發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理

1、發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理及發(fā)展趨勢摘要：發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車生產(chǎn)方面起著核心性作用，而我國發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)由于起步較晚，相對于國外的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)來說在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性方面都不理想。近20 年來, 面對世界石油資源日趨枯竭給社會發(fā)展帶來的壓力，世界汽車界不停地在尋找實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的解決方法。一、引言發(fā)動(dòng)機(jī)是的工業(yè)的心臟，生活的助力器，它與我們的生活密不可分。發(fā)動(dòng)機(jī)在國外的發(fā)展已有上百年的歷史了，但國內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)卻還處于起步階段，本文主要討論汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展史、工作原理、種類、故障原因及國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的未來發(fā)展趨勢。掌握國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作生產(chǎn)需求方向，了解國內(nèi)現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)工藝，是在今

2、后的發(fā)動(dòng)機(jī)制造生產(chǎn)中不可缺少的基礎(chǔ)。二、發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展史18世紀(jì)中葉，瓦特發(fā)明了蒸氣機(jī)，此后人們開始設(shè)想把蒸汽機(jī)裝到車子上載人。法國的居紐是第一個(gè)將蒸汽機(jī)裝到車子上的人。1770年，居紐制作了一輛三輪蒸汽機(jī)車。這輛車全長7.23米，時(shí)速為3.5公里,是世界上第一輛蒸汽機(jī)車。1858年，定居在法國巴黎的里諾發(fā)明了煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)，并于1860年申請了專利。發(fā)動(dòng)機(jī)用煤氣和空氣的混合氣體取代往復(fù)式蒸汽機(jī)的蒸汽，使用電池和感應(yīng)線圈產(chǎn)生電火花，用電火花將混合氣點(diǎn)燃爆發(fā)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)有氣缸、活塞、連桿、飛輪等。煤氣機(jī)是內(nèi)燃機(jī)的初級產(chǎn)品，因?yàn)槊簹獍l(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比為零。1867年，德國人奧托受里諾研制煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)的啟發(fā)，對

3、煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了大量的研究，制作了一臺臥式氣壓煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)，后經(jīng)過改進(jìn)，于1878年在法國舉辦的國際展覽會上展出了他制作的樣品。由于該發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率高，引起了參觀者極大的興趣。在長期的研究過程中，奧托提出了內(nèi)燃機(jī)的四沖程理論，為內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明奠定了理論基礎(chǔ)。德國人奧姆勒和卡爾·本茨根據(jù)奧托發(fā)動(dòng)機(jī)的原理，各自研制出具有現(xiàn)代意義的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，為汽車的發(fā)展鋪平了道路。1892年，德國工程師狄塞爾根據(jù)定壓熱功循環(huán)原理，研制出壓燃式柴油機(jī)，并取得了制造這種發(fā)動(dòng)機(jī)的專利權(quán)。1957年，德國人汪克爾發(fā)明了轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，這是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要分支。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是利用內(nèi)轉(zhuǎn)子圓外旋輪線和外轉(zhuǎn)子圓

4、內(nèi)旋輪線相結(jié)合的機(jī)構(gòu)，無曲軸連桿和配氣機(jī)構(gòu)，可將三角活塞運(yùn)動(dòng)直接轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。它的零件數(shù)比往復(fù)活塞式汽油少40%，質(zhì)量輕、體積小、轉(zhuǎn)速高、功率大。1958年汪克爾將外轉(zhuǎn)子改為固定轉(zhuǎn)子為行星運(yùn)動(dòng)，制成功率為22.79千瓦、轉(zhuǎn)速為5500轉(zhuǎn)/分的新型旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。該機(jī)具有重要的開發(fā)價(jià)值，因而引起各國的重視。日本東洋公司（馬自達(dá)公司）買下了轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的樣機(jī)，并把轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)裝在汽車上，可以說，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)生在德國，長在日本。三、發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理及分類一、發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理主要包括進(jìn)氣、壓縮、作功、排氣四個(gè)過程。要完成熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過進(jìn)氣，把可燃混合氣(或新鮮空氣)引入氣缸;然

5、后將進(jìn)入氣缸的可燃混合氣(或新鮮空氣)壓縮，壓縮接近終點(diǎn)時(shí)點(diǎn)燃可燃混合氣(或?qū)⒉裼透邏簢娙霘飧變?nèi)形成可燃混合氣并引燃);可燃混合氣著火燃燒，膨脹推動(dòng)活塞下行實(shí)現(xiàn)對外作功;最后排出燃燒后的廢氣。圖1. 內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)總體構(gòu)造進(jìn)氣、壓縮、作功、排氣四個(gè)過程即為發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)，工作循環(huán)不斷地重復(fù)，就實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換，使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。其中，完成一個(gè)工作循環(huán)，曲軸轉(zhuǎn)1圈(360°)，活塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)2次，稱為二行程發(fā)動(dòng)機(jī)。而把完成一個(gè)工作循環(huán)，曲軸轉(zhuǎn)2圈(720°)，活塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)四次，稱為四行程發(fā)動(dòng)機(jī)（如圖1所示）。二、四行程汽油機(jī)的工作原理四行程汽油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是按進(jìn)氣行程

6、、壓縮行程、作功行程和排氣行程的順序不斷循環(huán)反復(fù)的（如圖2所示）。1）進(jìn)氣行程由于曲軸的旋轉(zhuǎn)，活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)排氣門關(guān)閉，進(jìn)氣門打開。進(jìn)氣過程開始時(shí)，活塞位于上止點(diǎn)，氣缸內(nèi)殘存有上一循環(huán)未排凈的廢氣，因此，氣缸內(nèi)的壓力稍高于大氣壓力。隨著活塞下移，氣缸內(nèi)容積增大，壓力減小，當(dāng)壓力低于大氣壓時(shí)，在氣缸內(nèi)產(chǎn)生真空吸力，空氣經(jīng)空氣濾清器并與化油器供給的汽油混合成可燃混合氣，通過進(jìn)氣門被吸入氣缸，直至活塞向下運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)。在進(jìn)氣過程中，受空氣濾清器、化油器、進(jìn)氣管道、進(jìn)氣門等阻力影響，進(jìn)氣終了時(shí)，氣缸內(nèi)氣體壓力略低于大氣壓，約為0.0750.09MPa，同時(shí)受到殘余廢氣和高溫機(jī)件加熱的影

7、響，溫度達(dá)到370400K。實(shí)際汽油機(jī)的進(jìn)氣門是在活塞到達(dá)上止點(diǎn)之前打開，并且延遲到下止點(diǎn)之后關(guān)閉，以便吸入更多的可燃混合氣。圖2 四行程發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部工作原理2）壓縮行程曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)進(jìn)氣門和排氣門都關(guān)閉，氣缸內(nèi)成為封閉容積，可燃混合氣受到壓縮，壓力和溫度不斷升高，當(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)壓縮行程結(jié)束。此時(shí)氣體的壓力和溫度主要隨壓縮比的大小而定，可燃混合氣壓力可達(dá)0.61.2MPa，溫度可達(dá)600700K。壓縮比越大，壓縮終了時(shí)氣缸內(nèi)的壓力和溫度越高，則燃燒速度越快，發(fā)動(dòng)機(jī)功率也越大。但壓縮比太高，容易引起爆燃。所謂爆燃就是由于氣體壓力和溫度過高，可燃混合氣在沒有點(diǎn)燃的情

8、況下自行燃燒，且火焰以高于正常燃燒數(shù)倍的速度向外傳播，造成尖銳的敲缸聲。會使發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，功率下降，汽油消耗量增加以及機(jī)件損壞。輕微爆燃是允許的，但強(qiáng)烈爆燃對發(fā)動(dòng)機(jī)是很有害的。3）作功行程作功行程包括燃燒過程和膨脹過程，在這一行程中，進(jìn)氣門和排氣門仍然保持關(guān)閉。當(dāng)活塞位于壓縮行程接近上止點(diǎn)(即點(diǎn)火提前角)位置時(shí)，火花塞產(chǎn)生電火花點(diǎn)燃可燃混合氣，可燃混合氣燃燒后放出大量的熱使氣缸內(nèi)氣體溫度和壓力急劇升高，最高壓力可達(dá)35MPa，最高溫度可達(dá)22002800K，高溫高壓氣體膨脹，推動(dòng)活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，通過連桿使曲軸旋轉(zhuǎn)并輸出機(jī)械功，除了用于維持發(fā)動(dòng)機(jī)本身繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)外，其余用于對外作功。隨著活塞

9、向下運(yùn)動(dòng)，氣缸內(nèi)容積增加，氣體壓力和溫度降低，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)時(shí)，作功行程結(jié)束，氣體壓力降低到0.30.5MPa，氣體溫度降低到13001600K。4）排氣行程可燃混合氣在氣缸內(nèi)燃燒后生成的廢氣必須從氣缸中排出去以便進(jìn)行下一個(gè)進(jìn)氣行程。當(dāng)作功接近終了時(shí)，排氣門開啟，進(jìn)氣門仍然關(guān)閉，靠廢氣的壓力先進(jìn)行自由排氣，活塞到達(dá)下止點(diǎn)再向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，繼續(xù)把廢氣強(qiáng)制排出到大氣中去，活塞越過上止點(diǎn)后，排氣門關(guān)閉，排氣行程結(jié)束。實(shí)際汽油機(jī)的排氣行程也是排氣門提前打開，延遲關(guān)閉，以便排出更多的廢氣。由于燃燒室容積的存在，不可能將廢氣全部排出氣缸。受排氣阻力的影響，排氣終止時(shí)，氣體壓力仍高于大氣壓力，約為0.1

10、050.115MPa，溫度約為9001200K。曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，又開始了下一個(gè)新的循環(huán)過程?？梢娝男谐唐蜋C(jī)經(jīng)過進(jìn)氣、壓縮、作功、排氣四個(gè)行程完成一個(gè)工作循環(huán)，這期間活塞在上、下止點(diǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)了四個(gè)行程，相應(yīng)地曲軸旋轉(zhuǎn)了兩圈。三、發(fā)動(dòng)機(jī)的分類根據(jù)所用燃料不同，發(fā)動(dòng)機(jī)可以分為汽油機(jī)、柴油機(jī)和氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。以汽油或柴油為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)分別稱為汽油機(jī)和柴油機(jī)。使用天然氣、液化石油氣和其它氣體燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)稱為氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。按照冷卻方式的不同，發(fā)動(dòng)機(jī)可以分為水冷發(fā)動(dòng)機(jī)和風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)兩種。利用水或冷卻液作為冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻的稱為水冷發(fā)動(dòng)機(jī)，利用空氣作為冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻的稱為風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)

11、。按照完成一個(gè)工作循環(huán)所需的行程數(shù)不同，內(nèi)燃機(jī)可分為四行程內(nèi)燃機(jī)和二行程內(nèi)燃機(jī)。把曲軸轉(zhuǎn)兩圈(720°)，活塞在氣缸內(nèi)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)四個(gè)行程，完成一個(gè)工作循環(huán)的內(nèi)燃機(jī)稱為四行程內(nèi)燃機(jī);而把曲軸轉(zhuǎn)一圈(360°)，活塞在氣缸內(nèi)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)兩個(gè)行程，完成一個(gè)工作循環(huán)的內(nèi)燃機(jī)稱為二行程內(nèi)燃機(jī)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛使用四行程內(nèi)燃機(jī)。按照進(jìn)氣狀態(tài)不同，活塞式內(nèi)燃機(jī)可分為增壓和非增壓兩種，若進(jìn)氣是在接近大氣狀態(tài)下進(jìn)行的，則為非增壓式或自然吸氣式內(nèi)燃機(jī);若利用增壓器將進(jìn)氣壓力增高，進(jìn)氣密度增大，則為增壓式內(nèi)燃機(jī)。增壓可以提高內(nèi)燃機(jī)功率。汽油機(jī)常采用自然吸氣式;柴油機(jī)為了提高功率有采用增壓式的。四

12、、發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)1、排量最常見的一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)排量。發(fā)動(dòng)機(jī)排量是發(fā)動(dòng)機(jī)各氣缸工作容積的總和，一般用升（L）表示。而汽缸工作容積則是指活塞從上止點(diǎn)到下止點(diǎn)所掃過的氣體容積，又稱為單缸排量，它取決于缸徑和活塞行程。發(fā)動(dòng)機(jī)排量是非常重要的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，它比缸徑和缸數(shù)更能代表發(fā)動(dòng)機(jī)的大小，發(fā)動(dòng)機(jī)的許多指標(biāo)都同排氣量密切相關(guān)。一般來說，排量越大，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率越大。2、缸數(shù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)常用缸數(shù)有3缸、4缸、6缸、8缸、10缸、12缸等。3、氣缸排列形式氣缸排列形式，顧名思義，是指多氣缸內(nèi)燃機(jī)各個(gè)氣缸排布的形式，直白的說，就是一臺發(fā)動(dòng)機(jī)上氣缸所排出的隊(duì)列形式。主流的汽車氣缸排列形式是：直列（縮寫：L）

13、；V型排列（V）；非主流的汽車氣缸排列形式是W型排列（W）；水平對置發(fā)動(dòng)機(jī)（H）；轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)（R）。五、發(fā)動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及布局1、發(fā)動(dòng)機(jī)的組成汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的基本組成是由：氣缸體、曲軸箱、氣缸蓋、汽缸墊、OHV、爆震傳感器、鉑金火花塞、頂置凸輪軸、分電器、缸線、活塞、火花塞、機(jī)濾、節(jié)氣門、節(jié)溫器、冷卻系統(tǒng)、噴油嘴、平衡軸、啟動(dòng)系統(tǒng)、氣門、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、曲軸、潤滑系統(tǒng)、中冷器。2、發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)布局發(fā)動(dòng)機(jī)可以說是汽車上最重要的部分，而它的布置形式對于汽車的性能具有重大影響。對于轎車來說，發(fā)動(dòng)機(jī)的布置位置可以簡單的分為前置、中置和后置三種。目前市面上大多數(shù)車型都是采用的前置發(fā)動(dòng)機(jī)，中置和后置發(fā)動(dòng)機(jī)只在少

14、數(shù)的性能跑車上使用。前置發(fā)動(dòng)機(jī)，即發(fā)動(dòng)機(jī)位前輪軸之前。前置發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是簡化了車子變速器與驅(qū)動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)，特別是對于目前占絕對主流的前輪驅(qū)動(dòng)車型而言，發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)力直接輸送到前輪上，省略了長長的傳動(dòng)軸，不但減少了功率傳遞損耗，也大大降低了動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和故障率。另外，將發(fā)動(dòng)機(jī)置駕駛員的前方，在正面撞車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以保護(hù)駕駛員免受沖擊，從而提高了車的安全性。四、發(fā)動(dòng)機(jī)的常見故障及原因1、 發(fā)動(dòng)機(jī)油耗過大故障原因：1）冷卻液溫度傳感器失常。2）空氣流量計(jì)或進(jìn)氣壓力傳感器失常。3）節(jié)氣門位置傳感器失常。4）燃油壓力過高。5）冷起動(dòng)噴油器漏油或冷起動(dòng)控制失常。6）噴油器漏油。7）氧傳感器失效。8）點(diǎn)

15、火系統(tǒng)故障。9）發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械部件故障（缸壓過低等）。10）配氣相位不正確。11）ECU及連接器故障。2、發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)熄火故障原因：1）進(jìn)氣管路真空泄漏。2）怠速調(diào)整不當(dāng)、節(jié)氣門體過臟、怠速控制系統(tǒng)不良等造成的怠速不穩(wěn)。3）燃油壓力不穩(wěn)定，例如電動(dòng)燃油泵電刷過度磨損或接觸不良，或燃油泵濾網(wǎng)堵塞等。4）廢氣再循環(huán)閥門阻塞或底部泄漏。5）燃油泵電路、噴油器驅(qū)動(dòng)電路等電路有接觸不良等故障。6）燃油泵繼電器、EFI繼電器、點(diǎn)火繼電器不良等。7）點(diǎn)火系工作不良。例如高壓火弱，火花塞使用時(shí)間過久，點(diǎn)火正時(shí)不對，點(diǎn)火線圈接觸不良或熱態(tài)時(shí)存在匝間短路導(dǎo)致沒有高壓火花或高壓火花弱，低壓線路接觸不良，絕緣膠損壞間歇搭鐵等。8）節(jié)氣門位置傳感器不