汽車構造-課件-發(fā)動機的工作原理與總體構造

AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/211發(fā)動機的工作原理與總體構造

概述四行程發(fā)動機的工作原理發(fā)動機的總體構造發(fā)動機的主要性能指標與特性內(nèi)燃機的名稱及型號編制規(guī)則AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/212

概述1.發(fā)動機的概念發(fā)動機是將某一種形式的能量轉換為機械能的機器。發(fā)動機借助工質的變化將燃料燃燒所產(chǎn)生的熱能轉變?yōu)闄C械能。發(fā)動機分為內(nèi)燃機和外燃機兩種內(nèi)燃機將液體燃料或氣體燃料和空氣混合后直接輸入機器內(nèi)部燃燒產(chǎn)生熱能，熱能再轉變?yōu)闄C械能的裝置。主要包括活塞式內(nèi)燃機和燃氣輪機。外燃機燃料在其外部的鍋爐內(nèi)燃燒，加熱鍋爐的水，使之變?yōu)楦邷?、高壓的水蒸氣，在送往機器內(nèi)部，將其轉化為機械能的裝置。與外燃機相比，內(nèi)燃機具有熱效率高、體積小、便于移動、啟動性能好和維修方便等優(yōu)點，因而廣泛應用于現(xiàn)代汽車上。AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/213

概述2.內(nèi)燃機的分類主要部件形式活塞式活塞運動方式往復活塞式旋轉活塞式燃氣輪機二行程發(fā)動機四行程發(fā)動機活塞行程數(shù)壓燃式（柴油機）點燃式（汽油機）點火方式風冷式水冷式冷卻方式多缸機單缸機氣缸數(shù)目W型V型對置斜置直列氣缸排列方式AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/214概述直列斜置對置V型AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/215概述W型發(fā)動機布置實例AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/216概述內(nèi)燃機的分類所使用的燃料汽油機以汽油為燃料，利用化油器或以電噴方式是汽油和空氣混合后吸入發(fā)動機氣缸內(nèi)，用電火花強制點燃使其燃燒，產(chǎn)生熱能而膨脹做功。柴油機以柴油為燃料，利用噴油泵使柴油在高壓下由噴油器直接噴入發(fā)動機氣缸內(nèi)，與氣缸內(nèi)的高溫壓縮空氣混合形成可燃氣，自燃后產(chǎn)生熱能膨脹做功。壓縮天然氣發(fā)動機利用壓縮天然氣為燃料的內(nèi)燃機液化石油氣發(fā)動機使用液化石油氣為燃料的內(nèi)燃機雙燃料發(fā)動機可同時使用兩種燃料的內(nèi)燃機，如壓縮天然氣/汽油發(fā)動機、液化石油氣/汽油發(fā)動機、氫氣/汽油發(fā)動機AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2171.2

四行程發(fā)動機的工作原理發(fā)動機常用術語（1）上止點（2）下止點（3）活塞行程（4）曲柄半徑（5）氣缸工作容積（6）內(nèi)燃機排量（7）燃燒室容積（8）氣缸總容積（9）壓縮比單缸發(fā)動機示意圖AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/218四行程發(fā)動機的工作原理AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/219四行程發(fā)動機的工作原理AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2110四行程發(fā)動機的工作原理發(fā)動機的工作原理(1)四行程汽油機的工作原理單缸四行程汽油機結構示意圖1化油器7曲軸2火花塞8油底殼3氣缸9機油泵4活塞10進氣管5活塞銷11進氣門6連桿12排氣門AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2111四行程發(fā)動機的工作原理四行程汽油機的工作過程AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2112四行程發(fā)動機的工作原理四行程工作過程示意圖AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2113四行程發(fā)動機的工作原理四行程汽油機的發(fā)動機示功圖AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2114四行程發(fā)動機的工作原理(2)四行程柴油機的工作原理單缸四行程柴油機示意圖1-噴油器；2-噴油泵四行程柴油機和四行程汽油機的工作過程相同，每個工作循環(huán)也經(jīng)歷進氣、壓縮、做功和排氣4個行程。但是柴油機可燃混合氣體的形成（進入氣缸的是空氣）及點火方式不同于汽油機（無點火系、有噴油器）。AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2115四行程發(fā)動機的工作原理汽油機與柴油機的優(yōu)缺點a、由于柴油機壓縮比較高，燃料燃燒非常完全，所以柴油機的有效熱效率好，經(jīng)濟性好。

b、柴油機無點火系，所以故障少些，易保養(yǎng)。但柴油機有高精度零件如噴油泵、噴油器等，其成本較高，并且加工較難。c、柴油機最高爆發(fā)壓力高，所以對發(fā)動機的零部件強度要求高，這樣導致柴油機笨重。AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2116四行程發(fā)動機的工作原理d、柴油機轉速低于汽油機原因：1）由于柴油機的壓縮比高，所以其受到的機械負荷較大，故其零部件的質量需較大，導致運動時慣性力較大。

2）汽油機可燃混合氣的混合時間和質量優(yōu)于柴油機。

e、柴油機運轉噪音高，微粒排放比較高，但有害氣體的排放要優(yōu)于汽油機。f、柴油機啟動困難，汽油機易啟動。AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/21171.3發(fā)動機的總體構造典型汽油機結構示意圖AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2118發(fā)動機的總體構造1.機體組與曲柄連桿機構機體組曲柄連桿機構AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2119機體組與曲柄連桿機構功用：將燃料燃燒時產(chǎn)生的熱能轉變?yōu)榛钊鶑瓦\動的機械能，再通過連桿將活塞的往復運動變?yōu)榍S的旋轉運動而對外輸出動力?；钊B桿組及曲軸飛輪組結構示意圖AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2120機體組AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2121活塞連桿組1、活塞活塞的主要作用是承受汽缸中的燃燒壓力，并將此力通過活塞銷和連桿傳給曲軸。此外，活塞還與汽缸蓋、氣缸壁共同組成燃燒室?；钊前l(fā)動機中工作條件最嚴酷的零件：作用在活塞上的有氣體力和往復慣性力?；钊斉c高溫燃氣直接接觸，使活塞頂?shù)臏囟群芨??；钊趥葔毫Φ淖饔孟卵貧飧妆诿娓咚倩瑒樱捎跐櫥瑮l件差，因此摩擦損失大，磨損嚴重。（1）活塞常用材料：常用的是鋁合金；新材料（發(fā)泡石墨活塞、鋁基復合材料、合金鑄鐵、耐熱鋼、金屬陶瓷等）。AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2122活塞連桿組（2）活塞結構：活塞可視為由頂部、頭部和裙部等3部分構成?；钊Y構剖視圖AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2123曲軸飛輪組1、曲軸曲軸的功用是把活塞、連桿傳來的氣體壓力轉變?yōu)檗D矩，用以驅動汽車的傳動系統(tǒng)和發(fā)動機的配氣機構以及其他輔助裝置（如汽油泵、機油泵、分電器、發(fā)電機、水泵風扇等）。（1）常用材料曲軸一般由45、40Cr、35Mn2、50MnB等中碳鋼和中碳合金鋼模鍛而成，軸頸表面經(jīng)高頻淬火或氮化處理，最后進行精加工?，F(xiàn)代汽車發(fā)動機廣泛采用球墨鑄鐵曲軸。微合金非調質鋼曲軸是近年來發(fā)展起來的新鋼種。AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2124發(fā)動機的總體構造2.配氣機構AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2125

充氣效率配氣機構的功用是根據(jù)發(fā)動機每一缸內(nèi)進行的工作循環(huán)和發(fā)火順序的要求，定時地開啟和關閉各氣缸的進、排氣門，以保證新鮮可燃混合氣（汽油機）或空氣（柴油機）得以及時進入氣缸并把燃燒生成的廢氣及時排出氣缸。配氣機構應使發(fā)動機在各種工況下工作時獲得最佳的進氣量，以保證發(fā)動機在各種工況下工作時發(fā)出最好的性能。發(fā)動機在全負荷下工作時，需獲得最大功率和轉矩，這就要求在此工況下，配氣機構應保證獲得最大進氣充量。吸入的進氣越多，發(fā)動機發(fā)出的功率和轉矩越大。進氣充滿氣缸的程度，常用充氣效率（也稱充氣系數(shù)）表示。AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2126充氣效率充氣效率就是指在進氣過程中，實際進入氣缸的新鮮空氣或可燃混合氣的質量與在理想狀況下充滿氣缸工作容積的新鮮空氣或可燃混合氣的質量之比。即式中：M—進氣過程中實際充入氣缸的進氣量；

M0--進氣狀態(tài)下充滿氣缸容積的進氣量。充氣效率越高，表明充入氣缸的新鮮氣量越多，燃燒后放出的熱量越多，發(fā)動機發(fā)出的功率就越大。一般情況下發(fā)動機充氣效率總是小于1的。充氣效率的大致范圍是：四沖程汽油機0.7～0.85；四沖程非增壓柴油機0.75～0.90；四沖程增壓柴油機0.90～1.05。AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2127充氣效率影響充氣效率的主要因素有：①進氣終了時的氣缸壓力；②進氣終了時的氣缸內(nèi)溫度；③上一循環(huán)殘留在氣缸內(nèi)的高溫廢氣。提高充氣效率的措施是：①減少進氣門處的流動損失；②減少整個進氣管道的流通阻力；③減少對空氣（或混合氣的）熱傳導；④減少排氣系統(tǒng)對氣流的阻力；⑤合理選擇配氣相位，使吸氣和排氣過程盡可能充分。AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2128

配氣機構的布置形式氣門頂置式配氣機構是目前應用最廣泛的一種配氣機構形式，其進氣門和排氣門都倒裝在汽缸蓋上。其組成主要包括：氣門頂置式配氣機構正時齒輪16氣門室罩8凸輪軸15鎖片7挺柱14氣門彈簧座6推桿13氣門副彈簧5調整螺釘12氣門主彈簧4鎖緊螺母11氣門3搖臂10氣門導管2搖臂軸9汽缸蓋1AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2129配氣機構的布置形式發(fā)動機工作時，曲軸通過正時齒輪驅動凸輪軸旋轉。當凸輪軸轉到凸輪的凸起部分頂起挺柱時，通過推桿和調整螺釘使搖臂繞搖臂軸擺動，壓縮氣門彈簧，使氣門離座，即氣門開啟。當凸輪凸起部分離開挺柱后，氣門便在氣門彈簧力作用下上升而落座，即氣門關閉。四沖程發(fā)動機每完成一個工作循環(huán)，曲軸旋轉兩周，各缸的進、排氣門各開啟一次，此時凸輪軸只旋轉一周。因此曲軸與凸輪軸之比即傳動比）應為2∶1。目前，國內(nèi)外汽車發(fā)動機幾乎都采用氣門頂置式配氣機構。AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2130配氣相位用曲軸轉角表示的進、排氣門實際開閉時刻和開啟持續(xù)時間，稱為配氣相位。通常用相對于上、下止點曲拐位置的曲軸轉角的環(huán)形圖來表示，這種圖形稱為配氣相位圖。理論上，四行程發(fā)動機的進氣門當曲拐處于上止點時開啟，在下止點時關閉；排氣門則當曲拐在下止點時開啟，上止點時關閉。進氣時間和排氣時間各占180°曲軸轉角。實際上，由于發(fā)動機轉速很高，活塞的每一行程歷時相當短。在這么短的時間內(nèi)換氣，勢必造成進氣不足和排氣不凈，從而使發(fā)動機功率下降。因此，發(fā)動機氣門開閉都是提前開、遲后關一定的曲軸轉角。AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2131配氣相位1、進排氣門的配氣相位（1）進氣門進氣門在進氣行程上止點之前開啟謂之早開。從進氣門開到上止點曲軸所轉過的角度稱作進氣提前角，記作α。進氣門在進氣行程下止點之后關閉謂之晚關。從進氣行程下止點到進氣門關閉曲軸轉過的角度稱作進氣遲后角，記作β。整個進氣過程持續(xù)的時間或進氣持續(xù)角為180°+α＋β曲軸轉角。一般α＝0°～30°、β＝30°～80°曲軸轉角。發(fā)動機配氣相位圖AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2132

可變進氣系統(tǒng)為了解決發(fā)動機高速動力性和中小負荷經(jīng)濟性的矛盾，發(fā)展了可變技術，可變進氣系統(tǒng)就是其中的一例。1、可變氣門正時及升程電子控制系統(tǒng)(VTEC)VTEC是一種采用在一根凸輪軸上設計兩種不同定時和升程的凸輪，且利用油壓進行切換的裝置。主要由中間搖臂、主搖臂、副搖臂、同步活塞和凸輪軸組成。中間搖臂在發(fā)動機高速時使用，主副搖臂在低速時使用。AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2133可變進氣系統(tǒng)可變氣門正時及升程電子控制系統(tǒng)1同步活塞A5主搖臂2空動機構組件6副搖臂3同步活塞B7進氣門4中間搖臂8凸輪軸AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2134可變進氣系統(tǒng)AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2135可變進氣系統(tǒng)AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2136可變進氣系統(tǒng)2、多氣門分段工作進氣系統(tǒng)發(fā)動機在低速、中小負荷時，僅主氣門打開，經(jīng)濟性較好；發(fā)動機在高速、大負荷時，主、副氣門都打開，動力性較好。多氣門分段工作原理1—主進氣門；2—副進氣門；3—排氣門；4—螺旋進氣道AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2137可變進氣系統(tǒng)3、雙進氣管分段工作進氣系統(tǒng)利用進氣管道面積的變化形成可變系統(tǒng)來改善可燃混合氣的混合和燃燒狀態(tài)。雙進氣管分段工作進氣系統(tǒng)(左)主進氣管關，副進氣管開(右)主副進氣管開AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2138可變進氣系統(tǒng)4、進氣管長度及面積可變進氣系統(tǒng)進氣管長度及面積可變進氣系統(tǒng)工作原理AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2139發(fā)動機的總體構造3.燃料供給系化油器式汽油機燃油供給系AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2140燃料供給系概述1、任務和分類汽油機燃料供給系的任務是根據(jù)發(fā)動機各種不同工況的要求，將空氣與霧化后的汽油充分混合形成一定數(shù)量和濃度的可燃混合氣，供入氣缸，使之在臨近壓縮終了時點火燃燒而膨脹做功，最后將燃燒產(chǎn)物——廢氣排至大氣中。按照燃油供給方式的不同，分為化油器式燃料供給系和電子控制汽油噴射式燃料供給系。隨著電子技術的發(fā)展和汽車發(fā)動機排放標準的日益提高，使得電子控制汽油噴射技術得到了迅速發(fā)展，化油器式供給方式已逐步淘汰。AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2141燃料供給系概述5、發(fā)動機各工況對可燃混合氣濃度的要求汽車在行駛過程中的載荷、車速、路況等經(jīng)常變化，因此汽車發(fā)動機工作時有以下特點：(a)工況變化大，負荷從0到滿載，轉速從最低穩(wěn)定轉速到最高轉速。(b)在汽車行駛的大部分時間內(nèi)，發(fā)動機處于中等負荷工況。車用汽油機在不同工況下對混合氣成分有不同要求，主要有：(1)起動發(fā)動機冷起動時轉速極低(50~100r/min)，要求供給極濃混合氣，需要供給過量的汽油。(2)怠速及小負荷怠速指發(fā)動機對外無功率輸出情況下的最低轉速。AUTOMOBILESTRUCTURE2023/9/2142燃料供給系概述為保證怠速時混合氣能正常燃燒，應提供較濃混合氣；小負荷時可