采用交替式发火
10、发火顺序为1-4-2-5-3-6八缸机(V型)V型夹角为90发火间隔7208=90四个曲拐可布置在同一平面采用交替式发火发火顺序为1-8-3-6-4-5-2-7或1-5-3-7-4-8-2-6；四个曲拐也可布置在互相错开90的平面内(空间曲拐布置)发火顺序为1-5-4-2-6-3-7-8等飞轮功用：蓄能和供能，启动，上止点标记材料:铸铁、铸钢或球墨铸铁机体、气缸套和气缸盖是发动机的非运动件，是发动机形状尺寸的主要决定因素。机体气缸盖是箱体类零件，是发动机主要运动件的安装位置和运动空间，发动机其他系统和附件的安装位置，都要由机体和缸盖提供。发动机机体与气缸盖1.气缸盖2.气缸垫3.气缸体机体、气
11、缸套和气缸盖（卡特皮勒柴油机）机体与气缸套机体的结构形式机体的结构形式平分式：一般龙门式：桑塔纳2000GSi的AJR型隧道式：6135Q机体的排列方式L型：一般对置式：保时捷2.5L6V型：奥迪A2.4-1V6气缸套无缸套干缸套湿缸套缸套的定位气缸盖和气缸垫功用结构特点：燃烧室，各种零部件的布置材料：优质灰铸铁、合金铸铁或铝合金形式：整体式和组合式气缸盖气缸垫气缸盖螺栓油底壳配气机构的功用配气机构的功用是按照发动机每一气缸内所进行的工作循环和发火顺序的要求，定时开启和关闭进、排气门，使新鲜可燃混合气或空气得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排出。发动机配气机构包括气门组和气门传动组。气门组包
12、括气门、气门锁销、气门弹簧等，气门传动组包括凸轮轴、摇臂、挺杆、推杆等。曲轴通过正时齿轮或链轮带动凸轮轴旋转，如左图所示，凸轮8推动挺杆6经推杆3、摇臂5开启进气门或排气门4，保证按时吸入新气或排除废气。配气机构配气机构的布置方式及特点气门的布置形式气门侧置气门顶置气门混合布置凸轮轴布置形式凸轮轴上置凸轮轴下置凸轮轴中置下置凸轮轴侧置气门单顶置凸轮轴（SOHC）双顶置凸轮轴（DOHC）Single(Dual)OverHeadCamshaft1.进气门2.排气门气门混合布置方式凸轮轴的传动方式齿轮传动链传动带传动每缸气门数气门间隙凸轮轴带传动DOHC带传动DOHC链传动每缸四气门每缸五气门1、3
13、凸轮轴2、4进、排气门配气定时为了提高发动机的动力性能和经济性能，就需要提高发动机的充气系数。提高充气系数除了提高气门通过能力，即增加气门升程、采用合理的气门锥角、加大气门和气道喉口直径、设计有优异动力性能的配气凸轮型线等以外，合理的配气定时（配气相位）也是一个很重要的因素。配气定时指的是进、排气门开启关闭时刻和延续的曲轴转角。发动机配气定时可以用配气定时（或配气相位）图表示，也可用配气相位角图表示。配气机构的零部件配气机构的零部件气门组件凸轮轴挺柱挺杆摇臂气门组件气门气门弹簧气门导管气门座圈气门组气门材料：要求足够的强度、刚度，耐热和耐磨能力。进气门一般用铬钢、镍铬钢等普通合金钢。排气门用高
14、铬硅耐热合金钢。结构：头部和杆部头部形状钠冷气门气门弹簧（双弹簧和变螺距弹簧）气门头部形状钠冷气门气门导管和气门座1气门导管2卡圈3气缸盖4气门座圈气门导管和气门座圈凸轮轴功用材料：要求有足够的刚度和韧性凸轮表面要耐磨，一般用优质铸铁、中碳钢和中碳合金钢制造，经调质处理以提高疲劳强度。凸轮表面淬火、光磨。结构凸轮轴结构凸轮轴的驱动：齿轮、链轮和齿形皮带挺柱1.凸轮中心线与挺柱轴线不重合2.凸轮表面倾斜挺柱（机械挺柱和液压挺柱）挺杆摇臂汽油机燃料供给系统的功能是根据发动机运转工况的需要，向发动机定时、定量供给一定数量的汽油，以形成产生一定输出功率的可燃混合气。汽油机供给的汽油，要雾化良好并与空气
15、形成均质混合气。传统汽油机采用化油器供油，用节气门来控制混合气数量，以达到控制汽油机运转工况的目的。汽油机燃料供给系统化油器式汽油机供给系示意图化油器供油系统化油器汽油箱汽油滤清器汽油泵油管柴油机燃料供给系统的功能是根据内燃机工作循环要求，定时、定量、定压、按一定的供油规律将柴油喷入气缸，雾化并与空气形成混合气燃烧。柴油机燃料供给系统组成：燃油供给装置：柴油箱、输油泵、柴油滤清器燃油供给装置：柴油箱、输油泵、柴油滤清器(柴油滤清器有粗细柴油滤清器有粗细两种，一般粗滤器设在输油泵之前，细滤器设在输油泵之后。两种，一般粗滤器设在输油泵之前，细滤器设在输油泵之后。)、喷油泵、喷油器等。、喷油泵、喷油
16、器等。空气供给装置：空气滤清器、进气管道。空气供给装置：空气滤清器、进气管道。混合气形成装置：燃烧室。混合气形成装置：燃烧室。废气排出装置：排气管道、消音器废气排出装置：排气管道、消音器各组成部分详图各组成部分详图各组成部分详图各组成部分详图柴油机工作过程柴油箱贮有经过沉淀和滤清的柴油。柴油从柴油箱被吸入输油泵并柴油箱贮有经过沉淀和滤清的柴油。柴油从柴油箱被吸入输油泵并泵出，经柴油滤清器滤去杂质后，进入喷油泵。自喷油泵输出的高泵出，经柴油滤清器滤去杂质后，进入喷油泵。自喷油泵输出的高压柴油经高压油管和喷油器喷入燃烧室。由于输油泵的供油量比喷压柴油经高压油管和喷油器喷入燃烧室。由于输油泵的供油量比喷油泵供油量大得多，过量的柴油便经回油管回到输油泵油泵供油量大得多
