第1章汽车发动机的工作原理及总体构造

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1、汽车构造 上 主讲 楼狄明电话 6958998169589207Email loudiming 发动机 将自然界某种能量直接转换为机械能并拖动某些机械进行工作的机器 热力发动机 热机 将热能转换为机械能的发动机 简称热机 其中的热能是由燃料燃烧所产生的 第一章发动机的工作原理及总体构造 第一节发动机的类型 内燃机 热力发动机的一种 特点 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 然后再转变为机械能 外燃机 如蒸汽机 汽轮机或燃气轮机等 其特点 燃料在机器外部燃烧以加热水 产生高温 高压的水蒸汽 送至机器内部 使所含的热能转变为机械能 内燃机的优缺点 热效率高 体积小 便于移动

2、起动性能好 内燃机一般要求使用石油燃料 同时排出的废气中所含有害气体的成分较高 为解决能源与大气污染问题 目前国内外正致力于排气净化及新能源发动机的研究工作 按照所用燃料分类汽油机 柴油机 气体燃料发动机 煤气机 液化石油气发动机及多种燃料发动机等 3 按照冷却方式分类 汽车发动机类型 4 按进气状态分类 汽车发动机类型 5 按照冲程数分类 汽车发动机类型 6 按照气缸数目分类 汽车发动机类型 6 按气缸排列方式分类 除此以外 还有W型发动机和直列卧式发动机等等 动画 汽车发动机类型 往复活塞式内燃机 1 工作循环 在发动机内每一次将热能转化为机械能 都必须经过空气吸入 压缩和输入燃料 使之着

3、火燃烧而膨胀作功 然后将生成的废气排出这样一系列连续过程 这称为发动机的一个工作循环 2 四冲程发动机 凡活塞往复四个单程即进气行程 压缩行程 膨胀行程和排气行程 称为四冲程发动机 3 二冲程发动机 活塞往复两个单程即完成一个工作循环的则称为二冲程发动机 往复式内燃机的基本术语 4 上止点 TDC TopDeadCenter 活塞顶离曲轴回转中心最远处 下止点 BDC BottomDeadCenter 活塞顶部离曲轴回转中心最近处 5 活塞行程 上 下止点间的距离S曲柄半径R 曲轴与连杆下端的连接中心至曲轴中心的距离R活塞每走一个行程相应于曲轴转角180 对于气缸中心线通过曲轴中心线的发动机

4、活塞行程S等于曲柄半径R的两倍 7 气缸工作容积或气缸排量 活塞从上止点到下止点所扫过的容积 用符号Vh或Vs表示 L 8 发动机工作容积或发动机排量 内燃机所有气缸工作容积的总和 用符号Vsl表示 L D气缸直径 mmS活塞行程 mmi气缸数 9 燃烧室容积Vc 活塞在上止点时 其顶部以上的容积10 气缸总容积Va 活塞在下止点时 其顶部以上的容积11 压缩比 压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积之比称为压缩比 以 表示 压缩比 等于气缸总容积Va与燃烧室容积Vc之比 即 现代化油器式发动机压缩比一般为6 9 轿车有的达9 11 东风EQ6100一1型汽车发动机压缩比为6 7 上海桑

5、塔纳轿车汽油机压缩比为8 2 12 工况 内燃机在某一时刻的运行状况 以该时刻内燃机输出的有效功率和曲轴转速表示 13 负荷率 内燃机在某一转速下发出的有效功率与相同转速下所能发出的最大有效功率的比值 以百分数表示 负荷率通常简称负荷 往复活塞式内燃机 汽车发动机在汽缸内产生能量的过程叫燃烧周期 大多数发动机的燃烧周期分为四个过程 也叫四冲程 也就是说 在一个做功周期内活塞上下运动两次 为了纪念德国工程师尼古拉斯 奥托首创这种四冲程做功方式 也把称它为奥托循环 下面我们分别来介绍一下四冲程汽油机和四冲程柴油机的工作原理和工作过程 第二节四冲程发动机的工作原理 一 四冲程汽油机工作原理 汽油发动

6、机工作的四冲程分别是 进气冲程 压缩冲程 做功冲程和排气冲程 如图所示 发动机进气冲程 发动机压缩冲程 发动机做功冲程 A进气阀 摇臂 弹簧B气门盖C进气口D汽缸盖E冷却液F汽缸体G油底壳H机油盘I曲轴J排气阀 摇臂 弹簧K火花塞L排气口M活塞N连杆O连杆轴承P曲轴 动画 四冲程汽油机工作原理 发动机工作循环 1 进气行程 2 压缩行程 四冲程汽油机工作原理 3 作功行程 4 排气行程 四冲程汽油机工作原理 四冲程柴油机的工作原理 四冲程柴油机和四冲程汽油机的工作过程相同 每一个工作循环同样包括进气 压缩 作功和排气四个过程 但由于柴油机使用的燃料是柴油 柴油与汽油有较大的差别 柴油粘度大 不

7、易蒸发 自燃温度低 故可燃混合气的形成 着火方式 燃烧过程以及气体温度压力的变化都和汽油机不同 下面主要分析一下柴油机和汽油机在工作过程中的不同点 1 四冲程柴油机在进气行程中所不同的是柴油机吸入气缸的是纯空气而不是可燃混合气 在进气通道中没有化油器 进气阻力小 进气终了时气体压力略高于汽油机而气体温度略低于汽油机 进气终了时气体压力约为0 0785 0 0932MPa 气体温度约为300 370K 2 压缩行程压缩的也是纯空气 在压缩行程接近上止点时 喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室 柴油和空气在气缸内形成可燃混合气并着火燃烧 柴油机的压缩比比汽油机的压缩比大很多 一般为16 22 压缩终了

8、时气体温度和压力都比汽油机高 大大超过了柴油机的自燃温度 压缩终了时 气体压力约为3 5 4 5MPa 气体温度约为750 1000K 柴油机是压缩后自燃着火的 不需要点火 故柴油机又称为压燃机 二 四冲程柴油机工作原理 3 柴油喷入气缸后 在很短的时间内与空气混合后便立即着火燃烧 柴油机的可燃混合气是在气缸内部形成的 而不象汽油机那样 混合气主要是在气缸外部的化油器中形成的 柴油机燃烧过程中气缸内出现的最高压力要比汽油机高得多 可高达6 9MPa 最高温度也可高达2000 2500K 作功终了时 气体压力约为0 2 0 4MPa 气体温度约为1200 1500K 动画 四冲程柴油机的工作原理

9、 二行程汽油机的工作循环也是由进气 压缩 燃烧膨胀 排气过程组成 但它是在曲轴旋转一圈 360 活塞上下往复运动的两个行程内完成的 因此 二行程发动机与四冲程发动机工作原理不同 结构也不一样 第一行程 活塞从下止点向上止点运动 事先已充满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第二行程 活塞从上止点向下止点运动 活塞上方进行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 二行程汽油机的工作原理 一 二冲程汽油机工作原理 第三节二冲程发动机的工作原理 二行程汽油机的工作原理 二冲程汽油机工作原理 动画 二行程柴油机和二行程汽油机工作类似 所不同的是

10、柴油机进入气缸的不是可燃混合气 而是纯空气 例如带有扫气泵的二冲程柴油机工作过程如下第一行程 活塞从下止点向上止点运动 行程开始前不久 进气孔和排气门均以开启 利用从扫气泵流出的空气使气缸换气 当活塞继续向上运动进气孔被关闭 排气门也关闭 空气受到压缩 当活塞接近上止点时 喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室 燃油和空气混合后燃烧 使气缸内压力增大 第二行程 活塞从上止点向下止点运动 开始时气体膨胀 推动活塞向下运动 对外作功 当活塞下行到大约2 3行程时 排气门开启 排出废气 气缸内压力降低 进气孔开启 进行换气 换气一直延续到活塞向上运动1 3行程进气孔关闭结束 二行程柴油机的工作原理 二 二

11、冲程柴油机工作原理 二行程柴油机的工作原理 二冲程柴油机工作原理 动画 前面介绍的是单缸发动机的工作过程 而现代汽车发动机都是多缸四冲程发动机 那么 多缸四冲程发动机与单缸四冲程发动机的工作过程有什么区别呢 就能量转换过程 发动机的每一个气缸和单缸机的工作过程是完全一样的 都要经过进气 压缩 作功和排气四个行程 但是单缸发动机的四个行程中只有一个行程作功 其余三个行程不作功 即曲轴转两圈 只有半圈作功 所以运转平稳性较差 功率越大 平稳性就越差 为了使运转平稳 单缸机一般都装有一个大飞轮 而多缸发动机的作功行程是差开的 按照工作顺序作功 即曲轴转两圈交替作功 因此 运转平稳 振动小 缸数越多

12、作功间隔角越小 同时参与作功的气缸越多 发动机运转越平稳 多缸机使用最多的有四缸发动机 六缸发动机和八缸发动机 多缸发动机的工作原理 四冲程和二冲程柴油机的比较 四冲程和二冲程汽油机的比较 动画 动画 多缸发动机的工作原理 第四节发动机的总体构造 机体组曲柄连杆机构配气机构供给系点火系冷却系润滑系起动系 1 曲柄连杆机构 往复活塞式内燃机 3 燃料供给系统 2 配气机构 往复活塞式内燃机 5 冷却系统 4 润滑系统 往复活塞式内燃机 7 起动系统 6 点火系统 往复活塞式内燃机 内燃机总体构造图 配气机构 曲柄连杆机构 油底壳 气缸盖 气缸体 东风6100型发动机 上海桑塔纳轿车发动机 发动机

13、的性能指标 动力性能指标动力性能指标指曲轴对外作功能力的指标 包括有效转矩Ttq 有效功率Pe和曲轴转速n 2 经济性能指标通常用燃油消耗率来评价内燃机的经济性能 燃油消耗率是指单位有效功的燃油消耗量 也就是发动机每发出1kW有效功率在1小时内所消耗的燃油质量 以g为单位 燃油消耗率通常用ge表示 其单位为g kW h 3 运转性能指标排放性能指标包括排放烟度 有害气体 CO HC NOx 排放量 噪声等 噪声起动性能 发动机的性能指标是用来衡量发动机性能好坏的标准 发动机的主要性能指标有 动力性能指标 经济性能指标和运转性能指标 第五节发动机主要性能指标与特性 发动机主要性能指标 1 有效转

14、矩 发动机通过飞轮对外输出的平均转矩Ttq N m 有效转矩与外界施加于发动机曲轴上的阻力矩相平衡 2 有效功率发动机通过飞轮对外输出的功率Pe kW 等于有效转矩与曲轴角速度的乘积 可以用台架试验方法测定 Te 有效转矩 N m n 曲轴转速 r min 标定功率 标定转速 发动机产品铭牌上标明的功率及相应转速称为标定功率和标定转速 按照汽车发动机可靠性试验方法的规定 汽车发动机应能在标定工况下连续运行300 1000h 二 经济性指标 燃油消耗率 发动机每发出1kW有效功率 在1h内所消耗的燃油质量 以g为单位 be 燃油消耗率越低 经济性越好 Gf 发动机每单位时间的耗油量 kg hPe

15、 发动机的有效功率 kW 发动机特性 发动机特性 发动机的性能随着许多因素而变化的规律发动机转速特性 发动机的功率 转矩和燃油消耗率三者随曲轴转速变化的规律 有效功率测试 可以通过发动机在试验台上 例如测功器试验台 进行试验而求得 试验时先保持一定的发动机节气门开度 同时用测功器对发动机曲轴施加一定数值的阻力矩 当发动机运转稳定时 即阻力矩与发动机发出的有效转矩相等时 可用转速表测出此时的稳定转速n 同时在测功器上测出该转速下的发动机有效转矩了Te 可算出有效功率Pe 油耗测试 可测出消耗一定量汽油所经历的时间 用以换算出发动机每小时油耗量Gf 计算出燃油消耗率ge 转速特性曲线 改变测功器的

16、阻力矩数值 用与上述相同的方法 又可以得到相应于另一转速n的一组TePege数值 如此重复若干次 即可得到一定节气门开度下的一系列nTePege数值 根据这些数据 即可画出TePege随n变化的关系曲线 即相应于这一节气门开度的转速特性曲线 如果改变节气门开度 又可得到另外一组特性曲线 发动机外特性 发动机外特性 当节气门开到最大时 所得到的是总功率特性 发动机部分特性 部分特性 在节气门其它开度情况下得到的特性 发动机外特性 发动机外特性 发动机最高动力性能曲轴转速 n2 最大转矩 n2 进气时间短 气体流速高 阻力大 充气量少 摩擦损失大 故Te减小 发动机外特性 n3 有效功率Pe最大 功率是转矩与转速的乘积 n1 n2 Te n增加 乘积也增加 Pe增加 n2 n3 n增加 Te降低缓慢 故Pe增加 n3 Pe达最大值 n3 n增加 Te下降很快 故Pe下降 n5 最小燃油消耗率 n1 n5 n2最大功率 最大转矩 相应转速 是表示发动机性能的重要指标 发动机工作状况 发动机工作状况 简称发动机工况 一般是用它的功率与曲轴转速来表征 有时也可用负荷与曲轴转速来表征 负荷 发动机