汽车发动机构造与检修（第5版）课件 Ch1 发动机的基础知识

第1章发动机的基础知识湖南生物机电职业技术学院扶爱民学习目标熟悉发动机类型、总体结构及基本原理、基本术语；了解工程热力学基础、发动机热力循环和性能指标、产品型号，影响发动机工作性能的主要因素；掌握汽车发动机型号编制规则、发动机工作原理。初步掌握汽车发动机修理预备知识第1章发动机的基础知识湖南生物机电职业技术学院扶爱民1.1发动机的总体构造及基本原理1.1.1发动机的分类能量转换、由多机构、多系统构成的复杂机器。二、发动机的分类一、发动机的定义按其结构特征不同可分为：汽油、柴油及多燃料发动机；点燃式与压燃式发动机；化油器式与喷射式发动机；单缸与多缸发动机；水冷式与风冷式发动机；四冲程与二冲程发动机；双气门与多气门发动机；顶置式气门与侧置式气门发动机；单排直列与V形排列式发动机。湖南生物机电职业技术学院扶爱民按燃料燃烧位置分内燃式发动机外燃式发动机按燃烧类型分间歇燃烧式发动机连续燃烧式发动机按内部运动类型分往复活塞式发动机转子式发动机湖南生物机电职业技术学院扶爱民按使用燃料分汽油机柴油机按工作循环分二冲程机四冲程机按冷却方式分水冷式发动机风冷式发动机湖南生物机电职业技术学院扶爱民按气门配置位置分气门顶置式气门侧置式按气缸排列方式分直列式气缸V形按气缸数量分单缸机多缸机湖南生物机电职业技术学院扶爱民1.1.2发动机的总体构造内燃机种类繁多，结构形式、具体构造多种多样，但其基本工作原理一致，为完成热功转换所需的总体功能、基本结构则大同小异。汽油机由机体、曲柄连杆机构、配气机构、燃油供给系统、冷却系统、润滑系统、点火系统、起动系统等部分组成。柴油机则包括机体、曲柄连杆、配气、燃油供给、冷却、润滑、起动等机构系统。湖南生物机电职业技术学院扶爱民湖南生物机电职业技术学院扶爱民1.1.3发动机的基本术语动态演示

湖南生物机电职业技术学院扶爱民1．工作循环往复活塞式发动机的工作循环是由进气、压缩、作功和排气等组成的封闭过程。周而复始地进行这些过程，发动机才能持续地作功。2．上、下止点活塞顶离曲轴回转中心最远处为上止点；活塞顶离曲轴回转中心最近处为下止点。在上、下止点处，活塞的运动速度为零。1.1.3发动机的基本术语湖南生物机电职业技术学院扶爱民3．活塞行程上、下止点间的距离S称为活塞行程。曲轴的回转半径R称为曲柄半径。显然，曲轴每回转一周，活塞移动两个活塞行程。对于气缸中心线通过曲轴回转中心的发动机，其S＝2R。湖南生物机电职业技术学院扶爱民4．气缸工作容积活塞从一止点至另一止点所扫过的容积（单位为L或升），如下图所示。5．发动机排量内燃机所有气缸工作容积的总和称为内燃机排量。发动机排量＝气缸工作容积×汽缸数湖南生物机电职业技术学院扶爱民6．燃烧室容积活塞位于上止点时，活塞顶面以上气缸盖底面以下所形成的空间称为燃烧室，其容积称为燃烧室容积，也叫压缩容积。7．气缸总容积气气缸总容积＝缸工作容积+燃烧室容积。湖南生物机电职业技术学院扶爱民8．压缩比压缩比＝气缸总容积与燃烧室容积之比。压缩比表示缸内气体被压缩的程度，或缸内燃气膨胀的倍数。柴

高（

=16~22），汽

低（

=6~9，轿车

=9~11）。※压缩比≠气缸压力湖南生物机电职业技术学院扶爱民9．工况发动机在某一时刻的运行状况简称工况，以该时刻发动机输出的有效功率和曲轴转速表示。曲轴转速即为发动机转速。10．负荷率发动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称为负荷率，以百分数表示。负荷率通常简称负荷。湖南生物机电职业技术学院扶爱民1.1.4单缸四冲程发动机的工作原理1、进气冲程2、压缩冲程3、作功冲程4、排气冲程动画演示湖南生物机电职业技术学院扶爱民1.1.4单缸四冲程发动机的工作原理四冲程往复活塞式发动机，在四个活塞行程（曲轴转两圈——720°）内完成进气、压缩、作功和排气等四个过程；即在一个活塞行程内只进行一个过程。1、进气冲程此时，排气门关，进气打开，曲轴旋转，带动活塞向下止点运动，产生吸力，将空气和汽油吸入气缸，并在气缸内进一步形成可燃混合气。活塞运动示功图进气终了，缸内：P=0.074～0.093Mpa，T=353～403K湖南生物机电职业技术学院扶爱民2、压缩冲程进气冲程结束后，进、排气门均关闭；曲轴继续带动活塞由下止点向上止点运动，容积逐渐减小，可燃混合气压缩，压力温度逐渐升高。活塞运动示功图压缩终了，缸内：P=0.6～1.5Mpa，T=600～700K。湖南生物机电职业技术学院扶爱民3、做功冲程活塞运行到上止点，进、排气门仍然关闭；点火装置产生电火花，点燃混合气。缸内温度、压力骤然升高，燃烧膨胀后的气体，推动活塞通过连杆带动曲轴旋转作功。活塞运动示功图作功时缸内：Pmax=3～5Mpa，Tmax=2200～2800K；作功终了时缸内：P=0.3～0.5Mpa，T=1300～1600K。

湖南生物机电职业技术学院扶爱民4、排气冲程此时，排气门打开，进气关闭，曲轴旋转，带动活塞向上止点运动，废气从排气门排出气缸外，至上止点排气门关闭。示功图活塞运动排气终了，缸内：P=0.102～0.120Mpa，T=900～1200K

湖南生物机电职业技术学院扶爱民曲轴转角（°）冲程活塞运动气门状态气缸内压力、温度进气门排气门压力（MPa）温度（K）0~180进气向下开启关闭进气结束：0.08~0.90（0.80~0.95）进气结束：370~440（320~350）

180~360压缩向上关闭关闭压缩结束：0.6~1.5（3~5）

压缩结束：600~700（800~1000）360~540做功向下关闭关闭最大压力：3~5（5~10）做功结束：0.3~0.5（0.2~0.4）

最高温度：2000~2800（1800~2200）做功结束：1300~1600（1200~1500）

540~720排气向上关闭开启排气结束：0.11~0.115（0.11~0.115）

排气结束：900~1200（800~1000）

表1.1单缸四冲程汽油机的工作过程注：括号内的数字表示柴油机对应冲程的压力与温度。湖南生物机电职业技术学院扶爱民2．单缸四冲程柴油机的工作过程与汽油机比，柴油机每一工作循环也经历进、压、功、排。但柴油密度、粘性大，难蒸发，自燃点低，混合气形成方式、着火方式不同。混气形成在压缩上止点前某时刻、缸内边喷、边混、边烧，喷、混、烧没明显界限。结构、工作过程图1.7所示。湖南生物机电职业技术学院扶爱民吸入纯空气压缩终了，温800~1000K，压力3~5MPa。近上止点，喷油，燃烧，温、压：1800~2200K，5~10MPa。排气结束温度800~1000K，压力0.105~0.125MPa。单缸四冲程柴油机工作时，曲轴转角、活塞运动、气门状态、气缸内的温度与压力等情况，如表1.1所示（括号内）。湖南生物机电职业技术学院扶爱民3．归纳：单缸四冲程发动机的工作特点（1）四冲程机一工作循环，曲轴转720°，每冲程转180°，进气冲程进气门开，排气冲程排气门开，其余冲程进、排气门均关。（2）第一个循环，须外力使曲轴旋转完成进、压、做功冲程后，靠曲轴、飞轮储能便可自行完成以后冲程，此后发动机即自行运转。（3）若能进气足、排气净，即可增大发动机输出功率。（4）单缸四冲程机只做功冲程产生动力，其他三冲程消耗动力，但不可或缺。因此，单缸发动机工作不平稳，为此一般单缸机大质量、大尺寸的飞轮。湖南生物机电职业技术学院扶爱民多缸机，曲轴每转两圈，所有气缸均完成一次热功转换，即一个工作循环，且各缸严格按进、压、功、排次序不断循环。多缸发动机的工作顺序与曲轴的结构型式有关，第2章。适当的曲轴结构，可使各缸做功间隔角（θ=720°/i）均匀，做功顺序交错，保证发动机运转平稳。如四缸机θ=180°；八缸机θ=90°，缸数越多，θ越小，工作越平稳。但结构越复杂。现代汽车用得最多的是四缸、六缸和八缸发动机。湖南生物机电职业技术学院扶爱民4．柴油机与汽油机的比较（1）汽油机混合气在缸外（内），进气时完成，先混后燃；柴油机混气在缸内进行，且边喷、边混、边烧，没有明显界限。因此，汽、柴油机燃料系结构原理完全不同。（2）汽油机靠强制点火燃烧做功，柴油机利用高温高压气体使柴油自行着火，柴油机无点火系。（3）柴油机压缩比高，平均耗油率低，燃料经济性好，尾气排放污染小；但柴油机转速低、质量大、制造、维修费用高，多用做大型汽车动力。（4）汽油机转速高、质量、噪声小、易起动、工作平稳、操作省力、适应性好、制造和维修费用低，轿车和中、小、微型汽车广泛应用。柴油机的轻量、高速化，正向中、小、轻型、轿车扩展。湖南生物机电职业技术学院扶爱民1.1.5单缸二冲程发动机的工作过程一．单缸二冲程汽油机的工作过程二冲程汽油机的工作循环是在两个活塞行程即曲轴旋转一周内完成的。在二冲程汽油机中，常把排气、进气过程合称为换气过程。即燃烧后废气是从气缸内被新气扫除并取代的过程。与四冲程汽油机的不同之处主要是换气过程。湖南生物机电职业技术学院扶爱民1．第一行程活塞由下止点向上止点运动。当活塞还处在下止点时，进气孔被关闭，排气孔、换气孔开启。曲轴箱的可燃混合气经换气孔进入气缸，扫除缸废气。活塞继续上行，活塞头部首先关闭换气孔，换气终止。但排气孔尚未关闭，部分废气和可燃混合气经排气孔继续排出，称为后期排气。当活塞关闭排气孔后，缸内可燃混合气被压缩。至上止点，压缩过程结束。活塞下方，打开进气孔，空气、汽油被吸入曲轴箱，形成可燃混合气。湖南生物机电职业技术学院扶爱民2．第二行程活塞由上止点向下止点运动。压缩终了时，火花塞产生电火花，点燃缸内可燃混合气。燃烧气体膨胀作功。此时排气孔和扫气孔均被活塞关闭，惟有进气孔仍然开启。空气和汽油经进气孔继续流入曲轴箱，至活塞关闭进气孔。随着活塞继续向下止点运动，曲轴箱内的混合气被预压缩。此后，活塞头部先将排气孔开启，膨胀后的气体已成废气，经排气孔排出。至作功过程结束，开始先期排气。随后活塞又将扫气孔开启，经过预压缩的可燃混合气从曲轴箱经扫气孔进入气缸，扫除其中的废气，开始扫气过程，至下一个活塞行程中扫气孔被关闭时为止。由上知：第一冲程塞顶上方换气、压缩，塞下方进气；第二冲程，塞上方做功、换气，塞下方预压。换气跨越两个冲程。湖南生物机电职业技术学院扶爱民二、二冲程柴油机工作原理湖南生物机电职业技术学院扶爱民1．第一行程活塞上行当活塞还处下止点时，进气孔和排气门均已开启。换气泵将增压（0.12~0.14MPa）后的纯净空气，经空气室、进气孔送入气缸，扫除缸内废气。当活塞将进气孔关闭的同时，排气门也关闭，进入气缸内的空气开始被压缩。活塞运动至上止点，压缩过程结束。2．第二行程活塞下行当压缩接近终了时，高压柴油经喷油器喷入气缸，并自行着火燃烧。高温高压的燃烧气体推动活塞作功。当活塞下移2/3行程时，排气门开启，废气经排气门排出。活塞继续下移，进气孔开启，来自扫气泵的空气经进气孔进入气缸进行扫气。扫气过程将持续到活塞上移时将进气孔关闭为止。湖南生物机电职业技术学院扶爱民二冲程机的特点：①没有气门或只有排气门，省去或简化配气机构，重量轻、成本低。②做功次数是四冲程发动机的两倍，同Vc、ε、n情况下，二冲程机的功率是四冲机的二倍，实际因窜气损失，膨胀不充分，实为1.5~1.6倍。③

n相同，二冲程机做功次数比四冲程机多一倍，运转更平稳。④二冲程汽油机换气过程中带走部分混合气，经济性差，污染严重；但结构简单重量轻，多用于小排量、需移动机具上。二冲程柴油机的换气过程没有燃料损失，多用于对动力机要求功率大、重量轻的轮船上。湖南生物机电职业技术学院扶爱民1.2发动机性能指标发动机的性能指标可分为四大类：指示性能指标、有效性能指标、环境性能指标和其它性能指标。具体表现发动机的动力性、经济性、运转性和耐久可靠性指标等。P-V图曲线包容的面积表示工质完成一个实际循环所做的有用功。P-图称为展开示功图。湖南生物机电职业技术学院扶爱民一、指示性能指标评定发动机实际循环情况优劣的指标。（一）指示功Wi和平均指示压力Pi1、指示功Wi一个实际循环工质对活塞所做的有用功，（KJ）。Wi

＝示功图baczb所围面积2、平均指示压力Pi

循环指示功Wi与气缸工作容积Vh之比。（KPa）

Pi的一般范围：汽油机0.8-1.5MPa；柴油机0.7-1.1MPa；增压柴油机1-2.5MPa。湖南生物机电职业技术学院扶爱民（二）指示功率NiNi——发动机单位时间内所做的指示功。KWPi—平均压力（KPa）；Vh—单缸工作容积（L）；i—缸数；n—转速（r/min）。τ—冲程数为。（三）指示燃油消耗率gigi—指单位指示功所消耗的燃油量。（g/KW·h）gi的大致范围：柴油机为170g/（KW·h）~200g/（KW·h）；汽油机为230g/（KW·h）~340g/（KW·h）。湖南生物机电职业技术学院扶爱民∵Q1≠0，∴ηi<1

i的大致范围：汽:

i=0.2~0.4，柴：

i=0.4~0.5（四）指示热效率ηiηi—发动机实际循环指示功与所消耗燃料热量之比。二、有效性能指标Pe、Me、ge。以曲轴输出的净功率建立的指标，综合反映发动机工况，是描述、比较、检测发动机性能的重要参数。湖南生物机电职业技术学院扶爱民（一）有效功率Pe

由曲轴输出功率。测功机实测而得。（二）转速n和活塞平均速度Cm

Cm增大，活塞组热负荷和曲连机构惯性力均增大，磨损加剧，寿命下降，Cm—发动机强化程度的参数。一般汽油机不超过18m/s；柴油机不超过13m/s。n、Cm、S/D值的大致范围机型n（r/min）Cm（m/s）S/D小客车汽油机5000~800012~180.7~1.0载货车汽油机3600~45001~-150.8~1.2汽车汽油机2000~50009~150.7~1.2增压柴油机1500~40008~120.9~1.3※

S—活塞行程；D—气缸直径湖南生物机电职业技术学院扶爱民（三）有效转矩Me。曲轴飞轮对外旋转作功的力矩。Me由试验测得，Me、Pe、n三者关系：（四）平均有效压力PePe—发动机单位气缸工作容积输出的有效功，（KPa）KW或KPaPe的大致范围：汽油机0.7MPa~1.3MPa；柴油机0.6MPa~1.0MPa；增压柴油机0.9MPa~2.2MPa湖南生物机电职业技术学院扶爱民作用：比较不同排量发动机的动力性。4、有效燃油消耗率ge。单位有效功的燃油消耗量：大致，汽：ge=270~410g/kW·h，柴：ge=215~285g/kW·h。三、经济性指标（一）有效热效率ηeηe—循环有效功与所消耗燃料的热量之比。湖南生物机电职业技术学院扶爱民（三）标定性能指标标于铭牌、说明书上的性能参数。Pe、Me，ge。GB规定：标定Pe时，常给出两种或以上Pe，如15min、1h、12h及24h功率等。GB规定，标定Pe、Me，应注明相应转速。三、充气系数

V

V恒小于1。不同发动机的

V差别较大。汽：

V=0.7~0.85，柴：

V=0.75~0.90。提高

V的措施设计上：合理气道结构、形状、尺寸、进排气歧管配置、适宜的配气相位及采多气门结构使用上：定期清洗空滤器、检调配气相。湖南生物机电职业技术学院扶爱民四、强化指标强化指标是指发动机承受热负荷和机械负荷能力的评价指标，一般包括升功率和强化系数等。1．升功率标定工况下，单位发动机排量输出的有效功率称为升功率。升功率大，表明每升气缸工作容积发出的有效功率大，发动机的热负荷和机械负荷都高。2．强化系数平均有效压力与活塞平均速度的乘积称为强化系数。活塞平均速度是指发动机在标定转速下工作时，活塞往复运动速度的平均值。湖南生物机电职业技术学院扶爱民五、紧凑性指标是表征发动机总体结构紧凑程度指标，常用比容积和比质量衡量。1．比容积发动机外廓体积与其标定功率的比值称为比容积。2．比质量发动机的干质量与其标定功率的比值称为比质量。干质量是指未加注燃油、机油和